Пример расчета совместной катодной защиты сети газопроводов и водопроводов

2. Определяем по формуле (П.1) суммарную поверхность всех газопроводов:

по формуле (П.2) - суммарную поверхность всех водопроводов:

3. Суммарная поверхность всех трубопроводов:

S = S_г + S_в = 940 + 601 = 1541 м²

4. Определим среднее удельное сопротивление грунта у трубопроводов, исходя из опытных данных табл.П2, где представлены результаты измерений _iг и _iв вдоль каждого из участков трубопроводов, где эти величины можно считать постоянными (эти участки не обязательно совпадают с участками по табл.П1).

4. Суммарная длина газопроводов (по любой из табл.П1 или П2)

5. Суммарная длина водопроводов

6. По формуле (П.4) определяем среднее удельное сопротивление грунта у трубопроводов, используя данные табл.П2.

 = [1/(1940 + 1220)] · [(60·400 + 10·40 + 70·450 + 35·210 + 50·400 + 40·440) +

+(60·350 + 10·30 + 75·500 + 50·300 + 45·40)] = 56 Ом·м

7. По формулам (П.5) и (П.6) вычисляем доли площади поверхности газопроводов и водопроводов в суммарной поверхности трубопроводов:

а_г = (940/1541) 100 = 61 %

а_в = (601/1541) 100 = 39 %

8. Вычисляем коэффициенты b_г и b_в по формулам (П.7) и (П.8):

9. По формуле (П.9) вычисляем среднюю плотность защитного тока для всех трубопроводов:

10. По формуле (П.11) вычисляем суммарную силу защитного тока

11. С учетом п.П.13 используемой "Методики" принимаем ток катодной станции 25 А и число катодных станций равным 2.

12. Вычисляем коэффициент К по формуле (П.14):

К = (1541/10) = 154,1 м²/га и по формуле (П.13) радиус действия каждой катодной станции

м

По совмещенному плану круги с центрами в местах расположения анодных заземлений и радиусами по 161 м охватывают всю территорию размещения проектируемых трубопроводов (при этом каждая станция охватывает по 8,14 га из 10 га). Следовательно, изменять число катодных станций и их расположение не нужно.

Приложение Р

(Информационное)

____________________

* Разработчик - Волгоградская Государственная архитектурно-строительная академия (ВолгГАСА). Тел.: 44-91-68.
P.1 Общие положения

P.1.1 Пакет программ предназначен для расчета и проектирования электрохимической защиты от коррозии сети подземных металлических трубопроводов различного назначения и сложности, в том числе:

- разветвленных;

- закольцованных;

- связанных перемычками заданного сечения;

- рассеченных изолирующими вставками;

- связанных с различного рода заземлениями;

- с неоднородной изоляцией;

- в неоднородных грунтах;

- в поле блуждающих и защитных токов смежных сооружений;

- с учетом гальванической неоднородности участков сети и пр.

Р.1.2 Основные решаемые задачи:

- определение оптимального количества и схемы размещения установок ЭХЗ, величины их токов и распределения суммарного защитного потенциала (U), исходя из условий минимума суммарного защитного тока и заданного диапазона изменения U в исследуемой области (оптимизационная задача, код M1);

- определение удельного электрического сопротивления изоляции в заданных точках трубопроводной сети по известному (измеренному) распределению защитного потенциала и токам катодных станций (обратная задача, код М3).

Р.1.3 Прочие решаемые задачи:

- подготовка сметы и спецификации на строительно-монтажные работы;

- расчет параметров анодных заземлителей и установок гальванической защиты;

- анализ поля токов в земле;

- построение эпюры потенциала в поле блуждающих и защитных токов;

- оценка поля токов продольных коррозионных макропар;

- распечатка проектных материалов, в том числе графических файлов типовых анодных заземлителей различной конфигурации.

Р.1.4 Прилагается постоянно обновляемая база данных по преобразователям, гальваническим анодам и электродренажам, прейскурант цен на строительно-монтажные работы, каталоги на вспомогательное оборудование и материалы, сметные коэффициенты. При этом предусмотрена корректировка, добавление и запоминание произвольных статей сметы.

Р.1.5 Прилагается специализированный графический редактор, позволяющий заготавливать рабочие чертежи узлов и деталей систем ЭХЗ.

Р.1.6 Пакет АРМ ЭХЗ-6П является составной частью комплекса АРМ ЭХЗ-6, куда входят пакеты АРМ ЭХЗ-6Э "Эксплуатация средств ЭХЗ" и АРМ ЭХЗ-6У "Обучение производственного персонала служб ЭХЗ".

Р.1.7 Комплекс АРМ ЭХЗ-6 эксплуатируется во многих проектных и наладочных организациях России.

Р.1.8 Программы могут быть использованы в любых модификациях ПЭВМ от 286 до Pentium и выполняются с операционной системой как DOS, так и Windows.

Р.2.1 Исходные данные вводятся в диалоге с программой ввода и сопровождаются комментариями и пояснениями.

Для решения основных задач (M1, M2 и М3) требуются:

- масштабированный план трубопроводной сети с произвольно назначенной системой прямоугольных координат;

- координаты контролируемых точек сети: вводы трубопроводов в здания, повороты трасс, точки разветвления, пересечения с соседними подземными сооружениями и рельсами трамвая, КИПы и пр.

- диаметр, толщина стенки, удельное сопротивление изолирующего покрытия трубопроводов;

- удельное электрическое сопротивление грунта;

- фактическое количество установок ЭХЗ и их токи (задачи M2 и М3) или предполагаемое количество установок ЭХЗ и предельно допустимые защитные потенциалы в рассматриваемой сети (задача M1);

- предполагаемое (задача M1) или фактическое (задачи M2 и М3) положение анодных заземлителей и точек дренажа установок ЭХЗ на плане сети;

- координаты контролируемых точек рельсовой сети как источника блуждающих токов и эпюра распределения потенциала рельсы-земля.

Р.2.2 При постановке задач следует учитывать ряд особенностей.

P.2.2.1 Минимальное расстояние между контролируемыми точками (или узлами дискретизации) на участке сети не лимитируется и определяется степенью точности ожидаемого решения и требуемой детализацией (дискретизацией) задачи. Например, вблизи анодного заземлителя шаг дискретизации может быть принят равным 10 м и менее, а на прямолинейных протяженных участках допустим шаг 500 м и более.

Возможны незначительные спрямления и искажения реальной схемы сети (замена расчетной схемой) с целью уменьшения объема ввода узлов дискретизации. Общее число узлов дискретизации - не более 200, начало нумерации - произвольное.

Р.2.2.2 Удельное электрическое сопротивление изоляционного покрытия R_из для проектируемого городского трубопровода принимают приближенно, прорабатывая варианты с вилкой "новая - изношенная" изоляция, ориентируясь, вероятно, на худший вариант, взятый, например, из интервала R_из = 200…50 Ом·м², имея в виду, что изоляция стареет, и фактические значения R_из могут быть на порядок меньше.

При проработке вариантов с различными значениями R_из удобно пользоваться коэффициентом старения изоляции, заложенным в разделе "Исходные данные", позволяющим пропорционально менять величины R_из сразу во всем массиве участков.

Р.2.2.3 Один из способов определения фактических значений R_из для узлов дискретизации в действующей трубопроводной сети представлен задачей М3. Точность решения задачи М3 зависит от степени достоверности результатов натурных измерений защитных потенциалов, созданных катодными станциями: изменение потенциала труба-земля в режиме включено - выключено должно быть зафиксировано с точностью ±0,01 В.

Р.2.2.4 При необходимости определения локального значения R_из в отдельно взятой точке по трассе существующего трубопровода: а) включают опытную катодную станцию; б) измеряют поперечный градиент потенциала в земле вблизи исследуемой точки; в) измеряют смещение потенциала трубопровода, вызванное током катодной станции; г) по известной формуле вычисляют плотность тока на поверхности трубопровода в исследуемой точке и д) по закону Ома вычисляют удельное сопротивление изоляции R_из.

Р.2.2.5 Поскольку проектируемая трубопроводная сеть, как правило, затем будет соединена с существующей сетью, следует учитывать их взаимное влияние, связанное с токами перетекания. С этой целью для узла дискретизации, соответствующего точке электрического соединения (стыка) сетей на проектируемом трубопроводе, вводят потенциал, близкий к фактическому потенциалу трубопровода со стороны существующей сети в этой точке, например, U = -0,90 В.

Следует учитывать, что задача M1 корректно решается лишь при разделенных сетях. Поэтому после решения M1 с разделенными сетями следует откорректировать результаты решением в режиме М2 при состыкованных сетях.

Р.2.2.6 При наличии рельсовой сети трамвая или электрифицированной железной дороги определяют шаг дискретизации рельсовых линий в интервале 1000...200 м с малым шагом в районе точек дренажа. Общая протяженность участка моделируемой рельсовой сети должна быть достаточной для воспроизведения поля блуждающих токов на исследуемой территории с минимальными искажениями. Для этого целесообразно рассекать рельсовую сеть в точках токораздела на границах зон действия соседних тяговых подстанций. Общее число узлов дискретизации рельсовой сети - не более 40, нумерация узлов - непрерывная от начала участка.

При наличии ответвления нумерация продолжается от точки разветвления. При этом точка разветвления получает двойной номер: по основной линии и по ответвлению.

Р.2.2.7 Переходное сопротивление участка рельсовой сети R_пер можно принять, исходя из технического состояния рельсовой линии (обычно R_пер = 50…200 Ом·м), или рассчитать по результатам измерения методом градиента потенциала.

Для расчета R_пер на расстоянии Y = 20…30 м от оси рельсовой линии измеряют поперечный градиент потенциала земли U/Y; измеряют удельное электрическое сопротивление грунта , по закону Ома вычисляют плотность тока в земле в точке с радиальной координатой Y; вычисляют суммарный ток, пронизывающий боковую поверхность полуцилиндра радиуса Y единичной длины; измеряют среднее значение потенциала рельсов; по потенциалу рельсов и току вычисляют искомое значение переходного (линейного) сопротивления в данной точке.

Р.2.2.8 При решении задачи M1, руководствуясь реальными возможностями размещения установок ЭХЗ на данной территории, вначале вводят предполагаемое, причем желательно избыточное, количество установок ЭХЗ, задавая их тип - катодные станции, электродренажи и установки гальванической защиты (протекторные). В процессе решения оптимизационной задачи (симплекс-методом) программа отбрасывает излишние установки ЭХЗ и выбирает наилучший вариант размещения оставшихся, исходя из заданной номинальной мощности каждой из них и других указанных выше ограничивающих условий.

Общее количество вводимых установок ЭХЗ - не более 25.

Р.2.2.9 При выборе конструкции анодных заземлителей можно пользоваться типовыми решениями из альбомов рабочих чертежей 5.905-6 и 7.402-5 или же принять нетиповой (собственный) заземлитель.

Р.2.2.10 При проектировании только гальванической защиты участка трубопроводной сети (обычно в режиме М2) вначале должно быть задано количество групп гальванических анодов, их размещение и токи, полагая, что группа - это мини СКЗ. После варьирования этими параметрами и отыскания приемлемого решения по распределению потенциала в сети определяют, используя раздел "Анодные заземлители СКЗ", количество гальванических анодов в группе, ток каждого из них и срок службы.

Решение задачи гальванической (протекторной) защиты в режиме M1 аналогично задаче с катодными станциями, но с заданием малых номинальных (предельных) токов, например, не более 0,2 А для группы гальванических анодов.

Р.2.2.11 К трубопроводу, заземленному на арматуру железобетонной конструкции или другое подземное сооружение, не требующее ЭХЗ, подключают эквивалентный трубопровод, моделирующий данное заземление. Параметры эквивалентного трубопровода вычисляют в разделе "Анализ поля токов" и направляют его от точки заземления вглубь земли. При этом, если моделируется железобетонный фундамент, то стационарный потенциал эквивалентного трубопровода берется более положительным, чем основного, т.е. равным, например, - 0,3 В.

Р.2.2.12 При определении величины стационарного потенциала Е_ст проектируемого к укладке трубопровода по трассе с неоднородным грунтом следует иметь в виду, что в сухих грунтах потенциал Е_ст более положителен, чем в мокрых. Обычно Е_ст находится в диапазоне -0,45 ...-0,7В.

Р.2.2.13 Поскольку удельное сопротивление изоляции трубопровода (R_из) зависит от удельного сопротивления водной составляющей окружающего грунта, то целесообразно вводить для корректировки R_из значения удельного сопротивления грунта () для каждой контролируемой точки или группы ближайших точек.

Р.2.2.14 При исследовании совокупности разнородных и разделенных трубопроводных сетей, т.е. при отсутствии потенциалвыравнивающих перемычек и гальванических связей между сетями, решают задачу М2. При наличии искусственных или естественных перемычек между трубопроводами возможно решение в режиме М1.

Потенциалвыравнивающую кабельную перемычку представляют эквивалентным по продольному сопротивлению трубопроводом с весьма качественной изоляцией (R_из = 20000 Ом·м²) или принимают R_из = 2…4 Ом·м² - при использовании голой стальной шины.

Р.2.2.15 При исследовании поля токов коррозии и защиты в земле, токов перетекания между смежными сооружениями и отдельными участками, например, при их гальванической разнородности, поля токов в многоанодной системе ЭХЗ и пр. используют программы раздела "Анализ поля токов". При этом могут быть построены линии тока анод-катод, векторы плотности тока, рассчитана таблица потенциалов земли в трехмерном пространстве; вычислены плотности тока и продольный ток трубопровода в исследуемой точке сети и т.д.

Р.2.2.16 Сметные расчеты на строительно-монтажные работы ведут на основании прейскурантов ПЭЗ-84 с соответствующим коэффициентом удорожания. Все сметные коэффициенты могут корректироваться пользователем. Могут вводиться нестандартные статьи и калькуляции, которые затем запоминаются для повторного использования.

Спецификация на оборудование и материалы составляется в автоматизированном режиме в процессе подготовки сметы и затем распечатывается по принятой форме.

Р.2.2.17 Графический материал - масштабированная схема трубопроводной сети с размещенными контрольными точками, установками ЭХЗ, КИПами, изолирующими фланцевыми соединениями и прочими графическими и текстовыми отметками - распечатывается на бумаге формата А4 или A3 (при наличии принтера с широкой кареткой), а при необходимости может быть перенесен для обработки в графический редактор WINDOWS.
ПРИМЕР РАСЧЕТА ПО ПРОГРАММЕ АРМ ЭХЗ-6П
Пусть в соответствии с представленной на рисунке Р1 расчетной схемой требуется определить параметры оптимальной системы ЭХЗ участка трубопроводной сети, находящегося в поле блуждающих токов рельсового транспорта.

Произвольно принимаем положение осей прямоугольной системы координат (X, Y, Z), задаем расположение узлов дискретизации: 1...12 - на трубопроводе и 1...5 - в рельсовой линии и определяем их координаты.

Учитываемая в расчетах рельсовая линия находится в пределах зоны действия ближайшей тяговой подстанции, которая подключена в узле Р3. Измеренные потенциалы рельс-земля (U_p) и координаты узлов дискретизации (X_p, Y_p) приведены в табл.Р2.

Удельное сопротивление изоляции трубопровода (R_из) в данном примере принято равным 50 Ом·м. Переходное сопротивление рельсовой линии (R_пер) принято равным 50 Ом·м, что характерно для плохого состояния рельсового полотна.

При определении схемы ЭХЗ можно полагать, что в данной ситуации наиболее простой способ защиты (вариант 1) - применение электродренажа между точками 2 трубопровода и 3 рельсов. После ввода данных (из меню "Ввод и корректировка") решим задачу (из меню "Решение основной задачи") по варианту 1. Результаты решения в режиме M1 (оптимизационная задача) приведены в табл.Р3.

Поскольку наиболее опасный участок анодной зоны на трубопроводе находится в точках 11 и 12, то целесообразно рассмотреть вариант 2 - с катодной станцией: точка дренажа - 11, координата анодного заземлителя – Х_а = 200 и Y_a = -120 м. Результаты расчета приведены в табл.Р3, вариант 2.

Расчет дренажного кабеля показал ("Результаты расчета"), что по первому варианту необходим кабель сечением 35 мм², а по третьему - 10 мм².

При расчете анодного заземлителя с ферросилидовыми стержнями ("Расчет анодного заземлителя") по варианту 3 оказалось, что достаточно одного стержня длиной 1,5 м. Его срок службы - 21,7 года, сопротивление растеканию тока - 7,9 Ом.

При ухудшении качества изоляции трубопровода до уровня R_из = 25 Ом·м токи защиты увеличатся примерно в два раза.

Если же оставить R_из = 50 Ом·м, но увеличить переходное сопротивление рельсовой линии до уровня R_пер = 100 Ом·м, суммарный ток защиты уменьшится примерно в два раза, поскольку существенно уменьшится интенсивность блуждающих токов. Так, в узле 8 (катодная зона) потенциал трубопровода изменится от U_g = -1,03 В до U_g = -0,82 В, в анодной - от U₁₂ = -0,10 В до U₁₂ = -0,36 В.

Приложение С

(Информационное)