Спосіб визначення густини струму захисту від корозії на ділянці підземного трубопроводу

1. Спосіб визначення густини струму захисту від корозії на ділянці підземного трубопроводу, за яким вимірюють значення сили струму, що протікає по трубопроводу, на початку і кінці контрольованої ділянки трубопроводу, визначають площу S поверхні підземного трубопроводу на цій ділянці та обчислюють відношення різниці виміряних значень струму до площі S , який відрізняється тим, що джерело струму захисту підключають до трубопроводу за межами контрольованої ділянки, вимірюють безконтактним методом значення J1 та Винахід належить до технічної фізики, призначений для визначення густини струму катодного захисту від корозії підземних сталевих трубопроводів і може бути використаний при їх обстеженнях, неруйнівному контролі і налагодженні електрохімічного захисту (катодної чи анодної поляризації) підземних металевих споруд, струмопровідних комунікацій. Відомий спосіб визначення густини струму поляризації металевого виробу в електропровідному середовищі (зразок металу в електроліті, підземна чи підводна металева конструкція-споруда), за яким міряють силу електричного струму на виході джерела поляризації установки катодного (чи анодного) захисту, підключеної до металу виробу і заземлення, та (згідно з означенням) відносять виміряну силу струму до площі поверхні виробу. За таким способом для виробів (зразків) із заданими розмірами отримують деяку середню оцінку густини струму по всій поверхні виробу. Але для протяжних підземних трубопроводів [1]-с. 65, формула (П.10), важко встановити, по якій довжині труби (поверхні) розподілений струм (довжину зони дії джерела поляризації) та неможливо визначити його густину (розподіл) на різних ділянках трубопроводу. Відомий спосіб розрахунку розподілу густини струму вздовж трубопроводу [2]-с. 190-208, потребує задавання геометричних параметрів джерела струму і трубопроводу та опору ґрунту і стану ізоляції трубопроводу (перехідного опору), який апріорі невідомий. Тому цей спосіб використовують лише для оцінок під час проектування електрохімічного захисту трубопроводів, але він не придатний для практичних обстежень підземних трубопроводів. Найближчим до винаходу є спосіб визначення середньої поверхневої густини електричного струму витікання з ділянки кабелю [3]-с. 234-235, за яким визначають напрями і міряють значення J2 змінного струму на початку і кінці контрольованої ділянки трубопроводу відповідно, додатково встановлюють у ґрунт в зоні контрольованої ділянки один електрод біля трубопроводу і другий електрод на відстані від трубопроводу та вимірюють постійну Ug та змінну Vg напруги у ґрунті між двома електродами, а густину струму захисту ipr обчислюють за формулою J1  J2 Ug , ipr  S Vg (13) 94798 (11) UA (19) чають напрям струму захисту. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додатково струм на виході джерела, що діє в зоні контролю, модулюють сигналом низької частоти. C2 при цьому за знаком постійної напруги Ug визна 3 сили струму IA і IB, що проходить по оболонці кабелю на кінцях цієї ділянки в точках А і В, густину струму витікання визначають за формулою і=K(IA±IB)/qS, (1) де "+" - якщо струми на кінцях ділянки течуть назустріч один другому; "-" - якщо струми проходять в одному напрямі, причому IA>IB; S - загальна площа поверхні кабелю на довжині між точками А і В; q - коефіцієнт торкання приймають у середньому рівним 0,5 для броньованих кабелів, укладених у ґрунті, і 0,25 для свинцевих кабелів, прокладених у каналізації; К - коефіцієнт часового навантаження найближчого джерела струму (тягової підстанції). Недоліком цього способу (прототипу) є методичні і технічні труднощі визначення напряму і сили струму на кінцях ділянки підземного трубопроводу (кабелю). Так за контактним методом падіння наруги [3]-с. 234, силу струму, що протікає по трубопроводу, визначають відношенням виміру падіння напруги на частині трубопроводу між двома точками, які рознесені на деяку віддаль l вздовж трубопроводу, до опору труби між цими точками, який додатково вимірюють або обчислюють за питомим електричним опором матеріалу труби, її діаметром і товщиною стінки. Аналогічно, за методом компенсації [3] -с. 233-234, підключають мілівольтметр до труби у двох точках на віддалі l і за його показаннями визначають напрям струму І1 в трубі, додатково через другу пару контактів до труби підключають джерело постійного струму I2, направленого назустріч вимірюваному I1, змінюють силу струму I2, добиваючись нульових показань мілівольтметра, вимірюють І1=I2 в момент компенсації. Ці два контактні методи потребують приєднання вимірювачів до металу (забезпечення контактів з металом підземного з ізоляційним покривом трубопроводу), що потребує значних трудозатрат, іноді недопустиме з технологічних причин, обмежує оперативність контролю і непридатне для широкого використання при обстеженнях підземних трубопроводів. Безконтактні методи забезпечують можливість визначення змінного струму, що протікає вздовж підземного трубопроводу, за вимірами магнітного поля, створеного цим струмом, що дає можливість визначати витікання змінного струму на ділянці підземного трубопроводу [4]. Проте змінний струм не захищає металу від корозії, а безконтактні вимірювання постійного струму підземного трубопроводу [5] ускладнені наявністю потужного геомагнітного поля, для усунення впливу якого потрібні спеціальні датчики і кропітка методика їх орієнтації відносно трубопроводу і магнітного поля Землі [5]; тому відомі безконтактні методи також мало придатні для прямого вимірювання розподілу постійного струму поляризації підземних трубопроводів. Технічною задачею винаходу є створення процедури (послідовності дій) визначення густини струму захисту від корозії ділянки підземного трубопроводу шляхом вибору методу міряння струму, вимірюваних сигналів та розрахункової формули (алгоритму), з метою контролю розподілу витрат струму захисту від корозії. 94798 4 Для вирішення поставленої задачі вимірюють значення сили струму, що протікає по трубопроводу на початку і кінці ділянки трубопроводу (джерело струму захисту підключене до трубопроводу за межами ділянки, яку контролюють), визначають площу S поверхні підземного трубопроводу на цій ділянці, обчислюють відношення різниці виміряних значень струму до площі S, згідно з винаходом, безконтактним методом вимірюють значення J1 та J2 змінного струму, що протікає по трубопроводу, додатково встановлюють у ґрунт перший електрод біля труби (поблизу трубопроводу, на поверхні землі-ґрунту над трубопроводом) і другий електрод на відстані від траси трубопроводу, міряють постійну Ug та змінну Vg електричні напруги у ґрунті між двома електродами, густину струму захисту від корозії підземного трубопроводу обчислюють за формулою J1  J2 Ug ipr  , (2) S Vg за знаком постійної напруги Ug визначають напрям струму поляризації. Додатково, з метою забезпечення можливості безконтактних вимірювань, струм на виході джерела захисту (поляризації), що діє в зоні контролю, модулюють сигналом низької частоти. Суттєвими ознаками заявленого способу є безконтактні міряння змінного струму, встановлення електродів на поверхні ґрунту, міряння постійної і змінної електричних напруг у ґрунті, формула обчислення значення густини струму, визначення напряму струму захисту, додаткова модуляція струму джерела. Названі суттєві ознаки заявленого способу і їх сукупність не відомі ні в аналогах, ні у прототипі, отже відповідають критеріям "новизна" і "суттєві відмінності". Запропонована нова формула (2) для визначення густини струму захисту (поляризації) є математичним виразом заявленого способу. На відміну від прототипу (1) значення струму захисту згідно з (2) визначають за безконтактними вимірами змінного струму та відношенням постійної і змінної напруг у ґрунті, яке дорівнює відношенню постійного (захисного) і змінного струмів, що натікають на ділянці трубопроводу з ґрунту. Напрям струму захисту визначається за знаком (полярністю) постійної напруги в ґрунті. Безконтактні міряння змінного струму відомі в техніці обстежень стану захисного покриву підземних трубопроводів [5], проте безконтактні міряння струмів трубопроводу для знаходження натікаючого (витікаючого) струму з метою визначення густини струму захисту (поляризації) не відомі, отже відповідають критеріям "новизна" і "суттєві відмінності". Встановлення електродів у ґрунт (зокрема, на поверхні ґрунту) та міряння постійної електричної напруги відомі у техніці визначення потенціалів підземного трубопроводу [1] а міряння змінного струму використовують для пошуку пошкоджень ізоляції підземного трубопроводу [1, 3], проте їх застосування для визначення густини струму захисту не відомі. Визначення напряму струму на 5 ділянці електричного кола відоме за полярністю напруги на цій же ділянці, проте використання полярності напруги в ґрунті для визначення напряму струму захисту підземного трубопроводу не відоме. Отже ці ознаки відповідають критерію "суттєві відмінності" заявленого способу від аналогів і прототипу. Модуляцію струму широко використовують у радіотехніці для передавання і розділення сигналів, проте використання модуляції для визначення густини струму захисту підземного трубопроводу не відоме, що дає підставу вважати відповідність критерію "суттєві відмінності" заявленого способу від аналогів і прототипу. Запропонований спосіб пояснюють схеми, показані на рисунку, де показано розміщення точок спостереження на трасі (вид зверху) і схема підключення джерела струму до трубопроводу. На фігурі представлені підземний трубопровід Т, джерело струму захисту С, підключене до заземлення А і труби В, точки D і Е міряння струмів J1 і J2, віддаль DE=l - довжина ділянки трубопроводу, яку контролюють, точки М і N (та N2) розміщення електродів для вимірювання постійної і змінної напруг Ug і Vg. Фізичною основою заявленого способу є наявність у струмі захисту від корозії, який подають у підземний трубопровід від установки катодного захисту (УКЗ), постійної і змінних складових (гармонік) та пропорційність між напругою і струмом, яка за законом Ома визначає опір провідника. Значення постійної і змінної напруг у ґрунті міряють на одній і тій же ділянці електричного кола, тобто на одному і тому ж опорі. При цьому міряють змінну напругу низької частоти (наприклад, 100 Гц), коли справедливе квазістатичне наближення і реактивними складовими (індуктивністю і ємністю) цієї ділянки електричного кола можна знехтувати. Тому згідно з законом Ома відношення виміряних напруг дорівнює відношенню постійного (захисного) і змінного струмів, що натікають на ділянці траси з ґрунту в трубопровід. Для захисту підземних трубопроводів від корозії найчастіше використовують джерела струму захисту - УКЗ чи гальванічні протектори [3]. УКЗ - випрямлячі, які живляться від електромережі (змінним з частотою 50 Гц струмом), і подають на трубопровід випрямлений струм, у якому є пульсації - гармоніки з частотами 100 Гц, 200 Гц і т.д. Якщо трубопровід захищають гальванічним протектором, то для визначення густини струму, за даним способом, додатково струм на виході протектора модулюють змінним сигналом низької частоти (наприклад, 100 Гц). Постійна ірr та змінна j складові струму УКЗ, що натікає з ґрунту в трубопровід на ділянці, створюють на поверхні землі між точками М і N постійну Ug і змінну Vg електричні напруги, пропорційні відповідним складовим струму ipr/j=Ug/Vg. (3) Безконтактним методом міряють змінні складові струмів J1 і J2, що протікають по трубопроводу у точках D і Е. Визначають віддаль l між точками D і Е вздовж трубопроводу (для цього 94798 6 використовують рулетку, метр чи інший пристрій) і за відомим діаметром d трубопроводу визначають площу його поверхні на даній ділянці S=dl. Густину змінного струму, що натікає від джерела струму захисту на ділянці трубопроводу, визначають за різницею вимірів струмів, що протікають по трубопроводу на початку і кінці ділянки DE (4) j=J1-J2/S. За виразами (3) і (4) отримуємо формулу (2) для визначення густини струму катодного захисту підземного трубопроводу. Для застосування даного способу потрібно, щоб неоднорідність поля заземлення А джерела струму не проявлялись у зоні контролю DNE; для цього А має бути достатньо віддалене від зони контролю АВ>>MN (або BD>>MN), що практично забезпечується при використанні УКЗ. Якщо задані коефіцієнт торкання q трубопроводу до ґрунту та коефіцієнт часового навантаження К джерела струму, то вони можуть бути враховані при оцінках розподілу струму захисту аналогічно формулі (1). Безконтактні міряння змінного струму здійснюють апаратурою типу БІТ-КВ чи БВС [6], яка дає можливість з поверхні землі визначати місце розташування підземного трубопроводу та величину (амплітуду) змінного струму, що протікає по трубопроводу (за створеним струмом магнітним полем). Для міряння електричних напруг у ґрунті використовують електроди (мідно-сульфатні, що не поляризуються) та прилад типу ОРТ+В2 [6], який містить у собі вольтметри постійної і змінної (з частотою вимірюваної змінної складової струму) напруг. У випадках використання гальванічного протектора (чи УКЗ з постійним струмом), на з'єднанні його з трубопроводом підключають модулятор, який забезпечує (крім постійного струму джерела захисту) додаткову змінну складову (наприклад, 100 Гц) для безконтактних вимірювань струму. Приклад конкретного виконання. Вибирають ділянку підземного трубопроводу на гілці діючої УКЗ, підключеної до трубопроводу і заземлення, віднесеного від трубопроводу на відстань АВ (фіг.), яка має бути достатньою, щоб виключити вплив заземлення А на розподіл поля у зоні контролю (DNE, фіг.). При розносі електродів MN50 м. Для УКЗ на магістральних трубопроводах, як правило АВ>400 м, отже ця умова виконується. Точка В дренажу струму УКЗ має бути за межами ділянки трубопроводу, яку контролюють. Для визначення місцезнаходження трубопроводу і вимірювань змінної складової струму і напруги використовують другу гармоніку 100 Гц випрямленого пульсуючого струму УКЗ. Міряють (апаратурою типу БІТ чи БВС) струми J1 та J2, що протікають по трубопроводу в точках D та Е (фіг.) у зоні дії УКЗ, підключеної до труби і заземлення. Міряють віддаль l=DE - довжину ділянки, використовуючи рулетку чи сажень. Встановлюють перший електрод над трубою у точці М. Другий електрод відносять перпендикулярно трубопроводу і встановлюють у точці N на відстані MN, яку доцільно вибирати не меншою 7 глибини h залягання трубопроводу (практично достатньо рознести електроди на відстань MN