автореферат диссертации по истории, специальность ВАК РФ 07.00.10
диссертация на тему: Исторические аспекты разработки и производств анодных заземлителей для защиты от электрохимической коррозии

Полный текст автореферата диссертации по теме "Исторические аспекты разработки и производств анодных заземлителей для защиты от электрохимической коррозии"

На правах рукописи

Для служебного пользования

Э кз. № 5~

Зенцов ВячеславНиколаевич

ИСТОРИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ!! ПРОИЗВОДСТВА АНОДНЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛ Е КТ РОХИМ IIЧЕ С КОЙ КОРРОЗИИ

(С пециальность: 07.00.10 - История науки и техники)

АВТОРЕФЕ PAT

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа 2000

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте м алотоннажных химических продуктов и реактивов (НИ И Ре акт ив).

Научные руководители: академик АН РБ, д.х.н., профессор

Д. Л . Рахм анкулов к.т .н., доцент М . В. Кузнецов

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Р. Р. Хабибуллин

к.т.н. К. Р. Телицкая

В едущее предприятие: Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений (НИТИ Г), г.Уфа.

Защита диссертации состоится Ь \А ЮЛ Я 2000 г. в 40 час на з асе дании диссертационного совета Д 063.09.01 вУф им ском государственном нефтяном техническом университете по адресу: г.Уфа, ул. Косм онавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан_____________2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета проф ессор

А. М . С ыркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

N1 атстральнме газонефтепроводы,являясь связующим звеном районов добычи нефти и газа с районам и их переработкиипотребления, относятся к категории исюшзчтельноответствешшхсооруженш^отшрмальнойрабсгтыксггорыхзависит бесперебойная деятельность м I юг их отраслей пром ышленностинетольконашей,норяда других стран.

Однако, они подвержены раз рушигельны и процгссам различныхввдов.Наибояее частым и являются аварии по причине коррозии.

В диссертационнойработе автором детально кроагалшированы реальные факты и причины аварийныхситуацийнанефтепродуктопроводахвпериодс 1951 по 1995гг. У чшы вая, что в настоящее врем я средам етодов з а щиты от корроз ииконструкдаонны х сталейэлектрохим ические прием ы им еютзначигельныйудельныйвес,в реф ерируем ой работе более подробно рассм атриваются становление иразвигие научныхработ и производстваважюгоэлем енга в систем е катод юйзашдггы -анодаогозазем лигеля(АЗ)

Автором особое вниманиетакжеуделенопроблемеповышениянадежностии долговечностикатодгойзащигы за счет прим ешшшювыхпрогресмшныхкоштрукщм им атериалов АЗ.Притаком подходе,какпоказанов диссертации,достигается з начительная эконом ия м еталла и повышение эф ф ективностиэлектрохим ической защиты.

Автор работы сконценггрировалвнимание на историческом анализе научныхработ (включая собственные^по разработке иизготовлениюанодноймассызаз ем лигелейс применением неф техимическихм атериалов. Притаком подходе попутно решается и другая важная проблем а, такая как рациональное использование отходов нефтеперерабатывающейинефтехнм ической промышленности. Учитывая вы шеизложенные обстоятельства,актуальность диссертационногоисследования не вызывает сомнения.

Работа выполнена в рам кахмежвузовскойнаучно-техническойгтрограммы Госком нтетаРФповысшему образованию «Поисковые и прикладные проблем ы глубокойпереработкинефти,газаиугля>> (Приказ ПС РФ по высшем у образ ованию№ 124 от 06.11.92 г Д М ежвузовская научно-гехническая програм м а М инобраз ования России на 1998-1999 гг. ПТ.477 «Теоретические основы методов получения м алотоннаж ны х хим ических продуктов» (Приказ М инобраз ования РФ №3293 от 30.12.98 г., Распоряжение Минобразования РФ № 12-30 сгг 14.04.99 г.). Целью работы является:

- историче с кий а нал га причинаварийностииа подзем ныхнефтегтродуктопроводахв период 1951-1995 гг.;

- исследование историче ских аспектов раз в игия научных работ по систем е з ащигы неф тепродуктопроводов от корроз ииэ лекгрохим ическим им етодам ивРоссиииза рубежом;

- анализ сведений,опубликованныхв научнойипатенгнойлитературеоматериалах для из готовления АЗ и их влияние на надежность идолговечность АЗразличных конструкций;

- историческийаналго научных работ по раз работке иизготовлениюанодаоймассы заземлителя с применением материалов нефтяного происхождения;

- из уче ние з аконом ерностей раз рушения АЗ и анализ научны х работ по раз рабатке

новых высокоэффективных конструкций АЗ. Научная новизна.

В первые вхрогологическойпоследовательностипроанализ ированы основные причины аварий на нефтепродуктопроводах и показано, что несм отря на все предпринимаемые меры, аварийность не снижается ниже 30-35%.

В первые исследованы исторические аспекты воз никювения,становления иразвигия научных исследований и производств а АЗ в России, при этом выявлены наиболее эф ф ективные ком пазшдашые матершлы для юготоаленяяаюдюйм ассы итехтлогш изготовления анодныхзазем лителейразличныхконструкцийс использованием разработанной ком позиции в промышленных условиях.

Наосновесистем шгошнлюаиис следования гроцгссов раз рушения АЗводиородяых грунгахгредпоокетаматемалтескаязавйамосоъ,^^

АЗ в объеме и по высоте и-позволяющая прогнозировать его разрушение.

Изучение особенностей разрушения АЗ в неоднородных грунтах поз волило предложить оригинальную конструкциютоковводящетостержня,растворяющегося равшмерношвысоте.ИсследовашкуравшнгаЛашасавгредг1аложении,чгоисточник тока находится в гепосредственнойблизостиксооружению ^ю 10 м ) гюз валило установить, что съем тока с поверхности определяется конструкцией стержня и значение тока м аксим ально,когда стержень представляет группу точечныхисточников,что позволило впервы е предложить нетрадиционны е ф орм ы токовводащихстержней,разрушающихся равномерно по высоте. Практическая значим ость работы.

Т! 11редложены новые конструкцииглубинных анодныхзазем лителей,технология произ водства АЗ с использованием в качестве обслочкингф техим ических м атериалов со связующим (и без него), внедренная наГП «У ф ареактив». 2. В Черкасском районном нефтепроводном управлении,АО «Тепловые сети» Башкирэнергопо разработаннойтехнологиииз готовлены ГАЗ иисгюльзованы дпя защиты от коррозии подземных трубопроводов. Апробация работы. Результаты работы былидоложены на IV Республиканскойиаучно-тех!шескойконфереш;щлт1одь;хучс1ыхисгещшпстовш1юыше1даюэффект)шркхгги икачества пере работ кинефтиинефтепродуктов(Гашкент, 1979 гДМежду народной научной конферевдии«М олодежьихимия» (Красноярск, 1999г.)Хк>йВсероссийской конференциипо химическим реактивам (1998 г., г.Уфа). Публикаиии.Потеме диссертапииопубликованы 1 монограф ия,2статьи,4тезисов докладов, 3 авторских свидетельства.

Объем иструкгура работы. Диссертация изложена на 123 стр.машиюпиеноготекста, включая 15 табл,24рис. исостоиг из введения, 4-х глав, вы водов исписка литературы. В первой главе приводится анализ аварий и причин, их вызвавших, на нефтепродуктопроводах в период 1951-1995 гг,атакжерассматриваются исторические аспекты научных исследованийи прош водства АЗ. В о вгоройглаве рассматриваются исследования законом ерностейподя постояндаготока, образуем ого АЗ.Т ретьяглава посвящена исследованию законом ерностей разрушения анодны х з аз см лителей. В четвергойглаве исследуются проблем ы использ ования ком поз инионны х м атериалов неф техим ическогопроисхождения для изоляцииотвлагитоковводящихчастейАЗ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Анализ причин аварийна нефтепродукгопроводах впериод с 1951 по 1995 гг. н конструкций глубинных анодных заземлителей.

1.1.Аварийные ситуации на магистральных нефтегазопродуктопроводах.

В реферируем ой главе диссертации на основе изучения литературных, архивных и иных м атериалов анализируются причины крупных аварий на нефтегазопродуктопроводах в периоде 1951 по 1995 гг., имевшие местов СССР и других странах м ира. Прнэгом показано, что основны м и причинам и отказ ов являются корроз ии,заводскойбрак труб, брак строительно-м онтажных работ (СMP), м еханические повреждения трубопроводов в процессе эксплуатации, ошибки обслуживающего персонала.

В Урало-Сибирском нефтепроводном управлении из общегочисла повреждений трубопроводов в периоде 1951 по 1964гг.43%приходилось на сквозные разрушения. С 1958 г. числосквоз!гыхразруше!пшрезкосократилось, так, как было установлено большое количество протекторов, катодных и дренажных установок.

В периоде 1951 по 1970 гг. на трубопроводах диаметром до 720 м на коррозионные повреждения приходится 35% от общего числа повреждений.

Характерна динам ика отказов м агистральныхнеф тепроводов, обобщенных институтом ВНИИСПТнефть'поГлавтранснефтивпериодс 1981 по 1985гг., приведенная в табл.1.

Таблица 1

Отказы магистральных нефтепроводов

1 оды 1У81 1УЬ2 1983" 1984 1983 .

ОЬщее число отказов 498 391 32 Ь 400 453

Отказы по причине коррозии "44 0 " 319 2/1 338 390

В последние годы овщее число отказ ов коррозионного характера уменьшилось с 440 в 1981 г. до 101 в 1988 г..однаков процентном отношении они составляют более 60%(в некоторы х Управлениях м агистральных нефтепроводов онисоставляют91-98%),иустойчивойтенденции их снижения нет. Преобладающее числоутечекпо причине коррозии регистрируете я ина зарубежных ком муникациях.В результате анализа отказов трубопроводов, эксплуатируем ых в Западной Европе иСША,выявлены основные причины их повреждений.На нефтепроводах 40-43%, а на газопроводах23%отказов происходит из-за коррозионных повреждений стенки трубы.

ВНИИСПТнефть* - ныне Институт проблем транспорта энергоресурсов

В процессе эксплуатацтпрубопроводов пом ере их старения количество отказов в гол увеличивается с 8.1 до45 на 1000 км. Так, несмотря на усилия по зашите, в Западной Европе доля отказов из-за коррозии составляет 35-40%в год.

Следует от.и етить. что для отечественных трубопроводов такой устойчивой завис им ости не установлено. Так, в 1988 г. наибольшие потери нефтиобусловлены коррозией,а в ¡987 г.-браком строительно-монтажных работ. Один толь ко отказ м агистрального нефтепровода М алгобек-Тихорецк повлек за собойбезвозвратныс потери нефтиот разрыва трубы посплошной коррозиивобъем е 5773тнасум му 17Э,Зтыс.р.Общиеубыткиоценены в 194,4 тыс. р. без учета ущерба от загрязнения атм осф еры, собственного ущерба от простоя магистрального нефтепровода и др.

При обследовании в 1990 г, четырех участков нефтепровода «Дружба» диаметром 1220мм общей длиной 1004 км выявленоследующее. На первом участке на длине около 50 км отм ечены большие зоны коррозионного повреждения. Н а втором участке протяженностью более350км обнаружено девять зон корроз ионны х поврежденийсостепенью коррозии30-75%.На третьем участке протяженностью258 км установленодевятьзонкоррозионных повреждении со степенью коррозии 40-75 %. На четвертом участке протяженностью около 240 км обнаружено восемьзонс небольшойстепенью коррозионных повреждений.

Анализ результатов обследования показал, что защитное покрытие наложено некачественно, поэтом у и катодная защита не дает желаем ого эффекта. Это явилось основанием для принятия решения о замене первого участка.

В м ае 1991 г.былостановленгазопроводкоксовогогаза Авдеевский ко кс ох им ическийзавод-М аксевскийм еталлургический комбинат в Донецкой области. Газопровод э ксплуатировался одиннадцать лет и им ел только защитное покрытие. После анализа технического состояния установлено, что из-за отсутствия катодной защиты газопровод им еет м ногочисленные коррозионные повреждения.Оценив затраты,требующиеся для обеспечения безопаснойэксплуатации,было признано нецелесообразным дальнейшее использование газопровода.

В Республике Ком и недалеко от Усинска в августе 1994 г. произошла крупная экологическая катастрофа, связанная с порывом нефтепровода, который проложен от месторождения Воз ей и входит в систему «Ком инефть», Потери нефти составили более 30 тыс. т. Объем ы утечки в восем ь раз превосходят крупнейшую аварию ком пании«Эксон»на побережье Аляскив 1989г.Нефть разлилась на площади 62 кмУщерб составил 62 м лрд. руб. Авария произошла вследствие коррозии трубопровода.

Анализ катастрофы показал,что нефтепроводэксплуатировался с нарушением норм -катодная защита отсутствовала.Следует отм етить, что аварийна неф те проводе наблюдались и ранее - в 1988 и 1992 гг. На основании результатов анализа катастроф ы было принято решение озамене52км трубопровода.

За рубежом и в последнее десятилетие в СССРпоявился новыйвид разрушения м агистральных газ опроводов -коррозионно-карбонатное растрескивание (ККР), которое на газопроводах высокого давления может наблюдаться уже после пяти-шести лет эксплуатации.

Анализ причин разрыва газопровода М ум ба-Сидней(Австралия), произошедшего через 5,5 лет после ввода газ опровода в эксплуатацию показ ал, что разрыв произошел из-з а ККР, поскольку на участке,лежащем ниже по потоку от ком прессорной станции, температура периодическидостигала60°С. Порезультатам проведенных исследований было принято решение озамене участка газ опровода длиной 29 км и об установке на ком прессорной станции охлаждающих вентиляторов с тем,чтобы тем пература газа не превышала 40°С.

Из автореферата следует, что аварии, происходящие на газопроводах высокого давления по причине ККР, происходят,как правило, в районе ком прессорных станций и им еют тяжелы е последствия.

1.2. Исторические аспекты разработки и эксплуатацииглубинных анодных заз ем лителей.

В диссертационной работе в хронологическойпоследовательностидается исчерпывающий исторический анализ по разработке и организации производства глубинныханодныхзазем лителей(ГАЗ^примегаемыхв мировой практике.

Впервые ГАЗ стали прим енять в США в 1920-хгг.из-за дороговизны зем ельных участков для размещения поверхностных АЗ. Позже в литературе появляются сведения о том, чтов 1941 г. в качестве ГАЗ использовались обсадные колонны глубоких нефтяных скважин, вы веде иных из эксплуатации.

В 1966 г. известный ученый по проблем ам коррозии Л .Я. Цикерман впервы е систем атизировал и ввел вое ьм иразрядную классиф икацию ГАЗ с учетом конструктивных особенностей и глубины заложения.

У пом инание о м онтаже глубинного з аз ем лителя в С С С Р относится к 1961 г., когда в Сам аре кой области на нефтепром ыслах с целью усиления защиты от коррозии подзем ных трубопроводов была прим енена конструкция ГАЗ в виде «труба в трубе ». При этом м ежтрубное пространство было з аполнено коксовой мелочью.В последующие годы,главным образом, ус илиям и коллективов институтов «Гипровостокнефть» и Башкирского отделения «Гипроком мунэперго» глубинные анодны е заземлителистализакладывать в проекты защиты от коррозииподземныхкоммуникаций.В этих же проектных учреждениях велись работы по усовершенствованию конструкций ГАЗ.

Позже активная работа по проектированию и созданию новых ГАЗ проводилась в институте «Башкиргражданпроект» и общепризнанны ми центрами по применению ГАЗ, руководимыми Коломиецом В. Ф. (Гипровостокнефть),Кузнецовым М.В.(БО «Гипрокоммунэнерго»), Бутырским А. П. (Башкиргражданопроект). К 1976 г. был накоплен з начительны й опы т в проектировании, строительстве и эксплуатации ГАЗ.

В 1976г.профессором П.И.Тугуновым идоценгом М .В.Кузнецовым на

основе анализа отечественных и зарубежных ГАЗ с учетом геологического строения зем лив месте их установки иусловий монтажа была создана более совершенная классификацияГАЗ.ПоэтойклассификацииГАЗделятся всегона три г ру ппы: з аз ем лиге ли в обсаженной скважине, необсаж е нной скваж ине и ком бинированны е.

Заз ем летели в обсаженной скважине бы ли рекомендованы к установке в неустойчивых горных породах. Они используются рядом компаний в США, а также использовались в Московском управлениимагистральныхгазопроводов по проектам институтов М осинжпроект и Гипровостокнефть.

Недостатком рассмотренных конструкций является то, что обсадная колонна скважин доходит до поверхности зем ли, где она может оказаться вблизиподзем ных трубопроводов, что значительно снижает з ону защитного действия катодной установки. В. Ф. К олом иецом для устранения этого недостатка было предложено изолировать 20 м верхней части обсаднойтрубы.

Широкое распространение получили ГАЗ, размещенные в необсаженной скважине. Они ис польз у ются, когда г орны е породы устойчивы. В этом случае экономятся дорогие обсадные трубы .Такие конструкции используют газовая ком пания штата Огайо,ф ирма Н1то15 Ве11Те1ерЬопе, Башкирская контора «Подзем металлзащита» и другие.

К онструкции ком бинированных заз ем лителей им еют обсадную трубу длиной от 5,^о 30 м, устанавливаемую в верхней части. Это позволяет избежать осложнений при проводке скважинипредотвратить загрязнение водоносных горизонтов. Такие конструкции проектировались институтами Гипрокоммунэнерго и Башкиргражданпроект.

Наиболее широко применяются ГАЗ для защиты подземных коммуникаций крупны х предприятий, таких как В АЗ (г. Тольятти), К ам аз (г. Набережные Челны), всех стальных коммуникаций на территориях Башкортостана, Татарстана, С ам а рекой области и Ставропольского края.

2. Исторические аспекты развития научно-исследовательских работ в

области конструирования анодных заземлителей.

В научной, патентной, служебной литературе 1920-1960 гг. нечетко сформулировано понятие ГАЗ, что затрудняло понимание специалистами разных институтов проблемы и методов решения задач.

Вся используемая терминология и вносимые в научную литературу понятия научно не были обоснованы .Лишь с 1960 г. предпринимаются попытки строго научного обоснования понятия ГАЗ, расчетов зоны действия катодных станций. Предприним аются попыткиусовершенствоВания ГАЗ в направлении удешевления и повышения надежности и'долговечности.

Впервые в 1954 г. проф ессором В .В . Бурс'дорф ом был использован матем этический аппарат для создания методики расчета по определению сопротивления растеканию токов с ГАЗ. В 1970-х гг. проф ессор П. И. Тугунов с сотрудникамииспользовалиматематическийаппаратдля определения зоны

защитного действия катодных установок. В 1980-1990 гг. группа исследователей (включая автора)под руководством академика АН РБД. Л. Рахманкулова использовалим атем этические приемы доя решения ряда научно-технических задач, обосновавших научный подход к проектированию катодных станций с ГА 3. Этим и исследователям и были научно обоснованы понятие ГАЗ и принципы конструирования их.

2.1. Решение уравнения Лапласа для научного обоснования глубины установки з аз ем лителя.

В случаях прим енения глубинных анодныхзаземлителейвозникает проблем а оптимизации глубины их установки от поверхностизем ли. Если АЗ находится на малом расстоянии,то одна из самыхважныххарактеристик эконом ичности АЗ -зона действия -рез ко уменьшается. Установка з аз ем лителя на большую глубину приводит к удорожанию стоимости.

В настоящее время в научнойлитературеипроизводственнойпрактике отсутствуют научно-обоснованные данны е о глубине установки АЗ от поверхности земли. Для определения понятия «глубинный анодный з аз ем литёль» в научной литературе использ овано решение уравнения Л апласа, которое как установлено м ногим и исследованиям и, хорошо описывает поле постоянного тока в грунте. Автором реф ерируем ой работы заземлитель представлен в виде точечного источника тока, расположенного в однородном грунте.В этом случае поле постоянноготока описывается уравнением Лапласа, которое в цилиндрической систем е координат выглядит следующим образом:

д2и 1 ди д2и п

—--+ —-=0 П)

дгг г дг ду2 1 ;

Общее решение уравнения (1)имеет вид:

и = А^ф,г)[овЛу + . (2)

где р-некоторые постоянные, независим ые от координаты г,

1(Д'Г) ~ функция Бесселя первого рода.

Если грунт однородный, то уравнение (2)преобразуется к виду: тт ТР 1

и = -----(3)

4 ти г

где /-ток точечного источника;

р-удельное сопротивление слоя, в котором расположен источник.

Решение этого уравнения имеет вид:

и-

Ал

1

1

(4)

Решая это уравнение при следующих данных: р=20 Ом.м; 1=20 А; 1=1; 2; 5; 10; 30; 50; 100; 150 м; л=0; 10; 20; 30; 40; 50 м,

получены значения потенциалов грунта и(, и2 ...ипв зависим ости от погружения точечного источника тока и удаления от не г о на расстояние г(табл. 2).

Таблица 2

Влияние погружения источника на потенциал на поверхности земли

Глубина погружения источника, м Расстояние г, м

1 2 5 1СГ зо 50 100 150

11 отенциал, В

и 65,00 31,70 1 12,50 6,37 2,12 1,2/ 0,42

10 6,33 6,24 5",71 ч;5(Г 2,01 1,25 0,63 0,42

/и 3,16 3,14 3',09 2,85" 1,77 1,18 0,62 0,"42 ■

30 2,12 2,11 "2,09 2,01 1,50 1,09 "Щ" 0,42 1

411 1,5У 1,59 1,58 1,54" 1,2/ 0,99 0,5У 0,41

50 1,27 1,2/ 1,26 1,25" 1,09 0,9 0 0,57 0,41

сооружении начинает резко падать до 10 м, а на участке 10-20 м (и далее) падение потенциала происходит м едленно. На основанииэтих данных автором сделано заключение, что оптимально устанавливать заземлитель на глубину 1015 м от поверхностизем ли.Результаты решения уравнения (4)показывают также, что наиболее обосновано с позиции безопасностиэксплуатациисистемы катодной защиты устанавливать АЗ на расстоянии 25-30 м от подземных сооружений (потенциал ~2 В).

2.2. Исследование решения уравнения Лапласа для поиска экономичных конструкций ГАЗ.

Практика эксплуатации ГАЗ раз личных конструкций показ ала, что они разрушаются неравном ерно по вы соте, что приводит во м ногих случаях к быстрому выходу АЗ из строя изначительным потерям м еталла.Поэтому изучаются з аконом ерности растворения м еталла повысоте ГАЗ с целью создать новые научно-обоснованные конструкции ГАЗ.

С этой целью вреферируемойработе исследовалось поле постоянного тока, соз даваем ог о источникам и раз личной ф орм ы при м алы х расстояниях от

ГАЗ (до 10 м).

и

2.2.1. Исследование цилиндрической формы.

Как правило, в производственной практике применяют ГАЗ цилиндрическойформы (стержень илитруба). Для изучения закономерности разрушения ГАЗ таких конструкций решается уравнение Лапласа, где заземлитель заменяется заряженной линией.

При этом ток точечного источника определяется из следующей зависим ости:

1Т =

I

~dy ,

(5).

где I^-ток, стекающийс заземлителя;Ь—длиназаряженнойлинии;с!у-элем ент длины.

Исследования проводились со следующимиданными: длина заземлителя L=20 м; глубина установки от пов ерхности земли «а» 40 м; сила тока 1=20 А; р=20 Ом.м; расстояние ^=1; 5; 10; 30; 50; 100; 150; 200; 250; 300 м.

Подставив (5) в уравнение (4)и интегрируя в пределах от «а» до «Ь», получено выражение:

U =

4 rvL J

1

20-20 60

40

+ 2/7)

pv ------

■(| \пу+2т] + ^r2 + {y-v2rfj

,)dy =

60 + 1 In

40

y + j? + y'

)

4л-20

где а и Ь - пределы интегрирования (а=40 м ; Ь= а + Ь = 60 м). Результаты решения приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты расчетов потенциалов для точечного, линейного , и группы точечных источников, помещенных в однородный грунт

Расстояние г, м Значения потенциала,В

Сумм арны й Линейны й Ючечныи

1 1,3 0,89 1,27

.........5...... 1,28 0,88 1,26

10 1,2 У U, 87 1,25

30 1,10 • 0,78 1,09

50 "0,90 0,7 0,90

....... 100 о;б 0,48 0,57

150 0,40 0,36 0,41

200 0,31 0,28 0,31

250 0,25 " 0,23 0,25

..... 300 0,21 U,21 0,21

и

2.2.2. Исследование заземлителейвформе нескольких точечных источников.

Иногда в промышленныхусловияхГАЗ собирается из нескольких секций с независимым электропитанием. Диссертант, представляя их абстрактно в виде группы точечных источников, осуществил решение уравнения Лапласа. Для этого заряженная линия разбивается на несколько точек, расположенных по длине линии. Исходные данные расчета-.силатока заряженной линии 1=20 А; количество точек п=5;удельное сопротивление р=20 Ом .м;расстояние источника до поверхности земли ^=40; 45; 50; 55; 60 м расстояние до защищаем ого сооружения г=1;5; 10;30;50; 100; 150; 250; 300 м. Подставив в уравнение (4)значения In=I/n=20/5=4, где 1п-силатока единичного точечного источника в А, п -количество точек, получена зависимость:

y-J'Pf 1 , 1 ) = 4"20 2 4\/г2 +У2 л!'2 + Ф2 + У2

Результаты расчета приведены в табл. 2.

Рассм атривая три варианта гипотетического зазем лителя (точечны й источник, линия, группа точек)видно, что форма заземлителя играет существенную роль,особенно на расстояниидо 100 м. Прирасстоянии м енее 10 м влияние формы наиболее значительно. Разница потенциалов находится в пределах от 0,2 до 1,3 В при расстоянии от заземлителя от 1 до 300 м.

3. Исследование закономерностейразрушения анодных заземлигелей. Анализ работ по конструированию высокоэффективных конструкций A3.

В этом разделе диссертационной работы рассматриваются в хронологической последовательности научные работы по исследованию закономерностей разрушения A3 в однородных и неоднородных грунтах.

3.1. Исследование основных закономерностей работы и прогнозирование процессов разрушения A3.

Для изучения основныхзаконом ерностейразрушения A3 исследователям и использ овались э ксперим ентальные установки, представляющие собой, в основном .цилиндрическую ем кость, заполненную водным раствором NaCLB качестве A3 использ овали стальной стержень диам етром 4 и длиной 150мм. Изначально в ходе эксперимента определялись величинатока!, сопротивление цепиИ^ сопротивление анодного зазем лителя R в зависим ости от глубины погружения A3 (табл. 4). Р

Таблица 4

Изменение тока I, сопротивления растеканию Нр и сопротивления цепи Кцпри погружении з аз ем лите ля (вЗ%-ном растворе N801)

1луОина погружения, мм ток 1, м А сопротивления растеканию И. Ом сопротивления цепи Я , Ом ц'

10 240 5У,6 125

20 ззи ЗУ, / У0,У

30 420 30,4 71,4

40 510 24,8 58,8

50 600 21,3 50

60 690 18,2 43,5

10 '/¡¡0 16,5 38,5

80 8/0 14,9 ' 34,5

УО УУ5 13,6 30,5

100 " 1100 12,У ¿1,5

НО 1215 11,6 24,7

120 1335 10,У 22,8

130 1485 10,4 20,2

140 1650 18,2

Затем при глубине погружения 140 мм производилиразрушение АЗ и определение диам етра АЗ в зависим ости от глубины погружения (табл. 5).

Таблица 5

Изменение диаметра заземлителя в процессе разрушения при величине тока 1=1650 м А

1луОина погружения 10 20 30 40 50 60 70 80 У0 100 110 120 130 140

Диам етр заземлителя (1,мм з,/ 3,1 2,6 2,4 2,3 2,2 2,2 2,2 2,1 2,1 2,0 1,У 1,/

Величина сопротивления АЗИ определялась по известной ф ормуле

Я = 1п — , (6)

где ^-сопротивление растеканию тока с анодного заземлитля,Ом; р-удельное сопротивление электролита, Ом .м; / - длина з аз ем лителя, м; <1—диаметр заземлителя, м.

Многочисленные опыты показали,чтоАЗразрушается в соответствии с рис. 1. По-видим ому, пониженное разрушение АЗ на начальном участке

вызвано м алым током, а большое растворение АЗ на конечном участке определяется влиянием краевого эфф екта. На центральном же участке заземлитель растворяется почти равном ерно.

1800

1600

1400

< 1200

я Ю00 X

о

п 800 с £

° 600 400 200 0

\ \\ к

-.С* л ¿у' г 1

г1

4,5 4

3,5 §

"О

3 к с а

2,5 |

2 о

о п £ га

1,5 1

0,5

ц 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100110 120 130140 мм

Глубина погружения 1-, мм

Рис. 1. Изменение диаметра заземлителя (1э,тока Независимости от погружения заземлителя

Известно,что потеря массы электрода в общем случае подчиняется закону Фарадея.К сожалению, последний не описывает процесса разрушения, а дает лишь общую потерю м ассы .С целью создания математической м одели процесса раз рушения АЗ связ ы вается з акон Фарадея с длиной электрода. Э то позволило преобразовать его к виду:

I

т = кт^ас1Ь (7)

о

где гп - масса унесенного металла, г; к -электрохимический эквивалент, г/А.ч; т - врем я, ч; а=1/Ь;

1-ток, стекающий с заземлителя, А; Ь-длина заземлителя, м.

Используя полученную зависим ость,м ожно прогнозировать разрушение заземлителя в любом сечении по высоте. Безусловно, эта зависим ость справедлива для процесса раз рушения АЗ традиционной формы в однородных

грунтах. Закономерности разрушения АЗ в неоднородных грунтах, рассм атривается как сум м а разрушительныхпроцессов в грунтах с различны м и значениям и удельного сопротивления р(отсюда исоответствующее значение тока в ф ормуле). Приведенная зависим ость, к сожалению, не описывает адекватно процессы разрушения АЗ нетрадиционных ф орм .

3.2. Анализ работ по изучению закономерностейраспространения поля постоянного тока и процессов раз рушения электродов АЗ для создания эфф ективных и долговечных ГАЗ.

Подробны е исследования научных работ по изучению законом ерностей распространения поля постоянного тока изаконом ерностейразрушения электродов позволили автору диссертации сделать два важных вывода:

1. Основную роль в повышении долговечности АЗ играет форм а заземлителя. При этом следует отдать предпочтение линейному источнику с прикрепленны м и по длине токопроводящим и элем ентам и.

2. Процесс разрушения линейного заземлителя не одинаков по высоте и наибольшие потерим ассы наблюдаются на глубинных участках АЗ.

Эти выводы натолкнули исследователей на конструирование новых, нетрадиционных форм заземлителей.

Предложены м ногочисленные конструкции ГАЗ,м ногие из которых изготавливаются отечественной промышленностью и широко используются для з ащиты от коррозиигустораз ветвленнойсетиподз ем ных трубопроводов. В о всех этих конструкциях существует один общий принципиальны й подход: к лине ином у токопров одя ще м у э ле ктроду прис ое диняются раз личны е элементы (диски, полосы ит. д.). Закономерность разрушения этих конструкций хорошо согласуется с законом ерностям и, наблюдаем ым и при гальванической полировке металлических изделий. Как известно, при этом в первую очередь разрушаются имеющиеся выступы на поверхности изделия илишь потом разрушается основное изделие.

4. Исторические аспекты решения проблемы повышения долговечности и надежности АЗ.

М ноголетняя эксплуатация ГАЗ нетрадиционных конструкций в реальных условиях показ ала их вы соку ю эфф ектявность. При этом эконом ия м еталла в среднем составляла 20%. Однакоуменьшение потерь м еталла з а счет создания ГАЗ нетрадиционныхф орм не исчерпывает всех воз м ожностейв направлении сохране ния токоввода з аз е м лителя и повы ше ния его долговечности. Н а вз г ляд автора диссертационной работы снижение потерь м еталла можно достичь за счет ликвидации ионной проводим остим ежду токовводом исредой, в которой он раз м ещается. Как известно, в ГАЗ токоввод в подавляющем большинстве случаев разм ещался в электропроводящей коксовой м елочи. При этом

повышенныепотериметаллабыливызваны растворением иуносом металлав грунт за счет проникновения влагичерез зерна коксовоймелочи. Естественно, нанесение на ГАЗ влагонепроницаем ого электропроводного покрытия способствовало бы экономии металла и коксовой мелочи.

Одним из вариантов изоляцииог влаги токоввода является нанесение электропроводного ком позиционного м атериала на металл. В качестве такой композиции могут служить соврем енные полимерные ком позиции и технические составы на базе каменноугольныхинефтяныхостатков. Неоспоримым преимуществом последнихявляетсядоступностьидешевизна.

4.1. Исторический анализ научных работ по использованию композиционных материалов из нефтяного кокс а иразличных связующих составов для изоляции от влаги токовводов АЗ.

4.1.1. Влияние гранулометрического состава коксовой мелочи на качество АЗ.

Нефтяная коксовая мелочь (проводящая фаза),полученная после дробления или как отход производства имеет пористую структуру и хорошо поглощает связующее из нефтяных и кам енноугольных пеков (непроводящая фаза). Электропроводность композиционных м атериалов определяется физическим и свойствам и обеих фаз, а также строением и свойствам и образованной м ассы.

Данные, полученные прииспытании образцов различной грануляции коксовоймелочис различным содержанием двухкомпоненгной ком позиции (табл. 6Х показ ывают, что качество анода наиболее высокое в том случае, когда подобран оптим альны й гранулом етрический состав (образцы 2-4).

При этом минимален рас ход связующего и максим ально значение плотности.

Таблица 6

Характеристика анодов

№ обр. состав анода качество анода

коксовая мелочь фану л, % (масс.) расход связующего, % масс. пористость, % механ. прочность, кг/см3 уд. ЭЛ. сопротивление, Ом-мм2/м

1,0-8,0 мм 0,16-1,0 мм 0-0,16 мм

1 29,5 16,0 29,5 25 12,2 152 453

,2 28,0 16,0 28,0 28 9,8 275 420

3 28;8' 14,4 " 2"К',8 28 9,6 212 390

4 29,6 13,6 27,8 35 10,5 207' 392

.,5 ад 25",0 31,9 35 15,6 114 4Уи

6 23,0 16,0 23,0 38 12,5 200 " 460

4.1.2. Влияние температуры прокалки кокса и компонентов анодной массы на ее электропроводность.

Удельное электрическое сопротивление анодной м ассы в значительной мере зависит от соотношения ее компонентов (табл. 7).

Как видно из научной и патентной литературы, наиболее близким к опгим альном у варианту является приготовление анодноймассы из размолотого кокса с размером частицдоВмм и связующего пека в соотношении65:35 по весу, что поз воля ет достичь удельного электрического сопротивления анодов порядка 300-400 Ом.мм2/м .

Для увеличения электропроводности нефтяной кокс до см ешения со связующим подвергается прокалке при температуре от 600 до 1350°С.Приэтом наилучшие результаты достигнуты путем прокалкипритемпературе 1350°С ком поз иции, состоящей из коксовойм елочи и связующего в соотношении 7:4.

Таблица 7

Соотношение компонентов анодноймассы

С остав анодной м ассы (наполнитель-связующее) 1:4 3:7 2:3 1:1 7:4

У дельное электрическое сопротивление, Ом л м 2Ai зььои 11300 3200 1000 400

4.2. Разработка технологии изготовления АЗ в коксопековой оболочке.

В большинстве работ для проведения опытно-промышленных испытаний бы ли из готовлены эксперим ентальные образцы АЗ, где в качестве анодной массы использовалась смесь кокса (70%масс.)икаменноугольногопека (30% масс.). При этом АЗ готовился по двум технологиям:

1. Прессованием .

Анодная масса подвергается разогреву до £=160°С, затем заливаетсяв пресс-ф орм у, куда предварительно устанавливается токоввод и подвергается прессованию приР=30 МПа. • . •

2. Заливкой.

Расплавленная анодная м асса заливалается в форму, где заранее устанавливается токоввод.

При всей кажущейся аналогииэтих технологий качество АЗ отличается в з ам етной степени.

В АЗ,полученном методом прессования, насыщение водой происходит гораздо раньше (табл.8),чем образца, полученного методом заливки.По-видим ом у, это связано с более высокой пористостью АЗ, изготовленного прессованием .Недостатки метода заливки—это длительность приготовления

АЗ.

Эксплуатация опытны к образцов АЗ на газопроводе в ПО «Баштрансгаз», изготовленных методом прессования, с последующим насыщением индустриальным маслом, показало наибольшую эффективность.

Таблица 8

Изменение влагоемкости образцов

Ъремя, ч электрод

залитый м асса, г прессованныим асса, г

и 170 171)

2 172,5 Г/1,5

4 174 172

Ь 174,8 1/2,2

8 175,3 1/2,2

12 176,4 172,2

18 17 7,9 1/2,2

24 178,5 172,2

зи 17 8,5 1/2,2

Разработанныетехнологии позволяют изготавливать АЗ с токовводами нетрадиционной ф орм ы. И спы тания пром ы шленны х образ цов АЗ с раз личным и токовводами показали наибольшую эффективность иудобство в изготовлении образца с приваренным и пластинам и к линейной части.

По результатам исследований разработаны технологические регламенты производства АЗ мелким и партиям и в ПО «Баштрансгаз» и ОАО «Тепловые сети» «Башкирэнерго». С учетом опыта предприятий и пожеланий потребителей Харьковским Гипрохимреактивом была спроектирована установка производительностью 10000 штукв год в составе ГП «У ф ареактив».

4.3. Исследование параметров катодной защиты в условиях промышленной эксплуатации.

В диссертационнойработе приводится обширныйматериал,полученный приэксгшуатации в пром ышленныхусловияханодныхзазем лителей. На основе анализаэтих данныхделается вывод,что основным фактором,влияющим на снижение защитного тока с анодного заз ем лителя, является постепенное увеличение сопротивления грунта, вызванного потерей влаги вокруг заземлителя по его высоте.

Причиной этого явления, на взгляд автора, кроется в процессе электроосм оса. Исследования этогоявления на специально сконструированных лабораторных установках поз волилн представить картину оттока влаги от анодного заз ем лителя в зависим ости от типа грунтов и определить величину гидравлического напора влаги на защитное покрытие.

Гидравлический напор им еет м аксии альное значение также в условиях работы АЗ в песчанниках (табл. 9).

С другой стороны, количество влаг и исоз даваем ое электроосм этическое давление пропорциональны приложенному току и напряжению. Этирезулътатьс позволили диссертанту сделать вывод, что в ходе монтажа АЗ нет необходимости подним ать грунт надзаземлителем,а наоборот,делать приямок для сбора влаги над конструкцией АЗ.

Таблица 9

Избыточный напор влаги, соз да ваем ын силами электроосм оса

Испытуем ая среда напряжение, В ток, мА высота столба жидкости, см

1 лина У 0,03

14 0,1

20 0,15 о

50 и,2 !0

4С1 и,25 11

'40 0,25 ......N '

11есок 9 0,05 а

14 0,1 ......12

20 0,15 10

30 0,2

40 0,25 - .

40 0,23 26

ВЫВОДЫ

1. В первые проведен исторический анализ причин аварийности на подзем ных нефтегазопродуктопроводах в период 1951-1995 гг. ипоказано, что, несм отря навсе предприним аем ы е м ероприятия по обеспечению безопасностиработы, аварийность не снижается ниже 30-35% в силу действия человеческого фактора.

2. Осуществлено систем ное исследование исторических аспектов развития научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по защите нефтегазопродуктопроводов от коррозии эле ктрохим ическим иметодамив России и за рубежом.

3. В первые исследована хронология развития научной мысли и публикаций в научной, патентнойислужебнойЛитературе по материалам и конструкциям для изготовления глубинных анодных зазем лителей и влиянию их на надежность и долговечность.

4. Показано, что наиболее близким к оптим альному варианту является приготовление анодноймассы заземлигеляиз размолотогонефтяногококсас разм ером частиц до 8мм, предварительно прокаленного при тем пературе порядка 1300-1400°С исвязующегонефтяногопека в соотношении65%:35% масс.Предложеныетодопределения оптим альногогранулометрического состава нефтяной коксовой м елочи, позволяющий изготавливать коксопе ковую оболочку анодного зазем лителя с о з начительно м еньшим расходом дорогостоящего связующего компонента.

5. Исследуя решение уравнения Лапласа с различнымипараметрами, моделирующим и защиту от коррозии трубопроводов с прим енением глубинных анодных зазем лителей, показано:

• с поз иций безопасности эксплуатации систем ы катодной защиты целесообраз но устанавливать глубинныйанодныйзазем литель на глубину 10-15 м от поверхности з ем ли;

• величина стекающего с анодного з аз ем лителя тока (на расстоянии до 10м) существенно зависит от ф орм ы заземлителя, что подтверждается результатами экспериментов.

6. На основе систем ного анализа и исследования процессов разрушения анодны х з аз ем лителей в однородных грунтах впервы е предложена математическая модель процесса разрушения анодных зазем лителей, позволяющая прогнозировать динамику его растворения во времени по объем у и высоте. Выявленная м атем этическая зависим ость позволила разработать научные основы конструирования анодных зазем лителей нетрадиционных форм, отличающихся высокой надежностью, долговечностью и пониженной (до 25%) материалоемкостью.

7. Раз работайте хнологический регламент производства анодныхзазем лителей с использованием нефтяной коксовой м елочи, который был положен Харьковским филиалом Гипрохимреактива в основу проекта технологическойустановкина ГП «Уфареактив»производительностью 10000 комплектов в год.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях.

1. Рахм анкулов Д. Л., К у з не цо в М. В., Га битов А. И., Зе нцов В. Н., К уз не цов А.М.Современные системы защиты отэлектрохимическойкоррозии подземных коммуникаций,-Уф а: Изд-во «Реактив», 1999.-232 с.

2. Зенцов В. Н., Рахм анкулов Д. J1., К уз не цов М. В. Технология изготовления анодных заз ем лителей в коксово-пековой оболочке.//Тезисы докл. XI М еждунар. конф . по произв. ипримен. хим . реактивов и реагентов «РЕАКТИВ-98».-Уф а: ГИНТЛ «Реактив», 1999,-С. 4.

3. Зенцов В .Н., Кузнецов А. М .Разработка и изготовление опытных партий анодныхзаземлителейскоксовоймелочьюинефтяным пеком //Материалы М ежду народной научной конф еренции «М олодежь и хим ия»: Тез. докл,-Красноярск, 1999,-С. 72.

4. Зенцов В. Н., Кузнецов А. М. Определение электрохимических характеристик анодных заземлите лей в кокс о-пековой оболочке. // Материалы М еждународнойнаучнойконференции«Молодежьихимия»: Тез. докл.- Красноярск, 1999.-С . 73.

5. A.c. 1005499 СССР*. Анодныйзаз ем литель./Кузнецов М .В., Тугунов П. И., Кол чин В . А., Пауль В. И., Зенцов В ,Н.,ТухбатуллинФ.Г., Амитов Р. А. // Б. И.- 1982.- Не подлежит публикации в открытой печати.

6. A.c. 831867 С С СР. Состав для изготовления анодных з аз ем лителей./ В олошин Н. Д., Ч аны шев Т. С., К уз не цов М . В ., Исхаков Ф. Г., Абыз гильдин Ю. М., Бутырский А. П., Зенцов В. Н. //Б. И.-1981.-№ 19.

7. A.c. 852969 СССР.Глубинный анодный заземлитель./Зенцов В. Н., Кузнецов М. В., Тугунов П. И. //Б. И.-1981.-№29.

8. Зенцов В . Н., Куз нецов M.B.B лияние электроосмоса на работу анодных з аз ем лителей.//Научно-технический реферативныйсборник «Транспорт и хранение неф тепродуктов и углеводородного сырья».-М осква,-1980.-№4,-С. 8-9.

9. Зенцов B.H.B лияние ф ори ы и состава анодного з аз ем лите ля на долговечность егоработы в систем е катоднойзащиты трубопроводов.//Тез. докл. IV Респ. научно-технич. конф. мол. ученых и специалистов по повышению эффективности и качества переработки нефти и нефтепродуктов,-Ташкент, С редазНИИНП, 1979.-С. 10-12.

10. Зенцов В. Н., Кузнецов М. В., В олошин Н. Д., А бы з г иль дин Ю. М. Прим енение нефтяного кокса в системе катоднойзащиты трубопроводов.// Межвузовский сборник «Химическая технология переработки нефти и газа».- Казань: Изд-во КХТИ, вып. 6, 1978.-С. 13-16.

Соискатель

Зенцов В. Н.