Определения и обозначения

В настоящей квалификационной работе использованы следующие определения:

Стационарный процесс: процесс, протекающий с конечной скоростью (постоянных градиентах концентраций, температур и т.д.) и постоянными характеристиками во времени.

Потенциал электрода: разность потенциалов между металлическим электродом и водной фазой.

Стационарный потенциал: постоянный потенциал электрода (потенциал участка металлической поверхности трубопровода с нарушенной изоляцией) при протекании через него постоянного тока.

Поляризационный потенциал: измеренное значение стационарного потенциала с минимальной величиной омической составляющей.

Смешанный потенциал: потенциал электрода (потенциал участка металлической поверхности трубопровода с нарушенной изоляцией), на котором протекает несколько электрохимических реакций.

Ток наводораживания: катодный ток через поверхность пористой стали.

В настоящей квалификационной работе приняты следующие сокращения:

СКЗ – станции катодной защиты;

КИП – контрольно измерительный пункт;

КЗ – катодная защита;

ЭНЕС – электрод не поляризующийся сравнения;

СЭС – сухой безэлектролитный электрод сравнения;

СЭС - 1, СЭС - 2, СЭС - 3 – сухие безэлектролитные электроды сравнения серии 1 , серии 2, серии 3;

МСЭ – медносульфатный электрод сравнения;

ВЭ – вспомогательный электрод;

НКМ – неавтоматизированный коррозионный мониторинг;

КДП – контрольно диагностический пункт;

КМ – коррозионный мониторинг;

ПКМ – прибор коррозионного мониторинга;

ЭХЗ – электрохимическая защита;

МГ – магистральный газопровод;

МИК – мобильный измерительный комплекс;

Е – потенциал, В (мВ);

Е_Н, Е_Ст, Е_ПСт – нестационарный потенциал, стационарный потенциал, стационарный потенциал поляризации соответственно, В (мВ);

I – величина тока, А (мкА);

i – плотность тока, А/Метр² (мкА/см²);

Е_СОС, Е_БОС – потенциал с омической составляющей, потенциал без омической составляющей, В (мВ);

ρ_гр – удельное сопротивление грунта, Ом*Метр;

С – постоянная электрода, Метр^-1.

Введение

Основным средством защиты трубопроводов от электрохимической коррозии является их антикоррозионные покрытие. Кроме того, чтобы защитить трубу в местах нарушения (дефекта) изоляции используют электрохимическую (катодную) защиту, суть которой состоит в том, что на трубу подается защитный потенциал с помощью которой, металл стенки трубы поляризуется относительно земли. При появлении дефекта на границе раздела металл-земля необходимо установить такой потенциал, при котором ток электрохимической коррозии металла полностью компенсируется током катодной защиты, при этом обеспечивается минимальное коррозионное разрушение стенки трубы.

Для обеспечения данных условий потенциал поляризации Е (потенциал на границе металл-земля) согласно ГОСТ 9.602-2005 ЕСЗКС должен находиться в диапазоне Е = (0.85-1.15)В со знаком минус относительно медно-сульфатного электрода сравнения. Для реализации катодной защиты, например, на трубопроводе через каждые 10 км устанавливают станции катодной защиты, отрицательный вывод которых подключается к трубе, а положительный к заземлению.

Повышение эффективности катодной защиты является одним из основных путей повышения экологической безопасности эксплуатации магистральных нефтегазопроводов. Для оценки эффективности электрохимической защиты, на каждом километре трубопровода оборудован контрольно - измерительный пункт (КИП) с панелью, на которую выведены контакты, соединённые с трубой, электродом сравнения, вспомогательным электродом и заземлением. Измерения проводятся при помощи приборов коррозионных обследований.

Обязательным элементом КИП является неполяризуемый электрод сравнения, который устанавливается в грунт на глубину до 1.5 м. Электрод обеспечивает контакт измерительной схемы, например, общей клеммы мультиметра с землей при измерении потенциала катодной защиты (КЗ). Обычно в качестве электрода сравнения используются медно-сульфатные электроды сравнения (например, типа ЭНЕС в России и CU-DC в Германии). Эти электроды представляют собой сосуд с пористой мембраной заполненный электролитом, который, просачиваясь через мембрану обеспечивает надежный контакт с грунтом. Эксплуатация таких электродов затруднена постоянной убылью электролита. Их срок службы определяется объемом электролита. В частности, увеличение срока службы электрода сравнения типа CU – SC (Германия) до 10 лет достигается увеличением объема электролита до 25 кг. Но и этого мало, поскольку срок эксплуатации трубопроводов может составлять 50 и более лет. Срок службы обычных электродов типа ЭНЕС (Россия) составляет 3-5лет. Недостатком таких электродов является также то, что их срок службы зависит от условий эксплуатации (перепада температур, влажности и дисперсности грунта). Существенным недостатком известных электродов сравнения, затрудняющим его эксплуатацию и обслуживание, является то, что для установки электрода в грунт необходимо предварительно вырыть шурф. В настоящее время трубопроводный парк России для транспорта нефти и газа составляет 220 тыс. км. Согласно [1,2] на каждом километре магистрального трубопровода должен быть установлен в грунт стационарный электрод сравнения на глубину до 1.5м. Таким образом, потребность в электродах носит массовый характер. Поэтому применение новых разработанных технологий, методов и способов измерений, новой приборной базы на основе безэлектролитных электродов, способных работать в тяжелых условиях эксплуатации, особенно в условиях крайнего севера и бескрайних болот, является актуальной проблемой. В частности, из-за этих проблем только порядка 40% магистральных трубопроводов России оснащены электродами сравнения вопреки требованиям ГОСТ 51164-98, что соответственно повышает экологическую опасность их эксплуатации.

В данной ВКР разработаны принципиально новые технические, методические и программные средства, позволяющие повысить эффективность коррозионного мониторинга и оптимизации электрохимзащиты магистральных трубопроводов и других стальных подземных сооружений. Разработан безэлектролитный сухой электрод сравнения СЭС выполненный из пористой нержавеющей стали, стационарный потенциал которого формируется путем насыщения прилегающей к электроду влаги грунта и пор электрода водородом при пропускании постоянного тока. Для различных условий эксплуатации разработаны варианты с внутренним источником (СЭС-1), с питанием от внешнего источника (СЭС-2) и мобильный вариант (СЭС-3). Разработан микроконтроллер, позволяющий автоматизировать процедуру измерений и накапливать периодически измеряемые значения потенциалов в течение длительного времени. Разработаны компьютеризованные экспериментальная установка с макетом катодно-защищенного макета трубопровода и мобильный измерительный комплекс «Магистраль-1». Разработан способ (метод) позволяющий существенно снизить влияние блуждающих токов, омических падений на грунте и спада потенциала вспомогательного электрода на точность измерения поляризационного потенциала газопровода. Способ может использоваться как с электродами СЭС, так и с медно-сульфатными электродами типа ЭНЕС. Способ позволяет не только существенно снизить ошибку измерений, но и сократить время измерений. Разработана простая в реализации неметаллоемкая технология изготовления электродов СЭС, не требующая высокой квалификации, дорогостоящего оборудования и материалов. Разработаны конструкторская, методическая и метрологическая документация, а также технические условия, руководство по эксплуатации и паспорт на электроды СЭС и техническая документация на микроконтроллер МК-СЭС.