Поляризационного потенциала на трубопроводе

Критерием эффективности катодной защиты является потенциал на границе фаз «труба-земля». При этом в зависимости от условий грунта нужно учитывать различные значения критерия защитного потенциала:

• U_{Cu / CuSO4} = - 0,65 В - для песчаных почв с удельным сопротивлением грунта r > 1000 Ом;

• U_{Cu / CuSO4} = - 0,75 В - для песчаных почв с удельным сопротивлением грунта r > 500 Ом;

• U_{Cu / CuSO4} = - 0,85 В – для, в средней степени, аэрируемых грунтов;

• U_{Cu / CuSO4} = - 0,95 В - для песчаных анаэробных почв.

Если электролит представляет собой жидкость, то границу фаз можно легко достичь при помощи электрода сравнения. Однако на проложенных под землей трубопроводах измерение на границе фаз (например, в месте повреждения покрытия) невозможно. При измерении на поверхности земли целый ряд воздействующих величин искажает величину потенциала без омической составляющей.

 

Рис. 6.13. Эквивалентная схема электрического обнаружения дефекта

 

На (рис. 6.13) показана эквивалентная схема электрического обнаружения дефекта покрытия на катодно-защищенном трубопроводе. С одной стороны, здесь имеется источник напряжения (символизирует потенциал на границе фаз), с другой стороны - сопротивление растеканию, где блуждающие токи, защитный ток и уравнительный ток вызывают падение напряжения. Для элиминирования падения напряжения, обусловленного защитным током, он циклически включается и отключается через определённые промежутки времени (например: 4 сек. включения - 2 сек. выключения).

Этот метод, определяемый как метод измерения потенциалов отключения, используется с начала 70-х годов, для этого перед началом измерения на всех катодных станциях системы защиты должны быть установлены синхронно работающие реле времени. Используемые в настоящее время приборы синхронизируются от радиосигнала DCF (f = 77/5 kH), а при отсутствии радиосигнала времени, обусловленного условиями приёма, имеют высокоточные встроенные часы, гарантирующие достаточную синхронность на протяжении многих дней. Там, где сигнал не принимается, используются приборы со встроенным базисом времени высокой точности.

Пример записи потенциалов «объект-грунт» приведены на рис. 6.14.

 

Рис. 6.14. Потенциалы «объект-грунт»

 

Поляризационный потенциал трубопровода можно измерить в специально оборудованном контрольно-измерительном пункте (КИП) с помощью МЭС длительного действия с датчикомэлектрохимического потенциала. Поляризационный потенциал измеряют с помощью прерывателя тока и вольтметра, схема подключения которых к КИП приведена на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Схема измерения поляризационного потенциала

в контрольно-измерительном пункте:

1 - прерыватель тока; 2 - датчик электрохимического потенциала;

3 - электрод сравнения; 4 - трубопровод

 

Измерение поляризационного потенциала производят следующим образом: размыкают контрольные проводники от трубопровода 4 и датчика 2; к соответствующим клеммам прерывателя тока 1 присоединяют контрольные проводники от трубопровода 4, датчика 2, электрода сравнения 3 и вольтметра, имеющего внутреннее сопротивление не менее 20 кОм на
1 В шкалы и пределы измерений 1-0-1, 3-0-3; включают прерыватель тока. Через 10 мин. после включения прерывателя тока снимают первое показание вольтметра; следующие показатели снимают через каждые 5 с. Средние значения поляризационных (защитных) потенциалов не должны выходить за пределы минимально и максимально допустимых величин.

 

 

Метод нахождения дефектных участков и

определения состояния катодной защиты

Если предположить, что на трубопроводе имеются повреждения покрытия, расположенные почти равномерно, то в первом приближении вокруг трубопровода находится цилиндрическое поле постоянного тока. На этом основывается точка зрения, что измерение потенциалов на оборудованных КИПах дает значение, представленное для значительных участков.

Если же рассматривать трубопроводы с большими различиями в площадях дефектов покрытия, то необходимо учитывать, что с увеличением размеров дефектов плотность защитного тока при прочих одинаковых условиях уменьшается. В уравнениях (6.21) и (6.22) представлена эта зависимость для дефекта покрытия круглой формы без учёта переходного и поляризационного сопротивления. Следствием этого может быть недостаточная поляризация в местах больших повреждений покрытия. Это означает, что на больших дефектах коррозия может возникать и тогда, когда во всех других местах имеется достаточный потенциал. Чтобы определить состояние катодно-незащищённых дефектов применяется метод интенсивных измерений. При этом с интервалом в 5 метров вдоль оси трубопровода измеряется потенциал «труба-земля» и параллельно этому вызванные защитным током воронки напряжения между электродом сравнения, установленным на земле, и электродом сравнения, установленным над трубопроводом.

,                                      (6.21)

,                (6.22)

где R - сопротивление растеканию; r - удельное сопротивление грунта;              d - диаметр дефекта покрытия; U - потенциал без омической составляющей, потенциал включения; J_s - плотность защитного тока; I - защитный ток на дефекте покрытия.

 

Рис. 6.16. Распределение потенциалов в области катодно-незащищённого дефекта

 

На рис. 6.16 приведено распределение потенциалов в области катодно-незащищённого дефекта. В пунктах измерения МК 111 (км 51,700) и МК 112 (км 52,690) имеется достаточный для катодной защиты от коррозии потенциал, в то время как на км 52,470, на расстоянии всего лишь около 220 м, от пункта измерения наблюдается существенное отклонение защитного потенциала в положительную сторону. При шурфовании было установлено, что в данном месте трубопровод имеет металлопроводный контактсо шпунтовой стенкой.

 

Интенсивный метод измерений

 

Двухэлектродный метод

Для проведения оценки измерений потенциал «трубопровод-грунт» не должен быть искажен омическим падением напряжения в грунте. Падение напряжения, вызываемое защитным током, следует элиминировать (устранять) кратковременным отключением защитного тока.

Падение напряжения, обусловленное компенсационным током, можно элиминировать по разности потенциалов D U двух электродов сравнения, подключенных к трубопроводу перпендикулярно. Потенциал U_IR - f_rei, не содержащий омического падения напряжения, в этом случае может быть определен по формуле

. (6.23)

Требование об исключении омического падения напряжения в грунте между электродом сравнения и трубопроводом обусловлено тем, что защитные потенциалы, приводимые в литературе, всегда относятся непосредственно к поверхности защищаемого металла. На рис. 6.17 показано, что при обычном измерении потенциала измерительным электродом с поверхности земли над трубопроводом, кроме поляризации, при катодной защите на границе раздела фаз «металл-электролит», наблюдается еще омическое падение напряжения в местах дефектов изоляции трубопровода и на сопротивлении распространению тока в местах этих дефектов от трубопровода до поверхности земли или же до несколько более удаленного электрода сравнения. Однако фактором, определяющим потенциал катодной защиты, является только напряжение поляризации на границе раздела фаз «металл-раствор» электролита, которое складывается из поляризации прохода и концентрационной поляризации. Эти виды поляризации и омическое падение напряжения в грунте имеют различные постоянные времени. Для металлов с чистой поверхностью постоянная времени омического падения напряжения обычно составляет около 10 - 7 с, постоянная времени для поляризации прохода равна примерно 10 - 4 с, а для концентрационной поляризации она обычно не меньше 10 - 2 с и может достигать нескольких секунд и даже часов. В частности, у трубопроводов, подвергающихся поляризации в течение длительного времени, и в грунтах, способствующих образованию покровных слоев на трубопроводе, значительное снижение поляризации нередко происходит только через несколько суток. Оценки показывают, что поляризация прохода у железа в грунте пренебрежимо мала (< 50 мВ). При быстро затухающей поляризации измерения можно проводить и методом выключения.

 

Рис. 6.17. Изменение потенциала методом выключения:

1 -сферическое поле; 2 - изменение потенциала у поверхности земли;

3 - цилиндрическое поле; 4 - усилитель-вольтметр; 5 - электрод сравнения Cu/CuS O ₄;

6 - потенциал «включения»; 7 - потенциал «выключения»;

8 - анод (анодный заземлитель)

 

Для выключения защитного тока применяют синхронизированные реле времени, которые через равные промежутки времени прерывают (выключают) защитный ток.

Требования нормативной литературы выполняются при использовании так называемых неполяризуемых электродов сравнения. Они представляют собой «полуячейки», т.е. металлы, погруженные в раствор, который содержит ионы тех же металлов. В технике защиты от коррозии в первую очередь применяют прочные и легко изготавливаемые электроды. Для электродов сравнения длительного действия при получении данных о потенциале от показывающих приборов применяют медно-сульфатные электроды, внутреннее сопротивление которых R_i» 100 Ом.

На трубопроводе, уложенном в землю, на поверхности трубы образуются гальванические элементы. Электрический ток выходит с поверхности трубы на анодных участках и входит на катодных. Этот ток создает в почве вокруг трубы электрическое поле, по которому можно определить распределение анодных и катодных зон. Определяют потенциальные зоны измерениями поперечного градиента потенциала. Согласно ГОСТ 9.602-89 измерение градиента потенциала производится двухэлектродной установкой методом выноса электрода.

Для измерения поперечного градиента потенциала методом выноса электрода требуются 2 медно-сульфатных электрода, многофункциональный измерительный прибор, играющий роль многопредельного милливольтметра и записывающего устройства, а также соединительные провода. Методика измерения следующая (рис. 6.18). Устанавливают один электрод над трубопроводом, а другой - в стороне, на расстоянии 5 - 10 м от оси трубопровода. Подключают многопредельный милливольтметр при помощи соединительных проводов с электродами, учитывая, что положительная клемма прибора подключается к электроду, установленному над трубопроводом, а отрицательная - к электроду, установленному в стороне от трубопровода. По окончании измерения переносят установку по оси трубопровода на 10 м. В новой точке измерения повторяют аналогично предыдущему и так далее по всей исследуемой трассе. При падении потенциала, т.е. при обнаружении анодной зоны на трубопроводе, трассу обследуют более детально. Устанавливают шаг измерений в 1 м для более точного обнаружения дефекта и отходят к точке предыдущего замера. Замеры с шагом 1 м продолжают до подъема потенциала на уровень, предшествующий падению.

 

Рис. 6.18. Схема измерения поперечного градиента потенциала

методом переноса электродов

 

Измерение поперечного градиента потенциала позволяет определить потенциальную зону, в которой находится исследуемый участок трубопровода. В анодных зонах, где коррозионный ток стекает с трубопровода в землю, потенциал находящегося над ним электрода будет выше потенциала второго электрода, и прибор покажет положительное значение, что соответствует положительному градиенту потенциала. В катодных зонах, где коррозионный ток входит в трубопровод, потенциал находящегося над ним электрода будет ниже потенциала второго электрода, и прибор покажет отрицательное значение, что соответствует отрицательному градиенту потенциала.

Если при измерении поперечного градиента потенциала выявится высокое значение потенциала, частое чередование полярности или если изменились условия залегания трубопровода, то необходимо провести контрольные измерения с переносом электрода на другую сторону трубопровода.

Интенсивные измерения проводятся группой, состоящей из 4-х человек (рис.6.18 и 6.19).

Помощник ставит электрод сравнения на расстоянии 5 м от трубопровода и считывает показания измерительного прибора для воронки напряжения, другой помощник располагает электрод над трубопроводом и измеряет потенциал «труба-земля», он также переносит катушку с кабелем для осуществления электрического подключения к трубопроводу, третий помощник осуществляет разметку трубопровода.

 

Рис. 6.19. Схема проведения интенсивных измерений

 

Специалист по катодной защите записывает результаты измерений и обрабатывает их.

Например, при использовании комплекса германской фирмы Weiklekes elektronik многофункционального измерительного прибора «MoData», обработка данных измерений производится на ПК с помощью программы Intmess (разработка «Weilekes elektronik») и PipeGraf (разработка ТюмГНГУ). При обработке данных можно увидеть следующую картину распределения потенциальных зон на трубопроводе (рис. 6.20).

 

Рис. 6.20. График потенциала «труба-земля» (программа PipeGraf)

 

С точки технических измерений двухэлектродый метод является простейшим, так как показания снимаются непосредственно на КИКах, без суммирования расчетов.

При двухэлектродном методе необходимо непосредственное подключение к КИК. Для этого, соответственно, требуется кабель, минимальная длина которого должна быть равна как минимум половине расстояния между двумя измерительными контактами.

Необходимое измерение воронки напряжения с как можно большим и постоянным поперечным удалением от оси трубопровода (например,
10 м) осложняет снятие показаний на труднопроходимых участках и в черте города.

 

Трехэлектродный метод

Трехэлектродный метод – это расширенный двухэлектродный метод. В отличие от двухэлектродного метода при трехэлектродном методе измеряются два значения воронки напряжения, симметрично с обеих сторон оси трубопровода.

Благодаря одновременному измерению потенциала и обеих воронок напряжения слева и справа оси трубопровода данный метод измерения позволяет проводить диагностические работы при наличии более чем одного трубопровода.

Трудоемкое измерение требует довольно-таки большого количества персонала. Двухстороннее измерение воронки, напряжение с как можно большим и постоянным расстоянием между электродами (например, 20 м между левым и правым электродами), приводит к уменьшению дневной выработки на труднопроходимых участках.

Трехэлектродный метод имеет особенное преимущество при интерпретации данных интенсивных измерений на участках с параллельно пролегающими трубопроводами. Воронка напряжения, наведенная от соседнего трубопровода с одной стороны оси проверяемого трубопровода, может быть устранена при обработке данных измерения, и могут быть сделаны более правильные выводы при оценке значения измерений.

Часто трехэлектродный метод применяется на участках трубопровода с дефектами изоляции, определенными предварительно по IFO-методу. Измерение левой и правой воронок напряжения в сочетании с расчетом потенциала, свободного от омической составляющей, позволяет в большинстве случаев сделать более точные выводы о катодной защите на участках нарушения изоляции, чем при других методах измерения.

Во время измерений стационарный электрод располагается на месте базового замера. При дальнейшем продвижении вперед между стационарным электродом и многофункциональным преобразователем требуется более длинный кабель. Если же невозможно дальнейшее увеличение длины кабеля, то надо перенести стационарный электрод, чтобы продолжить интенсивные измерения.

Перенос электрода необходим не только в случае полного использования длины измерительного кабеля, но и при пересечении, например, с железными дорогами или автострадами.

Непосредственно за железной дорогой необходимо производить измерение выносным электродом. После чего перенести стационарный электрод на место последнего измерения выше описанным методом.

Перенос кабеля через препятствие необходим только на время последнего замера.