Спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії

1. Спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії, при якому створюють різницю потенціалів між підземним сталевим трубопроводом в пункті вимірювання і електродом порівняння, що знаходиться на поверхні ґрунту над віссю підземного сталевого трубопроводу, зменшують отриману різницю потенціалів в різне число разів, оцінюють захищеність підземних сталевих трубопроводів від корозії по значенню поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу та опору оточуючого фунту, що визначають за формулами, який відрізняється тим, що зменшення отриманої різниці потенціалів в різне число разів здійснюють підключенням електричного ланцюга з трьох резисторів між пунктом вимірювання і електродом порівняння, після чого визначають різницю потенціалів в підключеному ланцюзі на двох резисторах з боку електрода порівняння, підсилюють її та отримують підсилену різницю потенціалів U1 , шунтують два резистори з боку пункту вимірювання, вимірюють нову різницю потенціалів на крайньому з боку електрода порівняння резисторі, підсилюють її та отримують підсилену різницю потенціалів U2 , порівнюють отримані різниці потенціалів, змінюють опір резистора з боку електрода порівняння, зближуючи порівнювані різниці потенціалів до досягнення їх рівності, а значення поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу та опір оточуючого ґрунту визначають відповідно за формулами: R  R2 UП  1  U1 , K УR 2 Корисна модель належить до техніки корозійних випробовувань і може бути використана для вимірювання поляризаційних потенціалів підземних сталевих трубопроводів як в природних умо вах, так і за наявності зовнішніх поляризуючих струмів з врахуванням опору ґрунту. Підземні сталеві трубопроводи нарівні з добре ізольованими ділянками мають і ділянки з дефек RГ  R1  R3 , R2 де R1 - опір крайнього резистора з боку пункта вимірювання; R 2 - опір середнього резистора; (13) 61169 (11) (19) де JП - поляризуючий струм в пункті вимірювання. UA U1  U2 - виміряні різниці потенціалів у момент їх рівності. 2. Спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії за п. 1, який відрізняється тим, що шунтування резисторів електричного ланцюга здійснюють періодично, виділяють і підсилюють змінну складову порівнюваних різниць потенціалів, випрямляють змінну складову різниці потенціалів, а досягнення рівності порівнюваних різниць потенціалів визначають по нульовому значенню випрямленої різниці потенціалів. 3. Спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що додатково вимірюють поляризуючий струм, при якому поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу визначають по виміряній різниці потенціалів з поправкою по формулі: R  R2 UП  1  U1  JПRГ , K УR 2 U R3 - опір крайнього резистора з боку електрода порівняння; K У - коефіцієнт підсилення різниць потенціалів; 3 тами в захисному покритті та розподілені локальні пошкодження. Такі ділянки поляризуються при контакті з електролітом ґрунту до величини природного потенціалу. За наявності катодного захисту під дією електричного потенціалу через пошкодження ізоляційного покриття починає протікати зовнішній струм, який викликає додаткову поляризацію (активаційну і концентраційну складові), що зменшує корозію металу. Згідно нормативних документів [ДСТУ 42192003, ГОСТ Р51164-98], захищеність підземних сталевих трубопроводів при катодному захисті оцінюється величиною поляризаційного потенціалу від мінус 0,85 В до мінус 1,1 В залежно від опору оточуючого ґрунту. Так, для ґрунту з питомим опором більше 10 Ом·м поляризаційний потенціал достатній у вказаних межах. У більш низькоомних ґрунтах потенціал має бути підвищений від мінус 0,95 В до мінус 1,15 В. Таким чином, оцінка захищеності підземних сталевих трубопроводів повинна включати як значення фактичного поляризаційного потенціалу, так і опір оточуючого ґрунту. В даний час ці параметри вимірюються різночасно і різними технічними засобами. Так, для вимірювання поляризаційного потенціалу рекомендуються електронні вольтметри, а для вимірювання опору ґрунту - мегометри [Технічна експлуатація систем захисту від підземної корозії магістральних газопроводів /Розгонюк В.В., Гужов Ю.П., Кузьменко Ю.О. та ін. - К.: "Росток", 2000. С. 108-121]. Проте, різні умови вимірювань і використання різнотипних приладів, необхідність в додаткових електродах не забезпечують високу точність вимірювання вказаних параметрів через методичні та інструментальні похибки. Відомий спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії [А. С. СРСР № 744345, МПК G01R19/00, C23F13/00, 1980 p.] оцінює ступінь захищеності лише за поляризаційним потенціалом підземного сталевого трубопроводу, що явно недостатньо. Не вирішують задачу комплексної оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів і прийняті керівні методики оцінки стану підземних сталевих трубопроводів [Методика оцінки фактичного положення і стану підземних трубопроводів. ВРД-1.10-026-2001. - М.: Науководослідницький інститут природних газів і газових технологій - «ВНІЇГАЗ» - 2001. - С. 24-27], які не передбачають сумісні вимірювання напруги і електричного опору. Відомий також спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії [Скрипник Ю.А. Повышение точности измерительных устройств. - Киев, "Техніка", 1976.- С. 117-119], при якому створюють різницю потенціалів між підземним сталевим трубопроводом в пункті вимірювання і електродом порівняння, що знаходиться на поверхні ґрунту над віссю підземного сталевого трубопроводу, зменшують отриману різницю потенціалів в різне число разів, оцінюють захищеність підземних сталевих трубопроводів від корозії по значенню поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу та опору оточуючого ґрунту, що визначають за формулами. Крім того, спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубо 61169 4 проводів від корозії передбачає підключення подільника напруги до зовнішнього джерела високовольтної напруги і електромеханічне регулювання одного з плечей подільника напруги, що використовується на вході вимірювальної схеми. Реалізація відомого способу оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії малоефективна при слабкому внутрішньому джерелі постійної напруги, яка створюється природним потенціалом металу підземного сталевого трубопроводу або поляризаційним потенціалом підземного сталевого трубопроводу при його катодному захисті. Вимірювання електричних потенціалів підземного сталевого трубопроводу і опору оточуючого ґрунту за цим способом буде відбуватися з низькою точністю через необхідність використання підсилювача постійної напруги з властивим йому дрейфом нуля. Точність вимірювання опору взагалі не гарантується, оскільки він виключається з вимірювального рівняння. Таким чином, відомий спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії має обмежене застосування і не є універсальним для оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії. В основу корисної моделі поставлена задача створити такий спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії, в якому введенням нових операцій та нових розрахункових формул досягалась би можливість здійснювати комплексну оцінку захищеності підземного сталевого трубопроводу по поляризаційному потенціалу з врахуванням опору оточуючого ґрунту, що забезпечить більш достовірне судження про надійність роботи підземних сталевих трубопроводів. Поставлена задача вирішується тим, що в спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії, при якому створюють різницю потенціалів між підземним сталевим трубопроводом в пункті вимірювання і електродом порівняння, що знаходиться на поверхні ґрунту над віссю підземного сталевого трубопроводу, зменшують отриману різницю потенціалів в різне число разів, оцінюють захищеність підземних сталевих трубопроводів від корозії по значенню поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу та опору оточуючого ґрунту, що визначають за формулами, згідно з корисною моделлю, зменшення отриманої різниці потенціалів в різне число разів здійснюють підключенням електричного ланцюга з трьох резисторів між пунктом вимірювання і електродом порівняння, після чого визначають різницю потенціалів в підключеному ланцюзі на двох резисторах з боку електрода порівняння, підсилюють її та отримують підсилену різницю потенціалів U1, шунтують два резистори з боку пункту вимірювання, вимірюють нову різницю потенціалів на крайньому з боку електрода порівняння резисторі, підсилюють її та отримують підсилену різницю потенціалів U2, порівнюють отримані різниці потенціалів, змінюють опір резистору з боку електрода порівняння, зближуючи порівнювані різниці потенціалів до досягнення їх рівності, а значення поляризаційного потенціалу підземного 5 сталевого трубопроводу та опір оточуючого ґрунту визначають відповідно за формулами: R  R2 UП  1  U1 , K УR 2 RГ  R1  R3 , R2 де R1 - опір крайнього резистора з боку пункту вимірювання; R2 - опір середнього резистора; R3 - опір крайнього резистора з боку електрода порівняння; KУ - коефіцієнт підсилення різниць потенціалів; U1=U2 - виміряні різниці потенціалів у момент їх рівності. Резистори електричного ланцюга слід шунтувати періодично, виділяти і підсилювати змінну складову порівнюваних різниць потенціалів, випрямляти її, а момент рівності порівнюваних різниць потенціалів визначати по нульовому значенню випрямленої різниці потенціалів. Додатково вимірюють поляризуючий струм, при якому поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу визначають по виміряній різниці потенціалів з поправкою по формулі R  R2 UП  1  U1  JПRГ , K УR 2 де JП - поляризуючий струм в пункті вимірювання. Введення в спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів нових операцій дозволяє здійснювати ослаблення різниці порівнюваних потенціалів в різне число разів. Шунтування двох резисторів з трьох викликає зміну струму в підключеному ланцюзі, що обумовлює зміну різниці потенціалів з однієї і тієї ж ділянки ланцюга. Зміною крайнього опору з боку електрода порівняння досягають рівності порівнюваних різниць потенціалів, що знімаються з середнього та крайнього з боку електрода порівняння резисторів. Досягнувши рівності по формулах, визначається поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу і електричний опір оточуючого ґрунту. Вибір коефіцієнта підсилення порівнюваних різниць потенціалів залежно від коефіцієнта ділення шунтованої частини електричного ланцюга дозволяє безпосередньо вимірювати поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу та опір ґрунту за значенням регульованого крайнього опору з боку електрода порівняння. Періодичне шунтування частини електричного ланцюга автоматизує і прискорює процес порівняння двох різниць потенціалів і дозволяє швидко отримати результати вимірювань без багаторазової процедури порівняння різниць потенціалів. Використання вибіркового підсилення змінної складової порівнюваних різниць потенціалів і її подальше синхронне детектування виключає вплив дрейфу нуля підсилювача різниць потенціалів на результат порівняння, що підвищує точність вимірювання поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу та опору оточуючого ґрунту. Вказані операції і послідовність їх виконання дозволяють по виміряних параметрах з високою достовірністю 61169 6 судити про ступінь захищеності підземного сталевого трубопроводу від корозії і, отже, про надійність його роботи. На кресленні приведена функціональна схема сумісного вимірювання поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу та електричного опору оточуючого ґрунту за пропонованим способом. Підземний сталевий трубопровід 1 гальванічно з'єднаний з поверхневим пунктом вимірювання 2, між яким і електродом порівняння 3 включений електричний ланцюг з трьох послідовно з'єднаних резисторів 4, 5 і 6. Крайній та середній резистори 4 і 5 з боку поверхневого пункту вимірювання 2 зашунтовані ключем 7, який перемикається напругою мультивібратора 8. Точка з'єднання крайнього резистора 4 і середнього резистора 5 підключена до інверсного входу диференціального підсилювача 9, прямий вхід якого безпосередньо з'єднаний з електродом порівняння 3. До виходу диференціального підсилювача 9 підключений цифровий вольтметр 10 та вхід вибіркового підсилювача 11, налагодженого на частоту перемикань мультивібратора 8. До виходу вибіркового підсилювача 11 підключені послідовно з'єднані синхронний детектор 12, фільтр 13 нижніх частот і нуль-індикатор 14. Позицією 15 позначена станція катодного захисту, від'ємним потенціалом з'єднана з підземним сталевим трубопроводом 1 та додатнім потенціалом - з анодним заземленням 16, заглибленим в ґрунт 17. Спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії здійснюється таким чином. Створюється різниця потенціалів між підземним сталевим трубопроводом 1 в пункті вимірювання 2 і електродом порівняння 3. Підземний сталевий трубопровід 1 з розподіленими пошкодженнями поляризується при контакті з електролітом ґрунту 17. За відсутності катодного захисту поляризація здійснюється до величини поляризаційного потенціалу UП. Тому електродна система 2-3 є гальванічним джерелом напруги, рівної поляризаційному потенціалу UП, з внутрішнім опором, рівним опору RГ ґрунту 17 між вказаними елементами. Зменшують отриману різницю потенціалів в різне число разів. Для цього між поверхневим пунктом вимірювання 2 і електродом порівняння 3 підключають електричний ланцюг з послідовно з'єднаних резисторів 4, 5 і 6. В замкнутому контурі починає протікати струм від різниці потенціалів. Значення цього струму UП J1  , (1) RГ  R1  R 2  R3 де R1 - опір крайнього з боку поверхневого пункту вимірювання 2 резистора 4; R2 - опір середнього резистора 5; R3 - опір крайнього з боку електрода порівняння 3 резистора 6. Різницю потенціалів від струму J1 на середньому резисторі 5 і крайньому з боку електрода порівняння 3 резисторі 6 подають на прямий та інверсний входи диференціального підсилювача 9. 7 Підсилену різницю потенціалів вимірюють цифровим вольтметром 10: R 2  R3 U1  K У  , (2) RГ  R1  R2  R3 де КУ - коефіцієнт підсилення різниці потенціалів диференціальним підсилювачем 9. Шунтують ключем 7 крайній з боку поверхневого пункту вимірювання 2 резистор 4 та середній резистор 5, що призводить до збільшення струму в ланцюзі до значення UП J2   J1 . (3) RГ  R3 Після вказаного шунтування на входи диференціального підсилювача 9 поступає збільшена різниця потенціалів, яка сформувалась на крайньому з боку електрода порівняння 3 резисторі 6 від збільшеного струму J2 через знеструмлені паралельно включені крайній з боку поверхневого пункту вимірювання 2 резистор 4 та середній резистор 5. Оскільки диференціальний підсилювач 9 RR має високий вхідний опір ( RBX  1 2 ), то виміR1  R 2 ряна підсилена різниця потенціалів U2 практично не залежить від опорів R1 і R2: R3 U2  K У   UП . (4) RГ  R3 Отримана різниця потенціалів (4) порівнюється з первинною різницею потенціалів (2). В разі їх нерівності (U2>U1) регулюють опір R3 з боку електрода порівняння у напрямі зближення порівнюваних різниць потенціалів U1 і U2. Оскільки при зміні опору R3 змінюється як різниця потенціалів U2, так і різниця потенціалів U1, то процес порівняння підсилених різниць потенціалів повторюють кілька разів при розімкнутому та замкнутому ключі 7. При досягненні рівності порівнюваних різниць потенціалів (U1=U2) справедливе співвідношення: R3 R 2  R3  . (5) RГ  R3 RГ  R1  R 2  R3 Розв'язуючи рівняння (5) відносно опору RГ ґрунту 17, отримаємо R RГ  1  R 3 . (6) R2 Підставивши значення RГ з (6) у вирази (2) і (4), отримаємо R2 U1  U2  K У   UП . (7) R1  R 2 З виразу (7) визначають поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу 1: R  R2 UП  1  U1 . (8) K УR 2 Таким чином, за формулами (6) і (8) можна незалежно і сумісно оцінити поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу 1 та опір оточуючого ґрунту 17. Для прискорення процесу вимірювання поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу 1 і опору оточуючого ґрунту 17 ключ 7 переводять в автоматичний режим під управлінням прямокутної знакозмінної напруги мультивіб 61169 8 ратора 8. В результаті періодичних розмикань і замикань ключа 7 на виході диференціального підсилювача 9 по черзі формуються імпульси з амплітудами U1 і U2. При нерівності амплітуд (U1≠U2) в послідовності імпульсів з'являється змінна складова різниці потенціалів з частотою перемикання ключа 7: U  U2 U3 t   1  sign sin2Ft  , (9) 2 де F - частота перемикань мультивібратора 8; sign sin(2Ft) - прямокутна обвідна послідовності імпульсів. Змінна складова різниці потенціалів (9) виділяється і підсилюється вибірковим підсилювачем 11, налагодженим на частоту перемикань F мультивібратора 8. Підсилена змінна різниця потенціалів випрямляється синхронним детектором 12, який також керується напругою мультивібратора 8. Випрямлена різниця потенціалів згладжується фільтром 13 нижніх частот і фіксується нульіндикатором 14. Опір крайнього з боку електрода порівняння 3 резистора 6, наприклад, магазина опорів, змінюють до отримання нульового показу нульіндикатора 14, що означає рівність порівнюваних різниць потенціалів (U1=U2). Після цього можна безпосередньо по цифровому вольтметру 10 визначити значення поляризаційного потенціалу UП, а по формулі (6) за значенням опору крайнього з боку електрода порівняння 3 резистора 6 - опір ґрунту 17. При включенні станції катодного захисту 15 виникає поляризуючий струм, який протікає через наявні пошкодження ізоляційного покриття підземного сталевого трубопроводу 1. При цьому починаються поляризаційні процеси, що змінюють товщину подвійного електричного шару на межі метал-електроліт ґрунту 17. В цьому випадку спочатку встановлюється активаційна поляризація -4 приблизно за 10 сек з активаційним потенціалом Ua, а концентраційна поляризація може продовжуватися декілька годин і більше з концентраційним потенціалом UК. Поляризуючий струм JП, що протікає через ґрунт 17, створює різницю потенціалів в ґрунті 17 зі швидкістю, більш ніж 100 В/мкс або -8 менш ніж за 10 сек. Тому поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу 1 в поверхневому пункті вимірювання 2 відносно електрода порівняння 3 дорівнюватиме сумі перерахованих складових: UT-E=UE+Ua+UK+JПRГ, (10) де UT-E - поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу 1 відносно електрода порівняння 3; UE - поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу 1 природного походження; Ua - активаційна складова поляризації підземного сталевого трубопроводу 1; UК - концентраційна складова поляризації підземного сталевого трубопроводу 1; JПRГ - падіння напруги в ґрунті 17 від поляризуючого струму. Оскільки омічне падіння напруги в ґрунті 17 (JПRГ) не характеризує кінетику електрохімічних процесів, що відбуваються на поверхні металу, то 9 захищеність підземних сталевих трубопроводів 1 від корозії оцінюється лише поляризаційним потенціалом при наявності поляризуючого струму UП=UT-E-JПRГ=UE+Ua+UК. (11) У розглянутому способі оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії за наявності катодного захисту за показами цифрового вольметра 10 визначають повну різницю потенціалів, рівну різниці потенціалів гальванічного джерела і падінню напруги від поляризуючого струму, між поверхневим пунктом вимірювання 2 і електродом порівняння 3: UT-E=UП+JПRГ. (12) В той же час опір ґрунту 17, розрахований по формулі (6), не залежить від сумарної різниці потенціалів підземного сталевого трубопроводу 1 і електрода порівняння 3, тобто він справедливий як за відсутності катодного захисту (дії лише природного потенціалу), так і при його наявності. Тому в результат вимірювання (12) вносять поправку, рівну падінню напруги в ґрунті 17 від протікаючого поляризуючого струму. Для цього додатково вимірюють поляризуючий струм JП в пункті вимірювання, наприклад, по падінню напруги на резисторі, що калібрується, і з врахуванням певного опору RГ ґрунту 17 вносять поправку на падіння напруги в ґрунті: R  R2 UП  1  U1  JПRГ , (13) K УR 2 де U1=UT-E - покази цифрового вольтметра 10, рівні різниці потенціалів між поверхневим пунктом вимірювання 2 і електродом порівняння 3. За певними значеннями поляризаційного потенціалу UП і з врахуванням опору RГ ґрунту 17 в зоні вимірювання оцінюють ступінь захищеності підземного сталевого трубопроводу 1 від корозії. При необхідності коректують раніше встановлене значення різниці потенціалів станції катодного захисту 15 у бік збільшення або зменшення. Таким чином, запропонований спосіб оцінки захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії дозволяє здійснювати комплексну оцінку захищеності підземних сталевих трубопроводів від корозії по величині поляризаційного потенціалу з 61169 10 врахуванням опору оточуючого ґрунту. За наявності катодного захисту підземного сталевого трубопроводу від корозії можна проводити оцінку його захищеності по поляризаційному потенціалу (13) без короткочасного відключення підземного сталевого трубопроводу від станції катодного захисту, що практикують в даний час. При цьому підвищується точність вимірювання поляризаційного потенціалу, оскільки враховуються всі складові поляризаційного процесу без їх спаду в період відключення. Вимірювання поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу дозволяє вибрати найбільш ефективний матеріал протекторного захисту при неможливості організувати катодний захист. Приклад. При обиранні коефіцієнта підсилення диференціального підсилювача 9 з умови R  R2 KУ  1 , R2 поляризаційний потенціал підземного сталевого трубопроводу 1 визначають безпосередньо по одній з виміряних підсилених різниць потенціалів UП=U1=U2. З отриманого виразу видно, що покази цифрового вольтметра 10 рівні величині поляризаційного потенціалу підземного сталевого трубопроводу 1 і не залежать від опору RГ ґрунту 17. Опір крайнього з боку поверхневого пункту вимірювання 2 резистора 4, залежно від опору середнього резистора 5 і коефіцієнта підсилення KУ диференціального підсилювача 9, повинен мати значення R1=(KУ-1)·R2. При досить великому коефіцієнті підсилення KУ диференціального підсилювача 9 (KУ≥100) опір R1=KУ·R2. При виконанні цієї умови опір ґрунту 17 можна визначити за більш простою формулою з врахуванням встановленого коефіцієнта підсилення КУ: RГ=КУ·R3, де R3 - опір крайнього з боку електрода порівняння 3 резистора 6. 11 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 61169 Підписне 12 Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601