А. М. Болотнов
Башкирский государственный университет
Россия, Республика Башкортостан, г. Уфа, 450076, ул. Заки Валиди, 32, bolotnov@mail.ru
Ф. З. Хисаметдинов
Сибайский институт (филиал) БашГУ
Россия, Республика Башкортостан, г. Сибай, 453838, ул. Ф. Белова, 21, кhisametdinov@mail.ru
Предлагается алгоритм для численного исследования состояния изоляции подземного трубопровода с использованием результатов измерений разности электрических потенциалов грунта и защищаемого объекта в системах катодной защиты. Для моделирования электрического поля применен метод фиктивных источников. Разработана программа и проведены вычислительные эксперименты на основе реальных данных.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, электрическое поле, трубопровод, катодная защита, глубинный анод.
Эффективным методом борьбы с коррозией подземных магистральных трубопроводов является катодная защита (КЗ). На практике КЗ обеспечивается системой катодных станций, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Параметры КЗ на конкретном участке трубы в той или иной степени зависят от режимов работы каждой из катодных станций, однако наиболее существенное влияние оказывает ближайшая катодная станция. Поэтому, в качестве приближенной модели для исследования параметров КЗ, можно рассматривать участок трубопровода, защищаемый одной катодной станцией, считая, что нет электрического взаимодействия через границы участка (рис. 1).
| x |
| y |
| z |
| O |
Рис. 1. Схема катодной защиты (1-трубопровод, 2- заглубленный анод, 3-катодная станция, 4-поверхность земли).
Принцип КЗ основан на смещении электрического потенциала металла защищаемого сооружения в отрицательном (катодном) направлении относительно потенциала свободной коррозии (Ue). Сумму потенциала Ue и катодного смещения потенциала защищаемого объекта называют защитным потенциалом [1]. В работе статье принято Ue = const, а все расчеты проводятся для потенциала Upr, равного абсолютному значению катодного смещения потенциала объекта.
При проектировании и эксплуатации КЗ важнейшей задачей является выбор таких параметров, при которых потенциал будет принадлежать заданному интервалу [2]. В процессе эксплуатации трубопровода характеристики изоляции трубы подвержены изменению. В результате происходит изменение общей электрохимической картины, что сказывается на эффективности КЗ. В связи с этим на практике применяют технологию контрольных замеров потенциала. Результаты измерений, при правильной интерпретации, позволяют получить информацию о состоянии изоляции трубы на конкретном участке [3-5].
Известно, что потенциал электрического поля u = u (p) в этом случае удовлетворяет уравнению Пуассона [5]:
, (1)
где σ (p) – удельная электропроводность среды, Cм/м; δ (p) – дельта-функция Дирака.
Потенциал на границе "грунт-трубопровод" удовлетворяет условию
, (2)
где c = c (x) – сопротивление изоляционного покрытия (Ом·м2), ut – потенциал металла трубы. Учитывая, что длина трубы значительно превышает ее диаметр, считаем потенциал металла постоянным в нормальном сечении и зависящим только от продольной координаты: ut = ut (x).
На основе предложенной модели были разработаны программы на основе результатов контрольных измерений (табл. 1).
Таблица 1. Основные параметры задачи
| Параметр | Значение |
| Расстояние от анода до трубы, м | |
| Глубина до центра анода, м | 2.5 |
| Внешний диаметр трубы, м | 0.557 |
| Толщина стенки трубы, мм | |
| Глубина залегания трубы, м | 1.5 |
| Удельное сопротивление грунта ρгр, Ом·м | 70, 100 |
| Удельное сопротивление стали, Ом·м | 2.45e-7 |
На основе предложенной модели были разработаны программы на языке C++ и проведены численные эксперименты на основе результатов контрольных измерений в системах катодной защиты реального трубопровода (табл. 1).
Полученные результаты согласуются с имеющимися экспериментальными данными и подтверждают устойчивость модели относительно изменения входных параметров.
Литература
1. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: Пер. с англ. Л.: Химия, 1989. 445 с.
2. Глазов Н.П. Подземная коррозия трубопроводов, ее прогнозирование и диагностика. М.: Газпром, 1994. 92 с.
3. Мальцев Ю. Н., Лапин А. Е., Романов И. Г. и др. Прогнозирование коррозионных повреждений магистрального газопровода // Известия Самарского научного центра Российской академии наук.-2009. Т.11, №5(2). С. 301-304
4. Абакачева Е. М., Сафронов Е. Ф., Киреев К. А. и др. Исследование защитных антикоррозийных покрытий магистральных трубопроводов бесконтактным методом // Башкирский химический журнал. -2009. T.16, №4. С. 167-172.
5. Болотнов А. М., Хисаметдинов Ф.З. Применение компьютерного моделирования для интерпретации данных контрольных измерений в системах катодной защиты трубопроводов // Вестник Башкирского университета. –2015. Т.20, № 3. C. 786–789.