Разработка методов повышения эффективности противокоррозионной защиты объектов газотранспортной системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Агиней Руслан Викторович

Разработка методов повышения эффективности противокоррозионной защиты объектов газотранспортной системы

специальность 25.00.19 - Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук

Ухта - 2009

Работа выполнена в филиале Общества с ограниченной ответственностью «Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий» ООО «Газпром ВНИИГАЗ» - «Севернипигаз»

Научный консультант:

доктор технических наук Александр Сергеевич Кузьбожев

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Алексей Анатольевич Коршак

доктор технических наук, профессор Юрий Дмитриевич Земенков

доктор технических наук, профессор Зафар Хангусейн - оглы Ягубов

Ведущая организация:

Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина

Защита состоится «18» декабря 2009 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.291.02 в Ухтинском государственном техническом университете по адресу: 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, 13.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ухтинского государственного технического университета.

Автореферат разослан «15» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. Н.М. Уляшева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

противокоррозионный защита труба газопровод

Актуальность темы. Обеспечение надежного функционирования газотранспортной системы (ГТС) - основная задача газотранспортных предприятий. Важным элементом этой системы являются подземные магистральные газо и продуктопроводы (МГ). На долю МГ приходится подавляющее число крупных аварий и отказов во всей газовой промышленности. МГ является потенциально опасным объектом и обладает огромным энергетическим потенциалом, способным оказывать значительное негативное воздействие на окружающую среду. Только за последнее десятилетие на магистральных трубопроводах произошло более 500 аварий, повлекших за собой человеческие жертвы, причинивших огромный экологический и экономический ущерб.

В отчетах Ростехнадзора отмечено, что основные угрозы целостности магистрального трубопроводного транспорта являются следствием интенсивного развития коррозионных и стресс-коррозионных процессов на МГ большого диаметра. Если в период с 1991 по 1996 год доля аварий по причине коррозии в общем балансе аварийности по ОАО «Газпром» составляла около четверти, с 1998 по 2003 год аварии по этой причине составили треть от общего количества, то в 2006-2007 годах они составляли уже более 50 %.

Опыт эксплуатации МГ показывает, что несмотря на практически 100%-ную защищенность трубопроводов от коррозии согласно действующим критериям защиты по протяженности средствами электрохимической защиты (ЭХЗ), около 90% всех выявляемых средствами диагностики повреждений являются повреждениями коррозионного характера, расположенными в отслаиваниях гидроизоляционных покрытий, выполненных преимущественно из полимерных лент. Данные покрытия из-за несовершенной технологии нанесения и низких показателей механической прочности на ряде участков МГ утратили свои функциональные свойства.

В современных условиях строительство ведется с применением труб изолированных экструдированными полимерами заводского нанесения, но такое покрытие также склонно к отслаиванию на кромках при транспортировке, хранении и монтаже секций труб.

Ежегодно на МГ выявляют сотни тысяч коррозионных повреждений метала труб, снижающих несущую способность и надежность МГ и требующих немедленной реализации превентивных мероприятий, включающих оценку эффективности и оптимизирование работы ЭХЗ с учетом дефектности покрытия, целенаправленный ремонт покрытия на основе данных диагностирования его технического состояния. Объемы и тенденция роста количества и размеров коррозионных повреждений МГ свидетельствуют о том, что в настоящее время такие методы разработаны недостаточно.

Кроме этого, сегодня, в условиях перехода ряда месторождений в заключительную стадию эксплуатации и обводнения продукта, актуальна проблема коррозии внутренней поверхности труб. Скорость коррозии может составлять несколько миллиметров в год, что за непродолжительное время приводит к образованию сквозных повреждений металла трубы, разливу продукта. Проблема актуальна как для нефтепроводов, так и для конденсатопроводов (КП), примером которого в Республике Коми является КП «Вуктыл - Сосногорский газоперерабатывающий завод (СГПЗ)». Борьба с коррозией внутренней поверхности труб заключается в применении ингибиторов, однако их действие на магистральных трубопроводах малоэффективно вследствие их большой протяженности. Высокой защитной способностью обладает внутреннее покрытие труб, однако замена труб требует значительных материальных затрат.

Вышесказанное свидетельствует о том, что противодействие интенсивному развитию коррозионных процессов на трубах МГ является актуальной ведомственной и государственной задачей в настоящее время, а, с учетом увеличения срока эксплуатации объектов ГТС, также в будущем.

При написании диссертации автор обобщил и использовал научный опыт, содержащийся в теоретических и методологических трудах известных отечественных и зарубежных ученых и специалистов по диагностированию покрытий и противокоррозионной защите трубопроводных систем, среди которых: Г.В. Акимов, Н.П. Алешин, В.Л. Березин, Б.И. Борисов, И.Ю. Быков, Г.Г. Винокурцев, Ю.И. Гарбер, Н.П. Глазов, А.Г. Гумеров, И.Н. Ермолов, Н.П. Жук, А.М. Зиневич, О.М. Иванцов, В.В. Клюев, Ф.М. Мустафин, Н.А. Петров, А.Е. Полозов, В.В. Притула, В.Н. Протасов, И.Л. Розенфельд, И.В. Стрижевский, Ю.А. Теплинский, Ф.К. Фатрахманов, Л.И. Фрейман, В.В. Харионовский, W.V. Baeckmann, R. Browseau, Li Chan, F. Gan, Z.-W. Sun, W. Schwenk, R.N. Parkins, S. Qian и многие другие.

Связь темы диссертации с плановыми исследованиями.

Результаты диссертации использованы при реализации научно-исследовательских работ в области противокоррозионной защиты газопроводов ООО «Газпром трансгаз Ухта», выполненных филиалом ООО «Газпром ВНИИГАЗ» - «Севернипигаз» за период 1999-2009 гг.

Цель работы. Повышение эффективности противокоррозионной защиты (ПКЗ) длительно эксплуатируемых МГ путем разработки, научного обоснования и внедрения комплекса методов.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Оценка и разработка методов повышения эффективности ПКЗ труб в условиях сформировавшихся отслаиваний покрытия, включая:

– разработку методики лабораторных и полевых испытаний образцов, имитирующих металл трубы в отслаивании покрытия в условиях катодной поляризации и коррозионно-активной среды;

– определение зависимостей поляризационного потенциала в образце от расстояния до устья отслаивания покрытия, силы поляризующего тока, пространственного положения модели анода, электрических свойств среды;

– обоснование метода повышения эффективности защиты воздействием переменного тока.

2. Разработка методики повышения эффективности ПКЗ технологических газонефтепроводов в условиях промышленных площадок, включая:

– определение на физических моделях точности регрессионных зависимостей, описывающих уровень защиты металла трубопроводов в условиях действия нескольких станций катодной защиты.

– разработку промышленного регламента оптимизации работы средств ПКЗ трубопроводов в условиях промышленных площадок.

– реализацию методики на территории промышленной площадки КС-10 Сосногорского ЛПУМГ ООО «Газпром трансгаз Ухта».

3. Создание новых и адаптация существующих методов и средств оценки эффективности ПКЗ, включая:

– разработку средств и методов измерения поляризационного потенциала подземных трубопроводов;

– разработку методики интерпретации результатов интенсивных электроизмерений, для повышения точности оценки сквозных повреждений покрытия малой площади;

– разработку методики ранжирования участков трубопроводов по предрасположенности к образованию повреждений покрытия для целенаправленного применения средств полевой диагностики.

4. Разработка и внедрение методики акустического реверберационного контроля заводского покрытия труб, включая:

– разработку акустической модели с определением оптимальных параметров акустических преобразователей;

– установление критериев и точности выявлении отслаиваний покрытия на лабораторных образцах;

– разработку неразрушающей технологии количественной оценки прочности соединения покрытия с металлом трубы;

– промышленное внедрение метода на трубах с заводским покрытием сверхдлительного хранения, предназначенных для газоснабжения Камчатской области.

5. Разработка методов повышения работоспособности трубопроводов, транспортирующих многофазные среды, включая.

– выявление особенностей коррозионной поврежденности внутренней поверхности трубопроводов на основе результатов внутритрубной дефектоскопии и последующего обследования дефектов в шурфах;

– проведение имитационных коррозионных испытаний металла в условиях многофазной среды «пластовая вода - газовый конденсат»;

– разработку методов выявления участков трубопровода с расслоенным потоком течения транспортируемой среды.

Научная новизна:

1) Моделированием отслаивания покрытия установлено, что поляризация металла образцов до минимального критерия защиты минус 0,85 В достигается на расстоянии не более 40 мм от точки натекания тока (устья отслаивания). Установлена зависимость поляризационного потенциала металла от условий натекания катодного тока, расстояния между сквозным дефектом в покрытии и точкой измерения, плотностью тока и собственным потенциалом. Доказано, что в отслаивании наиболее достоверным критерием ЭХЗ является значение поляризационного потенциала металла относительно среды.

2) Установлено, что наложение переменного синусоидального тока плотностью 8-12 мА/м² в диапазоне частот 100-1000 Гц позволяет достичь минимального критерия ЭХЗ на расстоянии от устья отслаивания сопоставимом в шириной полимерной ленты (540 мм) при площади устья около 3 см² и высоте отслаивания - 5 мм.

3) Обосновано, что потенциал в точке трубопровода в условиях защиты несколькими станциями катодной защиты (СКЗ) может быть определен с помощью линейной регрессионной модели. Погрешность модели относительно фактических данных составляет менее 12 %, а в диапазоне потенциалов минус 0,85 - 2,5 В менее 6,0%. Также линейная модель обладает наименьшей по сравнению с экспоненциальной и полиномиальной моделью суммой квадратов отклонений от факта. Предложены критерий оптимизации для расчета требуемых режимов СКЗ с учетом текущего состояния грунта и изоляционного покрытия в момент измерения.

4) Определено, что площадь эквивалентного повреждения покрытия, определяемая по результатам электроизмерений зависит от условий измерения и параметров работы средств ЭХЗ. Разработана новая методика интерпретации результатов электрометрических измерений при оценке площади сквозных повреждений покрытия. Для определения местоположения повреждения покрытия на газопроводе при электрометрических измерениях предложен коэффициент неоднородности поля катодного тока.

5) Расчетным путем установлены и подтверждены на лабораторных образцах критерии диагностирования заводского покрытия ультразвуковым (УЗ) реверберационным методом при проведении контроля со стороны металла труб. Предложены уравнения для расчета коэффициента отражения от границы «датчик - среда» и коэффициента затухания в среде. Получены уравнения и критерии количественной оценки прочности адгезии покрытия к металлу трубы.

6) Имитационными испытаниями образцов из конденсатопровода доказано, что наиболее интенсивное развитие коррозии происходит на границе «газовый конденсат - вода»: потеря массы образцов на 25-65% больше, чем образцов, экспозированных в пластовой воде. В динамике скорости коррозии датчиков модели трубопровода, установленных в водной среде и на границе жидких сред, отличаются в 1,6-5,2 раз зависимости от скорости движения жидкостей;

7) Расчетом параметров акустического поля доказано, что для реализации реверберационного метода контроля среды через стенку трубопровода толщиной 8 мм наиболее рациональным является применение датчика с рабочей частотой 5,0 МГц и диаметром пьезопластины 10,0 мм. Установлены критерии определения типа транспортируемой среды УЗ реверберационным методом по отношению амплитуд эхо-сигналов.

Методы исследований. В работе использованы аналитические и экспериментальные методы исследования эффективности противокоррозионной защиты металла трубопроводов на лабораторных, стендовых и натурных объектах.

Основные защищаемые положения диссертации:

• Результаты лабораторного и полевого исследования эффективности ЭХЗ в отслаиваниях покрытия в условиях катодной поляризации, в том числе с наложением переменного тока.

• Регламент повышения эффективности противокоррозионной защиты трубопроводов промышленных площадок НС и КС, включая методику расчета требуемых выходных параметров СКЗ с учетом состояния покрытия и свойств грунта.

• Новые метод и устройства измерения поляризационного потенциала трубопроводов.

• Метод оценки коррозионной поврежденности поверхности образцов при лабораторных испытаниях.

• Методика интерпретации результатов интенсивных электроизмерений, предусматривающая учет условий измерения и параметров ЭХЗ и адаптацию линейных координат.

• Метод ультразвукового диагностирования качества приклеивания покрытия заводского нанесения при контроле со стороны металла трубы.

• Метод ультразвукового диагностирования типа течения среды в конденсатопроводе для определения границ участка с расслоенным потоком и назначении противокоррозионных мероприятий.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

На основе результатов исследований разработаны шесть стандартов организации (СТО) ООО «Газпром трансгаз Ухта» (до 2008 г. ООО «Севергазпром»). По материалам получены одиннадцать патентов РФ, что характеризует новизну и промышленную применимость полученных в работе результатов.

Результаты работы внедрены на предприятиях ОАО «Газпром»:

- методика оптимизации ЭХЗ трубопроводов ПП внедрена на КС-10 Сосногорского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Ухта» компрессорный цех №3. Рассчитаны рациональные параметры защитного тока каждой из СКЗ, рекомендованы мероприятия по ремонту и установке новых анодных заземлений;

- новый алгоритм интерпретации результатов интенсивных электроизмерений и методика прогнозирования повреждений изоляционного покрытия реализованы на участке МГ Пунга-Ухта-Грязовец 0,5-25 км, в результате установлены участке МГ требующие первоочередного ремонта покрытия. Экономический эффект от внедрения - 8,7 млн. руб.;

- метод ультразвукового контроля покрытия реализован при освидетельствовании заводского покрытия более чем двух тысяч труб сверхнормативного хранения, предназначенных для газификации Камчатской области. В результате установлена возможность применения данных труб, предложены наиболее эффективные способы ремонта повреждений. Экономический эффект от внедрения - более 100 млн. руб.;

- метод ультразвукового контроля многофазного потока внедрен на участке конденсатопровода Вуктыл-СГПЗ. Установлены границы участка КП с расслоенным типом течения транспортируемой потока, предлагаемые для установки труб с внутренним антикоррозионным покрытием. Экономический эффект - 3,8 млн. руб.

Апробация работы.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции «Большая нефть: реалии и перспективы» (г. Ухта, УГТУ, 2003г.); XLII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (г.Калуга, 2004 г.); XV Коми республиканской молодежной научной конференции (г. Сыктывкар, Коми НЦ УрО РАН, 2004 г.); Международных молодежных конференциях «Севергеоэкотех» (Ухта, УГТУ, 2004 - 2009 гг.); Конференции молодых ученых и специалистов филиала ООО «ВНИИГАЗ»-«Севернипигаз» «Актуальные проблемы нефтегазодобывающей отрасли на территории Тимано-Печорской провинции» (г. Ухта, Севернипигаз, 2005 г.); Научно-технических конференциях молодёжи АК «Транснефть» ОАО «Северные МН- 2006» (Ухта, ОАО «Северные МН», 2006-2009 гг.); Седьмой Всероссийской конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, РГУНиГ им. И.М. Губкина, 2007 г.); 7-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, РГУНиГ им. И.М. Губкина, 2007 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Нефть и газ Западной Сибири», г. Тюмень, 2007 г.; Конференциях сотрудников и преподавателей УГТУ, г. Ухта, 2006 - 2009 гг.; VII Международной интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении»(БГИТА, г. Брянск, 2006 - 2007 гг.); Международной конференции «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов» (PITSO-2007) (г. Москва, ООО «ВНИИГАЗ», 2007 г.); Международной конференции «Газотранспортные системы: настоящее и будущее. Целостность и прогноз технического состояния газопроводов» (GTS-2007) (г. Москва, ООО «ВНИИГАЗ», 2007 г.); III научно-практической конференции молодых специалистов ИТЦ ООО «Севергазпром» (г. Ухта, ИТЦ ООО «Севергазпром», 2007 г.); XV научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири - 2008» (г. Тюмень, ООО «ТюменНИИгипрогаз», 2008 г.); V научно-практической конференции молодых работников ООО «Газпром трансгаз Ухта» «Молодежь, наука, инновации» (г. Ухта, ООО «Газпром трансгаз Ухта», 2008 г.); научно-практическом семинаре молодых специалистов и ученых филиала ООО «ВНИИГАЗ»-«Севернипигаз», посвященном 60-летию ВНИИГАЗа (Ухта, Севернипигаз, 2008 г.); совместном заседании Президиума Коми НЦ УрО РАН, Ученого совета УГТУ, Совета ректоров РК и КРО РАЕН (г. Сыктывкар, Коми НЦ УрО РАН, 2008 г.); 3-й Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы трубопроводного транспорта Западной Сибири», ТюмГНГУ, г. Тюмень, 2009 г.; VI научно-практической конференции молодых специалистов и ученых ООО «Газпром ВНИИГАЗ» - «Севернипигаз» «Инновации в нефтегазовой отрасли - 2009» (Ухта, Севернипигаз, 2009 г.); «Рассохинских чтениях», посвященных памяти профессора Г.В. Рассохина (УГТУ, г. Ухта, 2009 г).

Публикации: по теме диссертации опубликовано 76 работ. В том числе 11 патентов РФ, 8 монографий и учебно-методических изданий, 6 СТО, 32 статьи опубликованы в изданиях, включенных в «Перечень…» ВАК РФ, из них 7 - в изданиях рекомендованных экспертным советом по проблемам нефти и газа.

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, содержит 392 страницы текста, 207 рисунков, 48 таблиц и список литературы из 380 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследований, раскрыты степень разработанности темы, ее научная новизна, основные защищаемые положения и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе выполнен анализ вопроса эффективности противокоррозионной защиты объектов ГТС длительной эксплуатации. Показано, что за период с 1981 года только на МГ ООО «Газпром трансгаз Ухта» произошло около 80 аварий, из них около 70 % связаны с коррозионными повреждениями, а, в первую очередь, с коррозионным растрескиванием под напряжением (КРН).

Коррозия является наиболее распространенным повреждением стенки труб, выявляемым средствами внутритрубной диагностики (ВТД). Анализ результатов ВТД показывает, что более 90 % повреждений представляют собой потерю металла, связанную преимущественно с коррозией, в т.ч. около 2,0 % дефектов имеют относительную глубину более 50% толщины стенки труб.

Показано, что в настоящее время задача противокоррозионной защиты МГ решается совместным действием гидроизоляционных покрытий, препятствующих доступу коррозионных агентов к металлу трубы и ЭХЗ, работающей при наличии дефектов и повреждений покрытия, при этом критерием эффективности работы ЭХЗ является поляризационный потенциал трубопровода относительно грунта.

Существующая система МГ диаметром 1220-1420 мм, пик строительства которой пришелся на 1970-1980 годы, изолирована, преимущественно, полимерными лентами трассового нанесения и покрытиями на основе битума, армированного стеклохолстом, которые в ряде случаев исчерпали ресурс работоспособности.

Основными дефектами покрытия являются:

- сквозные повреждения, возникающие преимущественно в результате механического повреждения при строительстве, а также в процессе эксплуатации при воздействии грунта и балластировочных устройств;

- повреждения сдвига, возникающие в результате взаимного перемещения трубопровода относительно грунта, наиболее характерным является сдвиг покрытия под воздействием усадки грунта обратной засыпки;

- отслаивания покрытия, инициированные в сквозных повреждениях и в последующем развивающиеся под действием катодной поляризации и среды.

Полимерные ленты предрасположены к сдвигу и образованию гофр, ориентированных параллельно оси трубы. По данным Э. Санкактара и Х. Жазови место с наибольшей вероятностью образования гофр расположено в точке 148 на окружности трубы относительно вертикали, что соответствует области на МГ с наибольшим количеством обнаруживаемых коррозионных дефектов.

Установлено, что коррозионные повреждения металла труб локализуются преимущественно в дефектах отслаивания и сдвига антикоррозионного покрытия. Такие повреждения покрытия не препятствуют доступу коррозионных агентов к незащищенному металлу, но в то же время, вследствие хороших диэлектрических свойств, экранируют действие электрохимической защиты.

Обзор работ посвященных оценке действия катодной защиты в щелевом элементе, в том числе, смоделированном на реальных моделях трубопроводов, показал, что потенциал станции катодной защиты поддерживается на необходимом уровне только в устье отслаивания, с удалением от устья более чем на 50-100 мм, наложенный потенциал резко падает и не соответствует требованиям ГОСТ Р 51164-98 и не приводит противокоррозионной защите металла труб.

Анализ выявил проблему оптимизации работы средств ЭХЗ трубопроводов ПП КС и НС. На практике такая задача решается регулированием выходным параметров станций катодной защиты (СКЗ), применением дополнительных СКЗ или распределенных анодных заземлителей.

Однако распределение электрического поля катодной защиты в условиях ПП, когда сеть сложноразветвленных трубопроводов защищена несколькими СКЗ, аноды которых установлены по периметру ПП, практически невозможно описать математическими зависимостями, вследствие влияния большого количества не учитываемых факторов. Это затрудняет реализацию разработанных методик, большой вклад в развитие которых внес Ф.К. Фатрахманов, и в ряде случаев потенциал трубопроводов ПП не соответствует действующим критериям защиты (рис. 1).

Рис. 1. Пример распределения защитного потенциала по длине трубопровода КС несоответствующего ГОСТ Р 51164-98

Автором предложена структурная схема реализации комплексной методики оптимизации работы ЭХЗ трубопроводов ПП, включающая: проведение лабораторных исследований с получением эмпирических зависимостей на моделях; анализ данных об объекте; разработку и реализацию комплекса мероприятий (рис. 2).

Рис. 2. Структура комплексной методики оптимизации ЭХЗ трубопроводов ПП

Проанализированы электрометрические методы диагностирования покрытий длительно эксплуатируемых трубопроводов, в частности метод интенсивных электроизмерений, научные основы которого заложили ученые ФРГ Вальтер фон Бекман, Вильгельм Швенк. Однако методам присущ ряд недостатков, которые не позволяют эффективно их использовать при коррозионном мониторинге трубопроводов, в частности отмечены: низкая точность определения площади повреждения покрытия, недостаточная разработанность методик определения местоположения повреждения по окружности трубы, низкая приспособленность метода для контроля многониточных трубопроводов. Это снижает информативность и достоверность таких измерений при назначении ремонтных мероприятий на трубопроводе.

Кроме этого отмечено, что существует проблема корректного измерения поляризационного потенциала трубопроводов. Анализ известных методов, показал, что они не обеспечивают требуемой точности измерений в условиях одиночных дефектов изоляционного покрытия и неравномерности процессов натекания тока катодной защиты.

Современные двух и трехслойные покрытия из экструдированных полимерных материалов обладают высокими адгезионными и механическими свойствами, благодаря чему гарантируется их работоспособность в грунтовых условиях длительное время. Однако в работах Ю.А. Теплинского и И.Ю. Быкова показано, что во время хранения, транспортировки и монтажа секций труб, заводское покрытие также может повреждаться под действием негативных факторов природно-климатического и строительного характера, приводящих к сдвигу и отслаиванию кромок покрытия. Специалистами филиала «Севернипигаз» разработан метод ультразвукового (УЗ) диагностирования заводского покрытия труб. Однако метод работает только при установке УЗ датчика со стороны покрытия, что не позволяет эффективно диагностировать трубы, сложенные в штабель и предложить метод для применения в составе внутритрубного ультразвукового диагностического комплекса. Кроме этого метод не позволяет количественно оценивать снижение адгезии покрытия к металлу.

Опыт эксплуатации КП показал, что несмотря на существующие системы очистки и подготовки жидких углеводородов к транспорту в трубопроводы может попадать пластовая вода, содержащая коррозионно-активные компоненты. При этом в трубопровод закачиваются многофазные эмульсионные среды, которые при перекачке могут разделяться на компоненты, в том числе с выделением на отдельных участках трубопроводов свободной воды. Такие участки характеризуются значительной скоростью локальной коррозии, повреждающих внутреннюю поверхность труб.

Выделены две группы методов повышения защиты трубопроводов от внутренней коррозии. Первая группа методов направлена на снижение коррозионной активности среды. Реализация методов возможна, однако они не обладают достаточной эффективностью при защите протяженного трубопровода вследствие изменения термобарических условий. Известны безреагентные методы, в частности, связанные с магнитной обработкой транспортируемой среды, однако им также присущ ряд недостатков.

Вторая группа методов связана с использованием коррозионно-стойкого оборудования. Это достигается применением труб из коррозионно-стойких марок сталей или покрытий внутренней поверхности труб. Основным недостатком является значительные капитальные вложения при их реализации. Наиболее целесообразным является применение труб с внутренним покрытием только на коррозионно-опасных участках КП, но критерии выбора таких участков разработаны недостаточно.

В работе проанализированы коррозионные сквозные повреждения КП «Вуктыл - СГПЗ». КП изготовлен из труб диаметром 530 мм, толщиной стенки 8,0 мм, марка стали труб 17ГС. Длина КП - 186 км. Исследования металла и продуктов коррозии показали, что процесс развивался с внутренней поверхности труб и связан с возникновением гальванопар, обусловленных химической неоднородностью поверхности металла, в условиях коррозионно-активной среды, которая преимущественно состоит из пластовой воды и метанола.

Таким образом, проведенный анализ показал, что снижение коррозионной повреждаемости длительно эксплуатируемых МГ является актуальной научно-технической проблемой и целью настоящей работы.

Вторая глава посвящена исследованию полноты ЭХЗ металла под отслоившимся покрытием. Для проведения лабораторных исследований разработана конструкция образца, моделирующего металл трубы, расположенный в отслаивании покрытия. Образец состоит из полого стального цилиндра, помещаемого с зазором 5 мм в полиэтиленовую оболочку. В оболочке установлены узел затекания тока (устье), штуцера для дренирования электролита, двенадцать капилляровШесть капилляров (номера 7-12) расположены на одной образующей с устьем, шесть остальных (номера 1-6)- на диаметрально противоположной образующей для измерения поляризационного потенциала и проволочные датчики для оценки скорости коррозии.

При исследованиях образец помещался в ванну с электролитом, в который погружался анод (рис. 3).

1 - образец; 2 - трубки с электролитом; 3 - анод; 4 - блок питания (модель СКЗ); 5 - электрод сравнения; 6 - узел натекания тока; 7 - капилляр; 8 - точка измерения

Рис. 3. Схема натекания тока при поляризации образца

Измерением потенциала поверхности металла в модели отслаивания установлено, что критерий защищенности минус 0,85 В достигается только в ближайшей к устью точке (точка 7, расстояние до устья 40 мм) при максимальных режимах источника тока (плотность тока поляризации более 120 мА/м²) (рис. 4).



Рис. 4. Распределение потенциала в точках 7 - 12 при с = 3,35 Ом*м при силе поляризующего тока:

1 - 0; 2 - 0,89; 3 - 2,18; 4 - 3,77; 5 - 5,49; 6 - 7,25; 7 - 9,84; 8 - 11,62 мА

При анализе полученных результатов установлено, что зависимость потенциала от силы (плотности) тока можно аппроксимировать прямыми, при этом тангенс угла наклона прямых зависит от удаления точки измерения и свойств электролита:

, (1)

где a и b - коэффициенты, зависящие от условий натекания тока; L - расстояние между устьем и точкой в зоне отслаивания; j - плотность поляризующего тока, мА; U_ст - собственный потенциал образца в модельной среде, В.

Далее образцы выдерживались при поляризации в течение 40 сут после чего оценивались коррозионные повреждения. Для этого был разработан оригинальный метод, заключающийся в разбивании корродированной поверхности сегмента на цветовые области с определенным составом продуктов коррозии, измерении утонения металла в каждой из областей и расчете суммарных повреждений (рис. 5).

Рис. 5. Пример реализации методика оценки коррозионной поврежденности с помощью программ обработки графических изображений

Проанализированы повреждения 36 фрагментов каждого из трех испытанных образцов. Установлено, что скорость коррозии с коэффициентом 0,37 коррелирует со средним поляризационным потенциалом металла каждого сегмента, зависящим от местоположения сегмента относительно устья (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость коррозионных потерь от поляризационного потенциала

Для повышения эффективности защиты в отслаивании оценивалось воздействие переменного тока на поляризационный потенциал металла образца. Генератор синусоидальных сигналов включался параллельно модели СКЗ. Сила переменного тока поддерживалась на уровне 1,0 мА (плотность тока - 10,6 мА/м²). Установлено, что наибольшей эффективностью обладает ток частотой 100-1000 Гц (рис. 7). В каждой точке образца потенциал удовлетворяет критерию минус 0,85 В.

Рис. 7. Зависимость поляризационного потенциала в точках 1-6 (а) и 7-12 (б) от частоты накладываемого переменного тока (шифр кривых - номера капилляров)

Полевые испытания образцов выполнялись на участке МГ, характеризующимся высокой интенсивностью коррозионных процессов.

Для проведения испытаний была разработана конструкция зондов и схема их подключения и установки (рис.8).



1 - газопровод; 2 - КИК; 3 - кабель; 4 - образец; 5 - крышка, 6 - корпус, 7 - ячейка измерительная, 8 - клемма, 9 - контактный провод, 10 - полимерная эластичная трубка, 11 - неметаллическая рамка, 12 - зажимное кольцо, 13 - полимерная трубка

Рис. 8. Схема установки и подключения образцов а) и эскиз измерительного модуля б)

Выполнены коррозионные испытания зондов в течении 120 сут с мониторингом скорости коррозии датчиками сопротивления. Определено, что скорость коррозии в течении первых 20 суток увеличивается до 0,5-0,8 мм/год, затем снижается до 0,2 мм/год, что связано с пассивацией поверхности в условиях отсутствия движения коррозионной среды.

Установлено, что при регулировании режимов действующей на участке МГ станции катодной защиты металл в зонде не поляризуется до достижения критерия ЭХЗ.

В третьей главе представлена методика оптимизации работы противокоррозионной защиты трубопроводов ПП.

Для моделирования совместной защиты двумя СКЗ разработан лабораторный стенд (рис. 9), включающий емкость с грунтом, модели СКЗ и три типа модели трубопровода с повреждениями покрытия в виде складок (тип 1), пропусков (тип 2), множественных точечных дефектов (тип 3).

Методика испытаний заключалась в последовательном определении зависимости поляризационного потенциала от силы тока на выходе каждой их двух станции отдельно, а также при их при и их совместной работе.

1 - резервуар; модель трубопровода; 3 - модель анодного заземления; 4 - электрические проводники; 5 - разъединитель катодной линии (тумблер 1 переключателя работы станции); 6 - регулируемый источник постоянного тока (модель станции катодной защиты)

Рис. 9. Схема электрических соединений элементов лабораторного стенда

Выполнялись шесть различных экспериментов с изменением типов моделей трубопроводов, типов применяемых электродов сравнения, работы экранов защитного тока и анодов (рис. 10).

Аппроксимация результатов испытаний выполнена регрессионными математическими моделями общего вида:

- линейной U_iЛин=U_0i +A_n1I₁+A_n2I₂;

- полиномиальной U_iПол=U_0i +A_n1I₁+ B_n1I₂₁+A_n2I₂ + B_n2I₂²;

- экспоненциальной U_iЭксп=U_0i +exp (C_n1I₁ +C_n2I₂ );

где U_0i - потенциал при отключенных станциях защиты в i-ой точке; I - сила тока СКЗ, А; A, B и С - эмпирические коэффициенты аппроксимирующих кривых

Рис. 10. Параметры лабораторных испытаний

В диапазоне от стационарного потенциала до минус 3,5 В рассчитаны суммарные квадратичные отклонения значений потенциала, рассчитываемых с помощью моделей от фактических. Установлено, что из предложенных моделей линейная является наиболее достоверной, погрешность относительно фактических данных составляет до 11,58%, а в практически значимом диапазоне потенциалов минус 0,85 - 2,5 В - менее 6,0%.

В общем виде линейную модель, определяющую потенциал в i-ой точке трубопровода, можно представить в виде:

U_i=U_0i+, (2)

где U_0i - потенциал при отключенных станциях защиты в i-ой точке, В; А_ij - параметр влияния j-ой станции катодной защиты на потенциал i-ой точки измерения;

I_j - сила тока на выходе j-ой станции катодной защиты, А; n - количество станций защиты, влияющих на потенциал в i-ой точке.

Для подбора требуемой силы тока на выходе станций разработана методика с применением редактора Excel. Для расчета составляются линейные уравнения (2), для каждой точки измерения подбираются такие значения силы тока СКЗ, чтобы выполнялся критерий оптимизации 0,

где U_i - поляризационный потенциал в i-той точке, В; U_крит - критерий эффективности катодной защиты, выбираемый из регламентируемого диапазона исходя из электрических свойств грунта в момент измерения, В; k - количество точек измерения.

В работе показано, что расчет требуемых выходных параметров работы СКЗ будет корректен только для действующих условий натекания тока, в частности электрического сопротивления грунта, учет которого предложено выполнять расчетом значения U_крит исходя из соотношения текущего (в момент выполнения измерения), наименьшего и наибольшего годового значения силы тока СКЗ:

, (3)

где U_max и U_min - максимальный и минимальный (по модулю) регламентируемый потенциал, В;

I_из, I_max, I_min - измеренная (текущая), максимальная и минимальная годовые сила тока на станции, А

На рис. 11 представлен алгоритм разработанной комплексной методики повышения эффективности работы противокоррозионной защиты трубопроводов ПП.

Рис. 11. Алгоритм реализации методики повышения эффективности работы противокоррозионной защиты трубопроводов ПП

Особенностями методики является оценка работоспособности анодных заземлений и поиск повреждений изоляционных покрытий. Эти методы реализуются дистанционно с поверхности грунта. Кроме этого автором предложены методы локализации источников блуждающих токов.

Методика внедрена на компрессорном цехе №3 КС-10 Сосногорского ЛПУМГ. Результаты электроизмерений показали, что из десяти контрольных точек на трех потенциал не соответствует требованиям.

Анализ данных периодических измерений силы тока на выходе СКЗ В2, показал, что максимальная сила тока (при неизменных регулировках станции) I_max=5,16 А зафиксирована в мае, минимальная - в августе I_min=3,7 А. Сила тока на момент измерения (сентябрь 2008 г.) составляла I_из= 4,05 А. Согласно (3) при U_max=-2,5 В и U_min=-1,05 В (по ГОСТ Р 51164-98), U_крит=-1,4 В.

Для расчета силы тока на выходе станций были сняты зависимостей потенциала в контрольной точке от силы тока на выходе СКЗ В1 и В2, свидетельствующие о низкой эффективности станции В2. Расчетные парамтеры влияния станции не превышали значения 0,1. Расчет показал, что СКЗ В2 КЦ-3 можно вывести в резерв.

Для повышения эффективности защиты в точках контроля 3-15; 3-13; 3-12 рекомендуется проведение ремонта анодного заземлителя, подключенного к станции В1 КЦ-3. Расчетное значение силы тока, составляющее 1,56 А, свидетельствует о большом запасе преобразователя В1 КЦ-3 по мощности, который можно задействовать ремонтом или установкой дополнительных анодов.

В четвертой главе показано, что методы измерения поляризационного потенциала, реализуемые с поверхности грунта обладают недопустимой погрешностью.

Классифицированы неравномерности напряженности электрического поля вокруг трубопровода, создаваемого катодным током, характеризующие его поляризационный потенциал: I рода - по длине трубопровода; II рода - по окружности трубопровода; III рода - экранирующее действие границы "грунт - воздух".

Установлено, что первые два рода неравномерности в наибольшей степени влияют на потенциал в точке трубопровода.

Если определить неравномерность I рода распределения защитного потенциала N как производную от потенциала U_x по х, то получим:

N=dU_х /dx=-U_o e^-х, (4)

где х - продольная координата трубопровода; U_x - потенциал в точке х; - постоянная распространения тока.

Максимальной величины неравномерность достигает в точке дренажа, т.е. при х=0:

N_(х=о)=N_max=-U_o , (5)

Неравномерность I рода зависит от величины потенциала в точке дренажа, переходного сопротивления катода и от его продольного сопротивления.

Неравномерность II рода также зависит от переходного сопротивления изоляции и при значении более 10⁴ Омм² не превышает 10%, при наличии в покрытии сквозных повреждении, разница в поляризации поверхности трубопровода обращенной к аноду, превосходит потенциал обратной его поверхности в 4-5 раз. Эти данные подтверждает анализ результатов ВТД, показывающий, что количество коррозионных дефектов МГ относительно вертикали различно.

Поэтому при измерении потенциала наибольшей точностью обладают устройства, выполненные в виде зонда погружаемого на глубину дефекта покрытия в котором необходимо измерить потенциал. Примером такого устройства является модуль СИМФ, разработанный специалистами института «Газпром ВНИИГАЗ».

Применение датчика потенциала со встроенным электродом сравнения позволяет исключить омическую составляющую IR и составляющую, обусловленную влиянием электрического поля соседних ниток трубопроводов:

, (6)

где х - расстояние от места установки электрода сравнения до трубопровода, м; - удельное сопротивление среды, Омм.

При х=10^-3м значение омического падения напряжения на участке составляет величину, сопоставимую с погрешностью самих измерений.

Напряженность электрического поля в любой точке определяется суперпозицией полей различных источников. Напряженность поля, создаваемого параллельными нитками вдоль оси х, перпендикулярной плоскости датчика потенциала, равна

Е_х= -dU/dx. (7)

В случае монотонности функции напряженности электрического поля в однородной среде, с уменьшением расстояния между двумя точками поля разность потенциалов между ними также уменьшается.

Однако для максимальной имитации необходимо сымитировать экранирующее действие покрытия. Предложенное автором измерительное устройство (рис. 12) изготовлено из оргстекла и представляет собой полую конструкцию внутри которой располагается стальной образец из стали идентичной стали трубы. На верхней поверхности измерительного устройства выполнено шесть отверстий: первое имитирует сквозной дефект изоляционного покрытия; четыре отверстия предназначены для установки капилляров системы измерения потенциала в полости образца; шестое - для подключения дыхательной трубки.

1 - уплотнение; 2 - капилляр; 3 - крышка; 4 - «дыхательная» трубка;
5 - контактный провод»; 6 - стальной образец; 7 - корпус устройства; 8 - устье дефекта

Рис. 12. Устройство для измерения поляризационного потенциала

Кроме этого для эффективного использования устройства разработаны методические приемы, позволяющие установить местоположение повреждения покрытия на МГ и его размер, в результате чего достигается высокая точность измерения поляризационного потенциала трубопровода с помощью предложенного устройства.

Во пятой главе показано, что при электроизмерениях разность потенциалов между двумя электродами сравнения для повреждения изоляции круглой формы, при условии Dt; y, определяется выражением:

, (8)

где D - диаметр трубопровода; - разность потенциалов, мВ; - сила тока в месте измерения, А; - удельное электрическое сопротивление грунта, Ом·м; t - глубина повреждения от поверхности земли, м; y - расстояние между электродами сравнения, м.

Из формулы (8) следует, что зависит от силы тока в месте измерения, удельного электрического сопротивления грунта, глубины прокладки трубопровода, расстояния между электродами сравнения. Таким образом, из двух значений градиента потенциала, характеризующих одинаковые по площади повреждения покрытия, большее значение будет иметь величина, фиксируемая ближе к точке подключения катодной защиты к трубопроводу и при большем значении тока на выходе катодной станции.

Для расчета площади повреждения S_пов по результатам измерения градиентов потенциала введем понятие коэффициента пропорциональности и параметра учитывающего условия измерения и работу средств ЭХЗ в месте измерения, тогда:

(9)

где - коэффициент, определяемый по результатам контрольных шурфований для данного типа покрытия и диаметра трубопровода;

(10)

где - сопротивление грунта на участке измерения, Ом; - плотность натекающего в повреждение тока, А/м².

Для определения сопротивления преобразуем выражение (8):

. (11)

Тогда выражение (9) с учетом (10) и (11), при расположении участка трубопровода между двумя станциями катодной защиты, примет вид:

. (12)

Для примера на рис. 13 представлены результаты измерения параметров и расчета площади повреждения покрытия на участке МГ, км 14,7-18,7 при =1,0510^-2.



1 - градиент потенциалов, 2 - расчетная плотность тока, j, 3 -электрическое сопротивление грунта, r; 4 - параметр k; 5 - расчетная площадь повреждений покрытия, S_пов

Рис. 13. Зависимости измеряемых и расчетных параметров на участке газопровода МГ, км 14,7-18,7

Для учета тока, натекающего на параллельно проложенный МГ, предложена следующая модель (рис. 14): точечные сквозные повреждения расположены на средней образующей параллельно проложенных трубопроводов, обращенной к общему анодному заземлению их системы катодной защиты; изоляционное покрытие непроницаемо для электрического тока; сторонние источники и потребители тока отсутствуют; грунт однороден и изотропен.

Рис. 14. Эквивалентная электрическая схема модели

Так, показания милливольтметра 1, являются функцией силы тока протекающего на участке измерения:

U₁=f(I_общ).

Тогда

U₂=f(I₂), а U_рас=f(I₁)

Т.к. I_общ = I₂+ I₁ или I₁= I_общ - I₂, для принятой модели расчетное значение U_рас, определяется как:

U_рас= U₁ - U₂,

Кроме этого с практической точки зрения важно, уточнить местоположение дефекта по отношению трубопроводу (слева или справа), для снижения объемов земляных работ.

Зная об асимметричности электрического поля вокруг трубопровода, можно расположить электроды несимметрично относительно оси трубопровода, а по одну сторону от оси МГ ближе к анодному заземлению.

Показания милливольтметров модели определятся уравнением (8). Причем в случае бездефектного (или пористого) покрытия показания, приведенные к единому значению разноса электродов будут равны, т.к. электрическое поле в пределах расстановки электродов однородно. В случае расположения единичного дефекта наблюдается возмущение поля, которое можно определить через коэффициент неоднородности поля:

= , (13)

где U₁/ U₂ и U^ф₁/ U^ф₂ -отношение расчетных и измеренных разностей потенциалов при заданном разносе электродов.

При значении коэффициента неоднородности ниже 0,1 поле считается однородным, при большем значении поле неоднородно и дефект расположен со стороны установки электродов.

Для определения U₁/ U₂ при удалении второго электрода от ос МГ 5 м можно использовать график (рис. 15).

1 - t=1 м; 2 - t=2 м; 3 - t=3 м

Рис. 15. Зависимость отношения U1/U2 от удаления электрода первого для разной глубины прокладки трубопровода t

Опыт показал, что точность определения координат точек интенсивных электроизмерений невысока, поэтому необходимо адаптировать эти координаты к системе координат геолого-инженерных изысканий в следующей последовательности:

Отмечают координаты контрольных точек, фиксируемых как на геологическом разрезе, так и на данных интенсивной электрометрии - река, ручей, УКЗ и т.д.

Разбивают исследуемый участок газопровода на отрезки протяженностью 0,5 - 2,0 км ограниченные контрольными реперами.

Определяют координаты точек измерения интенсивным методом внутри отрезка с соответствующим шагом измерения S (обычно 5 метров):

Х: х₀, х₁ ... х_m - координаты точек базового ряда (по данным инженерно-геологических изысканий), х_i - х_i-1 =S, где i[0;m];

Y: у₀, у₁ ... у_п - координаты по результатам интенсивной электрометрии, у_j - у_j-1= S, где j[0;n].

Приравнивают координаты контрольных реперов ряда Y(у₀, у_п) к координатам ряда Х (х₀, х_m), для этого изменяют шаг S ряда Y таким образом, чтобы обеспечить соответствие привязок реперов с базовым рядом.

Вычисляют координаты промежуточных рядов Х^I и Y^I по формулам

у^I_i=у_i - у₀; x^I_i=x_i - x₀ (14)

Определяют коэффициент несоответствия:

К=х^I_m / у^I_п (15)

Рассчитывают скорректированные значения координат ряда У^II:

у^II_i = y^I_iК-х₀ (16)

Для определения предрасположенности участка МГ к дефектообразованию покрытия предложена система повреждающих факторов (рис. 16).

Рис. 16. Классификация факторов, повреждающих покрытие

Критерием высокой вероятности наличия повреждений покрытия является превышение индексом состояния покрытия (ИСП) вероятности значения 110^-3:

=, (17)

где - индекс i-того фактора, обуславливающего образование повреждения покрытия.

Система индексов для каждого фактора разработана на основе анализа состояния покрытия при капитальном ремонте МГ. На рис. 17 представлен пример расчета ИСП на участке МГ Пунга-Ухта-Грязовец км, 15,07-15,4.

В шестой главе разработан способ определения повреждений в покрытиях с возможностью его применения в составе внутритрубных дефектоскопов. Предложена модель двухслойной конструкции, имитирующая металл трубы (слой А) с наклеенным на него покрытием (слой Б).

Рис. 17. Эпюры вероятного состояния изоляционного покрытия

УЗ колебания вводятся в слой А, при этом слой А имеет больший характеристический импеданс (произведение скорости продольной УЗ волны на плотность), чем слой Б (рис. 18, а, б).

1 - введенная УЗ волна; 2 - волны, распространяющиеся в слое А; 3 - волны, распространяющиеся в слое Б; 4 - зондирующий импульс; 5 - огибающая эхо-сигналов; 6 - эхо-сигналы в слое А; 7 - эхо-сигналы в слое Б; 8 - датчик

Рис 18. Процесс распространения УЗ волн в модели: а) наличие акустического контакта между слоями А и Б; б) отсутствие контакта между слоями А и Б. Импульсы на экране дефектоскопа: в) в слое А; г) в слоях А и Б при наличии контакта

На рис. 18, в, г представлены осциллограммы экрана дефектоскопа при введении УЗ импульсов в модель двухслойной конструкции.

Для определения критериев качества адгезии изготавливались четыре образца из фрагментов металла трубы и покрытием разной толщины (табл. 1).

По результатам работы получена серия осциллограмм экрана дефектоскопа (рис. 19) на основе которых разработаны критерии выявления отслоений покрытия при различных толщинах металла (табл. 2).

Таблица 1. Характеристики образцов для лабораторных испытаний