Средства катодной защиты на базе новых технологий.

Галиуллин З.Т., Петров Н.А., Сулимин В.Д. «ВНИИГАЗ»

Для обеспечения эффективной электрохимической защиты в течение всего срока эксплуатации магистральных трубопроводов большого диаметра в экстремальных условиях Севера потребовали комплексного подхода к разработке высоконадежных средств катодной защиты с резервированием электроснабжения.

Как известно наряду с пассивной защитой элементом активной защиты является катодная защита. Электрохимзащита подземных коммуникаций должна быть непрерывной во времени и обеспечивать катодную поляризацию трубопровода на всем протяжении и по всей поверхности. Активная катодная защита обеспечивается установкой катодной защиты (УКЗ) состоящей из источника электроснабжения, преобразователя (станция катодной защиты), анодного заземления, линий постоянного тока, неполяризующегося электрода сравнения длительного действия и контрольно-измерительного пункта (рис. 1).

Надежность эксплуатируемых газотранспортных систем зависит от состояния изоляции, работы средств катодной защиты, энергообеспечения этих средств и своевременного проведения капитального ремонта газотранспортных систем по результатам комплексного обследования.

Анализ отказов в работе эксплуатируемых средств катодной защиты показывает, что основной причиной выхода из строя установок являются низкая надежность элементной базы преобразователей (пробой диодных мостов, отсутствие блоков защиты от перенапряжения, выход из строя блоков управления).

По этой причине число отказов достигает 12-15 % от общего числа отказов.

Более 20 % отказов приходится на анодные заземления, которые выходят из строя по причине обрыва провода в зоне контактного узла (изоляция провода нарушается от воздействия хлора). Поэтому материал анода не полностью используется, что резко снижает срок его эксплуатации. Число отказов достигает 25 %.

Низкая надежность энергоснабжения наблюдается по причине отказов коммутационной аппаратуры (высоковольтные разъединители на каждой УКЗ), обрывы проводов ЛЭП 6-10 кВ в районах обледенения, веерное отключение предприятий, от подстанций которых обеспечивается энергоснабжение УКЗ. Число отказов достигает 22-25 %.

Многообразие и суровость природно-климатических условий Севера оказывают решающее влияние на эффективность выбора применения средств электрохимической защиты от коррозии.

Основные виды отказов (в %)

Обрыв провода к анодному заземлителю - 17%
Обрыв катодного вывода - 2%
Пробой диодов, тиристоров выпрямителя - 15%
Нарушение контакта в переключателях и разъемах - 15%
Неисправность блока управления и измерения - 5%
Отключение сети 220 В - 12%
Пробой трансформатора - 4%
Неисправности высоковольтного разъединителя - 14%
Обрыв ЛЭП 6-10 кВ - 6%

Климатические условия Севера характеризуется низкими отрицательными температурами, шквальными ветрами, снежными заносами, обледенениями. После длительной (до 9 месяцев) полярной ночи наступает короткое лето, которое характеризуется сильными туманами (п/о Ямал и другие регионы). Полярные ночи, туманы, высокая обводненность и заболоченность, сильное обледенение и снежные заносы затрудняют обслуживание и ремонт установок катодной защиты и линий электропередачи. Чередование мерзлотности, пучинистости, низкой и высокой минерализации, грунтов требуют прямо противоположных решений по защите от коррозии.

Таким образом, имеются специфические особенности, из которых следует исходить при разработке и проектировании систем защиты магистральных трубопроводов Севера России.

1. Затруднение (невозможность) периодического контроля и обслуживания наземных средств защиты.
2. Низкая эксплуатационная надежность наземной аппаратуры и высоковольтных линий электроснабжения (ВЛ 6/10 кВ).
3. Затруднение (невозможность) выполнения ремонтных работ систем защиты от коррозии.
4. Нестабильность токораспределения на защищаемых коммуникациях по протяженности и во времени.

Учитывая особенности эксплуатации Северных газопроводов для проектирования катодной защиты предложена система катодной защиты Северных газопроводов на базе Новых технологий и аппаратуры. (рис. 2) Основные критерии эффективности катодной защиты системы представлены на рис. 3.

Рассмотрим основные элементы средств катодной защиты, обеспечивающие эффективность и надежность электрохимической защиты (рис. 4).

В настоящее время на магистральных газопроводах эксплуатируются более 18 тыс. станций катодной защиты (СКЗ) различных модификаций. Около 76 % СКЗ установлены в Северных регионах (Тюментрансгаз, Уралтрансгаз, Надымгазпром и т.д.).

Из них в эксплуатации находятся 23.4 % автоматическая СКЗ типа ПАСК,ТДЕ и др., которые по своим техническим характеристикам не отвечают требованиям ГОСТ Р 51164-98.

Созданию высоконадежных элементов системы катодной защиты ООО «ВНИИГАЗ» уделяет особое внимание, учитывая опыт эксплуатации на газотранспортных системах России и за рубежом.

ООО «ВНИИГАЗом» совместно с фирмой Газ де Франс и фирмой Симплекс по техническому заданию ОАО «Газпром» разработана высоконадежная автоматическая станции катодной защиты типа МИНЕРВА-3000, которая прошла трассовые испытания в южных регионах (Хива - Узбекистан) и северных (Уралтрансгаз, Тюментрансгаз).

Основные технические характеристики СКЗ МИНЕРВА-3000

Номинальная выходная мощность, кВт 3.0
Напряжение питания, В при 50 Гц 220
Номинальное выходное напряжение, В 96
Номинальный ток защиты, А 30
КПД в номинальном режиме, % не менее 89
Наработка на отказ, час 30000
Пределы регулирования выходного напряжения, % 3-100
Точность поддержания защитного потенциала, % 1.0
Точность поддержания защитного тока, % 2.0
Пульсация, % 1.0
Режим работы Автоматический, ручной, циклический
Срок службы установки, лет не менее 10
Габаритные размеры, мм 1500х400х600
Масса, кг 70
Диапазон температурного режима работ, 0С от –50 до +50

Дополнительные технические характеристики

Степень защиты от воздействия окружающей среды Не ниже IР34 по ГОСТ 14254-80
Устойчивость к помехам, Гц 50 и 100
Класс силовых вентилей 12
Время необслуживаемой работы, лет 1
Уровень радиопомех Евростандарт
Уровень шума отсутствует
Защита от несанкционированного доступа
Отсутствие движущихся частей (вентиляторы, пакетные переключатели)
Удобство и простота обслуживания

Производство станции катодной защиты типа МИНЕРВА-3000 освоено на совместном Российско-Французском предприятии «КАТОДЪ».

Вторым важным элементом в УКЗ является анодное заземление.

ООО «ВНИИГАЗом» разработан электрод-заземлитель типа АЗМ-ЗХ для анодного заземления, который отвечает основным требованиям:

• использование в качестве малорастворимого элемента поверхностных и глубинных анодных заземлений в установках катодной защиты;
• применение во влажных и высокоагрессивных грунтах;

Технические характеристики АЗМ-ЗХ

Скорость растворения при плотности тока до 30 А/м2, кг/А в год
- в грунтах 0.2
- в соленой воде 0.5
- в грунтах с применением коксоминерального наполнителя 0.1
Максимальный рабочий ток на у электрод, А 5
Сечение жилы провода, мм2 6
Рабочая поверхность, м2 0.29
Масса электрода, кг 35
Средний ресурс, Ампер-лет 50
Срок службы, не менее 15
Долговечность и надежность контактного узла, изоляция провода стойка к хлору
Стабильность сопротивления растеканию постоянного тока в течение всего срока эксплуатации

Многолетние трассовые испытания, проводимые сотрудниками ООО «ВНИИГАЗа» Хмельницким Б.И. и Суровой В.А. и анализ эксплуатации анодов различных конструкции, показали, что надежность их работы зависит от множества факторов таких как:

• химический состав материала;
• технология изготовления (отливки);
• стойкость изоляции соединительного провода к хлору;
• конструкции контактного узла присоединения провода к телу анода;
• тип магистрального кабеля и его место расположения в траншее относительно анода (поверхностные заземления);
• конструкция соединительной муфты;
• Состав компаунда

По результатам лабораторных и трассовых испытаний разработана новая конструкция анодного типа АЗМ-ЗХ, которая успешно прошла трассовые испытания в высокоагрессивных грунтах на газопроводах Туркмении и Астраханьтрансгаза.

Для обеспечения бесперебойного электроснабжения УКЗ в схему системы катодной защиты введен блок автоматического подключения СКЗ на резервную линию электроснабжения типа БАВР, который позволяет автоматически переключать СКЗ на резервный источник питания, тем самым обеспечит бесперебойную защиту магистральных трубопроводов во времени.

Техническая характеристика блока БАВР

Напряжение питающей линии, В Основной - 220 B
Резервный - 220 В
Ток коммутации до 40 А
Переключение СКЗ с основной на резервную автоматическое
Температура окружающего воздуха, 0С от +40 до -50
Исполнение блока2 пылебрызгозащищенное
Сигнализация режимов работы световая
В систему телемеханики зеленый СКЗ-0
красный СКЗ-Р
Масса, кг, не более 20
Габаритные размеры, мм высота - 640
ширина - 400
глубина - 300

Автоматическое переключение на резервную СКЗ-Р происходит при следующих режимах на СКЗ-О:

• обрыв или увеличение сопротивления растекания анодного заземления или обрыв в цепи нагрузки;
• отключение сети 220 В основной линии;
• короткое замыкание выходных цепей (катодный-анодный провод);
• снижение защитного тока ниже нормы уставки на реле тока по каналу СКЗ-О.

Организация схемы совместной катодной защиты многониточных газопроводов осуществляется с помощью блока совместной защиты типа БРТ-1-5, где число каналов, которое может обеспечивать подключение к одной УКЗ до 5 ниток газопровода.

Техническая характеристика блока БРТ

Тип изделия БРТ-1 … 5
Количество каналов 1-5
Максимальный ток канала, А 10-50
Сопротивление минимальное, Ом 0.005
Сопротивление максимальное, Ом 0.250
Количество ступеней регулирования 17
Напряжение на шунте, мВ 75
Масса, кг от 5 до 30
Охлаждение воздушное естественное
Диод, кл 12

Управление по потенциалу станции катодной защиты осуществляется относительно биметаллического электрода сравнения длительного действия типа ЭДБ. Электрод (медно-титановый) со стабилизирующей обмазкой позволяет поддерживать заданный потенциал во времени близким к поляризационному для управления станций катодной защиты в автоматическом режиме. Конструктивное исполнение значительно повышает эксплуатационную надежность по сравнению с известными электродами типа ЭНЕС, МЭД-АКХ и другие, которые содержат электролиты и требуют по истечении определенного времени их замены или долива электролита.

Для организации системы мониторинга, подключения и вывода от контролируемых трубопроводов измерительных проводов в схему системы в зоне дренажа и по трассе газопровода устанавливаются универсальные колонки типа УК, различных модификаций, которые позволяют коммутировать сильноточные цепи (катодные-анодные цепи) и цепи к измерительным приборам (электрод сравнения, датчик измерения тока наводороживания, датчик температуры и т.д.)

Таким образом, рассмотренная схема организации катодной защиты, решает задачу резервирования средств катодной защиты;

• Регулирование тока защиты по каждой нитке газопровода с помощью блока БРТ обеспечивает заданный уровень потенциала с учетом состояния изоляционного покрытия трубопровода, срок ввода его в эксплуатацию диаметра трубы и т.д.
• Резервирование по линии энергоснабжения обеспечиваются блоком БАВР.
• Введение в схему катодной защиты системы монторинга

Рис.1 Катодная защита для одиночного магистрального газопровода

1. Высоковольтная линия 6-10кВ
2. Колонка измерительная
3. Однофазный масляный трансформатор
4. Станция катодной защиты Минерва-3000
5. Вспомогательный электрод
6. Электрод сравнения
7. Трубопровод
8. Вольтметр
9. Подача защитного тока
10. Коксовая засыпка
11. Анодный кабель
12. Анодный заземлитель типа АЗМ-3Х
13. Муфта
14. 1 км

Рис.2 Система катодной защиты северных газопроводов на базе новых технологий

Рис.3 Основные критерии эффективности катодной защиты

Рис.4 Система катодной защиты с резервным электропитанием и преобразователем

1. 6-10кВ
2. Основной ДМ-04
3. Резервный ДМ-04
4. БАВР
5. К телемеханике
6. Блок БРТ
7. Анодное заземление
8. Электрод сравнения

Список использованной литературы.

1. ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные» Общие требования к защите от коррозии ИПК Издательство Стандартов, М. 1998 г.
2. Устройство катодной защиты многониточных магистральных подземных трубопроводов. Россия. Патент № 2086703.
3. В. Бэкман, В. Швенк «Катодная защита от коррозии» Справочник, М. Металлургия, 1984
4. «Каталог средств катодной защиты от коррозии подземных металлических сооружений» ОАО «Газпром» М. 2000
5. Рекомендации по совместной защите от коррозии подземных металлических сооружений связи и трубопроводов. Р333-78 ВНИИСТ М. 1978 г.
6. Хмельницкий Б., Сурова В., Кашинцов В., Кашинцова Н., Сулимин В. «Малорастворимый анодный заземлитель АЗМ-3Х» Наука и техника в газовой промышленности № 1-2 М. 1999 г.