Hệ thống bảo vệ Cathode sử dụng dòng điện cưỡng bức kết hợp sơn phủ được thiết kế và lắp đặt để chống ăn mòn cho đường ống dẫn nước làm mát trong môi trường đất. Để chống sụt lún, đường ống này được gia cường bằng hệ thống giá đỡ vật liệu thép nhúng kẽm nóng. Bài viết giới thiệu kết quả khảo sát đánh giá nguyên nhân gây hư hỏng, ảnh hưởng của hệ thống giá đỡ đến hiệu quả bảo vệ Cathode, từ đó đề xuất giải pháp khắc phục sự cố, bảo vệ đường ống dẫn nước làm mát an toàn và hiệu quả.
CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ TẠP CHÍ DẦU KHÍ Số - 2019, trang 48 - 53 ISSN-0866-854X NGUYÊN NHÂN SUY GIẢM HỆ THỐNG BẢO VỆ CATHODE SỬ DỤNG DỊNG ĐIỆN NGỒI CHỐNG ĂN MỊN CHO ĐƯỜNG ỐNG DẪN NƯỚC LÀM MÁT Nguyễn Thị Lê Hiền, Phạm Vũ Dũng, Ngơ Ngọc Thương, Phạm Thị Hường Viện Dầu khí Việt Nam Email: hienntl@vpi.pvn.vn Tóm tắt Hệ thống bảo vệ cathode sử dụng dòng điện cưỡng kết hợp sơn phủ thiết kế lắp đặt để chống ăn mòn cho đường ống dẫn nước làm mát mơi trường đất Để chống sụt lún, đường ống gia cường hệ thống giá đỡ vật liệu thép nhúng kẽm nóng Bài báo giới thiệu kết khảo sát đánh giá nguyên nhân gây hư hỏng, ảnh hưởng hệ thống giá đỡ đến hiệu bảo vệ cathode, từ đề xuất giải pháp khắc phục cố, bảo vệ đường ống dẫn nước làm mát an tồn hiệu Từ khóa: Cathode, anode, dòng điện cưỡng bức, chống ăn mòn, phân bố điện (CIPS), chênh lệch điện (DCVG) Giới thiệu Bảo vệ chống ăn mòn kim loại sơn phủ kết hợp bảo vệ cathode biện pháp hữu hiệu bảo vệ cơng trình ngầm, đáy bồn bể chứa cơng trình biển… Khi hệ thống bảo vệ cathode thiết kế hợp lý hoạt động tốt, công trình ngầm bảo vệ an tồn Dưới tác động môi trường khắc nghiệt điều kiện vận hành, cơng trình ngầm, thiết bị, phụ kiện, hệ thống anode, cáp dẫn… hệ thống bảo vệ cathode bị xuống cấp xảy cố như: cơng trình ngầm bị bong tróc lớp sơn phủ, diện tích bảo vệ thay đổi dẫn đến điện bảo vệ không đảm bảo Các đầu nối tiếp xúc điện kém, cáp điện đứt, chỉnh lưu có cố… dẫn đến điện phân bố khơng đều, có vị trí khơng bảo vệ, có vị trí đạt giá trị điện bảo vệ, kéo theo tượng giải phóng hydro gây giòn kim loại bong tróc lớp sơn phủ… [1] Hậu cơng trình khơng bảo vệ thiết kế, chí có trường hợp điện cơng trình tăng bất thường dẫn đến tốc độ ăn mòn kim loại lớn nhiều lần so với cơng trình khơng bảo vệ cathode, gây thủng đường ống, bể chứa… Theo tài liệu NACE RP 0169 [2] áp dụng rộng rãi giới, việc kiểm tra tổng thể hệ Ngày nhận bài: 10/9/2018 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 10 - 19/9/2018 Ngày báo duyệt đăng: 18/5/2019 48 DẦU KHÍ - SỐ 5/2019 thống bảo vệ cathode phải tiến hành định kỳ hàng năm Đối với hệ thống cấp nguồn, chi tiết dễ gặp cố như: công tắc đảo chiều dòng điện, diode, đầu nối, điện cực so sánh… cần kiểm tra định kỳ tháng/lần Bài báo giới thiệu nghiên cứu, phân tích, đánh giá nguyên nhân gây hư hỏng, xuống cấp hệ thống bảo vệ cathode sử dụng dòng điện ngồi, chống ăn mòn cho đường ống ngầm dài 300m (gồm đường ống dẫn nước làm mát đường ống hồi lưu nước làm mát) Hệ thống bảo vệ chống ăn mòn hoạt động năm Sau lắp đặt, hệ thống bảo vệ cathode làm việc hiệu quả, điện bảo vệ cơng trình kiểm sốt khoảng điện từ -0,85V/CSE đến -1,2V/CSE, đường ống ngầm bảo vệ an toàn Tuy nhiên, gần khu vực nhà máy có tượng sụt lún đất nền, yêu cầu phải gia cố lại Để cố định đường ống, dây cáp phủ kẽm sử dụng để treo cố định đường ống thép vào hệ thống dầm thép phủ kẽm Hệ thống dầm thép phủ kẽm đặt cố định trụ bê tông cốt thép Việc gia cường đường ống ngầm cách treo/ tiếp xúc trực tiếp đường ống bảo vệ cathode với hệ thống giá đỡ kim loại có nguy ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu hệ thống bảo vệ cathode, dẫn đến thay đổi dòng điện yêu cầu hệ thống bảo vệ cathode PETROVIETNAM Điều kiện khảo sát, đánh giá Kết thảo luận 2.1 Đối tượng nghiên cứu, đánh giá 3.1 Điện bảo vệ cơng trình Hệ thống bảo vệ cathode gồm biến áp chỉnh lưu đặt trời, công suất đầu 20V - 5A giếng anode gồm anode MMO nhằm chống ăn mòn cho đoạn đường ống dẫn nước làm mát (đường ống dẫn nước cấp đường ống dẫn nước hồi lưu), có tổng chiều dài khoảng 300m Biến áp chỉnh lưu sử dụng loại tự động điều chỉnh điện bảo vệ nằm khoảng -0,85V/CSE đến -1,2V/ CSE Hệ thống lắp đặt trạm kiểm tra (test post) để theo dõi, kiểm tra điện cơng trình Kết kiểm tra điện bảo vệ cơng trình trước sau lắp đặt hệ thống giá đỡ ống biểu diễn Bảng Điện Von hiệu điện cơng trình bảo vệ cathode so với điện cực tham chiếu đặt gần đường ống Điện Von xác định Volke, giá trị hiển thị Volke (Vm) biểu diễn công thức (1) [5]: Vm = Von = Vp + IR (1) Trong đó: 2.2 Kiểm tra điện bảo vệ Điện bảo vệ cơng trình kiểm tra trạm kiểm tra cách đo điện cơng trình cần bảo vệ so với điện cực tham chiếu sulfate đồng (copper sulfate electrode - CSE) thời điểm ngắt mạch tức thời (điện Instant off - Voff ) Điện bảo vệ phân bố dọc theo toàn tuyến ống tiến hành sử dụng kỹ thuật đo phân bố điện (close interval survey potential - CISP), thiết bị GX Data loger đầu dò đo điện MC Miller (Mỹ) Khoảng cách đo phân bố điện 1m/ vị trí đo [3] 2.3 Đo chênh lệch điện Để khảo sát đánh giá khả bong tróc lớp phủ cơng trình ngầm, khảo sát chênh lệch điện cơng trình (direct current votage gradient - DCVG) tiến hành đồng thời với phép đo phân bố điện CISP [4] 2.4 Kiểm tra dòng điện anode Dòng điện anode kiểm tra cách sử dụng ampe kìm Dòng điện anode xác định dòng điện tổng dòng điện thành phần anode MMO Vp: Điện phân cực cơng trình ngầm (điện bảo vệ); IR: Điện rơi; I: Cường độ dòng điện hệ thống; R: Tổng điện trở tiếp xúc điện trở đất hệ thống Do đó, để xác định xác điện bảo vệ cơng trình ngầm (Vp) Volke, cần phải giảm thiểu Rp cách đặt điện cực so sánh sát đường ống ngắt nguồn điện (I = 0) đo điện tức thời (Voff ) Các kết đo điện trạm kiểm tra cho thấy điện bảo vệ đường ống âm -0,85V/CSE, thỏa mãn yêu cầu điện bảo vệ cho đường ống ngầm [2] Điện đo trạm kiểm tra cho phép phản ánh điện vị trí đường ống vị trí đặt điện cực so sánh gần trạm kiểm tra, khơng phải điện bảo vệ tồn đường ống Do đó, phương pháp khảo sát điện dọc theo đường ống ngầm tiến hành để xác định kết điện phân bố dọc theo hệ thống đường ống ngầm 3.2 Kết khảo sát phân bố điện (CIPS) 2.5 Kiểm tra hoạt động biến áp - chỉnh lưu Kết khảo sát phân bố điện Von Voff dọc theo đường ống biểu diễn Hình Biến áp chỉnh lưu kiểm tra tiếp xúc điện, số đồng hồ kiểm tra xác giá trị đo điện dòng điện đầu vào đầu Các kết khảo sát phân bố điện dọc theo đường ống dẫn nước làm mát đường ống dẫn nước Bảng Điện Von Voff đo trạm kiểm tra thời điểm khác TT Thời điểm khảo sát 5/2016 10/2017 Đường ống Đường ống dẫn nước làm mát Đường ống hồi lưu Đường ống dẫn nước làm mát Đường ống hồi lưu Điện (mV/CSE) Von Voff -1.197 -1.050 -1.205 -1.037 -1.495 -1.113 -1.470 -1.117 DẦU KHÍ - SỐ 5/2019 49 CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ Điện (V) -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1 -1,2 -1,4 Các điểm đo dọc theo đường ống (m) (a) Đường ống dẫn nước làm mát hồi lưu cho thấy biến thiên điện Von Voff gần cách chứng tỏ tượng dòng điện dò bất thường đường ống Điện Voff đường ống thời điểm khảo sát nằm ngưỡng bảo vệ (âm -0,85V/CSE) Khoảng cách điện Von Voff biểu thị giá trị điện rơi điện cực tham chiếu đường ống Giá trị điện rơi tương ứng tháng 5/2016 0,15V tháng 11/2017 khoảng 0,3V, khẳng định có thay đổi điện trở tiếp xúc hoặc/và điện trở đất dòng điện cathode áp đặt để bảo vệ đường ống 3.3 Kết kiểm tra biến thiên điện (DCVG) Điện (V) -0,2 -0,4 Để đánh giá tượng bong tróc lớp phủ đường ống ngầm bảo vệ cathode, khảo sát chênh lệch điện thực Hình -0,6 -0,8 -1 -1,2 -1,4 Điện (V) (b) Đường ống hồi lưu nước làm mát Hình Điện phân bố dọc theo hệ thống đường ống ngầm khảo sát tháng 5/2016 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1 -1,2 -1,4 -1,6 3.4 Dòng điện anode (a) Đường ống dẫn nước làm mát Điện (V) -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1 -1,2 -1,4 -1,6 (b) Đường ống hồi lưu nước làm mát Hình Điện phân bố dọc theo hệ thống đường ống ngầm khảo sát tháng 10/2017 50 DẦU KHÍ - SỐ 5/2019 Do điện bảo vệ cathode tự động khống chế khoảng điện an tồn, khơng có tượng q điện bảo vệ, độ bám dính lớp phủ gần khơng bị ảnh hưởng Vì vậy, kết khảo sát chênh lệch điện dọc theo đường ống dẫn nước làm mát đường ống hồi lưu nước làm mát không đáng kể, giá trị chênh lệch điện | ΔE | < 0,01V, chứng tỏ chưa xuất hiện tượng hư hỏng, bong tróc lớp phủ Các kết khảo sát dòng điện anode thu thời điểm trước sau lắp đặt hệ thống giá đỡ đường ống thể Bảng Đối với điện bảo vệ đường ống, không thấy rõ khác biệt trước sau lắp đặt hệ thống giá đỡ ống biến áp chỉnh lưu tự động thay đổi điện áp đặt để sinh dòng điện phù hợp cho phép điện đường ống khoảng điện yêu cầu để bảo vệ an toàn hiệu cho đường ống ngầm Ngược lại, dòng điện anode có thay đổi đáng kể sau lắp hệ thống giá đỡ Dòng điện yêu cầu tăng lên lần so với dòng điện trước lắp đặt giá đỡ ống có xu hướng tăng dần Dòng điện tăng PETROVIETNAM Chênh lệch điện (V) 0,010 0,005 -0,005 -0,010 -0,150 Các điểm đo dọc theo đường ống (m) (a) Đường ống dẫn nước làm mát 0,008 Chênh lệch điện (V) 0,006 0,004 0,002 -0,002 -0,004 -0,006 -0,008 -0,010 -0,012 Các điểm đo dọc theo đường ống (m) (b) Đường ống hồi lưu nước làm mát Hình Sự chênh lệch điện dọc theo đường ống nước làm mát Bảng Dòng điện anode đơn dòng điện anode tổng TT Thời điểm khảo sát 5/2016 10/2017 A1 0,18 1,03 A2 0,27 2,03 Dòng điện anode (mA) A3 0,24 1,93 A4 0,26 0,37 Tổng 0,95 5,36 Bảng Bảng khảo sát máy biến áp chỉnh lưu Thời điểm khảo sát 5/2016 10/2017 Chỉnh lưu số Nguồn thiết kế 1 pha pha AC Input V (V) I (A) 228 0,106 230 0,102 diện tích cần bảo vệ tăng lên, tượng bong tróc lớp phủ gần khơng đáng kể, có khả hệ thống giá đỡ tiếp xúc điện với đường ống diện tích yêu cầu bảo vệ lúc gồm đường ống ngầm toàn hệ thống giá đỡ tiếp xúc điện với đường ống Dòng điện anode tăng đột biến dẫn đến nguy cơ: - Dòng điện tăng vượt xa so với thiết kế gây vượt ngưỡng làm việc biến áp chỉnh lưu - Dòng anode phát q lớn dẫn đến tượng giảm tuổi thọ anode so với thiết kế - Theo thời gian, diện tích yêu cầu bảo vệ tăng DC Output V (V) I (A) 1,2 0,94 1,89 5,45 Điện trở mạch (:) 1,277 0,347 cao (do lớp phủ xuống cấp, diện tích giá đỡ tiếp xúc điện với đường ống tăng thêm…), dòng điện cực đại biến áp chỉnh lưu cung cấp không đáp ứng yêu cầu, lớp kẽm bề mặt giá đỡ đóng vai trò anode hy sinh để bảo vệ chống ăn mòn cho đường ống, gây giảm tuổi thọ hệ thống giá đỡ Các nguy gây cố khó lường, ảnh hưởng đến an tồn vận hành hệ thống 3.5 Đánh giá hiệu làm việc biến áp chỉnh lưu Biến áp chỉnh lưu kiểm tra trực quan tình trạng làm việc tốt, nhiên giá trị dòng điện đầu trạng thái tải, dòng điện vượt ngưỡng (5A) biến DẦU KHÍ - SỐ 5/2019 51 CƠNG NGHỆ - CƠNG TRÌNH DẦU KHÍ áp chỉnh lưu Bảng biểu diễn kết đo dòng điện điện đầu vào đầu biến áp chỉnh lưu có nguy hoạt động không hiệu quả, đường ống không bảo vệ an toàn 3.6 Thảo luận Để khắc phục cố dòng điện u cầu tăng vượt ngưỡng, áp dụng biện pháp sau: Hệ thống bảo vệ cathode chống ăn mòn cho đường ống dẫn nước làm mát thiết kế cho phép kiểm soát điện bảo vệ cơng trình cách tự động Do đó, hệ thống vận hành, biến áp chỉnh lưu tự động điều chỉnh dòng điện cung cấp để điện bảo vệ trạm kiểm tra nằm giới hạn điện bảo vệ cho phép Do đó, kết khảo sát điện dọc theo hệ thống đường ống (CIPS) cho giá trị phân bố điện tương đối đồng nhất, điện bảo vệ nằm khoảng giới hạn điện bảo vệ theo tiêu chuẩn (-1,2V/CSE đến -0,85V/CSE) Do việc khống chế, kiểm soát điện bảo vệ đường ống nên không xảy tượng q thế, khơng xảy tượng bong tróc cathode Kết khảo sát chênh lệch điện dọc theo đường ống khoảng cách khảo sát 1m cho thấy điện chênh lệch gần khơng đáng kể, chưa phát tín hiệu bất thường chứng tỏ lớp sơn phủ đường ống chưa bị hư hỏng, bong tróc Kể từ lắp đặt hệ thống giá đỡ đường ống, biến áp chỉnh lưu có dòng điện đầu tăng bất thường từ 0,94A lên 5,45A vượt ngưỡng vận hành biến áp chỉnh lưu Để phân tích xác định nguyên nhân dòng điện tăng bất thường, dòng điện đầu (i) biến áp chỉnh lưu có giá trị tính theo cơng thức sau: i=I×S (2) Trong đó: i: Cường độ dòng điện bảo vệ cathode (A); I: Mật độ dòng điện bảo vệ cathode (A/m2); S: Diện tích cần bảo vệ (m2) Điện bảo vệ đường ống ngưỡng bảo vệ cho phép dự đốn mật độ dòng điện u cầu (I) khơng thay đổi đáng kể so với giai đoạn trước khơng phát hiện tượng bong tróc, hư hỏng bất thường lớp sơn phủ đường ống Do đó, việc tăng đột biến cường độ dòng điện (i) đầu biến áp chỉnh lưu sau lắp đặt hệ thống giá đỡ anode chủ yếu tiếp xúc trực tiếp giá đỡ với đường ống gây tăng diện tích (S) cần bảo vệ Việc tăng đột biến dòng điện u cầu khơng có biện pháp khắc phục kịp thời có nguy hư hỏng, cháy nổ…, biến áp chỉnh lưu vận hành liên tục điều kiện tải xuống cấp điện cực anode trơ dẫn đến giảm tuổi thọ anode Hệ thống bảo vệ cathode 52 DẦU KHÍ - SỐ 5/2019 - Cách điện toàn đường ống với hệ thống giá đỡ khắc phục nguyên nhân gây cố Tuy nhiên, cần phải đào toàn hệ thống ngầm, thay cách ly đường ống với hệ thống giá đỡ vật liệu bền môi trường có khả cách điện, chi phí lớn Hệ thống bảo vệ cathode làm việc điều kiện tải, bị hỏng, xuống cấp nên xử lý cách điện hệ thống giá đỡ đường ống khơng đáp ứng yêu cầu thiết kế ban đầu - Lắp đặt bổ sung hệ thống bảo vệ cathode giúp bảo vệ đường ống hệ thống giá đỡ Biện pháp đề xuất sử dụng, bảo vệ an tồn cho cơng trình ngầm Trên sở kết khảo sát đánh giá cho thấy việc cải hốn, thay đổi kết cấu kim loại cơng trình ngầm bảo vệ cathode cần cân nhắc đến yêu cầu kỹ thuật, tránh ảnh hưởng đến hiệu làm việc hệ thống bảo vệ cathode tránh ảnh hưởng hệ thống bảo vệ cathode đến cơng trình phụ cận Kết luận Hệ thống bảo vệ cathode kết hợp với sơn phủ bảo vệ an toàn cho đường ống ngầm trường hợp hệ thống hoạt động hiệu Kết khảo sát hệ thống bảo vệ cathode sử dụng chống ăn mòn cho đường ống dẫn nước làm mát đề cập báo tình trạng hoạt động khơng an tồn Việc lắp đặt thêm hệ thống giá đỡ thép nhúng kẽm tiếp xúc trực tiếp với đường ống ngầm, đồng nghĩa với việc thay đổi diện tích cần bảo vệ hệ thống bảo vệ cathode dẫn đến công suất biến áp chỉnh lưu không đáp ứng Do đó, hệ thống bảo vệ cathode cần sớm thiết kế lại sở liệu thực tế thay thế/bổ sung biến áp chỉnh lưu để cung cấp dòng điện lớn hơn, đáp ứng yêu cầu vừa bảo vệ chống ăn mòn cho đường ống, vừa chống ăn mòn cho hệ thống giá đỡ Các kết đánh giá cho thấy, việc kiểm tra điện trạm kiểm tra cần thiết chưa đủ để đánh giá hiệu bảo vệ hệ thống bảo vệ cathode Việc khảo sát định kỳ tổng thể cho phép đảm bảo hệ thống bảo vệ cathode làm việc hiệu quả, cơng trình ngầm bảo vệ an tồn Việc lắp đặt thêm hệ thống kim PETROVIETNAM loại kết nối, tiếp xúc điện với cơng trình ngầm bảo vệ cathode cần cân nhắc thận trọng không làm ảnh hưởng đến hệ thống bảo vệ cathode tăng nguy ăn mòn cơng trình ngầm Tài liệu tham khảo A.W.Peabody Peabody’s control of pipeline corrosion (2nd edition) NACE International the Corrosion Society 2001 M.C.Miller Co., Inc CIS training manual - Gx version M.C.Miller Co., Inc DCVG Training Manual - Gx version Phan Công Thành, Phạm Ngọc Hiệu, Trương Quang Trường, Nguyễn Thị Lê Hiền Đánh giá hệ thống bảo vệ cathode cho cơng trình ngầm kỹ thuật CIS DCVG Tạp chí Dầu khí 2015; 4: trang 45 - 50 NACE Control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems 1983 ROOT CAUSE OF DEGRADATION OF ICCP SYSTEM AGAINST CORROSION FOR COOLING WATER PIPELINES Nguyen Thi Le Hien, Pham Vu Dung, Ngo Ngoc Thuong, Pham Thi Huong Vietnam Petroleum Institute Email: hienntl@vpi.pvn.vn Summary The impressed current cathodic protection (ICCP) combined with coating has been designed and installed to protect underground cooling water pipelines against corrosion In order to prevent sagging, the pipelines are supported by zinc galvanised steel racking system This paper presents the results of the survey finding the root causes of damage and the impact of the racking system on the performance of the cathodic protection system From these results, recommendations have been made regarding measures to assure the safe and efficient operation of the cooling water pipelines Key words: Cathode, anode, impressed current, protection against corrosion, close interval potential survey (CIPS), direct current voltage gradient (DCVG) DẦU KHÍ - SỐ 5/2019 53 ... bảo vệ cathode kết hợp với sơn phủ bảo vệ an toàn cho đường ống ngầm trường hợp hệ thống hoạt động hiệu Kết khảo sát hệ thống bảo vệ cathode sử dụng chống ăn mòn cho đường ống dẫn nước làm mát. .. quả, đường ống khơng bảo vệ an tồn 3.6 Thảo luận Để khắc phục cố dòng điện yêu cầu tăng vượt ngưỡng, áp dụng biện pháp sau: Hệ thống bảo vệ cathode chống ăn mòn cho đường ống dẫn nước làm mát. .. 3.1 Điện bảo vệ cơng trình Hệ thống bảo vệ cathode gồm biến áp chỉnh lưu đặt ngồi trời, cơng suất đầu 20V - 5A giếng anode gồm anode MMO nhằm chống ăn mòn cho đoạn đường ống dẫn nước làm mát (đường