РГР

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Высшая школа энергетики, нефти и газа
(наименование высшей школы / филиала / института / колледжа)
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА
По дисциплине/междисциплинарному курсу/модулю
На тему
Защита от коррозии
Расчет катодной защиты магистрального трубопровода
Выполнил (-а) обучающийся (-аяся):
Вепрев Владислав Андреевич
(Ф.И.О.)
Направление подготовки / специальность:
21.03.01 Нефтегазовое дело
(код и наименование)
Курс: 4
Группа: 241602
Руководитель:
Теселкин М.В., старший преподаватель
(Ф.И.О. руководителя, должность / уч. степень / звание)
Отметка о зачете
Руководитель
(отметка прописью)
(дата)
(подпись руководителя)
(инициалы, фамилия)
Архангельск 2020
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.Ломоносова»
Кафедра транспорта, хранения нефти, газа и нефтегазопромыслового оборудования
ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТНО - ГРАФИЧЕСКУ РАБОТУ
По дисциплине
студенту
ТЕМА:
Защита от коррозии
ВШЭНГ
4 курса 241602 группы
Вепреву Владиславу Андреевичу (вариант 3,4)
Расчет катодной защиты магистрального трубопровода
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:
Магистральный трубопровод диаметром 720 мм, длиной 850 км имеет толщину
стенки 10 мм. Трубопровод проложен по местности, участки которой имеют
следующие значения удельного электросопротивления грунта:
Доля длины
0,2
0,1
0,2
0,2
0,1
0,2
трубопровода, l/L
Удельное электро105
95
79
63
42
35
сопротивление, Ом·м
Дренажная линия – воздушная, применяемый провод – М-10. Начальное переходное
сопротивление «трубопровод – грунт» равно 8850 Ом·м2. Показатель скорости
старения покрытия – 0,125 1/год. Анодное заземление выполнено из электродов
длиной 1500 мм, диаметром 6 мм и массой 40 кг анодными заземлителями типа
АКО-4, устанавливаемыми непосредственно в грунт. Кратчайшее расстояние от
трубопровода до анодных заземлителей 380 м. Глубина заложения электродов – 2,8
м, расстояние между ними – 8 м.
ТРЕБУЕТСЯ:
- описать принцип действия катодной защиты, применяемое при этом оборудование;
- подобрать станцию катодной защиты по расчетным параметрам;
- определить необходимое количество катодных станций для защиты трубопровода;
- рассчитать срок службы анодного заземления.
ЛИТЕРАТУРА:
Быков Л.И., Мустафин Ф.М., Рафиков С.К. Типовые расчеты при сооружении и ремонте газонефтепроводов. Учеб. Пособие. – Санкт-Петербург: Недра, 2006. – 824 с.
1 апреля 2020 г.
ст. преподаватель
М.В. Теселкин
2
ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ..................................................................................................................................5
1 Теоретическая часть ............................................................................................................6
1.1 Общие сведения ........................................................................................................... 6
1.2 Пассивная защита ......................................................................................................... 6
1.3 Активная защита .......................................................................................................... 7
1.3.1 Дренажная защита ..................................................................................................7
1.4 Прочие ......................................................................................................................... 10
1.4.1 Ингибиторная защита ...........................................................................................10
1.4.2 Деаэрация воды .....................................................................................................11
2 Расчетная часть ..................................................................................................................12
Заключение ............................................................................................................................18
4
ВВЕДЕНИЕ
Среди различных способов защиты металлов от коррозии особое место
занимают электрохимические способы. Это обстоятельство связано с тем, что чаще
всего металлы в эксплуатационных условиях подвергаются электрохимической
коррозии, против которой наиболее эффективны электрохимические методы защиты.
Сущность всех электрохимических методов защиты заключается в смещении
потенциала защищаемого металла в область значений, при которых его ионизация
затруднена или вообще невозможна.
Данная работа состоит из теоретической части и расчетной. В теоретической
части в краткой форме изложены основные принципы работы различных методов
защиты трубопровода от коррозии. В расчетной части представлен расчет катодной
защиты магистрального трубопровода.
5
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Общие сведения
Под коррозией металлических трубопроводов понимается самопроизвольное
разрушение
их
под
действием
различных
факторов
химического
или
электрохимического характера, определяемых окружающей трубопровод средой,
которая может быть газообразной, жидкой или твердой.
Защита от коррозии необходима, когда процесс коррозии протекает при таком
потенциале, которому соответствует скорость ионизации металла, превышающая
технически допустимую, обеспечивающую необходимую долговечность конструкции.
Применяется комплексный метод защиты трубопроводов от коррозии,
включающий
пассивную
защиту
изоляционными
покрытиями
и
активную
электрохимическую защиту: катодную, протекторную и дренажную.
1.2 Пассивная защита
К изоляционным материалам, используемым для защиты газопроводов,
предъявляют ряд требований, основные из которых следующие: монолитность
покрытия, водонепроницаемость, хорошее прилипание к металлу, химическая
стойкость
в
грунтах,
высокая
механическая
прочность
(при
переменных
температурах), наличие диэлектрических свойств. Изоляционные материалы не
должны быть дефицитными.
Наиболее распространенными изоляционными материалами являются битумноминеральные и битумно-резиновые мастики. В первом случае в качестве заполнителя
к битуму добавляют хорошо измельченные доломитизированные или асфальтовые
известняки, асбест или обогащенный каолин, во втором — резиновую крошку,
изготовленную из амортизированных покрышек. Битумно-резиновая мастика обладает
несколько большей прочностью, эластичностью и долговечностью. Для усиления
изоляции
применяют
армирующие
обертки
из
гидроизола,
бризола
или
стекловолокнистого материала. Гидроизол представляет собой толстый лист из асбеста
с добавлением 15 – 20% целлюлозы, пропитанную нефтяным битумом. Бризол готовят
на основе битума и дробленой старой вулканизированной резины.
6
В зависимости от числа нанесенных слоев эмали и усиливающих оберток
изоляция бывает следующих типов: нормальная, усиленная и весьма усиленная.
Нормальную изоляцию применяют при низкой коррозионной активности грунта,
усиленную — при средней, в остальных случаях используют весьма усиленную
изоляцию.
1.3 Активная защита
1.3.1 Дренажная защита
Электродренажная защита (рисунок 1) использует в качестве катодного
(натекающего) тока блуждающий ток рельсового электротранспорта. Блуждающий ток
– часть тягового тока электропоезда или трамвая. Так как рельсы являются
проводником тягового тока, и они не изолированы от земли, то часть тока протекает в
земле недалеко от рельсов и может попасть на соседние трубопроводы. Стекающий
затем с трубопровода, блуждающий ток вызывает электролитическое растворение
металла. Если весь блуждающий ток отводить (дренировать) с трубопровода, то ток
везде будет только натекающим, что и обеспечит эффект защиты.
Простейшая электродренажная установка – кабельная перемычка между
трубопроводом и рельсами. Величина тока в перемычке будет определяться разностью
потенциалов труба-рельсы в точках их соединения. Блуждающий ток будет выполнять
свои защитные функции, если потенциал рельсов меньше потенциала трубопровода. В
этом случае ток по перемычке направлен из трубопровода в рельсы, а не в землю.
7
где 1 – Защищаемый трубопровод; 2 – Дренажный кабель; 3 – Дренажная установка; 4
– Реостат; 5 – Выпрямительный элемент; 6 – Амперметр; 7 – Предохранитель; 8 – Генератор
тяговой подстанции; 9 – Фидер питающий; 10 – Контактный троллейный провод; 11 – Пути
движения блуждающих токов.
Рисунок 1 – Электродренажная защита
1.3.2 Протекторная защита
Протекторная
защита
–
электрохимическая
защита
с
помощью
тока
гальванической пары.
При протекторной защите участок газопровода превращают в катод без
постороннего источника тока, а в качестве анода используют металлический стержень,
помещаемый в грунт рядом с газопроводом. Между газопроводом и анодом
устанавливается электрический контакт.
В качестве анода используют металл с более отрицательным потенциалом, чем
железо (например, цинк, магний, алюминий и их сплавы). В образованной таким
образом гальванической паре корродируется протектор (анод), а газопровод
защищается от коррозии. На показана принципиальная схема проекторной защиты.
Современные протекторные материалы – это сплавы на основе магния или
алюминия, реже - цинка. Все они отличаются от стального защищаемого сооружения
своим
электрохимическим
потенциалом,
а
именно,
их
потенциал
более
электроотрицателен. Благодаря разности потенциалов в гальванической паре
возникает ток, стекающий с анода (более электроотрицательного электрода) и
натекающий из электролита на катод. Создание натекающего тока - цель
электрохимической защиты.
8
Рисунок 2 – Протекторы
1.3.3 Катодная защита
При катодной защите (рисунок 3) в качестве анода выступает электродзаземлитель, заложенный в землю недалеко от него. Для того, чтобы этот заземлитель
работал анодом, а труба - катодом, включают внешний источник постоянного тока,
причем “плюсом” - к аноду, “минусом” - к катоду. При этом в принципе безразлично,
из какого материала выполнен анод, важно лишь, чтобы образовался электрический
ток, и чтобы этот ток был направлен из земли на трубу.
Ток идет от “+” источника на заземлитель, затем в землю, из земли - на трубу и
возвращается на “-” источника.
где 1 – Устройство ИСТ-хххх; 2 – сильноточное подсоединение 220 В; 3 – Подвод
защитного тока (минус); 5 – Анодный кабель; 6 – Анодный заземлитель; 7 – Подключение
датчика потенциала; 8 – Синхронизация приборов; 9 – Медно-сульфатный электрод
сравнения; 10 – Счетчик электроэнергии с импульсным выходом; 11 – Датчик охраны.
Рисунок 3 – Станция катодной защиты ИСТ-1000
9
1.3.4 Анодная защита
Если при катодной защите требуется обеспечить натекающий ток, то при
анодной - наоборот. Анодная защита применяется для металлов, которые могут
переходить в так называемое пассивное состояние. Это, главным образом,
нержавеющие и углеродистые стали в концентрированных кислотах, щелочах и
солевых растворах. При электрохимической защите трубопроводов анодная защита не
применима.
1.3.5 Комплексная защита
Практически во всех случаях применяют электрохимическую защиту совместно
с защитой изоляционными покрытиями. Попытки использовать защиту для
неизолированного сооружения приведут к неоправданным затратам электроэнергии и
анодного материала. Действительно, при защите изолированного сооружения токи
защиты будут распределяться лишь по трещинам и проколам в изоляции, что резко
снизит затраты на электроэнергию. Токи электрохимической защиты, таким образом,
“залечивают раны изоляции”, которые она получает в процессе строительства и
эксплуатации сооружения. К тому же в порах и трещинах изоляции при
электрохимической защите образуется солевой осадок, который “пломбирует”
повреждения. Именно благодаря такой дружественности повсеместно применяется
комплексная защита - изоляционные покрытия в сочетании с электрохимической
защитой.
1.4 Прочие
1.4.1 Ингибиторная защита
Ингибитор или замедлитель – это химическое вещество, искусственная добавка
которого в агрессивную среду, причем в очень малом количестве, уменьшает скорость
коррозии. Считают, что защитное действие ингибитора связано с экранирующим
эффектом адсорбированной пленки ингибирующего вещества на корродирующей
поверхности. Этот барьер затрудняет ионный обмен и, следовательно, коррозионный
процесс.
10
Ингибиторы широко применяются для защиты внутренних поверхностей
трубопроводов при транспортировке агрессивных жидкостей, а также в химических
производствах. В мире запатентованы тысячи химических соединений, пригодных в
качестве ингибиторов в той или иной коррозионной среде.
1.4.2 Деаэрация воды
Этот способ защиты основан на факте, что при уменьшении содержания
кислорода в воде ее агрессивность падает. Кислород удаляется из воды либо
химически, либо паровой или вакуумной деаэрацией. В паровых деаэраторах кислород
выпаривают в тонких слоях воды или в брызгах на нагретых паром поверхностях.
Полученная горячая вода далее используется в водяных котлах или в системе
горячего
водоснабжения,
благоприятно
действуя
на
коррозию
внутренних
поверхностей трубопроводов.
В
вакуумных
деаэраторах
обескислороживается
холодная
вода
путем
понижения давления с помощью пароструйных насосов. При этом удаляются и другие
растворенные в воде газы.
Антикоррозионная защита стали в горячей воде имеет место при концентрации
кислорода в ней не более 0,1 мг/л, что обеспечивается стандартным деаэраторам.
11
2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
Далее приводится расчет катодной защиты. Характеристики провода М-10
приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики соединительного провода М-10
Параметр
Значение
Фактическое сечение, Sпр , мм2
9,6
Диаметр, d, мм
3,5
Среднее значение удельного электросопротивления грунта вдоль трассы
 li 
,
l
 общ 
n
 Г.ср =   Г  
i =1
(1)
где ρГ – удельные сопротивления грунтов на участках, Ом·м;
li – протяженность участков;
n
Lобщ =  li – общая протяженность проектируемого трубопровода.
i =1
 Г .ср = 0,2 105 + 0,1 95 + 0,2  79 + 0,2  63 + 0,1 42 + 0,2  35 = 70,1Ом  м
Продольное сопротивление единицы длины трубопровода по формуле:
RТ =
Г
    ( Dн −  )
,
(2)
где ρГ – удельное электросопротивление трубной стали, в среднем ρГ = 0,245
Ом·мм2/м;
Dн – наружный диаметр;
δ – толщина стенки трубопровода.
R=
0, 245 10−6
Ом
= 10,98 10−6
3,14  0,01  ( 0,72 − 0,01)
м
Сопротивление единицы длины изоляции к концу нормативного срока:
Rиз ( нс ) =
Rпн
 e−   нс ,
  Dн
(3)
где Rпн – переходное сопротивление «трубопровод-грунт» начале эксплуатации, Ом·м
β - показатель скорости старения изоляционного покрытия, 1/год;
τнс = 9,5 лет- нормативный срок службы СКЗ.
Rиз ( нс ) =
8850
Ом
 2,71−0,1259,5 = 1193,3
3,14  0,72
м
12
То же в среднем за нормативный срок службы СКС по формуле:
Rиз.ср =
Rиз.ср =
(
Rпн
 1 − e−   нс
  Dн    нс
)
(4)
8850
Ом
 (1 − 2,71−0,1259,5 ) = 2289,9
3,14  0,72  0,125  9,5
м
Среднее значение входного сопротивления трубопровода за нормативный срок
эксплуатации катодных установок по формуле:
Zср = 0,5  RT  Rиз.ср
(5)
Zср = 0,5  10,98 10−6  2289,9 = 79,3 10−3 Ом
То же к концу нормативного срока эксплуатации по формуле:
Z к = 0,5  RT  Rиз
(6)
Z к = 0,5  10,98 10−6 1193,3 = 57,2 10−3 Ом
Постоянная распределения токов и потенциалов вдоль трубопровода к концу
нормативного срока эксплуатации катодных установок по формуле:
=
=
RT
Rиз ( нс )
(7)
10,98 10−6
1
= 9,6 10−5
1193,3
м
Задаем удаление анодного заземления от трубопровода У=380 м и определяем
параметр Θ по формуле:
=
=
 Г.ср
,
2    Zk  y
70,1
= 0,513
2  3,14  57, 2 10−3  380
Коэффициент взаимного влияния СКЗ по формуле:
13
(8)
Kв =
Kв =
1
E
1 + 1 −  min
 Emax
1
 0,3 
1+ 1− 
  (1 + 0,513)
 0,55 

  (1 +  )

,
(9)
= 0,7
Протяженность зоны защиты трубопровода одной СКЗ к концу нормативного
срока эксплуатации по формуле:
lскз =
lскз =


Emax
 ln 
,

 K в  Emin  (1 +  ) 
2
(10)


2
0,55
 ln 
 = 11286м
9,6  0,7  0,3  (1 + 0,513) 
Среднее значение силы тока нагрузки СКЗ по формуле:
I др =
I др =
(
Emax
(
Z ср  1 + 2  e− lскз + 
0,55
79,3 10−3  1 + 2  2,71−9,610
−5
11286
+ 0,513
)
)
(11)
= 3,17 А
Примем, что глубина заложения середины электродов анодного заземления һ
равна 2,8 м, а расстояние между ними равно 8 м. Тогда сопротивление растеканию с
одиночного вертикального электрода по формуле:
R1в =
R1в =
0,16   Г .ср  2  lэ 1
4  h + lэ 
  ln
+  ln
,
lэ
d
2
4  h − lэ 

(12)
0,16  70,1  2 1,5 1
4  2,6 + 1,5 
  ln
+  ln
= 30, 26Ом
1,5
4  2,6 − 1,5 
 0,06 2
Примем число электродов анодного заземления n=5 и по формулам вычислим
коэффициенты А, и Б, Расчет коэффициентов представим таблицей:
Сопротивление растеканию с центрального электрода заземления по формуле:
14
n −1
2

Rц = R1 + Г .ср   Fi
  lэ i =1
(13)
где Fi – функция, которая рассчитывается по формуле (14).

2
A1 + Б1 + 1 + ( A1 + Б1 )

2
Fi = ln Б1 + 1 + Б1 

2
A1 − Б1 + 1 + ( A1 − Б1 )

)
(




(14)
где Ai и Bi – коэффициенты, которые рассчитываются по формулам (15) и (16).
2h
na
(15)
lэ
2na
(16)
Ai =
Бi =
Коэффициенты для n=1; 2; 3; 4 выведены в таблицу 2.
Таблица 2 – Коэффициенты Ai и Bi
i
1
0,70
0,09
Ai
Bi
2
0,35
0,05
3
0,23
0,03
4
0,18
0,02
 
2
0,7 + 0,09 + 1 + ( 0,7 + 0,09 )
70,1  
2
Rц = 30, 26 +
 ln 0,09 + 1 + 0,09 
2
3,14 1,5  
0,7 − 0,09 + 1 + ( 0,7 − 0,09 )

 
)
(

2
0,35 + 0,05 + 1 + ( 0,35 + 0,05 )

2
+ ln 0,05 + 1 + 0,05 

2
0,35 − 0,05 + 1 + ( 0,35 − 0,05 )

(
)

+



  = 33, 27 Ом

 
Сопротивление растеканию с крайнего электрода анодного заземления по
формуле:
Rк = R1 +
 Г .ср n−1
  Fi
2    lэ i =1
15
(17)
 
2
0,7 + 0,09 + 1 + ( 0,7 + 0,09 )
70,1
 
2
Rц = 30, 26 +
 ln 0,09 + 1 + 0,09 
2
2  3,14 1,5  
0,7 − 0,09 + 1 + ( 0,7 − 0,09 )

 
)
(

2
0,35 + 0,05 + 1 + ( 0,35 + 0,05 )

2
+ ln 0,05 + 1 + 0,05 

2
0,35 − 0,05 + 1 + ( 0,35 − 0,05 )


+



2
0, 23 + 0,03 + 1 + ( 0, 23 + 0,03)

2
+ ln 0,03 + 1 + 0,03 

2
0, 23 − 0,03 + 1 + ( 0, 23 − 0,03)


+



2
0,18 + 0,02 + 1 + ( 0,18 + 0,02 )

2
+ ln 0,02 + 1 + 0,02 

2
0,18
−
0,02
+
1
+
0,18
−
0,02
(
)


 = 32,65Ом


)
(
)
(
)
(

+


Коэффициент экранирования электродов анодного заземления по формуле:
э =
э =
2 R
Rц + Rк
(18)
2  30, 26
= 0,92
33, 27 + 32,65
Сопротивление растеканию тока с анодного заземления при вертикальном
положении электродов по формуле:
Ra =
Ra =
Rв
nв  э
(19)
30, 26
= 6,6Ом
5  0,92
Сопротивление дренажной линии по формуле:
Rпр =
пр  lпр
Sпр
(20)
где пр – удельное электрическое сопротивление материала провода (для меди
пр = 0, 017
Ом  мм 2
м
);
lпр – длина провода ( lпр = 350 м).
Rпр =
0,017  350
= 0,67 Ом
9,6
16
Среднее значение напряжения на выходных контактах СКЗ по формуле:
E = Emax − Emin + I др  ( Rпр + Ra )
(21)
E = 0,55 − 0,3 + 3,17  ( 0,67 + 6,6 ) = 23,25В
Средняя величина мощности, потребляемой СКЗ по формуле
Pcкз = I др  E
(22)
Pcкз = 3,17  23,25 = 75,31 Вт
Таблица 3 – Рассчитанные параметры тока, напряжения и мощности
I др , А
E , В
Pcкз , Вт
3,17
23,25
75,31
В соответствии с найденными значениями выбираем тип катодной станции –
КСГ (КСК) – 500, мощностью 0,5 кВт; напряжением на контактах 10,5 В, током - 10 А.
Определяем необходимое число СКЗ для защиты всего трубопровода по
формуле:
N скз =
N скз =
L
lскз
(23)
850000
 75
11286
Срок службы анодного заземления, установленного в грунт, по формуле:
=
G  э  n
I др  q
(21)
Электрохимический эквивалент q примем как для железокремнистых анодов без
активатора равным 0, 2
=
кг
.
А  год
40  0,77  5
= 243,15 лет
3,17  0, 2
17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Электрохимическая защита металлов от коррозии в растворах электролитов
основана на зависимости скоростей растворения от потенциала. При катодной защите
используют снижение скорости растворения металла в активной области при
смещении потенциала в отрицательную сторону, т. е. положительный протект-эффект.
Анодная защита использует принцип перевода металла в пассивное состояние.
В результате расчетов выбор катодной станции для защиты магистрального
трубопровода длиной 850 км сделан в пользу КСГ (КСК) – 500 в количестве 75 шт.
Срок службы анодного заземления составит 243,15 лет.
18