Пример расчета совместной катодной защиты сети газопроводов и водопроводов

⇐ Назад

1. Пусть на территории площадью 10 га после завершения строительства будут размещены газопроводы (ГП) и водопроводы (ВП) диаметрами и длинами соответственно d;_r, lj_r и dj_B, lj_B по табл. П1:

РД 153-39.4-091-01

Таблица Ш

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

S_T= 3,14 х Ю³ (200 х 750 + 150 х 640 + 100 х 400 + 89 х 150) =

940 м²,

по формуле (П.2) - суммарную поверхность всех водопроводов: S_B= 3,14 х 10"³ (200 х 450 + 100 х 520 + 300 х 80 + 150 х 170) =

601 м².

3. Суммарная поверхность всех трубопроводов:
S= S_r + S_B = 940 + 601 = 1541 м²

4. Определим среднее удельное сопротивление грунта у трубо-
проводов, исходя из опытных данных табл. П2, где представлены
результаты измерений р ;_г и р j_B вдоль каждого из участков трубо-
проводов, где эти величины можно считать постоянными (эти уча-
стки не обязательно совпадают с участками по табл. Ш).

Таблица П2

РД 153-39.4-091-01

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

5. Суммарная длина водопроводов

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

7. По формулам (П.5) и (П.6) вычисляем доли площади поверх-
ности газопроводов и водопроводов в суммарной поверхности тру-
бопроводов:

8. Вычисляем коэффициенты Ь_ги Ь_впо- 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

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.

РД 153-39.4-091-01

Приложение Р

(Информационное)

Информация о пакете программ АРМ-ЭХЗ-6П

Проектирование электрохимической защиты

трубопроводной сети»²⁾

Р.1 Общие положения

Р. 1.1Пакет 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.1.2Основные решаемые задачи:

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

- определение удельного электрического сопротивления изоля-
ции в заданных точках трубопроводной сети по известному (изме-

² Разработчик - Волгоградская Государственная архитектурно-строительная академия (ВолгГАСА). Тел.: 44-91-68.

РД 153-39.4-091-01

ренному) распределению защитного потенциала и токам катодных станций (обратная задача, код МЗ). Р. 1.3 Прочие решаемые задачи:

- подготовка сметы и спецификации на строительно-монтажные
работы;

- расчет параметров анодных заземлителей и установок гальва-
нической защиты;

- анализ поля токов в земле;

- построение эпюры потенциала в поле блуждающих и защит-
ных 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.1.6Пакет 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.1.8Программы могут быть использованы в любых модификациях ПЭВМ от 286 до Pentium и выполняются с операционной системой как DOS, так и Windows.

РД 153-39.4-091-01

Р.2 Постановка задачи исходные данные

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

Для решения основных задач (Ml, M2 и МЗ) требуются:

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

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

- диаметр, толщина стенки, удельное сопротивление изоли-
рующего покрытия трубопроводов;

- удельное электрическое сопротивление грунта;

- фактическое количество установок ЭХЗ и их токи (задачи М2
и МЗ) или предполагаемое количество установок ЭХЗ и предельно
допустимые защитные потенциалы в рассматриваемой сети (задача
Ml);

- предполагаемое (задача Ml) или фактическое (задачи М2 и
МЗ) положение анодных заземлителей и точек дренажа установок
ЭХЗ на плане сети;

- координаты контролируемых точек рельсовой сети как источ-
ника блуждающих токов и эпюра распределения потенциала рель-
сы-земля.

Р.2.2При постановке задач следует учитывать ряд особенностей.

Р.2.2.1Минимальное 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.

РД 153-39.4-091-01

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_H₃ для проектируемого городского трубопровода принимают приближенно, прорабатывая варианты с вилкой «новая - изношенная» изоляция, ориентируясь, вероятно, на худший вариант, взятый, например, из интервала R_ro = 200 ...50 Ом.м², имея ввиду, что изоляция стареет, и фактические значения R_H₃ могут быть на порядок меньше.

При проработке вариантов с различными значениями R_H₃ удобно пользоваться коэффициентом старения изоляции, заложенным в разделе «Исходные данные», позволяющим пропорционально менять величины R_H₃ сразу во всем массиве участков.

Р.2.2.3 Один из способов определения фактических значений R_H₃для узлов дискретизации в действующей трубопроводной сети представлен задачей МЗ. Точность решения задачи МЗ 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_H₃ 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_H₃.

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 элек-

РД 153-39.4-091-01

трического 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 Ml корректно решается лишь при разделенных сетях. Поэтому после решения Ml 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 AU/AY; измеряют удельное электрическое сопротивление грунта р, 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.

РД 153-39.4-091-01

Р.2.2.8 При решении задачи Ml, 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) зазем-литель.

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 Ml 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 эквива-

РД 153-39.4-091-01

лентного трубопровода берется более положительным, чем основного, т.е. равным, например, - 0,3 В.

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

Р.2.2.13Поскольку удельное сопротивление изоляции трубопровода (R_ro) зависит от удельного сопротивления водной составляющей окружающего грунта, то целесообразно вводить для корректировки R_H₃ значения удельного сопротивления грунта (р) для каждой контролируемой точки или группы ближайших точек.

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

Потенциалвыравнивающую кабельную перемычку представляют эквивалентным по продольному сопротивлению трубопроводом с весьма качественной изоляцией (R_H₃ = 20000 Ом.м²) или принимают R_H₃ = 2...4 Ом.м² - при использовании голой стальной шины.

Р.2.2.15При 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.2.2.16Сметные расчеты на строительно-монтажные работы ведут на основании прейскурантов ПЭЗ-84 с соответствующим коэффициентом удорожания. Все сметные коэффициенты могут кор-

РД 153-39.4-091-01

ректироваться 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 РА СЧЕТА 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.

Рассматриваемый (проектируемый) трубопровод в узле 9 будет врезан в старую трубопроводную сеть с изношенной изоляцией, оборудованную ЭХЗ. Координаты узлов проектируемого трубопровода (Х_т, Y_T, Zr), стационарные потенциалы и потенциал в точке врезки приведены в табл. PI (Zj - заглубление).

РД 153-39.4-091-01

Таблица PI

Рис. PI. Схема трубопроводов и рельсового пути к примеру расчета ЭХЗ по программе АРМ ЭХЗ-6П

Учитываемая в расчетах, рельсовая линия находится в пределах зоны действия ближайшей тяговой подстанции, которая подключе-

РД 153-39.4-091-01

на в узле РЗ. Измеренные потенциалы рельс-земля (U_p) и координаты узлов дискретизации (Х_р, Y_p) приведены в табл. Р2.

Таблица Р2

Удельное сопротивление изоляции трубопровода (R_H₃) в данном примере принято равным 50 Ом.м. Переходное сопротивление рельсовой линии (R_nep) 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 Ml (оптимизационная задача) приведены в табл. РЗ.

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

Для сравнения выполнен расчет по варианту 3 - включены одновременно и электродренаж, и СКЗ (табл. 3, вариант 3). Решается

РД 153-39.4-091-01

оптимизационная задача на минимум тока защиты. Несмотря на то, что суммарный ток защиты несколько снизился, предпочтение, по-видимому, следует отдать варианту 1.

Таблица РЗ

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.

РД 153-39.4-091-01

При ухудшении качества изоляции трубопровода до уровня R_H₃ = 25 Ом. м токи защиты увеличатся примерно в два раза.

Если же оставить R_H₃ = 50 Ом. м, но увеличить переходное сопротивление рельсовой линии до уровня R_nep = 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 U,₂ = - 0,10 В до U,₂ = - 0,36 В.

РД 153-39.4-091-01

Приложение С

(Информационное)

Информация о компьютерной программе CAG для расчета анодных заземлений систем катодной защиты³⁾

С.1Программа CAG предназначена для расчета одиночных вертикальных и горизонтальных заземлителей в однородных и двухслойных грунтах и однорядных анодных заземлений из идентичных вертикальных заземлителей в однородных и (при определенных ограничениях) в двухслойных грунтах. Характеристики грунтов берутся по данным вертикального электрического зондирования (ВЭЗ).

С.2 Программа разработана как программное средство для любых модификаций ПЭВМ от 286 до Pentium, совместимых с IBM PC AT. Программа может выполняться как с операционной системой DOS, так и Windows 95. Все необходимые для работы программы файлы поставляются в комплекте. Запуск осуществляется из рабочего файла. Все комментарии и советы вызываются через Help. Применение мыши, учитывая активную работу с клавиатурой, не предусмотрено. В результате выполнения программы вычисляются искомые значения. Они могут, кроме вывода на экран, сохраняться в файле результатов, формируемом по желанию пользователя для последующей распечатки и обработки.

С.З Программа может решать следующие задачи:

С.3.1При расчете одиночных заземлителей (число анодов п = 1) при заданных характеристиках анода, грунта и расположения анода в грунте:

- вычисление сопротивления растеканию тока анода R и одновременно срока службы анода Т, если задана сила тока на анод J, или допустимой силы тока на анод J, если задан срок его службы Т.

Для вертикального анода одновременно вычисляются приведенные годовые затраты С.

³ Модифицированная программа ORVG-1. Разработчик - Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова. Тел. 490-37-23.

РД 153-39.4-091-01

С.3.2 При расчете однорядных анодных заземлений в однородном и (с определенными ограничениями) в двухслойном грунте при заданных характеристиках анодов, грунта, расположения анодов в грунте, силе тока на заземление Jp и сроке службы анодов Т:

- при п = 0 и Rg = 0: расчет числа анодов птз в экономически
оптимальном заземлении, минимальных приведенных годовых за
трат Cmin, сопротивления растеканию тока заземления Rg, сопро-
тивления растеканию тока одного анода R, допустимой силы тока
на анод J, минимального необходимого числа анодов в заземлении
nm;

- при п = 0 и заданном Rg > 0: расчет числа анодов п, обеспечи-
вающего получение значения Rg, максимально близкого к заданно-
му; соответствующее значение Rg, а также значений R, J, nm и С;

- при Rg = 0 и числе анодов п > 2 расчет: значений Rg, R, J, nm
и С.

Подробнее возможности и ограничения расчетов, обозначения и размерности вводимых и вычисляемых параметров перечислены в Help. Выход на Help возможен и в процессе расчетов - клавиша F1.

С.4 После запуска рабочего файла следует в соответствии с появляющимся запросом выбрать тип рассчитываемых анодов - вертикальные или горизонтальные, а затем ответить на запрос: не нужен (п) или нужен (имя файла) файл результатов..

С.5 При выборе вертикальных анодов на экране появляются 7 схем возможного расположения вертикального анода в грунте (рис. С1). При выборе горизонтальных анодов на экране появляются 4 схемы возможного расположения горизонтального анода в грунте (рис. С2).

С.6 Для введения исходных данных следует выбрать нужный номер схемы и дать его как двухзначное число (например, 24).

С.7 Для вертикальных анодов ввиду большого количества вводимых исходных параметров их столбец занимает 2 экрана. Переход от 1-й половины столбца ко 2-й и обратно осуществляется командами соответственно Page Down и Page Up.

С.8 В столбце исходных параметров, наряду с их обозначениями, приведены их произвольные численные величины - кроме коэффициента запаса (Eps), а для вертикальных анодов - также нормативного коэффициента (Ен), к.п.д. преобразователя (w) и числа

РД 153-39.4-091-01

часов работы заземления в году (Тг). Для этих параметров даны значения, употребительные на момент составления программы. Для изменения значения любого параметра, включая указанные, следует установить курсор на его символе и дать команды: Enter - нужное число - Enter. Могут вводиться параметры как типовых, так и нетиповых заземлителей.

С учетом п. 4.3.17 заглубление анода t, а также толщина верхнего слоя двухслойного грунта отсчитываются от нижней границы слоя промерзания грунта.

Рис. С1. К программе CAG: схема возможных расположений

вертикального анода в однородном (1.1,1.2) и двухслойном

грунтах (2.1 - 2.5) для выбора расчетного варианта

РД 153-39.4-091-01

Рис. С2. К программе CAG: схема возможных расположений

горизонтального анода в однородном (1.1,1.2) и двухслойном

грунтах (2.1,2.2) для выбора расчетного варианта

С.9 После введения всех нужных численных значений параметров подвести курсор к строке run в столбце исходных данных и нажать клавишу Enter. Если введенные числа не содержат ошибки (значения L, LI, L2, h, t соответствуют выбранной схеме расположения анода в грунте) и не попадают в зону ограничений возможностей программы, в правой половине экрана появляется столбец значений искомых характеристик. В противном случае высвечивается информация об ошибке или попадании введенного значения того или иного параметра в зону ограничений возможностей расчета по программе.

⇐ Назад