Способ защиты участков трубопроводов от геомагнитно-индуцированных блуждающих токов и устройство для его осуществления
Группа изобретений относится к области защиты подземных металлических сооружений от коррозии, вызванной геомагнитно-индуцированными источниками блуждающих токов, и может быть использована в нефтяной и газовой промышленности при эксплуатации подземных трубопроводов, подверженных влиянию геомагнитно-индуцированных блуждающих токов. Размещают устройство для защиты трубопроводов от геомагнитно-индуцированных блуждающих токов, состоящее из протектора, электрического проводника, реле, блока управления, источника тока и измерителя напряженности магнитного поля, выполняют электрическую цепь подключения протектора к трубопроводу через реле, измеряют напряженность магнитного поля Земли, и при достижении определенного порогового уровня параметров магнитного поля Земли замыкают контактами реле цепь подключения протектора, при снижении параметров поля ниже порогового - размыкают цепь подключения протектора. Технический результат - повышение уровня защищенности трубопроводов, подверженных влиянию геомагнитно-индуцированных блуждающих токов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области защиты подземных металлических сооружений от коррозии, вызванной геомагнитно-индуцированными источниками блуждающих токов, и может быть использовано в нефтяной и газовой промышленности при эксплуатации подземных трубопроводов, в частности при эксплуатации нефтегазопроводов, подверженных влиянию геомагнитно-индуцированных блуждающих токов.
Известен способ защиты трубопроводов от источников блуждающих токов, заключающийся в подключении установки дренажной защиты между рельсом электрифицированной железной дороги и защищаемым трубопроводом (Александров Ю.В. Коррозия газонефтепроводов. Электрохимические методы защиты - СПб.: «Недра», 2011. - С. 306-314).
Недостаток способа - возможность защиты трубопроводов только от блуждающих токов, источником которых является электрифицированный железнодорожный транспорт.
Известна система защиты трубопровода от воздействия натекающих и стекающих постоянного и переменного токов, наводимых от внешних источников, содержащая подключаемый параллельно станции катодной защиты диодный мост, нагруженный на конденсатор, и балластный резистор (Патент РФ №2549800).
Недостатком устройства является влияние его на работу станции катодной защиты, т.к. подключение такой системы к станции защиты эквивалентно подключению балластного резистора (если пренебречь падением напряжения на диодах моста (около 0,7 В), что приведет к повышенному расходу электроэнергии и повышению нагрузки на преобразователь станции.
Известно устройство для компенсации переменного напряжения, индуцированного в металлическом трубопроводе и направленного вдоль указанного трубопровода, расположенного в среде и окруженного слоем или оболочкой электроизоляционного материла (Патент РФ №2114934).
Недостатком способа является сложность его реализации и высокие эксплуатационные затраты при его осуществлении.
Известна система защиты трубопроводов от воздействия наведенного переменного тока, включающая опору с размещенным на ней электрическим шкафом, в котором размещены разрядник для грозозащиты, блок частных фильтров и конденсаторов и заземление для организации стекания в грунт переменного тока, наводимого в трубопроводе близкорасположенной воздушной линией электропередач (Патент РФ №2446234).
Недостаток системы - невозможность отводить от трубопровода квазипостоянные токи геомагнитной природы (частота токов порядка мГц).
Известен способ защиты трубопроводов от наведенных токов геомагнитной природы, заключающийся в установлении с определенным шагом вставок электроизолирующих (Основы проектирования средств электрохимической защиты от коррозии объектов транспорта нефти и газа: учебное пособие / под ред. д.т.н., профессора Агинея Р.В.: СПб.: «Недра». - 2016. - С. 90-95).
Недостатки способа: сложность реализации на действующих трубопроводах, высокие затраты на реализацию способа, пониженная эксплуатационная надежность вставок относительно труб.
Известно устройство для защиты трубопроводов от коррозии блуждающими токами, взятое нами в качестве прототипа, содержащее протектор и диод, подключенный анодом к протектору, а катодом к защищаемому сооружению, нормально замкнутое реле, включенное в цепь «протектор - сооружение», блок управления и вольтметр (Патент РФ №95842).
Недостаток известного технического решения состоит в его негативном влиянии на работу станций катодной защиты. Протектор, подключенный при помощи нормально замкнутого реле к трубопроводу, при совместной защите со станциями катодной защиты является искусственным экраном и нарушает ее работу: изменяет параметры токораспределения, увеличивает расход электроэнергии, загрузку преобразователей станции, расход анодных заземлите лей. Наибольшее влияние протекторы будут оказывать при их установке вблизи точки дренажа станции катодной защиты, т.е. в местах с максимальной плотностью защитного тока.
Задачей изобретения является создание способа, позволяющего защищать трубопровод от негативного действия геомагнитно-индуцированного тока, с минимальным влиянием на работу станций катодной защиты трубопровода и создание устройства, реализующего предлагаемый способ.
Технический результат - повышение уровня защищенности трубопроводов, подверженных влиянию геомагнитно-индуцированных блуждающих токов.
В части устройства задача решается тем, что в устройстве для защиты трубопроводов от геомагнитно-индуцированных блуждающих токов, состоящем из протектора, выполненного из металла, более электроотрицательного, чем металл трубопровода, электрического проводника для подключения протектора к трубопроводу через реле, блока управления, соединенного с управляемым входом реле, источника тока, устройство дополнительно содержит измеритель напряженности магнитного поля, соединенный с блоком управления и источником тока, при этом реле выполнено нормально разомкнутым.
В части способа задача решается тем, что в способе защиты участков трубопроводов от геомагнитно-индуцированных блуждающих токов, включающем размещение устройства для защиты трубопроводов геомагнитно-индуцированных блуждающих токов, выполнение электрической цепи подключения протектора к трубопроводу через реле, измеряют напряженность магнитного поля, при достижении определенного порогового уровня параметров магнитного поля Земли, замыкают контакты реле подключения протектора, при снижении параметров поля ниже порогового - размыкают контакты реле подключения протектора.
Конструкция устройства и порядок реализации способа поясняются схемой устройства (фиг. 1) и графиком напряженности поля с указанием моментов времени замыкания и размыкания реле подключения протектора (фиг. 2).
Способ и устройство реализуются следующим образом.
Протектор 1 заглубляется в грунт рядом с защищаемым трубопроводом 2 (фиг. 1). Электрическая цепь 3, соединяющая протектор с трубопроводом, имеет возможность замыкать-размыкать реле 4, которое управляется блоком управления 5. В штатном состоянии реле контакты реле нормально разомкнутые. Измеритель магнитного поля Земли 6 измеряет параметры, характеризующие поле. Измеритель магнитного поля 6 подключен к блоку управления 5. При достижении порогового значения параметра (или параметров) (фиг. 2) измеряемого поля, блок управления 5 подает сигнал на реле 4, которое замыкает цепь 3 подключения протектора 1. При этом индуцированные токи, возникшие в трубопроводе 2 в результате геомагнитных вариаций, через протектор 1 стекают в грунт. При снижении параметров поля ниже порогового уровня, реле 4 переходит в нормально разомкнутое состояние и отключает протектор 1. Т.к. время действия магнитных бурь составляет малую часть от общего времени (несколько процентов), время, когда протектор 1 подключен к трубопроводу 2, так же мало и, соответственно, воздействие на работу штатной системы электрохимической защиты минимально. Питание электрическим током элементов устройства обеспечивает источник питания 7.
Пример
Необходимо защитить от воздействия геомагнитно-индуцированных блуждающих токов участок магистрального газопровода «Бованенково-Ухта». Блуждающие токи негативно влияют на коррозионное состояние трубопровода и на работу систем электрохимической защиты.
При помощи системы коррозионного мониторинга, которая позволяет в дискретных точках трассы газопровода измерять разность потенциалов «труба-земля», устанавливают точки, в которых изменение потенциала «труба-земля» во время магнитных бурь максимально. Определяют, что участок, подверженный максимальному влиянию геомагнитных блуждающих токов, ограничен координатами км 1008-1118. Участок газопровода защищен установками катодной защиты, установленными в точках км 1010, км 1062, км 1101. Во время магнитных бурь разность потенциалов «труба-земля» на указанном участке носит знакопеременный характер. Средства катодной защиты не справляются с задачей стабилизации разности потенциала «труба-земля», что составляет угрозу коррозионного разрушения металла труб газопровода.
Расчетом устанавливают, что для противодействия геомагнитно-индуцированным блуждающим токам на рассматриваемом участке потребуется установка магниевых протекторов ПМ-5У с шагом около 2 км в общем количестве 52 шт. Назначают точки установки протекторов, преимущественно в местах с наименьшим сопротивлением грунта. Для минимизации объемов работ по подключению устройства к трубопроводу, точки установки устройства по возможности совмещают с местами установки штатных контрольно-измерительных пунктов, установка которых обязательна по ГОСТ Р 51164-98.
Постоянное подключение к газопроводу протекторов на данном участке газопровода приводит к стабилизации разности потенциалов «труба-земля», однако при этом происходит увеличение защитного тока на действующих станциях защиты и к ускоренному разрушению анодных заземлений установок защиты. Сила защитного тока и, соответственно, расход электроэнергии увеличивается в среднем в 5 раз: с 800-1000 мА до 4,0-5,0 А на каждой установке защиты.
В каждой точке установки устройства в грунт на расстоянии 3 м от оси трубопровода и на глубине около 2 м устанавливают протектор ПМ-5У (фиг. 1). Над трубопроводом в точке установки устройства устанавливают опору и ящик для размещения элементов устройства (на чертеже не показаны). Через опору, которая может быть выполнена из трубы диаметром 100-120 мм, от протектора и от трубопровода в ящик проводят электрические проводники цепи 3. В ящике подключают электрический провод цепи 3 от протектора 1 через контакты реле 4 к проводу от трубопровода 2. Кроме этого в ящике располагают блок управления 5, измеритель магнитного поля 6 и источник тока 7. В качестве реле, например, может быть использовано электромагнитное реле РНЕ22 (пр-во РФ). Реле также может быть выполнено в виде твердотельного реле. Электрический сигнал для управления реле 4 подается от блока управления 5, который может быть выполнен в виде триггера, реализованного с применением цифровых логических элементов «НЕ». Измеритель магнитного поля 6 может быть реализован на магниторезистивном сенсоре, например НМС1052 (Honeywell, США). Сигнал от измерителя магнитного поля 6 подается на блок управления для управления 5 реле 4. В качестве измеряемого параметра магнитного поля можно применить напряженность поля, а также, например, скорость изменения напряженности поля (фиг. 2).
Источник питания 7 измерителя магнитного поля 6, блока управления 5 и реле 4 (или твердотельного реле) выполняют, например, в виде солнечной батареи или химического источника тока. Источник питания 7 также можно выполнить, используя преобразование энергии геомагнитных вариаций в электрическую энергию (фиг. 1).
В процессе работы устройство находится в начальном разомкнутом состоянии, контакты реле 4 разрывают цепь 3. В момент выхода параметров измеряемого магнитного поля за пределы естественных фоновых изменений напряженности Земли (во время магнитных бурь) (фиг. 2), измеритель 6 дает сигнал блоку управления 5, который посредством реле 4 замыкает цепь 3 протектора 1 (фиг. 1). При подключении протекторов система коррозионного мониторинга не обнаруживает изменения разности потенциалов «труба-земля» за границы, требуемые ГОСТ Р 51164-98. После прохождения магнитной бури по сигналу измерителя напряженности поля, блок управления переводит реле в нормально разомкнутое состояние. Опыт показывает, что в течение месяца время, когда протектор является подключенным к трубопроводу, составляет порядка 4-7 часов, что составляет не более 1% от общего времени. Таким образом, обеспечивается минимальное воздействие на существующую систему электрохимической защиты трубопровода: не снижается ресурс анодных заземлений, которые являются наиболее дорогостоящим элементом установки катодной защиты; увеличение расхода электрической энергии на работу средств противокоррозионной защиты произошло на 4-6% в расчете на месяц работы, при этом обеспечивается полная защита трубопровода от геомагнитно-индуцированных блуждающих токов и соответствие режимов работы противокоррозионной защиты требованиям ГОСТ Р51164-98.
1. Способ защиты участков трубопроводов от геомагнитно-индуцированных блуждающих токов, включающий размещение устройства для защиты трубопроводов геомагнитно-индуцированных блуждающих токов, выполнение электрической цепи подключения протектора к трубопроводу через реле, отличающийся тем, что измеряют напряженность магнитного поля Земли, при достижении определенного порогового уровня параметров магнитного поля Земли, замыкают контактами реле цепь подключения протектора, при снижении параметров поля ниже порогового - размыкают цепь подключения протектора.
2. Устройство для реализации способа по п. 1, включающее протектор, выполненный из металла, более электроотрицательного, чем металл трубопровода, электрический проводник для подключения протектора к трубопроводу через реле, блок управления, соединенный с управляемым входом реле, источник тока, отличающееся тем, что дополнительно содержит измеритель напряженности магнитного поля, соединенный с блоком управления, при этом реле выполнено нормально разомкнутым.
