Сопоставление коррозионного состояния действующих нефтегазопроводов Западной Сибири с удельным электрическим сопротивлением грунта и плотностью предельного тока кислорода

Тип грунта	Удельное сопротивление грунта, Ом м	Плотность предель-ного тока по кислороду, А/м^2	Глубина шурфа, м	Максимальная глубина коррозионных язв, мм
Глина	68	0,056 0,0026	0,8	1,1
Глина	75	0,013 0,0004	1,0	0,3
Торф	72	0,032 0,0001	0,7	0,3
Торф	69	-	в обваловке	1,5
Торф	81	-	в обваловке	3,6
Торф	116	-	в обваловке	1,5
Торф	108	0,048 0,004	0,90	0,5
Песок	110	0,037 0,009	0,82	0,4
Песок	160	0,116 0,019	0,50	2,0
Песок	110	0,10 0,012	0,69	2,0
Торф с песком	73	0,050 0,003	0,69	1,2
Торф с песком	66	0,028 0,002	1,0	0,3
Песок с глиной	103	0,040 0,0014	0,72	1,0

Полевой метод определения удельного электрического сопротивления грунта

Значения удельного сопротивления грунтов является необходимым параметром для расчета катодной и протекторной защит. На трассе проектируемых трубопроводов удельное электрическое сопротивление грунта измеряют через каждые 100-500 м. За величину удельного электрического сопротивления принимается электрическое сопротивление грунта, заключенного в объеме с поперечным сечением 1 м² и длиной 1 м. При этом удельное электрическое сопротивление грунта имеет размерность Ом  м.

Удельное электрическое сопротивление грунтов измеряют, как правило, с помощью четырехэлектродной установки (метод Шлюмбердже). Применяются также одно-, двух- и трехэлектродные установки. Так как грунты в естественном состоянии представляют собой капиллярно-пористую, часто коллоидную систему, поры которой заполнены поровым воздухом, а мелкие капилляры – почвенным электролитом. В то время как магистральные трубопроводы практически всегда прокладываются в зоне капиллярной каймы водоносного горизонта, то удельное электрическое сопротивление грунтов по глубине от дневной поверхности до трубопровода непрерывно изменяется. В связи с этим измеряемое удельное электрическое сопротивление будет характеризовать грунт на некоторой глубине от дневной поверхности. Данное значение называют кажущимся удельным электрическим сопротивлением грунта. Кажущееся удельное сопротивление грунтов достаточно сложно зависит от взаимного расположения электродов и строения грунтов на обследуемой глубине. В целях упрощения расчетов применяют линейное симметричное расположение электродов. В четырехэлектродной установке используют электроды, вертикально забиваемые в грунт на заданных расстояниях (рис. 4.1.1). Измерения желательно проводить непосредственно на трассе проектируемого трубопровода или на площадке застройки.

Рис. 4.3. Схема измерения удельного электрического

сопротивления грунта

Между крайними электродами А и В включают источник питания Б постоянного тока и амперметр для измерения силы тока (А). В качестве источника тока применяют аккумуляторные батареи или сухие элементы напряжением 50 В. Возникающее между электродами А и В электрическое поле распространяется в толщу грунта на глубину, зависящую от расстояния между электродами, возникает электрическое поле, простирающееся в грунт на глубину, которая зависит от расстояния между электродами r. Это электрическое поле анализируют с помощью измерительных электродов М и N, расположенных между питающими электродами. Если электроды M и N размещены симметрично относительно электродов А и В, то глубина распространения электрического поля в толщу грунта составляет (0,2-0,25) от расстояния r между электродами. При помощи электродов M и N определяют разность потенциалов в созданном электрическом поле. Зная разность потенциалов между электродами M и N (В) и величину тока между электродами А и В  (А) кажущееся удельное электрическое сопротивление грунта определяют по формуле:

, (4.1)

где - коэффициент, зависящий от расстояния между электродами. Рекомендуемое расстояние между питающими электродами А и В выбирают в пределах 5 … 10 м или 2h АВ 4h, где h - глубина укладки подземного трубопровода до нижней образующей.

Для доказательства правомерности формулы (4.1.1) рассмотрим полуограниченное пространство с электропроводящей средой (рис. 4.1.2).

Рис. 4.4. Расчетная схема для точечного источника тока

Электрод, забитый в грунт, имеет вокруг поверхности, контактирующей с грунтом, полуограниченное пространство толщи грунта с ионной проводимостью. Для точечного источника электрического тока, находящегося на границе полуограниченного пространства, эквипотенциальными поверхностями являются полусферы. Причем с увеличением радиуса полусфер (по мере увеличения глубины) потенциал этих поверхностей уменьшается, так как снижается плотность тока, проходящего через эти поверхности. Тогда по закону Ома разность потенциалов между двумя эквипотенциальными поверхностями с радиусами r и r + dr (см. рис. 4.2.1) равна:

, (4.2)

где - сила тока источника в точке О; - сопротивление элементарного полусферического слоя толщиной dr и радиусом r, равное .

Знак "минус" учитывает уменьшение потенциала в толще грунта, в направлении от источника тока.

После подстановки значения уравнение (4.1.1) перепишем в виде:

(4.3)

После интегрирования последнего выражения при условии, что потенциал стремится к нулю при бесконечном удалении от источника тока , получим:

(4.4)

Если в полупространстве одновременно действуют источник тока (электрод А) и сток тока (электрод В), то потенциал в какой-либо точке (М или N), находящейся в электрическом поле источника стока, будет определяться совместным воздействием электрического поля источника (электрод А) и стока (электрод В):

; (4.5)

Учитывая, что потенциал от стока (электрод А) определяется выражением (4.1.3), но со знаком минус, можем записать значения потенциалов в точках М и N:

(4.6)

Здесь: - расстояние между электродами АМ; = MB; - AN; = ВN.

На основе полученных выражений (4.1.5) определим разность потенциалов между электродами М и N:

(4.7)

При симметричном расположении электродов MN относительно электродов А и В:

;

; (4.8)

.

С учетом полученных выражений (4.1.7), потенциал между электродами M и N будет равен:

, (4.9)

Выражение (4.1.8) дает возможность определить значение удельного электрического сопротивления грунта:

, (4.10)

Для подземного стального трубопровода, заложенного в грунт на глубину 2,2 м (до нижней образующей), расстояние между электродами А и В на практике обычно принимают равным 10 м, а между электродами M и N – 2 м.

Для рассматриваемого случая удельное электрическое сопротивление грунта будет определяться выражением:

, (4.11)

Относительная погрешность определения удельного электрического сопротивления грунта по методу Шлюмбердже обычно на практике не превышаем 10%.

Измеренное значение удельного электрического сопротивления грунта в большой степени зависит от плотности контакта электродов с грунтом. В сухих щебенистых крупнообломочных грунтах контакт, как правило, плохой и погрешность измерений большая. Электроды лучше всего забивать в грунт на заданную глубину, которая принимается равной около 1/20 значения а.

Чтобы исключить влияние блуждающих постоянных и переменных токов на результаты измерения четырехэлектродным методом, применяют измеритель заземлений типа М-416 (см. рис. 4.1.3).

Рис. 4.5. Общий вид прибора М-416

Прибор М-416 представляет собой генератор постоянного тока и лагометр с двумя рамками, рассчитанный на три диапазона измерений (0-1000, 0-100 и 0-10 Ом). Постоянный ток, вырабатываемый при вращении ручки генератора, с помощью коммутаторов преобразуется в переменный, поступающий во внешнюю измерительную цепь. Затем ток снова выпрямляется и поступает в цепь лагометра. Прохождение в измерительной цепи переменного тока исключает влияние поляризации электродов на значение измеряемого сопротивления. Электроды располагают на равном расстоянии друг от друга, равном а. Схема измерения с помощью прибора М-416 приведена на рис. 4.1.4.

Pис. 4.6. Схема намерения удельного электрического сопротивления грунта с помощью прибора М-416

Внутренние электроды M и N подключают к потенциальным зажимам Е₁ и Е₂, а наружные электроды А и В – к токовым зажимам I₁ и I₂. Измерения производят в соответствии с заводской инструкцией пользования прибором М-416. Значение удельного сопротивления грунта рассчитывают по формуле:

, (4.12)

где - показание М-416; а - расстояние между электродами.