Рис. 3. Пример размещения средств катодной защиты при крестообразном расположении скважин куста.
11. На всех трубопроводах необходимо установить контрольно-измерительные пункты (КИП) с шагом через 1 км.
Кроме того КИП следует оборудовать в точках дренажа УКЗ, на пересечении коридоров труб у устья скважин, на выходе коммуникации с площадки ДНС, КС и т.п. (в 25 м), на переходах через водные преграды, автомобильные и железные дороги. При длине трубопроводов менее 1,5 км КИП следует устанавливать через 0,5 км.
Расчет параметров катодной защиты
12. Основным параметром катодной защиты является сила тока, а для протяженных сооружений (трубопроводов) и длина защитной зоны.
13. В зависимости от значения этих параметров при проектировании решается вопрос о выборе мощности защитных устройств, типа и количества анодных заземлений, длине дренажных проводов, а также о размещении средства защиты по промыслу.
14. Расчет параметров катодной защиты нефтепромысловых сооружений ведется раздельно для скважин, коммуникации и выкидных линий. В тех случаях, когда длина выкидных линий невелика, защита по всей длине их может быть обеспечена работой защитных устройств скважин и коммуникаций площадки. Расчет параметров защиты для этих линий не проводится.
Расчет электрических параметров сооружений
15. Продольное сопротивление трубопроводов, Ом/м
,(1)
приведено в таблице
где D - диаметр сооружения, м;
d - толщина стенки сооружения, м;
S - удельное сопротивление трубной стали, Ом.мм2/м.
16. Переходное сопротивление "труба-земля" может быть определено по результатам измерений (рис. 4) и расчету по приближенному выражению:
(2)
где: UТЗ1, и UТЗ2 - наложенная разность потенциалов "труба-земля" соответственно в точках Х1 и Х2 (рис. 4), В;
l1,2 - расстояние между точками измерений, м.
Наложенную разность потенциалов "труба-земля" определяют по данным измерений следующим образом:
UТЗ1=UТЗМ1-Ul1(3)
где: UТЗМ1 - общая защитная разность потенциалов "труба-земля", измеренная в точке Х1, по отношению к медносульфатному электроду сравнения, МЭС, В;
Ul1 - естественная разность потенциалов "труба-земля" в точке X1, по МЭС, В.
Аналогично определяется наложенная разность потенциалов "труба-земля" в точке Х2.
При проведении измерений по определению переходного сопротивления необходимо соблюдать следующие условия:
1) работает только одна установка катодной защиты, соседние с ней установки должны быть выключены;
2) с целью исключения влияния поля анодного заземления точка Х1 должна находиться на расстоянии X1³5у(у - расстояние от трубопровода до анодного заземления), при этом где l1,2=Х2-X1;
3) точки измерений следует выбирать таким образом, чтобы смещения разности потенциалов UТЗ1 и ТТЗ2 были не меньше 0,1 В и отличались друг от друга не менее, чем на 0,05 В.
Рис. 4. Схема определения переходного сопротивления "труба-земля" изолированных трубопроводов
17. По данным обследований состояния защищенности большого числа магистральных трубопроводов и обработки результатов измерений на них современными статистическими методами начальное значение переходного сопротивления может быть принято для сооружений, изолированных покрытиями на битумной основе =3000 Ом.м2, а для сооружений изолированных планочными покрытиями =5000 Ом.м2.
Данные значения относятся к трубопроводам, при строительстве которых выполнены требования технологического контроля, включая поиск дефектов искателем повреждений и проверку состояния изоляции методом катодной поляризации. Для определения переходного сопротивления на единицу длины сооружения следует пользоваться формулой Ом.м: где D - диаметр трубопровода, м.
18. Постоянная распространения тока вдоль сооружения:
(4)
где: R - продольное сопротивление сооружения, Ом/м;
RП - переходное сопротивление сооружения, Ом.м.
Постоянная распространенная тока вдоль трубопровода является основным параметром, характеризующим длину защитной зоны. С уменьшением величины a длина защитной зоны увеличивается.
Постоянная распространения тока вдоль сооружения как функция времени определяется выражением
(5)
где aН - значение постоянной распространения в начальный период эксплуатации сооружения
(6)
b - коэффициент, характеризующий скорость изменения переходного сопротивления во времени, 1/год;
среднее значение b=0,125 1/год для конкретных условий оно может быть уточнено на основе долговременных наблюдений.
19. Характеристическое сопротивление трубопровода определяют по формуле:
, Ом(7)
Если точка дренажа разделяет трубопровод на плечи с различными параметрами, то характеристические сопротивления правого и левого плеча трубопровода будут, соответственно, равны
(8)
где RП и RЛ - продольное сопротивление соответственно правого и левого плеч трубопровода, Ом/м,
и - переходное сопротивление "труба-земля", соответственно правого и левого плеч трубопровода, Ом.м.
Входное сопротивление в этом случае определяется выражением
(9)
Величина входного сопротивления в значительной степени определяет силу тока катодной установки. С увеличением Zв сила тока катодной установки J уменьшается.
Если характеристическое сопротивление правого и левого плеч трубопровода одинаково (Zп=Zл=Z), то входное сопротивление будет равно
(10)
20. Входное сопротивление трубопровода как функцию времени Zв(t) следует определять из выражения
(11)
или
,(12)
где Zн - входное сопротивление трубопровода в начальный период эксплуатации, Ом
(13)
21. Для параллельно идущих подземных коммуникаций рассчитываются параметры эквивалентного сооружения.
Продольное сопротивление эквивалентного сооружения, Ом.м:
,(14)
(15)
(16)
где RЭ+2, RЭ1-3, …; RЭ1-m, RЭ1-n=RЭ - последовательные значения продольного сопротивления эквивалентного сооружения при учете в расчете 1, 2, 3, .... m, n-ой коммуникации, Ом/м;
R1, R2, R3, …, Rm - продольное сопротивление соответственно 1, 2, 3, ..., m, n-ого параллельных сооружений, Ом/м.
22. Переходное сопротивление эквивалентного сооружения, Ом/м:
,(17)
где Rп1 и Rп2 - переходное сопротивление 1-го и 2-го параллельных сооружений, Ом.м;
Rп12 - взаимное переходное сопротивление между сооружениями:
(18)
где Sг - удельное сопротивление грунта, Ом.м;
в - расстояние между сооружениями, м;
a1 и a2 - постоянная распространения тока вдоль, соответственно, 1-го и 2-го сооружений.
При удельном сопротивлении грунта больше 100 Ом.м и в 50 м взаимное переходное сопротивление между сооружениями можно не учитывать.
Расчет катодной защиты подземных сооружений, площадок, насосных станций
23. Расчет катодной защиты подземных сооружений нефтегазопромыслов сводится к определению количества и мощности катодных станций, которые необходимо запроектировать.
24. Мощность катодной станции в общем случае определяется потребностью в защитном токе. Защита подземных сооружений площадок насосных станций нефтепромыслов требует больших энергетических затрат и осуществляется несколькими установками катодной защиты (УКЗ) значительной мощности с распределенными по площадке точками дренажа. Количество установок катодной защиты площадки определяется общей потребностью в защитном токе и мощностью выбранных защитных устройств.
25. Критерием защищенности подземных сооружений площадки считается минимальная разность потенциалов "сооружение-земля" U'м, величина которой устанавливается в зависимости от конкретных условий эксплуатации и равна: -1,0 В в солончаках; 0,95 В в присутствии ионов S, а во всех прочих случаях принимается равной - 0,85 В по отношению к медносульфатному электроду сравнивая (МСЭ). Минимальное смещение разности потенциалов на защищаемых сооружениях должно быть равно:
Uм=U'м-Uе(19)
где U'м - минимальная защитная разность потенциалов "сооружение - земля", В;
Ue - естественная разность потенциалов "сооружение-земля" по МСЭ, В.
26. Совместно с подземными сооружениями площадки насосной станции защищаются и подземные промысловые коммуникации, находящиеся в радиусе 200 м вокруг нее. Сила тока, необходимая для защиты всех этих сооружений, определяется по формуле:
,(20)
где Uм - минимальное смещение разности потенциалов "сооружение-земля", В;
Ue - площадь поверхности подземных сооружений, находящихся на площадке и в радиусе 200 м вокруг нее, М;
k - коэффициент неравномерности распространения тока на сооружениях площадки (k=1,2);
Rп - переходное сопротивление "сооружение-земля" подземных коммуникаций, Ом.м.
27. Количество установок катодной защиты, необходимых для защиты площадки ДНС, находится как соотношение:
,(21)
где J1 - сила тока одной катодной установки, А;
J - общая сила тока, необходимая для защиты всех подземных коммуникаций площадки.
Расчет катодной защиты обсадных колонн скважин
28. Для проектирования средств защиты скважины необходимо знать количество скважин в кусте, глубину заложения скважины, ее диаметр и геоэлектрический разрез.
29. Необходимая степень защиты обсадных колонн скважин определяется, исходя из скорости коррозии (в интервале с максимальной скоростью коррозии) и планируемого срока службы:
(22)
где d0 - допустимое коррозионное уменьшение толщины стенки трубы, мм;
Кн - скорость коррозии, мм/год;
Т - срок службы, годы.
30. Минимальная положенная разность потенциалов на забое скважины находится по формуле
(23)
31. Разность потенциала на устье скважины находится из выражения:
U0=Uмсch(aclc)B(24)
где lc - длина скважины, м;
aс - постоянная распространения тока вдоль скважины, 1/м.
32. Сила тока, необходимая для защиты обсадных колонн скважин, равна:
,(25)
где Zc - характеристическое сопротивление скважины, Ом.
33. Положенная разность потенциалов в точке дренажа, расположенной на расстояние lтд от устья скважины
Uтд=Uмсch(aclc)·ch(aш·lтд),(26)
где aш - постоянная распространения тока вдоль шлейфа, 1/м;
lтд - расстояние от точки дренажа до устья скважины (lтд=50 м).
34. Сила тока, необходимая для защиты системы "шлейф-скважина", определяется:
,(27)
35. Сила тока, требующаяся для защиты всех систем "шлейф-скважина" куста, определяется как сумма:
(28)
где n - число скважин в кусте, шт.
36. Длина защитной зоны установки катодной защиты системы "шлейф-скважина" при распространении ее защитного действия вдоль шлейфа (выкидной линии) определяется по формуле, приведенной ниже (см. п. 37).
Расчет параметров катодной защиты промысловых трубопроводов
37. Длину защитной зоны катодной установки на любой год эксплуатации определяют по формуле:
, м(29)
где Uтзм - минимальная (по абсолютной величине) наложенная защитная разность потенциалов "труба-земля", В;
Uтз0 - наложенная разность потенциалов в точке дренажа, В;
Кв - коэффициент, учитывающий взаимовлияние соседних катодных установок (для одиночных УКЗ Кв=1; для УКЗ, работающих рядом с соседними Кв=0,5);
y - расстояние между трубопроводом и анодным заземлением, м,
rг - удельное электрическое сопротивление грунта в поле токов катодной защиты, Ом.м.
Уравнение решают методом последовательного приближения, начальное значение определяют без учета члена . Длину защитной зоны с точностью до третьей значащей цифры находят обычно двумя итерациями. Если член меньше другого слагаемого, то им можно пренебречь.
38. Оптимальное расстояние между трубопроводов и анодным заземлением принимают равным 7rг, исходя из условий: наименьшего удельного электрического сопротивления грунта в месте установки анодного заземления, удобства прокладки дренажной линии, наличия свободного участка и с учетом формулы 5.
39. Силу тока катодной установки на любой год эксплуатации можно определить из выражения
(30)
40. Напряжение на выходе катодной станции определяется по формуле:
u=J[Zв(t)+Rпр+Rаз], В,(31)
где Rпр - сопротивление дренажных проводов, соединяющих катодную станцию с трубопроводом и анодным заземлением, Ом,
Rаз - сопротивление растеканию анодного заземления, Ом.
Сопротивление проводов определяют из выражения
,(32)
где ус - длина спусков провода с опор к катодной станции, анодному заземлению и трубопроводу, м;
Sn - сечение проводника, мм2;
rм - удельное сопротивление проводника, Ом.мм2/м.
Величина Rаз зависит от конструкции заземления, числа электродов в нем, удельного электрического сопротивления грунта и других факторов.
41. Мощность на выходе катодной станции определяется по формуле:
W=JU, B(33)
В соответствии с рассчитанными силой тока, напряжением и мощностью выбирается тип катодной станции.
Расчет катодной защиты подземных сооружений группового пункта газового промысла
42. Для проектирования средств защиты подземных сооружений газовых промыслов необходимо знать: количество скважин и количество кустов (групповых пунктов) на промысле; количество скважин в кусте и их размещение; глубину и конструкцию скважин с указанием параметров цементирования; диаметр и толщину стенки обсадных труб; геоэлектрический разрез скважин и характеристику водоносных горизонтов.
43. Расположение скважин и шлейфов в групповом пункте (кусте) может быть рассмотрено как веерное или крестообразное. В зависимости от этого разработаны две методики расчета параметров катодной защиты, причем защита всех подземных сооружений группового пункта (ГП) осуществляется одной кустовой катодной установкой при веерном расположении скважин, или же несколькими - при крестообразном расположении скважин.
Расположение, скважин группового пункта веерное
44. Минимальную наложенную разность потенциалов на забое скважин (Uмс) и в начале шлейфа (Uмш) определяют с учетом необходимой степени защиты аналогично пп. 29 и 30.
45. Разность потенциалов в начале шлейфа определяется из выражения:
