Как создать эффективную систему ЭХЗ (электрохимической защиты) на действующих нефтегазопромысловых трубопроводах

Эффективность работы систем ЭХЗ доказана годами эксплуатации подземных сооружений по всему миру. В частности, согласно ГОСТ Р 51164-98 магистральные нефтепроводы в нашей стране подлежат обязательной электрохимической защите. Достаточно хорошее изоляционное покрытие таких трубопроводов позволяет поддерживать необходимый (нормативный) уровень защитного потенциала по всей протяженности при сравнительно низких энергозатратах. Но, что делать, если подземное сооружение имеет плохое изоляционное покрытие или не имеет его вовсе, как, например, многие промысловые трубопроводы?

Конечно, в случае «промыслов» среда транспортируемого продукта часто «съедает» трубопровод изнутри быстрее, нежели наружная коррозия. Но, бывают ситуации, когда отказы по наружной коррозии происходят гораздо чаще, чем по внутренней. Связано это, в большинстве случаев, с действием блуждающих токов или с образованием мощных макрогальванических пар с небольшой площадью анодного участка, а значит с большой плотностью тока коррозии. Так же, в последнее время эффективным способом борьбы с внутренней коррозией является ингибирование, что позволяет трубопроводу «дожить» до отказа по причине наружной коррозии. Все это делает весьма актуальным вопрос о противокоррозионной защите наружной поверхности промысловых трубопроводов.

Сама же задача электрохимической защиты наружной поверхности трубопровода принципиально сводится к устранению анодных зон путем повышения потенциала трубопровода (по абсолютному значению) до величины, достаточной для того, чтобы остановить анодное растворение, при этом поверхность трубопровода будет содержать лишь катодные участки. Методов для решения этой задачи, по сути, два:

1. Протекторная защита: установка протекторных групп на коррозионно-опасные участки;
2. Катодная защита: принудительная катодная поляризация всей поверхности трубопровода посредством источника постоянного тока (так называемой СКЗ - станции катодной защиты).

Для линейных магистральных трубопроводов методы проектирования систем ЭХЗ хорошо известны и успешно применяются. Однако на нефтегазопромысловых трубопроводах практически нет примеров успешных и эффективных проектов ЭХЗ. Почему же это происходит?

Во-первых, для систем нефтегазопромысловых трубопроводов характерно наличие большого количества параллельных и пересекающихся объектов. Такое разветвленное строение трубопроводной системы приводит к существенному усложнению наиболее энергетически выгодного маршрута движения защитного тока в цепи электрохимической защиты, и как следствие, к тому, что часть участков трубопроводов не получают необходимой защиты, а некоторые участки даже могут подвергаться разрушению вследствие действия токов ЭХЗ в качестве блуждающих токов.

Во-вторых, отсутствует (частично или полностью) полноценное изоляционное покрытие на промысловых объектах. Все расчетные формулы систем ЭХЗ для трубопроводов содержат различные показатели, связанные с сопротивлением изоляционного покрытия, и все они подразумевают, что изоляционное покрытие на трубопроводе по меньшей мере есть, и его значение составляет 5-10 КОм•м². Если же изоляционного покрытия нет, то формулы лишаются важного буферного элемента и становятся слишком чувствительными к незначительным изменениям других исходных данных. Дополнительная сложность возникает при суперпозиции обеих описанных проблем. В теории проектирования ЭХЗ принято взамен нескольких трубопроводов принимать в расчете ряд усредненных параметров условного эквивалентного трубопровода. Вот пример расчета переходного эквивалентного сопротивления двух трубопроводов:

Когда все усредняемые показатели близки (разница в электрических характеристиках трубопроводов 2-3 раза), то проблем нет. А вот если эта разница превышает 10 раз, то вместо математически эквивалентной величины получается «средняя температура по больнице», и, соответственно, спроектированные таким образом системы ЭХЗ промысловых трубопроводов могут работать крайне неэффективно.

Пример трубопровода с изношенной битумной изоляцией

Еще одной распространенной ошибкой является неправильный выбор самих средств ЭХЗ в проекте. Применение изолирующих вставок, например, при их некорректном расположении, приводит к образованию дополнительных анодных зон, а не к улучшению показателей катодной защищенности трубопроводов. Протекторные установки (ПУ) на промысловых трубопроводах также нужно применять очень осмотрительно. Протекторы создают малую зону защиты и слабо поддаются регулировке, что, в условиях защиты оголенного или плохо изолированного трубопровода, неизбежно приведет к их преждевременному износу, иными словами, они просто быстро «выгорят». Так же дискретность установки группы протекторов на таком трубопроводе будет весьма высокой, что не приемлемо ни технически (заболоченная местность, доступ к протекторной установке), ни экономически (стоимость, монтаж). Поэтому, в случае промысловых трубопроводных систем, катодная защита - гораздо более мощный метод в плане возможности изменения уровня защитного потенциала и увеличения зоны защиты. В данном случае все зависит, в первую очередь, от источника тока - СКЗ. Чем больше запас по току у преобразователя, тем на большее значение возможно поднять потенциал. Но тут следует понимать, что растворение анода (анодного заземления - неотъемлемой части катодной защиты) будет пропорционально силе тока в цепи.

Правильный выбор анодного заземления, как одного из самых дорогостоящих компонентов системы УКЗ (установки катодной защиты), является наиболее сложным этапом при проектировании систем ЭХЗ. Например, в условиях нефтегазового месторождения при защите сетей нефтесбора или водоводов выбор вертикальных глубинных анодов часто нежелателен, т.к. практически весь ток с такого анода уйдет в обсадную колонну скважины, которая электрически соединена с нефтесбором. Однако, если, например, использовать ПГА (протяженный гибкий анод), то шансы защитить трубопровод резко возрастают, т.к. анод такого типа прокладывается вдоль защищаемого трубопровода на сравнительно небольшом расстоянии, причем создаваемое им поле защитного тока практически полностью замыкается на сам трубопровод.

Таким образом, проектирование системы ЭХЗ разветвленных сетей действующих промысловых трубопроводов с разнообразным состоянием изоляционного покрытия практически невозможно в камеральных условиях. Помимо вышеизложенного, это связано с тем, что неизвестно какие в точности электрические параметры имеют защищаемые объекты, степень их взаимного экранирующего влияния и др.

Поэтому, для решения этой задачи нами разработан собственный метод проектирования ЭХЗ существующих сложных промысловых трубопроводных систем, основанный на выполнении предварительных опытных включений переносного преобразователя (мобильной СКЗ), скоммутированного с мобильными временными анодными заземлениями разных типов на всей протяженности защищаемого трубопровода. Это позволяет опытным путем установить наиболее эффективные виды анодных заземлений на конкретном объекте и определить необходимые токи СКЗ, и получаемые зоны защиты. На основании этих данных выбирается тип и дискретность расстановки УКЗ для достижения необходимых сдвигов потенциала для обеспечения полной защиты системы трубопроводов.

Испытания различных типов анодных заземлений на месторождении

Дополнительно с помощью опытных включений, в случае наличия коридора из двух и более трубопроводов, можно реализовать красивое и экономичное техническое решение по ЭХЗ - использование в качестве анодного заземления трубопроводов, выведенных из эксплуатации (причем неважно, находятся ли данные трубопроводы в изоляции или нет). В этом случае экономические затраты на закупку и монтаж анода сводятся к нулю, а эффективность работы такого анода превышает эффективность работы ПГА при прочих равных условиях.

Подключение опытной катодной станции к трубопроводу, выведенному из эксплуатации (фотография выполняемых работ и схемы возможных подключений)

Подготовка к проведению опытных включений заключается в уточнении месторасположения защищаемых трубопроводов, а так же всех трубопроводов, смежных с ними. Производятся измерения удельного сопротивления грунта и естественных потенциалов трубопровода. Затем, на основании полученных данных, осуществляется предварительная расстановка точек включения опытной СКЗ. Для коммутации преобразователя необходимо обеспечить надлежащий электрический контакт. В процессе проведения опытных включений количество точек включения СКЗ может корректироваться с учетом получаемых данных о сдвиге потенциала.

Таким образом, разработанная методика позволяет спроектировать систему ЭХЗ под конкретное месторождение, причем ее эффективность работы подтверждается в процессе коррозионных изысканий (опытных включений мобильной СКЗ). Следует отметить, что при применении нашей методики проектирования, небольшое удорожание этапа изысканий за счет проведения опытных включений с лихвой компенсируется экономией заказчика на закупку и установку лишних анодных заземлений, особенно если в качестве анодного заземления удается применить выведенные из эксплуатации трубопроводы. В заключение хочется сказать, что при тщательном и вдумчивом отношении к проектированию систем ЭХЗ нефтегазопромысловых трубопроводов, безусловно, можно добиться положительных результатов. Мы надеемся, что этот могущественный метод противокоррозионной защиты в ближайшие годы будет все чаще находить применение не только на линейных трубопроводах, но и на более сложных, разветвленных промысловых трубопроводных системах.

Хотите узнать больше о коррозии металлических конструкций и методах противокоррозионной защиты?

Скачайте наше специализированное учебно-справочное приложение «Защита от коррозии»