Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование мероприятий по защите подземных нефтегазопроводов от коррозионного воздействия высоковольтных линий электропередачи переменного тока

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

Автореферат диссертации по теме "Обоснование мероприятий по защите подземных нефтегазопроводов от коррозионного воздействия высоковольтных линий электропередачи переменного тока"

На правах рукописи

Яблучанский Павел Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ ПОДЗЕМНЫХ НЕФТЕГАЗОПРОВОДОВ ОТ КОРРОЗИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность 25.00.19- Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005558533

005558533

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук, профессор

Крапивский Евгений Исаакович

Официальные оппоненты:

Агиней Руслан Викторович доктор технических наук, ОАО «Гипрогазцентр», заместитель генерального директора по науке

Юшманов Валерий Николаевич кандидат технических наук, ООО «Газпром трансгаз Ухта», начальник производственно-диспетчерской службы

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет»

Защита состоится - 18 декабря 2014 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.10 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Сапкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 17 октября 2014

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

НИКОЛАЕВ

Александр Константинович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Систематизация причин аварий магистральных трубопроводов свидетельствует, что доля отказов трубопроводной системы по причинам коррозионного разрушения составляет более 40%. Обслуживающие трубопроводные системы предприятия, как в России, так и в других странах, направляют большие усилия и средства на повышение надежности этих систем путем совершенствования их противокоррозионной защиты, в том числе на решение проблем коррозионного воздействия на трубопровод электромагнитного поля высоковольтных линий электропередачи переменного тока (ЛЭП).

Установленные нормативными документами критерии опасного влияния ЛЭП на подземный трубопровод, требуют обоснованного выделения зон потенциально опасных в плане возможных коррозионных повреждений как для существующих трубопроводов, при включении их в план первоочередных обследований, так и при проектировании новых, для принятия технических решений, снижающих это влияние до безопасного уровня. Необходимость применения мероприятий по защите трубопровода от опасного влияния ЛЭП определяют исходя из величины плотности тока на возможном дефекте в защитном покрытии.

Единой методики оценки величины влияния ЛЭП на подземный трубопровод, применимой для всех возможных ситуаций, не разработано. Применяемые методы оценки влияния ЛЭП на пересечении с трубопроводом не учитывают в полной мере всех факторов, существенно влияющих на величину плотности тока через дефект в защитном покрытии трубопровода. Предлагаемые методы оценки путем решения матричных уравнений больших размерностей громоздки и требуют наличия доступных сертифицированных программных продуктов.

Отсутствие доступных методик оценки величины влияния ЛЭП вызывает, кроме того, большие трудности при реализации технических условий на пересечение трубопроводов и ЛЭП в организациях, проектирующих новые трубопроводные или электрические системы.

Широкое развитие электрических сетей переменного тока и не менее интенсивное создание новых трубопроводных транспортных сетей в России делают задачу оценки электромагнитного влияния ЛЭП на трубопроводы востребованной. Таким образом, разработка методики оценки влияния ЛЭП на трубопровод с целью определения мест потенциально-опасного коррозионного воздействия для своевременного принятия мер и предотвращения аварийных ситуаций является актуальной научно-технической задачей.

Цель диссертационной работы

Повышение эксплуатационной надежности подземных нефтегазопроводов путем обоснования необходимости защиты от коррозионного воздействия электромагнитного поля высоковольтных линий электропередачи переменного тока при их пересечении.

Основные задачи исследования

1. Провести анализ результатов основных исследований в области коррозии трубопроводов под воздействием переменного тока, наведенного ЛЭП, а также методов оценки степени опасности этого воздействия и способов защиты.

2. Обосновать метод расчета воздействия электромагнитного поля ЛЭП переменного тока на трубопровод, и на этой основе разработать физико-математическую модель.

3. Выявить основные факторы, определяющие плотность переменного тока в возможных дефектах защитного покрытия трубопровода при пересечении ЛЭП.

4. Разработать физико-математическую модель коррозионного повреждения стали магистрального трубопровода в возможных дефектах защитного покрытия под воздействием наведенного переменного тока.

5. Разработать методику оценки коррозионной опасности влияния наведенного на подземном трубопроводе переменного тока на участках пересечении с ЛЭП.

Научная новизна работы

1. Разработан метод вычисления электрического потенциала на подземном трубопроводе, наведенного линией электропередачи переменного тока при любых типах конструкций опор и видах

сближений и пересечений, позволяющий определять коррозионно-опасные участки трубопровода при относительно малом объеме вычислений.

2. Установлены зависимости степени коррозионной опасности воздействия переменного тока, наведенного на трубопроводе при пересечении ЛЭП, от угла пересечения, параметров ЛЭП, физико-технических характеристик трубопровода, и сопротивления грунтов, позволяющие обосновать необходимость применения мероприятий по защите от этого воздействия.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Методика оценки коррозионного воздействия ЛЭП на пересекаемый подземный трубопровод, учитывающая физико-технические параметры трубопровода, параметры ЛЭП и электрическое сопротивление грунтов в зоне пересечения и непосредственно на дефекте покрытия, позволяет определить коррозионно-опасные участки трубопровода и обосновать необходимость в защитных мероприятиях.

2. При обосновании мероприятий по защите подземного трубопровода от коррозионного воздействия переменного тока, наведенного при пересечении ЛЭП, необходимо учитывать диаметр трубопровода, электрическое сопротивление защитного покрытия трубопровода, электрическое сопротивление грунта, прилегающего к дефекту и размер ожидаемых дефектов в защитном покрытии.

Методика исследований

Методической основой исследований является создание физико-математической модели пересечения трубопровода и ЛЭП с последующим анализом и систематизацией полученных результатов расчетов при различных физико-технических параметрах модели и сравнение их с экспериментальными данными.

Достоверность научных положений подтверждена сходимостью теоретических и экспериментальных данных, подтвержденной с помощью методов математической статистики.

Практическая ценность работы

1. Разработан алгоритм расчета индуцированного электромагнитного поля в трубопроводе, позволяющий вычислить величину плотности тока утечки с дефекта в защитном покрытии в любой точке трубопровода.

2. Разработаны номограммы и получены зависимости, позволяющие, с достаточной для практики точностью, получить величину максимальной плотности тока через возможный дефект в защитном покрытии трубопровода, находящегося под воздействием электромагнитного поля ЛЭП при их пересечении.

3. Разработана номограмма для оценки предельной глубины коррозионного повреждения стали трубопровода в дефекте защитного покрытия при воздействия переменного тока.

4. Разработана методика экспресс-оценки опасности воздействия ЛЭП на коррозионное состояние трубопровода.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.), всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в науке о земле» (г. Нальчик, 2013 г.), межрегиональной учебно-научно-практической

конференции «Трубопроводный транспорт-2013» (г. Уфа, 2013 г.), международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2013 г.), межрегиональном семинаре «Рассохинские чтения» (г. Ухта, 2014 г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 7 работ, 2 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ.

Личный вклад соискателя

Автором разработан алгоритм расчета электромагнитного поля, наведенного на трубопроводе под воздействием ЛЭП; выявлены основные факторы, влияющие на степень коррозионной опасности; проанализированы электрометрические данные с имитирующих дефект покрытия датчиков, установленных на действующих трубопроводах, подверженных влиянию ЛЭП; получены номограммы и формулы для определения величины плотности тока через возможный дефект в защитном покрытии трубопровода, вызванного воздействием электромагнитного поля ЛЭП; разработана и обоснована методика оценки опасного

воздействия электромагнитного поля ЛЭП на коррозионное состояние трубопровода.

Реализация результатов работы

Разработанная методика оценки коррозионно-опасного воздействия электромагнитного поля ЛЭП на трубопровод при их пересечении может быть использована на предприятиях нефтегазовой отрасли, осуществляющих транспорт углеводородов по магистральным и промысловым трубопроводам. Проверка алгоритма расчета электрического потенциала на подземном трубопроводе, наведенного линией электропередачи переменного тока и методика экспресс-оценки опасности воздействия ЛЭП на коррозионное состояние трубопровода применялась в процессе проектирования и реализации отдельных участков объектов «Северо-Европейский газопровода» и «Расширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в газопровод «Южный поток».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и рекомендаций, изложена на 126 страницах текста, содержит 60 рисунков, 3 таблицы, список использованных источников из 68 наименований, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, обозначены основные положения, выносимые на защиту, приведена научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе выполнен обзор литературных источников и проведен анализ результатов основных исследований в области коррозии трубопроводов под воздействием переменного тока, наведенного ЛЭП. Рассмотрены критерии опасности воздействия переменного тока, методы расчетов электрических напряжений, наводимых ЛЭП, и способы защиты трубопровода от воздействия переменного тока.

Проблемами коррозии стали под воздействием переменного тока, а также проблемами защищенности трубопроводов при совместном действии катодной защиты и наведенного переменного тока, занимались такие отечественные и зарубежные ученые как:

Толстая М.А., Иоффе Э.И., Потемкинская И.В, Стрижевский И.В, Агиней Р.В., Devay J., Ragault I., Nielsen L., Büchler M.

Проблемой оценки влияния воздушных линий электропередачи на подземные сооружения, такие как трубопроводы и кабели связи, занимались: Sunde Е., Garson J., Pollaczek F., Михайлов М.И., Разумов Л.Д., Соколов С.А., Костенко В.М., Целебровский Ю.В., Бэкман В., Швенк В., Dawalibi F., J.Dabkowski.

Проведен анализ методов расчета электрических потенциалов на подземном трубопроводе, наведенных ЛЭП. Результатом некоторых исследований стали программные продукты, предназначенные для расчета величин потенциалов и токов в трубопроводе, вызванных влияние ЛЭП. Недостатком программных продуктов является их высокая стоимость, ^русифицированный интерфейс и необходимость поддержки квалифицированными специалистами.

Критерии опасности переменного тока установлены документами: ГОСТ 9.602-2005; СТО Газпром 9.2-003-2009; ОАО "АК'ТРАНСНЕФТЬ" РД-17.220.00-КТН-151-10. В последнем документе представлена методика оценки влияния ЛЭП на трубопровод для различных случаев сближения; для оценки параллельного сближения представлены номограммами продольной ЭДС взаимоиндукции по линии трубопровода для основных типов опор ЛЭП в зависимости от расстояния до трубопровода; для пересечения предлагается одна номограмма, по которой определяется величина максимального наведенного потенциала в зависимости от основных типов ЛЭП и угла пересечения, не учитывая других факторов, существенно влияющих на ее величину, за счет чего погрешность полученных значений может достигать 80% и более.

Во второй главе представлен алгоритм расчета воздействия электромагнитного поля ЛЭП на подземный трубопровод, как основа физико-математической модели. Автором разработан метод расчета электрического потенциала на трубопроводе, наведенного ЛЭП переменного тока, для любых типов конструкций опор, видов сближений и физико-технических параметров трубопровода при относительно малом объеме вычислений и контролируемой

точностью. Расчетная схема сближения трубопровода с элементом ЛЭП представлена на рисунке 1.

а у ■ 4 Е, ! «Л..

х 0 ■V. ййГ'' Трубопровод

Рисунок 1 - Схема сближения прямолинейного отрезка ЛЭП с трубопроводом

Предлагаемый метод расчета наведенного на трубопроводе электрического потенциала может быть представлен в виде формулы

йХх)=^ЁгР,, (1)

;=1

где х - координата точки расчета наведенного на трубе потенциала, м; п - количество точек расчета ЭДС взаимоиндукции Ё1 на трубопроводе, п = Ь / с1Ь\ Ь - длина сближения; с1Ь - шаг расчета Ё1.

1 "'

= )■/,.<*£,. (2)

^ /=1

где Е1 - комплекс продольной ЭДС взаимоиндукции, наведенной влияющей ЛЭП на /-том отрезке трубопровода длиной с1Ь; т -количество фаз ЛЭП; ¿к(рС1) - взаимное магнитное сопротивление между &-той фазой влияющей ЛЭП и трубопроводом на /-том отрезке длиной с1Ц - ток к-той фазы ЛЭП.

7(Ц-\Х-Х,,|) р -у{ц-\х-х,\)

Р =--- (3)

где у-постоянная распространения трубопровода; х-координата точки расчета наведенного на трубе потенциала; -расстояние от

координаты х, расчета до конца трубопровода; Р„=(г:-г,)/(гг+г1) -коэффициент отражения, где г,-волновое сопротивление трубопровода, - сопротивление нагрузки на конце трубопровода или в зависимости от положения координаты х расчета II,

относительно координаты х,). Если длину участков трубы Ь, и Ьк, считать бесконечной, то Л = .

Предлагаемый метод позволяет рассчитать распределение наведенных на трубопроводе и на участке сближения с ЛЭП. По значениям £/ рассчитываются плотности токов утечки ]ас с возможных дефектов в защитном покрытии трубопровода как отношение напряжения прикосновения иас на трубопроводе к удельному сопротивлению растекания оголенного металла в дефекте защитного покрытия. На основе описанного метода разработана физико-математическая модель пересечения и алгоритм расчета потенциалов на трубопроводе, наведенных ЛЭП.

Вычисления, выполненные на основе составленной физико-математической модели пересечения, сопоставлялись с электрометрическими данными, полученными в 2012 г. во время пуско-наладочных работ на отдельных участках трубопровода СЕГ II, подверженных влиянию ЛЭП, при сдаче его в эксплуатацию. Для примера на рисунке 2 представлена схема пересечения высоковольтной ЛЭП переменного тока одного из участков трубопровода на котором были выполнены измерения уровня напряжения прикосновения промышленной частоты 50 Гц и токи утечки /ас, через вспомогательный электрод (ВЭ) в КИПе, расположенном в 50 м от пересечения (ПК8628+50).

Рисунок 2 - План пересечения трубопровода Б1020 мм и ЛЭП 400 кВ. Средний действующий ток в ЛЭП на период измерений 1 кА; угол пересечения 70°; сопротивление защитного

покрытия трубопровода 3 ■ 105 Ом-м2; среднее сопротивление грунтов по линии трубопровода в месте измерения 100 Ом-м

Измеренные значения напряжения прикосновения и токов утечки на ВЭ площадью 6,25 см2 составили С/ас=2,4 В, /ас=1,45 мА, что соответствует плотности тока/ас=2,32 А/м2.

Расчетные значение электрического напряжения и токов утечки на трубопроводе составили: в точке пересечения осевой линии ЛЭП [/ас=4,80 В, плотность тока у'ас=4,66 А/м2; в точке расположения КИП (ПК8628+50), где проводились фактические измерения, £/ас=2,31 В, _/ас=2,24 А/м2. Результаты расчетов достаточно хорошо соответствуют фактическим измерениям.

В третьей главе представлен анализ зависимости наведенного на трубопроводе потенциала при пересечении ЛЭП от различных факторов / (профиль опоры ЛЭП, угол пересечения ср, диаметр трубопровода О, сопротивление защитного покрытия удельное сопротивление грунтов р).

Схема пересечения трубопровода и ЛЭП выбиралась в соответствии с требованиями правил устройства электроустановок (ПУЭ) и представлена на рисунке 3. а)

ч>< &о°

Трубопровод

--.ЛЭП

5

30 м. Трубопровод

30 М: 60-й

Рисунок 3 - Схемы пересечения трубопровода и ЛЭП под углом <р в коридоре шириной с учетом требований ПУЭ при <р< 60° (а) и <р> 60° (б)

Анализ различных существующих типов опор позволил выделить три наиболее часто встречаемых основных видов расположения фазных проводов на опоре: для одноцепных линий -горизонтальное, треугольное вертикальное; для двухцепных -вертикальное с симметричным расположением фазных проводов. Распределение потенциала по длине трубопровода, наведенного пересекаемой одноцепной ЛЭП для выделенных типовых профилей опор, представлено на рисунке 4.

Рисунок 4 - Распределение потенциала и, наведенного на трубопроводе при пересечении с НЭП. Профили опор с расположением фаз: горизонтальным (а), треугольным (б), вертикальным (в). Параметры ЛЭП: высота подвеса нижнего провода 10 м; угол пересечения ср = 60°. Параметры трубопровода: 0=1420 мм; рнз=103 Ом-м2. Сопротивление грунтов р= 100 Ом-м

Поле двухцепной опоры с вертикальным расположением проводов при равенстве амплитуд токов в каждой цепи и симметричной фазировкой проводов цепей аналогично полю одноцепной линии с вертикальным расположением фаз с удвоенной силой тока в них.

Проведен анализ зависимостей величины наведенного на трубопроводе нормированного потенциала и/1 от угла пересечения (р, диаметра трубы О, сопротивления покрытия /?„-, и р грунтов).

Для примера на рисунке 5 приведены расчетные графики наведенного на трубопроводе Т)2\9 мм потенциала и/1 при различных значениях р грунта и Ят в зависимости от угла пересечения ср с трехфазной одноцепной ЛЭП 500 кВ с опорами типа ПБ2 с горизонтальным расположением фазных проводов (межфазное расстояние 11 м, высота подвеса проводов 10 м).

и/1. В/«А

—ют Рисунок 5 - Графики максимального значения и/1, наведенного на трубопроводе 0219 мм в зависимости от угла пересечения (р ЛЭП для различных р грунта (индекс кривых) при Яиз в диапазоне 103 + 10б Ом-м2 (сплошная линия - Н.Из=103 Ом-м2, пунктирная линия - Яш^Ю6 Ом-м2)

Анализ влияния ср, О, /?„3 и р на величину наведенного потенциала и/1 выполнялся в диапазоне значений: <^=10-^85, 0=219-1420 мм, Яю=103+10б Ом м2, /?=1-н104 Ом м и показал значительное влияние всех вышеперечисленных факторов на величину наведенного на трубопроводе потенциала. Изменение и/1, не превышающее 10%, наблюдается только для факторов: £> при ср >45° и Ят при (р>70°.

По результатам исследований сделан вывод, что при оценке воздействия ЛЭП на подземный трубопровод необходимо учитывать: профиль опоры ЛЭП, угол пересечения, диаметр трубопровода, сопротивление защитного покрытия, удельное сопротивление грунтов.

В четвертой главе представлено обоснование оценки степени коррозионно-опасного воздействия ЛЭП на трубопровод при их пересечении и методика ее проведения.

Величина плотности тока через дефект в защитном покрытии трубопровода - основной параметр коррозионного воздействия переменного тока на трубопровод. Плотность тока А/м2 через дефект диаметром (I, м определяют по формуле ;д=2,548- иЛр-сГ). При постоянном напряжении иж и сопротивлении грунта р плотность тока ]а будет тем больше, чем меньше диаметр дефекта. Дефекты малой площади подвержены риску коррозионного разрушения больше, чем дефекты большой площади при одном и том же напряжении {7ас.

Сопротивление грунта, непосредственно прилегающее к дефекту, не является постоянной величиной. Известно, что в месте дефекта могут происходить значительные изменения р при воздействии токов катодной защиты. Ток катодной защиты способствует образованию ионов ОН в земле в непосредственной близости от дефекта, увеличивающее рН грунта в этой области и, как следствие, снижает р грунта, прилегающего к дефекту, что приводит к увеличению плотности переменного тока при одном и том же значении иас-

Для выявления динамики изменения р под воздействием токов катодной защиты в зависимости от времени проведены экспериментальные исследования на одном из действующих магистральных газопроводов в зоне воздействия ЛЭП переменного

13

тока. На трубопроводе был установлен новый, подключенный к трубопроводу, ВЭ площадью МО"4 м2. По данным изысканий сопротивление грунта в месте установки ВЭ составляло 25 Ом-м. Измерения параметров переменного тока осуществлялись в период с 20-06-2012 г. по 25-03-2013 г. с периодичностью 10 дней. Полученные данные представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 - Измерения на вспомогательном электроде, установленном на одном из действующих трубопроводов, находящегося в зоне влияния ЛЭП переменного тока в зависимости от времени: напряжение (Уас и ток /ас (а); плотность тока у'ас (б); сопротивление грунта р, прилегающего к дефекту (в)

По графикам видно, что сопротивление грунта р, прилегающего непосредственно к дефекту, в течение времени уменьшается с 25 до 5 Ом-м, при этом плотность тока/ас возрастает с 10 до 40-50 А/м2. Измерения на других трубопроводах показали аналогичную зависимость уменьшения сопротивления грунта непосредственно прилегающего к ВЭ в 4-10 раз по сравнению с сопротивлением грунтов, вмещающих трубопровод.

Результаты экспериментальных измерений свидетельствуют о необходимости учитывать изменение сопротивления грунта в районе дефекта под действием катодной защиты магистрального трубопровода как одного из основных факторов, определяющих величину плотности тока через дефект при оценке коррозионного воздействия ЛЭП на подземный трубопровод.

С целью оценки степени коррозионной опасности влияния ЛЭП на трубопровод разработана упрощенная модель коррозионного повреждения под воздействием переменного тока, основывающаяся на результатах анализа коррозионных повреждений подземного трубопровода, вызванных влиянием

высоковольтных линий электропередачи, а также по результатам лабораторных испытаний, представленных в зарубежной научной литературе (рисунок 7).

В процессе коррозиионного разрушения металла в дефекте защитного покрытия диаметром с? площадь оголенного металла увеличивается при неизменном диаметре современного защитного покрытия, что приводит к уменьшению плотности тока )ас на металле в дефекте при постоянном С/ас на трубопроводе. С увеличением глубины к коррозионного повреждения плотность тока 7ас с дефекта уменьшается и когда она достигнет величины ниже критической ]ас < ]к процесс коррозии прекращается. Были выполнены расчеты предельных глубин 1гК коррозионного повреждения под воздействием переменного тока на дефектах различного диаметра, для критического порога плотности тока _д=20 А/м2. Выполненные расчеты по определению максимально возможной глубины коррозии К для различных диаметров дефекта в защитном покрытии в зависимости от начальной плотности тока на дефекте оформлены в виде функциональных зависимостей /гк=/(/ас).

В результате выполненных исследований построены номограммы, позволяющие оценить плотность переменного тока утечки на дефектах различной площади в защитном покрытии подземного трубопровода, вызванной влиянием ЛЭП с различными наиболее часто встречаемыми профилями опор и оценить степень коррозионной опасности этого влияния.

Номограммы представлены как зависимости параметра £ от угла пересечения ср для различных р грунтов при фиксированном расстоянии между фазными проводами ЛЭП. Параметры соответствует крайним значениям диапазона параметров трубопровода: <5 при Б219 и 7?„3=106 Ом-м2; & при Э219 и /?„3=103 Ом-м2; 6 при Б1420 и Я,„=1060м-м2; & при 01420 и Я„3=103 Ом-м2.

Рисунок 7 - Модель коррозионного повреждения оголенного металла в дефекте защитного покрытия трубопровода под влиянием

переменного тока

Полученные номограммы позволяют рассчитать плотность токов утечки j, А/м2 с дефектов защитного покрытия трубопровода с использованием значений с, В/(кАОм-м) для параметров, изменяющихся в пределах: диаметр трубопровода 219-И 420 мм; сопротивление защитного покрытия 103-н 106 Ом-м2; удельное сопротивление грунтов 1-4-105 Ом-м. Плотность тока утечки /', А/м2 с дефекта в защитном покрытии рассчитывается из выражения

] = Ш) ■1%, (4)

где с1 - диаметр дефекта, м; / - ток ЛЭП, кА; кр -коэффициент снижения сопротивления грунта в непосредственной близости от дефекта, вследствие влияния катодной защиты трубопровода (£р=4н-10).

Номограмма для оценки плотности тока по параметру £ при пересечении одноцепной ЛЭП с горизонтальным расположением фаз и графики функциональной зависимости кК = /' (/ас) представлены на рисунке 8.

а) б)

Межфазное расстояние ЛЭП - 24 м

Плотность тока утечки с дефекта а защитном покрытии, А/м;:

{= (¿1 * (1о2 ' Ы) <Р-Р1)/(Р2-Р1)

= & о и-К,) + Ьк„(1-ко) + Ъ(1-к.,) (1 - ко)

V

>ч

__

/ ——1 [

- 3 2,5

-0,5

1А/М2

20 40 60 80 100 120 140 160 180

Рисунок 8 - Номограммы для расчета ПЛОТНОСТИ ТОКа утечки Jac через дефект в защитном покрытии подземного трубопровода при пересчении им трассы ЛЭП (а) и графики зависимости

Йк ОТ}ас (б)

По представленным номограммам можно определить и наведенное на трубопроводе напряжение Uac с использованием формулы Uac = (g- р-1)1 2,548 [В].

С помощью полученных зависимостей оценивается степень опасности влияния ЛЭП на конкретный трубопровод при их пересечении, определяется предельная глубина коррозии металла трубы в дефектах защитного покрытия, возможная в случае параметров катодной защиты, неоптимальных в условиях воздействия переменного тока, и предусмотреть мероприятия по предотвращению аварийных ситуаций.

Разработанная методика оценки влияния ЛЭП на подземный трубопровод применялась при проектировании объекта «Расширение ЕСГ для обеспечения подачи газа в газопровод «Южный поток». Количество ЛЭП различного класса (от 110 до 750 кВ при токовых нагрузках 0,2 - 3,0 кА), проходящих в коридоре трассы проектируемого магистрального газопровода, более 80. По всем участкам трубопровода, попадавших в зоны влияния ЛЭП, проектной организацией выполнялись расчеты по оценке электромагнитного влияния ЛЭП на трубопровод, для обоснования технических решений по защите трубопровода от воздействия переменного тока. При среднем сопротивлении грунтов 10-30 Ом-м, диапазон расчетных плотностей тока утечки на возможных дефектах защитного покрытия (S=l-i-10 см2) составил 10+800 А/м2. Одна из схем пересечения проектируемого трубопровода с ЛЭП 500 кВ представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - План пересечения трубопровода 01420x23 мм и ЛЭП 500 кВ (а), профиль опоры ЛЭП (б) и расчетные графики плотностей тока], для возможных дефектов площадью 1 и 6,25 см2 -индекс кривых (в). Номинальный ток в ЛЭП 0,6 кА; угол пересечения 60°; сопротивление защитного покрытия трубопровода 3-Ю5 Ом-м2; среднее сопротивление грунтов по линии трубопровода в месте пересечения 30 Ом-м

о)

/

Распределение расчетных значений плотностей токов утечки на возможных дефектах для значений сопротивлений грунтов 30 Омм (/cP=4) приведено на рисунке 8, в. Максимальных значений j достигает в точке пересечения осевой линии ЛЭП с трубопроводом и составляет 110,6 и 44,2 А/м2 соответственно для дефектов площадью 1 и 6,25 см2.

По методике экспресс-оценки опасности воздействия ЛЭП на трубопровод для параметров ЛЭП, схемы сближения и технических характеристик проектируемого трубопровода выше рассмотренной схемы, максимальные плотности токов для дефектов 1 и 6,25 см2 составили 118 и 47 А/м2 соответственно. Плотности тока, полученные с использованием методики экспресс-оценки, практически совпадают с точными расчетами. Предельная глубина hk возможных коррозионных повреждений определена величинами не менее 8 и 12 мм для дефектов 1 и 6,25 см2 соответственно. Прогнозируемые коррозионные повреждения являются значительными для трубопровода с толщиной стенки трубы 23 мм. На этом участке проектом предусмотрены технические решения по снижению влияния ЛЭП до безопасного уровня.

С помощью разработанной методики экспресс-оценки можно оценить степень опасности влияния ЛЭП на конкретный трубопровод при их пересечении, определить предельную глубину коррозии металла трубы в дефектах защитного покрытия и предусмотреть, при необходимости, необходимые мероприятия по предотвращению аварийных ситуаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной научно-технической задачи по повышению эксплуатационной надежности подземных нефтегазопроводов путем обоснования необходимости защиты от коррозионного воздействия электромагнитного поля высоковольтных линий электропередачи переменного тока при их пересечении. Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Разработаны метод и алгоритм вычисления индуцированного электромагнитного поля на трубопроводе,

наведенного вследствие влияния пересекаемой линии электропередачи. Сравнением данных, полученных с помощью разработанного алгоритма, и полевых данных, подтвердило возможность применения физико-математической модели для исследований параметров электромагнитного поля, наведенного на трубопроводе.

2. В результате численного моделирования проведен анализ основных факторов, определяющих величину плотности тока через дефект в защитном покрытии, которая в свою очередь является показателем степени коррозионной опасности воздействия электромагнитного поля ЛЭП на трубопровод.

3. На основе выявленных факторов получены номограммы для расчета плотности тока в возможных дефектах защитного покрытия, представленные в виде параметра £ в зависимости от угла пересечения трубопровода с ЛЭП и удельного сопротивления грунта для различных межфазных расстояний ЛЭП.

5. Разработана методика оценки опасности коррозионного воздействия ЛЭП на подземный трубопровод, основанная на номограммах, формулах и таблицах, позволяющая оценить степень коррозионной опасности воздействия электромагнитного поля ЛЭП на пересекающий трубопровод и обосновать мероприятия по снижению этого воздействия.

6. На основе анализа данных о повреждениях подземных трубопровод, находящихся под влиянием переменного тока, наведенного высоковольтными линиями электропередачи, была разработана упрощенная физико-математическая модель коррозионного повреждения стали трубы, с помощью которой были получены предельные глубины коррозии стали в дефекте защитного покрытия под воздействием переменного тока

Основные результаты диссертации представлены в следующих печатных работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России

1. Крапивский Е.И., Яблучанский П.А. Алгоритм расчета электромагнитного влияния линии электропередачи переменного тока на подземный трубопровод // Горный информационно-аналитический бюллетень. - М.: МГГУ, 2013,- №2. С.213-224

2. Захаров Д.Б., Яблучанский П.А., A.B. Титов // Об оценке

19

коррозионного воздействия ЛЭП на подземный трубопровод при их пересечении // Территория нефтегаз. - М.: , 2013. - Т.7. - с. 319-323.

В других изданиях

3. Яблучанский П.А. Оценка коррозионного влияния линий электропередачи переменного тока на магистральный трубопровод при их пересечении // Проблемы недропользования: Сборник научных трудов. Часть I / Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2013. - С.59-60.

4. Яблучанский П.А. Построение методики оценки влияния ЛЭП на подземный трубопровод при их пересечении // Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых. Материалы 10 Международной научной школы молодых ученых и специалистов. 18-22 ноября 2013 г. -М: ИПКОН РАН, 2013 - С.189-192.

5. Яблучанский П.А. Учет основных факторов, определяющих степень коррозионного воздействия ЛЭП на подземный трубопровод при их пересечении // Трубопроводный транспорт-2013: материалы IX Международной учебно-научно-практической конференции / редкол.: A.M. Шаммазов и др. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2013. - С.147-149.

6. Яблучанский П.А. Методика оценки коррозионного воздействия переменного тока, наведенного на трубопроводе при пересечении высоковольтной линии электропередачи / Е.И. Крапивский, П.А. Яблучанский // Рассохинские чтения: материалы международного семинара (6-7 февраля 2014 года). В 2 ч. Ч. 2 / под ред. Н. Д. Цхадая. - Ухта: УГТУ, 2014. - С.210-212. (Личный вклад: разработка номограмм и формул для определения плотности тока утечки через дефект в защитном покрытии трубопровода, пересекающего ЛЭП).

7. Яблучанский П.А. Об оценке коррозионного воздействия ЛЭП на подземный трубопровод при их пересечении / Д.Б. Захаров, Е.И. Крапивский, П.А. Яблучанский // Новые технологии в науке о Земле: материалы III Всероссийской научно-практической конференции. - Нальчик : Каб.-Балк. ун-т, 2013. - С. 192-197. (Личный вклад: обработка данных о параметрах тока на купонах, имитирующих дефект в защитном покрытии и установленных на действующем трубопроводе, находящемся под влиянием ЛЭП).

РИЦ Горного университета. 15.10.2014. 3.764. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2