Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор основных результатов исследований электромагнитного влияния линий электропередачи на подземный трубопровод 9
1.1 Краткие сведения о развитии теории электромагнитного влияния линий электропередачи 9
1.2 Основные исследования влияния линий электропередачи на коррозионного состояние подземного трубопровода 12
1.3 Исследования коррозионного воздействия переменного тока на трубопровод, оборудованного системой катодной защиты 15
1.4 Критерии опасного влияния переменного тока на подземные трубопроводы в отечественной нормативной документации 19
1.5 Методы расчета электромагнитного влияния линий электропередачи на подземный трубопровод 22
1.6 Основные методы защиты от влияния переменного тока, наведенного на подземный трубопровод 26
1.7 Цели и задачи исследований 28
ГЛАВА 2 Расчет переменного электромагнитного поля, наведенного линией электропередачи на подземный трубопровод 31
2.1 Методика расчета электромагнитного влияния 31
2.1.1 Продольная ЭДС взаимоиндукции 33
2.1.2 Потенциал трубопровода 35
2.1.3 Напряжение прикосновения 38
2.1.4 Плотность тока утечки 39
2.2 Алгоритм расчета электрических потенциалов 39
2.3 Сравнение результатов вычислений с другими данными 43
2.3.1 Расчеты по аналитической формуле 43
2.3.2 Вычисления по программе GDEGS 46
2.3.3 Вычисления по программам SESTLC, ROW, HIFREQ 48
2.3.4 Данные, полученные на действующих трубопроводах 49
2.4 Выводы по главе 2 54
ГЛАВА 3 Анализ основных факторов, влияющих на электромагнитное поле, наведенное на трубопроводе при пересечении высоковольтной линии электропередачи 55
3.1 Параметры сближения 55
3.2 Зависимости наведенного потенциала от профиля опор ЛЭП 59
3.2.1 Одноцепные опоры с различным расположением фазных проводов 60
3.2.2 Зависимость наведенного потенциала от пространственного расположения фаз ЛЭП 63
3.2.3 Двухцепные опоры с вертикальным расположением фаз 69
3.3 Зависимости наведенного потенциала от параметров трубопровода и удельного сопротивления грунта 72
3.4 Выводы по главе 3 79
ГЛАВА 4 Оценка опасности коррозионного воздействия электромагнитного поля лэп на трубопровод 80
4.1 Влияние катодной защиты на параметры дефекта 80
4.2 Оценка предельной глубины коррозионного повреждения 86
4.3 Методика оценки коррозионной опасности на подземном трубопроводе, пересекающем ЛЭП 92
4.3.1 Определение плотности тока утечки с дефектов в защитном покрытии 93
4.3.2 Определение предельной глубины коррозионного повреждения трубы 97
4.4 Пример использования при проектировании трубопровода 98
4.5 Мероприятия по устранению коррозионного воздействия ЛЭП на подземный трубопровод 101
4.6 Выводы по главе 4 104
Заключение 105
Список литературы
- Исследования коррозионного воздействия переменного тока на трубопровод, оборудованного системой катодной защиты
- Продольная ЭДС взаимоиндукции
- Одноцепные опоры с различным расположением фазных проводов
- Методика оценки коррозионной опасности на подземном трубопроводе, пересекающем ЛЭП
Исследования коррозионного воздействия переменного тока на трубопровод, оборудованного системой катодной защиты
В России первые научно-исследовательские работы по изучению влияния переменного тока на коррозионное состояние подземного трубопровода проводились в 1958-1964 гг. Михайловским Ю.Н., Толстой М.А., Иоффе Э.И., Потемкинской И.В., [13-16].
По результатам проведенных исследований было установлено, что при определенных плотностях переменного тока, коррозионные процессы на оголенных от защитного покрытия участках подземного стального сооружения усиливаются и приводят к интенсивной коррозии, значительно превышающей скорость обычной почвенной коррозии.
Основные результаты этих исследований:
1. При поляризации стали переменным током наблюдается асимметрия поляризационных кривых, относительно величины стационарного потенциала стали (фст). Эффект характеризуется преимуществом катодной поляризуемости системы над анодной и приводит к частичному выпрямлению тока с появлением постоянной анодной составляющей: - в области низких и средних значений плотностей переменного тока (до 5-10 А/м2) эффект коррозии стали в грунте определяется доступом кислорода к металлу; - при повышении плотности тока (до 10-100 А/м2) общий эффект коррозии стали дополнительно усиливается за счет появления постоянной составляющей анодного тока; - при больших плотностях тока утечки (порядка 100 А/м2) в катодный полупериод возможна реакция разряда ионов водорода.
2. Наиболее существенными факторами коррозии стальных трубопроводов под действием переменного тока является степень аэрации грунтов и параметры поляризующего тока. В грунтах средней и низкой влажности скорость коррозии стали резко возрастает при увеличении плотности тока утечки с трубопровода.
3. Величина рН грунтов в интервале 4,0-9,0 (характерном для реальных грунтов) при влажности в пределах 10-17 % не оказывает заметного влияния на скорость коррозии стали под действием переменного тока.
4. Образование защитных пленок из продуктов коррозии на поверхности стали приводит к дополнительному диффузионному торможению процесса коррозии стали в грунтах при действии переменного тока.
5. Установлен факт защитного действия катодной поляризации при коррозии стали переменным током. При совместном действии постоянного и переменного тока процесс коррозии стали резко активизируется на анодном поляризуемом участке и подавляется на катодном участке.
6. Коррозионная опасность воздействия переменного тока на стальные подземные сооружения в аэрируемых грунтах определяется сосредоточенной утечкой тока на небольших участках металла в местах повреждения изоляционного покрытия (высокая локальная плотность тока с наличием постоянной анодной составляющей).
В 1972 г. по результатам научно-исследовательских работ [13-16] и данных обследований на подземных стальных трубопроводах в зонах влияния электрифицированных переменным током железных дорог была впервые разработана «Инструкция по защите от коррозии подземных стальных трубопроводов, расположенных в зоне действия рельсового электротранспорта на переменном токе» [17]. В инструкции были отражены основные положения: - определена критическая плотность тока утечки jк 20А/м2 с повреждений в защитном покрытии подземных трубопроводов, вызывающая развитие коррозии стали в грунте под действием переменного тока; - представлена методика расчета плотности тока утечки с дефектов в изоляции вызванной воздействием электрифицированной переменным током железной дороги; - подземные трубопроводы, подверженные влиянию переменного тока, должны быть защищены методом катодной поляризации; - предложены технические решения по снижению плотности тока утечки в случае превышения критической величины. Установленных критических плотностей переменного тока на трубопроводах jк 20А/м2, при низком качестве защитного покрытия того времени, не наблюдалось и указанная норма была исключена из перечня критериев, учет которых обязателен при организации противокоррозионной защиты подземных трубопроводов.
Результаты исследований коррозионного воздействия переменного тока на стальные коммуникации, проводимых в США, обобщены и представлены в работе [18]. По этим исследованиям был сделан вывод, что коррозионное воздействие переменного тока на подземный трубопровод является лишь небольшим процентом того, что было бы при постоянном токе плотностью эквивалентной среднеквадратичной плотности переменного тока и составляет примерно 0,1% для переменного тока частотой 50 Гц. Другие источники [19] для стали приводят проценты, колеблющиеся в пределах примерно от 1 до 5%. 1.3 Исследования коррозионного воздействия переменного тока на трубопровод, оборудованного системой катодной защиты
Исследованиями Толстой М.А., Иоффе Э.И., Потемкинской И.В. и Стрижевского И.В. в области коррозионного воздействия переменного тока на трубопровод установлен факт защитного действия катодной поляризации трубопроводов от коррозии стали переменным током [11-14].
Исследования, проведенные Девай в 1967 году, показали, что увеличенный ток катодной защиты, накладываемый на переменный ток, действительно уменьшает скорость коррозии, но не полностью избавляет от нее [20]. Несмотря на это долгое время считалось, что коррозия трубопроводов под воздействием переменного тока несущественна в связи с малыми значениям скоростей коррозии относительно скоростей при постоянном токе, а также в связи с наличием катодной защиты.
Тем не менее, в 1986 году в Германии на трубопроводе с полиэтиленовым покрытием, установленном в 1980 году и проходящем параллельно железнодорожной системе электроснабжения частотой 16,6 Гц, в месте пересечения с дорогой было обнаружено 2 сквозных коррозионных повреждения. Исследования этого случая представлены в работе [21]. Потенциал катодной защиты составлял -1В по медно-сульфатному электроду сравнения (МЭС), а pH продуктов коррозии составлял 10. Потенциал катодной защиты соответствовал промышленным стандартам. Под продуктами коррозии были найдены коррозионные углубления типа “кратер”, образующие “выпуклость”. Был установлен стальной купон площадью 1 см2 и измерения на нем проводились в течение 220 дней. Несмотря на плотность защитного тока yDc= 1,5-2 А/м2 и потенциале включения -1,8-е- -2В (МЭС), на купоне образовались коррозионные язвы со скоростью примерно 5,3 мм/год при плотности переменного тока на купоне 20-220 А/м2.
Продольная ЭДС взаимоиндукции
Установленные нормативными документами критерии опасного влияния ЛЭП на подземный трубопровод, требуют обоснованного выделения зон потенциально опасных в плане возможных коррозионных повреждений как для существующих трубопроводов, при включении их в план первоочередных обследований, так и при проектировании новых, для принятия технических решений, снижающих это влияние до безопасного уровня. Необходимость применения мероприятий по защите трубопровода от опасного влияния ЛЭП определяют исходя из величины плотности тока на возможном дефекте в защитном покрытии. Единой методики оценки величины влияния ЛЭП на подземный трубопровод, применимой для всех возможных ситуаций, не разработано. Применяемые методы оценки влияния ЛЭП на пересечении с трубопроводом не учитывают в полной мере всех факторов, существенно влияющих на величину плотности тока через дефект в защитном покрытии трубопровода. Предлагаемые методы оценки путем решения системы линейных уравнений громоздки и требуют наличия доступных сертифицированных программных продуктов.
Отсутствие доступных методик оценки величины влияния ЛЭП вызывает, кроме того, большие трудности при реализации технических условий на пересечение трубопроводов и ЛЭП в организациях, проектирующих новые трубопроводные или электрические системы.
Широкое развитие электрических сетей переменного тока и не менее интенсивное создание новых трубопроводных транспортных сетей в России делают проблему оценки электромагнитного влияния ЛЭП на трубопроводы востребованной. Таким образом, разработка методики оценки влияния ЛЭП на трубопровод с целью определения мест потенциально-опасного коррозионного воздействия для своевременного принятия мер и предотвращения аварийных ситуаций является актуальной научно-технической задачей.
Решение этой задачи направлено на повышение эксплуатационной надежности подземных нефтегазопроводов путем обоснования необходимости защиты от коррозионного воздействия электромагнитного поля высоковольтных линий электропередачи переменного тока при их пересечении.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо последовательно решить следующие задачи:
1. Провести анализ результатов основных исследований в области коррозии трубопроводов под воздействием переменного тока, наведенного ЛЭП, а также методов оценки степени опасности этого воздействия и способов защиты.
2. Обосновать метод расчета воздействия электромагнитного поля ЛЭП переменного тока на трубопровод, и на этой основе разработать физико-математическую модель. 3. Выявить основные факторы, определяющие плотность переменного тока в возможных дефектах защитного покрытия трубопровода при пересечении ЛЭП.
4. Разработать физико-математическую модель коррозионного повреждения стали магистрального трубопровода в возможных дефектах защитного покрытия под воздействием наведенного переменного тока.
5. Разработать методику оценки коррозионной опасности влияния наведенного на подземном трубопроводе переменного тока на участках пересечении с ЛЭП.
Если около проводника с переменным током I=cp(x,t) и напряжением U=cp(x,t) поместить другой проводник, то под влиянием электромагнитной индукции во втором проводнике возникнут индуцированные напряжения u=cp(x,t) и токи i=cp(x,t). Теоретическое решение задачи взаимного электромагнитного влияния двух элементарных линий дано в работах [3-7,10].
С учетом того, что подверженная влиянию линия - подземный трубопровод, из влияния, вызванного электромагнитной индукцией, рассматривается только влияние магнитной индукции (магнитное влияние), так как из-за наличия вокруг трубопровода проводящего полупространства (земля), электрической индукцией (электрическим влиянием) на подземный трубопровод можно пренебречь [10].
Влияющие цепи высокого напряжения, применительно к ЛЭП переменного тока, можно разделить на два вида: симметричные и несимметричные цепи.
Симметричными цепями называют цепи, у которых токи протекают по проводам и по величине равны между собой. К таким цепям можно отнести, например, трехфазные линии с заземленной (или изолированной) нейтралью при нормальном (рабочем) режиме эксплуатации (рисунок 2.1, а). При этом в трехфазных линиях электропередачи напряжения и токи в проводах сдвинуты по фазе на 120о.
Одноцепные опоры с различным расположением фазных проводов
График на рисунке 3.15 показывает, что положение центрального провода существенно влияет на величину максимального наведенного потенциала. Кроме того отклонение центрального провода от центральной оси влияет на распределение наведенного потенциала по трубопроводу (рисунок 3.16).
Распределение потенциала U, наведенного на трубопроводе при пересечении под углом 60 трехфазной ЛЭП с вертикальным расположением проводов: центральный провод ЛЭП отклоняется по горизонтальной оси в сторону на расстояние 1с (схема расположения проводов и схема пересечения расположены справа). Индекс кривых - коэффициент к равный 1с / 5 По результатам выполненного анализа могут быть сделаны следующие выводы: - расположение проводов на опоре существенно влияет на величину наведенных потенциалов; - для профилей опор с горизонтальным и треугольным расположением фаз напряжение прикосновения на трубопроводе имеет один максимум, находящийся в точке пересечения оси ЛЭП с трубопроводом. - основным фактором кроме силы тока, влияющим на напряжение прикосновения на трубопроводе, является расстояние между крайними фазами (фазы А и С). - опоры с вертикальным расположением фаз, имеют два максимума, находящихся на некотором расстоянии от точки пересечения.
Двухцепные опоры с вертикальным расположением фаз Наиболее часто фазные провода на двухцпных опорах располагаются по вертикали слева и справа от центральной оси опоры. На рисунке 3.17 представлены пространственные расположения фаз некоторых существующих опор в зависимости от напряжения ЛЭП: Для двухцепных ЛЭП важным фактором является фазировка проводов, т.е. взаимное расположение фаз А, B, C на опоре. Если фазы расположены симметрично, то распределение наведенного потенциала на трубопроводе имеет два максимума также как и для случая одноцепной ЛЭП с вертикальным расположением проводов. Если фазы расположены противоположно, тогда наведнный потенциал имеет один максимум и максимальное значение потенциала будет значительно ниже (рисунок 3.19). а)
Распределение потенциала U, наведенного на трубопроводе, при пересечении двухцепной ЛЭП с опорами П110-2 под углом 60. Симметричнная фазировка проводов ЛЭП (а), несимметричнная фазировка проводов ЛЭП (б) Для определения зависимости наведенного напряжения от межфазного расстояния каждой цепи и расстояния между фазами цепей выполнены расчеты для двух вариантов фазировок, представленные на рисунке 3.20.
Максимальный потенциала U, наведенный на трубопроводе, при пересечении под углом 60 двухцепной ЛЭП (а) с симметричнной фазировкой и (б) с противоположным расположением фаз в зависимости от расстояния между фазами (схема справа). Индекс кривых - расстояние между цепями /ц, м Для определения зависимости наведенного напряжения от положения центральных проводов цепей относительно оси ЛЭП выполнены расчеты при симметричной фазировке проводов цепей, представленные на рисунке 3.21.
Максимальный потенциал U, наведенный на трубопроводе, при пересечении под углом 60 двухцепной трехфазной ЛЭП, в зависимости от расположения центральных фазных проводов 1с и межфазного расстояния 1ф (схема справа). Индекс кривых - коэффициент к равный 1с / 1ф
Расчеты свидетельствуют, что максимальный потенциал, наведенный на трубопроводе двухцепной ЛЭП с вертикальным расположением проводов цепей при их симметричной фазировке, мало зависит от расстояния между цепями и горизонтального отклонения центральных фазных проводов от оси опоры.
Анализ, выполненный в разделе 3.2, показывает существенную зависимость величины наведенного потенциала и его распределения на подземном трубопроводе при пересечении ЛЭП от профиля ее опоры.
В разделе анализируется зависимость максимального потенциала, наведенного на трубопроводе, от следующих физико-технических параметров: - сопротивление защитного покрытия трубопровода; - удельное сопротивление грунтов; - диаметр трубопровода.
Последовательность анализа представлена на примере ЛЭП с горизонтальным расположением фазных проводов типа ЛЭП 500 кВ с опорой БП2, соответствующей типовому проекту № 3539тм-т2 [59] (рисунок 3.6).
Выполнен расчет зависимостей максимального наведенного потенциала от угла пересечения ф, сопротивления грунта р, сопротивления защитного покрытия трубопровода Rиз (рисунок 3.22).
Методика оценки коррозионной опасности на подземном трубопроводе, пересекающем ЛЭП
С помощью полученных зависимостей оценивается степень опасности воздействия переменного тока на трубопровод и определяется предельная глубина коррозии металла трубы в дефектах защитного покрытия, возможная в случае параметров катодной защиты, неоптимальных в условиях воздействия переменного тока.
Увеличивая глубину коррозионного проникновения с достаточно малым шагом и суммируя время, необходимое для разрушения металла на величину этого шага при данной глубине, возможно получить ориентировочное время коррозионного проникновения на заданную глубину.
На основе анализа результатов ранее проведенных исследований построена упрощенная модель процесса коррозионного повреждения под воздействием переменного тока и получены зависимости предельной глубины коррозионного повреждения от начальной плотности тока на дефекте в защитном покрытии.
Методика оценки коррозионно-опасных участков трубопровода на пересечениях с ЛЭП состоит из двух этапов:
1) определение плотности тока утечки с дефектов в защитном покрытии с учетом угла пересечения, основных физико-технических характеристик трубопровода (RU3, D), профиля опор ЛЭП, удельного сопротивления грунтов р и их изменения под действием катодной защиты;
2) на основе полученных плотностей токов утечки с дефектов определяется предельная глубина коррозионного повреждения металла трубы. 4.3.1 Определение плотности тока утечки с дефектов в защитном покрытии
Для оценки плотности тока через возможный дефект в защитном покрытии трубопровода по значениям напряжения прикосновения предлагается использовать параметр в зависимости от угла пересечения ср для различных удельных сопротивлений грунтов р: = 2,548 /. (4.5) Плотность тока утечки j, А/м2, с дефекта в защитном покрытии рассчитывается из выражения j = (/d) I kp, (4.6) где d - диаметр дефекта, м; I - ток ЛЭП, кА; kр - коэффициент снижения сопротивления грунта в непосредственной близости от дефекта, вследствие влияния катодной защиты трубопровода kр=4+10 [63] (если не учитывать изменение сопротивления грунтов под действием катодной защиты kр=\).
Для примера, зависимости параметра В/(кАОмм) от угла пересечения ср при различных р грунтов для опоры ЛЭП с горизонтальным расположением проводов с межфазным расстоянием 12 м и трубопровода диаметром 219 мм с сопротивлением защитного покрытия 3-Ю5 Ом-м оформлены в виде номограммы и представлены на рисунке 4.11.
Зависимость параметра от угла пересечения для различных грунтов для опоры ЛЭП с горизонтальным расположением проводов с межфазным расстоянием равным 12 м и трубопровода D219 мм и Rиз=3-105 Ом-м На основе этой зависимости для ЛЭП с конкретным профилем опоры может быть построена одна номограмма, учитывающая все необходимые параметры, изменяющиеся в пределах: диаметр трубопровода, мм 219-1420; электрическое сопротивление защитного покрытия, Ом-м2 ЮЧЮ6; электрическое сопротивление грунтов, Ом-м ЫО5
Номограмма для расчета плотностей токов утечки j с дефектов защитного покрытия в зависимости от угла пересечения ср при различных р грунтов, учитывающая все необходимые параметры трубопровода, для ЛЭП с горизонтальным расположением фазных проводов с межфазным расстоянием 12 м представлена на рисунке 4.12.
Номограмма для расчета плотностей токов утечки j с дефектов защитного покрытия для конкретного типа профиля опоры представляются в виде параметров 5, 5, 6, & в зависимости от угла пересечения ср для различных р грунтов. Коэффициенты, учитывающие сопротивление защитного покрытия и диаметр трубопровода представлены на номограмме в виде таблиц.
Каждый из параметров - & построен для крайних значений диапазона параметров трубопровода:
Для использования номограммы достаточно знать силу тока в проводах ЛЭП, угол пересечения, удельное сопротивление грунта в зоне пересечения, сопротивление защитного покрытия трубопровода, диаметр трубопровода, межфазное расстояние ЛЭП, диаметр дефекта и снижение сопротивление грунта в непосредственной близости от дефекта, вследствие влияния катодной защиты трубопровода (k может изменяться в диапазоне значений 4-Ю).
