WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

По известному значению Vкор может быть найдена не только величина ja, но и э.д.с. E гальванопары.

Поскольку для короткозамкнутой гальванопары ее э.д.с. E равняется сумме перенапряжений a анода и к катода, а для слабополяризуемого катода к 0, то Е =а. (19) Найденное значение E позволяет определить защитный потенциал, необходимый для уменьшения скорости коррозии.

В третьей главе приводится классификация способов защиты от коррозии и практические способы их реализации.

Среди вариантов электрохимической защиты (ЭХЗ) рассматривается катодная защита, как наиболее часто применяющийся метод замедления коррозии подземных трубопроводов (рис.4).

Анод + СКЗ a _ jгр Iдр x 0 стенка трубы изоляция jст повреждение точка дренажа изоляции max min плечо защиты плечо защиты L 0 L Рис.4. Схема катодной защиты зона действия предыдущей СКЗ зона действия следующей СКЗ При локальном повреждении изоляции имеет место прямой контакт грунта с внешней поверхностью трубопровода, вследствие чего наблюдается резкое увеличение плотности тока jгр, приводящее к уменьшению тока коррозии. Эффективность катодной защиты характеризуется степенью защиты Kзащ, определяемым следующим способом:

ja - ja Kзащ =, (20) ja где ja и ja - плотности анодного тока до и после катодной защиты.

Иллюстрация воздействия катодной защиты проводится с помощью коррозионных диаграмм, где показано, что при наложенной защите происходит смещение потенциала коррозии кор в область более отрицательных значений, что приводит к уменьшению анодного тока.

Рассмотрено влияние наложенной катодной защиты на кинетику коррозионного процесса в модельной трещине (рис.5 (а)).

lx lx jгр токопроводящий электрод 1 + электролит электролит ly ly э э э(z) э(z) jк(z) jк(z) z dz z dz jэ(z) jэ(z) Rк Rк jк(z) jк(z) Rк Rк Rк jк(z) Rк jк(z) z+dz z+dz Rк Rк l l jк(z) jк(z) jэ(z+dz) jэ(z+dz) э(z+dz) э(z+dz) z z z ' токопроводящий электрод 2 - а) б) Рис.5. Картина растекания токов в электролите и металле при наложении управляемого внешнего потенциала o (а) и расчетная схема для определения токов и потенциала электролита (б) Воздействие анодного заземлителя катодной защиты в зоне локального повреждения имитируется электрическим полем двух электродов, при этом на время «забывается» анодное состояние вершины трещины, т.е. вся поверхность контакта щели с электролитом считается катодом.

Для получения основных соотношений используется расчетная схема (рис.5(б)), в которой по сравнению с рис.2(б) изменено направление тока jэ z на противоположное. Тогда система уравнений для описания ( ) кинетики электрохимического процесса в трещине выглядит следующим образом:

djэ z ( ) ( ) dz =- rв jk z ( ) э jэ z = - dэ z (21) ( ) dz э -эр ( ) jk z = jok exp вk, где jok - плотность тока обмена катода;

вk -тафелевская константа для катода.

Изменение выражения для плотности jk по сравнению с (5) связано со значительной поляризацией катода в рассматриваемом случае.

Из системы (21) выводится следующее нелинейное уравнение для потенциала э z :

( ) d э э = А exp, (22) dz2 вk эр э где А = jоk exp - - постоянная с размерностью В/м2.

rв вk Что касается граничных условий, то в главе рассматриваются граничные условия 1-ого рода:

э = о, при z = (23) = эl, при z = l.

э Величина 0 определяется естественным потенциалом ест подземного трубопровода и защитным потенциалом защ станции катодной защиты (СКЗ) 0 = ест -защ + эр (24) и для реальных условий эксплуатации подземных магистральных газопроводов лежит в диапазоне 0 = 0,1 2,5В. (25) Нахождение значения эl производится следующим образом.

Плотность катодного тока jв в вершине трещины определяется уравнением Тафеля для катода, переписанном в следующем виде:

эl -эр jв = jоk exp (26) вk.

Эта же плотность тока jв может быть связана с плотностью тока ja, рассмотренной во второй главе, через степень защиты Kзащ :

jв = Kзащ ja 0 Kзащ 1. (27) () Таким образом, по заданному значению степени защиты Kзащ из (27) и (26) может быть найдено значение эl :

jв эl Kзащ = эр + вk ln (28) ( ).

ja Решением системы (22)-(23), названым 1-ым решением, является следующее неявное выражение для э z :

( ) А эl z = exp - 2вk 2вk (29) -эl ( ) э z -эl arctg exp -1 - arctg exp -1.

вk вk Поскольку справочное значение тафелевской константы вk равно 0,052 В, то уже для значения 0 = 0,3 В (с учетом того, что эl < 0) практически реализована физическая бесконечность, что позволяет получить из (29) следующее соотношение между глубиной щели и потенциалом эl :

эр -эl К ( ), (30) защ lпр К = lхар exp ( ) защ 2вk 2rввk где lхар = - характерная длина, смысл которой поясняется 2 э jоk ниже.

Условие (30) имеет простое объяснение: если глубина трещины l удовлетворяет неравенству l lпр К, (31) ( ) защ то на такой длине возможно удержание потенциала эl Kзащ на ( ) заданном уровне.

Если же выполняется обратное соотношение l > lпр К, (32) ( ) защ то значение потенциала в вершине трещины будет меньше эl Kзащ.

( ) При выполнении более сильного неравенства l lхар = lпр 0 (33) ( ) ток jв практически равен нулю, т.е. потенциал 0 (при сколь угодно большом значении) не влияет на характер электрохимических процессов в вершине трещины, что эквивалентно выполнению равенства эl = эр.

В работе выполнено построение зависимостей э z, jэ z, jk z ( ) ( ) ( ) для конкретных значений параметров модельной трещины.

Далее проводится «включение» анода вершины, что приводит к следующим результатам. При значении Kзащ = 1 ток jв = ja, т.е. при начальной глубине трещины l 0 lпр 1 процесс коррозии будет ( ) ( ) подавлен полностью.

Если же начальная глубина трещины будет больше lпр 1, то ( ) коррозия в вершине будет продолжаться с увеличивающейся скоростью (1ая стадия глубинного роста трещин). При достижении глубины l = lхар коррозионный процесс идет с постоянной скоростью Vкор, соответствующей плотности тока ja (2-ая стадия роста).

Закон роста трещины в глубину в этом случае определяется следующей цепочкой равенств, опирающихся на соотношения (14), (26) и (30):

dl ( )= V = ja - jв = к э ( ) ( ) d 2 Fe эl -эр ( ) к э = ja - jok exp = (34) 2 Fe вk 22 lхар ( ) к jok lхар lпр э = ja - jok = V 1- = Vкор 1.

2 Fe ll2 ja l Таким образом, уравнения глубинного роста трещины выглядят следующим образом:

dl lпр ( ) =Vкор 1- ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ; l 0 > lпр 1 ; l 0 l < lхар 1- ая стадия d l (35) dl ( ) ( ) ( ) d =Vкор; l 0 = lхар; lхар l 2 - ая стадия.

Графический вид мгновенных зависимостей V и l приведен ( ) ( ) на рис.6.

V l V l l( ) = l0 +Vкор l( ) = l0 +Vкор Vкор Vкор lхар lхар lllпр (1) lпр (1) 1-ая стадия 2-ая стадия 1-ая стадия 2-ая стадия 0 1 0 0 1 0 а) б) а) б) Рис.6. Зависимость мгновенной скорости (а) и мгновенной глубины трещины (б) от времени :

1 - продолжительность первой стадии В четвертой главе автором предлагается приближенный расчет следующих параметров катодной защиты:

- напряжение U между грунтом и трубопроводом;

- потенциал V стенки трубопровода;

- плотность тока jгр из грунта на трубопровод для неповрежденных и поврежденных участков изоляции;

- ток I в стенке трубопровода или его плотность jст.

Приводятся расчеты предельной глубины защиты lпр Kзащ при ( ) изменении параметров трещины и соответствующие графики.

Основное внимание уделено влиянию катодной защиты с учетом того обстоятельства, что ток jгр ограничен по своему максимальному значению.

По результатам исследований ряда авторов диапазон изменения jгр составляет jгр = 0,02 0,45 А/ м2, (36) где нижнее значение соответствует влажной среде, а верхнее – почве с высокой биологической активностью сульфатновосстанавливающих бактерий.

При рассмотрении коррозии на предыдущих этапах потенциалсчитался фиксированным, что позволяло иметь очень высокую плотность тока jэ 0 на устье вершины.

( ) Поскольку jэ 0 = jгр, то находилось решение уравнения (22) при ( ) измененном первом граничном условии (23):

dэ =-э jгр, при z = (37) dz э = эl, при z = l.

Соответствующее решение (2-е решение) имеет следующий вид:

А эl z = exp - 2вk 2вk (38) э jгр э z -эl ( ) arctg -1.

- arctg exp вk 2Авk Анализ решения (38) показывает следующее. Если выполняется необходимое условие подавления коррозии jгр > ja, (39) то коррозионный процесс в вершине трещины будет остановлен, при ее длине, удовлетворяющей следующему неравенству:

jгр l lпр 1 = rв. (40) ( ) ja С учетом реальных диапазонов изменения основных параметров, величина lпр 1, определяемая формулой (40), намного меньше, чем ( ) величина lпр 1, вычисляемая по формуле (30). Таким образом, ( ) вероятность продолжения коррозионного процесса в этом случае будет намного больше.

Вывод уравнения глубинного роста трещины, соответствующего решению 2, проводится по схеме (34), конечное уравнение имеет следующий вид:

jгр rв dl V = = Vкор 1- ( ) ( ) ( ) ; l 0 > lпр 1. (41) d ja l Зависимости V и l уравнения (41) схожи с зависимостями ( ) ( ) рис.6, однако время выхода 1 скорости V на стационарное значение ( ) Vкор существенно меньше.

Следует отметить, что рассмотренные в работе случаи 0 = const и jгр = const соответствуют предельным закономерностям коррозионного развития трещины при наличии катодной защиты. В реальном случае происходит изменение во времени как величины 0, так и величины jгр.

Корректное рассмотрение такого процесса выходит за рамки диссертационной работы.

Основные выводы по работе На основе кинетики электрохимических процессов получены распределения потенциала и токов электролита в коррозионной трещине стенок магистральных газопроводов.

1. Получено и решено уравнение динамики глубинного роста трещин в стали газопровода в отсутствии катодной защиты.

2. Выявлено влияние катодной защиты на кинетику электрохимического процесса в природном электролите трещины.

3. Выявлены условия роста коррозионной трещины, получено и решено уравнение динамики глубинного роста коррозионных трещин в стенке газопровода.

4. Получено соотношение между наложенным потенциалом катодной защиты и током в грунте по трассе трубопровода и глубиной защиты трещины.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Кушнир С.Я К вопросу оптимального планирования ремонта магистральных газопроводов по данным внутритрубной диагностики / Кушнир С.Я, Горковенко А.И., Песин А.С. // Материалы международного семинара: «Геотехнические и эксплуатационные проблемы нефтегазовой отрасли» под общей редакцией профессора, д.т.н. С.Я.Кушнира. – Тюмень:

ТюмГНГУ, 2002г.-С.162-163.

2. Песин А.С. Влияние электрохимической защиты трубопровода на развитие усталостных трещин / Песин А.С., Кушнир С.Я, Горковенко А.И.

// Сборник научных трудов «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири».- Тюмень: ТюмГНГУ, 2002. – С.67-69.

3. Песин А.С. Моделирование процессов, проходящих в газопроводе, с использованием методов вибродиагностики и теории случайных функций / Песин А.С., Пульников С.А., Гостев В.В, Хамидов Р.С. // Материалы региональной научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта».- Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. – С.40-43.

4. Песин А.С. Влияние изменения внутреннего давления в газопроводе на стресс-коррозионное растрескивание стенок трубы / Песин А.С., Гостев В.В, Пульников С.А., Хамидов Р.С. // Материалы региональной научно-практической конференции «Нефть и газ. Новые технологии в системах транспорта».- Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. – С.58-61.

5. Песин А.С. Кинетика глубинного роста одиночной модельной стресс-коррозионной трещины / Песин А.С., Горковенко А.И., Пульников С.А. // Сборник научных трудов: «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири.– Тюмень:

ТюмГНГУ, 2005г.-С.22-27.

6. Песин А.С. Кинетика глубинного роста одиночной стресскоррозионной трещины при наличии катодной защиты / Песин А.С., Горковенко А.И., Гостев В.В. // Сборник научных трудов: «Вопросы состояния и перспективы развития нефтегазовых объектов Западной Сибири.– Тюмень: ТюмГНГУ, 2005г.-С.28-31.

Pages:     | 1 ||






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»