Методика расчета протекторной защиты трубопровода

Исходными данными для проектирования гальванической защиты (ГЗ) — защиты гальваническими анодами (протекторами) — являются:

• — геометрические и электрохимические характеристики гальванического анода;
• — удельное электрическое сопротивление грунта в месте установки анода у трубопровода;
• — диаметр и при необходимости переходное сопротивление трубопровода.

Расчет ГЗ сводится к определению:

• — силы тока в цепи гальванический анод — труба;
• — срока службы анода;
• — необходимого числа анодов для защиты участка трубопровода.
• 1. Сила тока J (А) в цепи одиночный гальванический анод (ГА) — трубопровод в общем случае равна:

J₁ = [Е_т (J) — Е_га (J)]/ R = [E(J)]/ R

где Е_т (J) и Е_га (J) — электродные потенциалы трубы и ГА при силе тока J, R (Ом) — омическое сопротивление в цепи ГА — труба.

Величины Е_га и особенно Е_т представляют собой сравнительно сложные функции силы тока J. Поэтому при проектировании ГЗ чаще всего упрощенно принимают E(J) 0,6 В. При этом.

J₁ 0,6 / R (1).

2. Омическое сопротивление R представляет собой сумму сопротивлений растеканию тока ГА Ra, проводника, соединяющего ГА с трубой Rсп, и входного сопротивления трубопровода Rт:

R = R_a + R_сп +R_т (2).

Принимается, что поляризационные сопротивления ГА и трубы не зависят от тока и входят в значения R_a и R_т соответственно.

3. Входное сопротивление трубопровода равно:

(3).

где R_прод — продольное сопротивление металла трубы на единицу ее длины; R_пер — переходное сопротивление труба-земля. R_прод при известных удельном сопротивлении металла трубы, _м (Ом· м), ее диаметра D (м) и толщине стенки (мм) вычисляется легко:

R_прод (Ом· м) = _м / [· (10³ D —) · ] (4).

Значение R_пер вычислить сложнее:

(5).

Здесь R_из (Ом· м) — сопротивление изоляции на единицу длины трубы, _г — (Ом· м) — удельное сопротивление грунта, h_т — расстояние от поверхности земли до оси трубы. Значение R_из убывает во времени t, R_из = R_из (t), поэтому в уравнении (5) R_из при расчете ГЗ следует в зависимости от задачи относить к моменту начала или конца эксплуатации ГА. Если известно или принято удельное поверхностное сопротивление изоляции (Ом· м ²), то R_из вычисляется по формуле:

(6).

4. Сопротивление соединительного провода равно:

R_сп (Ом) = _сп l_сп / S, (7).

где _сп — удельное сопротивление металла провода (для меди и алюминия соответственно 0,0175 и 0,028 Ом· мм ² /м), l_сп (м) — длина, S (мм ²) — сечение соединительного проводника.

Обычно основной вклад в величину R вносит сопротивление растеканию тока анода R_a, и чаще всего вместо уравнения (2) используют упрощенную формулу:

R R_a (8).

• 5. Значение R_a зависит от расположения анода в грунте, длины анода l_a (м); его диаметра d_a (м); удельного сопротивления грунта _г; отсутствия или наличия засыпки — активатора: специальной смеси для снижения и стабилизации сопротивления растеканию тока и предотвращения пассивации ГА. При наличии засыпки в расчет вводятся ее удельное сопротивление _з (Ом· м); высота l_з (м) и диаметр d_з (м) столба засыпки.
• 6. Для вертикального анода без засыпки сопротивление растеканию тока равно:

R_a = (_г / 2 l_a){ln (2l_a / d_a) + 0,5 · ln [(4h + l_a) / (4h — l_a)]}, (9).

где h (м) — расстояние от поверхности земли до середины анода.

7. Для вертикального ГА с засыпкой (комплектного анода):

R_aз = (_г / 2 l_з){ln (2l_з / d_з)+0,5 · ln [(4h + l_з)/(4h — l_з)]+ [(_з / _г) · ln (d_a /d_з)]}, (10).

8. Для горизонтального ГА без засыпки:

(11).

9. Для горизонтального ГА с засыпкой (комплектного анода).

(12).

Формулы (8) — (11) справедливы при условии l_a > d_a, l_з > d_з. Формулы (9) и (10) справедливы при условии соответственно l_a < 4h, l_з < 4h.

10. Значения Ra для выпускаемых магниевых протекторов типа ПМ-У при h 2,5 м могут быть рассчитаны по эмпирической формуле.

R_аз = А_г + В, (13).

где, А и В — численные коэффициенты, приведенные в таблице:

11. Срок службы одиночного ГА, Т (годы), вычисляют по формуле:

Т = G q _{п и} / (J_ср · 8760), (14).

где G — масса ГА (кг); q — теоретическая токоотдача материала анода, А. ч/кг (для магниевых анодов 2330 А. ч/кг); _п — к.п.д. анода (обычно принимают _п = 0,6 или по технической документации на анод); _и — коэффициент использования материала анода (обычно принимают _и = 0,90); J_ср (A) — средняя сила тока в цепи анод-труба за период эксплуатации анода T.

12. Количество одиночных анодов, необходимое для защиты сети трубопроводов, вычисляется из суммарного катодного тока Jc (А), требуемого для защиты сети. Значение Jc для построенных трубопроводов может быть найдено из данных опытного включения передвижных катодных станций, а для проектируемых трубопроводов — из необходимой плотности защитного тока и суммарной площади поверхности трубопроводов. С учетом этого необходимое количество идентичных одиночных анодов N равно:

N = J_c / J₁, (15).

где J₁ определяется уравнением (1), а значение R в уравнении (1) — формулой (2) или (8).

• 13. В целях эффективного использования и удобства контроля ГА при эксплуатации часто размещают группами. Количество групп, их местоположение и число анодов в каждой группе определяются при проектировании в зависимости от условий расстановки.
• 14. Общее число анодов в группе, необходимое для защиты данного участка трубопровода, определяется по формуле:

n_гр = J_з / J_{1 ср}, (16).

где J_з — сила тока, необходимая для защиты участка;

_ср — средний коэффициент использования анода.

Значение _ср может приниматься равным 0,85 при расстояниях между соседними анодами 2−5 м.

После размещения групп ГА на плане подземных сооружений вычисляется ожидаемая сила тока J_ож в каждой группе:

J_ож = n_гр · J₁ ·, (17).

где — коэффициент использования ГА. Значение для ряда вертикальных комплектных анодов может быть найдено по диаграмме рис. У 1 в зависимости от числа анодов в группе n_гр и отношения a/l_з межанодного расстояния а (м) в группе к длине комплектного анода l_з (м).

15. В случае применения ГЗ для защиты от опасного влияния блуждающих токов необходимый ток ГЗ определяют на построенном трубопроводе (путем опытного включения катодной станции или ГА) как величину, обеспечивающую полное подавление положительного смещения суммарного потенциала от стационарного.

Рис. 1. Зависимость коэффициента использования () анодов группы ГА от количества (n) анодов в группе и отношения a/l_з межанодного расстояния (а) к длине (l_з) комплектного анода; а — ГА типа ПМ-5У; б — ГА типа ПМ-10У и ПМ-20У