Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Методы оценки коррозионного состояния магистральных газопроводов в зонах действия постоянных блуждающих токов

ВАК РФ 25.00.19, Строительство и эксплуатация нефтегазоводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации по теме "Методы оценки коррозионного состояния магистральных газопроводов в зонах действия постоянных блуждающих токов"

На правах рукописи

КОПЬЕВ ИГОРЬ ЮРЬЕВИЧ

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В ЗОНАХ ДЕЙСТВИЯ ПОСТОЯННЫХ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ

Специальность:

25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук 5 ДЕК 2013

005541958

"К 2013

Москва - 2013

005541958

Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью «Газпром ВНИИГАЗ».

Научный руководитель: кандидат технических наук

Запевалов Дмитрий Николаевич

Официальные оппоненты: Зорин Евгений Евгеньевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой материаловедения Московского государственного машиностроительного университета

Великоднев Валерий Яковлевич

доктор технических наук, технический директор ООО «Трубные инновационные технологии»

Ведущая организация: ОАО «Гипрогазцентр»,

г. Нижний Новгород

Защита состоится декабря 2013 г. в 13 час. 30 мин. на заседании

диссертационного совета Д 511.001.02, созданного при ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Автореферат разослан «

» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н.

Курганова И.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

Оценка сроков безопасной эксплуатации и расчетная оценка скорости развития коррозионных дефектов при различных условиях эксплуатации магистральных газопроводов, как правило, производится с применением интерполяционных методов только в отношении дефектов, наблюдаемых и идентифицированных в результате многократных периодических измерений.

Общая протяженность магистральных газопроводов и отводов ОАО «Газпром» составляет 162 тысячи км. Существующие методы внутритрубной дефектоскопии при проведении периодических измерений позволяют получить информацию, необходимую для получения оценки скорости роста коррозии и уточнения прогнозных размеров коррозионных дефектов.

Но применимость этих методов ограничена тем, что для проведения внутритрубной дефектоскопии приспособлено примерно 60% магистральных газопроводов и только на отдельных участках внутритрубная дефектоскопия проводилась несколько раз. При отсутствии необходимых данных для расчета, как правило, принимают условие равномерного характера развития коррозионных процессов во времени, что может существенно снижать точность получаемых результатов.

Перспективным в этом направлении является использование результатов надземных обследований участков магистральных газопроводов на основе обработки экспериментальных данных, при этом точность методов оценки скорости роста коррозии за счет учета внешних коррозионных воздействий может быть существенно повышена.

Поэтому решение задачи повышения точности оценки коррозионного состояния магистральных газопроводов, в частности, в условиях действия постоянных блуждающих токов, является актуальной темой исследования, как с научной, так и с практической точек зрения.

Цель работы: разработка методов оценки коррозионного состояния участков магистральных газопроводов в условиях действия постоянных блуждающих токов на основе точного учета процессов коррозионного воздействия, позволяющих увеличить сроки безопасной эксплуатации магистральных газопроводов.

Задачи исследования:

1. Анализ параметров постоянных блуждающих токов как факторов коррозионного воздействия на участок газопровода по результатам натурных исследований.

2. Разработка методики и проведение экспериментальных лабораторных исследований развития коррозионных дефектов на газопроводных трубах под действием постоянных блуждающих токов.

3. Развитие методов оценки коррозионных дефектов на участках магистральных газопроводов в условиях действия постоянных блуждающих токов.

Научная новизна:

На основании анализа результатов натурных исследований определены диапазоны параметров блуждающих постоянных токов, воздействующих на участки магистральных газопроводов и вызывающих язвенную коррозию. Установлено, что средняя плотность анодного тока в местах локального повреждения защитного покрытия может составлять 0,2-0,3 мА/см2, в отдельных случаях - 6-8 мА/см .

Разработана методика экспериментальных лабораторных исследований развития коррозионных дефектов на образцах из трубной стали под действием постоянных блуждающих токов.

Получены экспериментальные данные, устанавливающие зависимость параметров коррозионных дефектов от параметров блуждающих постоянных токов, характеристик коррозионной среды и размеров дефектов в защитном покрытии.

Предложен метод оценки параметров коррозионного дефекта, позволяющий прогнозировать геометрические размеры коррозионных дефектов, используя информацию о плотности стекающего (анодного) тока, полученную по результатам электрометрических обследований или данным коррозионного мониторинга.

Защищаемые положения:

- экспериментальное обоснование предельных расчетных значений параметров постоянных блуждающих токов на основе результатов натурных (полевых) исследований для оценки и прогноза коррозионных воздействий;

- методика и результаты экспериментальных лабораторных исследований развития коррозионных дефектов на образцах из трубной стали под действием постоянных блуждающих токов;

- метод оценки геометрических размеров коррозионных дефектов,

использующий результаты электрометрических обследований или данные коррозионного мониторинга.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в обосновании, экспериментальном подтверждении, практической реализации методов расчета скорости коррозии и предельных геометрических размеров коррозионных дефектов при воздействии блуждающих токов с использованием результатов надземных электрометрических обследований, техническом и методическом обеспечении проведения таких измерений.

Результаты исследований использованы при разработке нормативных документов:

- Р Газпром 9.2-025-2013 «Защита от коррозии. Правила эксплуатации средств электрохимической защиты подземных сооружений»;

- Р Газпром 9.4-014-2012 «Защита от коррозии. Методика оценки эффективности защиты от внешней коррозии обсадных колонн скважин»;

- Р Газпром 9.4-013-2011 «Защита от коррозии. Контроль состояния и оценка эффективности защитных покрытий подземных газопроводов»;

- Р Газпром 9.4-006-2009 «Защита от коррозии. Инструкция по электрометрическому обследованию подземных технологических трубопроводов компрессорных станций».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 13-й Международной деловой встрече «Диагностика-2003» (Мальта, 2003 г.);

Международной научно-технической конференции PITSO-2007 «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов», 10-11 октября 2007 г. (г. Москва);

3-й Международной конференции «Актуальные вопросы противокоррозионной защиты (РАСР-2009) (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2009 г.);

- NACE International's Annual Conference «Corrosion-2013» (Orlando, Florida, USA);

- семинарах, деловых встречах, отраслевых совещаниях и научно-технических советах ОАО «Газпром» и его дочерних обществ за период 20022012 г.

Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 - в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных Минобрнауки РФ, и 3 патента РФ.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 136 страниц текста, 46 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 122 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы, степень ее разработанности, определена цель исследования и выбраны научно-методические пути ее решения.

В первой главе приводится обзор и анализ существующих методов прогноза развития коррозионных дефектов при эксплуатации магистральных газопроводов в условиях воздействия постоянных блуждающих токов.

Постоянные блуждающие токи, вызывающие коррозию газопроводов, создаются электрическими установками, в основном использующими землю в качестве токопровода. Наиболее распространенными их источниками являются электрифицированные железные дороги.

Изучением процессов коррозии в условиях действия блуждающих токов в свое время занимались такие известные ученые как Л.И. Фрейман, В.В. Притула, В.И. Глазков, Н.П. Глазов и другие.

Существующие в настоящее время методики оценки работоспособности и прогноза технического состояния магистральных газопроводов для случая одиночного дефекта используют следующие исходные данные: номинальный внешний диаметр трубы, номинальная толщина стенки трубы, минимальное значение предела прочности авр, минимальное значение предела текучести ат, рабочее давление в газопроводе, длина дефекта в осевом направлении Ь, глубина дефекта с1.

При известных скоростях роста коррозионного дефекта в длину и в глубину прогнозируемые значения размеров дефекта рассчитываются исходя из значений его длины и глубины в момент его обнаружения и прогнозируемого срока эксплуатации газопровода.

Основными методами получения исходных данных являются внугритрубная дефектоскопия и визуально-инструментальный контроль в шурфах, выполненный по результатам внутритрубной дефектоскопии либо электрометрических обследований.

Для оценки скорости роста коррозии и уточнения прогнозных размеров коррозионных дефектов не всегда возможно использование результатов внутритрубной дефектоскопии. Например, в случае отсутствия повторной

внутритрубной инспекции, проведенной через определенное время эксплуатации магистрального газопровода, точность прогноза в значительной мере будет зависеть от целого ряда факторов, таких как срок эксплуатации на момент проведения инспекции, степени и скорости деградации защитного покрытия и др.

Для решения этой проблемы в существующих и разрабатываемых методиках предлагается несколько подходов.

Так, для линейного участка трубопровода, на котором внутритрубная дефектоскопия не проводилась, оценка текущего коррозионного состояния и его прогноз может осуществляться по результатам коррозионных (электрометрических) обследований с учетом результатов внутритрубной дефектоскопии линейного участка газопровода-аналога, при этом сроки эксплуатации рассматриваемого участка и газопровода-аналога не должны различаться более чем на 5 лет. В качестве газопровода-аналога рекомендуется принимать другой линейный участок рассматриваемого газопровода либо линейный участок газопровода, расположенного в этом же технологическом коридоре, либо линейный участок газопровода, эксплуатирующийся в тех же природно-климатических условиях.

По другой методике при отсутствии данных для оценки скорости роста развивающихся коррозионных дефектов на основе консервативной оценки приняты следующие фиксированные значения: скорость роста по глубине дефекта 0,2 мм/год, скорость роста по длине и ширине дефекта 4 мм/год.

Еще один подход состоит в использовании предварительной прогнозной оценки развития коррозионных дефектов, например - полученной с помощью средств коррозионного мониторинга (датчиков (индикаторов) скорости коррозии различных типов), входящих в систему электрохимической защиты трубопровода, однако и этот метод позволяет получить только усредненную скорость коррозии.

Таким образом, отсутствие необходимых данных для оценки скорости роста развивающихся локальных коррозионных дефектов и, как следствие -предположение о равномерном характере развития коррозионных процессов во времени, может существенно снизить точность получаемых результатов.

При этом эффективным источником данных для оценки характера коррозионного процесса и его параметров, на примере участков воздействия блуждающих токов, могут являться результаты специальных коррозионных обследований магистральных газопроводов.

Разработанные с участием автора в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» «Рекомендации по проведению электрометрических обследований МГ в зонах

интенсивного влияния блуждающих токов» позволяют осуществлять предварительную оценку скорости коррозии в анодных и знакопеременных зонах блуждающих токов. В данной методике прогноз коррозионного состояния магистрального газопровода в условиях проявления блуждающих токов осуществляется на основании обработки результатов измерения плотности тока на вспомогательном образце (электроде), являющемся имитатором дефекта в изоляционном покрытии.

Для таких измерений, в частности, целесообразно использовать переносные или стационарные зонд-модульные устройства различных типов или вспомогательные образцы штатных электродов сравнения.

При обработке результатов измерений определяют длительность и среднюю силу анодного тока (тока текущего в направлении от трубы к вспомогательному электроду и стекающего в грунт), по которым оценивают скорость коррозии, вызываемой блуждающими токами. Среднюю ожидаемую скорость коррозии, вызванной блуждающим током Ук< мм/год, определяют из выражения

где Увс.ср - средняя сила анодного (стекающего с образца) тока через вспомогательный электрод, А; и - суммарное время появления анодного тока, ч; *изм - общее время измерения, ч; 8ВС - площадь вспомогательного электрода, м2, 1,17 - переводной коэффициент плотности стекающего тока в скорость коррозии через соотношение электрохимического эквивалента (для железа -9,1 кг/(А*год)) и плотности вещества (для железа - 7800 кг/м3) с учетом перевода м в мм.

Используя полученное значение Ук, рассчитывают ожидаемую глубину коррозионного поражения трубы на момент выполнения измерений. При расчетах учитывают данные о работе системы электрохимической защиты участка за весь период эксплуатации.

Эта методика не дает представления о геометрии коррозионного дефекта, расчетная величина скорости коррозии является усредненной и, соответственно, глубина коррозионного дефекта определяется по средней величине без учета его формы и динамики развития.

Однако эта методика позволяет получить большой объем электрометрических данных и провести их статистический анализ, в результате чего появляется возможность оценки характеристик (параметров) постоянных блуждающих токов на обследованном участке магистрального газопровода. К

таким характеристикам относятся: частота, форма и амплитуда импульсов анодного тока, взаимное соотношение общего времени появления импульсов анодного тока и катодного тока, распределение их интенсивности в течение суток по рабочим и выходным дням, сезонность их появления и т.д.

Учет этих характеристик позволяет определить, в частности, значение средней плотности анодного тока, которое можно использовать при расчетах прогнозных размеров коррозионных дефектов с учетом существующих моделей их развития, предложенных в свое время В.И. Глазковым и Н.П. Глазовым.

Плотность анодного тока возрастает с уменьшением площади сквозного дефекта изоляции. При малых размерах дефекта в изоляции постоянный блуждающий ток формирует в металле язву правильной полусферической формы, что наблюдается как в условиях пассивации, так и при активном растворении.

В начальный период времени корродирующая поверхность представляет собой плоскость. Развитие формы коррозионного поражения от плоскости до полусферы будет проходить форму шарового сегмента (рис. 1). Первоначально форма язвы сложнее из-за большей плотности тока по краю дефекта (краевой эффект), но со временем влияние этой неоднородности уменьшается, и форма язвы становится ближе к сферической.

Рисунок 1 - Схема развития коррозионной язвы

Процесс анодного растворения в дефектах изоляции (при допущении одинаковой скорости коррозии по всей поверхности шарового сегмента) характеризуется следующим уравнением:

^■Г^-{0,15-{Ьдеф+1}У+аг)-и-1-д-Ьдеф/рг-[1Л9-{У1 V +0,72 + 1,27.'-/ ] = 0 ,(2)

6 V/ деФ) / деФ

где у - плотность металла (стали), кг/м3; Ьдеф - диаметр дефекта изоляции, м; ¿/ — глубина коррозии, м; 17 — наложенный потенциал, В; / - время экспозиции, год; /из - толщина изоляции, м; д - электрохимический эквивалент, кг/Атод; рг - удельное электрическое сопротивление грунта, Ом*м.

При сферической форме развития язвы начальная скорость коррозии высока, но со временем быстро уменьшается.

Такая коррозия опасна при небольшой толщине стенки трубы. Расчеты показывают, что наиболее опасны дефекты, размеры которых соизмеримы с толщиной стенки трубы. Это подтверждают и практические данные о коррозии магистральных газопроводов.

В связи с вышеизложенным, необходимо совершенствование методов оценки коррозионного состояния участков магистральных газопроводов в условиях действия постоянных блуждающих токов для обеспечения (повышения) сроков безопасной эксплуатации магистральных газопроводов на основе точного учета механизмов коррозионного воздействия, и методов и средств получения информации для выполнения таких расчетов.

Вторая глава посвящена исследованию и анализу параметров блуждающих постоянных токов на основе результатов полевых электрометрических исследований и результатов обследований в шурфах на участках магистральных газопроводов, расположенных в условиях действия постоянных блуждающих токов.

Для защиты подземных трубопроводов в условиях действия блуждающих токов используются соответствующие средства электрохимической защиты. В условиях развитой сети электрифицированных железных дорог постоянного тока в районах трасс магистральных газопроводов (на примере Уральского региона) существующая система электрохимической защиты не может полностью обеспечить защиту подземных трубопроводов от коррозии, вызываемой блуждающими токами. Как следствие влияния блуждающих токов, в анодных и знакопеременных зонах в местах расположения дефектов изоляционного покрытия может происходить возникновение и развитие коррозионных дефектов, преимущественно в виде язвенной коррозии.

Информация, полученная по результатам суточных измерений на участках магистральных газопроводов, расположенных в условиях интенсивного влияния блуждающих токов (постоянных) от электрифицированных железных дорог и промышленных электроустановок, позволяет сделать вывод о параметрах блуждающих токов.

При проведении полевых исследований для проведения измерений использовалось разработанное автором переносное зонд-модульное устройство.

Для ряда обследованных участков магистральных газопроводов и газопроводов-отводов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» установлено, что в знакопеременных зонах средняя плотность анодного тока в местах локального

Анализ результатов шурфований, проведенных на участках магистральных газопроводов, расположенных в анодных и знакопеременных зонах влияния блуждающих токов, показывает, что форма одиночных коррозионных дефектов, инициируемых постоянными блуждающими токами, соответствует форме шарового сегмента либо полусфере с различными вариациями в диаметральной плоскости, которые определяются формой и размером сквозного дефекта в изоляции. Размеры одиночных коррозионных дефектов в диаметральной плоскости, как правило, находятся в пределах 5-20 мм, а максимальная глубина определяется характеристиками блуждающих токов и временем эксплуатации магистрального газопровода. Первичная язва, инициированная блуждающими токами, в зависимости от состояния изоляции, ее адгезии, наличия зон попеременного сезонного смачивания и т.д. может провоцировать коррозию металла трубы под защитным покрытием, иногда - на значительном удалении от сквозного дефекта в изоляции, однако с точки зрения прочностных расчетов «слабым» местом является, как правило, сама первичная язва.

В третьей главе представлена разработанная методика экспериментальных исследований и результаты этих исследований, подтверждающие соответствие модели и процесса развития одиночного коррозионного дефекта под воздействием постоянного блуждающего тока.

Суть методики заключается в следующем. Испытания проводятся на плоских образцах из трубной стали, помещенных между двумя слоями изоляционного материала. С одной стороны изолированного образца прорезается сквозное отверстие в изоляции, которое имитирует дефект защитного покрытия. Затем подготовленные образцы помещают в испытательные ячейки, которые заполняют специально подготовленным грунтом или водой, которые по физическому и химическому составу соответствуют природному грунту и грунтовому электролиту.

Одновременно с образцами в ячейки помещают стальные пластины, к которым подключают катодный вывод от источника постоянного тока, анодный вывод подключают к испытуемым образцам. Затем от источника тока подается постоянный электрический ток необходимой величины. Общее количество пропущенного через ячейку электрического тока фиксируется с помощью регистраторов. После окончания испытаний проводятся измерения геометрических размеров полученных коррозионных дефектов, гравиметрические измерения и необходимые расчеты.

Целью проведенных экспериментов являлось уточнение модели развития одиночного коррозионного дефекта во времени при воздействии блуждающего постоянного тока не только по максимальной глубине дефекта, но и по двум другим размерностям.

При планировании лабораторных экспериментальных исследований в качестве исходных данных за основу были приняты величины плотности и продолжительности анодного тока, полученные на объектах ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург».

Для проведения экспериментов были использованы образцы-свидетели (купоны) из стали 20 размером 20x80x4,6 мм. В качестве коррозионных сред были выбраны:

1) Водно-солевой раствор - имитация грунтового электролита. При проведении экспериментальных исследований была выбрана модель грунтового электролита, соответствующая одной из исследованных ранее зон проявления блуждающих токов в регионе Среднего Урала, имеющая следующий химический состав: КС1 - 0,122г/л; ЫаНСОз - 0,483 г/л; СаС1г -0,180 г/л; М§804-0,131 г/л, с удельным сопротивлением 80 Ом«м;

2) Песок (средней зернистости) с добавлением указанного выше грунтового электролита, и удельным сопротивлением — 45 — 70 Ом*м.

Для интенсификации процесса испытаний при проведении экспериментальных исследований значения плотности анодного тока были приняты примерно в 10 раз большими по сравнению со значениями для реальных объектов, приведенными в таблице 1.

В качестве дефекта в защитном покрытии для дальнейших лабораторных исследований было выбрано круглое отверстие диаметром 11 мм (площадь 0,95 см2).

Купоны после взвешивания на аналитических весах (с точностью до 0,0001 г) и присоединения контактного вывода помещались (без праймирования) между двумя слоями изоляционного покрытия «АИепе».

В ходе экспериментальных исследований подготовленные купоны помещались в коррозионную среду горизонтально на дно испытательных ячеек с дефектом на верхней стороне исследуемых образцов.

В качестве катода использовались пластины из оцинкованной стали. Количество протекающего через образцы тока фиксировалось с помощью электронных регистраторов (РАД-256, НЮК1 3635-26). Полученные результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Коррозионные показатели для купонов, расположенных горизонтально в водной среде и песке.

Среда Экспозиция, сутки Среднее значение плотности анодного тока, ¡, мА/см2 Потеря массы, г Максимальная глубина коррозионного дефекта, мм Максимальная скорость коррозии (по глубине коррозионного дефекта), мм в год Приведенная максимальная скорость коррозии (для плотности анодного тока 0,3 мА/см2), мм в год Расчетный электрохимический эквивалент, кг / (А* год)

Вода 7,2 2,4 0,43 0,58 29,4 3,68 9,6

Вода 19,2 3,0 1,32 1,21 23,0 2,30 9,5

Песок 7,2 2,4 0,42 0,74 37,5 4,69 9,4

Песок 19,2 3,0 1,22 1,71 32,5 3,25 8,8

Внешний вид коррозионных дефектов непосредственно после экспозиции представлен на рисунке 3. Вокруг дефектов в результате осмотических явлений под отслоившимся изоляционным покрытием образовался плотный конгломерат мелкодисперсионных частиц грунта и продуктов коррозии (удален при последующих гравиметрических исследованиях).

Рисунок 3 -Коррозионные дефекты, образовавшиеся под действием анодного тока в песчаном грунте при экспозиции 7,2 суток (купон №19) и 19,2 суток (купон №18)

Геометрические параметры коррозионных дефектов представлены на рисунке 4 (по фотографиям поперечного разреза купонов, увеличено). Линия 1 (пунктирная) соответствует коррозионным дефектам на купонах с экспозицией 7,2 суток.

1,32 см2, причем объемные потери металла распределились следующим образом - 88% в зоне проекции отверстия в изоляции и 12% в зоне под изоляцией.

По предварительной оценке в конце периода экспозиции образца из 2,85 мА анодного тока 2,51 мА (88%) приходилось на зону проекции отверстия в изоляции. Средняя плотность тока в этой зоне - 2,64 мА/см2. В зоне дефекта под покрытием величина анодного тока оценочно составила 0,34 мА (средняя плотность тока 0,26 мА/см2).

В лабораторном эксперименте при начальной плотности анодного тока 2,4 мА/см2 и конечной плотности анодного тока в зоне проекции отверстия в изоляции 2,64 мА/см2 средняя плотность тока в зоне максимальной глубины коррозионного дефекта составляет 2,52 мА/см2.

В ходе совместного рассмотрения и анализа результатов измерений, в реальных условиях на участке газопровода-отвода, км 16 (Таблица 1), при средней плотности анодного тока на вспомогательный образец 0,286 мА/см2 и длительности периода анодного тока (в знакопеременной зоне) 30,5% от общего времени измерений (7,3 часа в сутки) расчетная средняя скорость коррозии составляет 1,02 мм в год. Проведенные исследования с моделированием коррозионного воздействия при плотности анодного тока 2,52 мА/см2 и экспозиции 19,2 суток в лабораторных условиях (Таблица 2) соответствуют 554,6 суток (1,56 года) для условий полевых измерений рассмотренного участка газопровода-отвода. При глубине коррозии на лабораторном образце от 1,44 до 1,71 мм скорость коррозии для вышеуказанных полевых условий будет составлять от 0,92 до 1,1 мм в год (расчетная величина 1,02 мм в год).

Величина скорости коррозии, рассчитанная по результатам измерений на вспомогательном образце в полевых условиях, по результатам лабораторных испытаний должна соответствовать скорости коррозии в реальном дефекте изоляции на газопроводе (для дефектов диаметром около 1 см).

Скорость увеличения диаметра коррозионного дефекта для моделируемого случая составляет 3,2 мм в год, однако необходимо учитывать, что это увеличение носит затухающий характер и коррозионные потери под покрытием в граничной зоне открытого дефекта составляют не более 10-15% от общих коррозионных потерь.

Предварительные эксперименты на купонах без защитного покрытия и с искусственными дефектами округлой и овальной формы, площадью 5-7 см2 показали, что в этих случаях в водной среде коррозия имеет равномерный характер, а в песке наблюдается общая неравномерная коррозия с отдельными

язвами диаметром 1-3 мм.

Таким образом, проведена проверка влияния факторов, влияющих на развитие коррозионных дефектов и проверка методов оценки воздействия постоянных блуждающих токов. Результаты экспериментальных исследований, подтверждают соответствие модели и процесса развития одиночного коррозионного дефекта под воздействием постоянного блуждающего тока.

Четвертая глава посвящена совершенствованию метода оценки параметров коррозионных дефектов, позволяющего прогнозировать их геометрические размеры, используя информацию о плотности стекающего (анодного) тока, полученную по результатам электрометрических обследований или данным коррозионного мониторинга.

Существующая модель развития коррозионного дефекта характеризуется уравнением (формула 2), которое приведено в первой главе.

Если наложенный потенциал и в этом уравнении выразить через плотность тока с учетом справочных формул расчета сопротивления и провести соответствующие математические преобразования, то получим уравнение 3-ей степени, характеризующее кинетику анодного растворения в дефектах изоляции с использованием экспериментально полученного значения средней плотности анодного постоянного блуждающего тока гср. Для случая дефекта в изоляции круглой формы

^■у<1-(.0,75-(Ьдеф+<])1+с12)-0,25чср-1-д^деф=0 , (3)

о

где 8(>еф - площадь поверхности коррозионного дефекта.

Для проверки полученного уравнения проведены сравнительные расчеты с использованием результатов экспериментальных исследований развития одиночного коррозионного дефекта.

Таким образом, для прогноза геометрических размеров коррозионного дефекта необходима следующая информация:

- средняя плотность анодного тока (при необходимости можно провести ретроспективный анализ работы средств электрохимической защиты и анализ результатов специального коррозионного обследования;

- диаметр (длина) и глубина коррозионного дефекта в определенный момент времени по результатам внутритрубной дефектоскопии;

- ориентировочная дата появления дефекта в защитном покрытии, которую можно определить по изменению интегральной или локальной оценки состояния защитного покрытия по анализу результатов периодических

коррозионных обследований («интенсивные» методы электрометрии, магнитометрия, интегральные методы и т.п.) либо по анализу результатов дистанционного контроля средств ЭХЗ (скачкообразное уменьшение потенциала сооружения в близкорасположенных контрольных точках или увеличение силы защитного тока катодной станции).

Поскольку рост глубины коррозионного дефекта в соответствии с моделью его развития имеет нелинейный характер, определение временной точки отсчета процесса развития коррозионного дефекта является важным моментом в прогнозных расчетах его параметров. Следует отметить, что точность определения даты появления дефекта в защитном покрытии будет зависеть от частоты проведения и типа измерений. Периодичность коррозионных обследований магистральных газопроводов на участках высокой коррозионной опасности, к которым относятся и участки, расположенные в зонах блуждающих токов, составляет не реже 1 раза в 5 лет. Поэтому точность определения даты появления дефекта в этом случае будет невысока, хотя при этом обеспечивается точная локализация дефекта и ее синхронизация с данными внутритрубной дефектоскопии. Более точно дату появления дефекта в защитном покрытии можно определить по результатам контроля средств ЭХЗ, и, наиболее точно (при определенных условиях) - по результатам дистанционного контроля силы защитного тока. На установках катодной защиты, расположенных в зонах блуждающих токов, и не оборудованных средствами дистанционного контроля, измерения потенциалов в точке дренажа, силы тока и напряжения на выходе должны проводиться не реже 4 раз в месяц. При наличии дистанционного контроля эти параметры могут фиксироваться до нескольких раз в день и момент появления нового дефекта в защитном покрытии можно определить по увеличению силы защитного тока, однако этот способ эффективен только в случае одиночных дефектов на участках газопроводов с новым защитным покрытием с высоким сопротивлением изоляции. При этом следует учитывать, что в условиях воздействия блуждающих токов установки катодной защиты работают, как правило, в режиме автоматического поддержания заданного потенциала с соответствующими флуктуациями величины силы тока, поэтому в этом случае целесообразно использовать интегральную оценку величины силы защитного тока за некоторый период времени.

По разнице между датой проведения внутритрубной дефектоскопии и датой появления дефекта в защитном покрытии определяем срок развития коррозионного дефекта до известных (по результатам внутритрубной дефектоскопии) геометрических размеров.

Подставив в уравнение (3) значения средней плотности анодного тока гср, глубины коррозионного дефекта с1 (по данным ВТД) и срок развития коррозионного дефекта (время экспозиции) /, можно определить размер (диаметр) дефекта изоляции Ьдеф.

При известных Ьдеф, средней плотности анодного тока и дате появления дефекта в защитном покрытии, можно определить глубину коррозионного дефекта с! на любой заданный момент времени или, наоборот, определить момент времени достижения расчетной критической глубины коррозионного дефекта. Время экспозиции / в этих расчетах будет составлять разницу между конечным моментом времени и датой появления дефекта в защитном покрытии.

На рисунке 5 представлена зависимость глубины коррозии с! от продолжительности воздействия анодного тока при плотности 0,3 мА/см2 (сплошная линия), рассчитанные по формуле (3), для параметров лабораторных экспериментов, описанных в предыдущей главе. Как видно, экспериментальные значения находятся в близком соответствии с расчетной кривой. Для сравнения на диаграмме представлены расчетные кривые для плотности анодного тока 0,1 мА/см2 и 0,4 мА/см2.

— расчетные значения при ¡=0,3 мА/см2 — • -расчетные значения при ¡=0,1 мА/см2

— -расчетныезначения при ¡=0.4мА/см2 В экспериментальные значения

Рисунок 5 - Зависимость глубины коррозии <Л от продолжительности воздействия анодного тока плотностью 0,3 мА/см2.

Средняя плотность анодного постоянного блуждающего тока /'< определяется по результатам электрометрического обследования по формуле

19

где Увсср - средняя сила анодного (стекающего с образца) тока через вспомогательный электрод, А; /а - суммарное время появления анодного тока, ч; I — общее время измерения, ч; Бвс - площадь вспомогательного электрода, м .

Таким образом, используя уравнение (3), на основе анализа результатов электрометрического обследования можно для конкретного участка магистрального газопровода, расположенного в зоне интенсивного воздействия постоянных блуждающих токов, рассчитать глубину и диаметр коррозионного дефекта для определенного момента времени.

Полученные в результате расчета геометрические параметры коррозионного дефекта можно использовать для расчета и прогноза прочностных характеристик по уже существующим методикам.

Например, в «Рекомендациях по проведению электрометрических обследований магистральных газопроводов в зонах интенсивного влияния блуждающих токов» вероятная глубина коррозионного дефекта рассчитывается без учета его геометрической формы, целесообразно ввести соответствующие дополнения в методику расчета параметров коррозионного дефекта по результатам электрометрического обследования.

Основные выводы:

1. Разработаны методы оценки коррозионного состояния магистральных газопроводов в зонах интенсивного воздействия постоянных блуждающих токов, позволяющие получать информацию о ходе коррозионного воздействия на основе анализа результатов надземных обследований.

2. В результате натурных исследований на участках магистральных газопроводов, расположенных в зонах интенсивного воздействия постоянных блуждающих токов определены диапазоны параметров блуждающих постоянных токов, воздействующих на участки магистральных газопроводов и вызывающих язвенную коррозию, средняя плотность анодного тока в местах локального повреждения защитного покрытия - до 0,3 мА/см2.

3. Разработана методика экспериментальных лабораторных исследований развития коррозионных дефектов на образцах из трубной стали под действием постоянных блуждающих токов, позволяющая моделировать различные геометрические, пространственные и коррозионные условия проведения экспериментов.

4. В результате лабораторных исследований определены факторы, влияющих на развитие коррозионных дефектов под воздействием постоянных блуждающих токов: параметры токов, характеристики коррозионной среды и размеры дефектов в защитном покрытии. Лабораторные исследования позволили провести проверку методов оценки коррозионного состояния.

5. По результатам анализа данных полевых и лабораторных исследований усовершенствован метод оценки параметров коррозионного дефекта, позволяющий прогнозировать геометрические размеры коррозионных дефектов, используя информацию о плотности стекающего (анодного) тока, полученную по результатам электрометрических обследований или данным коррозионного мониторинга, а также информацию о ретроспективном и текущем состоянии средств электрохимической защиты.

6. Результаты исследований использованы при разработке четырех рекомендаций ОАО «Газпром» по защите от коррозии.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Копьев И.Ю., Фатрахманов Ф.К. Методика составления долговременного коррозионного прогноза магистральных газопроводов // Транспорт и подземное хранение газа: науч.-техн. сб. / ИРЦ Газпром, - 2003. -№2.-С. 31-36.

2. Фатрахманов Ф.К., Копьев И.Ю., Маршаков А.И. Влияние размера датчиков коррозионного мониторинга на параметры катодной защиты подземных трубопроводов // Надежность и ресурс газопроводных конструкций: сб. науч. тр. - М.: ВНИИГАЗ, 2003. - С. 236-240.

3. Фатрахманов Ф.К., Велиюлин И.И., Копьев И.Ю., Салюков В.В. Ремонт магистральных газопроводов и их предремонтные обследования // Материалы тринадцатой международной деловой встречи «Диагностика-2003», Том 3. ч. 2. Диагностика линейной части магистральных и распределительных газопроводов, ГРС и КЗ МГ (Мальта 21-25.04.2003). - М.: ИРЦ Газпром, 2003. -С. 3-7.

4. Копьев И.Ю., Фатрахманов Ф.К., Шамшетдинова Н.К., Маршаков А.И., Рыбкина A.A. Перспективы применения методов импедансной спектроскопии для диагностики подземных сооружений // Материалы отраслевого совещания. Методы и технологии противокоррозионной защиты, новые материалы и оборудование для защиты магистральных газопроводов,

коммуникаций подземных и морских промыслов, ГПЗ, ПХГ от различных видов коррозии (Саратов, 26-29.05.2003). - М.: ИРЦ Газпром, 2004. - С. 84-89.

5. Фатрахманов Ф.К., Копьев И.Ю., Пушкарев A.M., Улихин А.Н., Желобецкий В.А., Долганов M.JI. Перспективы применения измерительных модулей при проведении электрометрических обследований подземных газопроводов // Коррозия: материалы, защита. - 2005. - № 6. - С. 16-19.

6. Запевалов Д.Н., Копьев И.Ю., Пушкарев A.M. Технология специальных электрометрических обследований подземных трубопроводов в зонах интенсивного воздействия блуждающих токов // Целостность и прогноз технического состояния газопроводов: тезисы докладов международной научно-технической конференции PITSO 2007, 10-11 октября 2007 г. - М.: ВНИИГАЗ, 2007.-С. 69.

7. Запевалов Д.Н., Копьев И.Ю., Улихин А.Н. Совершенствование системы контроля коррозионного состояния магистральных газопроводов // Проблемы системной надежности и безопасности транспорта газа: сб. науч. тр. -М.: ВНИИГАЗ, 2008. - С. 158-163.

8. Копьев И.Ю., Петрова Ю.Г., Гончаров A.B. Основные способы оценки эффективности электрохимической защиты обсадных колонн скважин от коррозии // Газовая промышленность. - 2012. - № 9. - С. 72-75.

9. Запевалов Д.Н., Копьев И.Ю. Оценка внешних коррозионных воздействий при прогнозе технического состояния магистральных газопроводов // Наука и техника в газовой промышленности. - 2012. - № 4. -С. 91-98.

10. Копьев И.Ю., Пушкарев A.M., Гончаров A.B., Попов В.А. Практика обследования системы противокоррозионной защиты трубопровода на переходе через железную дорогу // Практика противокоррозионной защиты. -2013. -№1(67).-С. 52-63.

11. Пат. 44117 РФ, МПК7 С 23 F 13/00 Устройство для измерения поляризационного потенциала подземного металлического сооружения / Ф.К. Фатрахманов, H.A. Петров, И.Ю. Копьев, Б.И. Хмельницкий, А.Н. Улихин (Россия). - № 2004123121/22; заявл. 29.07.2004; опубл. 27.02.2005, Бюл. № 6.

12. Пат. 95404 РФ, G 01 N 27/26. Ячейка для исследования электрохимических процессов / Д.С. Сирота, А.Н. Улихин, И.Ю. Копьев, A.M. Пушкарев, С.Н. Ашарин, H.H. Глазов, Д.Н. Запевалов (Россия).

- № 2010103957/22; заявл. 05.02.2010; опубл. 27.06.2010, Бюл. № 18.

13. Пат. 95405 РФ, G 01 N 27/26 Ячейка для исследования электрохимических процессов / Д.С. Сирота, А.Н. Улихин, И.Ю. Копьев, A.M. Пушкарев, С.Н. Ашарин, H.H. Глазов, Д.Н. Запевалов (Россия).

- № 2010103959/22; заявл. 05.02.2010; опубл. 27.06.2010, Бюл. № 18.

Подписано к печати «14» ноября 2013 г. Заказ №4133 Тираж 120 экз. 1 уч.- изд.л. ф-т 60x84/16

Отпечатано в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу 142717, Московская область, Ленинский р-н, п. Развилка, ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Копьев, Игорь Юрьевич, Москва

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОМ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГРМ - ГАЗПРОМ ВНИИГАЗ» (ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)

04^01454561 На правах рукописи

Копьев Игорь Юрьевич

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ В ЗОНАХ ДЕЙСТВИЯ ПОСТОЯННЫХ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ

Специальность 25.00.19 «Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -к.т.н. Запевалов Д.Н.

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................................4

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА РАЗВИТИЯ КОРРОЗИОННЫХ ДЕФЕКТОВ НА ГАЗОПРОВОДАХ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ ПОСТОЯННЫХ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ.........................................................................9

1.1 Особенности коррозии газопроводов под действием постоянных

блуждающих токов...............................................................................................................9

1.2 Существующие методы прогноза развития коррозионных дефектов..........20

1.2.1 Прогноз развития коррозионных дефектов по результатам внутритрубной дефектоскопии....................................................................................................................20

1.2.2 Интерпретационные методы прогноза развития коррозионных дефектов.......27

1.2.3 Прогноз развития коррозионных дефектов по результатам электрометрических обследований...................................................................................30

1.3 Базовая модель развития коррозионного дефекта под воздействием

анодного тока......................................................................................................................36

1.4 Постановка цели и задач исследований................................................................49

2 АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ ПОСТОЯННЫХ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПОЛЕВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................51

2.1 Методика проведения полевых исследований параметров постоянных

блуждающих токов.............................................................................................................51

2.2 Порядок обработки результатов полевых исследований параметров постоянных блуждающих токов....................................................................................55

2.3 Анализ результатов полевых исследований параметров постоянных блуждающих токов.............................................................................................................58

2.3.1 Результаты полевых исследований на газопроводе-отводе на г. Алапаевск......60

2.3.2 Результаты полевых исследований на магистральном газопроводе «Комсомольское — Челябинск»...........................................................................................66

2.3.3 Результаты полевых исследований на магистральном газопроводе «Челябинск -Петровск»............................................................................................................................72

2.3.4 Результаты полевых исследований на газопроводе - отводе к г. Усть-Катав. 74

2.4 Выводы по главе 2..........................................................................................................80

3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ................................81

3.1 Постановка задачи для проведения экспериментальных исследований ...81

3.2 Разработка методики экспериментальных исследований..............................82

3.3 Результаты экспериментальных исследований.................................................89

3.4 Выводы по главе 3..........................................................................................................99

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ КОРРОЗИОННЫХ ДЕФЕКТОВ..........................................................................................101

4.1 Преобразование базовой расчетной модели.......................................................101

4.2 Расчет глубины одиночного коррозионного дефекта с использованием результатов экспериментальных исследований....................................................107

4.3 Использование уточненной модели при прогнозе геометрических размеров одиночного коррозионного дефекта........................................................109

4.4 Выводы по главе 4........................................................................................................114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................................116

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Протяженность сети магистральных газопроводов и газопроводов-отводов составляет в настоящее время более 168 тыс. км, из них свыше 30 % имеют срок эксплуатации около 30 лет, около 10 % - свыше 35 лет. Более 50 % газопроводов-отводов эксплуатируются свыше 20 лет [111,112]. Эксплуатация магистральных газопроводов в течение такого продолжительного периода времени может приводить к появлению тех или иных отказов, проявляющихся в аварийном разрушении труб.

Основной причиной отказов магистральных газопроводов является наличие дефектов, при этом наиболее распространенный вид дефектности -это коррозионные повреждения стенки трубы, которые составляют около 60 -70 % в общей массе выявляемых дефектов [32, 52, 55, 72].

Старение магистральных газопроводов, высокий уровень их дефектности и аварийности требуют проведения значительных объемов работ по их замене или ремонту. Очевидно, что достоверная оценка развития коррозионных дефектов при эксплуатации магистральных газопроводов, позволяет рационально использовать технические и материальные ресурсы при проведении ремонтных работ.

Оценка сроков безопасной эксплуатации и расчетная оценка скорости развития коррозионных дефектов при различных условиях эксплуатации магистральных газопроводов производится на основе данных,

характеризующих геометрию элемента и всех выявленных дефектов, полученных тем или иным методом технического диагностирования, позволяющим идентифицировать природу дефектов [76].

Расчетная оценка скорости развития коррозионных дефектов (локальных язвенного типа и обширных типа равномерного утонения), как правило, производится с применением интерполяционных методов в отношении дефектов, наблюдаемых и идентифицированных в результате многократных периодических измерений [52].

Существующие методы внутритрубной дефектоскопии при проведении периодических измерений позволяют получить информацию, необходимую для оценки скорости коррозии и уточнения прогнозных размеров коррозионных дефектов. Но применимость этих методов ограничена тем, что для проведения внутритрубной дефектоскопии приспособлено примерно 60% магистральных газопроводов и только на отдельных участках внутритрубная дефектоскопия проводилась несколько раз [2, 112]. При отсутствии необходимых данных для расчета, как правило, принимают условие равномерного характера развития коррозионных процессов во времени, что может существенно снижать точность получаемых результатов.

Перспективным в этом направлении является использование результатов надземных обследований участков магистральных газопроводов на основе обработки экспериментальных данных [76], при этом точность методов оценки скорости коррозии за счет учета внешних коррозионных воздействий может быть существенно повышена.

Поэтому решение задачи повышения точности оценки коррозионного состояния магистральных газопроводов, в частности, в условиях действия постоянных блуждающих токов, является актуальной темой исследования как с научной, так и с практической точки зрения.

Цель работы. Основной целью настоящей работы является разработка методов оценки коррозионного состояния участков магистральных газопроводов в условиях действия постоянных блуждающих токов на основе точного учета процессов коррозионного воздействия, позволяющих увеличить сроки безопасной эксплуатации магистральных газопроводов.

Для достижения этой цели необходимо провести:

■ Анализ параметров постоянных блуждающих токов как факторов коррозионного воздействия на участок газопровода по результатам натурных исследований;

■ Разработку методики и проведение экспериментальных лабораторных исследований развития коррозионных дефектов на трубопроводах под действием постоянных блуждающих токов;

■ Развитие методов оценки коррозионных дефектов на участках магистральных газопроводов в условиях действия постоянных блуждающих токов.

Научная новизна

На основании анализа результатов натурных исследований определены диапазоны параметров блуждающих постоянных токов, воздействующих на

участки магистральных газопроводов и вызывающих язвенную коррозию. Установлено, что средняя плотность анодного тока в местах локального

л

повреждения защитного покрытия может составлять 0,2-0,3 мА/см , в отдельных случаях - 6-8 мА/см .

Разработана методика экспериментальных лабораторных исследований развития коррозионных дефектов на образцах из трубной стали под действием постоянных блуждающих токов.

Получены экспериментальные данные, устанавливающие зависимость параметров коррозионных дефектов от параметров блуждающих постоянных токов, характеристик коррозионной среды и размеров дефектов в защитном покрытии.

Предложен метод оценки параметров коррозионного дефекта, позволяющий прогнозировать геометрические размеры коррозионных дефектов, используя информацию о плотности стекающего (анодного) тока, полученную по результатам электрометрических обследований или данным коррозионного мониторинга.

Практическая значимость

Важность полученных результатов в практике эксплуатации магистральных газопроводов заключается в обосновании,

экспериментальном подтверждении, практической реализации методов расчета скорости коррозии и предельных геометрических размеров коррозионных дефектов при воздействии блуждающих токов с

использованием результатов надземных электрометрических обследований, техническом и методическом обеспечении проведения таких измерений.

Результаты исследований использованы при разработке следующих нормативных документов:

- Р Газпром 9.2-025-2013 Защита от коррозии. Правила эксплуатации средств электрохимической защиты подземных сооружений;

- Р Газпром 9.4-014-2012 Защита от коррозии. Методика оценки эффективности защиты от внешней коррозии обсадных колонн скважин;

- Р Газпром 9.4-013-2011 Защита от коррозии. Контроль состояния и оценка эффективности защитных покрытий подземных газопроводов;

- Р Газпром 9.4-006-2009 Защита от коррозии. Инструкция по электрометрическому обследованию подземных технологических трубопроводов компрессорных станций.

1 ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПРОГНОЗА РАЗВИТИЯ КОРРОЗИОННЫХ ДЕФЕКТОВ НА ГАЗОПРОВОДАХ В УСЛОВИЯХ ДЕЙСТВИЯ ПОСТОЯННЫХ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ

1.1 Особенности коррозии газопроводов под действием постоянных блуждающих токов

Коррозия магистральных газопроводов под действием блуждающих токов, протекающих в грунте или в воде - широко распространенное явление, при котором возникающие под действием электрических полей токи в грунте оказывают влияние на электрохимический процесс коррозии металла.

Постоянные блуждающие токи в земле возникают от электрических установок постоянного тока, использующих землю в качестве токопровода. Источниками постоянных блуждающих токов в грунте могут являться электрифицированные железные дороги, трамвайные линии, метрополитен, шахтный электротранспорт, линии электропередачи постоянного тока, промышленные установки и т.п. [6, 57, 118].

На электрифицированных железных дорогах, работающих на постоянном токе, применяют напряжение от 3000 до 3400 В, в метрополитене - 800 В, на трамвайных линиях - 600 В [57].

Наиболее мощными и распространенными из источников постоянных блуждающих токов являются линии электрифицированных железных дорог.

Тяговые нагрузки, которые могут меняться в широких пределах по величине и направлению, характеризуются непрерывным изменением точек приложения на участке рельсового пути. Сила тока, потребляемого двигателями подвижного состава, зависит от массы и скорости поезда, состояния рельсов, профиля пути и др. При рекуперативном торможении изменяется и направление тока. Одновременно с непрерывным изменением тяговых нагрузок по величине происходит их непрерывное перемещение вдоль рельсового пути в разных направлениях с изменяющейся скоростью [57].

Параметры поля блуждающих токов являются случайными величинами, колеблющимися вокруг средних значений со своими функциями распределения [25, 35]. Например, проводимость «рельс - земля» близка к нормальному распределению, а интервал времени между поездами, приближенно оценивается экспоненциальным законом распределения.

Общая протяженность участков магистральных газопроводов, расположенных в условиях проявления постоянных блуждающих токов, которую можно приблизительно оценить по общему количеству установок дренажной защиты [52], имеет общую протяженность до 5000 км. Это составляет не более 3 % от общей протяженности магистральных газопроводов, однако все эти участки относятся к зонам повышенной и высокой коррозионной опасности [21,91, 92], и требуют особого внимания.

Влияние блуждающего тока на газопровод выражается в изменении величины и знака потенциала на отдельных его участках. В зависимости от

режима работы источника блуждающего тока, это влияние может быть кратковременным, периодическим или длительным. На рисунке 1.1 представлено взаимодействие системы «электрифицированная железная дорога - газопровод» в общем случае [79].

От положительного полюса тяговой подстанции постоянный ток поступает через контактный провод и токоприемник в электровоз, где с помощью пускорегулирующей аппаратуры подводится к тяговым электродвигателям. Затем ток возвращается через колеса электровоза в рельсовый путь и через отсасывающую линию на минусовую шину тяговой подстанции [58].

Тяговый ток

/• \ V

11+ Анодная зона

Устац.

Знакопеременная зона

V \ X

Катодная зона

и-

Распределение потенциала вдоль газопровода

Рисунок 1.1- Схема образования катодной, анодной и знакопеременной зон на газопроводе при параллельном следовании с электрифицированной

железной дорогой

Практически рельсовый путь не может быть полностью изолирован от грунта, в котором по отношению к сети рельсов создается параллельное

сопротивление (грунт оказывается шунтирующим проводником). Согласно первому закону Кирхгофа, в этом случае некоторая часть рельсового тока будет протекать через грунт и через уложенные в нем газопроводы [4, 74].

При отсутствии стыковых соединителей, загрязненности балласта, прямом заземлении контактных опор на рельсы и в других случаях плохого технического состояния рельсового пути, стекающий с рельс в грунт ток, может достигать 70-80% от общей величины тягового тока, что при нагрузке тяговой подстанции 3000 А составляет от 2100 до 2400 А [46, 58]. Блуждающие токи, возникающие в земле при работе электрифицированных железных дорог, могут распространяться на большие расстояния, иногда до 30 км, что часто обусловливается неоднородностью грунта вдоль линии железной дороги. С удалением от железной дороги плотность и интенсивность влияния блуждающих токов на подземный газопровод, как правило, уменьшается.

Блуждающие токи, растекаясь в грунте и встречая на своем пути металлические газопроводы, удельное сопротивление которых намного меньше удельного сопротивления грунта, натекают на них в местах расположения сквозных дефектов защитного покрытия. Затем в зоне, близкой к отсасывающему пункту, блуждающие токи стекают с газопровода через другие дефекты защитного покрытия в грунт и поступают в рельсы в районе присоединения отсасывающей линии к рельсам и далее - по отсасывающей линии - на тяговую подстанцию [57].

В связи с этим на газопроводе выделяются следующие зоны [57, 79]

Катодная зона - участок постоянного во времени натекания блуждающих токов на газопровод, который характеризуется изменяющимся во времени отрицательным, относительно стационарного значения, потенциалом газопровода.

Анодная зона - участок постоянного во времени стекания блуждающих токов с газопровода, сопровождающегося усиленной коррозией, который характеризуется изменяющимся во времени положительным, относительно стационарного значения, потенциалом газопровода. Анодная зона, как правило, явно выражена при параллельной прокладке газопровода с железной дорогой в районе подключения тяговой подстанции.

Знакопеременная зона - участок, попеременно являющийся катодной и анодной зоной, который характеризуется знакопеременным во времени смещением потенциала газопровода.

Некоторые авторы дополнительно выделяют так называемую нейтральную зону, в которой не наблюдается ни втекания тока в подземное сооружение, ни стекание с него [58]. Нейтральная зона может иметь место на участке между анодной и катодной зонами и может образовываться вместо знакопеременной зоны в зависимости от местных условий и распределения нагрузки.

Отмечено [31], что эффект коррозии в знакопеременной зоне при всех других равных условиях меньше, чем в анодной зоне.

Газопровод по отношению к окружающему его грунту обладает полярностью, противоположной полярности рельса. Для объяснения и

оценки анодных и катодных процессов, происходящих на газ�