12 Оценка состояния изоляционных покрытий подземных магистральных нефтепроводов методом катодной поляризации

Состояние изоляционного покрытия подземных магистральных нефтепроводов оценивают по универсальному критерию – электрическому сопротивлению изоляции.

Снижение сопротивления изоляции относительно нормативного уровня свидетельствует о недопустимой величине оголенности нефтепровода, во многих случаях приводящей к повышению вероятности коррозионных повреждений и дополнительному расходу средств на электрохимическую защиту.

Основной причиной снижения сопротивления изоляции трубопровода является нарушение конструкционной целостности изоляционного покрытия, при котором образуются электрические контакты металла трубопровода с грунтом, неравномерно и случайно располагающиеся как по длине трубопровода, так и по периметру поперечного сечения трубы. То есть на различных участках трубопровод будет иметь различное сопротивление цепи металл – изоляция - грунт. ГОСТ Р 51164 нормирует только минимально допустимую величину сопротивления изоляции на момент окончания строительства. Теоретически сопротивление может быть тысячекратно выше нормированного: например, для полиэтилена при его удельном сопротивлении 10¹³ ÷ 10¹⁵ Ом·м [1] исходное сопротивление изоляции при толщине покрытия 2,5 мм будет равно 2,5·(10¹⁰ ÷ 10¹²) Ом·м². Оценка состояния изоляции построенного трубопровода по величине сопротивления имеет смысл для обеспечения эффективной электрохимической защиты, так как чем ниже сопротивление изоляции, тем больший ток потребуется для защиты.

Сопротивление изоляции подземных трубопроводов есть интегральный критерий качества и состояния пассивной противокоррозионной защиты, полученный по окончании строительства. Изменение этого показателя можно использовать также и для оценки кинетики состояния защиты в процессе эксплуатации. Поэтому совершенствование методов оценки состояния изоляции для практиков всегда актуально.

Универсальность критерия заключается в том, что он усредняет влияние на величину сопротивления ряда следующих основных факторов:

• наличие сквозных дефектов,

• различное удельное электрическое сопротивление грунта, контактирующего с металлом в сквозных дефектах различной формы и площади,

• разнотипность и разнотолщинность изоляции как по диаметру, так и по длине подземного трубопровода,

• неопределенность продольного электрического сопротивления трубопровода, влияющая на результаты расчета сопротивления изоляции.

Влияние последнего фактора заключается в следующем. Продольное электрическое сопротивление трубопровода, как известно, является одной из величин, определяющих длину защитной зоны и сопротивление растеканию трубопровода. Приведенные в справочниках и инструкциях значения продольного электрического сопротивления трубопроводов для конкретных марок сталей весьма усреднены. В то же время распределение труб по длине трубопровода характеризуется как различием марок трубных сталей и плавок одной марки стали, так и различием действительной толщины стенки трубы вследствие не только конструктивных особенностей трубопровода, но и за счет значительного отклонения толщины стенки от номинальной. Согласно ГОСТ Р 52079-2003 [2] и ГОСТ 19903-74* [3], допустимое отклонение толщины стального листа нормальной точности, из которого изготовлены трубы, составляет в среднем 10 %. В таблице 12.1 (см. на плакате) приведены значения абсолютного и относительного отклонения от номинальной толщины стенки стального листа.

Следовательно, примерно на 10% будут отличаться и значения продольного электрического сопротивления построенной трубы от теоретического значения, приводимого в справочниках. Погрешность измерения сопротивления изоляции будет равнозначной.

Использование для контроля состояния изоляции нормативных документов [4, 5] показало крупные принципиальные ограничения в его применении, заключающиеся в следующем.

Согласно [4], для определения силы тока поляризации применяется весьма неточный номограммный метод, измерение смещения потенциала при контроле проводится на обоих концах испытуемого участка газопровода, что не всегда необходимо, отсутствует возможность применения метода для участков, частично или полностью включенных в магистраль. В настоящее время при возрастающем объеме работ по переизоляции трубопроводов и реконструкции применение существующей «Инструкции…» становится еще более проблематичной.

В основу методики измерения сопротивления изоляции методом катодной поляризации положены известные [например, 6, 7] закономерности поляризации, то есть законы смещения потенциала электрода под воздействием электрического тока и распределение поляризации по длине трубопровода, как по длинной электрической линии с утечкой. При этом переходное сопротивление трубопровод - грунт рассматривается как параллельно-последовательное соединение сопротивления изоляционного материала, сопротивления сквозных дефектов в изоляционном покрытии, в общем случае зависящее от размеров дефектов, поляризуемости перехода металл-грунт, удельного сопротивления грунта. Эти два сопротивления рассматриваются параллельно соединенными. Последовательно с указанными сопротивлениями соединено сопротивление растеканию тока, зависящее от удельного сопротивления грунта, от диаметра и толщины стенки трубы, а также от глубины расположения оси трубопровода от поверхности земли. Переходное сопротивление бездефектного покрытия, согласно ГОСТу Р 51164, через 100 дней выдержки в 3-процентном растворе NaCl должно быть в пределах от 10⁷ до 10¹⁰ Ом·м² в зависимости от типа материала и номера конструкции покрытия. Следовательно, снижение сопротивления на законченных строительством трубопроводах до величин, соответственно до 5·10⁴ и 3·10⁵ Ом·м² определяется именно образованием сквозных дефектов в изоляции.

Плакат 12.2

В этой формуле не приведена еще одна составляющая - сопротивление растеканию, которое зависит, в основном, от удельного электрического сопротивления грунта и диаметра трубопровода.

Сопротивление дефекта в изоляционном покрытии представляет собой сумму поляризационного сопротивления, сопротивления канала дефекта и сопротивления растеканию тока дефекта в грунт. Рассмотрим влияние каждой из составляющих на эффект снижения сопротивления изоляции.

Плакат 12.3

Сравнение указанных величин с сопротивлением изоляции подтверждает тезис о влиянии именно сквозных дефектов в изоляционном покрытии на результативное сопротивление. Расчеты показывают, что снижение сопротивления изоляции до величины 10⁵ Ом·м² обеспечивается дефектом размером 4 мм на одном квадратном метре изоляции при удельном сопротивлении грунта 50 Ом·м.

При оценке сопротивления трубопровода относительно земли в распоряжении оператора имеются – или их легко получить - данные по трубопроводу (диаметр и толщина стенки трубы, длина построенного или отремонтированного участка), значение удельного электрического сопротивления грунта в поле токов катодной защиты (усредненная величина сопротивления земли в пространстве анодное заземление – трубопровод), а также сила тока поляризации и сама поляризация. Однако значение величин ρ_и и δ_и или вообще отсутствует, или неопределенно, поэтому формула (1) в практике определения сопротивления изоляции построенного трубопровода не применима.

Плакат 12.4

На рисунках 1 и 2 (плакат 12.5) приведена зависимость предельной длины участков трубопровода, относимых к коротким, от диаметра и сопротивления изоляции. Графики показывают, что рекомендованная в нормативной документации [4, 7] длина коротких участков, равная 4000 м, прежде была определена для низкокачественной изоляции. В настоящее время при новых высоких стандартных требованиях к качеству изоляции указанная длина многократно возросла и составляет, в зависимости от нормативного сопротивления изоляции, для трубопроводов диаметром 146 мм - от 8 до 20 км и от 14 до 34 км - для трубопроводов диаметром 1420 мм.

Для более длинных участков приходится считаться с нелинейностью распределения тока (и плотности тока) по длине участка и, следовательно, нелинейностью смещения разности потенциалов U.

Плакат 12.6

Контроль осуществляется измерением смещения потенциала и силы тока поляризации контролируемого участка. На рисунке 3 представлены возможные схемы присоединения участков трубопровода к магистрали.

Схемы отличаются друг от друга:

- по схеме «А» ток источника полностью стекает с участка и является измерительным,

- по схеме «Б» измерительным током является только та часть тока источника поляризации, которая дренируется из контролируемого участка,

- по схеме «В» измерительный ток есть разность продольных токов трубопровода в начале и в конце участка.

То есть при сохранности принципа контроля изоляции (катодная поляризация) для указанных различных схем включения участков в трубопровод изменяется исключительно подход к измерению (или установлению) силы тока поляризации.

Наиболее сложным в техническом отношении является определение измерительной силы тока по схеме «В». Эту силу тока определяют различными методами (электрический, магнитный) и приборами. Наиболее предпочтительным является метод, основанный на знании реального продольного сопротивления короткого участка трубы, по изменению падения напряжения на котором при катодной поляризации и определяют силу тока. Величину реального продольного сопротивления измеряют методом амперметра и вольтметра.

На рисунке 4 (плакат 12.7) представлена схема измерения продольного электрического сопротивления участка трубы в трассовых условиях.

После включения выключателя Вк и стабилизации измерительного тока I регистрируют падение напряжения U на участке l и находят продольное сопротивление участка

значение которого используют в дальнейшем для измерения силы тока, протекающего по трубопроводу при катодной поляризации.

На рисунках 5 – 7 (плакат 12.8-12.10) представлены схемы включения аппаратуры при измерении сопротивления изоляции по трем вариантам соединения контролируемого участка с магистралью.

Схема по рисунку 5 не требует пояснений.

Схема по рисунку 6 – это схема консольного участка. Ток источника поляризации по такой схеме дренируется из левого и правого (контролируемого) плеча трубопровода относительно точки дренажа тока. И эти токи не равны. Задача оператора состоит в том, чтобы определить силу тока на участке МN. С этой целью оператор предварительно определяет продольное сопротивление участка MN (см. выше), а затем, разделив падение напряжения, измеренное милливольтметром 11, на это продольное сопротивление, получает силу измерительного тока.

Схема по рисунку 7 (плакат 12.11) еще более сложная: это случай, когда оба конца контролируемого участка врезаны в магистраль, и поэтому сложнее определить измерительный ток. В данном случае измерительным током в целях определения сопротивления изоляции является разность продольных токов трубопровода на концах контролируемого участка. Ток источника поляризации, так же, как и в предыдущем варианте «Б», дренируется из левого и правого плечей трубопровода. Однако в последнем случае ток на контролируемом участке не стекает полностью, а стекает лишь измерительная часть тока. В этом случае оператор предварительно определяет продольное сопротивление трубопровода по концам контролируемого участка, а затем по падениям напряжения, создаваемым источником тока поляризации, и продольному сопротивлению соответствующих концов контролируемого участка определяет силу тока в начале и конце. Разность этих токов и является в данном случае измерительным током.

В заключение - несколько слов о минимальной длительности поляризации.

В нормативных материалах имеется требование к трехчасовой поляризации. Только по истечении указанного времени рекомендуется проводить регистрацию измеряемых величин смещения разности потенциалов труба - земля и силы тока поляризации и производить расчет сопротивления изоляции. Известно, что при поляризации смещение потенциала растет, а сила тока поляризации снижается во времени. При этом, естественно, возрастает результат определения сопротивления изоляции. Однако во многих случаях уже в начальный период можно оценить величину сопротивления изоляции и сопоставить ее с нормативными значениями. И если уже в начальный период наблюдается превышение расчетного сопротивления изоляции над нормативными, процесс контроля можно прекратить.