РГР Расчет катодной защиты МТ. Задание на расчетнографическу работу

• Название: Задание на расчетнографическу работу
• Дата: 13.03.2023
• Размер: 239.76 Kb.
• Имя файла: РГР Расчет катодной защиты МТ.docx
• Тип: Документы; #984044

		ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКУ РАБОТУ
		По дисциплине			Защита от коррозии
		студенту	ВШЭНГ															курса									группы
		ТЕМА:		Расчет катодной защиты магистрального трубопровода
		ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:
		Магистральный трубопровод диаметром 630 мм, длиной 650 км имеет толщину стенки 10 мм. Трубопровод проложен по местности, участки которой имеют следующие значения удельного электросопротивления грунта:
		Доля длины трубопровода, l/L							0,2					0,1					0,1				0,3									0,1			0,2
		Удельное электро-сопротивление, Ом·м							115					100					92				72									53			41
		Дренажная линия – воздушная, применяемый провод – М-10. Начальное переходное сопротивление «трубопровод – грунт» равно 8850 Ом·м2. Показатель скорости старения покрытия – 0,125 1/год. Анодное заземление выполнено 5 анодными заземлителями типа АКО-1, устанавливаемыми непосредственно в грунт, диаметр которого 30 мм а длина 1400 мм. Кратчайшее расстояние от трубопровода до анодных заземлителей 350 м. Глубина заложения электродов – 2,8 м, расстояние между ними – 7 м. Количество заземлителей 5 штук.
		ТРЕБУЕТСЯ:
		- описать принцип действия катодной защиты, применяемое при этом оборудование; - подобрать станцию катодной защиты по расчетным параметрам; - определить необходимое количество катодных станций для защиты трубопровода; - рассчитать срок службы анодного заземления.

ЛИСТ ЗАМЕЧАНИЙ
ОГЛАВЛЕНИЕ

1 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ ОТ КОРРОЗИИ 5

1. 
   Характеристики первого метода 7
   

1.2 Особенности ЭХЗ трубопроводов 7

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 10

3 ВЫВОДЫ 15

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 16

1 ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ ОТ КОРРОЗИИ

Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии – процесс, осуществляемый при воздействии постоянного электрического поля на предохраняемый объект из металлов или сплавов. Поскольку обычно доступен для работы переменный ток, используются специальные выпрямители для преобразования его в постоянный.

В случае катодной защиты трубопроводов защищаемый объект путём подачи на него электромагнитного поля приобретает отрицательный потенциал, то есть делается катодом.

Соответственно, если ограждаемый от коррозии отрезок трубы становится «минусом», то заземление, подводящийся к нему, – «плюсом» (т.е. анодом).

Антикоррозионная защита по такой методике невозможна без присутствия электролитической, с хорошей проводимостью, среды. В случае обустройства трубопроводов под землёй её функцию выполняет грунт. Контакт же электродов обеспечивается путём применения хорошо проводящих электрический ток элементов из металлов и сплавов.

В ходе протекания процесса между средой - электролитом (в данном случае грунтом) и защищаемым от коррозии элементом возникает постоянная разница потенциалов, значение которой контролируется при помощи высоковольтных вольтметров.

Такой способ предупреждения коррозии был предложен в 20-х годах XIX века и поначалу использовался в судостроении: медные корпуса кораблей обшивались протекторами-анодами, значительно снижающими скорость корродирования металла.

После того, как была установлена эффективность новой технологии, изобретение стало активно применяться в других областях промышленности. Через некоторое время оно было признано одним из самых эффективных способов защиты металлов.



Рисунок 1 – Схема катодной защиты подземного трубопровода
В настоящее время используется два основных типа катодной защиты трубопроводов от коррозии:

1. 
   Самый простой способ - к металлическому изделию, требующему предохранения от коррозии, подводится внешний источник электрического тока. В таком исполнении сама деталь приобретает отрицательный заряд и становится катодом, роль же анода выполняют инертные, не зависящие от конструкции, электроды.
   
2. 
   Гальванический метод. Нуждающаяся в защите деталь соприкасается с защитной (протекторной) пластиной, изготавливаемой из металлов с большими значениями отрицательного электрического потенциала: алюминия, магния, цинка и их сплавов. Анодами в этом случае становятся оба металлических элемента, а медленное электрохимическое разрушение пластины-протектора гарантирует поддержание в стальном изделии требуемого катодного тока. Через более или менее долгое время, в зависимости от параметров пластины, она растворяется полностью.
   

1.1 Характеристики первого метода

Этот способ ЭХЗ трубопроводов, в силу простоты, наиболее распространён. Применятся он для предохранения крупных конструкций и элементов, в частности, трубопроводов подземного и наземного типов.

Методика помогает противостоять:

- питтинговой коррозии;

- коррозии из-за присутствия в зоне расположения элемента блуждающих токов;

- коррозии нержавеющей стали межкристального типа;

- растрескиванию латунных элементов вследствие повышенного напряжения.

Характеристики второго метода

Эта технология предназначается, в отличие от первой, в том числе для защиты изделий небольших размеров. Методика наиболее популярна в США, в то время как в Российской Федерации используется редко. Причина в том, что для проведения гальванической электрохимическая защита трубопроводов необходимо наличие на изделии изоляционного покрытия, а в России магистральные трубопроводы таким образом не обрабатываются.

1.2 Особенности ЭХЗ трубопроводов

Главной причиной выхода трубопроводов из строя (частичной разгерметизации или полного разрушения отдельных элементов) является коррозия металла. В результате образования на поверхности изделия ржавчины на его поверхности появляются микроразрывы, раковины (каверны) и трещины, постепенно приводящие к выходу системы из строя. Особенно эта проблема актуальна для труб, пролегающих под землёй и всё время соприкасающихся с грунтовыми водами.

Принцип действия катодной защиты трубопроводов от коррозии предполагает создание разности электрических потенциалов и реализуется двумя вышеописанными способами.

Одну из самых серьёзных угроз металлическим изделиям представляют блуждающие токи, то есть электрические разряды, проникающие в грунт вследствие работы заземлений линий энергопередачи (ЛЭП), громоотводов или передвижения по рельсам поездов. Невозможно определить, в какое время и где они проявятся.

Разрушающее воздействие блуждающих токов на стальные элементы конструкций проявляется, когда эти детали обладают положительным электрическим потенциалом относительно электролитической среды (в случае трубопроводов – грунта). Катодная методика сообщает защищаемому изделию отрицательный потенциал, в результате чего опасность коррозии из-за этого фактора исключается.

Оптимальным способом обеспечения контура электрическим током является использование внешнего источника энергии: он гарантирует подачу напряжения, достаточного для «пробивания» удельного сопротивления грунта.

Для обеспечения снижения коррозии на участках пролегания трубопроводов используются особые приспособления, называемые станциями катодной защиты (СКЗ).

Эти станции включают в себя следующие элементы:

- заземление, выступающее в роли анода;

- генератор постоянного тока;

- пункт контроля, измерений и управления процессом;

- соединительные приспособления (провода и кабели).

Станции катодной защиты вполне эффективно выполняют основную функцию, при подключении к независимому генератору или ЛЭП защищая одновременно несколько расположенных поблизости участков трубопроводов.

Регулировать параметры тока можно как вручную (заменяя трансформаторные обмотки), так и в автоматизированном режиме (в случае, когда в контуре имеются тиристоры).

2 РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

1 Среднее значение удельного электросопротивления грунта вдоль трассы трубопровода:

(2.1)

где 𝜌_г – удельное сопротивление грунтов на отдельных участках, Ом∙м;

𝑙𝑖 – протяженность участков;

𝐿общ = – общая протяженность проектируемого трубопровода.

2. 
   Предельное сопротивление единицы длины трубопровода:
   

(2.2)

где 𝜌Г – удельное электросопротивление трубной стали, в среднем 𝜌Г = 0,245;

𝐷н, 𝛿 – наружный диаметр и толщина стенки трубопровода.
= 1,26 · 10^-5 Ом/м.

2. 
   Сопротивление единицы длины изоляции к концу нормативного срока службы СКЗ:
   

(2.3)

где 𝑅пн – переходное сопротивление «трубопровод-грунт» в начале эксплуатации, Ом*м2 ;

𝛽 – показатель скорости старения изоляционного покрытия, 1/год;

𝜏нс – 9,5 лет – нормативный срок службы СКЗ.
R_из(τ_ис) = · е^{-0,125· 9,5} = 1364,5 Ом/м.

2. 
   Сопротивление единицы длины изоляции в среднем за нормативный срок службы СКЗ:
   

(2.4)
R_из.ср = · (1 - е^{-0,125· 9,5}) = 2622,0 Ом/м.

2. 
   Среднее значение входного сопротивления трубопровода и нормативный срок эксплуатации катодных установок:
   

(2.5)
Z_ср = 0,5 · = 0,0905 Ом.

2. 
   Значение входного сопротивления трубопровода к концу нормативного срока эксплуатации:
   

(2.6)
Z_к = 0,5 · = 0,0656 Ом.

2. 
   Постоянная распределения токов и потенциалов вдоль трубопровода к концу нормативного срока эксплуатации катодных установок:
   

(2.7)

где 𝑅т – продольные сопротивления трубопровода, равное 𝑅т = 1,26 · 10^-5 Ом/м.

α = = 9,6 · 10^-5 1/м.

2. 
   Задаем удаление анодного заземления от трубопровода у = 335 м и определяем параметр Θ:
   

(2.8)

где 𝜌Г ср – среднее удельное электросопротивление грунта;

𝑍к – входное сопротивление изолированного трубопровода на конец нормативного срока службы;

𝑦 – удаление анодного заземления от трубопровода.

2. 
   Коэффициент взаимного влияния СКЗ:
   

(2.9)
К_в =

2. 
   Протяженность зоны защиты трубопровода одной СКЗ к концу нормативного срока эксплуатации:
   

(2.10)

где a – постоянная распределения потенциалов и токов вдоль защищаемого сооружения;

𝐾в – коэффициент, учитывающий влияние смежной СКЗ;

𝜃 – расчетный параметр, равный 𝜃 = 0,56.
l_скз = · ln

2. 
   Среднее значение силы тока нагрузки СКЗ:
   

(2.11)
I_др=

2. 
   Примем, что глубина заложения середины электродов анодного заземления h равна 2,8 м, а расстояние между ними равно 7 м.
   

Тогда сопротивление растеканию с одиночного вертикального электрода:

(2.12)

где 𝑙э – длина электрода равная 𝑙э = 1,4 м, а диаметр d=0,03 м.
R_1в = ·

2. 
   Примем число электронов анодного заземления n = 5 и вычислим Аi и Бi. Расчет коэффициентов представим в таблице 1.
   

(2.13)

(2.14)
где a – расстояние между серединами электродов;

n – число электродов в анодном заземлении (назначается нечетным).
Таблица 1 – Расчет коэффициентов Аi и Бi

2. 
   Сопротивление растеканию с центрального электрода заземления:
   

(2.15)

где 𝐹𝑖 – функция, равная:

(2.16)

2. 
   Сопротивление растеканию с крайнего электрода анодного заземления:
   

(2.17)

2. 
   Коэффициент экранирования электродов анодного заземления:
   

(2.18)

где 𝑅ц, 𝑅к – сопротивления растеканию соответственно с центрального и крайнего электрода заземления.
η_э=

2. 
   Сопротивление растеканию тока с анодного заземления:
   

(2.19)

где 𝜌_пр – удельное электросопротивление материала привода.

R_а =

2. 
   Определим сопротивление дренажной линии:
   

(2.20)
R_пр =

2. 
   Среднее значение напряжения на выходных контактах СКЗ определяем:
   

(2.21)

где 𝑅пр – сопротивление соединительных проводов длинной 𝑙пр и сечением 𝑆пр.
ΔЕ_ср= (0,60 – 0,35) + 4,72 · (0,59 + 9,92) = 49,86 В.

2. 
   Средняя величина мощности потребляемой СКЗ будет равна:
   

(2.22)

где ∆𝐸 – напряжение на выходе СКЗ.

Р_СКЗ= 4,72 · 49,86 = 235 Вт.

2. 
   В соответствии с вычисленными значениями I_др= 4,72 А, ΔЕ_ср= 49,86 В и Р_СКЗ= 235 Вт выбираем тип катодной станции. Наиболее подходящей является КСК – 500 (мощность 0,5 кВт, напряжение 10 - 50 В, мощность – 10 А).
   
3. 
   Определим необходимое число СКЗ для защиты всего трубопровода:
   

(2.23)
N_скз =

2. 
   Рассчитаем срок службы анодного заземления, установленного в грунт.
   

(2.24)
Если вес одного электрода 54 кг (таблица 3.45), коэффициент использования электродов η_н= 0,77, число электродов n = 5, электрохимический эквивалент железокремниевых электродов без активатора – 0,2 кг/(А · год).

τ_а =

ВЫВОДЫ

В ходе работы нами были выполнены расчеты, на основании которых:

- подобрали станцию катодной защиты по расчетным параметрам - КСК – 500 (мощность 0,5 кВт, напряжение 10 - 50 В, мощность – 10 А);

- определили необходимое количество катодных станций для защиты трубопровода – 40 штук;

- рассчитали срок службы анодного заземления, в нашем случае он составит 220 лет.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. 
   Типовые расчеты при сооружении и ремонте газонефтепроводов [Электронный ресурс]: учебное пособие / Л.И. Быков, Ф.М. Мустафин, С.К. Рафиков, А.М. Нечваль, А.Е. Лаврентьев; Санкт-Петербург: Недра, 2006.-824с