Система катодной защиты и диагностики трубопровода

 

Изобретение относится к трубопроводному транспорту, а именно к устройствам дистанционного контроля места утечки в трубопроводах и устройствам, обеспечивающим катодную защиту трубопроводов на ответственных участках. Технический результат - повышение точности контроля. Система катодной защиты и диагностики трубопровода, имеющая расположенный на наружной поверхности изоляционного слoя трубопровода внешний металлический электрод (используемый в качестве анода), источник питания на постоянном токе, согласно изобретению снабжена дополнительным сеточным электродом, расположенным в слое изоляции. Кроме того, система снабжена блоком управления, содержащим два синхронных источника напряжения на переменном токе (с регулируемой постоянной составляющей), с двух сторон подключенных через измерители к выходам дополнительного сеточного электрода и трубы, восемь измерительных приборов, контролирующих ток и напряжение, а в цепях переменного тока и сдвиг фаз, ПЭВМ, к которой подключены выходы всех измерительных приборов. Система пригодна для применения в нефте-, газо- и других трубопроводах для защиты и диагностики внешних поверхностей труб и позволяет осуществлять текущий контроль состояния изоляции и на его основании планировать сроки и объемы ремонтных работ. 5 ил.

Изобретение относится к трубопроводному транспорту, а именно к устройствам дистанционного контроля мест утечки в трубопроводах и к устройствам, обеспечивающим катодную защиту трубопроводов на их ответственных участках.

Известно устройство для обнаружения утечек в изолированном трубопроводе [а. с. 1712736, 5 F 17 D 5/02], имеющее проводник, проложенный вдоль трубопровода по спирали внутри изоляции, подключенный к контрольно-импульсной схеме обнаружения утечек. Однако устройство не позволяет осуществить раннее обнаружение возникновения многочисленных повреждений (изменений) изоляции трубы и не предусматривает защиту трубы от коррозии.

Известно устройство для контроля состояния нагруженной поверхности трубопровода, покрытого изоляцией [а.с. 1760235, 5 F 17 D 5/02]. По этому изобретению всю поверхность трубопровода (ТП) охватывают электропроводники (ЭП), выведенные за пределы изоляции, вдоль трубопровода проложен многожильный кабель, к каждой жиле которого подсоединены ЭП каждого участка ТП, свободные концы кабеля выведены на контрольный щит, смонтированный в магистральной камере. Это устройство затруднительно использовать для катодной защиты, т. к. проводники, определенные в качестве анода, должны быть связаны с заземлением.

Известен способ определения сопротивления изоляции трубопровода [а.с. 402587, C 23 F 13/00] путем измерения тока и напряжения с последующим расчетом, при этом измеряется потенциал "труба - земля" в двух точках трубопровода с катодной защитой и фиксируется рассстояние между точками измерения на прямой, перпендикулярной к трассе трубопровода. Этот способ контроля имеет погрешность от сопротивления грунта и не обеспечивает надежного контроля трубопроводов, не имеющих непосредственного контакта с грунтом.

Известно устройство для обнаружения места течи в трубопроводе с электропроводящей жидкостью [а. с. 806987, 5 F 17 D 5/02], включающее изолированный проводник, навитый на трубопровод по спирали и размещенный между слоями бумажной гидроизоляции, облитой сверху битумом, и подключенный к одному из зажимов регистратора течи, к другому же зажиму регистратора течи подключен сам трубопровод. На основе получаемой мостовой схемы рассчитывается местонахождение течи. Однако это устройство срабатывает лишь при изменении активного сопротивления в цепи, т.е. требует электропроводимости транспортируемого продукта.

Все эти устройства имеют определенные недостатки, а главное не могут одновременно обеспечить и катодную защиту, и диагностику.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ катодной защиты от коррозии трубопроводов [а.с. 198883, C 23 P 13/00] , имеющих изоляцию с расположенной поверх нее металлическим электродом, характеризующийся тем, что этот металлический электрод используют в качестве анода. Однако этот способ не позволяет осуществлять текущий контроль состояния изоляции и поверхности трубы, а также эффективное управление катодной защиты.

Изобретение решает задачу повышения точности контроля за состоянием трубопровода с одновременным обеспечением регулируемой катодной защиты трубопровода.

Поставленная задача решается тем, что система катодной защиты и диагностики трубопровода, включающая расположенный на наружной поверхности изоляционного слоя трубопровода внешний металлический электрод, используемый в качестве анода, источник напряжения постоянного тока, согласно изобретению она снабжена дополнительным сеточным электродом, в слое изоляции, и блоком управления, содержащим два синхронизированных источника напряжения на переменном токе с регулируемой постоянной составляющей, измерители тока, напряжения и сдвига фаз на переменном токе, измерители постоянного тока и напряжения, ПЭВМ, в блоке управления источник напряжения и измерители на переменном токе образуют две электрические цепи в начале и конце контролируемого участка, в каждой из которых один выход источника переменного напряжения соединен с первым последовательным входом измерителя сдвига фаз, второй последовательный вход которого соединен с входом измерителя переменного тока, второй вход измерителя тока подключен к дополнительному электроду соответственно в начале или конце контролируемого участка, другой выход источника переменного напряжения подключен к трубе соответственно в начале или конце контролируемого участка, входы измерителя напряжения и параллельные входы измерителя сдвига фаз подключены к обоим выходам источника переменного напряжения, при этом источник напряжения на постоянном токе с параллельно подключенным к его выходам соответствующим измерителем напряжения одним из выходов подключен к начальной точке трубы контролируемого участка, а другим выходом через измеритель постоянного тока подключен к металлическому электроду, выходы всех измерительных приборов подключены к ПЭВМ.

Наличие в изоляции сеточного электрода позволяет осуществить дополнительную катодную защиту трубопровода и регулирование напряжений и токов катодной защиты, т.е. в этом случае осуществляется "триодная катодная защита".

Введение дополнительного сеточного электрода в слое изоляции позволяет регулировать потенциал катодной защиты и при изменении заданного режима работы изменять потенциал дополнительного сеточного электрода путем регулировки постоянной составляющей источника напряжения на переменном токе.

Наличие у сеточного электрода распределенных параметров (сопротивления, емкости и индуктивности) позволяет представить трубопровод как с распределенными параметрами. По изменению электромагнитных параметров перехода дополнительный электрод-труба приборами блока управления (токи, напряжения, сдвиг фазы) можно определить место и тип повреждения на ранней стадии для предупреждения аварийной ситуации.

Электрическая цепь по функциональному назначению распадается на три контура: два переменного тока в начале и конце контролируемого участка, цепь постоянного тока, поддерживающая заданный потенциал катодной защиты. Контура переменного тока с источниками переменного напряжения образуют электромагнитную цепь, параметры которой контролируются измерителями и информация передается в ПЭВМ для определения текущего состояния изоляции.

Наличие внешнего металлического электрода кроме катодной защиты позволяет резко снизить влияние внешних электромагнитных помех на измерительную часть системы.

В случае повреждения стенки трубы и попаданий транспортируемого продукта в изоляцию возможно следующее: - при электропроводящем продукте возникнет проводимость между сеточным электродом и трубой, регистрируемая датчиками; - при неэлектропроводящем продукте возникнет изменение емкости на поврежденном участке, регистрируемое датчиками.

В случае диффузии почвенной влаги к поверхности трубопровода и расторможении процесса коррозии, при котором как минимум изменяются эксплуатационные качества изоляционного покрытия, возникнет проводимость между трубой и сеточным электродом, регистрируемая датчиками.

В случае занесения микробиологических организмов, разрушающих трубопровод, на трубу происходит изменение емкостной характеристики пораженного участка, регистрируемое датчиками.

В случае образования гофр и складок изолирующего покрытия, при эксплуатации трубопровода происходит изменение емкостных характеристик пораженного участка, регистрируемое датчиками.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 дана схема системы катодной защиты и диагностики трубопровода; на фиг. 2 изображен участок трубы с электродами в разрезе; на фиг. 3 дана электрическая схема замещения участка трубопровода при одном повреждении изоляции; на фиг. 4 дана электрическая схема замещения участка трубопровода при двух повреждениях изоляции; на фиг. 5 дана схема подключения приборов и источников напряжения.

Система катодной защиты и диагностики трубопровода включает расположенную на поверхности трубы изоляцию 1, в которой размещен дополнительный сеточный электрод 2, металлический электрод 3, расположенный на внешней поверхности изоляционного слоя 1, и блок управления 4. Блок управления 4 содержит два синхронизированных источника напряжений на переменном токе 5 и 6, источник напряжения на постоянном токе 7, измерительные приборы: по крайней мере три измерителя тока 8, три измерителя напряжения 9 и два измерителя сдвига фаз 10. В блоке управления источники 5 и 6 с измерителями 8, 8a, 9, 9a и 10 организованы в две электрические цепи, в каждой из которых измеритель переменного тока 8 и измеритель сдвига фаз 10 подключены к источнику 5 (аналогично - к 6) последовательно, а измерители переменного напряжения 9 и соответствующая обмотка измерителя сдвига фаз 10 - параллельно. Один выход а источника 5 подключен к начальной точке А трубы 11 контролируемого участка трубопровода, другой выход б источника 5 через один из измерителей сдвига фаз 10 и соответственно измеритель переменного тока 8 подключен к начальной точке А дополнительного сеточного электрода 2. Аналогично, один выход а источника 6 подключен к конечной Б точке трубы 11 контролируемого участка трубопровода, другой выход б источника 6 через другой измеритель сдвига фаз 10 и соответственно измеритель переменного тока 8 подключен к конечной точке Б дополнительного сеточного электрода 2. Источник напряжения на постоянном токе 7 с параллельно подключенным к нему третьим измерителем постоянного напряжения 9а одним выходом а подключен к начальной точке А трубы 11 контролируемого участка, а вторым выходом б через третий измеритель постоянного тока 8а - к металлическому электроду 3. Выходы всех измерительных приборов, а именно трех измерителей тока 8 и 8а, трех измерителей напряжения 9 и 9а, а также двух измерителей сдвига фаз 10 подключены к ПЭВМ 12.

Система работает следующим образом.

В качестве анода катодной защиты используется металлический электрод 3 (фиг. 2) поверх изоляции 1 трубы 11, в качестве второго электрода используется непосредственно труба 11 (катод), а для контроля состояния изоляции внешней поверхности трубы 11 и для управления процессом защиты от коррозии используют дополнительный (третий) контрольно-управляющий сеточный электрод 2. К контрольно-управляющему сеточному электроду 2 с обоих концов участка трубопровода подключают два источника известных напряжений 5 и 6 U_эк1 и U_эк2, в начале участка к металлическому электроду 3 подключается источник напряжения на постоянном токе 7 U_ак1, приборами 8 и 8а измеряют их токи I_э1 и I_э2, I_к1. Вся информация с измерительных приборов 8, 8а, 9, 9а и 10 передается на ПЭВМ 12. В соответствии с фиг. 2 связь между напряжениями и токами контролируемого участка можно записать уравнениями U_ак1 = U_аэ1 + U_эк1, (1) I_а1 = I_э1 + I_к1, (2) где U_аэ1 и U_аэ2 - напряжения между анодом и контрольно-управляющим электродом; U_ак1 - напряжения между анодом и катодом в начале участка; U_эк1 и U_эк2 - напряжения между контрольно-управляющим электродом и катодом; I_а1 - ток металлического электрода; I_э1 и I_э2 - токи контрольно-управляющего электрода;
I_к1 и I_к2 - токи трубы с разных сторон.

Уравнения (1)-(2) позволяют изменять и оптимизировать режим катодной защиты за счет изменения напряжений на катоде и на контрольно-управляющем электроде. Управление всей системой осуществляет ПЭВМ по заданной программе. Она же учитывает влияние изменения температурных и прочих параметров трубопровода.

В процессе эксплуатации при изменении состояния изоляции контроль осуществляется следующим образом. В случае короткого замыкания или пробоя изоляции с остаточным сопротивлением R_у1 участок можно представить Т-образной схемой замещения для постоянных составляющих (токов), представленной на фиг. 3, где R1, R2 - сопротивления дополнительного электрода до и после повреждения, определяемые по выражениям
R1 = r*x, (3)
R2 = r*(L-x), (4)
где x - расстояние до места повреждения изоляции; r - удельное сопротивление контрольно-управляющего электрода; L - длина контролируемого участка трубопровода.

Для схемы на фиг. 3 можно записать уравнения Киргофа
U_эк1 = I_э1*r*x + I_у*R_у1, (5)
U_эк2 = I_э2*r*(L-x) + I_у*R_у1, (6)
где U_эк1, U_эк2 - напряжения между дополнительным электродом и трубой на входе контролируемого участка;
I_э1, I_э2 - токи дополнительного электрода до и после повреждения;
I_у - ток утечки через повреждение.

По измеренным напряжениям и токам с учетом формул (5)-(6) можно найти место повреждения (расстояние)
x = (U_эк1 - U_эк2 -I_э2*r* L)/((I_э1 + I_э2)*r). (7)
В случае повторного повреждения изоляции определяют его координаты расчетом схемы замещения фиг. 4 учитывающей сопротивление первого поврежденного участка (R_у1), сопротивление второго поврежденного участка (R_у2), сопротивление контрольно-управляющего электрода до первого места повреждения изоляции (R1), сопротивление контрольно-управляющего электрода между повреждениями изоляции (R12), сопротивление контрольно-управляющего электрода после второго повреждения (R3), ток контрольно-управляющего электрода между повреждениями (I12).

При более сложном виде повреждения, учете распределенности, токов утечки предложены схемы замещения на переменном токе, позволяющие определить не только место, но и характер, и степень повреждения.

В случае повреждения стенки трубы и попаданий транспортируемого продукта в изоляцию возможно следующее:
- при электропроводящем продукте регистрируется проводимость между сеточным электродом и трубой и дается указание на ремонт при достижении определенного уровня;
- при электропроводящем продукте регистрируется изменение емкости на поврежденном участке и дается указание на ремонт при достижении определенного уровня.

В случае диффузии почвенной влаги к поверхности трубопровода и расторможении процесса коррозии регистрируется проводимость между трубой и сеточным электродом и дается указание на ремонт при достижении определенного уровня.

В случае занесения микробиологических организмов, разрушающих трубопровод, на трубу регистрируется изменение емкостной характеристики пораженного участка и дается указание на ремонт при достижении определенного уровня.

В случае образования гофр и складок изолирующего покрытия, при эксплуатации трубопровода регистрируется изменение емкостных характеристик пораженного участка и дается указание на ремонт при достижении определенного уровня.

Использование предлагаемой системы имеет целый ряд преимуществ.

Качественным отличием является то, что система осуществляет катодную защиту и регистрацию характера и местонахождения повреждения, при этом не нуждаясь в дополнительных устройствах.

Система способна регистрировать повреждения изоляции и внешней поверхности трубы, достигшие определенного уровня, описанные выше.

Применение системы позволяет повысить достоверность, оценки качества изоляционных покрытий и состояния внешней поверхности трубы, дает возможность разработки интегральной оценки состояния изоляции и внешней поверхности трубы по разработанным категориям, повышает точность оценки за счет уменьшения помех и влияния электрических полей от посторонних источников, повышает чувствительность к выявлению дефектов.

Система способна регистрировать несколько повреждений.

Преимущества, полученные в результате реализации системы, позволяют использовать в качестве проводников регистрирующей цепи слабо подтвержденные износу стенки трубопровода и слоя сеточного электрода в изоляции.

Одним из основных преимуществ является экономичность предлагаемой системы: ввиду отсутствия утечек транспортируемого продукта при ранней диагностике повреждений и своевременном проведении ремонтных работ сокращаются сроки определения местонахождения повреждения и в более малые сроки происходит ликвидация последствий, что особенно важно при транспорте огне- и взрывоопасных продуктов.

Текущий контроль состояния изоляции позволяет планировать сроки и объемы ремонтных работ. Система пригодна для применения в нефте-, газо- и других трубопроводах для защиты и диагностики внешних поверхностей труб.

Формула изобретения

Система катодной защиты и диагностики трубопровода, содержащая расположенный на наружной поверхности изоляционного слоя трубопровода внешний металлический электрод, используемый в качестве анода, источник напряжения постоянного тока, отличающаяся тем, что она снабжена сеточным электродом, расположенным в слое изоляции, и блоком управления, содержащим два синхронизированных источника напряжения на переменном токе с регулируемой постоянной составляющей, измерители тока, напряжения и сдвига фаз на переменном токе, измерители постоянного тока и напряжения, ПЭВМ, причем в блоке управления источник напряжения и измерители на переменном токе образуют две электрические цепи в начале и конце контролируемого участка, в каждой из которых один выход источника переменного напряжения соединен с первым последовательным входом измерителя сдвига фаз, второй последовательный вход которого соединен с входом измерителя переменного тока, второй вход измерителя тока подключен к сеточному электроду соответственно в начале или конце контролируемого участка, другой выход источника переменного напряжения подключен к трубе соответственно в начале или конце контролируемого участка, входы измерителя напряжения и параллельные входы измерителя сдвига фаз подключены к обоим выходам источника переменного напряжения, при этом источник напряжения на постоянном токе с параллельно подключенным к его выходам соответствующим измерителем напряжения одним из выходов подключен к начальной точке трубы контролируемого участка, а другим выходом через измеритель постоянного тока подключен к металлическому электроду, выходы всех измерителей подключены к ПЭВМ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5