Влияние протекающего по подземному трубопроводу постоянного электрического тока на потенциал «труба-земля»

На лабораторном образце модели трубопровода было показано [1], что протекание вдоль нее постоянного тока, а также тока с переменной составляющей приводит к изменению потенциала «труба–земля» без токообмена между трубой и окружающим грунтом. С высокой достоверностью аппроксимации была установлена линейная зависимость между значением силы протекающего тока и смещением потенциала. Она имеет важное практическое значение. Поскольку с ее помощью на га-зонефтепроводах из результатов электроизмерений можно исключать смещение потенциала, вызванное действием протекающего тока. Это дает возможность оценивать фактический защитный потенциал сооружения, на основании которого и определяется эффективность работы активных средств противокоррозионной защиты [2].

Однако эти результаты, полученные на физической модели масштаба 1:50 по отношению к реальному трубопроводу, транслировать на действующие трубопроводы большого диаметра некорректно. Для подтверждения полученных результатов были проведены натурные испытания на участке подземного трубопровода (рис. 1).

Объекты и методы исследования

Объект исследования – стальной трубопровод номинальным диаметром 530 мм с наружным изоляционным покрытием трассового нанесения из полимерных лент толщиной 2 мм. Толщина стенки трубы – 8 мм. Избыточное давление в трубе отсутствует. Тип грунта в районе выбранного участка трубопровода – суглинок, удельное электрическое сопротивление грунта – 120 Ом·м. По данным измерения прибором ИПИ-2000, дефектов изоляции на участке не обнаружено.

Для исследования применялись следующие приборы и оборудование: вольтметр универсальный цифровой В7-78/1 (используется для измерения потенциала «труба–земля», с возможностью проведения многократных измерений через дискретные интервалы времени и передачей данных на ЭВМ). Основная погрешность измерения напряжения постоянного тока – не более 0,005%; бензиновый генератор с номинальной мощностью 0,9 кВА, максимальным выходным током 8 А и напряжением 220 В промышленной частоты; источник постоянного тока с плавной регулировкой от нуля до 10 А. Выходное напряжение 12 В. Измеренная

Рис. 1. Эскиз стенда.

величина переменных пульсаций напряжения – не более 300 мВ; для измерения удельного электрического сопротивления грунта использовали омметр М416 с пределом измерений 0,1…1000 Ом.

Элементы стенда собирались в электрическую цепь (см. рис. 2).

Рис. 2. Электрическая схема стенда.

Электрические проводники, выполненные из медного изолированного провода сечением 2,5 мм2, соединялись с задвижкой на одном конце участка трубопровода и с металлом трубы в месте выхода трубопровода на дневную поверхность (см. рис. 1).

Для измерения потенциала были назначены 25 точек контроля, расположенные над осью трубопровода с интервалом 1 м. Испытания проводились в следующей последовательности. Предварительно выполнялось регулирование значения силы тока на выходе источника тока, определяя последовательно значения 3, 5,6 и 7 А. Медносульфатный электрод сравнения пошагово устанавливали в грунт над трубопроводом в первой контрольной точке. Вольтметр настраивали на выполнение 100 измерений со скоростью 27 измерений в секунду.

На 60-м измерении цепь замыкалась ключом, обеспечивая протекание постоянного тока через трубопровод. По окончании измерений цепь снова размыкалась.

Переставляли электрод сравнения в следующую контрольную точку, повторяя процесс измерения. Измерения выполнялись при различном значении силы тока, а также при обратной полярности источника тока.

Результаты исследований

На рисунках 3 и 4 представлены графики изменения потенциала «труба–земля» для различных величин силы тока и его полярности для второй (l=2 м) и пятой (l=5 м) точек контроля потенциала соответственно. После стабилизации потенциал в условиях протекания тока представлял собой во времени относительно постоянную величину. После размыкания цепи весь наложенный потенциал мгновенно обращался в нуль.

Протекающий по подземному участку постоянный электрический ток оказывал существенное влияние на потенциал трубопровода относительно грунта: при значениях силы тока от 5 А и выше потенциал значительно смещался в положительную область значений (смещение потенциала около 1,3 В) до значений Uт-з +0,7…0,8 В. Смещение в отрицательную область происходило не столь интенсивно: около 0,6 В вплоть до значения потенциала минус 1,2 В.

Рис. 3. Графики изменения потенциала «труба–земля» для различных величин силы тока и его полярности для второй точки контроля (l=2 м).

Рис. 4. Графики изменения потенциала «труба–земля» для различных величин силы тока и его полярности для пятой точки контроля (l=5 м).

Рис. 5. Изменение величины отклонения потенциала «труба–земля» от стационарного потенциала в зависимости от силы протекающего тока и его полярности для второй (l=2 м) и пятой(l=5 м) точек контроля.

На рис. 5 представлены графики изменения потенциала «труба–земля» в зависимости от силы протекающего тока и его полярности для обеих точек контроля. График светло-зеленого цвета соответствует точке контроля с расположением на расстоянии 2 м от места подключения к трубопроводу. График темно-зеленого цвета соответствует (см. рис. 2) пятой точке контроля. Наиболее точно аппроксимировать полученные результаты можно двумя линейными моделями для различных значений силы тока: первая – для диапазона силы тока -7…-1 А ; вторая – для диапазона силы тока -1…7 А:

∆ U т-з =0,23I, при I ∈ (-1;7)А;

∆ U т-з =0,033(I+1)-0,4, при I ∈ (-1;-7)А.

Данная математическая модель удовлетворительно описывает изменение потенциала во всех точках контроля (достоверность аппроксимации не менее 0,9). Полученные результаты не в полной мере согласуются с результатами лабораторных испытаний, где была установлена единая зависимость для положительного и отрицательного смещения: ∆Uт-з=0,012I, т.е. в реальном трубопроводе при одинаковом значении силы тока смещение порядка в 20 раз выше. При электроизмерениях на трубопроводах, по которым может протекать электрический ток, эти зависимости необходимо учиты- вать, измеряя значение силы электрического тока, и исключая смещение потенциала, обусловленное таким током.

Выводы

• 1.    Установлены линейные зависимости, описывающие для трубопровода диаметром 530 мм изменение потенциала под воздействием протекающего тока.

• 2.    Показано, что для трубопровода этого диаметра коэффициент влияния силы тока на смещение потенциала почти в 20 раз выше, чем для лабораторной модели масштаба 1:50.

• 3.    При одинаковом значении силы тока смещение потенциала в положительную область происходит более интенсивно, чем в отрицательную.