4.2. Определение опасности коррозии, вызываемой блуждающими токами, при помощи электрических измерений

Источниками блуждающих токов в земле являются линии электропередач, заземления силовых установок, станции катодной защиты соседних сооружений и объектов, электрифицированные железные дороги, трамвайные пути, электролизные производства и т.д.

Блуждающие токи, попавшие на подземные стальные сооружение, направлены в сторону отрицательных шин тяговых электрических подстанций. В местах выхода таких токов из подземных стальных сооружений происходит интенсивное разрушение. Для получения качественной оценки опасности коррозии блуждающими токами измеряют разность потенциалов между подземным стальным сооружением и окружающей средой, подземными стальными сооружениями и рельсами, обследуемыми и рядом расположенными подземными стальными сооружениями, а также между отдельными точками грунта по трассе или на площадке будущего подземного сооружения. Если необходимо количественно определить опасность коррозии блуждающими токами, дополнительно измеряют силу тока и его плотность на подземном сооружении, а также плотность тока на участках его выхода из сооружения, т.е. на участках, имеющих положительный потенциал по отношению к земле (в анодных зонах). Погрешность измерения параметров блуждающих токов должна быть в пределах 3-5%. При отсутствии подземных стальных сооружений наличие блуждающих токов в земле на площадке или трассе проектируемого сооружения определяют измерением разности потенциалов между двумя точками земли через каждые 1000 м по двум взаимно перпендикулярным направлениям при разносе измерительных электродов на 100 м (рис. 4.7). Для измерения потенциалов применяют высокоомные показывающие или самопишущие приборы (М-231 или Н-39) с нулем посередине шкалы, имеющие внутреннее сопротивление не менее 20000 Ом на 1 В шкалы Для контакта с землей применяют медно-сульфатные электроды, которые подбирают так, чтобы разность электродвижущей силы (ЭДС) двух электродов не превышала 2Мв. Показания вольтметра рекомендуется отсчитывать через каждые 5-10 с течение 10-15 мин в каждом пункте измерения. Если разность потенциалов изменяется по значению и знаку или только по значению, это указывает на наличие блуждающих токов. Устойчивый характер разности потенциалов свидетельствует о наличии в земле токов почвенного происхождения или токов от линий электропередачи постоянного тока по системе провод - грунт. Эти токи также представляют коррозионную опасность от блуждающих токов.

Разность потенциалов между трубопроводом и землей измеряют с помощью электродов сравнения и высокоомных приборов. Положительную клемму измерительного прибора присоединяют к трубопроводу, а отрицательную - к электроду сравнения. Измерение производят с помощью контрольно-измерительных колонок, сооружаемых через определенное расстояние на трубопроводе, или через сифоны, задвижки, гидрозатворы и другие любые узлы трубопровода.

Медно-сульфатные электроды сравнения устанавливают на минимальном расстоянии от трубопровода, желательно над его осью. Если электрод устанавливают в колодце, шурфе или камере, то располагают его на дне вблизи трубопровода. Измерения необходимо производить в часы пиковой нагрузки электротранспорта. Для измерения разности потенциалов в поле блуждающих токов от электротранспорта рекомендуется применять самопишущие приборы, например Н-399.

Рис. 4.11. Схема электрических измерений для обнаружения

блуждающих токов в земле

Измерение тока, текущему по подземному стальному сооружению обычно проводят методом компенсации. Рис. 4.12.

Рис. 4.12. Схема измерения тока в трубопроводе:

1 -методом компенсации; 2 – методом падения напряжения

Для измерения тока, текущего по подземному трубопроводу методом компенсации к трубопроводу подключают реостат 5, амперметр 2, выключатель 4 и батарею 3. Определяют направление тока в трубопроводе по отклонению стрелки милливольтметра. Если стрелка отклоняется от нуля в сторону положительного зажима прибора, ток течет от точки трубопровода, подключенной к положительному зажиму, к тоске, подключенной к отрицательному. Если стрелка отклоняется в сторону отрицательного зажима прибора, ток идет от точки, подключенной к отрицательному зажиму, к точке, подключенной к положительному зажиму прибора. Определив направление тока, подсоединяют в схему компенсации батарею 3 так, чтобы ток батареи был направлен навстречу току в трубопроводе . С помощью реостата регулируют силу тока так, чтобы стрелка милливольтметра заняла нулевое положение, то есть показала отсутствие напряжения. В этот момент, в момент компенсации, амперметр показывает силу тока, протекающему по трубопроводу.

Силу тока, текущему по трубопроводу методом падения напряжения измеряют с помощью показывающих или самопишущих приборов (М-231, М-254, УКИП-73, Н-399), имеющих нуль шкалы в ее центре. Милливольтметр подключают к двум точками трубопровода на участке без отводов, компенсаторов и задвижек. См. рис. 4.12 – 2. Расстояние между точками подключения проводов и приборов к подземному сооружению (трубопроводу) зависит от наличия контрольных выводов, колодцев, сифонов и т.д. и лежит в пределах 200- 400 м; желательно, чтобы это расстояние не превышало 100-200 м. При измерении необходимо применять изолированные провода длиной 150-200 м. О направлении тока в сооружении судят по отклонению стрелки от нулевого положения шкалы в сторону зажима, имеющего более положительный потенциал (за направление тока принимается направление от «плюса» клеммы к «минусу»).

Среднее значение силы тока , протекающего по подземному стальному сооружению, вычисляют по формуле:

, (4.13)

где - среднее значение падения напряжения на обследуемом участке подземного стального сооружения, В; R_тр - сопротивление подземного сооружения (трубопровода) между точками измерений, Ом.

Продольное сопротивление трубопровода прямопропорционально удельному электрическому сопротивлению материала трубопровода и обратно пропорционально площади сечения трубы:

, (4.14)

где - удельное сопротивление материала подземного сооружения (для низколегированных сталей 0,135 Оммм²/м); - длина контрольного участка трубопровода, м; D - диаметр трубопровода, мм; - толщина стенки трубы, мм.

Зная силу тока и его направление в подземном сооружении, определяют линейную плотность тока следующим образом:

- если токи проходят в одном направлении, причем ток в точке А больше, чем в точке В (см. рис. 4.12), плотность тока утечки А/м², определяется по формуле:

, (4.15)

где I_A и I_Б – токи, измеряемые соответственно в точках А и Б (рис. 4.12); S –общая площадь поверхности подземного стального сооружения между точками А и Б, м²; g – коэффициент оголения, принимаемый равным 0,1…0,25; k – коэффициент часовой нагрузки ближайшей тяговой подстанции.

Если блуждающий ток создается в подземном сооружении не электрифицированными железными дорогами, а другими источниками (ЛЭМ постоянного тока, станциями катодной защиты и т.д.), то k принимается равным 1.

Рис. 4.12. К расчету поверхностной плотности тока утечки

Если токи в подземном сооружении текут навстречу друг другу, то:

. (4.16)

Если в точке А ток равен I_A, а в точке Б равен нулю (I_Б=0), то:

. (4.17)

Измеряют также разность потенциалов между подземным сооружением и землей в зоне действия электротранспорта, работающего на переменном токе. При этом отсчеты необходимо производить через каждые 10…20 с в течение 5…10 мин, а при частом движении поездов – через каждые 5…10 с. Необходимо, чтобы за период измерений мимо измерительного пункта прошло не менее двух поездов в разных направлениях.

При использовании медно-сульфатного неполяризующегося электрода сравнения разность потенциалов между подземным стальным сооружением и землей V_c-з может быть определена по формуле:

, (4.18)

где - величина катодной (-), либо анодной (+) поляризации подземного стального сооружения, В; - потенциал коррозии (стационарный потенциал металла в грунте без внешней поляризации), В;

Среднее значение потенциала коррозии для стали обычно принимается равным минус 0,55 В по м.э.с.

Средние величины катодной и анодной поляризации и на подземном стальном сооружении в поле блуждающих токов определяют по формулам:

, (4.19)

, (4.20)

где и мгновенные значения величин катодной и анодной поляризации подземного стального сооружения в поле блуждающих токов; - общее число измерений; и - число измерений соответственно катодной и анодной поляризаций.

Средние величины потенциалов V_с-з, измеренных с помощью неполяризующихся электродов, рассчитывают:

для всех мгновенных значений анодной поляризации и мгновенных значений катодной поляризации , меньших по абсолютной величине, чем значение потенциала коррозии подземного сооружения по формуле:

, (4.21)

• для всех мгновенных значений катодной поляризации , превышающих по абсолютной величине значения потенциала коррозии . Среднее отрицательное значение потенциала подземного стального сооружения V по формуле:

, (4.22)

После обработки результатов измерений по средним значениям разности потенциалов V_c-з, полученным для каждой точки, строят потенциальные диаграммы, откладывая их в масштабе на схеме трассы подземного стального сооружения. Пример такой потенциальной диаграммы приведен на рис.4.13.

По потенциальной диаграмме можно судить о распределении вдоль трассы подземного трубопровода анодных, знакопеременных и катодных зон.

Рис. 4.13. Пример потенциальной диаграммы подземного стального трубопровода

Оценивая результаты измерений разности потенциалов V_c-з подземных стальных сооружений относительно земли по потенциальным диаграммам следует иметь в виду, что полученные значения V_c-з определяются произведениями тока утечки на переходное сопротивление трубопровода в каждой точке измерения :

, (4.23)

Следовательно, при одной и той же разности потенциалов в анодной зоне может иметь место большая опасность электрокоррозии (большой ток утечки и малая величина переходного сопротивления) и малая опасность электрокоррозии (маленький ток утечки и большая величина переходного сопротивления).

Комплексные коррозионные обследования магистральных и технологических нефтегазопроводов с помощью передвижных лабораторий электрохимзащиты

Для контроля параметров электрохимической защиты подземных стальных сооружений от почвенной коррозии и коррозии, вызываемой блуждающими токами, а также контроля изоляционных покрытий применяют передвижные электро98исследовательские лаборатории электрохимической защиты ПЭЛ ЭХЗ. Передвижные лаборатории широко используют на магистральных трубопроводах, нефтебазах, подземных хранилищах нефти и газа, нефтяных и газовых промыслах для обследования трубопроводов и обсадных колонн скважин. На основании проведенных измерений и их обработки принимают решение о состоянии изоляционного покрытия или выполняют проектирование и наладку (назначение электрических параметров) электрохимической защиты. Лаборатория ПЭЛ ЭХЗ оборудована:

• генератором постоянного тока с максимальной мощностью N_max = = 21 кВт и силой тока I_mах = 91 А;

• дренажной установкой с максимальным током до 1000 А;

• контрольно-измерительными приборами (амперметры, вольтметры, медно-сульфатные электроды сравнения и стальные электроды);

• лебедкой с кабелем и соединительными проводами;

• стендом управления, контроля и регистрации измеряемых параметров и работы систем самой лаборатории.

Лаборатория имеет отопитель для работы в холодное время и вентилятор для работы в жаркое время.

Генераторная группа монтируется на шасси автомобиля высокой проходимости ЗИЛ-131 со специальным кузовом. Электроисследовательская лаборатория, работающая в комплексе с генераторной группой, монтируется на шасси автомобиля УАЗ-452. В этой лаборатории установлено оборудование для измерения естественной разности потенциалов, удельного электрического сопротивления грунтов и т.д. Электроисследовательская лаборатория может работать и самостоятельно.

Наиболее значимая величина при расчете устройств катодной защиты - переходное сопротивление трубопровода, которое определяется путем измерений. Переходное сопротивление подземного изолированного металлического сооружения изменяется в широких пределах в зависимости от состояния изоляционного покрытия: оно может составлять несколько единиц или десятков Ом м², если изоляция на подземном трубопроводе практически отсутствует, и достигать 10⁴ ... 10⁵ Ом-м² для изоляции, выполненной в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии». Переходное сопротивление подземного стального сооружения характеризует качество изоляционного покрытия, но оно зависит также от удельного электрического сопротивления окружающего грунта. Чем больше удельное сопротивление грунта, тем выше переходное сопротивление трубопровода. При измерении переходного сопротивления трубопровода (см. рис. 4.14 - 1) прибором М-416 (МС-08, ЭСК-1, ЭП-1М) зажимы и соединяют перемычкой и подключают к трубопроводу. Потенциальный электрод от устанавливают на расстоянии 500…500 м от трубопровода, а токовый от - на расстоянии 700…1000 м. Значение переходного сопротивления определяют непосредственным отсчетом по шкале прибора.

Для измерения общего сопротивления цепи станции катодной защиты (рис. 4.14-2) отключают от станции катодной защиты провода, идущие к трубопроводу и к анодному заземлению и подключают их к измерителю сопротивления, к короткозамкнутым зажимам I₁; Е₁ и I₂ ; Е₂. Сопротивление цепи катодной защиты определяют непосредственно по шкале прибора.

Рис. 4.14. Схема измерения переходного сопротивления трубопровода - 1; Схема измерения сопротивления трубопровод – анодное заземление: 1 – стальные электроды; 2 – измеритель заземления; 3 – анодное заземление; 4 - трубопровод

Состояние стыковых соединений на электрифицированных железных дорогах обычно проверяют при помощи двух милливольтметров, входящих в комплект передвижной лаборатории ПЭЛ ЭХЗ с пределами измерений 10 – 0 – 10 и 100 – 0 – 100 мВ. Один милливольтметр подключают к участку рельсов со стыковым соединением, другой – к участку целого рельса. Рис. 4.15.

Рис 4.15. Схема измерения сопротивления стыка рельсов

с помощью двух милливольтметров

Относительное сопротивление стыка, выраженное в метрах длины рельса, определяют по формуле:

, (4.24)

где - падение напряжения на стыке, В; - падение напряжения на рельсе, В.

В соответствии с «Правилами защиты подземных металлических сооружений от коррозии» сопротивление сборного рельсового стыка электрифицированных железных дорог не должно превышать сопротивления целого рельса длиной 3 м, а сопротивление сборного рельсового стыка трамвая – сопротивление целого рельса длиной 2,5 м. В связи с этим величина относительного сопротивления стыка, выраженная в метрах длины рельса (определяемая по описанной методике), не должна превышать для электрифицированной железной дороги 3, для трамвайных путей – 2,5.

Исправность искровых промежутков, установленных на мостах, опорах контактной сети, матчах светофоров и т.д., проверяют вольтметром с пределами измерений 50 или 100 В, который включают между сооружением и рельсом. См. рис. 4.16.

Рис. 4.16. Схема проверки исправности искрового промежутка: 1 – вольтметр; 2 – рельс; 3 – шина; 4 – искровой промежуток

Искровой промежуток считается исправным, если стрелка вольтметра отклоняется. Допускаются и другие способы проверки воздушного зазора искрового промежутка.