RU2768063C1

RU2768063C1 - Method for cathodic protection of an underground facility

Info

Publication number: RU2768063C1
Application number: RU2021110776A
Authority: RU
Inventors: Александр Гарольдович Редекоп
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Завод нефтегазовой аппаратуры Анодъ"
Priority date: 2021-04-16
Filing date: 2021-04-16
Publication date: 2022-03-23

Abstract

FIELD: pipeline technology.SUBSTANCE: invention relates to cathodic protection of underground metal structures from corrosion and can be used for electrochemical protection of pipelines laid in the ground. The method involves connecting an underground facility with a cathodic protection station, placing anode earthing devices connected to the cathodic protection station near the protected object, while at one site of the underground facility, based on the required values of protective electrical characteristics and soil properties at this site, the required number of anode earthing devices and the necessary materials of anode earthing devices are determined, then an anode field is formed on the site, placing at least two different anode earthing devices on it, in which the material of one anode earthing device differs from the material of the other anode earthing device.EFFECT: increase in the efficiency of cathodic protection of an underground facility.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к катодной защите подземных металлических сооружений от коррозии, может использоваться при электрохимической защите трубопроводов, проложенных в грунте.The invention relates to the cathodic protection of underground metal structures against corrosion, can be used in the electrochemical protection of pipelines laid in the ground.

Известна система катодной защиты группы скважин и устройство для обнаружения дефектов скважин с двойным анодом по патенту Китая CN208995604, C23F13/10, C23F13/22, 2019г. Данный аналог содержит устройство дистанционного мониторинга, шкаф цифрового мониторинга, скважину с двойным анодом. Двойной анод состоит из корпуса вспомогательного анода и корпуса основного анода, причем корпус вспомогательного анода устанавливают внутри корпуса основного анода. Вспомогательный анод выполняют из жаропрочного алюминиевого сплава, основной анод выполняют из высококремнистого чугуна. Система катодной защиты не обладает достаточной надежностью. При изменении внешних условий происходит ухудшение работы такого двойного анода, это приводит к тому, что характеристики анодного поля не стабильны во времени.A known cathodic protection system for a group of wells and a device for detecting well defects with a double anode according to the Chinese patent CN208995604, C23F13/10, C23F13/22, 2019. This analog contains a remote monitoring device, a digital monitoring cabinet, a well with a double anode. The double anode consists of an auxiliary anode body and a main anode body, the auxiliary anode body being installed inside the main anode body. The auxiliary anode is made of heat-resistant aluminum alloy, the main anode is made of high-silicon cast iron. The cathodic protection system is not sufficiently reliable. When external conditions change, the operation of such a double anode deteriorates, which leads to the fact that the characteristics of the anode field are not stable over time.

Известен способ эксплуатации трубопроводов системы нефтесбора и поддержания пластового давления нефтяного месторождения по патенту РФ №2303122, E21B 41/02, C23F 13/00, 2007г. Данный аналог включает монтаж установки катодной защиты, создание разности потенциалов между трубопроводами и анодными заземлителями. Анодные заземлители устанавливают по обе стороны от трубопровода. При включении катодной защиты и установке необходимой величины защитного тока формируется защитная зона, которая защищает трубопровод от коррозии. Недостатком является возможность ухудшения анодного поля при сезонных изменениях погодных условий, невысокая эффективность защиты в определенные периоды работы установки катодной защиты.A known method of operating pipelines of the oil gathering system and maintaining reservoir pressure of an oil field according to the patent of the Russian Federation No. 2303122, E21B 41/02, C23F 13/00, 2007. This analogue includes the installation of a cathodic protection installation, the creation of a potential difference between pipelines and anode ground electrodes. Anode ground electrodes are installed on both sides of the pipeline. When cathodic protection is turned on and the necessary value of the protective current is set, a protective zone is formed that protects the pipeline from corrosion. The disadvantage is the possibility of deterioration of the anode field with seasonal changes in weather conditions, low protection efficiency during certain periods of operation of the cathodic protection unit.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран способ защиты от электрохимической коррозии участка стального подземного сооружения, находящегося в агрессивной окружающей среде по патенту РФ №2609121, C23F13/02, 2017г. Данный способ включает в себя установку дополнительных источников постоянного тока с точками дренирования, установку дополнительных анодных заземлителей, формирование защитных зон. Анодные заземлители выполняют из материалов, стойких к электролитическому растворению, а количество анодных заземлителей определяют, исходя из величины переходного сопротивления анодного заземления и требуемой величины катодного тока для защиты сооружения. Каждый дополнительный источник тока, подключенный к основной электрозащитной установке, обеспечивает свою эффективную зону защиты сооружения. В аналоге исключают образование на защищаемом подземном сооружении анодных зон, приводящих к коррозионным разрушениям. Это достигают за счет увеличения количества анодных заземлителей. Однако анодное поле, создаваемое анодами одного типа, изменяет защитные свойства в разные периоды работы при изменении внешних условий. В какие-то периоды времени возможно ускоренное растворение анодов и неравномерность характеристик защиты. Недостатком является малая эффективность коррозионной защиты, необходимость использования средств для управления и регулирования защитными характеристиками.As the closest analogue to the claimed technical solution, a method of protection against electrochemical corrosion of a section of a steel underground structure located in an aggressive environment is chosen according to the patent of the Russian Federation No. 2609121, C23F13 / 02, 2017. This method includes the installation of additional DC sources with drainage points, the installation of additional anode ground electrodes, and the formation of protective zones. Anode earth electrodes are made of materials resistant to electrolytic dissolution, and the number of anode earth electrodes is determined based on the value of the transient resistance of the anode earth and the required cathode current to protect the structure. Each additional current source connected to the main electrical protection installation provides its own effective protection zone for the structure. In analog, the formation of anode zones on the protected underground structure, leading to corrosion damage, is excluded. This is achieved by increasing the number of anode ground electrodes. However, the anode field created by anodes of the same type changes the protective properties in different periods of operation when external conditions change. In some periods of time, accelerated dissolution of the anodes and uneven protection characteristics are possible. The disadvantage is the low efficiency of corrosion protection, the need to use tools to control and regulate the protective characteristics.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности катодной защиты подземного объекта. The technical result of the claimed invention is to increase the efficiency of cathodic protection of an underground facility.

Технический результат достигается за счет того, что в способе катодной защиты подземного объекта, включающем соединение защищаемого объекта со станцией катодной защиты и формирование анодного поля защищаемого объекта, согласно изобретению, анодное поле формируют, размещая вблизи защищаемого объекта не менее двух анодных заземлителей, связанных с единой станцией катодной защиты, при этом используют анодные заземлители, у которых материал выполнения одного анодного заземлителя отличается от материала другого анодного заземлителя.The technical result is achieved due to the fact that in the method of cathodic protection of an underground object, including the connection of the protected object with the cathodic protection station and the formation of the anode field of the protected object, according to the invention, the anode field is formed by placing at least two anode ground electrodes connected to a single cathodic protection station, while using anode earth electrodes, in which the material of execution of one anode earth electrode differs from the material of another anode earth electrode.

Технический результат обеспечивается тем, что используют анодные заземлители, выполненные из разных материалов и обладающие разными свойствами. Использованием различных типов анодов создают единое анодное поле объекта. Защитные характеристики металлических, графитовых, графитопластовых, полимерных анодных заземлителей неодинаковы при одних и тех же внешних условиях работы, таких как влажность грунта, проводимость, удельное сопротивление, сопротивление растеканию электрического тока. Сочетание анодных заземлителей из разных материалов, применяемых в одной системе катодной защиты, позволяет повысить эффективность действия анодного поля на защищаемый объект. Так, например, возможность держать большие токовые нагрузки и малое сопротивление растеканию в низкоомных грунтах обеспечивают за счет использования металлических анодов, малое сопротивление растеканию в высокоомных грунтах, малую растворимость и долгий срок службы обеспечивают применением полимерных анодов. В различное время года меняется удельное сопротивление грунта, весной и осенью сопротивление грунта низкое, зимой - высокое, в результате изменяется и созданное анодное поле электрохимической защиты. Использование хотя бы двух анодных заземлителей из разных материалов, например, из металла и полимера, или из металла и графита, позволяет получить стабильные защитные характеристики, в частности, стабильные характеристики сопротивления растеканию. Материалы анодов для конкретного участка выбирают исходя их свойств этого участка таким образом, чтобы сочетание создаваемых электрических характеристик обеспечивало эффективную защиту объекта на данном участке при любом изменении внешних условий.The technical result is ensured by the use of anode earth electrodes made of different materials and having different properties. Using different types of anodes create a single anode field of the object. The protective characteristics of metal, graphite, graphite-plastic, polymer anode ground electrodes are not the same under the same external operating conditions, such as soil moisture, conductivity, resistivity, resistance to the spread of electric current. The combination of anode ground electrodes made of different materials used in one cathodic protection system makes it possible to increase the efficiency of the anode field effect on the protected object. For example, the ability to hold high current loads and low spreading resistance in low-resistance soils is provided by the use of metal anodes, low spreading resistance in high-resistance soils, low solubility and long service life are provided by the use of polymer anodes. At different times of the year, the soil resistivity changes, in spring and autumn the soil resistance is low, in winter it is high, as a result, the created anode field of electrochemical protection also changes. The use of at least two anode earth electrodes made of different materials, such as metal and polymer, or metal and graphite, makes it possible to obtain stable protective characteristics, in particular, stable spreading resistance characteristics. Anode materials for a particular section are chosen based on their properties of this section in such a way that the combination of electrical characteristics created provides effective protection of the object in this section under any change in external conditions.

На фигуре представлена структурная схема катодной защиты трубопровода с применением анодов из различных материалов.The figure shows a block diagram of the cathodic protection of the pipeline using anodes of various materials.

Анодные заземлители 1, 2, 3 состоят из токопроводящих электродов, корпуса которых выполнены из разных токопроводящих материалов, таких как, металл, графит, полимерный токопроводящий материал, возможно использование композитного материала, содержащего соединение металла или полимера с электропроводящим графитом или техуглеродом. Например, в анодах марки «Менделеевец» применяют металл или сплавы металла, в анодах ЭГТ применяют графит и композиты или полимеры с электропроводящим графитом, в анодах АЗП-РА - композиты или полимеры с электропроводящим техническим углеродом.Anode ground electrodes 1, 2, 3 consist of conductive electrodes, the bodies of which are made of different conductive materials, such as metal, graphite, conductive polymer material, it is possible to use a composite material containing a combination of metal or polymer with electrically conductive graphite or carbon black. For example, metal or metal alloys are used in Mendeleevets anodes, graphite and composites or polymers with electrically conductive graphite are used in EGT anodes, and composites or polymers with electrically conductive carbon black are used in AZP-RA anodes.

Способ электрохимической защиты подземных металлических сооружений осуществляют следующим образом.The method of electrochemical protection of underground metal structures is carried out as follows.

К защищаемому объекту, например, трубопроводу 4, находящемуся в почве, от отрицательного полюса источника тока 5 подводят кабель. В качестве источника тока 5 может использоваться катодная станция. Положительный полюс источника тока 5 соединяют с анодными заземлителями 1, 2, 3 выполненными из разных токопроводящих материалов и размещенными в грунте ниже защищаемого трубопровода 4. Необходимое количество анодных заземлителей и материалы заземлителей определяют исходя из требуемых значений защитных электрических характеристик и свойств грунта на участке вблизи защищаемого объекта 4. После подключения анодных заземлителей 1, 2, 3 к положительному полюсу источника тока 5, а защищаемого сооружения 4 - к отрицательному полюсу, защищаемый объект 4 становится катодом. Ток идет по цепи: анодный заземлитель 1, 2, 3 - почвенный электролит - объект защиты от коррозии 4. В процессе защиты электроды 1, 2, 3 растворяются и разрушаются, сохраняя неповрежденным объект защиты 4. Правильный выбор материалов заземлителей позволяет обеспечивать эффективность катодной защиты, тем самым гарантируя долговечность и работоспособность защищаемой металлической конструкции 5. Каждый из анодных заземлителей 1, 2, 3 выполняют из материла отличного от соседнего анодного заземлителя. Могут использовать металл, графит, полимерный токопроводящий материал, или композитный материал, содержащий соединение металла или полимера с электропроводящим графитом или техуглеродом. Различные типы анодов обладают различными уникальными свойствами. Помимо металлических анодных заземлителей используют слаборастворимые железокремнистые или ферросилидовые материалы. Условия эксплуатации ферросилидовых электродов - это среды с высокой и средней коррозионной агрессивностью при удельном электрическом сопротивлении грунта до 100 Ом*м. В качестве материала анодов могут применять магнетит, он имеет очень низкую скорость растворения до 0,04 кг/А⋅год. В связи с низкой скоростью растворения геометрические размеры такого заземлителя во время эксплуатации изменяются незначительно, что обеспечивает практически стабильное сопротивление растеканию тока. Ввиду большой допустимой плотности тока, магнетит используют в разное время года, в различных грунтах с широким спектром свойств, в морской и пресной воде, а также в прочих средах с высокой коррозионной агрессивностью. В качестве малорастворимого материала анодного заземлителя могут использовать графит, электронная проводимость с удельным электрическим сопротивлением, которого равна 2÷5^*10⁻⁵Ом*м, плотность - 1600-2100 кг/м³. Скорость растворения графита слабо зависит от плотности анодного тока. Условия эксплуатации графитовых электродов - это грунты с пониженной влажностью. Применяя различные типы анодов в системе катодной защиты, относящейся, например, к одному участку, на котором работает одна станция катодной защиты, получают стабильные характеристики сопротивления растеканию. Эффективность работы системы катодной защиты повышается за счет того, что при использовании анодов различных по составу, создаются стабильные защитные характеристики на протяжении всего времени работы анодных заземлителей вне зависимости от погодных условий и состава грунта.To the object to be protected, for example, pipeline 4, located in the soil, a cable is connected from the negative pole of the current source 5. As a current source 5, a cathode station can be used. The positive pole of the current source 5 is connected to the anode ground electrodes 1, 2, 3 made of different conductive materials and placed in the ground below the protected pipeline 4. The required number of anode ground electrodes and the materials of the earth electrodes are determined based on the required values of protective electrical characteristics and soil properties in the area near the protected object 4. After connecting the anode ground electrodes 1, 2, 3 to the positive pole of the current source 5, and the protected structure 4 to the negative pole, the protected object 4 becomes the cathode. The current flows through the circuit: anode ground electrode 1, 2, 3 - soil electrolyte - object of protection against corrosion 4. In the process of protection, electrodes 1, 2, 3 are dissolved and destroyed, keeping the object of protection intact 4. The correct choice of materials of ground electrodes allows ensuring the effectiveness of cathodic protection , thereby guaranteeing the durability and performance of the protected metal structure 5. Each of the anode ground electrodes 1, 2, 3 is made of a material different from the adjacent anode electrode. Metal, graphite, polymeric conductive material, or a composite material containing a combination of metal or polymer with electrically conductive graphite or carbon black can be used. Different types of anodes have different unique properties. In addition to metal anode ground electrodes, slightly soluble iron-silicon or ferrosilicon materials are used. The operating conditions of ferrosilicon electrodes are environments with high and medium corrosive aggressiveness with a specific electrical resistance of the soil up to 100 Ohm * m. Magnetite can be used as an anode material; it has a very low dissolution rate of up to 0.04 kg/A⋅year. Due to the low dissolution rate, the geometrical dimensions of such a grounding electrode change insignificantly during operation, which provides an almost stable resistance to current spreading. Due to the large allowable current density, magnetite is used at different times of the year, in various soils with a wide range of properties, in sea and fresh water, as well as in other environments with high corrosiveness. Graphite, electronic conductivity with electrical resistivity equal to 2÷5 ^* 10 ⁻⁵ Ohm * m, density - 1600-2100 kg / m ³ can be used as a slightly soluble material of the anode ground electrode. The graphite dissolution rate weakly depends on the anode current density. The operating conditions of graphite electrodes are soils with low humidity. By using different types of anodes in a cathodic protection system related to, for example, one area in which one cathodic protection station operates, stable spreading resistance characteristics are obtained. The efficiency of the cathodic protection system is increased due to the fact that when using anodes of different composition, stable protective characteristics are created throughout the entire time of operation of the anode earth electrodes, regardless of weather conditions and soil composition.

Таким образом, предлагаемый способ электрохимической защиты позволяет повысить эффективность работы системы катодной защиты.Thus, the proposed method of electrochemical protection makes it possible to increase the efficiency of the cathodic protection system.

Claims

A method for cathodic protection of an underground facility, including its connection to a cathodic protection station, placement of anode ground electrodes connected to the cathodic protection station near the protected object, characterized in that in one section of the underground object, based on the required values of protective electrical characteristics and soil properties in this area , determine the required number of anode earth electrodes and determine the necessary materials of anode earth electrodes, then an anode field is formed on the site, placing at least two different anode earth electrodes on it, in which the material of execution of one anode earth electrode differs from the material of the other anode earth electrode.