Επίδραση των επαγόμενων τάσεων στην καθοδική προστασία μεταλλικών αγωγών στο έδαφος

Abstract

The present Ph.D. dissertation deals with the study of the ac induced voltage interference on the C.P. operation and impact on C.P. effectiveness concerning the anti-corrosion protection of buried-in-soil metallic pipelines. The measurements were performed under real conditions on the main pipeline of Greek Natural Gas grid, extending from Greek-Bulgarian border to Revithoussa islet in Attiki region, as well as on its several pipeline branches. The 50Hz ac voltage level on the pipeline is attained by the inductive interference from the close proximity and/or parallelism primarily with high voltage overhead power transmission lines and secondly with ac electrified railways. During the periodic inspection and monitoring of C.P. operation and maintenance on the transmission pipelines of the Natural Gas grid of Greece, ac interference caused by inductive effects of overhead high voltage powerlines as well as from dc and/or quasi-dc stray currents, especially telluric currents have been discovered. According to the initial design, at various sites along the pipeline route, overvoltage arresters had been connected across pipeline and earth electrodes. These overvoltage arresters, consisting of a set of antiparallel thyristors, are activated by ac voltage threshold level of 25V, a limit considered as a safety barrier for prevention from electric shock. The overvoltage arresters allowed pipeline to attain high ac induced voltage level (up to 25 V) for long time intervals, thus resulting in a high likelihood for corrosion caused by alternating currents (ac corrosion). In addition, this high ac interference level caused variations of dc potential and dc current. For the effective ac mitigation without degrading the pipeline cathodic protection function, special ac mitigation equipment, named Alternating Voltage Arresters Continuing Function (AVACF), were designed, constructed and installed at selected pipeline locations. AVACF were designed for conducting ac current while simultaneously effectively blocking dc current. After AVACF installation, C.P. system operation was significantly improved with the exception of instant-off C.P. pipe-to-soil potential readings falsification due to AVACF capacitor discharging currents. This phenomenon was thoroughly studied via an electric equivalent circuit simulating the system pipeline connected to earthing electrodes through capacitive equipment (e.g. AVACF). The effect of every parameter involved was investigated with regard to the falsification of instant-off potential readings. The most critical factors affecting the falsification of instant-off potential readings were disclosed and measures for minimising the instant-off potential readings error were suggested. Based on the results of the cathodic protection measurements used for inspection of C.P. system function, an improved modification of the test method for electrical isolation efficiency of installed insulating couplings was suggested. Various ac corrosion mechanisms and corrosion from telluric stray currents were discovered, investigated through recordings on Electrical Resistance (ER) probes connected to the pipeline at various locations along the pipeline route exhibiting different electrical and soil environment conditions.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη μελέτη της επίδρασης των επαγόμενων ac τάσεων στη λειτουργία της Κ.Π. και στην αποτελεσματικότητά της ως προς την αντιδιαβρωτική προστασία των θαμμένων μεταλλικών αγωγών. Οι μετρήσεις έγιναν σε πραγματικές συνθήκες στους αγωγούς του Εθνικού Συστήματος Μεταφοράς Φυσικού Αερίου της Ελλάδας (ΕΣΜΦΑ), δηλαδή στον κύριο αγωγό από τα ελληνοβουλγαρικά σύνορα έως τη νήσο Ρεβυθούσα στην Αττική, καθώς και σε επιμέρους κλάδους του. Με τον όρο επαγόμενη ac τάση εννοείται η ηλεκτρική τάση από το εναλλασσόμενο ρεύμα (ac) συχνότητας 50 Hz που διαρρέει τους σωληναγωγούς η οποία οφείλεται στην επαγωγή από Γραμμές Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΓΜΗΕ) υψηλής τάσης και από ηλεκτροκίνητους ac-τροφοδοτούμενους σιδηροδρόμους. Κατά τον έλεγχο της καλής λειτουργίας του συστήματος Κ.Π. στους αγωγούς μεταφοράς Φ.Α της Ελλάδας διαπιστώθηκαν προβλήματα από τις παρεμβολές των επαγόμενων ac τάσεων που προέρχονταν από την επαγωγική επίδραση των γειτονικών ΓΜΗΕ καθώς και από συνεχή ή ημι-συνεχή ρεύματα διαφυγής ή/και τελλουρικά ρεύματα. Οι αγωγοί Φ.Α. ήταν εξοπλισμένοι με Εκτονωτές Υπερτάσεων (ΕΥ), δηλαδή ηλεκτρονικές συσκευές, συνδεόμενες μεταξύ αγωγού και ηλεκτροδίων γείωσης σε διάφορες θέσεις κατά μήκος του αγωγού, αποτελούμενες από αντι-παράλληλα θυρίστορ που ενεργοποιούνταν σε επαγόμενη ac τάση τιμής 25V με σκοπό τη μη υπέρβαση του ασφαλούς αυτού ορίου των 25V για αποφυγή ηλεκτροπληξίας. Ωστόσο οι εγκατεστημένοι αυτοί ΕΥ επέτρεπαν την παραμονή για μεγάλα χρονικά διαστήματα επαγόμενων ac τάσεων με τιμές πολύ υψηλότερες από εκείνες που θεωρούνται ασφαλείς για τη διάβρωση του μεταλλικού αγωγού από ac ρεύμα (ac διάβρωση). Επιπρόσθετα, αυτές οι σχετικά υψηλές τιμές επαγόμενων ac τάσεων προκαλούσαν μεταβολές του dc δυναμικού και του ρεύματος Κ.Π. Για την αντιμετώπιση των προβλημάτων αυτών σχεδιάστηκαν, κατασκευάστηκαν και εγκαταστάθηκαν σε προεπιλεγμένες θέσεις του αγωγού ειδικοί Εκτονωτές Υπερτάσεων Συνεχούς Λειτουργίας (ΕΣΛ) οι οποίοι είχαν τη δυνατότητα της απαγωγής του ac ρεύματος και της ταυτόχρονης αποτελεσματικής φραγής του dc ρεύματος. Μετά τη σύνδεση των ΕΣΛ, η κατάσταση λειτουργίας της Κ.Π. βελτιώθηκε σημαντικά με μόνη εξαίρεση ότι παρουσιάστηκε το πρόβλημα της αλλοίωσης των μετρήσεων των off δυναμικών από τα ρεύματα εκφόρτισης των χωρητικών ΕΣΛ. Το φαινόμενο αυτό μελετήθηκε διεξοδικά και το σύστημα σωληναγωγός και χωρητικές διατάξεις ΕΣΛ με γειώσεις προσομοιώθηκε με ηλεκτρικό κύκλωμα. Μέσω του κυκλώματος αυτού προσδιορίστηκε η επίδραση κάθε κυκλωματικού στοιχείου στο φαινόμενο της αλλοίωσης των off δυναμικών. Επισημάνθηκαν οι κυριότεροι επιδρώντες παράμετροι και προτάθηκαν μέτρα για τον περιορισμό του σφάλματος σε ελεγχόμενα επίπεδα. Βάσει των αποτελεσμάτων προτάθηκε μια βελτιωμένη μέθοδος ελέγχου της ηλεκτρικής μονωτικής ικανότητας των μονωτικών εξαρτημάτων του αγωγού και τρόποι αξιοποίησης των μετρήσεων για την εκτίμηση της ακεραιότητας της μονωτικής επικάλυψης του αγωγού. Αποκαλύφτηκαν διάφοροι μηχανισμοί ac διάβρωσης, ή διάβρωσης από τελλουρικά ρεύματα, οι οποίοι διερευνήθηκαν μέσω καταγραφών σε ειδικά αισθητήρια Ηλεκτρικής Αντίστασης (ΗΑ) που συνδέθηκαν με τον αγωγό Φ.Α. σε θέσεις όπου επικρατούσαν διαφορετικές ηλεκτρικές και εδαφικές συνθήκες.