Повышение эффективности противокоррозионной защиты подземных нефтегазопроводов в условиях промышленных площадок

На территории России действует Федеральный закон «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [84]. Законом определены основные требования безопасной эксплуатации промышленных объектов с опасными условиями производства. К объектам такого рода относятся насосные и компрессорные станции (НС и КС).

Нефтегазопроводы промышленных площадок (ПП) насосных и компрессорных станций и их защита от коррозии несут особую ответственность, так как на промплощадках присутствует большое количество обслуживающего персонала и сконцентрировано дорогостоящее, технологически важное оборудование. Последствия аварий на ПП по коррозионным причинам неизмеримо тяжелее, чем на линейной части трубопроводов.

Практика эксплуатации трубопроводов показывает, что срок службы и безаварийность эксплуатации подземных металлических сооружений определяется главным образом эффективностью работы средств противокоррозионной защиты.

Согласно действующим нормативным документам по защите от коррозии [30, 32, 33], критерием эффективности работы средств электрохимической защиты является поляризационный потенциал трубопровода, измеренный относительно электрода сравнения, имеющего контакт с грунтом.

Избыточный поляризационный потенциал приводит к многочисленным повреждениям изоляционного покрытия изоляции, особенно с учетом повышенных температур продукта в трубопроводах КС и НС. Недостаточный потенциал не обеспечивает эффективную защиту от развития коррозионных повреждений.

В настоящее время разработан ряд методов, позволяющих измерить поляризационный потенциал защищаемого трубопровода [4, 9, 25, 72, 75], однако часть методов, например капилляр Габера-Луггина, сложны в практической реализации, т.к. необходимо откапывание трубопровода и повреждение изоляционного покрытия, другие не позволяют с достаточной точностью измерить поляризационный потенциал.

Подземные трубопроводы и другие коммуникации, расположенные на территории промышленной площадки обычно защищены несколькими станциями катодной защиты, анодные заземления которых расположены по периметру площадки. Такое взаиморасположение обуславливает сложность расчетного определения параметров натекания электрического тока, т.к. одна и та же точка трубопровода может защищаться сразу несколькими станциями. Аналитический расчет усложняется t наличием таких факторов как подземные металлические коммуникации (например, бронированные кабели), защитные заземления различного электрооборудования, заземления средств молниезащиты, кроме этого нередко фиксируется действие сторонних источников блуждающих токов, например, при частичном разрушении изоляции кабелей от аккумуляторных станций, которые смещают защитный потенциал трубопроводов.

В настоящее время разработаны методические приемы для оптимизации работы средств электрохимической защиты. Огромный вклад в развитие этих методов внес Ф. К. Фатрахманов [43, 81−83].

Разработаны также электронные программы для расчета оптимальных параметров работы действующих станций катодной защиты на основе результатов электрометрических измерений выполняемых на подземных газопроводах компрессорных станций [15, 54].

В последнее время получил распространение метод объектно-ориентированного программирования (ООП) [15], позволяющий описывать сложные системы из набора взаимно подчиненных объектов. Каждый объект функционально автономен в своем поведении и способен реагировать определенным образом на «внутренние» и «внешние» события, возникающие при работе программы.

Аналитические расчеты электрохимической защиты на базе решения систем дифференциальных уравнений малопригодны для практики, поскольку описывают неразветвленные газопроводы с равномерно распределенными параметрами и обычно не учитывают нелинейную зависимость потенциала от плотности тока [60, 67].

Кроме этого разработанные методики не учитывают целого ряда влияющих факторов, что приводит к тому, что обычно расчет выходных параметров действующих станций защиты не позволяет достичь потенциала во всех точках трубопровода, требуемого ГОСТ [33], при этом не решается задача оптимизации режимов работы средств защиты.

Для решения такой научно-технической задачи необходим комплексный подход в оптимизации средств противокоррозионной защиты включающей изоляционное покрытие и средства электрохимической защиты, базирующейся на основе результатов лабораторных и полевых испытаний [10, 62].

Цель работы: разработка методики повышения эффективности противокоррозионной защиты подземных нефтегазопроводов в условиях промышленных площадок насосных и компрессорных станций.

В работе решаются следующие задачи:

— На основании лабораторных исследований установить регрессионные модели, наиболее точно описывающие потенциал трубопровода в условиях действия нескольких СКЗ.

Разработать методику оптимизации работы средств противокоррозионной защиты трубопроводов в условиях ПП.

Выполнить полевые испытания методики на территории промышленной площадки КС-10 ООО «Газпром трансгаз Ухта».

— Разработать новые средства и способы измерения поляризационного потенциала подземных трубопроводов.

Научная новизна:

1) Экспериментально установлено, что определить потенциал в i-ой точке трубопровода в условиях защиты несколькими станциями катодной защиты можно с помощью регрессионной модели вида:

UFUoi+SCaylj), j=i где Uoi — потенциал при отключенных станциях защиты в i-ой точке, Вац — параметр влияния j-ой станции катодной защиты на потенциал i-ой точки измеренияlj — сила тока на выходе j-ой станции катодной защиты, Ап — количество станций защиты, влияющих на потенциал в i-ой точке;

2) Доказано, что погрешность расчетной линейной модели относительно экспериментальных данных составляет менее 12%, а в практически значимом диапазоне потенциалов минус 0,85−2,5 В не более 6,0%, что соответствует достаточной точности оценок;

3) Обоснована возможность использования в качестве U0i величины собственного (стационарного) поляризационного потенциала металла трубопровода в данных условиях ист, что способствует сокращению времени на измерения на 1−2 сут и повышению точности дальнейшего расчета на 5−10%.

4) Установлено, что задача оптимизации и расчета требуемых выходных пак раметров СКЗ может быть решена минимизацией выражения ]T|Ujи?аёй| —>0, i=i где икрит — критерий эффективности катодной защиты, выбираемый из регламентируемого диапазона исходя из электрических свойств грунта в момент измерения, к — количество точке измерения;

5) Впервые предложена формула для определения критерия икрит:

I —I тт г=тт + (tjTJ «i—is иёбё6 min тал и min /. , > тал min где итах и Umjn — максимальный и минимальный (по модулю) регламентируемый потенциал, В;

1из. 'max, Imin — измеренная (текущая), максимальная и минимальная годовые силы тока на станции, А.

Основные защищаемые положения диссертации:

• методика лабораторных испытаний моделей трубопроводов в условиях одновременного действия двух станций защитырегрессионные модели, характеризующие поляризационный потенциал сложноразветвленных трубопроводов ПП в условиях совместного действия СКЗ;

• методика расчета оптимизированных выходных параметров СКЗ;

• регламент повышения эффективности противокоррозионной защиты трубопроводов промышленных площадок НС и КСновые методы и устройства измерения поляризационного потенциала на территории ПП.

Практическая ценность работы заключается в разработке стандарта организации «Газпром трансгаз Ухта» «Методика по оптимизации работы средств противокоррозионной защиты подземных трубопроводов промышленных площадок КС».

Разработанная методика внедрена при оптимизации работы средств противокоррозионной защиты на трубопроводах промышленной площадки КС-10 Сосногор-ского ЛПУ МГ компрессорный цех № 3. В результате установлены участки трубопроводов с недостаточным или избыточным поляризационным потенциалом, рассчитаны рациональные параметры защитного тока каждой из действующих станций, выведены в резерв несколько станций защиты, рекомендованы мероприятия по ремонту и установке новых анодных заземлений. Получен экономический эффект, заключающийся в повышении противокоррозионной защищенности подземных газопроводов за счет выравнивания поляризационного потенциала на различных участках трубопроводов и снижении расхода электроэнергии, потребляемой станциями защиты за счет оптимизации ее выходных параметров.

По материалам исследований поданы две заявки на изобретения РФ (№ 2 007 120 375/17 Способ измерения поляризационного потенциала трубопровода- № 2 007 116 775/20 Устройство для измерения поляризационного потенциала трубопровода), по одной из которых получен патент РФ, что свидетельствует о новизне и промышленной применимости полученных в работе результатов.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Седьмой Всероссийской конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» 25−28 сентября 2007 г., РГУНиГ им. И. М. Губкина, г. Москва;

Конференции сотрудников и преподавателей УГТУ, г. Ухта, 2007, 2008 гг.;

Международной молодежной конференции «Севергеоэкотех-2007», УГТУ, г. Ухта;

• Восьмой научно-технической конференции молодежи ОАО «АК «Транснефть», ОАО «Северные МН», г. Ухта, ноябрь 2007 г.;

• Международной молодежной конференции «Севергеоэкотех-2008», УГТУ, г. Ухта, 2008 г.;

• VII Международной конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», г. Брянск, 15 октября — 15 ноября 2007 г.

• Международной конференции «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов» (PITSO-2007), г. Москва, 2007 г.;

• Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», г. Тюмень, 2007 г.;

• Девятой научно-технической конференции молодежи ОАО «АК «Транснефть», ОАО «Северные МН», г. Ухта, ноябрь 2008 г.;

• 14-я Международной конференции по трубопроводному транспорту, г. Санкт-Петербург, 23−27 июля 2008 г.;

• XV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири — 2008», ООО «ТюменНИИгипрогаз», г. Тюмень, 19−23 мая 2008 г.

• 3-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», ТюмГНГУ, г. Тюмень, 2009 г.

Результаты, полученные в работе, использованы при выполнении научно-исследовательской работы № 41/08 от 04. 06. 2008 г. «Разработка методики по оптимизации параметров работы электрохимической защиты подземных технологических трубопроводов на промышленных площадках компрессорных станций».

Публикации: по теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 6 — в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, содержит 164 страницы текста, 83 рисунка, 25 таблиц и список литературы из 105 наименований.

6.8. Выводы по главе 6.

1. Установлено, что при измерении поляризационного потенциала на его величину влияют не учитываемые факторы: изменение напряженности поля сторонними источниками т.к. именно ей пропорциональна плотность тока в проводнике и поляризация и линейном изотропном диэлектрикетоки смещения в металле подземного сооружения и анодного заземления, так как в квазистационарном поле не только ток проводимости является источником магнитного поля на границе раздела двух фаз.

2. Доказано, что измерение поляризационного потенциала, определяющего защищенность металла, необходимо выполнять в конкретном повреждении изоляции трубопровода, при этом разрабатываемые методы должны обеспечивать соответствие: марки стали трубопровода и датчика потенциалаплощади неизолированной поверхности датчика и размеров повреждения покрытияместоположения повреждения изоляции и датчика потенциала.

3. Разработан новый метод и устройство (датчик) для измерения поляризационного потенциала, позволяющий существенно повысить точность измерения, заключающийся в детальной имитации повреждения покрытия в котором определяется поляризационный потенциал.

4. Разработана конструкция комбинированного датчика, стационарно устанавливаемого на трубопровод, позволяющего фиксировать скорость коррозии стали трубопровода и поляризационный потенциал, наиболее приближенный к эталонному значению, определяемому капилляром Габера-Луггина.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Установлено, что известные методики оптимизации работы катодной защиты не учитывают влияние ряда важных факторов: состояния изоляционного покрытия, неизбежного изменения в процессе эксплуатации параметров среды и характеристик анодных заземлений, не учитывается возможность натекания — стекания тока с других сооружений.

2. Доказано, что измерение поляризационного потенциала, определяющего защищенность металла, необходимо выполнять в конкретном повреждении изоляции трубопровода, при этом методы измерения должны обеспечивать соответствие: марки стали трубопровода и датчика потенциалаплощади неизолированной поверхности датчика и размеров повреждения покрытияместоположения повреждения изоляции и датчика потенциала.

3. Разработаны новый метод и устройство для измерения поляризационного потенциала, позволяющий существенно повысить точность измерения, заключающийся в детальной имитации повреждения покрытия в котором определяется поляризационный потенциал.

4. Проведены лабораторные имитационные испытания, в результате которых установлены математические модели, наиболее точно описывающие зависимость потенциала в точке измерения от силы тока на выходе станций защиты.

5. Разработан алгоритм расчета оптимальных выходных параметров станций катодной защиты подземных сложноразветвленных трубопроводов промышленных площадок.

6. Разработан промышленный регламент повышения эффективности защиты, включающий анализ и оценку текущего функционального состояния системы защиты, определение коэффициентов влияния станций на поляризационный потенциал трубопроводов, расчет требуемой силы тока каждой действующей станции, с учетом фактического состояния изоляции, электрических свойств грунта в момент проведения исследования, а также сезонных колебаний, состояния анодных заземлений, наличия сторонних источников блуждающих токов.

7. Методика реализована на трубопроводах компрессорного цеха КС-10, разработан комплекс мероприятий для повышения эффективности защиты, включающий ремонт анодных заземлителей, установление расчетных значений тока на выходе станций, перевод одной станции в резерв.

8. По результатам работы разработан СТО Газпром трансгаз Ухта «Методика по оптимизации работы средств противокоррозионной защиты промышленных площадок КС».