МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

ВНИИСТ

ИНСТРУКЦИЯ

ПО РАСЧЕТУ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В СЕВЕРНЫХ РАЙОНАХ

ВСН 2-71-76 Миннефтегазстрой

Москва 1976

МИНИСТЕРСТВО СТРОИТЕЛЬСТВА ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЯНОЙ И ГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ПО СТРОИТЕЛЬСТВУ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ

ВНИИСТ

ИНСТРУКЦИЯ

ПО РАСЧЕТУ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ В СЕВЕРНЫХ РАЙОНАХ

ВСН 2-71-76 Миннефтегазстрой

Москва 1976

3.1.    В северных районах и условиях вечной мерзлоты обязательной электрозащите подлежат все подземные и наземные (с засыпкой) магистральные трубопроводы диаметром более 500 мм, работающие под давлением более 20 кгс/см^. Для трубопроводов с другими параметрами и других назначений следует применять электрозащиту, исходя из требований надежности и реальных скоростей коррозии.

3.2.    Оптимальным средством электрозащиты являются протяженные ("ленточные") протекторы. При необходимости они могут быть заменены литыми протекторами в групповой установке.

3.3.    Протекторную защиту можно осуществлять на любых участках трубопроводов, в первую очередь при оттаивании грунта вокруг трубопровода в зимнее время ("горячие" участки).

3.4.    Катодную защиту можно применять при полном промерзании грунта вокруг трубопровода в зимний период ("холодные" участки).

3.5.    При выборе участков применения катодной защиты целесообразно учитывать в равной степени температурный режим окружающего трубопровод грунта и наличие источников электроэнергии. В случае необходимости катодную защиту можно заменить на "холодных" участках электрохимической защитой с помощью протяженных протекторов.

3.6.    При проектировании допускается сочетание на одном "горячем" участке одновременно катодной и протекторной защиты.

В этом случае необходимо предусмотреть возможность отключения протекторов на летний период с тем, чтобы защита от почвенной коррозии в это время осуществлялась катодными станциями.

3.7.    Конструкцию анодного заземления в установке катодной защиты следует выбирать, исходя из физико-химических характеристик грунта и условий заложения трубопровода.

3.8.    В условиях вечномерзлых грунтов можно применять анодные заземления четырех типов: поверхностное, свайное, мерзлотное и глубинное.

3.S. Поверхностные заземления можно изготовлять из стандартных электродов или отрезков труб, размещенных горизонтально в сезонноталом слое небольшой мощности (до 3 м).

10

ЗЛО, Свайные заземления изготовляют из отрезков труб длиной не менее 10 м. Их можно применять при мощности сезонноталого слоя более 5 м.

ЗЛ1. Мерзлотные заземления представляют собой искусственные талые полости (¹¹ талики") в толще слоя вечномерзлых грунтов с введенными в них стандартными электродами из малорастворимых материалов.

3.12.    Глубинное заземление из стандартных электродов следует размещать под слоем вечномерзлых грунтов в пластах наибольшей проводимости.

3.13.    Тип применяемого анодного заземления следует выбирать только на основании сравнительного технико-экономического расчета различных вариантов.

3.14.    Источники тока в установках катодной защиты должны отвечать следующим специальным требованиям, учитывающим условия их работы:

а)    обеспечивать надежность работы в условиях нерегулярного технического осмотра и профилактического обслуживания;

б)    бесперебойно подавать постоянный ток в систему защиты в условиях низких температур и цикличности включения нагрузки;

в)    иметь автоматизированную систему контроля работы и дистанционную сигнализацию о выходе из строя.

3.15.    Выбор источников тока для установок катодной защиты следует осуществлять на основании результатов расчета следующих параметров:

а)    диапазона изменения защитного тока;

б)    диапазона допустимых изменений защитных потенциалов;

в)    сопротивления растеканию анодного заземления;

г)    места установки анодного заземления.

3.16.    При чередовании подземных и наземных (с засыпкой) участков трубопровода с надземными необходимо предусмотреть возможное влияние на систему катодной защиты железобетонных или металлических опор надземного участка, а также необходимость защиты от коррозии самого трубопровода в местах электрического

4.1.8. Удельное сопротивление мерзлого грунта с учетом его реальной температуры в первом приближении можно оценить по графикам (рис.З и 4).

Рис.З. Зависимость сопротивления грунта (мерзлой супеси) от температуры шо данным А.Т.Акимова)

4.1.9. Среднюю величину удельного сопротивления грунта по трассе трубопровода определяют по формуле

где    -    средняя    величина    удельного сопротивления грун

та. Ом*м; г    *

^и - общая длина рассматриваемого участка трассы трубопровода, м;

^    -    число    отдельных    участков    трассы    с    различным

удельным сопротивлением грунта;

t - дайна и -го участка трассы, м;

- удельное сопротивление грунта L -го участ-.    ка трассы, Ом*м;

^L - порядковый номер участка трассы трубопровода*

Рис.4. Зависимость сопротивления грунта (тощей глины, содержащей 15,2% влаги) от температуры:

1-лед; 2-вода

15

4.1.10. Постоянную затухания тока вдоль сооружения определяют по формуле

^cLr~V^'⁴    (9)

4Л.II. Входное сопротивление трубопровода определяют по формуле

^ т ⁼    '    (10)

4ЛЛ2. При различных электрических параметрах левого £_л и правого Z_n (от точки присоединения катодной установки) плеч трубопровода его входное сопротивление £_т определяют по формуле

(И)

4.2. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ ТРУБОПРОВОДА

4.2Л. Подземные и наземные (с засыпкой ) трубопроводы находятся в температурном взаимодействии с окружающим грунтом.

4.2.2.    При транспортировке "горячего” продукта по подземному трубопроводу происходит разогрев окружающего грунта, что создает "рубашку" талого грунта вокруг трубопровода при общем его промерзании в зимнее время. В летний период такие условия эксплуатации трубопровода вызывают местное понижение верхней границы слоя вечномерзлых грунтов.

4.2.3.    При синхронном изменении температуры продукта в трубе и температуры наружного воздуха в зимнее время происходит усиленное промерзание грунта вокруг трубопровода (в первую очередь на подземных участках надземных трубопроводов). Это вызывает изменение сроков начала и конца оттаивания и промерзания при смене времен года.

4.2.4.    Для учета влияния температурного режима транспортировки продукта по трубопроводу на параметры электрозащиты следует установить:

16

а)    срок эксплуатации трубопровода, годы;

б)    температуру перекачиваемого продукта, °С;

в)    диаметр зоны протаивания, м;

г)    среднюю температуру грунта в зоне протаивания вокруг трубопровода, °С;

д)    расчетную величину удельного сопротивления грунта в зоне протаивания вокруг трубопровода, Ом.м.

Рис.5. Диаметр зоны протаивания в зависимости от температуры газа в трубе на первый год эксплуатации:

4.2.5. Величину диаметра зоны протаивания можно определять по графикам (рис.5 и 6 , по данным ВНИИгаза).

1- мерзлый грунт, диаметр трубы 1020-1420 ммГ) на

2- талый грунт, диаметр трубы 1420 ш;    L    ___оп.

3- талнй грунт, диаметр трубы 1020 ш:    J>    ^янваР^ь

4- мерзлый грунт, диаметр трубы 1020-1420 жП _UQ

5- талый грунт, диаметр трубы 1420 мл;    !    ^на

6- талый грунт, диаметр трубы 1020 ми    апрель

4.2.6. Среднюю температуру грунта в зоне протаивания вокруг трубопровода на отдельных его участках можно определять по формуле

(12)

17

t - средняя температура грунта в зоне протаивания ^tC вокруг трубопровода, °С;

- температура продукта в начале участка зоны протаивания, °С; t_z - температура продукта в конце участка зоны протаивания, °С.

Рис.6. Диаметр зоны протаивания в зависимости от температуры газа в трубе через три года эксплуатации:

I-мерзлый грунт, диаметр трубы 1420 мм; 2-мерэлый грунт, диаметр тэубы 1020 мм; 3-талыи грунт, диаметр трубы 1420 мм; 4-тзлый грунт, диаметр трубы I02D мм

4.3. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КАТОДНОЙ 'ЗАЩИТЫ

4.3.1. При расчете параметров катодной защиты должны быть определены следующие величины:

а)    распределение защитных потенциалов вдоль трубопровода;

б)    защитный ток установок катодной защиты;

в)    протяженность защитной зоны одной установки катодной защиты;

г)    сопротивление анодного заземления;

д)    мощность установок катодной защиты.

4.3.2. Распределение защитных потенциалов вдоль трубопровода может быть определено по формуле

и_т = и_е+и_ае'^^х,    аз)

где Ц_т - защитный потенциал в точке трубопровода с координатой Х^В;

U_Q - наложенный потенциал в точке дренажа, В;

X - текущая координата, м.

При наличии подстилающего слоя вечномерзлых грунтов в первом приближении для условий, указанных в п.4.1.6, распределение потенциалов вдоль трубопровода можно определить по формуле

u_r = u_e+o,2ty_ticC_re-*T^x,    (и)

где J - принятая величина защитного тока установки катодной защиты, А.

4.3.3.    При условии снижения сопротивления изоляции трубопровода до величины не более 300 Ом.м на участках с подстилающим слоем вечномерзлых грунтов наложенный потенциал трубопровода в точке дренажа возрастает в 1,2-1,4 раза по сравнению с монослойным грунтом того же удельного сопротивления (для постоянных значений диаметра трубопровода, защитного тока установки катодной защиты и дайны защитной зоны одной установки).

4.3.4.    Величину защитного тока установки катодной защиты на выбранных участках трубопровода можно определить по формуле

(15)

Z,<<e*^rl(U„_t-U_e)

cL_r

4.3.5. При условии снижения сопротивления изоляции трубопровода до величины не более 300 Ом.м на участках с подстилающим слоем вечномерзлых грунтов необходимый защитный ток установки катодной защиты возрастает в I,5-2,2 раза по сравнению с монослойным грунтом того же удельного сопротивления (для постоянных значений диаметра трубопровода, длины защитной зоны установки катодной защиты и минимального защитного потенциала в конце защитной зоны).

IS

УДК 620.197.53

В настоящей Инструкции рассмотрены вопросы расчета параметров катодной и протекторной защиты подземных и наземных (с засыпкой)трубопроводов в северных районах и условиях вечномерзлых грунтов. Приведены методики расчета различных конструкций анодных заземлений: поверхностных и глубинных, с учетом влияния слоистой структуры грунта и экранирующего влияния вечной мерзлоты. Впервые предложена методика расчета защиты от коррозии с помощью протяженных протекторов. Указанная методика включает определение мест установки и подключения протяженных протекторов, а также расчет их размеров, необходимых для выбора типа протекторов.

Инструкция разработана канд.техн.наук В.В.Приту-лой под руководством канд. техн. наук [в. и Лйазковар В составлении Инструкции принимали участие Р гВТКуди-нова, М.Л.Долганов, Н.И.Агеева, Б.Г.Белков, Н.И.Тесов.

Замечания и предложения направлять по адресу: Москва, 105058, Окружной проезд, 19, ВНИИСТ.

Всесоюзный научно-исследовательский институт по строительству магистральных трубопроводов (ВНИИиТ), 1976

4.3.6. Максимально допустимую величину защитного тока установки катодной защиты можно определить по формуле

ч __    ~~

(16)

где

0.

- максимально допустимая величина защитного тока установки катодной защиты, А;

^т*_АХ - максимально допустимый защитный потенциал, В.

4.3.7.    При условии снижения сопротивления изоляции трубопровода до величины не более 300 0м*м на участках с подстилающим слоем вечномерзлых грунтов максимально допустимая величина защитного тока установки катодной защиты снижается в 1,2-1,4 раза по сравнению с монослойным грунтом того же удельного сопротивления (для постоянных значений диаметра трубопровода и максимально допустимого защитного потенциала).

4.3.8.    Протяженность защитной зоны одной установки катодной защиты можно определить по формуле

enj+fa ^сСт*^т

2

mu*.- ^ие)

(17)

10^ъ cL_r

где L₃ - протяженность защитной зоны, км,

4.3.9.    При условии снижения сопротивления изоляции трубопровода до величины не более 300 Ом.м на участках с подстилающим слоем вечномерзлых грунтов протяженность защитной зоны одиночной установки катодной защиты сокращается на 20-30$ по сравнению с монослойным грунтом того же удельного сопротивления (для постоянных значений диаметра трубопровода, необходимого защитного тока установки катодной защиты и минимального защитного потенциала в конце защитной зоны).

4.3.10.    Взаимное влияние смежных установок катодной защиты может быть учтено с помощью метода суперпозиции. В этом случае во всех расчетных формулах величину U_M~U_eследует сократить вдвое.

4.3.11.    Без учета влияния слоистости среды и промерзания верхнего слоя грунта сопротивление поверхностного анодного заземления в первом приближении можно определять по обычным формулам, применяемым в практике катодной защиты.

20

ВСН 2-71-76 Микнефтега зстрой

Министерство    Ведомственные строительства ! строительные предприятий неф-t нормы_ тяной и газовой

промышленности j Инструкция по рас- , Разработана чету параметров впервые ! электрохимической f защиты подземных ! трубопроводов в се- ! 1 • верных районах t •

I. НАЗНАЧЕНИЕ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

IЛ. Настоящая Инструкция предназначена для использования при проектировании и строительстве электрохимической защиты от почвенной коррозии подземных и наземных (с засыпкой) трубопроводов в районах распространения вечномерзлых грунтов, а также в северных районах страны при условии промерзания грунта на глубине укладки трубопроводов.

1.2.    Электрохимическую защиту от почвенной коррозии в районах распространения вечной мерзлоты и при промерзании грунта на глубине укладки следует применять на всех участках трубопроводов при подземной прокладке и наземной прокладке с засыпкой грунтом.

1.3.    Особенности физико-химических свойств мерзлых грунтов и структурное влияние слоя вечной мерзлоты требуют специальных расчетов параметров электрохимической защиты подземных трубопроводов от коррозии в указанных условиях.

1.4.    Задачей расчета параметров электрохимической защиты подземных трубопроводов в северных районах является:

а)    выбор типа средств электрохимической защиты;

б)    определение номинальных характеристик защитных средств;

в)    установление мест размещения защитных установок и протяженности зон защиты;

! срок введения il января 1977 г. Срок действия ^до I января 1981г.

Внесена

ВНИИСТом

г)    расчет сопротивления растеканию заземляющих электродов с учетом литологической структуры грунта.

2.1.    Вечной мерзлотой называют земные недра, в течение десятилетий и более длительного срока непрерывно пребывающие в мерзлом состоянии и являющиеся подземной разновидностью назем-ного оледенения.

2.2.    Северными районами страны могут быть названы территории, на которых среднемесячная температура грунта на глубине 160 см в один из месяцев года понижается не более чем до 0°С (по данным "Климатического атласа СССР", т.1. М., Главное управление гидрометеорологической службы при Совете Министров СССР, I960J.

2.3.    Условно в первом приближении южной границей северных районов можно считать 60-ю параллель в европейской части и 55-ю параллель в западносибирской части СССР.

2.4.    Проект электрохимической защиты подземных трубопроводов в вечномерзлых грунтах и северных районах подлежит корректировке через год после начала эксплуатации трубопровода с учетом реальных температур контактирующего с ним грунта.

2.5.    Электрохимическая защита подземных и наземных (с засыпкой) трубопроводов от почвенной коррозии не должна вызывать опасность коррозионного разрушения соседних сооружений и создавать условия эксплуатации, опасные для обслуживающего персонала .

2.6.    Основными факторами, определяющими выбор системы электрохимической защиты и расчет параметров защитных установок, являются:

а)    характеристика природных условий района прокладки трубопровода ;

б)    литологический состав и физико-химические свойства грунтов вдоль трассы трубопровода;

в)    способ прокладки трубопровода и данные о чередовании участков с различной прокладкой;

г)    электрические параметры трубопровода;

д)    температурный режим транспортировки продукта по трубопроводу;

е)    допустимый диапазон изменения параметров защитных установок.

4

2.7.    В соответствии с коррозионными условиями территорию распространения вечномерзлых грунтов в пределах Советского Союза можно районировать на шесть основных регионов (рисЛ): Бодьибзеыельскую »ундр* (I), Западную Сибирь (П), Среднюю Сибирь (Ш), Восточную Сибирь (ХУ), Забайкалье (У) и Якутско-Ал-данскую область (У1)«

2.8.    Выделенные районы распространения вечномерзлых грунтов классифицированы по принципу общности- основных почвенноклиматических условий, определяющих динамику коррозионных процессов.

2.9.    Доминирующими индивидуальными особенностями классифицированных районов распространения вечномерзлых грунтов являются:

а)    Большеземельская тундра - наличие хорошо промерзающего кочковатого тундрового слоя при большой роли микрорельефа в сезонных процессах, происходящих в грунте;

б)    Западная Сибирь - почти повсеместное распространение торфяного слоя и заболоченных участков;

в)    Средняя Сибирь - резкая аэрологическая и термическая континентальность в сочетании с пересеченным рельефом в центральной части и болотами в восточном районе;

г)    Восточная Сибирь - наиболее мощный слой вечной мерзлоты и тонкий слой сезонноактивного грунта; наиболее ярко выраженное промерзание сезонноталого слоя двумя фронтами; наиболее низкие температуры воздуха;

д)    Забайкалье - значительный дефицит влажности и большое испарение;

е)    Якутско-Адцанская область - наиболее резко выраженная континентальность района.

2.10.    Полные характеристики коррозионных условий основных районов распространения вечномерзлых грунтов изложены в "Классификации условий применения электрохимической защиты от коррозии.в районах вечной мерзлоты"(М., ВНИИСТ, 1970).

2.11.    Величина защитной разности потенциалов, необходимой

jyiH обеспечения надежной эксплуатации, зависит от фазовых превращений электролита и структурного состояния грунта, которые определяются температурой воздуха, относительной влажностью грунта и его минерализацией, а также глубиной заложения трубопровода.    с

СП

Рис Л. Схеме районов вечной мерзлоты с изолиниями температуры грунтов у границы зоны нулевых годовых амплитуд:

1-южная границе области распространения вечномерзлых грунтов; 2-изотерма на глубине 10 ы; 3-отдеяьные пункты обнаруженных вечномерзлых грунтов; 4-зона отдельных островов вечномерзлых грунтов мощностью до 15 м; 5-зоне островного распространения вечномерзлых грунтов мощностью от 15 до 60 м

2.12. Минимальный защитный потенциал с учетом реальной температуры грунта (в диапазоне положительных температур), окружающего трубопровод, следует определять по графику (рис.2). В первом приближении минимальный защитный потенциал (1^ можно рассчитать по формулам:

^л^)

для диапазона температур ц) грунта 0*18°С,

где

LL _м - минимальный защитный потенциал при температуре 18°С ( И_Ы1=-0,ВЪ В по медносульфатному электроду сравнения);

а€ - 18;

Рис.2. Зависимость минимального защитного патенцизла трубопровода от реальной температуры окружающего грунта

- текущая температура грунта, °С; cPu_t - температурный коэффициент потенциала, 1/°С; J*U~ = О,(ЮЗ (при медносульфетном электроде сравнения)

и

дая диапазона тешератур грунта 18-30°С , (2)

^где сР^иг ~ ^температурный коэффициент потенциала, I/°C; J3_U -⁼ 0,01 (при медносульфатном электроде сравнения)^

2.13. При пересчете по отношению к медносульфатному электроду сравнения величин защитного потенциала, измеренных при различных электродах сравнения, следует учитывать температуру окружающего воздуха в момент измерения. Температурная поправка к собственному потенциалу различных неполяризующихся электродов сравнения приведена в табл.1.

Таблица I

Температурная поправка различных неполяризующихся электродов, сравнения (по отношению к температуре I80C,)

Тал электрода	! Собственный • потенциал при ! Ь =20°С (от-! носительно во-! дородного элек-j трода), В	! Темпера туркая поправка, ,в/°с • 1
Медносульфатный, насыщенный	+0,3	+0,00094
Хлорсеребряный, 0,1 н	+0,29	-0,00065
Каломельный, I н	+0,28	-0,00024
Каломельный, насыщенный	+0,24	-0,00076
Кадмийсульфаткый, насыщенный	-0,43	-0,0005

2.14. Естественную разность потенциалов "сооружение-земля следует определять для расчетов при крайних значениях температуры эксШгуатации трубопровода - наиболее высокой и наиболее низкой.

9