СПОСОБ КОРРОЗИОННОГО КРОСС-МОНИТОРИНГА ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2000 года по МПК F16L58/00 

Изобретение относится к защите от коррозии подземных металлических сооружений, преимущественно магистральных трубопроводов, и направлено на повышение надежности их эксплуатации.

Известен способ контроля текущего состояния и обнаружения отслоения защитного покрытия заглубленных или подповерхностных трубопроводов и других металлических конструкций [1] , находящихся под действием катодной защиты, согласно которому по ним локально пропускают синусоидальные токи возбуждения, измеряют реакции-отклики по напряжению и сравнивают отклики на разных частотах. На основе совпадения или различия откликов в разных точках сооружения на разных частотах делают вывод о состоянии защитного покрытия. Данный способ дает положительные результаты при последовательном прохождении оператором всей трассы сооружения с заглублением двухполюсного зонда с шагом порядка 2 - 10 м. Однако такие измерения достаточно трудоемки, занимают весьма продолжительное время и не могут повторяться на макрообъектах, к которым, в частности, относятся магистральные трубопроводы, достаточно регулярно, чтобы эффективно отслеживать возникающие изменения в параметрах изоляционного покрытия.

Известен способ катодной защиты многониточных магистральных подземных трубопроводов, который осуществляет надежный дистанционный мониторинг за состоянием трубопровода путем телеметрии режимов (рабочие токи и напряжения) устройств катодной защиты (УКЗ), параметров датчиков поляризационного потенциала, датчиков скорости коррозии и датчиков наводороживания и телеуправления режимами работы УКЗ [2]. Данное изобретение было практически реализовано в радиокосмическом комплексе электрохимической защиты РК ЭХ3-93 [3]. Недостатком мониторинга, осуществляемого данным устройством, является проведение коррозионных измерений только в т.н. "горячих точках" ("hot-point control"), т.е. в точках расположения коррозионных датчиков. Очевидно, что для объектов протяженностью от десятков до тысяч километров невозможно достаточно частое и равномерное размещение коррозионных датчиков вдоль сооружения, а следовательно, невозможно получение достаточно объективной информации по всей протяженности трубопровода. Кроме того, за исключением выходного тока УКЗ, показания вышеуказанных датчиков характеризуют состояние изоляционного покрытия косвенно, позволяя лишь характеризовать ту или иную степень общей коррозионной опасности, которой подвергается трубопровод.

Наиболее близким к предлагаемому является способ постоянного дистанционного мониторинга подземных конструкций TERMS (TransWawe Expert Risk Management System) [4], находящихся под действием тока катодной защиты, заключающийся в предварительном обследовании сооружения с помощью мобильных лабораторий, разбиении его на участки, установке выходных характеристик УКЗ, регистрации на границах участков формы защитного потенциала сооружение-грунт, сборе и передаче по каналу связи накопленных данных из регистраторов в компьютер диспетчерского пункта, архивации, цифровой фильтрации и последующего сравнения в компьютере результатов измерений с полученными ранее и с полученными с соседних регистраторов и выдачи сообщений с местоположении участков сооружения, коррозионные параметры которых вышли за установленные пределы.

Данный способ, благодаря одновременному измерению формы напряжения труба-грунт порядка 10000 раз в секунду в различных точках трубопровода, позволяет выявить кратковременные интервалы выхода напряжения катодной защиты вне допустимых значений (-0,85 В...-1,25 В для стальных сооружений), выявить по ослаблению тока катодной защиты участки с нарушением или деградацией защитного покрытия, а также обнаружить наличие на наблюдаемом участке блуждающих токов и выявить некоторые их характеристики, например частоту, по которой предположительно можно определить источник происхождения этих токов (электрифицированные железные дороги, посторонние УКЗ проходящих рядом коммуникаций).

Недостатком данного способа является необходимость предварительного обследования участка с помощью мобильных средств, а также осуществление мониторинга сооружений, оборудованных УКЗ двухполупериодным выпрямлением тока.

Если сооружение защищено современными УКЗ с низкими значениями пульсаций выходного тока (не более 3%, согласно ГОСТ Р51164-98 "Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии"), то регистраторы будут фиксировать форму главным образом паразитных сигналов в трубопроводе, имеющих определенный частотный спектр (наводки от ЛЭП, воздействие блуждающих токов и т.п.), что не дает информации о деградации изоляционного покрытия.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение качества мониторинга путем получения интегральной оценки состояния изоляционного покрытия участков сооружения.

Для решения поставленной задачи в способе коррозионного мониторинга подземных металлических сооружений, находящихся под действием тока катодной защиты, заключающемся в разбиении сооружения на участки, установке выходных характеристик УКЗ, регистрации на границах участков формы защитного потенциала сооружение-грунт, сборе и передаче по каналу связи накопленных данных в диспетчерский пункт, где производят архивацию и цифровую фильтрацию полученных данных и сравнение результатов с полученными ранее и определяют местоположение участков сооружения, коррозионные параметры которых вышли за установленные пределы, производят модуляцию по частоте тока катодной защиты, в начале и конце участков дополнительно регистрируют форму тока, протекающего в сооружении, а по изменению амплидудно-фазочастотных характеристик производят интегральную оценку деградации изоляционного покрытия участков сооружения.

При этом:
- токи катодной защиты могут модулироваться поочередно на начальном и конечном участке сооружения;
- модуляция может осуществляться прерыванием тока катодной защиты с оценкой деградации изоляционного покрытия по изменению импульсных переходных характеристик.

В качестве примера предлагаемый способ рассматривается применительно к подземным металлическим трубопроводам, что не является ограничивающим фактором сферы применения технического решения.

Для надежного контроля утечек сквозь изоляционное покрытие необходимо измерять затухание сигнала переменного тока между соседними регистраторами от постоянно действующего источника, которым могут быть только УКЗ. Но, как отмечалось выше, современные магистральные трубопроводы оборудуются УКЗ, формирующими практически постоянный ток, затухание которого в трубопроводе определяется только дефектами изоляции типа сквозной перфорации. В то время как отслоение, вздутие изоляционного покрытия, образование в нем микропор не приводит к нарушению электропроводности по постоянному току. Однако, в результате образования пустотной полости, часто заполненной почвенным электролитом, ток катодной защиты не способен эффективно защитить трубопровод и, несмотря на удовлетворительные характеристики таких участков по сопротивлению постоянному току, в них активно идут коррозионные процессы, в том числе с выделением газообразных продуктов, приводящие к дальнейшему расширению очага отслоения и постепенному разрушению сооружения.

Известно, что дефекты такого вида при пропускании по трубопроводу переменного тока имеют характеристики затухания, отличные от характеристик затухания трубопровода с идеальной изоляцией и от характеристик затухания трубопровода со сквозными дефектами (см. [1]).

С целью обнаружения в изоляционном покрытии дефектов обоих типов (перфорация, отслоение) ток УКЗ, независимо от его вида (двухполупериодное выпрямление, двухполупериодное выпрямление с регулированием скважности, постоянный), модулируют для гарантированного создания тестового сигнала переменного тока, причем для мониторинга протяженных участков или мониторинга трубопроводов большого диаметра необходимо применять модуляцию инфранизкими частотами (доли, единицы герц) для того, чтобы воздействие модулированного сигнала можно было наблюдать на обоих концах участка.

Кроме того, поскольку различные дефекты трубопровода имеют различные характеристики затухания, тестовый сигнал должен включать в себя различные спектральные составляющие. Это может достигаться с помощью, например, прерывания тока УКЗ, последовательного или одновременного пропускания через трубопровод синусоидальных токов различных частот.

Для достижения цели изобретения на начальном и конечном участках исследуемого отрезка трубопровода одновременно с формой защитного потенциала труба-грунт дополнительно регистрируют форму тока, протекающего по трубопроводу, что позволяет получить характеристики затухания тока, а также определить амплитудно-фазочастотные характеристики отрезка трубопровода. Деградацию изоляционного покрытия трубопровода, проявляющуюся в изменении его распределенных R-L-C параметров, зарегистрируют и определят по изменению амплитудно-фазочастотных характеристик.

Подавая тестовое воздействие со стороны конечного участка отрезка трубопровода (выходные зажимы четырехполюсника) и регистрируя отклик на начальном участке отрезка трубопровода (на входных зажимах четырехполюсника), получаем дополнительные характеристики состояния изоляционного покрытия (обратную передачу четырехполюсника).

Способ коррозионного мониторинга, при котором тестовые воздействия подаются на исследуемое сооружение как со стороны начального участка, так и со стороны конечного участка при одновременной регистрации параметров на начальном и конечном участке, назовем коррозионным кросс-мониторингом.

Существо технической реализации способа, предложенного в рамках изобретения, рассматривается ниже на частном примере, проиллюстрированном на фиг. 1 и фиг. 2.

На фиг. 1 изображен участок трубопровода 1, находящийся под действием тока катодной защиты УКЗ 2, 3 и других, расположенных вне участка 1 и не показанных на фиг. 1. УКЗ включены между трубопроводом 1 и анодными заземлителями 4 через модуляторы 5, 6. Вблизи трубопровода помещены датчики тока 7, 8 и датчики потенциала труба-земля 9, 10. В качестве датчиков тока используются дистанционные измерители тока на основе феррозондов, в качестве датчиков потенциала - стандартные медно-медно-сульфатные электроды. Сигналы с датчиков 7 -10 поступают на периферийные контроллеры 11, 12, регистрирующие их форму и управляющие работой модуляторов. Контроллеры связаны по радиоканалу 13 с диспетчерским пунктом 14.

Кросс-мониторинг осуществляется следующим образом. По команде из диспетчерского пункта 14 контроллер 11 формирует на выходе модулятора 5 синусоидальный ток постоянной амплитуды I1 определенной частоты. Контроллеры 11 и 12 синхронно регистрируют формы токов I1, I2 и напряжений U1, U2 с датчиков 7 - 10 в начале и конце участка трубопровода 1. Накопленные данные передаются по радиоканалу 13 в диспетчерский пункт 14. Затем измерения проводятся на других фиксированных частотах, после чего модулятор 5 по команде от контроллера 11 отключается, включается модулятор 6 и измерения повторяются при пропускании модулированного тока в обратном направлении (на фиг. 1 не показано).

Рабочий диапазон частот кросс-мониторинга выбирается исходя из следующих ограничений, накладываемых конкретными особенностями трассы: верхняя частота определяется наличием отклика тока 12 на дальнем конце участка, нижняя - возможностью выделения полезного сигнала.

Данные накапливаются ежедневно с тем, чтобы отфильтровать характеристики деградации изоляционного покрытия из изменения параметров системы трубопровод-грунт-анодный заземлитель (сезонных, случайных и т.п.).

Обработанные данные выводятся в виде амплитудно-фазочастотных характеристик участка 1, например, так, как показано на фиг. 2.

На фиг. 2а приведена зависимость прямого коэффициента передачи от частоты модуляции:
K(ω)=I2(ω)/I1(ω) при I1 (ω)=const
На фиг. 2б приведена прямая фазочастотная характеристика участка трубопровода для разности фаз токов I2 и I1 при I1 (ω) =const.

На фиг. 2в приведена зависимость комплексного входного сопротивления со стороны начального участка трубопровода Z(ω)=U1(ω)/I1(ω) при I1=const.

Верхние кривые на всех графиках фиг. 2 соответствуют участку трубопровода в начале мониторинга, нижние - в конце мониторинга на участке, имеющем тенденцию к ухудшению качества изоляционного покрытия.

На основании проведенных испытаний можно утверждать, что предлагаемый споcоб кросс-мониторинга подземных металлических сооружений позволяет проводить надежную и объективную оценку интегрального состояния изоляционного покрытия подземных металлических коммуникаций, выявляя участки с возникшими изменениями качества изоляционного покрытия для последующего первоначального обследования их т.н. "интенсивными" методами.

Источники информации
1. Патент RU 2104440 (C1) F 16 L 58/00 20 мая 1998.

2. Патент RU 2086703 (C1) C 23 F 13/22 24 октября 1997.

3. Петров Н. А. , Щелкунов Ю.Н. (ВНИИГАЗ), Нестеров В.А., Львович В.А. (ГУП "Парсек"). "Практическая реализация и результаты опытно-промышленной эксплуатации системы коррозионного мониторинга и контроля параметров катодной защиты комплекса РК ЭХЗ-93". Семинар "Противокоррозионная защита магистральных газопроводов и подземных коммуникаций компрессорных станций. Критерии оценки защищенности газопроводов". 21-24 января 1998 г. (г. Белоярский). Сборник докладов.

4. Проспект фирмы KAUKO Condition Monitoring на выставке НЕФТЕГАЗ'97 (MIOGE-97). Москва, 1997 г. Раздел 2.2, стр. 4.

Изобретение относится к строительству и используется при коррозионной защите подземных трубопроводов. Разбивают сооружение (трубопровод) на участки, модулируют по частоте ток катодной защиты, регистрируют в начале и в конце участка формы потенциала сооружение-грунт и ток в сооружении, передают накопленные данные в диспетчерский пункт, определяют амплитудно-фазочастотные характеристики участков и степени деградации изоляционного покрытия участка по изменению этих характеристик. Модуляция может производиться поочередно на начальном и конечном участке сооружения, а также прерыванием тока катодной защиты с регистрацией переходных импульсных характеристик. Повышает надежность подземного трубопровода. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ коррозионного кросс-мониторинга подземных металлических сооружений, находящихся под действием тока катодной защиты, заключающийся в разбиении сооружения на участки, установке выходных характеристик устройств катодной защиты, регистрации на границах участков формы защитного потенциала сооружение-грунт, сборе и передаче по каналу связи накопленных данных в диспетчерский пункт, архивации, цифровой фильтрации и последующего сравнения результатов измерений с полученными ранее и выдачи оператору сообщений о результатах измерений и местоположении участков сооружения, коррозионные параметры которых вышли за установленные пределы, отличающийся тем, что ток катодной защиты модулируют по частоте, в начале и конце участков дополнительно регистрируют ток, протекающий в сооружении, а в диспетчерском пункте по изменению амплитудно-фазочастотных характеристик производят интегральную оценку деградации изоляционного покрытия участков сооружения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что токи катодной защиты модулируют поочередно на начальном и конечном участке сооружения. 3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что модуляцию осуществляют прерыванием тока катодной защиты, а в диспетчерском пункте производят оценку деградации изоляционного покрытия по изменению импульсных переходных характеристик.