Определение соотношения между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока по кислороду на линейной части магистральных нефтегазопроводов Западной Сибири

Плотность тока катодной защиты в дефектах катодно-защищаемого трубопровода определяли по величине тока катодной защиты, протекающего через рабочий электрод почвенного зонда, который после погружения в грунт на уровень укладки подземного трубопровода через контрольно-измерительный пункт (КИП) подключали к трубопроводу. В этом случае рабочий электрод зонда с известными размерами имитировал сквозной дефект изоляции на трубопроводе. Плотность предельного тока по кислороду определяли с помощью зонда и коррозиомстра путем снятия катодной потенциодинамической кривой, по которой определяли диапазон потенциалов, в котором реализуется площадка предельного тока по кислороду. Затем на электрод подавали потенциал, соответствующий середине площадки предельного тока кислорода и по истечении 3…5 мин фиксировали установившееся во времени значение предельного тока по кислороду. В отсутствие площадки предельного тока по кислороду на поляризационной кривой стационарный потенциал рабочего электрода зонда смещали в катодную область на 0,25 В и по истечении 3…5 мин фиксировали установившееся значение катодного тока, соответствующее предельному току по кислороду. В ходе проведения комплексного обследования систем противокоррозионной защиты магистральных нефтегазопроводов центральной части Западной Сибири было установлено, что в области потенциалов катодной защиты.

• 1,5…3,5 В по м. с. э. (с омической составляющей) плотность тока катодной защиты (j_{K 3}) превышает плотность предельного тока кислорода
• (J ) в 20… 100 раз и более (табл. 4.6). В полевых условиях в зависимости от типа грунта и глубины укладки трубопровода (глубины погружения зонда) плотность предельного тока по кислороду, измеренная на рабочем электроде из стали 17ГС диаметром 3,0 мм, изменялась в пределах 0,08…0,38 А/м², а плотность тока катодной защиты при потенциалах с омической составляющей от 1,5…3,5 В по м. с. э., измеренная на этом же электроде, достигала значений 4…25 А/м. Анализ распределения соотношения j_{K з} / j вдоль трассы действующего магистрального

нефтепровода Д_у 1220 мм и действующего магистрального газопровода Д_у 1020 мм свидетельствует о существенном (в десятки раз) превышении плотности тока катодной защиты над плотностью предельного тока по кислороду. Выше было показано, что катодная защита надежно подавляет течение коррозионного процесса до значений, не превышающих 0,007…0,01 мм/год, когда j_{K з} / j = 3…5. Экспериментальные результаты свидетельствуют о том, что плотность тока катодной защиты может быть определена по формуле: у'_к 3 = j А<�р/ 0,059. Из приведенной формулы следует, что при условии, когда /_{к з} / j =3…5, величина катодной поляризации достигнет значений 0,177…0,295 В. При j_KJ/j = 3…5,.

плотность тока катодной защиты практически во всех грунтах с различной влажностью изменяется в пределах 0,4…2,5 А/м". Полученные результаты свидетельствуют о том, что в самых различных грунтах, где скорость коррозии лимитируется катодной реакцией электовосстановления кислорода, плотность тока катодной защиты нс должна превышать максимальных значений, а именно 2,5 А/м². Реально наблюдаемые плотности тока при потенциалах катодной защиты от 1,5 до 3,5 В по м. с. э. изменяются в пределах от 1,5 до 15 А/м' и более, что не приводит к заметному подавлению коррозионного процесса при одновременном увеличении объема выделившегося катодного водорода на защищаемой поверхности. Присутствие на КЗП адатомов водорода в процессе длительной эксплуатации трубопровода приводит к снижению пластичности трубной стали и замедленному разрушению трубопровода [ 145— 154J. Локальное снижение прочности трубной стали происходит в результате взаимодействия диффузионно-подвижного водорода (протонов) с дефектами кристаллической решетки трубной стали, границами зерен, дислокациями и вакансиями. Проведенные многочисленные исследования по электролитическому наводороживанию сталей ферритноперлитного класса свидетельствует об отсутствии остаточного водорода в обрзцах при их длительной катодной защите в области потенциалов катодной защиты, когда величина катодной поляризации не превышала 0,2…0,25 В, а отношение плотности тока катодной зашиты к плотности предельного тока по кислороду не превышало 3…5. Полученный результат подтверждают выводы работы [275], где определены давление водорода в порах стальных образцов и решеточная концентрация водорода при различных плотностях катодного тока (тока электролитического насыщения). Заметное количество остаточного водорода в образцах после длительной катодной поляризации было отмечено, когда величина катодной поляризации превышала 0,25 В. Дальнейшее увеличение величины катодной поляризации приводит к резкому возрастанию плотности тока катодной защиты, существенно (в десятки раз) превышающей плотность предельного тока по кислороду. Резкое увеличение j_{K г} связано с началом протекания на КЗП следующей электродной реакции — реакции катодного разложения воды с выделением водорода 2Н, 0 + 2е -> Н₂ f +20Н. Начало протекания этой реакции объясняет гот факт, что дальнейшее превышение тока катодной защиты над предельным по кислороду не приводит к заметному подавлению коррозионного процесса. На трассе магистрального нефтепровода Д_у1220 мм и магистрального газопровода Д_у 1020 мм в период полевого сезона (с июля по октябрь) были проведены дополнительные электрохимические измерения плотности тока катодной защиты при рабочих значениях защитного потенциала и сняты на уровне укладки трубопровода (у верхней образующей) катодные поляризационные кривые, с помощью которых определяли установившиеся во времени значения плотности предельного тока по кислороду. Соотношения между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока по кислороду представлены в табл. 3.6.

Таблица 3.6.

Соотношения между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока по кислороду на трассе магистрального нефтепровода Д_у 1220 мм и магистрального газопровода Д_у 1020 мм

*.

4 ?о ;

о.

• 0 аз
• 2

аз.

• -
• 1

сг я.

О

О

>—.

о я.

*В

о со.

§.

аз я.

—.

о.

X.

2 я н со.

§.

я о.

X.

• —
• 5 я

гр о.

X.

о.

X.

о.

«2.

о тз гр о.

аз.

—.

я.

• 0
• 1
• 2 F 2

л>

f.

гр я —; о со о и о ч.

тз.

;

о о.

аэ.

аз ГР.

#

ГР я —;

о со о.

и

о.

Окончание табл. 3.6

Результаты трассовых измерений, представленные в табл. 3.6, свидетельствуют о том, что реальная плотность тока катодной защиты превышает плотность предельного тока по кислороду в 20… 100 раз и более. Эго свидетельствует о том, что при этих реальных значениях плотности тока катодной защиты от 85 до 99% электрической энергии расходуется не на подавление коррозионного процесса внешней КЗП трубопроводов, а на катодное разложение воды с выделением на КЗП водорода. Прямым подтверждением сказанного является ход экспериментальной зависимости остаточной скорости коррозии и объема выделившегося при этом водорода на КЗП от степени превышения плотности тока катодной защиты над плотностью предельного тока по кислороду (рис. 3.10). Водород, отделяющийся от КЗП, собирали в мерную бюретку с ценой деления 0,01 мл. Из экспериментальных зависимостей, представленных на рис. 3.10, следует, что заметное выделение водорода на КЗП начинается когда/,_аш превышает/_пр в 5…7 раз. Дальнейшее увеличение у_заш практически бесполезно. Поэтому в процессе эксплуатации средств электрохимической защиты подземных стальных трубопроводов необходимо учитывать электрическую энергию, затрачиваемую на подавление собственно коррозионного процесса и на протекание на КЗП электрохимических реакций, не связанных с подавлением коррозионного процесса. С этой целью по результатам коррозионных испытаний был рассчитан коэффициент полезного использования тока катодам -М

ной защиты (rj):rj = —²⁾²-—, где g — электрохимический эквива;

g/к.з лент Fe²*, 1,042 г/А-ч; М_тт — скорость коррозии образца без катодной защиты, г/см'-ч; М_ост — скорость коррозии образца под катодной защитой, г/см² ч. Одновременно был рассчитан защитный эффект (Z): К — К

Z =—¹²²²-—-100%. В табл. 3.7 представлены значения коэффицисн;

^max.

та полезного использования тока катодной защиты и защитного эффекта от безразмерного критерия j_{K 3} / j. Ход экспериментальных результатов, представленных па рис. 2.10, показывает, что заметное выделение водорода на КЗП начинается, когда плотность тока катодной защиты превышает плотность предельного тока кислорода в 5…7 раз. При значении безразмерного критерия у'_кз / у'_пр =5…7, как следует из табл. 3.7,.

доля тока катодной защиты, расходуемая на подавление собственно коррозионного процесса, составляет 0,36…0,27, остальная электрическая энергия расходуется на катодное разложение воды.

Таблица 3.7.

Значения rju Z при различных соотношениях между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока по кислороду: j_{K 3} / у_пр

Анализ результатов, представленных в табл. 3.7, свидетельствует о том, что чем больше плотность тока катодной защиты превышает плотность предельного тока по кислороду, тем большая доля электрической энергии расходуется бесполезно.

Следует отметить, что установить экспериментальную зависимость между величиной защитного потенциала и безразмерным критерием Л з / Л_Р ^{ни в} лабораторных условиях, ни в полевых не представляется возможным. Дело в том, что при одинаковых потенциалах катодной защиты соотношение между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока по кислороду в различных грунтах изменяется в широких пределах, так как предельный ток по кислороду не зависит от потенциала (табл. 3.8). Результаты полевых измерений, представленные в табл. 3.8, свидетельствуют о том, что в различных грунтах при одних и тех же значениях измеренного потенциала плотность токов катодной защиты изменяется в зависимости от аэрации грунта.

Таблица 3.8.

Зависимость безразмерного критерия j_K3 I j_np от защитного потенциала

трубопровода, измеренного в полевых условиях (с омической составляющей)

При одном и том же потенциале катодной защиты плотность тока катодной защиты в хорошо аэрируемых грунтах практически на порядок превосходит плотность тока катодной зщиты в более плотных (плохо аэрируемых) грунтах. С другой стороны, кислородная проницаемость грунтов оказывает существенное влияние и на величину потенциалов коррозии. Чем легче осуществляется доставка кислорода к корродирующей поверхности, тем более положительное значение имеет потенциал коррозии [35, 59]. Экспериментально устновлено, что одной и той же велиине катодной поляризации соответствует определенное значение безразмерного критерия j_{K %} / j . Выше было показано, что между величиной катодной поляризации и соотношением между плотностью тока катодной зашиты и плотностью предельного тока по кислороду существует прямая пропорциональная зависимость

справедливая для всех типов исследованных грунтов (торф, глина, песок, 0,5%-й NaCl). Это обстоятельство вызывает необходимость при выборе и регулировке защитных потенциалов подземных трубопроводов (так как величину катодной поляризации трубопровода измерить практически невозможно) дополнительно контролировать плотность тока катодной защиты в сопоставлении с плотностью предельного тока кислорода, что позволит количественно определять величину остаточной скорости коррозии при выбранном значении защитного потенциала и исключить либо свести до минимума протекание реакции выделения водорода на КЗП, сопровождаемой последующим отслаиванием изоляции и наводороживанисм стенки трубопровода. Процесс катодной защиты трубопровода при заданной остаточной скорости коррозии К_ост определяется плотностью тока катодной защиты, при существенном превышении которой над плотностью предельного тока кислорода происходит наводороживание стенки трубопровода.

Наибольшее значение j_{K 3}, которое может быть достигнуто в наиболее удаленном от анодного заземления дефекте изоляции, будет зависеть от условий доставки к нему кислорода, то есть от у'_пр. На практике при достижении плотности тока катодной защиты значений плотности предельного тока кислорода в дефектах изоляции в конце защитной зоны одиночной СКЗ на трубопроводе Д_у 1220 мм плотность защитного тока в точке дренажа превышает плотность предельного тока кислорода в не более чем в 3…5 раз (см. табл. 3.9). Несмотря на значительную разницу в плотностях тока катодной защиты в конце защитной зоны, установленной с помощью зонда, равной предельной по кислороду, в точке дренажа соблюдается соотношение: у'_к 3 / у'_пр ~ 5…6. При этом остаточная скорость коррозии трубопровода в дефектах изоляции, находящихся вблизи точки дренажа и в конце защитной зоны СКЗ, изменялась незначительно, оставаясь практически одинаковой на всех СКЗ, не превышающих 0,01 мм/год.

Таблица 3.9.

Соотношение между минимальной плотностью тока катодной защиты, равной плотности предельного тока по кислороду в конце плеча защиты СКЗ, и максимальной плотностью тока в точке дренажа СКЗ

До настоящего времени вопрос об экономичности тока катодной защиты применительно к практике защиты трубопроводов от почвенной коррозии практически нс рассматривался, хотя актуальность энергосбережения на объектах трубопроводного транспорта нефти и газа в настоящее время и в будущем будет возрастать. Максимальная плотность предельного тока кислорода на уровне укладки подземного трубопровода, как показывает практика эксплуатации трубопроводов во влагонасыщенных грунтах центральной части Западной Сибири, составляет 0,03…0,38 А/м'. Реальная плотность тока катодной защиты, как правило, превышает 5…25 А/м² и более, то есть превышает плотность предельного тока кислорода более чем в 50… 100 раз. Затраты электрической энергии на непосредственное подавление коррозионного процесса в условно выбранном дефекте изоляции подземного трубопровода (по данным ОАО «Центрсибнефтепровод») составляют 213 руб/год. А на протекание бесполезных с точки зрения подавления коррозионного процесса в дефектах изоляции, а фактически на наводороживание стенки трубопровода, ежегодно затраты электрической энергии составляют 852 руб/год. В масштабах страны это огромные потери электрической энергии. Причем это не только чистые потери электрической энергии, но и потери, связанные с устранением последствий сгресскоррозионных разрушений трубопроводов, обусловленных электролитическим наводороживанием стенки трубопровода, когда у_{к 3} в десятки раз превышает j . В связи с этим критерий катодной защиты /_к 3 / j_np отвечает основному требованию, предъявляемому к катодной защите трубопроводов, предназначенных для транспорта нефти и газа: позволяет количественно определять скорость остаточной коррозии, максимально исключать электролитическое наводороживание стенки трубопровода и достигать максимальной экономии электрической энергии. В этом смысле предлагаемый безразмерный критерий катодной защиты Л з I Jnp ^может претендовать на универсальность.