Optimization of the cathodic protection system for the main pipelines

Abstract

This study investigated the multi-criteria task of optimizing the operating modes of cathodic protection stations (CPS), considering monitoring data, geological conditions at the pipeline installation site, climatic or seasonal changes, and other factors. The relevance of this research is associated with a comprehensive solution to the problem of increasing the durability and reliability of trunk pipelines to reduce accidents at their facilities by ensuring the efficiency of electrochemical protection (EChP) systems. The problems of existing EChP systems are analyzed, where the elimination of anode zones ("lack of protection") due to cathodic polarization is carried out without operational consideration of environmental conditions, as a rule, with a margin in terms of protective potential, which often leads to "overprotection", resulting in increased power consumption, gas formation on the metal surface, and detachment and wear insulation of pipelines. The aim of this research is to create a method for optimal regulation of the operation modes of the main pipelines and an adaptive electrochemical protection system that provides control and parameter management of cathodic protection stations, considering changes in external conditions on individual linear sections of main pipelines. Tasks: to develop an adjustment method for finding the effect of the CPS on the value of potentials at control points along the pipeline route; to develop a multicriteria optimization model for regulating the operation modes of the CPS; and to provide an example of testing the method of optimal regulation on the objects of the linear part of the existing main gas pipeline. The following results were obtained. A method is proposed for determining the effect of CPS operating modes on the value of potentials at control points in the mode of interrupting the protection current of other stations. An optimization model was formed according to the criterion of uniformity of the distribution of the protective potential "pipe-ground" along the pipeline route and according to the criterion of the minimum total protective current of all CPSs on a given section of the main pipeline. Conclusions. The scientific novelty of the results obtained is associated with the development of an original optimization method that allows scientifically determining the operation modes of the CPS to ensure the protection of the main pipeline both in time and length with reduced operating costs and adaptability to changes in climatic, seasonal, and geological conditions at the pipeline installation site. The effectiveness of the proposed approach is illustrated by the regulation of the pa-rameters of the CPS based on the monitoring data of the section of the main gas pipeline of the oil and gas complex of the Republic of Kazakhstan.

Досліджується багатокритеріальне завдання оптимізації режимів роботи станцій катодного захисту (СКЗ) з урахуванням даних моніторингу, геологічних умов у місці прокладання трубопроводу, кліматичних чи сезонних змін та інших факторів. Актуальність дослідження пов’язана з комплексним рішенням проблеми підвищення довговічності та експлуатаційної надійності магістральних трубопроводів з метою зниження аварійності на їх об'єктах за рахунок забезпечення ефективності роботи систем електрохімічного захисту (ЕХЗ). Проаналізовані проблеми існуючих систем ЕХЗ, де усунення анодних зон («недозахист») за рахунок катодної поляризації здійснюється без оперативного обліку умов зовнішнього середовища, як правило, із запасом за величиною захисного потенціалу, що часто призводить до «перезахисту», наслідком чого є підвищена витрата електроенергії, газоутворення на поверхні металу, відшарування та знос ізоляції трубопроводів. Метою дослідження є створення методу оптимального регулювання режимів роботи СКЗ магістральних трубопроводів та адаптивної системи ЕХЗ, що забезпечує контроль та керування параметрами станцій катодного захисту з урахуванням зміни зовнішніх умов на окремих лінійних ділянках магістральних трубопроводів. Завдання: розробити метод юстування для знаходження впливу СКЗ на значення потенціалів у контрольних точках впродовж траси трубопроводу; розробити багатокритеріальну оптимізаційну модель регулювання режимів роботи СКЗ; навести приклад апробації методу оптимального регулювання на об'єктах лінійної частини діючого магістрального газопроводу. Отримані такі результати. Запропоновано метод знаходження впливу режимів роботи СКЗ на значення потенціалів у контрольних точках в режимі переривання струму захисту інших станцій. Сформовано оптимізаційну модель за критерієм рівномірності розподілу захисного сумарного потенціалу впродовж траси трубопроводу і за критерієм мінімального сумарного захисного струму всіх СКЗ на заданій ділянці магістрального трубопроводу. Висновки. Наукова новизна отриманих результатів пов’язана з розробкою оригінального оптимізаційного методу, який дозволяє науково-обґрунтовано визначити режими роботи СКЗ для забезпечення захищеності магістрального трубопроводу як у часі, так і за протяжністю із скороченням експлуатаційних витрат та адаптивністю до зміни кліматичних, сезонних та геологічних умов у місці прокладання трубопроводу. Ефективність запропонованого підходу проілюстровано на прикладі регулювання параметрами СКЗ на основі даних моніторингу ділянки магістрального газопроводу нафтогазового комплексу Республіки Казахстан.