На правах рукописи
КопьеВ Игорь Юрьевич
МетодЫ оценки коррозионного состояния МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОпроводов
в зонах действия
постоянных блуждающих токов
Специальность:
25.00.19 – Строительство и эксплуатация нефтегазопроводов, баз и хранилищ
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2013
Работа выполнена в Обществе с ограниченной ответственностью
«Газпром ВНИИГАЗ».
-
Научный руководитель:
|
кандидат технических наук
Запевалов Дмитрий Николаевич
|
|
|
Официальные оппоненты:
|
Зорин Евгений Евгеньевич
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой материаловедения
Московского государственного
машиностроительного университета
|
|
Великоднев Валерий Яковлевич
доктор технических наук,
технический директор ООО «Трубные инновационные технологии»
|
|
|
Ведущая организация:
|
ОАО «Гипрогазцентр»,
г. Нижний Новгород
|
Защита состоится « » декабря 2013 г. в 13 час. 30 мин. на заседании
диссертационного совета Д 511.001.02, созданного при ООО «Газпром ВНИИГАЗ» по адресу: 142717, Московская область, Ленинский район, пос. Развилка.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ООО «Газпром ВНИИГАЗ».
Автореферат разослан «____» ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.т.н. Курганова И.Н.
Общая характеристика работы
Актуальность темы.
Оценка сроков безопасной эксплуатации и расчетная оценка скорости развития коррозионных дефектов при различных условиях эксплуатации магистральных газопроводов, как правило, производится с применением интерполяционных методов только в отношении дефектов, наблюдаемых и идентифицированных в результате многократных периодических измерений.
Общая протяженность магистральных газопроводов и отводов
ОАО «Газпром» составляет 162 тысячи км. Существующие методы внутритрубной дефектоскопии при проведении периодических измерений позволяют получить информацию, необходимую для получения оценки скорости роста коррозии и уточнения прогнозных размеров коррозионных дефектов.
Но применимость этих методов ограничена тем, что для проведения внутритрубной дефектоскопии приспособлено примерно 60% магистральных газопроводов и только на отдельных участках внутритрубная дефектоскопия проводилась несколько раз. При отсутствии необходимых данных для расчета, как правило, принимают условие равномерного характера развития коррозионных процессов во времени, что может существенно снижать точность получаемых результатов.
Перспективным в этом направлении является использование результатов надземных обследований участков магистральных газопроводов на основе обработки экспериментальных данных, при этом точность методов оценки скорости роста коррозии за счет учета внешних коррозионных воздействий может быть существенно повышена.
Поэтому решение задачи повышения точности оценки коррозионного состояния магистральных газопроводов, в частности, в условиях действия постоянных блуждающих токов, является актуальной темой исследования, как с научной, так и с практической точек зрения.
Цель работы: разработка методов оценки коррозионного состояния участков магистральных газопроводов в условиях действия постоянных блуждающих токов на основе точного учета процессов коррозионного воздействия, позволяющих увеличить сроки безопасной эксплуатации магистральных газопроводов.
Задачи исследования:
Анализ параметров постоянных блуждающих токов как факторов коррозионного воздействия на участок газопровода по результатам натурных исследований.
Разработка методики и проведение экспериментальных лабораторных исследований развития коррозионных дефектов на газопроводных трубах под действием постоянных блуждающих токов.
Развитие методов оценки коррозионных дефектов на участках магистральных газопроводов в условиях действия постоянных блуждающих токов.
Научная новизна:
На основании анализа результатов натурных исследований определены диапазоны параметров блуждающих постоянных токов, воздействующих на участки магистральных газопроводов и вызывающих язвенную коррозию. Установлено, что средняя плотность анодного тока в местах локального повреждения защитного покрытия может составлять 0,2-0,3 мА/см2, в отдельных случаях – 6-8 мА/см2.
Разработана методика экспериментальных лабораторных исследований развития коррозионных дефектов на образцах из трубной стали под действием постоянных блуждающих токов.
Получены экспериментальные данные, устанавливающие зависимость параметров коррозионных дефектов от параметров блуждающих постоянных токов, характеристик коррозионной среды и размеров дефектов в защитном покрытии.
Предложен метод оценки параметров коррозионного дефекта, позволяющий прогнозировать геометрические размеры коррозионных дефектов, используя информацию о плотности стекающего (анодного) тока, полученную по результатам электрометрических обследований или данным коррозионного мониторинга.
Защищаемые положения:
- экспериментальное обоснование предельных расчетных значений параметров постоянных блуждающих токов на основе результатов натурных (полевых) исследований для оценки и прогноза коррозионных воздействий;
- методика и результаты экспериментальных лабораторных исследований развития коррозионных дефектов на образцах из трубной стали под действием постоянных блуждающих токов;
- метод оценки геометрических размеров коррозионных дефектов, использующий результаты электрометрических обследований или данные коррозионного мониторинга.
Практическая значимость диссертационной работы заключается в обосновании, экспериментальном подтверждении, практической реализации методов расчета скорости коррозии и предельных геометрических размеров коррозионных дефектов при воздействии блуждающих токов с использованием результатов надземных электрометрических обследований, техническом и методическом обеспечении проведения таких измерений.
Результаты исследований использованы при разработке нормативных документов:
- Р Газпром 9.2-025-2013 «Защита от коррозии. Правила эксплуатации средств электрохимической защиты подземных сооружений»;
- Р Газпром 9.4-014-2012 «Защита от коррозии. Методика оценки эффективности защиты от внешней коррозии обсадных колонн скважин»;
- Р Газпром 9.4-013-2011 «Защита от коррозии. Контроль состояния и оценка эффективности защитных покрытий подземных газопроводов»;
- Р Газпром 9.4-006-2009 «Защита от коррозии. Инструкция по электрометрическому обследованию подземных технологических трубопроводов компрессорных станций».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
- 13-й Международной деловой встрече «Диагностика-2003» (Мальта,
2003 г.);
- Международной научно-технической конференции PITSO-2007 «Целостность и прогноз технического состояния газопроводов», 10-11 октября 2007 г. (г. Москва);
- 3-й Международной конференции «Актуальные вопросы противокоррозионной защиты (РАСР-2009) (ВНИИГАЗ, г. Москва, 2009 г.);
- NACE International’s Annual Conference «Corrosion-2013» (Orlando, Florida, USA);
- семинарах, деловых встречах, отраслевых совещаниях и научно-технических советах ОАО «Газпром» и его дочерних обществ за период 2002-2012 г.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 4 - в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных Минобрнауки РФ, и 3 патента РФ.
Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, содержит 136 страниц текста, 46 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 122 наименований.
Содержание работы
Во введении обоснованы актуальность и значимость выбранной темы, степень ее разработанности, определена цель исследования и выбраны научно-методические пути ее решения.
В первой главе приводится обзор и анализ существующих методов прогноза развития коррозионных дефектов при эксплуатации магистральных газопроводов в условиях воздействия постоянных блуждающих токов.
Постоянные блуждающие токи, вызывающие коррозию газопроводов, создаются электрическими установками, в основном использующими землю в качестве токопровода. Наиболее распространенными их источниками являются электрифицированные железные дороги.
Изучением процессов коррозии в условиях действия блуждающих токов в свое время занимались такие известные ученые как Л.И. Фрейман,
В.В. Притула, В.И. Глазков, Н.П. Глазов и другие.
Существующие в настоящее время методики оценки работоспособности и прогноза технического состояния магистральных газопроводов для случая одиночного дефекта используют следующие исходные данные: номинальный внешний диаметр трубы, номинальная толщина стенки трубы, минимальное значение предела прочности σвр, минимальное значение предела текучести σТ, рабочее давление в газопроводе, длина дефекта в осевом направлении L, глубина дефекта d.
При известных скоростях роста коррозионного дефекта в длину и в глубину прогнозируемые значения размеров дефекта рассчитываются исходя из значений его длины и глубины в момент его обнаружения и прогнозируемого срока эксплуатации газопровода.
Основными методами получения исходных данных являются внутритрубная дефектоскопия и визуально-инструментальный контроль в шурфах, выполненный по результатам внутритрубной дефектоскопии либо электрометрических обследований.
Для оценки скорости роста коррозии и уточнения прогнозных размеров коррозионных дефектов не всегда возможно использование результатов внутритрубной дефектоскопии. Например, в случае отсутствия повторной внутритрубной инспекции, проведенной через определенное время эксплуатации магистрального газопровода, точность прогноза в значительной мере будет зависеть от целого ряда факторов, таких как срок эксплуатации на момент проведения инспекции, степени и скорости деградации защитного покрытия и др.
Для решения этой проблемы в существующих и разрабатываемых методиках предлагается несколько подходов.
Так, для линейного участка трубопровода, на котором внутритрубная дефектоскопия не проводилась, оценка текущего коррозионного состояния и его прогноз может осуществляться по результатам коррозионных (электрометрических) обследований с учетом результатов внутритрубной дефектоскопии линейного участка газопровода-аналога, при этом сроки эксплуатации рассматриваемого участка и газопровода-аналога не должны различаться более чем на 5 лет. В качестве газопровода-аналога рекомендуется принимать другой линейный участок рассматриваемого газопровода либо линейный участок газопровода, расположенного в этом же технологическом коридоре, либо линейный участок газопровода, эксплуатирующийся в тех же природно-климатических условиях.
По другой методике при отсутствии данных для оценки скорости роста развивающихся коррозионных дефектов на основе консервативной оценки приняты следующие фиксированные значения: скорость роста по глубине дефекта 0,2 мм/год, скорость роста по длине и ширине дефекта 4 мм/год.
Еще один подход состоит в использовании предварительной прогнозной оценки развития коррозионных дефектов, например - полученной с помощью средств коррозионного мониторинга (датчиков (индикаторов) скорости коррозии различных типов), входящих в систему электрохимической защиты трубопровода, однако и этот метод позволяет получить только усредненную скорость коррозии.
Таким образом, отсутствие необходимых данных для оценки скорости роста развивающихся локальных коррозионных дефектов и, как следствие - предположение о равномерном характере развития коррозионных процессов во времени, может существенно снизить точность получаемых результатов.
При этом эффективным источником данных для оценки характера коррозионного процесса и его параметров, на примере участков воздействия блуждающих токов, могут являться результаты специальных коррозионных обследований магистральных газопроводов.
Разработанные с участием автора в ООО «Газпром ВНИИГАЗ» «Рекомендации по проведению электрометрических обследований МГ в зонах интенсивного влияния блуждающих токов» позволяют осуществлять предварительную оценку скорости коррозии в анодных и знакопеременных зонах блуждающих токов. В данной методике прогноз коррозионного состояния магистрального газопровода в условиях проявления блуждающих токов осуществляется на основании обработки результатов измерения плотности тока на вспомогательном образце (электроде), являющемся имитатором дефекта в изоляционном покрытии.
Для таких измерений, в частности, целесообразно использовать переносные или стационарные зонд-модульные устройства различных типов или вспомогательные образцы штатных электродов сравнения.
При обработке результатов измерений определяют длительность и среднюю силу анодного тока (тока текущего в направлении от трубы к вспомогательному электроду и стекающего в грунт), по которым оценивают скорость коррозии, вызываемой блуждающими токами. Среднюю ожидаемую скорость коррозии, вызванной блуждающим током Vк, мм/год, определяют из выражения
 , (1)
где Yвс.ср - средняя сила анодного (стекающего с образца) тока через вспомогательный электрод, А; ta - суммарное время появления анодного тока, ч; tизм – общее время измерения, ч; Sвс - площадь вспомогательного электрода, м2, 1,17 – переводной коэффициент плотности стекающего тока в скорость коррозии через соотношение электрохимического эквивалента (для железа -
9,1 кг/(А•год)) и плотности вещества (для железа - 7800 кг/м3) с учетом перевода м в мм.
Используя полученное значение Vк, рассчитывают ожидаемую глубину коррозионного поражения трубы на момент выполнения измерений. При расчетах учитывают данные о работе системы электрохимической защиты участка за весь период эксплуатации.
Эта методика не дает представления о геометрии коррозионного дефекта, расчетная величина скорости коррозии является усредненной и, соответственно, глубина коррозионного дефекта определяется по средней величине без учета его формы и динамики развития.
Однако эта методика позволяет получить большой объем электрометрических данных и провести их статистический анализ, в результате чего появляется возможность оценки характеристик (параметров) постоянных блуждающих токов на обследованном участке магистрального газопровода. К таким характеристикам относятся: частота, форма и амплитуда импульсов анодного тока, взаимное соотношение общего времени появления импульсов анодного тока и катодного тока, распределение их интенсивности в течение суток по рабочим и выходным дням, сезонность их появления и т.д.
Учет этих характеристик позволяет определить, в частности, значение средней плотности анодного тока, которое можно использовать при расчетах прогнозных размеров коррозионных дефектов с учетом существующих моделей их развития, предложенных в свое время В.И. Глазковым и Н.П. Глазовым.
Плотность анодного тока возрастает с уменьшением площади сквозного дефекта изоляции. При малых размерах дефекта в изоляции постоянный блуждающий ток формирует в металле язву правильной полусферической формы, что наблюдается как в условиях пассивации, так и при активном растворении.
В начальный период времени корродирующая поверхность представляет собой плоскость. Развитие формы коррозионного поражения от плоскости до полусферы будет проходить форму шарового сегмента (рис. 1). Первоначально форма язвы сложнее из-за большей плотности тока по краю дефекта (краевой эффект), но со временем влияние этой неоднородности уменьшается, и форма язвы становится ближе к сферической.
Рисунок 1 - Схема развития коррозионной язвы
Процесс анодного растворения в дефектах изоляции (при допущении одинаковой скорости коррозии по всей поверхности шарового сегмента) характеризуется следующим уравнением:
 , (2)
где g – плотность металла (стали), кг/м3; Lдеф – диаметр дефекта изоляции, м;
d – глубина коррозии, м; U – наложенный потенциал, В; t – время экспозиции, год; tиз – толщина изоляции, м; q - электрохимический эквивалент, кг/А•год;
ρг – удельное электрическое сопротивление грунта, Ом•м.
При сферической форме развития язвы начальная скорость коррозии высока, но со временем быстро уменьшается.
Такая коррозия опасна при небольшой толщине стенки трубы. Расчеты показывают, что наиболее опасны дефекты, размеры которых соизмеримы с толщиной стенки трубы. Это подтверждают и практические данные о коррозии магистральных газопроводов.
В связи с вышеизложенным, необходимо совершенствование методов оценки коррозионного состояния участков магистральных газопроводов в условиях действия постоянных блуждающих токов для обеспечения (повышения) сроков безопасной эксплуатации магистральных газопроводов на основе точного учета механизмов коррозионного воздействия, и методов и средств получения информации для выполнения таких расчетов.
Вторая глава посвящена исследованию и анализу параметров блуждающих постоянных токов на основе результатов полевых электрометрических исследований и результатов обследований в шурфах на участках магистральных газопроводов, расположенных в условиях действия постоянных блуждающих токов.
Для защиты подземных трубопроводов в условиях действия блуждающих токов используются соответствующие средства электрохимической защиты. В условиях развитой сети электрифицированных железных дорог постоянного тока в районах трасс магистральных газопроводов (на примере Уральского региона) существующая система электрохимической защиты не может полностью обеспечить защиту подземных трубопроводов от коррозии, вызываемой блуждающими токами. Как следствие влияния блуждающих токов, в анодных и знакопеременных зонах в местах расположения дефектов изоляционного покрытия может происходить возникновение и развитие коррозионных дефектов, преимущественно в виде язвенной коррозии.
Информация, полученная по результатам суточных измерений на участках магистральных газопроводов, расположенных в условиях интенсивного влияния блуждающих токов (постоянных) от электрифицированных железных дорог и промышленных электроустановок, позволяет сделать вывод о параметрах блуждающих токов.
При проведении полевых исследований для проведения измерений использовалось разработанное автором переносное зонд-модульное устройство.
Для ряда обследованных участков магистральных газопроводов и газопроводов-отводов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» установлено, что в знакопеременных зонах средняя плотность анодного тока в местах локального повреждения защитного покрытия может составлять 0,2 - 0,3 мА/см2 (рис. 2).
В отдельных случаях, например - на участках магистральных газопроводов, разделенных электроизолирующими вставками, плотность анодного тока в дефектах изоляционного покрытия, расположенных вблизи вставок, может достигать 6-8 мА/см2.
Рисунок 2 – Плотность тока на вспомогательном образце зонд-модуля
по результатам электрометрии на газопроводе в Уральском регионе (отрицательные значения соответствуют анодному току)
Выполненные расчеты ожидаемой скорости коррозии для участка одного из газопроводов-отводов ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург» по результатам обследований представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Расчет ожидаемой скорости коррозии на участке 15-18 км газопровода - отвода по результатам измерений
Режим работы средств электрохимической защиты участка газопровода
|
Место измерения
|
Средняя плотность анодного тока на вспомогательном образце, мА/см2
|
Длительность периода анодного тока, %
|
Ожидаемая скорость коррозии, мм/год
|
|
Все установки катодной защиты в штатном режиме
|
КИП 15 км
|
0,037
|
4,2
|
0,018
|
КИП 16 км
|
0,187
|
6,6
|
0,145
|
КИП 18 км
|
0,035
|
9,8
|
0,040
|
Все установки катодной защиты отключены
|
КИП 15 км
|
0,067
|
20,9
|
0,164
|
КИП 16 км
|
0,286
|
30,5
|
1,021
|
КИП 18 км
|
0,052
|
26,8
|
0,161
|
Анализ результатов шурфований, проведенных на участках магистральных газопроводов, расположенных в анодных и знакопеременных зонах влияния блуждающих токов, показывает, что форма одиночных коррозионных дефектов, инициируемых постоянными блуждающими токами, соответствует форме шарового сегмента либо полусфере с различными вариациями в диаметральной плоскости, которые определяются формой и размером сквозного дефекта в изоляции. Размеры одиночных коррозионных дефектов в диаметральной плоскости, как правило, находятся в пределах
5-20 мм, а максимальная глубина определяется характеристиками блуждающих токов и временем эксплуатации магистрального газопровода. Первичная язва, инициированная блуждающими токами, в зависимости от состояния изоляции, ее адгезии, наличия зон попеременного сезонного смачивания и т.д. может провоцировать коррозию металла трубы под защитным покрытием, иногда - на значительном удалении от сквозного дефекта в изоляции, однако с точки зрения прочностных расчетов «слабым» местом является, как правило, сама первичная язва.
В третьей главе представлена разработанная методика экспериментальных исследований и результаты этих исследований, подтверждающие соответствие модели и процесса развития одиночного коррозионного дефекта под воздействием постоянного блуждающего тока.
Суть методики заключается в следующем. Испытания проводятся на плоских образцах из трубной стали, помещенных между двумя слоями изоляционного материала. С одной стороны изолированного образца прорезается сквозное отверстие в изоляции, которое имитирует дефект защитного покрытия. Затем подготовленные образцы помещают в испытательные ячейки, которые заполняют специально подготовленным грунтом или водой, которые по физическому и химическому составу соответствуют природному грунту и грунтовому электролиту.
Одновременно с образцами в ячейки помещают стальные пластины, к которым подключают катодный вывод от источника постоянного тока, анодный вывод подключают к испытуемым образцам. Затем от источника тока подается постоянный электрический ток необходимой величины. Общее количество пропущенного через ячейку электрического тока фиксируется с помощью регистраторов. После окончания испытаний проводятся измерения геометрических размеров полученных коррозионных дефектов, гравиметрические измерения и необходимые расчеты.
Целью проведенных экспериментов являлось уточнение модели развития одиночного коррозионного дефекта во времени при воздействии блуждающего постоянного тока не только по максимальной глубине дефекта, но и по двум другим размерностям.
При планировании лабораторных экспериментальных исследований в качестве исходных данных за основу были приняты величины плотности и продолжительности анодного тока, полученные на объектах ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург».
Для проведения экспериментов были использованы образцы-свидетели (купоны) из стали 20 размером 20х80х4,6 мм. В качестве коррозионных сред были выбраны:
1) Водно-солевой раствор - имитация грунтового электролита. При проведении экспериментальных исследований была выбрана модель грунтового электролита, соответствующая одной из исследованных ранее зон проявления блуждающих токов в регионе Среднего Урала, имеющая следующий химический состав: KCl - 0,122г/л; NaHCO3 - 0,483 г/л; CaCl2 - 0,180 г/л; MgSO4 - 0,131 г/л, с удельным сопротивлением 80 Ом•м;
2) Песок (средней зернистости) с добавлением указанного выше грунтового электролита, и удельным сопротивлением – 45 – 70 Ом•м.
Для интенсификации процесса испытаний при проведении экспериментальных исследований значения плотности анодного тока были приняты примерно в 10 раз большими по сравнению со значениями для реальных объектов, приведенными в таблице 1.
В качестве дефекта в защитном покрытии для дальнейших лабораторных исследований было выбрано круглое отверстие диаметром 11 мм (площадь
0,95 см2).
Купоны после взвешивания на аналитических весах (с точностью
до 0,0001 г) и присоединения контактного вывода помещались (без праймирования) между двумя слоями изоляционного покрытия «Altene».
В ходе экспериментальных исследований подготовленные купоны помещались в коррозионную среду горизонтально на дно испытательных ячеек с дефектом на верхней стороне исследуемых образцов.
В качестве катода использовались пластины из оцинкованной стали. Количество протекающего через образцы тока фиксировалось с помощью электронных регистраторов (РАД-256, HIOKI 3635-26). Полученные результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Коррозионные показатели для купонов, расположенных горизонтально в водной среде и песке.
Среда
|
Экспозиция, сутки
|
Среднее значение плотности анодного тока, i, мА/см2
|
Потеря массы, г
|
Максимальная глубина коррозионного дефекта, мм
|
Максимальная скорость коррозии (по глубине коррозионного дефекта), мм в год
|
Приведенная максимальная скорость коррозии (для плотности анодного тока 0,3 мА/см2),
мм в год
|
Расчетный электрохимический эквивалент, кг / (А* год)
|
Вода
|
7,2
|
2,4
|
0,43
|
0,58
|
29,4
|
3,68
|
9,6
|
Вода
|
19,2
|
3,0
|
1,32
|
1,21
|
23,0
|
2,30
|
9,5
|
Песок
|
7,2
|
2,4
|
0,42
|
0,74
|
37,5
|
4,69
|
9,4
|
Песок
|
19,2
|
3,0
|
1,22
|
1,71
|
32,5
|
3,25
|
8,8
|
Внешний вид коррозионных дефектов непосредственно после экспозиции представлен на рисунке 3. Вокруг дефектов в результате осмотических явлений под отслоившимся изоляционным покрытием образовался плотный конгломерат мелкодисперсионных частиц грунта и продуктов коррозии (удален при последующих гравиметрических исследованиях).
Рисунок 3 –Коррозионные дефекты, образовавшиеся под действием анодного тока в песчаном грунте при экспозиции
7,2 суток (купон №19) и 19,2 суток (купон №18)
Геометрические параметры коррозионных дефектов представлены на рисунке 4 (по фотографиям поперечного разреза купонов, увеличено). Линия 1 (пунктирная) соответствует коррозионным дефектам на купонах с экспозицией 7,2 суток.
Рисунок 4 – Развитие коррозионного дефекта под действием анодного тока в песчаном грунте при экспозиции 7,2 суток (1) и 19,2 суток (2)
В случае круглого дефекта диаметром 11 мм и скошенными под углом 45о краями защитного покрытия при горизонтальном расположении дефекта в защитном покрытии (открытым металлом – вверх) в водной среде наблюдается равномерная коррозия. Коррозионный дефект имеет форму «миски» с плоским дном. Такая форма обусловлена сочетанием формы шарового сегмента и зоной коррозии под частично отслоившимся защитным покрытием. В процессе развития диаметр дефекта увеличивается в связи с проникновением электролита под край защитного покрытия, однако, этот рост будет конечным - до момента снижения до нуля плотности анодного тока по краю коррозионного дефекта.
В песчаном грунте (при всех прочих одинаковых условиях) коррозионный дефект развивается без значительного проникновения под край защитного покрытия. Увеличение диаметра значительно меньше, чем в водной среде. Развитие коррозионного дефекта в этом случае происходит в сторону увеличения глубины (при той же силе анодного тока), к тому же наличие зон более высокой плотности тока, вызванных краевым эффектом, обусловливает появление более глубокой кольцевой канавки с зоной меньшей коррозии по центру дефекта. Такое развитие коррозионного дефекта более опасно, чем равномерная коррозия в водной среде, поскольку максимальная глубина коррозионного дефекта по результатам обследований, в увлажненном песчаном грунте может быть примерно на треть больше, чем в водной среде. Исходя из кинетики процесса, дальнейший рост коррозионного дефекта в грунтовой среде подтверждает тенденцию его развития к полусферической форме вследствие выравнивания плотности тока с увеличением глубины.
Первоначальный диаметр коррозионного дефекта 1,1 см, после экспозиции – 1,6 см. Длина образующей коррозионного дефекта после экспозиции увеличилась до 1,7 см - на 54%. Первоначальная площадь коррозионного дефекта 0,95 см2 увеличилась после экспозиции до 2,27 см2 – на 139% (в 2,4 раза), т.е. площадь части коррозионного дефекта под покрытием составляет 1,32 см2, причем объемные потери металла распределились следующим образом – 88% в зоне проекции отверстия в изоляции и 12% в зоне под изоляцией.
По предварительной оценке в конце периода экспозиции образца из
2,85 мА анодного тока 2,51 мА (88%) приходилось на зону проекции отверстия в изоляции. Средняя плотность тока в этой зоне – 2,64 мА/см2. В зоне дефекта под покрытием величина анодного тока оценочно составила 0,34 мА (средняя плотность тока 0,26 мА/см2).
В лабораторном эксперименте при начальной плотности анодного тока
2,4 мА/см2 и конечной плотности анодного тока в зоне проекции отверстия в изоляции 2,64 мА/см2 средняя плотность тока в зоне максимальной глубины коррозионного дефекта составляет 2,52 мА/см2.
В ходе совместного рассмотрения и анализа результатов измерений, в реальных условиях на участке газопровода-отвода, км 16 (Таблица 1), при средней плотности анодного тока на вспомогательный образец 0,286 мА/см2 и длительности периода анодного тока (в знакопеременной зоне) 30,5% от общего времени измерений (7,3 часа в сутки) расчетная средняя скорость коррозии составляет 1,02 мм в год. Проведенные исследования с моделированием коррозионного воздействия при плотности анодного тока
2,52 мА/см2 и экспозиции 19,2 суток в лабораторных условиях (Таблица 2) соответствуют 554,6 суток (1,56 года) для условий полевых измерений рассмотренного участка газопровода-отвода. При глубине коррозии на лабораторном образце от 1,44 до 1,71 мм скорость коррозии для вышеуказанных полевых условий будет составлять от 0,92 до 1,1 мм в год (расчетная величина 1,02 мм в год).
Величина скорости коррозии, рассчитанная по результатам измерений на вспомогательном образце в полевых условиях, по результатам лабораторных испытаний должна соответствовать скорости коррозии в реальном дефекте изоляции на газопроводе (для дефектов диаметром около 1 см).
Скорость увеличения диаметра коррозионного дефекта для моделируемого случая составляет 3,2 мм в год, однако необходимо учитывать, что это увеличение носит затухающий характер и коррозионные потери под покрытием в граничной зоне открытого дефекта составляют не более 10-15% от общих коррозионных потерь.
Предварительные эксперименты на купонах без защитного покрытия и с искусственными дефектами округлой и овальной формы, площадью 5 - 7 см2 показали, что в этих случаях в водной среде коррозия имеет равномерный характер, а в песке наблюдается общая неравномерная коррозия с отдельными язвами диаметром 1 – 3 мм.
Таким образом, проведена проверка влияния факторов, влияющих на развитие коррозионных дефектов и проверка методов оценки воздействия постоянных блуждающих токов. Результаты экспериментальных исследований, подтверждают соответствие модели и процесса развития одиночного коррозионного дефекта под воздействием постоянного блуждающего тока.
Четвертая глава посвящена совершенствованию метода оценки параметров коррозионных дефектов, позволяющего прогнозировать их геометрические размеры, используя информацию о плотности стекающего (анодного) тока, полученную по результатам электрометрических обследований или данным коррозионного мониторинга.
Существующая модель развития коррозионного дефекта характеризуется уравнением (формула 2), которое приведено в первой главе.
Если наложенный потенциал U в этом уравнении выразить через плотность тока с учетом справочных формул расчета сопротивления и провести соответствующие математические преобразования, то получим уравнение 3-ей степени, характеризующее кинетику анодного растворения в дефектах изоляции с использованием экспериментально полученного значения средней плотности анодного постоянного блуждающего тока iср. Для случая дефекта в изоляции круглой формы
, (3)
где Sдеф – площадь поверхности коррозионного дефекта.
Для проверки полученного уравнения проведены сравнительные расчеты с использованием результатов экспериментальных исследований развития одиночного коррозионного дефекта.
Таким образом, для прогноза геометрических размеров коррозионного дефекта необходима следующая информация:
- средняя плотность анодного тока (при необходимости можно провести ретроспективный анализ работы средств электрохимической защиты и анализ результатов специального коррозионного обследования;
- диаметр (длина) и глубина коррозионного дефекта в определенный момент времени по результатам внутритрубной дефектоскопии;
- ориентировочная дата появления дефекта в защитном покрытии, которую можно определить по изменению интегральной или локальной оценки состояния защитного покрытия по анализу результатов периодических коррозионных обследований («интенсивные» методы электрометрии, магнитометрия, интегральные методы и т.п.) либо по анализу результатов дистанционного контроля средств ЭХЗ (скачкообразное уменьшение потенциала сооружения в близкорасположенных контрольных точках или увеличение силы защитного тока катодной станции).
Поскольку рост глубины коррозионного дефекта в соответствии с моделью его развития имеет нелинейный характер, определение временной точки отсчета процесса развития коррозионного дефекта является важным моментом в прогнозных расчетах его параметров. Следует отметить, что точность определения даты появления дефекта в защитном покрытии будет зависеть от частоты проведения и типа измерений. Периодичность коррозионных обследований магистральных газопроводов на участках высокой коррозионной опасности, к которым относятся и участки, расположенные в зонах блуждающих токов, составляет не реже 1 раза в 5 лет. Поэтому точность определения даты появления дефекта в этом случае будет невысока, хотя при этом обеспечивается точная локализация дефекта и ее синхронизация с данными внутритрубной дефектоскопии. Более точно дату появления дефекта в защитном покрытии можно определить по результатам контроля средств ЭХЗ, и, наиболее точно (при определенных условиях) – по результатам дистанционного контроля силы защитного тока. На установках катодной защиты, расположенных в зонах блуждающих токов, и не оборудованных средствами дистанционного контроля, измерения потенциалов в точке дренажа, силы тока и напряжения на выходе должны проводиться не реже 4 раз в месяц. При наличии дистанционного контроля эти параметры могут фиксироваться до нескольких раз в день и момент появления нового дефекта в защитном покрытии можно определить по увеличению силы защитного тока, однако этот способ эффективен только в случае одиночных дефектов на участках газопроводов с новым защитным покрытием с высоким сопротивлением изоляции. При этом следует учитывать, что в условиях воздействия блуждающих токов установки катодной защиты работают, как правило, в режиме автоматического поддержания заданного потенциала с соответствующими флуктуациями величины силы тока, поэтому в этом случае целесообразно использовать интегральную оценку величины силы защитного тока за некоторый период времени.
По разнице между датой проведения внутритрубной дефектоскопии и датой появления дефекта в защитном покрытии определяем срок развития коррозионного дефекта до известных (по результатам внутритрубной дефектоскопии) геометрических размеров.
Подставив в уравнение (3) значения средней плотности анодного тока iср, глубины коррозионного дефекта d (по данным ВТД) и срок развития коррозионного дефекта (время экспозиции) t, можно определить размер (диаметр) дефекта изоляции Lдеф.
При известных Lдеф, средней плотности анодного тока iср и дате появления дефекта в защитном покрытии, можно определить глубину коррозионного дефекта d на любой заданный момент времени или, наоборот, определить момент времени достижения расчетной критической глубины коррозионного дефекта. Время экспозиции t в этих расчетах будет составлять разницу между конечным моментом времени и датой появления дефекта в защитном покрытии.
На рисунке 5 представлена зависимость глубины коррозии d от продолжительности воздействия анодного тока при плотности 0,3 мА/см2 (сплошная линия), рассчитанные по формуле (3), для параметров лабораторных экспериментов, описанных в предыдущей главе. Как видно, экспериментальные значения находятся в близком соответствии с расчетной кривой. Для сравнения на диаграмме представлены расчетные кривые для плотности анодного тока
0,1 мА/см2 и 0,4 мА/см2.
Рисунок 5 - Зависимость глубины коррозии d от продолжительности воздействия анодного тока плотностью 0,3 мА/см2.
Средняя плотность анодного постоянного блуждающего тока iср определяется по результатам электрометрического обследования по формуле
 , (4)
где Yвс.ср - средняя сила анодного (стекающего с образца) тока через вспомогательный электрод, А; ta - суммарное время появления анодного тока, ч;
t – общее время измерения, ч; Sвс - площадь вспомогательного электрода, м2.
Таким образом, используя уравнение (3), на основе анализа результатов электрометрического обследования можно для конкретного участка магистрального газопровода, расположенного в зоне интенсивного воздействия постоянных блуждающих токов, рассчитать глубину и диаметр коррозионного дефекта для определенного момента времени.
Полученные в результате расчета геометрические параметры коррозионного дефекта можно использовать для расчета и прогноза прочностных характеристик по уже существующим методикам.
Например, в «Рекомендациях по проведению электрометрических обследований магистральных газопроводов в зонах интенсивного влияния блуждающих токов» вероятная глубина коррозионного дефекта рассчитывается без учета его геометрической формы, целесообразно ввести соответствующие дополнения в методику расчета параметров коррозионного дефекта по результатам электрометрического обследования.
|
