Защита арктических трубопроводов

Долговечность трубопроводов в естественных условиях окружающей среды снижается из-за необратимых процессов коррозии металла [1]. Продлить ее можно с помощью использования электрохимической защиты (ЭХЗ) сооружений (активная защита), которая применяется в комплексе с противокоррозионными покрытиями (пассивная защита). Так, например, в настоящее время на магистральных газопроводах эксплуатируются более 18 тыс. станций катодной защиты (СКЗ) различных модификаций. Около 76 % СКЗ установлены в Северных регионах.

Для обеспечения эффективной электрохимической защиты в течение всего срока эксплуатации магистральных трубопроводов большого диаметра в экстремальных условиях Севера потребовался комплексный подход к разработке высоконадежных средств катодной защиты с резервированием электроснабжения.

Активная катодная защита обеспечивается установкой катодной защиты (УКЗ), состоящей из источника электроснабжения, преобразователя (станция катодной защиты), анодного заземления, линий постоянного тока, неполяризующегося электрода сравнения длительного действия и контрольно-измерительного пункта.

Для подземных и наземных трубопроводов, прокладываемых в районах распространения многолетнемерзлых грунтов (ММГ), должна предусматриваться ЭХЗ независимо от коррозионной активности грунтов [2,4].

ММГ являются высокоомными грунтами, то есть обладающими высоким электрическим сопротивлением грунта. В естественном состоянии такие грунты характеризуются отсутствием электролитов.

Катодную защиту следует применять для трубопроводов, вокруг которых грунт промерзает в зимний период («холодные» участки).

При отсутствии источников электроэнергии допускается применять на «холодных» участках вместо катодных станций протяженные протекторы. Протекторную защиту (в том числе и протяженными протекторами) допускается применять на любых участках трубопровода, где грунт вокруг него находится в талом состоянии. Протяженные протекторы следует использовать в грунтах с удельным электрическим сопротивлением не более 500 Ом⸱м.

ЭХЗ должна обеспечивать в течение всего срока эксплуатации непрерывную по времени катодную поляризацию трубопровода на всем его протяжении (и на всей его поверхности) таким образом, чтобы значения потенциалов на трубопроводе были (по абсолютной величине) не меньше минимального и не более максимального значений [3].

В интервале температур транспортируемого продукта от минус 5 до минус 1 °С минимальный защитный потенциал нефтепроводов U_минt = -0,8 В, а в интервале температур ±1 °С U_минt = -0,85 В. Критерии ЭХЗ нефтепроводов от коррозии в зависимости от температуры транспортируемого продукта, в соответствии с [2] показаны в таблице 1.

Таблица 1 – Критерии ЭХЗ в зависимости от температуры транспортируемого продукта

Газонефтепроводы, температура стенок которых в период эксплуатации ниже минус 5℃, не подлежат ЭХЗ в случае отсутствия негативного влияния блуждающих токов от источников переменного и постоянного тока.

Критерии ЭХЗ газопроводов от коррозии в зависимости от температуры транспортируемого продукта, в соответствии с документом [4] принимаются:

• - для газопроводов с температурой транспортируемого продукта от 5 °С до минус 5 °С U_минt = - 0,65 В,

• - величина U_макс = - 1,2 В.

Критерии ЭХЗ от коррозии в зависимости от удельного электрического сопротивления грунта, в соответствии с документом [4] принимаются по таблице 2.

Таблица 2 – Критерии ЭХЗ в зависимости от удельного электрического сопротивления грунта

Также необходимо иметь представление об изменении удельного электрического сопротивления грунта в течение года. В соответствии с документом [4] его можно оценить по формуле

ρ_мин= ρ_ср⸱η_мин,

где η_мин – сезонный коэффициент;

ρ_ср – среднее удельное сопротивление грунта, Ом⸱м, измеренное у трубопровода в трех точках по глубине заложения.

Значения сезонного коэффициента определяются по таблице 3.

Таблица 3 – Значения сезонного коэффициента

В многолетнемерзлых грунтах газопроводы следует проектировать преимущественно на участках с криопегами или ниже горизонта ММГ. В сложных геологических условиях (скальные, многолетнемерзлые грунты) возможно размещение анодных заземлений в одной траншее с трубопроводом.

Защитный ток, накладываемый на трубопровод от преобразователя (станции катодной защиты) и создающий разность потенциалов «труба-земля», распределяется неравномерно по длине трубопровода (при использовании глубинного или сосредоточенного (группового) анодного заземления). Поэтому максимальное по абсолютной величине значение этой разности находится в точке подключения источника тока (точке дренажа). По мере удаления в обе стороны от этой точки разность потенциалов «труба-земля» уменьшается. Чрезмерное завышение разности потенциалов отрицательно влияет на адгезию покрытия и может вызвать наводороживание металла трубы, что может стать причиной водородного растрескивания. Снижение разности потенциалов не обеспечивает защиту от коррозии по всей протяжённости трубопровода.

Для эффективной работы глубинного анодного заземлителя необходимо в процессе монтажа добиться, чтобы его сопротивление растекания было менее или равно 1 Ом⸱м, а добиться такого в высокоомных многолетнемерзлых грунтах практически не представляется возможным. Зона защиты станции катодной защиты в таких породах будет минимальной из-за плохой проводимости грунта.

Этого недостатка можно избежать, используя схему с протяженными анодами. В схеме с протяженными анодами используются аноды кабельного типа, состоящие из металлического проводника (жилы), покрытого специальной электропроводящей оболочкой из эластомера. При строительстве аноды укладываются одновременно с трубопроводом (см. рисунок 1).

РИС. 1

Анализируя коррозионное повреждение трубопроводов Аляски и Канады, В.В. Притула еще в 1975году отметил, что коррозионное разрушение поверхности подземных трубопроводов в полярных странах Северной Америки происходит по обычной схеме, так как трубопроводы находятся круглогодично в талом грунте ввиду того, что температура транспортируемого газа значительно выше 0 °С. Замедление коррозии происходит лишь при полном промерзании грунта вокруг тела трубы. В других условиях скорость коррозионных процессов сопоставима со скоростью коррозии в обычных условиях.

Трубопроводы, проложенные в многолетнемерзлых грунтах, находятся в условиях циклического промерзания и оттаивания, которые приводят к разрушению изоляционных покрытий. Одновременно с этим, при замерзании грунтов в пленке незамерзшей воды резко увеличивается концентрация водородных ионов (содержание водородных ионов рН ниже 4), которая в грунтах криолитозоны в сотни раз выше, чем в грунтах зон степей, в результате чего пленочная вода по своей агрессивности приближается к кислотам. Также, коррозионная активность мерзлых грунтов криолитозоны обусловлена высокой концентрацией в них углекислоты и растворенных органических веществ.

При воздействии на многолетнемёрзлый грунт положительной температуры происходит его оттаивание и разжижение. Однако не все виды вечномёрзлых грунтов ведут себя одинаково при оттаивании, соответственно, эффект воздействия оттаявшего грунта на трубопровод будет также неодинаков.

Рассмотрим классификацию, которая позволит чётко разграничить характер оттаивания и его последствия на состояние трубопровода.

I категория – непросадочные многолетнемёрзлые грунты, дающие при оттаивании незначительную равномерную осадку. К этой категории относятся скальные, гравелистые и крупнозернистые однородные песчаные грунты.

II категория – малопросадочные грунты, дающие равномерную осадку до 10% глубины оттаявшего слоя. Это условие характерно для тундровой и лесотундровой плохо дренированной местности.

III категория – льдонасыщенные грунты, дающие неравномерную осадку до 40% толщины оттаявшего слоя. Это условие характерно для бугристых и плоских мёрзлых торфяников.

IV категория – группы, содержащие крупные включения подземного льда, дающие при оттаивании провалы, термокарсты, участки бугров пучения (в данных грунтах прокладка трубопроводов не рекомендуется).

На коррозионное состояние протяжённого трубопровода в указанных условиях будет влиять не только различная степень обводненности грунта, но и чередование грунтов с различным сопротивлением. Поэтому в данном случае также остро встает вопрос об образовании гальванических коррозионных элементов. Кроме того, в процессе сезонных оттаиваний грунта происходят его подвижки, что приводит к разрушению изоляционного покрытия.

Катодная защита возможна только в том случае, когда защищаемая конструкция и анодное заземление находятся в электронном и электролитическом контакте: первое достигается с помощью металлических проводников, а второе – благодаря наличию электролитической среды (грунта), в которую погружаются защищаемая конструкция и анодное заземление. Катодная защита регулируется путем поддержания необходимого защитного потенциала, который измеряется между конструкцией (или датчиком поляризационного потенциала) и электродом сравнения (ЭС).

Основным параметром, определяющим качество катодной защиты, является защитный потенциал U_т-з – электродный потенциал металлоконструкции, при котором коррозионные реакции не идут вообще, либо идут с такой скоростью, что ими можно пренебречь.

Значения минимального и максимального защитных потенциалов в зависимости от условий прокладки и эксплуатации трубопровода регламентируются рядом нормативно-технических документов, в частности, для магистральных трубопроводов ГОСТ 51164-98.

Однако регламентируемый защитный потенциал гарантирует минимальную скорость коррозии металла, расположенного в месте открытого (сквозного) повреждения изоляции. Если оголенный участок металла находится под отслаиванием покрытия, который экранирует защитный ток, катодная защита оказывается малоэффективной и критерии защиты в таких местах не соответствует требуемым значениям, в то время как доступ коррозионной среды к такому участку обеспечивается.

Многообразие и суровость природно-климатических условий Севера оказывают решающее влияние на эффективность выбора применения средств электрохимической защиты от коррозии.

Надежность эксплуатируемых трубопроводных систем зависит от состояния изоляции, работы средств катодной защиты, энергообеспечения этих средств и своевременного проведения капитального ремонта нефтегазотранспортных систем по результатам комплексного обследования.

Анализ отказов в работе эксплуатируемых средств катодной защиты показывает, что основной причиной выхода из строя установок являются низкая надежность элементной базы преобразователей (пробой диодных мостов, отсутствие блоков защиты от перенапряжения, выход из строя блоков управления). По этой причине число отказов достигает 12-15% от общего числа отказов.

Более 20 % отказов приходится на анодные заземления, которые выходят из строя по причине обрыва провода в зоне контактного узла (изоляция провода нарушается от воздействия хлора). Поэтому материал анода не полностью используется, что резко снижает срок его эксплуатации.

Низкая надежность энергоснабжения наблюдается по причине отказов коммутационной аппаратуры (высоковольтные разъединители на каждой УКЗ), обрывы проводов ЛЭП 6-10 кВ в районах обледенения, веерное отключение предприятий, от подстанций которых обеспечивается энергоснабжение УКЗ. Число отказов достигает 22-25 %.

Основные виды отказов и их удельный вес (в %) сведены в таблицу 4.

Таблица 4 - Основные виды отказов и их удельный вес (в %)

Климатические условия Севера характеризуется низкими отрицательными температурами, шквальными ветрами, снежными заносами, обледенениями. После длительной (до 9 месяцев) полярной ночи наступает короткое лето, которое характеризуется сильными туманами (п/о Ямал и другие регионы). Полярные ночи, туманы, высокая обводненность и заболоченность, сильное обледенение и снежные заносы затрудняют обслуживание и ремонт установок катодной защиты и линий электропередачи. Чередование мерзлотности, пучинистости, низкой и высокой минерализации грунтов требуют прямо противоположных решений по защите от коррозии.

Учитывая особенности эксплуатации Северных трубопроводов, для проектирования катодной защиты в [5] предложена система катодной защиты на базе новых технологий и аппаратуры (рисунок 2) и основные критерии ее эффективности (рисунок 3).

РИС. 2. Система катодной защиты северных трубопроводов

РИС. 3. Основные критерии эффективности катодной защиты

Выводы

Таким образом, имеются специфические особенности, из которых следует исходить при разработке и проектировании систем защиты магистральных трубопроводов Севера России:

1) затруднение (невозможность) периодического контроля и обслуживания наземных средств защиты;

2) низкая эксплуатационная надежность наземной аппаратуры и высоковольтных линий электроснабжения (ВЛ 6/10 кВ);

3) затруднение (невозможность) выполнения ремонтных работ систем защиты от коррозии;

4) нестабильность токораспределения на защищаемых коммуникациях по протяженности и во времени.

Трубопроводы, проложенные в многолетнемерзлых грунтах, находятся в неблагоприятных условиях повышенной коррозионной опасности и нуждаются в катодной защите даже в большей степени, чем трубопроводы, проложенные в районах с умеренным климатом.

Литература

1 Неверов, А.С. Коррозия и защита материалов / А.С. Неверов, Д.А. Родченко,
М.И. Цырлин // Минск. Издательство Высшая школа, 2007. – 222 с.

2 СП 36.13330.2012. Магистральные трубопроводы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.06-85*. – М.: Издательство стандартов, 2012. – 97 с.

3 Мустафин, Ф.М. Технология сооружения газонефтепроводов. Том1. Под общ. ред. Профессора Г.Г. Васильева / Ф.М. Мустафин, Л.И. Быков и др. Уфа «Нефтегазовое дело», 2007. – 632 с.

4 Р Газпром 9.2-005-2009. Критерий защищенности от коррозии для участков газопроводов, проложенных в высокоомных (скальных, песчаных, многолетнемерзлых) грунтах. - М.: ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 2009. – 16 с.

5 Галиуллин, З.Т. Средства катодной защиты на базе новых технологий / З.Т. Галиуллин, Н.А. Петров, В.Д. Сулимин «ВНИИГАЗ». Available at: http://www.cathode.ru/t_pub2.shtml.htm.