Разработка автономного устройства катодной защиты подземного трубопровода
|
Введение 3
Г лава 1. Электрохимическая защита подземных трубопроводов 6
1.1. Основы коррозии металлов 6
1.2. Классификация коррозионных процессов 9
1.3. Коррозия подземных трубопроводов 11
1.4. Защита изоляционными покрытиями 14
1.5 Электрохимическая защита подземных трубопроводов 15
Глава 2. Автономные источники электропитания 21
2.1. Химические источники тока 22
2.2. Бензиновые и дизельные генераторы 30
2.3. Солнечные батареи 44
2.4. Ветрогенераторы 48
Глава 3. Разработка автономного устройства катодной защиты подземных трубопроводов 59
3.1. Требования к проектной документации 60
3.2. Требования к выбору устройств электрохимической защиты 63
3.3. Электрическая схема автономного устройства катодной защиты
подземных трубопроводов 75
3.4. Расчет мощности автономного устройства катодной защиты 78
Заключение 88
Список литературы 91
Г лава 1. Электрохимическая защита подземных трубопроводов 6
1.1. Основы коррозии металлов 6
1.2. Классификация коррозионных процессов 9
1.3. Коррозия подземных трубопроводов 11
1.4. Защита изоляционными покрытиями 14
1.5 Электрохимическая защита подземных трубопроводов 15
Глава 2. Автономные источники электропитания 21
2.1. Химические источники тока 22
2.2. Бензиновые и дизельные генераторы 30
2.3. Солнечные батареи 44
2.4. Ветрогенераторы 48
Глава 3. Разработка автономного устройства катодной защиты подземных трубопроводов 59
3.1. Требования к проектной документации 60
3.2. Требования к выбору устройств электрохимической защиты 63
3.3. Электрическая схема автономного устройства катодной защиты
подземных трубопроводов 75
3.4. Расчет мощности автономного устройства катодной защиты 78
Заключение 88
Список литературы 91
Актуальность темы. В настоящее время в России и во всем мире остро стоит вопрос о способах доставки углеводородов до потребителя. Существует несколько способов транспортировать нефть и газ: железнодорожным, водным и автомобильным транспортом, а также трубопроводная транспортировка. По грузообороту трубопроводная транспортировка занимает первое место в России (порядка 48% грузооборота по данным на 2016г.), протяженность магистральных трубопроводов в России составляет более 250 тыс. км по данным на январь 2019 года и продолжает расти.
Важнейшей задачей трубопроводной транспортной системы является своевременная и непрерывная доставка углеводородов до конечного потребителя. Для упрощения выполнения основной задачи трубопроводной транспортировки необходимо увеличивать сроки службы трубопроводов. Основным способом активной защиты подземных трубопроводов от коррозии является электрохимическая защита, в основном осуществляемая за счет катодной защиты. Основная задача катодной защиты - непрерывная защита подземного трубопровода от коррозии. Для работы катодной защиты необходима постоянная подача электроэнергии. Электропитание станций катодной защиты осуществляется за счет построенных вдоль всех трубопроводов высоковольтных линий электропередач и трансформаторных подстанций. Строительство, обслуживание и эксплуатация линий электропередач и подстанций требует больших финансовых затрат и трудовых ресурсов. Бурное развитие и совершенствование автономных источников тока во всем мире способствует пересмотру способов электропитания станций катодной защиты трубопроводов, так как автономные источники питания с каждым годом становятся эффективнее, дешевле и проще в обслуживании. В связи с этим и возникает актуальность диссертационного исследования по данной теме.
Степень исследованности проблемы. К настоящему моменту времени существует много различных предложений по автономизации электропитания устройств катодной защиты трубопроводов от коррозии: патент US на изобретение № 5324405, патент DE на изобретение № 2007347, патенты RU на изобретения № 1823524, № 2086703, № 2202001.
Известно устройство для автономизации электропитания катодной защиты патент RU на полезную модель № 92935, содержащее, приемопередающее устройство и антенно-фидерное устройство для обеспечения радиосвязи с диспетчерским пунктом, систему энергоснабжения и систему катодной защиты, а также автономные источники электропитания. Недостатком устройства является прекращение его работы в случае исчерпания ресурса всех трех автономных источников энергии, что не соответствует современным требованиям к катодной защите подземных трубопроводов от коррозии. Схожим также является автономное устройство катодной защиты трубопроводов от коррозии патент RU на изобретение № 2117184, состоящее из ветрогенератора, блока аккумуляторов и импульсной катодной станции, принцип работы которой заключается в формировании на трубопроводе относительно анодных заземлителей импульсного напряжения с релейным регулированием защитного потенциала, текущее значение которого контролируется электродом сравнения. Электропитание импульсной катодной станции осуществляется либо от ветрогенератора, либо от блока аккумуляторов при отсутствии ветра. Основной недостаток - низкая надежность защиты подземного трубопровода от коррозии из-за низкой емкости блока аккумуляторов, которая не может обеспечить продолжительную работу устройства катодной защиты в условиях продолжительного отсутствия благоприятных погодных условий для ветрогенератора, что также не соответствует современным требованиям к катодной защите подземных трубопроводов от коррозии.
На мой взгляд, наиболее удачным является вариант автономного устройства катодной защиты от коррозии патент RU на изобретение № 2486289 за авторством А.А. Анашкина (патентообладатель) и В.В. Челючкина. В данном устройстве совмещены ветрогенератор, солнечная батарея и протекторная защита трубопровода от коррозии, что делает работу устройства непрерывной даже при полном разряде аккумуляторных батарей, а электрическая схема устройства предполагает отключение протекторной защиты от коррозии при наличии заряда в аккумуляторных батареях.
Цель и задачи. Целью магистерской диссертации является разработка автономного устройства катодной защиты подземного трубопровода от коррозии.
В соответствии с данной целью поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ литературы по проблеме;
2. Рассмотреть теоретические аспекты коррозии металлов;
3. Определить основные причины коррозии подземных трубопроводов;
4. Описать способы защиты от коррозии подземных трубопроводов;
5. Провести классификацию автономных источников электропитания, рассмотреть подробно их виды;
6. Изучить требования к проектной документации;
7. Описать требования к выбору устройств электрохимической защиты;
8. Разработать автономное устройство катодной защиты подземных трубопроводов от коррозии на основе электрической схемы автономного устройства катодной защиты от коррозии патент RU на изобретение № 2486289 за авторством А.А. Анашкина (патентообладатель) и В.В. Челючкина;
9. Подобрать оборудование для автономного устройства катодной защиты, исходя из расчетных данных
Важнейшей задачей трубопроводной транспортной системы является своевременная и непрерывная доставка углеводородов до конечного потребителя. Для упрощения выполнения основной задачи трубопроводной транспортировки необходимо увеличивать сроки службы трубопроводов. Основным способом активной защиты подземных трубопроводов от коррозии является электрохимическая защита, в основном осуществляемая за счет катодной защиты. Основная задача катодной защиты - непрерывная защита подземного трубопровода от коррозии. Для работы катодной защиты необходима постоянная подача электроэнергии. Электропитание станций катодной защиты осуществляется за счет построенных вдоль всех трубопроводов высоковольтных линий электропередач и трансформаторных подстанций. Строительство, обслуживание и эксплуатация линий электропередач и подстанций требует больших финансовых затрат и трудовых ресурсов. Бурное развитие и совершенствование автономных источников тока во всем мире способствует пересмотру способов электропитания станций катодной защиты трубопроводов, так как автономные источники питания с каждым годом становятся эффективнее, дешевле и проще в обслуживании. В связи с этим и возникает актуальность диссертационного исследования по данной теме.
Степень исследованности проблемы. К настоящему моменту времени существует много различных предложений по автономизации электропитания устройств катодной защиты трубопроводов от коррозии: патент US на изобретение № 5324405, патент DE на изобретение № 2007347, патенты RU на изобретения № 1823524, № 2086703, № 2202001.
Известно устройство для автономизации электропитания катодной защиты патент RU на полезную модель № 92935, содержащее, приемопередающее устройство и антенно-фидерное устройство для обеспечения радиосвязи с диспетчерским пунктом, систему энергоснабжения и систему катодной защиты, а также автономные источники электропитания. Недостатком устройства является прекращение его работы в случае исчерпания ресурса всех трех автономных источников энергии, что не соответствует современным требованиям к катодной защите подземных трубопроводов от коррозии. Схожим также является автономное устройство катодной защиты трубопроводов от коррозии патент RU на изобретение № 2117184, состоящее из ветрогенератора, блока аккумуляторов и импульсной катодной станции, принцип работы которой заключается в формировании на трубопроводе относительно анодных заземлителей импульсного напряжения с релейным регулированием защитного потенциала, текущее значение которого контролируется электродом сравнения. Электропитание импульсной катодной станции осуществляется либо от ветрогенератора, либо от блока аккумуляторов при отсутствии ветра. Основной недостаток - низкая надежность защиты подземного трубопровода от коррозии из-за низкой емкости блока аккумуляторов, которая не может обеспечить продолжительную работу устройства катодной защиты в условиях продолжительного отсутствия благоприятных погодных условий для ветрогенератора, что также не соответствует современным требованиям к катодной защите подземных трубопроводов от коррозии.
На мой взгляд, наиболее удачным является вариант автономного устройства катодной защиты от коррозии патент RU на изобретение № 2486289 за авторством А.А. Анашкина (патентообладатель) и В.В. Челючкина. В данном устройстве совмещены ветрогенератор, солнечная батарея и протекторная защита трубопровода от коррозии, что делает работу устройства непрерывной даже при полном разряде аккумуляторных батарей, а электрическая схема устройства предполагает отключение протекторной защиты от коррозии при наличии заряда в аккумуляторных батареях.
Цель и задачи. Целью магистерской диссертации является разработка автономного устройства катодной защиты подземного трубопровода от коррозии.
В соответствии с данной целью поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ литературы по проблеме;
2. Рассмотреть теоретические аспекты коррозии металлов;
3. Определить основные причины коррозии подземных трубопроводов;
4. Описать способы защиты от коррозии подземных трубопроводов;
5. Провести классификацию автономных источников электропитания, рассмотреть подробно их виды;
6. Изучить требования к проектной документации;
7. Описать требования к выбору устройств электрохимической защиты;
8. Разработать автономное устройство катодной защиты подземных трубопроводов от коррозии на основе электрической схемы автономного устройства катодной защиты от коррозии патент RU на изобретение № 2486289 за авторством А.А. Анашкина (патентообладатель) и В.В. Челючкина;
9. Подобрать оборудование для автономного устройства катодной защиты, исходя из расчетных данных
В настоящей магистерской диссертации разработано автономное устройство катодной защиты подземных трубопроводов от коррозии на основе электрической схемы автономного устройства катодной защиты от коррозии патент RU на изобретение № 2486289 за авторством А.А. Анашкина (патентообладатель) и В.В. Челючкина.
Для достижения цели были рассмотрены теоретические аспекты коррозии металлов. Коррозионный процесс - результат перестройки химических связей в веществе, при которой одни связи в твердом теле разрушаются, а другие - возникают. Растворенные в воде кислоты, соли и основания могут подвергаться электролитической диссоциации, расщепляя молекулы вещества на ионы с противоположным знаком, но с одинаковыми общими электрическими зарядами. Ионы, образующиеся в процессе электролитической диссоциации, являются частями одной и той же молекулы, например, ионы водорода H+ и гидроксила ОН- - это части молекулы воды H2O. Положительные ионы (катионы H+), на которые действует электрическое поле, создаваемое двумя погруженными в электролит электродами гальванического элемента (или источника тока) движутся в сторону отрицательного электрода (катода), а отрицательные (анионы ОН-) - в сторону положительного электрода (анода). Чем выше концентрация ионов (носителей тока) в растворе, тем выше его электропроводность.
Металл разрушается, когда его ион переходит из кристаллической решетки в раствор, при этом на его поверхности остаются отрицательно заряженные электроны е-:
Fe = Fe2+ + 2е-.
Чем больше абсолютная величина отрицательного потенциала металла, тем менее прочно удерживаются на его поверхности катионы и тем больше его склонность к коррозии. На поверхности металла в процессе электрохимической коррозии образуются коррозионные гальванические элементы, а общая реакция делится на два сопряжено протекающих процесса:
1. Анодный процесс разрушения (реакция окисления) - это переход металла в раствор в виде гидратированных ионов с оставлением эквивалентного количества электронов на поверхности металла
Me+ e" + nH2O= Me + nH2O + e",
Fe2+ = Fe3+ + e" .
2. Катодный процесс (реакция восстановления) - это нейтрализация возникших в металле избыточных электронов деполяризаторами (атомами или ионами раствора), поглощающими электрон. Важнейшими являются реакции водородной деполяризации
2Н ++ 2е" = 2Н+ = Н2
и кислородной деполяризации
О2 +4e" +2H2O= 4OH" .
Описали способы защиты подземных трубопроводов. Существует два способа защиты трубопроводов от почвенной коррозии: пассивный и активный.
К пассивной защите трубопроводов относятся изоляционные покрытия с различными материалами - битумно-резиновые покрытия и покрытия из полимерных лент. К активной - катодную, протекторную и дренажную защиты.
Была проведена классификация основных типов автономных источников электропитания: химические источники тока, бензиновые и дизельные генераторы, солнечные батареи и ветрогенераторы.
Были изучены основные требования к проектной документации, а также требования к подбору устройств электрохимической защиты.
Была смоделирована следующая ситуация: существует подземный трубопровода длиной Ь=100м с устройством катодной защиты, расположенным посередине трубопровода, диаметр трубы Dx = 0,82 м, толщина стенки трубы 5т =
0. 08 м, марка стали трубы 18Г2, полиэтиленовая изоляция с сопротивлением
5 2
Rro = 10 Омм , глубина укладки трубопровода Нт = 2 м, предполагаемое время эксплуатации подземного трубопровода до замены труб 20 лет, среднее удельное электрическое сопротивление грунта рг = 120 Омм.
В результате расчетов получили необходимую минимальную мощность устройства катодной защиты 1,75 кВт. На основе этих данных провели подбор оборудования.
В качестве ветрогенератора может быть использован вертикальный инерционный ветрогенератор модели Falcon Euro с номинальной выходной мощностью 3000 Вт, в качестве батареи -7 аккумуляторов GEL 12-200, соединенные последовательно. Блоком управления резервом выбрали PIC-контроллер типа PIC24FJ256GA106-I/PT и микросхемы ADM3485, солнечная батарея - 12 панелей JA Solar JAP6 60 3BB 255, GSM-модем может решили реализовывать на модуле типа WISMO228. В качестве антенны выбрали GSMJCTP9018(3mRG174) SMA.
Таким образом, поставленные задачи для достижения цели работы были решены и в целом цель магистерской диссертации достигнута.
Для достижения цели были рассмотрены теоретические аспекты коррозии металлов. Коррозионный процесс - результат перестройки химических связей в веществе, при которой одни связи в твердом теле разрушаются, а другие - возникают. Растворенные в воде кислоты, соли и основания могут подвергаться электролитической диссоциации, расщепляя молекулы вещества на ионы с противоположным знаком, но с одинаковыми общими электрическими зарядами. Ионы, образующиеся в процессе электролитической диссоциации, являются частями одной и той же молекулы, например, ионы водорода H+ и гидроксила ОН- - это части молекулы воды H2O. Положительные ионы (катионы H+), на которые действует электрическое поле, создаваемое двумя погруженными в электролит электродами гальванического элемента (или источника тока) движутся в сторону отрицательного электрода (катода), а отрицательные (анионы ОН-) - в сторону положительного электрода (анода). Чем выше концентрация ионов (носителей тока) в растворе, тем выше его электропроводность.
Металл разрушается, когда его ион переходит из кристаллической решетки в раствор, при этом на его поверхности остаются отрицательно заряженные электроны е-:
Fe = Fe2+ + 2е-.
Чем больше абсолютная величина отрицательного потенциала металла, тем менее прочно удерживаются на его поверхности катионы и тем больше его склонность к коррозии. На поверхности металла в процессе электрохимической коррозии образуются коррозионные гальванические элементы, а общая реакция делится на два сопряжено протекающих процесса:
1. Анодный процесс разрушения (реакция окисления) - это переход металла в раствор в виде гидратированных ионов с оставлением эквивалентного количества электронов на поверхности металла
Me+ e" + nH2O= Me + nH2O + e",
Fe2+ = Fe3+ + e" .
2. Катодный процесс (реакция восстановления) - это нейтрализация возникших в металле избыточных электронов деполяризаторами (атомами или ионами раствора), поглощающими электрон. Важнейшими являются реакции водородной деполяризации
2Н ++ 2е" = 2Н+ = Н2
и кислородной деполяризации
О2 +4e" +2H2O= 4OH" .
Описали способы защиты подземных трубопроводов. Существует два способа защиты трубопроводов от почвенной коррозии: пассивный и активный.
К пассивной защите трубопроводов относятся изоляционные покрытия с различными материалами - битумно-резиновые покрытия и покрытия из полимерных лент. К активной - катодную, протекторную и дренажную защиты.
Была проведена классификация основных типов автономных источников электропитания: химические источники тока, бензиновые и дизельные генераторы, солнечные батареи и ветрогенераторы.
Были изучены основные требования к проектной документации, а также требования к подбору устройств электрохимической защиты.
Была смоделирована следующая ситуация: существует подземный трубопровода длиной Ь=100м с устройством катодной защиты, расположенным посередине трубопровода, диаметр трубы Dx = 0,82 м, толщина стенки трубы 5т =
0. 08 м, марка стали трубы 18Г2, полиэтиленовая изоляция с сопротивлением
5 2
Rro = 10 Омм , глубина укладки трубопровода Нт = 2 м, предполагаемое время эксплуатации подземного трубопровода до замены труб 20 лет, среднее удельное электрическое сопротивление грунта рг = 120 Омм.
В результате расчетов получили необходимую минимальную мощность устройства катодной защиты 1,75 кВт. На основе этих данных провели подбор оборудования.
В качестве ветрогенератора может быть использован вертикальный инерционный ветрогенератор модели Falcon Euro с номинальной выходной мощностью 3000 Вт, в качестве батареи -7 аккумуляторов GEL 12-200, соединенные последовательно. Блоком управления резервом выбрали PIC-контроллер типа PIC24FJ256GA106-I/PT и микросхемы ADM3485, солнечная батарея - 12 панелей JA Solar JAP6 60 3BB 255, GSM-модем может решили реализовывать на модуле типа WISMO228. В качестве антенны выбрали GSMJCTP9018(3mRG174) SMA.
Таким образом, поставленные задачи для достижения цели работы были решены и в целом цель магистерской диссертации достигнута.