автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Станция катодной защиты импульсным током подземных металлических трубопроводов

На правах рукописи

Марухин Денис Николаевич

СТАНЦИЯ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ ИМПУЛЬСНЫМ ТОКОМ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов - 2015

Работа выполнена на кафедре системотехники Федерального государственного бюджетного образовательного учреждениея высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор,

Томашевский Юрий Болеславович

Официальные оппоненты Шапиро Семен Вольфович

доктор технических наук, профессор, Уфимский государственный университет экономики и сервиса, профессор кафедры физики

Погодин Николай Васильевич кандидат технических наук, ООО «МПП «Энерготехника», г. Саратов, главный инженер

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Зашита состоится 10 апреля 2015 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, г. Саратов, Политехническая, 77, корп. 1, ауд. 319

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и на сайте www.sstu.ru

Автореферат разослан « ¿)И » февраля 2015 г.

Ученый секретарь /Тл

диссертационного совета, к.т.н. лгт Миргородская

россииск; 1 ГОСУДАРСТВЕН::-

БИБЛИОТЕКА J

_ 2015

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Астуяльность работы

Надежность систем трубопроводного транспорта является важнейшим фактором стабильности и роста экономического потенциала России. В свою очередь, надежность во многом определяется эффективностью комплексной защиты трубопроводов от коррозии.

Почвенную коррозию учитывают как один из серьезных факторов при определении условий эксплуатации трубопроводов. Около 45 % всех аварий на трубопроводах происходят по причине коррозии. В последние годы защита металлов от коррозии превратилась в глобальную международную задачу.

Одной из стратегических целей государственной политики в сфере повышения энергетической . эффективности экономики является максимально рациональное использование энергетических ресурсов. В рамках этой стратегической проблемы применительно к защите металлов от коррозии, помимо основной задачи, приходится решать и другую, заключающуюся в обеспечении надежности эксплуатируемых магистральных трубопроводов.

Одним из основных направлений решения указанных задач является развитие активной защиты, которая, дополняя пассивный вид защиты магистральных трубопроводов, выступает основным потребителем энергии. Решению проблемы повышения эффективности электрохимической защиты посвящено большое количество публикаций как в нашей стране, так и за рубежом. Среди них можно отметить работы Агинея Р.В., Винокурцева Г.Г., Глазкова В.И., Гумерова А.Г., Дмитрикова В.Ф., Красноярского В.Г., Котика В.Г., Палашова В.В., Петухова B.C., Притулы В.А., Стрижевского И.В., Ткаченко В.Н., Ashworth V., Baeckmann W., Doniguian T.M., Roberge P.R., Schwenk W., Thomas J.G.N., Uhlig H.H. и других.

В настоящее время эксплуатируются станции катодной защиты, основанные на применении постоянного тока, натекающего на трубопровод. Применение данных технических устройств не дает возможности учитывать переходные процессы нарастания и спада поляризации и при значительном увеличении амплитуды тока приводит к ускорению процесса выделения водорода, который не только выходит в атмосферу, но и включается в электродный материал (наводораживание). Изменить технологический процесс можно путем изменения режима электролиза, например при использовании импульсного тока.

Заряд поверхности металлического электрода может происходить мгновенно, однако нужно определенное время на формирование соответствующего объемного заряда со стороны электролита, которое может быть соизмеримо с длительностью импульса тока. Как следствие,

для направленного воздействия на протекание электродных процессов, и через них на достигаемый технологический эффект (защищенность), необходимо задавать параметры импульсов тока с учетом особенностей формирования потенциала границы раздела металл-электролит. Поэтому разработка и применение электротехнического комплекса для защиты подземных металлических трубопроводов на основе станции катодной защиты, позволяющей изменять технологический процесс защиты путем подачи в нагрузку импульсного тока, учитывающего внешние условия эксплуатации, является важной и актуальной задачей.

Объект исследования - технологический процесс защиты подземных металлических трубопроводов с применением импульсного тока в различных условиях эксплуатации.

Предмет исследовяния - импульсная станция катодной защиты подземных металлических трубопроводов.

Целью работы является разработка станции катодной защиты как базового компонента электротехнического комплекса для защиты подземных металлических трубопроводов импульсным током.

Исходя из поставленной цели, в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. Провести анализ современного уровня электрохимической защиты подземных сооружений, автоматизированных систем контроля и управления параметрами технологического процесса защиты подземных трубопроводов, определить источники повышения энергоэффективности процесса активной защиты.

2. Исследовать воздействия импульсного тока на сталь при катодной поляризации, в ходе экспериментальных исследований определить близкие к оптимальным характеристики импульсного тока.

3. Разработать математическую модель станции катодной защиты (СКЗ) на основе импульсного тока и с помощью компьютерного моделирования определить параметры станции в сравнении с традиционной СКЗ.

4. Разработать комплексную модель нагрузки, дополнив ее моделью на базе нечетких правил, позволяющую при моделировании учесть влияние коррозионной агрессивности грунта, состояния защитного покрытия и величины тока на защитный потенциал.

5. Разработать алгоритм стабилизации защитного потенциала при двухканальном регулировании: амплитуды и длительности выходных импульсов.

6. Исследовать СКЗ с двумя каналами регулирования методами компьютерного моделирования с использованием комплексной модели нагрузки для окончательного выбора элементов схемы.

7. Выполнить практические испытания электротехнического комплекса для электрохимической защиты на основе импульсного тока с расчетом показателей эффективности.

Методы исследования. Поставленные задачи решались путем проведения лабораторных экспериментов на построенном макете электрохимической ячейки. В работе использованы методы математического моделирования, методы управления сложными объектами с использованием нечеткой правил, экспериментальные (полигонные) испытания разработанных технических решений. Математическое моделирование проводилось в среде МАТЬАВ/^тиПпк.

Достоверность полученных в работе научных результатов, выводов обеспечивается корректным использованием применяемого математического аппарата и методов математического моделирования, результатами лабораторных исследований. Справедливость выводов относительно адекватности используемых математических моделей подтверждается экспериментальными (полигонными) исследованиями разработанного технического устройства.

Научная новизна:

1. В результате экспериментальных исследований изменений потенциала стали при ее поляризации в импульсном режиме источника тока установлено, что при воздействии импульсного тока на сталь достигаются требуемые значения поляризационного потенциала вследствие катодной поляризации. Импульсная поляризация обусловливает меньшее наводораживание стали и способствует увеличению эффективности импульсной катодной зашиты.

2. Разработана комплексная модель нагрузки, содержащая, помимо электрической схемы замещения, модель на базе нечетких правил, позволившая при моделировании учесть влияние коррозионной агрессивности грунта, состояния защитного покрытия и величины тока на защитный потенциал.

3. Предложен вариант двухканальной системы стабилизации защитного потенциала с регулированием амплитуды и длительности выходных импульсов, а также алгоритм взаимодействия этих каналов, когда в первую очередь регулирование ведется по амплитуде импульса, а по достижении предельных минимального или максимального значений начинается соответственно уменьшение или увеличение длительности импульсов с заданным шагом.

4. Разработана компьютерная модель импульсной СКЗ с инверторным звеном повышенной частоты и двумя каналами регулирования для проверки схемотехнического решения импульсной станции катодной защиты методами имитационного моделирования и окончательного выбора элементов схемы.

На защиту выносятся следующие положения:

1. В процессе катодной поляризации стали в импульсном режиме источника тока установлено, что достигаются требуемые значения поляризационного потенциала в диапазоне от -0.85 В до -1.1 В, при этом импульсная поляризация обусловливает меньшее наводораживание стали и способствует увеличению эффективности импульсной катодной защиты.

2. По результатам экспериментальных исследований разработана нечеткая модель вывода Мамдани, содержащая 45 правил, дополняющая электрическую схему замещения и позволяющая при моделировании учесть влияние коррозионной агрессивности грунта, состояния защитного покрытия и величины тока на защитный потенциал.

3. Алгоритм стабилизации защитного потенциала, реализуемый двухканальной системой управления, когда в первую очередь регулирование ведется по амплитуде импульсов, а по достижении предельных минимального или максимального значений начинается соответственно уменьшение или увеличение их длительности с заданным шагом, что обеспечивает эффективный режим зашиты.

4. Компьютерная модель импульсной СКЗ с инверторным звеном повышенной частоты и двумя каналами регулирования позволяет осуществить окончательный выбор элементов электротехнического комплекса для защиты подземных металлических сооружений с учетом коррозионной агрессивности грунта и состояния защитного покрытия, а также определить начальные параметры импульсной последовательности.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- разработано схемотехническое решение станции катодной защиты и системы управления, позволяющее формировать импульсное выходное напряжение и осуществлять поляризацию трубопровода при высоких показателях энергетической эффективности;

- предложена модель нагрузки на основе нечетких правил, дополняющая электрическую схему замещения и позволяющая при моделировании учесть влияние коррозионной агрессивности грунта, состояния защитного покрытия и величины тока на защитный потенциал, что особенно важно при широком изменении параметров защитного покрытия трубопровода и окружающей среды;

- построена структурная схема системы автоматизированного управления импульсной станцией катодной защиты, верхние и нижние уровни управления;

- результаты исследований могут быть положены в основу разработки новых и совершенствования существующих электротехнических устройств для защиты от коррозии подземных трубопроводов с высокими энергетическими показателями.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной конференции «Химия под знаком Сигма: Исследования, инновации, технологии» (Казань, 2012), VI научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Современная газотранспортная отрасль: перспективы, проблемы, решения» (Томск, 2013), VI конференции молодых ученых и специалистов ООО «Газпром Трансгаз Саратов», посвященной 20-летию со дня образования ОАО «Газпром» (Саратов, 2013), Юбилейной десятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2013). На перечисленных конференциях работа была отмечена дипломами различной степени.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, приложения и списка литературы, включающего 117 наименований. Работа изложена на 149 страницах. Основная часть содержит 144 страницы машинописного текста, 59 рисунков и 7 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и определены задачи исследования, приведены основные положения и результаты, выносимые на защиту, научная новизна и практическая ценность. Представлены перспективы развития результатов по теме диссертации.

В первой главе анализируется текущее состояние активной защиты подземных трубопроводов в России и в мире, выделяются проблемы, стоящие перед отраслью в соответствии с задачей энергетической модернизации.

Рассматриваются основные типы преобразователей, используемых в станциях катодной защиты: тиристорные выпрямители, инверторные, резонансные преобразователи, указываются их преимущества и недостатки. Рассмотрены системы автоматизированного мониторинга и управления как средство повышения надежности эксплуатации трубопроводов.

При электрохимической защите возникает эффект катодной поляризации: потенциал коррозирующей поверхности приобретает катодное смещение, в результате чего ее электрохимический потенциал становится отрицательнее своего стационарного значения.

Плотность тока катодной поляризации у и электрохимический потенциал исследуемого металла и обычно связывают графической зависимостью, называемой катодной поляризационной характеристикой

У = Рф, вид которой определяется множеством физико-химических факторов, проявляющихся на поверхности поляризующегося электрода.

Следует отметить, что катодное смещение Ш есть отрицательное приращение потенциала электрода относительно своего стационарного состояния 11„.

Анализируя опыт использования систем катодной защиты в других странах, отметим, что при организации катодной защиты подземных сооружений нагрузка рассматривается с учетом реализации эффекта последействия поляризации. Учитывая данный эффект, возможно изменить режим электролиза, применив не постоянный ток, а импульсный. Станцию катодной защиты, реализующую этот режим, будем называть импульсной.

В ряде работ, опубликованных в России и за рубежом, говорится о зависимости возможного развития водородного коррозионного растрескивания ферритно-перлитных сталей от потенциала катодной защиты при поляризации постоянным током при одновременном воздействии механических напряжений. Экспериментально установлено, что повышение амплитуды тока приводит к ускорению процесса выделения водорода, который не только выходит в атмосферу, но и включается в электродный материал (наводораживание). Скорость распределения водорода в материале зависит от природы электрода, его структуры и определяется коэффициентом диффузии.

Таким образом, для направленного воздействия на протекание электродных процессов, и через них на достигаемый технологический эффект, необходимо задавать параметры импульсов тока с учетом особенностей формирования потенциала границы раздела металл -электролит в нестационарных условиях. Использование импульсного тока приводит к снижению наводораживания изделий и, соответствию, положительно влияет на физико-механические свойства материалов.

Сформулированные проблемы показывают необходимость совершенствования подходов к активной защите подземных трубопроводов, позволяют рассматривать применение импульсного тока при катодной поляризации как перспективный метод, приводящий к повышению энергоэффективности и сохранению механической прочности.

Во второй главе проведены лабораторные исследования по определению воздействия импульсного тока на сталь при катодной поляризации. В результате установлены параметры импульсов для дальнейшего моделирования режимов с учетом реальных условий эксплуатации подземных трубопроводов.

Изучение характера изменения потенциала осуществляется путем построения поляризационных кривых с использованием потенциостата.

Критерием защищенности стали при поляризации импульсным током является достижение значений потенциалов, установленных в нормативных документах (НД): ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы

стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии» и ГОСТ 9.602-2005 «Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии».

Все измерения поляризационных потенциалов осуществлялись в импульсных режимах подачей катодного тока на рабочий электрод, обеспечиваемых различными диапазонами скважности источника. В случае необходимости и возможности испытательные режимы отрабатывались при различных величинах импульсного тока, обеспечиваемых за счет регулируемого источника.

С уменьшением времени импульса значения потенциала не достигают потенциала выделения водорода. Это обусловливает меньшее наводораживание стали. При наводораживании происходит увеличение твердости исследуемого стального образца, приводящее к повышению хрупкости стали. Установлено, что наименьшее изменение прочностных характеристик (микротвердости и предела прочности) наблюдается для импульсного режима (импульс - 0,1 с, пауза - 4 с).

Для анализа процесса протекания тока в контуре, обусловленного погонными электрическими параметрами трубопровода, такими как индуктивность и емкость, определяющими накопление заряда, была построена схема замещения.

При математическом моделировании рассматривался участок трубопровода длиной 10 км, диаметр трубопровода 1020 мм, толщина стенки 10мм. Исходя из начальных данных, были определены электрические параметры трубопровода. Моделирование выполнялось с учетом двух состояний защитного покрытия. После укладки начальное сопротивление к2 = 110 Ом ■м (состояние защитного покрытия удовлетворительное), и после определенного срока эксплуатации Я2 = 2,5-103 Ом м2 (состояние неудовлетворительное),

Разработана модель СКЗ, реализованная в среде МАТЬАВ, с помощью которой исследовались режимы работы с учетом фактических параметров трубопровода и нагрузки в виде схемы замещения. Компьютерная модель представлена на Рисунке 1.

В модели используются два канала регулирования. Первый связан с управляющим входом первого транзистора (расположен сразу на выходе выпрямителя), отвечающего за формирование амплитуды импульсов. Второй реализуется через вход другого транзистора, отвечающего за частоту и длительность импульсов. Сгенерированные импульсы подаются в нагрузку.

Описана математическая модель импульсной станции катодной защиты, на основе которой осуществлено сравнение импульсной СКЗ и схемы с непрерывным током. В результате определены параметры нагрузки, для которых применение импульсного тока становится эффективным.

Рис 1. Модель импульсной станции катодной зашиты

С целью учета влияния коррозионной агрессивности грунта, состояния защитного покрытия и величины тока на защитный потенциал предложено дополнить электрическую схему замещения нагрузки нечеткой моделью (НМ) вывода Мамдани. Были введены входные лингвистические переменные (ЛП): коррозионная агрессивность грунта «Grunt» (3 терма), состояние защитного покрытия «Izol» (5 термов), ток нагрузки «Ток» (5 термов). Соответственно выходной ЛП будет величина защитного потенциала «Potencial» (4 терма). Использовались два вида функций: трапецеидальные и треугольные.

Для решаемой задачи были синтезированы 45 правил нечеткого вывода. На Рисунках 2-4 приведены поверхности распределения защитного потенциала в зависимости от пар переменных («Grunt», «Izol»), («Grunt», «Ток») и («Izol», «Ток») соответственно, графически отображающие действие всех нечетких правил.

Рис 2. Зависимость защитного потенциала Рис 3. Зависимость защитного

от переменных «Grunt» и «Izol» потенциала от переменных «Grunt» и «Ток»

Алгоритм моделирования с использованием разработанной НМ заключается в ее совместном использовании с моделью, представленной схемой

замещения на Рисунке 1. Последняя определяет значение тока нагрузки, которое в дальнейшем задает значение ЛП «Ток» в НМ. Другие входные переменные НМ задаются пользователем на основе прямых измерений или расчетных данных, вычисляемых на основе НД.

Поверхности на Рисунках 2-4 построены с использованием графических средств MATLAB. Процедура нечеткого вывода реализуется подачей на вход fuzzy-модели значений трех ЛП: Grunt», «Izol» и «Ток». В результате формируется значение выходной переменной защитного потенциала «Potencial».

В третьей главе представлены обобщенные схемы структур СКЗ с одним и двумя каналами управления, в рамках которых сформированы два множества выбора основных вариантов, среди которых осуществлялся отбор для реализации СКЗ с импульсным выходным током.

Далее исследована работа импульсной станции катодной защиты методами компьютерного моделирования. Исследованы режимы работы системы электротехнический комплекс - технологическая нагрузка с помощью пакетов схемотехнического моделирования с учетом реальных параметров элементов схемы.

Согласно базовому в системном анализе принципу многомодельности, утверждающему, что никакая единственная модель не может с достаточной степенью адекватности описывать различные аспекты сложной системы, разработаны математические модели систем импульсной защиты для исследования электромагнитных процессов в них с целью проверки алгоритмов управления, направленных на оптимизацию режимов работы систем катодной защиты по энергосбережению.

Перечень основных компьютерных моделей, разработанных для исследования импульсной станции катодной защиты в среде Matlab+Simulink, представлен в таблице, в которой также отражены задачи, решаемые каждой моделью.

На Рисунке 5 представлена Simulink-модель системы импульсной защиты с инверторным звеном повышенной частоты и двумя каналами регулирования: амплитуды и длительности выходных импульсов, дополненная fuzzy-моделью нагрузки.

Рис 4. Зависимость защитного потенциала от переменных «Izol» и «Ток»

Модели СКЗ, разработанные для исследований процесса зашиты _с импульсным преобразователем_

Наименование модели Решаемые задачи

Модель СКЗ с замкнутым каналом управления Определение параметров регулятора при управлении амплитудой

Модель СКЗ с двумя каналами управления при фиксированном значении длительности импульса Подбор параметров регулятора при фиксированной длительности импульсов

Модель СКЗ с двумя каналами управления Исследование процессов взаимодействия двух каналов регулирования: амплитуды и длительности выходных импульсов

Модель СКЗ с двумя каналами управления и инвертором в звене повышенной частоты Исследование процессов взаимодействия двух каналов регулирования: амплитуды и длительности выходных импульсов (регулирование амплитуды импульсов осуществляется в звене повышенной частоты за счет широтно-импульсной модуляции)

БтиПпк-модель системы импульсной защиты с инверторным звеном повышенной частоты и двумя каналами регулирования: амплитуды и длительности выходных импульсов Окончательная проверка алгоритма регулирования выходных параметров станции катодной защиты

На Рисунке 6 приведены результаты моделирования режима запуска и изменения параметра Grunt с 30 Ом м на 150 Ом м в момент времени t=l 1 с. На верхней части рисунка представлен управляющий сигнал канала регулирования амплитуды импульса, далее - эпюры напряжения (среднее изображение) и тока (внизу) в нагрузке.

До момента t=ll с СКЗ обеспечивает выход на режим стабилизации защитного потенциала -0.85 В по предложенному алгоритму. Вначале система управления изменяет амплитуду импульса, а по достижении предельного значения UsAT(max) (в момент времени t=3.5 с) переходит к увеличению длительности импульсов с шагом, задаваемым блоком Constant 5. В момент времени t=8 с система возвращается в режим изменения амплитуды импульса, так как она становится меньше UsAT(mox). Далее до момента t=llc система поддерживает защитный потенциал именно в этом режиме. При изменении параметра Grunt система стабилизирует защитный потенциал путем изменения только амплитуды импульса при постоянной его длительности.

амплитуды и длительности выходных импульсов, включающая fuzzy-модель нагрузки

Рис. 6. Эпюры режима запуска и изменения параметра Grunt с 30 Ом м на 150 Ом м в момент времени t=l 1 с, ключ работает с частотой 2 Гц. Регулятор интегральный с Ки-0.1, fn4= 1 ООО Гц, lzol=l ООО Ом м2

В четвертой главе на основе результатов моделирования, было разработано базовое схемотехническое решение импульсной станции катодной защиты, структурная схема которого представлена на Рисунке 7, где AC/DC - выпрямитель; Т - силовой трансформатор звена повышенной частоты; DC/AC - инвертор; ИПН - импульсный преобразователь напряжения; МЭС - медносульфатный электрод сравнения; а( -управляющий выход канала регулирования амплитуды; а2 - управляющий выход канала регулирования длительности выходных импульсов. Исследования проводились для значений промежуточной частоты инвертора, лежащих в диапазоне 1-10 килогерц.

При комплектации приборами и модулями фирмы SEMIKRON схема станции на номинальную мощность 2,0 кВт, подключаемой к однофазной сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц, может быть реализована в следующем виде:

- входной выпрямитель AC/DC - мостовой диодный выпрямитель SKB60/04;

- инвертор DCMC - IGBT силовой модуль SK25GH063;

- выпрямитель AC/DC, подключенный к вторичной обмотке трансформатора Т, собирается из отдельных силовых диодов SKCD 31 С 060 13;

- ИПН - стандартный модуль SKM75GAR063D, содержащий транзистор IGBT и силовой диод.

В работе представлена схема импульсной СКЗ с корректором коэффициента мощности, позволяющим улучшать взаимодействие станции с питающей сетью.

В главе приведены результаты полигонных испытаний прототипа импульсной станции катодной защиты. Дано описание методик, условий и особенностей полигонных испытаний. Наличием эффекта последействия катодной поляризации подтверждены работоспособность и перспективность импульсной станции катодной защиты.

В ходе полигонных испытаний были поставлены и решены

следующие задачи:

1) определение количественных значений выходных параметров, характеризующих работу импульсной станции;

2) определение параметров импульсной последовательности, обеспечивающих заданные значения защитного потенциала;

3) оценка влияния импульса на значение омической составляющей защитного потенциала;

5) определение наличия и границ области максимального КПД импульсной станции при защите подземного сооружения;

6) сравнение режимов работы и функциональности исследуемой СКЗ с традиционными схемами станций.

Полигонные испытания позволили не только определить эффективность метода защиты, основанного на импульсном токе, но и оценить влияние на него различных факторов и, следовательно, выработать рекомендации по совершенствованию импульсной станции катодной защиты.

Представлен проект технико-экономического обоснования внедрения автоматизированного электротехнического комплекса для защиты подземных металлических сооружений на основе импульсного тока, в котором определены основные показатели эффективности предлагаемого инвестиционного проекта.

В заключении отражены основные выводы и результаты диссертации, показана ее практическая значимость.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований решена актуальная задача создания автоматизированного электротехнического комплекса, основой функционирования которого является метод защиты от коррозии импульсным током. Представленные в работе материалы теоретических и экспериментальных исследований позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1.На основе проведенного анализа текущего состояния электрохимической зашиты подземных трубопроводов сформулированы основные проблемы ее организации, обозначены источники повышения энергетической эффективности и эксплуатационной надежности подземных трубопроводов.

2. Показано, что применение прерывистой/периодической поляризации в сочетании с современными средствами автоматизации не только позволяет сэкономить средства и материалы, но и повышает надежность защиты, обеспечивая ее более высокий уровень. Лабораторные исследования позволили обосновать применение импульсного тока при активной защите подземных металлических трубопроводов.

3. В результате экспериментальных исследований изменений потенциала стали при ее поляризации в импульсном режиме источника тока установлено, что уменьшение времени импульса приводит к тому, что значения потенциала не достигают потенциала выделения водорода. Это обусловливает меньшее наводораживание стали и способствует увеличению эффективности импульсной катодной защиты.

4. Результаты экспериментов по определению поверхностной твердости стали после длительной импульсной катодной поляризации показали, что с повышением твердости исследуемого образца повышается его хрупкость, что обусловлено наводораживанием. Наименьшее изменение прочностных характеристик (микротвердости и предел прочности) наблюдается для импульсного режима с параметрами: длительность импульса - 0,1 с, длительность паузы - 4 с.

5. При выполнении сравнительных исследований импульсной станции катодной защиты и схемы с непрерывным током, реализованных компьютерным моделированием в среде МАТЬАВ+51тиПпк, были определены параметры нагрузки, для которых применение импульсного тока становится эффективным, при этом совпадение результатов моделирования с экспериментальными не хуже 7%.

6. Для моделирования нагрузки станции электрохимической защиты, работающей в режиме катодной поляризации импульсным током, с целью учета коррозионной агрессивности грунта, состояния защитного покрытия и величины тока на защитный потенциал разработана нечеткая модель вывода Мамдани, содержащая 45 правил.

7. Представлены обобщенные схемы структур СКЗ с одним и двумя каналами управления, в рамках которых сформированы два множества выбора основных вариантов, среди которых осуществлялся отбор для реализации СКЗ с импульсным выходным током. Руководствуясь принципом многомодельности в системном анализе, утверждающим, что никакая единственная модель не может с достаточной степенью адекватности описывать различные аспекты сложной системы, разработаны математические модели систем импульсной зашиты для исследования электромагнитных процессов в них с целью проверки алгоритмов управления, направленных на оптимизацию режимов работы систем катодной зашиты по энергосбережению.

8. Предложен вариант двухканальной системы управления со стабилизацией защитного потенциала с регулированием амплитуды и длительности выходных импульсов и в процессе моделирования в среде МАТЬАВ+БтиПпк исследованы алгоритмы взаимодействия этих каналов.

9. Разработанная модель импульсной СКЗ с инверторным звеном повышенной частоты и двумя каналами регулирования: амплитуды и длительности выходных импульсов, а также нечеткая модель нагрузки, учитывающая коррозионную агрессивность грунта и состояние защитного

покрытия, могут использоваться для проверки схемотехнического решения импульсной станции катодной защиты методами компьютерного моделирования и окончательного выбора элементов схемы.

10. По результатам моделирования разработаны два варианта реализации разработанного базового схемотехнического решения импульсной станции катодной защиты на базе приборов и модулей фирмы SEMIKRON, один из которых дополнен корректором коэффициента мощности, позволяющим улучшать взаимодействие станции с питающей сетью.

11. Проведено технико-экономическое обоснование внедрения автоматизированного электротехнического комплекса для защиты подземных металлических сооружений на основе импульсного тока, в котором чистый дисконтированный доход составил 31586,324 тыс. руб., индекс эффективности 1,6 и срок окупаемости проекта 6 лет.

Список опубликованных работ по теме диссертации В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ

1. Марухин, Д.Н. Современный подход к защите от коррозии подземных трубопроводов на основе импульсного тока / Д.Н. Марухин, Ю.Б. Томашевский // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2013. №1. С.87-92.

2. Марухин, Д.Н. Результаты исследований метода зашиты от коррозии подземных трубопроводов импульсным током / Д.Н. Марухин, Ю.Б. Томашевский // Газовая промышленность. 2014. №7. С.56-59.

Сведения о патентах и изобретениях

3. Импульсная станция катодной защиты подземных сооружений [Текст] : пат. на полезную модель 122656 Рос. Федерация: МПК C23F 13/04 / Марухин Д.Н., Томашевский Ю.Б.; заявитель и патентообладатель Сарат. гос. техн. ун-т имени Гагарина Ю.А. №2012128065/02; заявл. 03.07.2012 ; опубл. 10.12.2012. Бюл. № 34. 3 с.

Публикации в других изданиях

4. Марухин, Д.Н. Современные материалы и эффективное оборудование - основа надежной защиты газопроводов от коррозии / Д.Н. Марухин, О.И. Осипова, М.В. Павлутин // Газ России. 2009. № 1. С. 38-41.

5. Марухин, Д.Н. Автоматизированные системы мониторинга и управления / Д.Н. Марухин // Газ России. 2009. №4. С.36-37.

6. Марухин Д.Н. Повышение надежности и безопасности сетей газораспределения путем автоматизации средств электрохимической защиты / Д.Н. Марухин, Ю.Б. Томашевский // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2011. С. 63-66.

7. Марухин, Д.Н. Повышение эффективности электрохимической зашиты от коррозии подземных газопроводов на основе применения импульсного тока / Д.Н. Марухин // Новые технологии в газовой промышленности: сб. тр. Юбилейной десятой Всерос. конф. молодых ученых, специалистов и студентов. М., 2013. С. 32.

8. Марухин, Д.Н. Современный подход к зашите от коррозии подземных сооружений на основе импульсного тока / Д.Н. Марухин II Материалы VI науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов «Современная газотранспортная отрасль: перспективы, проблемы, решения»: сб. статей: в 2 т. Томск: Рекламная группа «Графика», 2013. Т. 1.С. 149-154.

9. Марухин, Д.Н. Коррозионно-электрохимическое поведение материалов анодных заземлителей в нейтральных растворах / Е.А. Савельева, О.В. Фролова, A.C. Лазаренко, Д.Н. Марухин // Материалы и технологии XXI века: сб. тр. науч.-техн. конф. Саратов, 2010. С. 101-104.

10. Марухин, Д.Н. Импульсный метод зашиты от коррозии подземных трубопроводов / Е.А. Савельева, A.C. Лазаренко, Д.Н. Марухин // Химия под знаком сигма: Исследования, инновации, технологии: сб. науч. тр. Казань, 2012. С. 149-150.

Подписано в печать 06 02 15 Формат 60x84 1/16

Бум офсет Усл. печ. л. 1,0 Уч-издл. 1,0

Тираж 100 экз Заказ 13 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu ru

î 5 -

о

3 03

2014251

162

2014251162