Устройство для катодной защиты протяженного участка подземного сооружения

Авторы патента:

Полезная модель относится к оборудованию для электрохимической защиты подземных металлических сооружений от коррозии и может быть использовано в средствах защиты протяженных металлических сооружений различного назначения, в том числе трубопроводов. Технический результат заключается в снижении энергозатрат на обеспечение надежной защиты сооружения на всем его протяжении в пределах защитной зоны катодной станции. Указанный технический результат достигается тем, что устройство для катодной защиты протяженного участка подземного сооружения, содержащее катодную станцию 1, выполненную с возможностью подключения к сооружению через датчик выходного тока 5 и снабженную датчиком выходного напряжения 4 и анодным заземлителем 2, станцию слежения 3, выполненную с возможностью подключения к датчикам выходного напряжения и тока и к катодной станции, а также измерительный пункт 6, расположенный вблизи катодной станции и включающий датчик потенциала 7 и измеритель потенциала 8, соединенный с датчиком потенциала, сооружением и со станцией слежения, согласно решению дополнительно содержит, по крайней мере, два удаленных от катодной станции измерительных пункта 9 и 10, расположенных на границе защитной зоны катодной станции по обе от нее стороны вдоль защищаемого сооружения и выполненных с возможностью подключения к источнику электропитания, при этом станция слежения снабжена центральным приемопередатчиком 11, а каждый удаленный измерительный пункт снабжен резидентным приемо-передатчиком 12 и 13, соединенным с центральным приемо-передатчиком посредством канала связи.

Известна система катодной защиты магистральных трубопроводов, включающая катодно-поляризуемый трубопровод, установки катодной защиты, причем каждая установка катодной защиты содержит измерительный шунт, источник сетевого электроснабжения, фильтр питания, катодную станцию, глубинное анодное заземление, блок измерения и обработки информации, электрод сравнения, микроконтроллер измерения и передачи сигналов, блок контроля, датчик охраны, источник питания, силовую часть, трансформаторы тока, устройство подключения, блок фильтров, состоящий из входного, активного и цифрового фильтров, усилитель, детектор, блок приема информации, включающий микроконтроллер приема информации, пункт приема и регистрации информации, на котором установлена ЭВМ. Система осуществляет сбор информации о контролируемых параметрах защиты и передачу этих данных в диспетчерский пункт по каналу связи в виде высоковольтной линии электропередач (см. патент РФ на полезную модель 87425, МПК C23F 13/22).

Недостатком известной системы является то, что стабилизация параметров защиты, а также мониторинг состояния трубопровода осуществляется на базе информации, получаемой с датчиков, расположенных вблизи катодной станции, при этом отсутствует информация о параметрах защиты на границах зоны влияния катодной станции. Это снижает эффективность защиты трубопровода.

Известна система катодной защиты магистральных трубопроводов, включающая поляризуемый трубопровод, установки катодной защиты, пункты приема и регистрации информации, источник (источники) сетевого электроснабжения, причем каждая установка катодной защиты содержит катодную станцию (преобразователь), глубинное анодное заземление, блок измерения и обработки информации, датчик поляризационного потенциала, датчик скорости коррозии, датчик наводораживания, блок приема и передачи, электрод сравнения, блок логики, телеизмерения и телерегулирования, блок коммутации и измерения параметров защиты, блок фазовой регулировки, блок импульсной модуляции и избирательный фильтр, шину. Система осуществляет мониторинг и управление работой группы катодных станций, используя в качестве канала связи защищаемый трубопровод (см. патент РФ на изобретение 2202001, МПК C23F 13/22).

Недостатком известной системы является то, что при мониторинге состояния протяженного участка трубопровода и управлении работой катодных станций используют информацию о состоянии сооружения вблизи катодных станций и не учитывают состояние трубопровода между катодными станциями на границах их влияния, что может привести к недостаточной защищенности проблемных участков трубопровода.

Наиболее близким к заявляемому решению по совокупности существенных признаков является выбранное за прототип устройство автоматизированного контроля и управления параметрами защиты нефтегазопроводов, используемое для реализации способа регулирования параметров катодной защиты подземных трубопроводов. Устройство содержит катодную станцию, выполненную с возможностью подключения к сооружению через датчик выходного тока и снабженную датчиком выходного напряжения и анодным заземлителем, станцию слежения, выполненную с возможностью подключения к датчикам выходного напряжения и тока и к катодной станции, а также измерительный пункт, расположенный вблизи катодной станции и включающий датчик потенциала и измеритель потенциала, соединенный с датчиком потенциала, сооружением и станцией слежения (см. патент РФ 2327821, МПК C23F 3/04).

Недостатком известного устройства является то, что периодически проводимый контрольный замер, в результате которого определяют критическое верхнее значение потенциала подземного сооружения Uверх, после превышения которого возникают разрушительные для сооружения и его изоляции процессы восстановления воды с выделением водорода, осуществляют вблизи катодной станции, и не учитывают параметры защиты сооружения на границах зоны влияния катодной станции, что снижает эффективность защиты протяженного участка сооружения. Кроме того, поддержание потенциала вблизи верхнего значения Uверх требует неоправданно высоких затрат электроэнергии.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в повышении эффективности защиты подземного сооружения на всем его протяжении в зоне защитного действия катодной станции.

Технический результат, отвечающий сформулированной выше задаче, заключается в снижении энергозатрат на обеспечение надежной защиты сооружения на всем его протяжении в пределах защитной зоны катодной станции.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для катодной защиты протяженного участка подземного сооружения, содержащее катодную станцию, выполненную с возможностью подключения к сооружению через датчик выходного тока и снабженную датчиком выходного напряжения и анодным заземлителем, станцию слежения, выполненную с возможностью подключения к датчикам выходного напряжения и тока и к катодной станции, а также измерительный пункт, расположенный вблизи катодной станции и включающий датчик потенциала и измеритель потенциала, соединенный с датчиком потенциала, сооружением и со станцией слежения, согласно решению дополнительно содержит, по крайней мере, два удаленных от катодной станции измерительных пункта, расположенных на границе защитной зоны катодной станции по обе от нее стороны вдоль защищаемого сооружения и выполненных с возможностью подключения к источнику электропитания, при этом станция слежения снабжена центральным приемо-передатчиком, а каждый удаленный измерительный пункт снабжен резидентным приемо-передатчиком, соединенным с центральным приемо-передатчиком посредством канала связи. В качестве канала связи может быть использовано подземное сооружение, оптическое волокно, высоковольтные линии электропередачи. Датчик потенциала содержит электрод сравнения и датчик поляризационного потенциала, а измеритель потенциала выполнен с возможностью измерения суммарного и поляризационного потенциалов.

Причинно-следственная связь между дополнительно введенными измерителями потенциала, снабженными приемо-передатчиками, и заявляемым техническим результатом заключается в том, что их наличие позволяет в автоматическом режиме периодически снимать контрольные зависимости защитного потенциала сооружения от логарифма тока катодной станции, не только вблизи катодной станции, но и на границе защитной зоны катодной станции, по одну, и по другую от нее стороны, вдоль защищаемого сооружения, и определять помимо верхнего, еще и нижнее значение защитного потенциала, а значение потенциала на протяжении рабочего цикла стабилизировать в границах между нижним и верхним вычисленными значениями.

При этом с целью максимального энергосбережения потенциал стабилизируют вблизи нижнего значения вычисленного во время контрольного цикла значения.

Периодическая корректировка значения стабилизируемого потенциала, осуществляемая автоматически, позволяет учитывать влияние на состояние изоляции трубопровода внешних факторов.

Заявителем не были обнаружены источники информации об устройстве, имеющем все отличительные существенные признаки. Из чего сделан вывод, что предлагаемое решение отвечает критерию "новизна".

Сущность заявленного технического решения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 приведена функциональная схема устройства, а на фиг.2 - вид потенциальных кривых (f1, f2, f3). Обозначения, принятые на фиг.1:

1 - катодная станция (КС);

2 - анодный заземлитель (A3);

3 - станция слежения (СС);

4 - датчик выходного напряжения катодной станции (ДН);

5 - датчик выходного тока катодной станции (ДТ);

6 - измерительный пункт катодной станции (ИПКС);

7 - датчик потенциала подземного сооружения (ДП);

8 - измеритель потенциала подземного сооружения (ИП);

9, 10 - первый и второй удаленные измерительные пункты (УИП1, УИП2);

11 - центральный приемо-передатчик (ЦПП);

12, 13 - первый и второй резидентные приемо-передатчики (РПП), связанные с центральным приемо-передатчиком (ЦПП) посредством канала связи.

Обозначения, принятые на фиг.2:

Uп - текущее значение потенциала подземного сооружения;

Uверх - верхнее значение потенциала, соответствующее начальной стадии наводораживания;

Uнижн - нижнее значение потенциала, ниже которого отсутствует защита конкретного участка сооружения;

Uмин - минимально-допустимое нормированное значение защитного потенциала, принятое в соответствии с ГОСТ 9.602-2005, для стали 0,85 В по абсолютной величине;

log(Iкс) - текущее значение логарифма выходного тока катодной станции;

Iпр.кс - предельное значение выходного тока используемой катодной станции;

Iв - значение выходного тока катодной станции, соответствующее начальной стадии наводораживания;

Iн1, Iн2, Iн3 - значения выходного тока катодной станции, соответствующие минимально-допустимому нормированному значению потенциала (-0,85 В) в месте расположения, соответственно, первого (ДП1), второго (ДП2), и третьего (ДП3), датчиков потенциала.

Сущность изобретения

Устройство для катодной защиты протяженного участка подземного сооружения содержит катодную станцию 1, анодный заземлитель 2, станцию слежения 3, датчик выходного напряжения катодной станции 4, датчик выходного тока катодной станции 5, измерительный пункт катодной станции 6, датчик потенциала подземного сооружения 7, измеритель потенциала подземного сооружения 8, первый удаленный измерительный пункт 9, второй удаленный измерительный пункт 10, центральный приемо-передатчик 11, первый резидентный приемо-передатчик 12, второй резидентный приемо-передатчик 13.

Катодная станция 1 соединена своим положительным выходом с анодным заземлителем 2 и с первым выводом датчика выходного напряжения катодной станции 4, второй вывод которого соединен с отрицательным выходом катодной станции 1 и с первым выводом датчика выходного тока катодной станции 5. При этом в любом из измерительных пунктов 6, 9, 10, первый вход измерителя потенциала подземного сооружения 8, соединен с датчиком потенциала подземного сооружения 7, а второй его вход соединен с подземным сооружением. В то же время выход измерительного пункта 6 соединен с первым портом станции слежения 3, а выходы измерительных пунктов 9 и 10 соединены с портами соответственно первого 12 и второго 13 резидентных приемопередатчиков, соединенных каналом связи с центральным приемо-передатчиком 11, который соединен своим портом с вторым портом станции слежения 3, выход которой подключен к управляющему входу катодной станции 1, ее входы соединены с выходами соответственно датчика выходного напряжения катодной станции 4 и датчика выходного тока катодной станции 5.

Работа устройства осуществляется в виде автоматического чередования контрольного и рабочего циклов. Длительность рабочего цикла (интервал времени между контрольными циклами) устанавливается работником службы ЭХЗ (электрохимической защиты) с учетом особенностей эксплуатации конкретного трубопровода (сооружения).

В ходе контрольного цикла снимают зависимости потенциала подземного сооружения от логарифма выходного тока катодной станции, как минимум для трех точек трубопровода. Первая точка расположена в непосредственной близости от катодной станции, а вторая и третья - на границе защитной зоны катодной станции, по одну и по другую от нее стороны вдоль защищаемого трубопровода. Результаты всех измерений и сопутствующих вычислений сохраняют в памяти станции слежения 3.

Контрольный цикл состоит из следующих операций:

1. По сигналу, поступающему от СС 3 на управляющий вход КС 1, последняя переходит в режим стабилизации тока.

2. На выходе КС 1 устанавливают минимальное значение выходного тока Iкс1.

3. Через второй вход СС 3 считывают результат измерения выходного тока катодной станции и вычисляют логарифм установленного выходного тока [log(Iкс1)].

4. Через первый порт СС 3 считывают результат измерения потенциала подземного сооружения в точке, расположенной вблизи катодной станции U1_ДП1, а через второй порт, центральный приемо-передатчик 11, канал связи и резидентные приемопередатчики 12 и 13 считывают результаты измерения потенциала подземного сооружения в точках на границе защитной зоны катодной станции U1_ДП2, U1_ДП3.

5. В память СС 3 загружают пакет параметров, соответствующих первой точке для каждой из снимаемых зависимостей f1 f2 f3.

6. По команде от СС 3 на выходе КС 1 устанавливают следующее значение выходного тока Iкс2=Iкс1+Iкс и вычисляют его логарифм [log(Iкс2)].

Приращение тока (Iкс) выбирают из условия, чтобы значение log(Iкс) соответствовало приращению защитного потенциала не более чем на 0,03 В.

7. Следующий синхросигнал от СС 3 инициирует считывание новых значений потенциалов подземного сооружения U2_ДП1, U2_ДП2, U2_ДП3 , измеренных измерительными пунктами 6, 10, 11.

8. В память СС 3 загружают пакет параметров, соответствующих второй точке для каждой из снимаемых зависимостей f1 f2 f3.

9. Далее повторяют операции, изложенные в пп.6-8.

При выполнении условия, когда очередное значение Iкс превысит предельное для данной катодной станции значение Iпр.кс, на выходе КС 1 устанавливают минимальное значение выходного тока.

10. Полученные в ходе контрольного цикла данные подвергают математической обработке техническими средствами СС 3.

11. В результате обработки определяют:

- для зависимости f1 значение тока Iн1, соответствующее условию U_ДП1=0,85 В;

- для зависимости f2 значение тока Iн2, соответствующее условию U_ДП2 =0,85 В;

- для зависимости f3 значение тока Iн3, соответствующее условию U_ДП3=0,85 В.

12. Из ряда значений Iн1, Iн2, Iн3, выбирают наибольшее (для фиг.2 наибольшим является Iн3).

13. Для зависимости f1 определяют значение защитного потенциала, соответствующее выбранному наибольшему току. Данное значение принимают за нижнее допустимое значение потенциала для данных конкретных условий (для фиг.2 току Iн3 соответствует значение Uнижн).

14. Для зависимости f1 определяют значение защитного потенциала, соответствующее точке резкого изменения ее крутизны (на фиг.2 это значение обозначено Uверх).

Для этого, используя данные таблицы, соответствующие зависимости f1, вычисляют параметр V1, характеризующий крутизну зависимости f1.

V1=[log(Iкс)]/U_ДП=[log(Iкс2)-log(Iкс1)]/[U2_ДП1-U1_ДП1].

15. Значение потенциала Uст, которое необходимо стабилизировать на протяжении рабочего цикла, должно удовлетворять условию

Uверх>Uст>Uнижн

При этом с целью экономии электроэнергии желательно выбирать рабочее значение потенциала Uст ближе к значению Uнижн.

Следует отметить, что при изменении условий эксплуатации (климатических условий, состояния изоляции и т.д.) для поддержания выбранного потенциала Uст катодная станция КС 1 вынуждена изменять значение своего выходного тока в пределах своей максимальной мощности. Поэтому может возникнуть ситуация, когда мощности станции недостаточно для стабилизации выбранного значения потенциала. Данную ситуацию обнаруживают при очередном контрольном цикле и принимают решение о замене станции на более мощную.

Пример реализации заявляемого устройства

Для устройства, представленного на фиг.1, в качестве канала связи между центральным 11 и резидентными 12 и 13 приемо-передатчиками использован радиоканал, а для связи станции слежения 3 с измерительным пунктом катодной станции 6 использован проводной канал связи.

В качестве канала связи может быть использован также защищаемый трубопровод, либо оптоволоконная связь, либо высоковольтные линии передачи электроэнергии.

Катодная станция 1 (фиг.1) может быть любой модели, любого производителя, в которой реализованы функции стабилизации выходного тока и стабилизации защитного потенциала, например, станции типа В-ОПЕ-М производства Ставропольского радиозавода или производства концерна Энергомера, либо станция типа ПКЗ-АР производства ООО ЦИТ-ЭС г.Саратова.

В качестве анодного заземлителя 2 может быть применен заземлитель типа ОЖТЗ-1 производства Ставропольского радиозавода.

Станция слежения 3 может быть реализована на базе микроконтроллера PIC24FJ256GA106.

В качестве датчика напряжения 4 может быть использован резистивный делитель напряжения с коэффициентом передачи не менее 20, состоящий из резисторов типа С2-29 В, мощностью не менее 5 Вт, с номиналами 100 кОм и 5,1 кОм.

В качестве датчика тока 5 может быть применен шунт 75ШИСВ 100 А 0.5 ГОСТ 8042-93.

В качестве датчика защитного потенциала 7 может быть использован медно-сульфатный электрод сравнения типа ЭНЭС-1, оснащенный датчиком поляризационного потенциала производства Ставропольского радиозавода.

Измеритель потенциала 8 может быть реализован на базе микроконтроллера типа PIC24FJ256GA106, инструментальных усилителях типа INA132U, операционных усилителях типа TLC2274, ключах типа CPC1035N, преобразователе напряжения типа МСР1252.

Центральный 11 и резидентные 12 и 13 приемо-передатчики могут быть реализованы на GSM модеме типа WISM0218, микроконтроллере типа PIC24FJ256GA106, преобразователях напряжения LM2621.

В качестве автономных элементов питания (на фиг.1 не показаны) для удаленных измерительных пунктов 9 и 10 может быть использована литиевая батарея ER34615 (16,5 А/ч; 3,6 В).

Экспериментальные данные, полученные на трубопроводах Саратовской области, показали, что в зависимости от удаленности, состава, состояния грунта потенциал на удаленном участке может существенно отличаться от потенциала вблизи точки дренажа, например, при значении суммарного потенциала вблизи катодной станции, равном -1.94 В, значение потенциала на расстоянии 3.7 км составляет -0.88 В.

Таким образом, при выполнении условия Uверх>Uст>Uниж обеспечивается гарантированная защита сооружения не только вблизи катодной станции, но и на всем протяжении участка трубопровода в пределах зоны, защищаемой конкретной станцией.

При этом периодическая корректировка значения стабилизируемого потенциала, осуществляемая автоматически, позволяет учитывать влияние на состояние изоляции трубопровода внешних факторов.

1. Устройство для катодной защиты протяженного участка подземного сооружения, содержащее катодную станцию, выполненную с возможностью подключения к сооружению через датчик выходного тока и снабженную датчиком выходного напряжения и анодным заземлителем, станцию слежения, выполненную с возможностью подключения к датчикам выходного напряжения и тока и к катодной станции, а также измерительный пункт, расположенный вблизи катодной станции и включающий датчик потенциала и измеритель потенциала, соединенный с датчиком потенциала, сооружением и со станцией слежения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит, по крайней мере, два удаленных от катодной станции измерительных пункта, расположенных на границе защитной зоны катодной станции по обе от нее стороны вдоль защищаемого сооружения и выполненных с возможностью подключения к источнику электропитания, при этом станция слежения снабжена центральным приемопередатчиком, а каждый удаленный измерительный пункт снабжен резидентным приемопередатчиком, соединенным с центральным приемопередатчиком посредством канала связи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве канала связи использовано подземное сооружение.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве канала связи использовано оптическое волокно.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве канала связи использованы высоковольтные линии электропередачи.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчик потенциала содержит электрод сравнения и датчик поляризационного потенциала, а измеритель потенциала выполнен с возможностью измерения суммарного и поляризационного потенциалов.