image
energas.ru

Газовая промышленность № 02 2018

Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов

01.02.2018 11:00 Разработка и испытание опытного образца устройства для гальванического разделения систем защитного заземления и катоднозащищаемых объектов на территории промышленных площадок
Подземные участки технологических трубопроводов на территории промышленных площадок относятся к зонам повышенной коррозионной опасности. Средства электрохимической защиты должны обеспечивать высокую степень защиты трубопроводов от коррозии по протяженности и во времени в соответствии с нормативными требованиями. Анализ результатов электрометрических обследований трубопроводной обвязки промышленных площадок показывает, что в большинстве случаев снижение потенциала «труба – земля» на отдельных участках подземных технологических трубопроводов связано с явлением экранирования тока катодной защиты контурами защитных заземлений. Одним из вариантов решения проблемы является установка устройств развязки постоянного тока между сооружениями, подлежащими катодной защите, и системой заземления электрооборудования. Обзор устройств, предназначенных для гальванического разделения объектов, показал, что существующие разработки имеют ряд недостатков, наличие которых позволяет сделать вывод о необходимости создания нового устройства, позволяющего осуществлять гальваническую развязку катоднозащищаемых объектов и контуров защитного заземления, расположенных на территории промышленных площадок, в целях повышения эффективности электрохимической защиты подземных сооружений от коррозии. Предложена конструкция нового устройства, основной блок которого состоит из диодов, соединенных встречно-параллельно, что обеспечивает требуемое падение напряжения между защищаемым сооружением и защитным заземлением и позволяет минимизировать влияние защитных заземлений на эффективность катодной защиты, снижает расход электроэнергии на катодную защиту и нагрузку на преобразователи станций катодной защиты и позволяет избежать ускоренной потери металла анодных заземлений. В работе приведены результаты лабораторных и промышленных испытаний прототипов устройства, которые позволяют сделать вывод об эффективности его применения в целях снижения экранирующего эффекта, оказываемого защитным заземлением, расположенным между анодным заземлением и катоднозащищаемым трубопроводом.
Ключевые слова: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ТРУБОПРОВОД, ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА, ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ, ЭКРАНИРОВАНИЕ КАТОДНОГО ТОКА, ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ РАЗВЯЗКА, ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО.
Открыть PDF


АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Конфигурация подземных трубопроводных систем, коммуникаций и оборудования промышленных площадок, например насосных, компрессорных, газораспределительных станций (ГРС), представляет собой сложную взаимосвязанную систему электродов, соединенных посредством грунта и наружных электрических связей. В соответствии с требованиями нормативной документации [1] часть их подлежит защите от коррозии средствами электрохимической защиты (ЭХЗ). При этом некоторые электроды этой системы (защитные заземления электрооборудования, свайный фундамент, стальная арматура и пр.) могут конструктивно включаться в схему активной защиты, вызывая экранирование натекания защитных токов на сооружения, требующие ЭХЗ, и влечет за собой многократный рост потребления электроэнергии установками катодной защитой. Практика показывает, что до 90–95 % защитного тока натекает на защитные заземления (ЗЗ), что на порядок снижает работоспособность и срок службы анодных заземлений, а также приводит к тому, что даже в случае выполнения требований по обеспечению требуемой степени защищенности трубопроводов по величине потенциала «труба – земля» [1] коэффициент загрузки преобразователей станций катодной защиты по току и мощности превышает 0,7–0,8. Это снижает их надежность и приводит к невозможности обеспечения эффективной ЭХЗ в среднесрочной перспективе при частичном уменьшении величины переходного сопротивления изоляции трубопроводов. В связи с этим задача выбора эффективных схем ЭХЗ и повышения энергоэффективности противокоррозионной защиты трубопроводов промышленных площадок в целом становится все более актуальной, а ее решение – все более востребованным.

1.png 

ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ РЕШЕНИЙ

На практике для снижения влияния защитных заземлений на работу катодной защиты наиболее часто используются заземляющие устройства из оцинкованных материалов. Недостаток этого решения заключается в его низкой эффективности, поскольку применяют не чистые металлы, а их сплавы, что позволяет сместить потенциал защитного заземления в отрицательную сторону на величину около 0,5–1,0 В. Этого, как правило, недостаточно для обеспечения эффективной катодной защиты подземных сооружений.

1_1.png

В качестве действенной меры в отдельных случаях можно отметить применение электроизолирующих вставок для разделения заземляемых и изолированных от грунта трубопроводов [2–4]. У данного техническое решения есть следующие недостатки: высокая стоимость вставок и ограничения на возможность их монтажа в процессе эксплуатации в стесненных условиях; более низкая надежность электроизолирующей вставки по отношению к трубе, вызванная сложностью конструкции и большим количеством элементов; низкая стойкость к декомпрессии; возможность применения электроизолирующих вставок только при новом строительстве или при реконструкции эксплуатируемых объектов.

1_1_1.png

Цель данной работы состояла в разработке устройства для разделения контуров защитного заземления и катоднозащищаемых объектов, а также в его испытании в лабораторных и промышленных условиях.

В зарубежной практике защиты трубопроводных систем от коррозии имеется достаточно большой опыт использования устройств, предназначенных для гальванического разделения объектов, объединенных в общую систему [5–10]. Такие устройства можно классифицировать на три типа (рис. 1):

  • поляризационная ячейка (polarization cell, PC) – устройство, представляющее собой электрохимический переключатель, состоящий из пар из нержавеющей стали или никелевых пластин, погруженных в раствор гидроксида калия. Поляризационная ячейка предназначена для препятствия протеканию постоянного тока и обеспечения беспрепятственного протекания переменного тока;

  • заменитель поляризационной ячейки (polarization cell replacement, PCR; DC decoupling device, DCDD) – устройство, построенное на полупроводниковых дискретных элементах. Его назначение состоит в одновременном обеспечении высокого сопротивления по постоянному току и низкого сопротивления или неразрывности по переменному току цепей заземления. За счет развязки цепей системы катодной защиты от системы заземления создаются условия для снижения величины протекающего в цепи заземления тока катодной защиты до минимально необходимого уровня. Внутри корпуса устройства размещены ограничительные диоды и конденсаторы. По сравнению с поляризационными ячейками их заменитель не имеет в составе опасных электролитов и не нуждается в техническом обслуживании;

  • полупроводниковое устройство развязки (solid state decoupler, SSD) предназначено для предотвращения протекания тока до заданного порога напряжения при прохождении тока любого рода. В случае возникновения напряжения, превышающего пороговое значение, устройство мгновенно переключается в режим короткого замыкания, обеспечивая защиту от перенапряжения. Основное назначение устройства развязки заключается в гальваническом разделении заземляющей шины от трубопроводов (для повышения эффективности катодной защиты), а также в обеспечении защиты от перенапряжения для обслуживающего персонала. Подобные устройства могут быть выполнены на диодах или варисторах [5].

1_1_2.png

На практике рассмотренные типы устройств выполняют, как правило, функцию защиты изолирующих фланцевых соединений от разрушения, например при ударе молнии. Сравнительный анализ технических характеристик устройств для гальванической развязки (табл. 1) позволил выявить их особенности и недостатки.

Устройства в виде поляризационных ячеек требуют постоянного контроля уровня раствора гидроксида калия, а также его периодической замены. По этой причине данный тип устройств не может использоваться на территории опасных производственных объектов. Устройства, выполненные в виде полупроводниковых элементов, не требуют специального технического обслуживания и могут быть использованы во взрывоопасных зонах. Они обеспечивают неразрывность цепи, в которую устанавливаются. Впрочем, варианты различных конфигураций данных устройств ограничены производителями по величине порогового напряжения срабатывания и току короткого замыкания. Это затрудняет и ограничивает выбор параметров, требуемых для конкретной задачи – разделения контуров защитного заземления и системы катодной защиты подземных трубопроводов.

1_1_3.png

В связи с изложенным разработка новой конструкции устройства, предназначенного для гальванической развязки систем защитного заземления и катоднозащищаемых объектов, является актуальной научно-технической задачей. К числу основных требований, которым должно соответствовать разрабатываемое устройство, относятся:

  • отсутствие необходимости подключения источника питания для обеспечения работы устройства;

  • обеспечение падения напряжения постоянного и переменного тока на устройстве, позволяющее привести величину потенциала «труба – земля» к требуемому значению;

  • подключение устройства в систему защитного заземления должно обеспечивать неразрывность электрической цепи, не оказывая воздействия на работоспособность системы защитного заземления (сопротивление растеканию защитных заземлений должно оставаться в пределах, нормируемых [11]);

  • для изготовления основного блока устройства должны быть использованы твердотельные приборы.

 

1_1_4.png

КОНСТРУКЦИЯ УСТРОЙСТВА

Исходя из заявленных требований в целях использования при разработке основного блока устройства гальванической развязки систем защитного заземления и катоднозащищаемых объектов были выбраны полупроводниковые элементы. При этом из всех рассмотренных разновидностей наиболее целесообразно применение диодов. Основным блоком устройства для разделения контуров катодной защиты
и контуров защитных заземлений и молниезащиты является блок силовых диодов. Он обеспечивает требуемое падение напряжения между защищаемым сооружением и защитным заземлением (примерно 1–5 В), что позволяет минимизировать влияние защитных заземлений на эффективность катодной защиты, снижает расход электроэнергии на катодную защиту, а также уменьшает нагрузку на преобразователи станций катодной защиты и дает возможность избежать ускоренной потери металла анодных заземлений. Если на сооружении появляется напряжение переменного или постоянного тока свыше 1–5 В, протекающий через диоды и защитное заземление ток резко возрастает, что не допускает появления на защищаемом сооружении напряжения, опасного для жизни и здоровья персонала.

1_1_5.png

Диоды, входящие в состав основного блока устройства, включены встречно-параллельно. Это позволяет пропускать через устройство переменный или пульсирующий ток, а также постоянный ток произвольной полярности. Помимо этого появляется возможность изменять падение напряжения на устройстве путем изменения количества включенных последовательно диодов.

В зависимости от материала защитного заземления и близости его расположения к анодному заземлению выбирают требуемое минимальное падение напряжения на устройстве, что может быть обусловлено типом и количеством диодов, включенных последовательно.

На рис. 2 представлена схема подключения устройства для гальванической развязки в разрыв цепи защитного заземления. При наличии контура защитного заземления (5), расположенного между катоднозащищаемым объектом (1) и анодным заземлением (6), в штатном режиме работы станции катодной защиты (СКЗ) (3) подземного сооружения защитный ток распределяется как на защищаемое сооружение (1), так и на контур защитного заземления (5), т. е. проявляется эффект экранирования токов катодной защиты контуром защитного заземления. Устройство для гальванического разделения контуров катодной защиты и защитного заземления (4) устанавливают в разомкнутую цепь защитного заземления. Блок силовых диодов обеспечивает требуемое падение напряжения между защищаемым сооружением и контуром защитного заземления.

1_1_6.png 

ИСПЫТАНИЯ ПРОТОТИПОВ УСТРОЙСТВА

Для оценки влияния устройств с различной структурой, подключенных в разрыв электрической цепи между защитным заземлением и защищаемым подземным сооружением, на абсолютное значение потенциала «труба – земля» и величину силы тока, натекающего на защитное заземление, необходимо проведение лабораторных испытаний, а также испытаний на действующих объектах.

Для лабораторных испытаний были изготовлены прототипы устройства, состоящие из двух, четырех, шести и восьми диодов Д305 (рис. 3а). В качестве опытного образца устройства для промышленных испытаний изготовлена сборка, состоящая из четырех силовых диодов Д161-320 (рис. 3б).

1_1_7.png

Испытания проводились в следующем порядке:

  • выбор участка, на котором наблюдается наиболее выраженный эффект экранирования катодного тока защитными заземлениями;

  • измерение электрометрических характеристик защищаемого трубопровода при работе ЭХЗ в штатном режиме;

  • установка устройства в цепь защитного заземления энергоиспользующего оборудования (одним выводом к защитному заземлению, другим – к защищаемому подземному сооружению);

  • измерение электрометрических характеристик защищаемого трубопровода после подключения устройства.

Лабораторные испытания проводились на экспериментальном стенде на базе ФГБОУ ВО «УГТУ» (рис. 4). Стенд представляет собой емкость (2500 × 600 мм), заполненную увлажненным песчаным грунтом на глубину 115 мм. В емкость помещен предварительно изолированный полимерной лентой участок трубопровода (длина – 2000 мм; Dн = 25 мм; толщина стенки – 2 мм, марка стали – 09Г2С). Имитация катодной защиты осуществляется путем подключения источника питания постоянного тока и анодного заземления, представляющего собой стальную пластину площадью 100 см2. В качестве имитаторов защитных заземлений использовались образцы из меди и оцинкованной стали, площадь поверхности которых составляет SЗЗ = 12,8 см2. Установка защитных заземлений производилась вблизи точки дренажа на расстоянии 50 мм от защищаемого трубопровода и 200 мм от анодного заземления.

Измерение разности потенциалов «труба – земля» выполнялось последовательно, за счет перемещения медносульфатного электрода сравнения по точкам I, II, III, IV, V вдоль рассматриваемого участка трубопровода (расстояние между точками – 400 мм) с использованием в качестве измерителя универсального вольтметра В7-78/1.

Результаты измерения показали, что распределения защитного потенциала «труба – земля» существенным образом зависит от наличия гальванической связи с заземлителями, но подключение в разрыв цепи разработанного устройства снижает влияние заземлителя. При этом эффект возрастает с увеличением количества диодов, обусловливающих величину падения напряжения на диодной сборке (рис. 5, 6, здесь 2d – два диода, 4d – четыре диода, 6d – шесть диодов, 8d – восемь диодов).

Измерение силы тока, натекающего на защитное заземление, выполнялось с применением универсального вольтметра РВ7-22А и также показало зависимость от материала заземления и количества диодов в устройстве (табл. 2).

1_1_8.png

Действующими объектами, выбранными для испытания разработанного устройства, стали территория ГРС Арзамасского линейно-производственного управления магистральных газопроводов и площадка кранового узла, входящего в состав линейной части системы магистральных газопроводов «Бованенково – Ухта».

Трубопроводная обвязка оборудования, входящего в состав ГРС, представлена надземными и подземными трубопроводами. Подземная часть трубопроводной системы подлежит ЭХЗ, которая осуществляется путем подключения СКЗ. Система защитного заземления представляет собой замкнутый контур, выполненный из стальной полосы.

Испытания проводились при работе средств ЭХЗ в нормальном рабочем режиме. Параметры СКЗ: выходное напряжение Uвых = 7,8 В; сила тока I = 2,9 А.

На первом этапе были проведены измерения потенциала «труба – земля» в различных точках трубопроводной системы ГРС (рис. 7). На втором этапе устройство устанавливалось в разрыв цепи одиночного защитного заземления, подключенного к общему заземляющему контуру ГРС в точках 16, 17. После подключения устройства проводились повторные измерения потенциала «труба – земля» в точках 1–17.

Как видно из рис. 8, подключение устройства в разрыв цепи защитного заземления в точках 16 и 17 позволило добиться увеличения абсолютного значения потенциала «труба – земля»
в среднем на 0,14 В.

При вводе в эксплуатацию на территории кранового узла, входящего в состав системы МГ, отмечена недостаточная степень защиты от коррозии, что вызвано наличием контактов трубопроводов с контуром защитного заземления, выполненного в виде стальной полосы (контакты импульсных трубок и блоков управления кранами с корпусами кранов). Наибольшее экранирование токов катодной защиты отмечено на крановой обвязке камеры пуска-приема средств очистки и диагностики (КПП СОД) (рис. 9).

Для проведения испытаний были разработаны различные варианты опытных образцов устройств, конструкции которых состояли из четырех (4d), шести (6d), восьми (8d), двенадцати (12d) и шестнадцати (16d) диодов (рис. 10). В точке наиболее выраженного проявления экранирования токов катодной защиты в разрыв цепи защитного заземления подключались поочередно различные опытные образцы устройства. При этом в остальных рассматриваемых точках были устранены контакты с системой защитного заземления. Результаты измерений потенциала
«труба – земля» показали существенное уменьшение экранирующего влияния контура защитного заземления при установке различных типов устройств для гальванической развязки в точке 3, соответствующей месту размещения КПП СОД.

Также при испытании различных типов устройств были проведены измерения величины силы тока, натекающего на защитное заземление со стороны системы ЭХЗ трубопроводов (табл. 3).

Определено, что при установке устройств для гальванической развязки в цепь защитного заземления в точке происходит снижение потенциала «труба – земля» по абсолютной величине и уменьшение экранирующего влияния контура защитного заземления.

Таким образом, можно сделать вывод, что применение разработанного технического устройства для гальванической развязки электрических цепей анодных и защитных заземлений позволяет исключить негативное взаимное влияние защитных заземлений и повысить эффективность противокоррозионной защиты трубопроводов. Для достижения требуемой величины разности потенциалов «труба – земля» и уменьшения силы тока в цепи «трубопровод – защитное заземление» выбор типа и количества полупроводниковых диодов, входящих в состав устройства, осуществляется в зависимости от величины и условий натекания тока, материала электродов заземлений и их расположения относительно катоднозащищаемого сооружения.

 

ВЫВОДЫ

1. Сформулированы требования к техническим параметрам и конструктивным элементам устройства, позволяющего осуществить гальваническую развязку систем ЭХЗ и защитного заземления.

2. Разработана конструкция устройства для разделения контуров защитного заземления и катоднозащищаемых объектов, обеспечивающего уменьшение величины тока, натекающего на защитные заземления.

3. Разработаны методики проведения испытаний прототипов устройства для гальванического разделения катоднозащищаемых объектов и контуров защитного заземления с различной структурой в лабораторных условиях и на действующих объектах нефтегазовой отрасли.

4. Проведены испытания прототипов устройства для гальванического разделения катоднозащищаемых объектов и контуров защитного заземления в лабораторных условиях и на действующих промышленных площадках ГРС и кранового узла. Установлено, что путем увеличения числа диодов в диодной сборке устройства можно добиться повышения абсолютного значения потенциала «труба – земля» до нормируемого значения и снизить величину силы тока, натекающего на защитное заземление, имеющее электрическую связь с катоднозащищаемым сооружением. 

Таблица 1. Основные характеристики устройств, предназначенных
для гальванической развязки
Table 1. Main characteristics of devices for galvanic isolation

Характеристика 

Characteristics

Поляризационная ячейка 

Polarization cell

Заменитель поляризационной ячейки 

Polarization cell replacement

Полупроводниковое устройство развязки 

Solid state decoupler

Напряжение блокировки, В 

Blocking voltage, V

1,2–1,7

2,0

До 3,0

Up to 3.0

Ток утечки через устройство, мА 

Leakage current through the device, mA

1,0-40,0

0,005–0,5

0,005–0,5

Ток короткого замыкания, кА 

Short circuit current, kA

5,0

3,7–15,0

1,2–5,0

Максимальная величина ударного тока, кА 

Maximal shock current, kA

100

100

100

Необходимость технического обслуживания 

Maintenance need

Да 

Yes

Нет 

No

Нет 

No

Возможность использования во взрывоопасных зонах 

Possibility of use in explosion hazardous zones

Нет 

No

Да 

Yes

Да 

Yes

Область применения 

Area of application

Защита изолирующих соединений 

Protection of insulating couplings

Снижение уровня наведенного переменного тока 

Reducing the induced alternating current level

Защита от перепадов переменного тока 

Protection from the alternating current changes 

Разделение систем катодной защиты и защитного заземления 

Isolation of systems of cathodic protection and protective grounding


Таблица 2. Результаты измерения силы тока, натекающего на защитное заземление
Table 2. Results of measuring the intensity of current flowing to the protective grounding

Способ подключения защитного заземления 

Way of connection of protective grounding

Сила тока I, мА 

Current intensity I, mA

Медь 

Copper

Оцинкованная сталь 

Galvanized steel

Напрямую 

Directly

2,44

1,56

Устройство из 2 диодов 

Device of 2 diodes

2,25

1,16

Устройство из 4 диодов 

Device of 4 diodes

2,06

1,14

Устройство из 6 диодов 

Device of 6 diodes

1,88

1,13

Устройство из 8 диодов 

Device of 8 diodes

1,37

1,15


Таблица 3. Результаты измерений силы тока, натекающего на защитное заземление со стороны ЭХЗ трубопроводов
Table 3. Results of measuring the current flowing to the protective grounding from the cathodic protection of pipelines

Сила тока, А 

Current intensity, A        

До подключения устройства 

Before device connection

После подключения устройств, имеющих различную структуру 

After connection of devices with different structure      

I

I(4d)

I(6d)

I(8d)

I(12d)

I(16d)

0,36

0,25

0,22

0,18

0,12

0,07

 



← Назад к списку