М. Иванов, к. х. н.
Коррозия металлов, особенно железа и нелегированной стали, наносит большой вред аппаратам и трубопроводам, эксплуатируемым в условиях контакта с водой и воздухом. Это приводит к снижению сроков службы оборудования и дополнительно создает условия для загрязнения воды продуктами коррозии.
Подписаться на статьи можно на
Как известно, коррозия является электрохимическим процессом, при котором происходит окисление металла, то есть отдача его атомами электронов. Этот процесс осуществляется в микроскопической части поверхности, называемой анодной областью. Он приводит к нарушению целостности металла, атомы которого вступают в химические реакции, особенно активно - в присутствии кислорода воздуха и влаги.
Поскольку металлы хорошо проводят электрический ток, высвобожденные электроны свободно перетекают в другую микроскопическую область, где в присутствии воды и кислорода происходят восстановительные реакции. Такую область называют катодной.
Протеканию электрохимической коррозии можно противодействовать, произведя за счет приложения напряжения от внешнего источника постоянного тока сдвиг электродного потенциала металла до значений, при которых процесс коррозии не происходит.
На основе этого построены системы катодной защиты подземных трубопроводов, резервуаров и других металлических сооружений. В случае приложения к защищаемому металлу электрического потенциала на всей поверхности металлической конструкции устанавливаются такие значения потенциала, при которых могут протекать только восстановительные катодные процессы: например, катионы металла будут принимать электроны и превращаться в ионы более низкой степени окисления или нейтральные атомы.
Технически метод катодной защиты металлов осуществляется следующим образом (рис. 1 ). К защищаемой металлической конструкции, например стальному трубопроводу, подводится провод, который соединяют с отрицательным полюсом катодной станции, в результате этого трубопровод становится катодом. На некотором расстоянии от металлической конструкции в грунте располагается электрод, который с помощью провода соединяется с положительным полюсом и становится анодом. Разность потенциалов между катодом и анодом создают таким образом, чтобы полностью исключить протекание окислительных процессов на защищаемой конструкции. В этом случае через влажную почву между катодом и анодом в толще грунта будут протекать слабые токи. Для эффективной защиты требуется размещение нескольких анодных электродов по всей длине трубопровода. Если удается снизить разность потенциалов защищаемой конструкции и грунта до 0,85-1,2 В, то скорость протекания коррозии трубопровода уменьшается до существенно малых значений.
Итак, система катодной защиты включает в себя источник постоянного электрического тока, контрольно-измерительный пункт и анодное заземление. Обычно станция катодной защиты состоит из трансформатора переменного тока и диодного выпрямителя. Как правило, ее питание осуществляется от сети напряжением 220 В; существуют также станции, питаемые от линий высокого (6-10 кВ) напряжения.
Для эффективной работы катодной станции создаваемая ею разность потенциалов катода и анода должна быть не менее 0,75 В. В некоторых случаях для успешной защиты достаточно порядка 0,3 В. В то же время в качестве технических параметров станций катодной защиты используются величины номинальных значений выходного тока и выходного напряжения. Так, обычно номинальное выходное напряжение станций составляет от 20 до 48 В. При большом расстоянии между анодом и защищаемым объектом требуемое значение выходного напряжения станции достигает 200 В.
В качестве анодов применяют вспомогательные инертные электроды. Анодные заземлители, например модели АЗМ-3Х производства ЗАО «Катодъ» (пос. Развилка, Московская обл.), представляют собой отливки из коррозионно-стойкого сплава, снабженные специальным проводом с медной жилой в усиленной изоляции, а также герметизированной муфтой для присоединения к магистральному кабелю станции катодной защиты. Рациональнее всего использовать заземлители в средах высокой и средней коррозийной активности при удельном сопротивлении грунта до 100 Ом.м. Для оптимального распределения напряженности поля и плотности тока по корпусу оборудования вокруг анодов располагают специальные экраны в виде засыпки из угля или кокса.
Для оценки эффективности работы станции катодной защиты необходима система, которая состоит из измерительного электрода и электрода сравнения и является основной частью контрольно-измерительного пункта. На основании показаний данных электродов производится регулирование разности потенциалов катодной защиты.
Измерительные электроды изготавливают из высоколегированной стали, кремнистого чугуна, платинированной латуни или бронзы, а также меди. Электроды сравнения - хлорсеребряные или сульфатно-медные. По своему конструктивному исполнению электроды сравнения могут быть погружными или выносными. Состав раствора, используемого в них, должен быть близким к составу среды, от вредного воздействия которой требуется защитить оборудование.
Можно отметить биметаллические электроды сравнения длительного действия типа ЭДБ, разработанные ВНИИГАЗом (Москва). Они предназначены для измерения разности потенциалов между подземным металлическим объектом (включая трубопровод) и землей для управления станцией катодной защиты в автоматическом режиме в условиях большой нагрузки и на значительной глубине, то есть там, где другие электроды не могут обеспечить постоянное поддержание заданного потенциала.
Оборудования для катодной защиты поставляется, в основном, отечественными производителями. Так, упомянутое ЗАО «Катодъ» предлагает станцию «Минерва-3000» (рис. 2 ), предназначенную для защиты магистральных водопроводных сетей. Ее номинальная выходную мощность - 3,0 кВт, выходное напряжение - 96 В, сила тока защиты - 30 А. Точность поддержания защитного потенциала и величины тока соответственно составляет 1 и 2 %. Величина пульсации - не более 1 %.
Другой российский производитель - ОАО «Энергомера» (Ставрополь) - поставляет модули марок МКЗ-М12, ПНКЗ-ППЧ-М10 и ПН-ОПЕ-М11, обеспечивающие эффективную катодную защиту подземных металлических сооружений в зонах высокой коррозионной опасности. Модуль МКЗ-М12 имеет номинальный ток 15 или 20 А; номинальное выходное напряжение - 24 В. Для моделей МКЗ-М12-15-24-У2 выходное напряжение составляет 30 В. Точность поддержания защитного потенциала достигает ±0,5 %, заданного тока ±1 %. Технический ресурс - 100 тыс. ч, а срок службы - не менее 20 лет.
ООО «Электронные технологии» (Тверь) предлагает станции катодной защиты «Тверца» (рис. 3 ), комплектуемые встроенным микропроцессором и телемеханической системой дистанционного управления. Контрольно-измерительные пункты оборудованы неполяризующимися электродами сравнения длительного действия с датчиками электрохимического потенциала, обеспечивающими измерение поляризационных потенциалов на трубопроводе. В состав этих станций включены также регулируемый источник катодного тока и блок датчиков электрических параметров цепи, который через контроллер соединен с устройством дистанционного доступа. Трансформатор данной станции выполнен на основе ферритовых сердечников типа Epcos. Используется также система управления преобразователем напряжения на основе микросхемы типа UCC 2808A.
Компания «Курс-ОП» (Москва) выпускает станции катодной защиты «Элкон», напряжение на выходе которых изменяется в диапазоне от 30 до 96 В, а выходной ток - в диапазоне от 20 до 60 А. Пульсации выходного напряжения - не более 2 %. Эти станции предназначены для защиты от почвенной коррозии однониточных, а с применением блока совместной защиты и многониточных трубопроводов в зонах отсутствия блуждающих токов в условиях умеренного климата (от -45 до +40 °С). В состав станций входят однофазный силовой трансформатор, преобразователь со ступенчатым регулированием выходного напряжения, высоковольтная аппаратура, двухполюсный разъединитель с ручным приводом и ограничители перенапряжений.
Можно также отметить установки катодной защиты серии НГК-ИПКЗ производства ООО «НПФ «Нефтегазкомплекс ЭХЗ» (Саратов), максимальный ток на выходе из которых составляет 20 или 100 А, а номинальное выходное напряжение - 48 В.
Один из поставщиков станций катодной защиты из стран СНГ - фирма «Гофман Электрик Технолоджис» (Харьков, Украина), предлагающая оборудование для электрохимической защиты от почвенной коррозии магистральных трубопроводов.
При катодной защите трубопровода положительный полюс источника постоянного тока (анод) подключается к специальному анодному заземлителю, а отрицательный (катод) – к защищаемому сооружению (рис. 2.24).
Рис. 2.24. Схема катодной защиты трубопровода
1- линия электропередачи;
2 - трансформаторный пункт;
3 - станция катодной защиты;
4 - трубопровод;
5 - анодное заземление;
6 - кабель
Принцип действия катодной защиты аналогичен электролизу. Под воздействием электрического поля начинается движение электронов от анодного заземлителя к защищаемому сооружению. Теряя электроны, атомы металла анодного заземлителя переходят в виде ионов в раствор почвенного электролита, то есть анодный заземлитель разрушается. На катоде (трубопроводе) наблюдается избыток свободных электронов (восстановление металла защищаемого сооружения).
49. Протекторная защита
При прокладке трубопроводов в труднодоступных районах, удаленных от источников электроэнергии, применяется протекторная защита (рис. 2.25).
1 - трубопровод;
2 - протектор;
3 - проводник;
4 - контрольно-измерительная колонка
Рис. 2.25. Схема протекторной защиты
Принцип действия протекторной защиты аналогичен гальванической паре. Два электрода – трубопровод и протектор (изготовленный из более электроотрицательного металла, чем сталь) соединяются проводником. При этом возникает разность потенциалов, под действием которой происходит направленное движение электронов от протектора-анода к трубопроводу-катоду. Таким образом, разрушается протектор, а не трубопровод.
Материал протектора должен отвечать следующим требованиям:
Обеспечивать наибольшую разность потенциалов металла протектора и стали;
Ток при растворении единицы массы протектора должен быть максимальным;
Отношение массы протектора, израсходованной на создание защитного потенциала, к общей массе протектора должно быть наибольшим.
Предъявляемым требованиям в наибольшей степени отвечают магний, цинк и алюминий . Эти металлы обеспечивают практически равную эффективность защиты. Поэтому на практике применяют их сплавы с применением улучшающих добавок (марганца , повышающего токоотдачу и индия – увеличивающего активность протектора).
50. Электродренажная защита
Электродренажная защита предназначена для защиты трубопровода от блуждающих токов. Источником блуждающих токов является электротранспорт, работающий по схеме «провод–земля». Ток от положительной шины тяговой подстанции (контактный провод) движется к двигателю, а затем через колеса к рельсам. Рельсы соединяются с отрицательной шиной тяговой подстанции. Из-за низкого переходного сопротивления «рельсы–грунт» и нарушения перемычек между рельсами часть тока стекает в землю.
Если поблизости находится трубопровод с нарушенной изоляцией, ток проходит по трубопроводу до тех пор, пока не будет благоприятных условий для возвращения к минусовой шине тяговой подстанции. В месте выхода тока трубопровод разрушается. Разрушение происходит за короткое время, поскольку блуждающий ток стекает с небольшой поверхности.
Электродренажной защитой называется отведение блуждающих токов от трубопровода на источник блуждающих токов или специальное заземление (рис. 2.26).
Рис. 2.26. Схема электродренажной защиты
1 - трубопровод; 2 - дренажный кабель; 3 - амперметр; 4 - реостат; 5 - рубильник; 6 - вентильный элемент; 7 - плавкий предохранитель; 8 – сигнальное реле; 9 – рельс
Трубопроводы, пролегающие под землёй, подвергаются разрушающему действию коррозии. Коррозия трубопровода поражает металлические трубы, если возникают условия, когда атомы металла могут перейти в состояние иона.
Чтобы нейтральный атом стал, ионом, необходимо отдать электрон, а это возможно если есть анод, который его примет. Такая ситуация возможна при возникновении разности потенциалов между отдельными участками трубы: один участок анод, другой катод.
Причины протекания электролитических реакций
Причин образования разности потенциалов (величина его значения) на отдельных участках трубы несколько:
- различные составы грунта по физическим и химическим свойствам;
- неоднородность металла;
- влажность почвы;
- значение рабочей температуры, транспортируемого вещества;
- показатель кислотности грунтового электролита;
- прохождение линии электротранспорта, который создаёт блуждающие токи.
Важно! Участки, которые требуют установления защиты, определяются на стадии проектирования объекта. Все необходимые сооружения строятся параллельно с прокладкой труб.
В результате могут возникнуть два вида коррозийного повреждения:
- поверхностное, которое к разрушению трубопровода не приводит;
- местное, в результате которого образуются раковины, щели, растрескивания.
Виды предохранения от коррозии
Чтобы уберечь трубы от разрушения, применяют защиту трубопроводов от коррозии.
Существует два основных способа защиты:
- пассивный, при котором вокруг труб создаётся защитная оболочка полностью отделяющая их от грунта. Обычно это покрытие из битума, эпоксидной смолы, полимерной ленты;
- активный, позволяющий управлять электрохимическими процессами, которые протекают в местах соприкосновения трубы и грунтового электролита.
Активный метод разделяется на три вида предохранения:
- катодный;
- протекторный;
- дренажный.
Дренажный осуществляет защиту трубопроводов от коррозии производимой блуждающими токами. Такие токи отводят в направлении создающего их источника или напрямую в почвенный слой. Дренаж может быть земляным (заземление анодных зон трубопровода), прямым (отсоединение от отрицательного полюса источника блуждающего тока). Реже используют дренаж поляризованный и усиленный.
Способы организации катодной защиты
Катодная защита трубопровода от коррозии образуется, если использовать внешнее электрическое поле для организации катодной поляризации трубопровода, а повреждение перевести на внешний анод, который подвергнется разрушению.
Катодная разделяется на два вида:
- гальваническая с использованием анодов-протекторов, для изготовления которых используют сплавы магния, алюминия, цинка;
- электрическая, в которой применяется внешний источник постоянного тока с схемой подключения: минус на трубу, плюс - на заземлённый анод.
Основа гальванического способа катодной защиты: использование свойства металла иметь отличные по величине потенциалы, когда их применяют в виде электрода. Если в электролите находятся две металла с разным значением потенциала, то разрушаться будет тот, который имеет меньшее значение.
Материал для протектора подбирается такой, чтобы выполнялись определённые требования:
- отрицательный потенциал с большим значение в сравнении с потенциалом трубопровода;
- значительный КПД;
- высокий показатель удельной токоотдачи;
- малая анодная поляризуемость, чтобы не образовывались окисные плёнки.
Обратить внимание! Наиболее высокий КПД у анодов из сплава цинка и алюминия, наименьший - у магниевых.
Чтобы повысить КПД и действенность защиты, протекторы погружают в активатор, который снижает собственную коррозию протектор и величину сопротивления растеканию тока с протектора, уменьшает анодную поляризуемость.
Протекторная защитная установка состоит из протектора, активатора, проводника, соединяющего протектор и трубопровод, пункта для контроля и проведения замера электрических параметров.
Эффективность протекторной защиты от коррозии трубопроводов зависит от величины удельного сопротивления грунта. Она хорошо действует, если этот показатель не превышает 50 Ом*м, при большем значении защита будет частичной. Для повышения действенности используют ленточные протекторы.
Ограничением для использования протекторной защиты является электрический контакт трубопровода и смежной протяжённой коммуникацией.
Станции катодной защиты
Более сложный в организации, но самый эффективный - это электрический. Для его организации сооружают внешний источник постоянного тока - станцию катодной защиты. В электрической станции преобразуется переменный ток в постоянный.
Элементы катодной защиты:
- анодное заземление;
- линия соединения постоянного тока;
- защитное заземление;
- источник постоянного тока;
- катодный вывод.
Электрический метод является аналогом процесса электролиза.
Под действием внешнего поля источника тока валентные электроны двигаются в сторону от анодного заземления к источнику тока и трубе. Заземленный анод постепенно разрушается. А у трубопровода от источника постоянного тока поступающий переизбыток свободных электронов приводит к деполяризации (как у катода при электролизе).
Чтобы предотвратить коррозийное разрушение нескольких труб, сооружают несколько станций и устанавливают соответствующее количество анодов.
Cтраница 1
Катодная защита газопровода должна действовать бесперебойно. Для каждой СКЗ устанавливается определенный режим в зависимости от условий ее работы. При эксплуатации катодной станции ведется журнал электрических параметров ее и работы источника тока. Необходим также постоянный контроль за анодным заземлением, состояние которого определяется по величине тока СКЗ.
| Характеристика состояния защитного покрытия и его проводимости. |
Катодная защита газопровода должна действовать бесперебойно. На участках трассы с перерывами подачи электроэнергии в течение нескольких часов в сутки применяют аккумуляторы, осуществляющие защиту в период отключения электроэнергии. Емкость аккумуляторной батареи определяют по величине защитного тока СКЗ.
Катодная защита газопроводов от воздействия блуждающих токов или грунтовой коррозии осуществляется при помощи постоянного электрического тока внешнего источника. Отрицательный полюс источника тока присоединяется к защищаемому газопроводу, а положительный к специальному заземлению - аноду.
Катодная защита газопроводов от коррозии осуществляется за счет их катодной поляризации с помощью тока внешнего источника.
Влияние катодной защиты газопроводов на рельсовые цепп железных дорог.
При катодной защите газопровода применяют стандартные приборы электротехнических установок и специальные коррозионно-измерительные и вспомогательные приборы. Для измерения разности потенциалов подземное сооружение - земля, являющейся одним из критериев оценки опасности коррозии и наличия защиты, применяют вольтметры с большой величиной внутреннего сопротивления на 1 в шкалы, чтобы включение их в измерительную цепь не нарушало в последней распределения потенциалов. Это требование обусловливается как высоким внутренним сопротивлением системы подземное сооружение - земля, так и трудностью создания малого сопротивления заземления в месте контакта измерительного электрода с землей, особенно при использовании неполяризующихся электродов. Для получения измерительной схемы с высоким входным сопротивлением пользуются потенциометрами и высокоомными вольтметрами.
Для станций катодной защиты газопроводов как источника электроэнергии рекомендуется применение высокотемпературных топливных элементов с керамическим электродом. Такие топливные элементы могут длительное время работать на трассе газопровода, питая электроэнергией станции катодной защиты, а также дома линейных ремонтеров, сигнальные системы и автоматику управления крапами. Этот метод электроснабжения линейных сооружений и установок на газопроводе, которые не требуют большой мощности, значительно упрощает эксплуатационное обслуживание.
Очень часто параметры катодной защиты газопроводов, полученные расчетным путем, значительно отличаются от параметров СКЗ, полученных на практике путем измерений. Это связано с невозможностью учета всего многообразия факторов, влияющих в природных условиях на параметры защиты.
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ»
Катодная защита подземных металлических сооружений
Принцип действия катодной защиты
При контакте металла с грунтами, относящимися к электролитическим средам, происходит коррозионный процесс, сопровождаемый образованием электрического тока, и устанавливается определенный электродный потенциал. Величину электродного потенциала трубопровода можно определить по разности потенциалов между двумя электродами: трубопроводом и неполяризующимся медно-сульфатным элементом. Таким образом, значение потенциала трубопровода представляет собой разность его электродного потенциала и потенциала электрода сравнения по отношению к грунту. На поверхности трубопровода протекают электродные процессы определенного направления и стационарные по характеру изменения во времени.
Стационарный потенциал принято называть естественным потенциалом, подразумевая при этом отсутствие на трубопроводе блуждающих и других наведенных токов.
Взаимодействие корродирующего металла с электролитом разделяется на два процесса: анодный и катодный, которые проходят одновременно на различных участках поверхности раздела металла и электролита.
При защите от коррозии используют территориальное разделение анодного и катодного процессов. К трубопроводу подключают источник тока с дополнительным электродом-заземлителем, с помощью которого накладывают на трубопровод внешний постоянный ток. В этом случае анодный процесс происходит на дополнительном электроде-заземлителе.
Катодная поляризация подземных трубопроводов осуществляется с помощью наложения электрического поля от внешнего источника постоянного тока. Отрицательный полюс источника постоянного тока подключается к защищаемой конструкции, при этом трубопровод является катодом по отношению к грунту, искусственно созданный анод-заземлитель - к положительному полюсу.
Принципиальная схема катодной защиты показана на рис. 14.1. При катодной защите отрицательный полюс источника тока 2 подключен к трубопроводу 1, а положительный - к искусственно созданному аноду-заземлителю 3. При включении источника тока от его полюса через анодное заземление поступает в грунт и через поврежденные участки изоляции 6 на трубу. Далее через точку дренажа 4 по соединительному проводу 5 ток возвращается снова к минусу источника питания. При этом на оголенных участках трубопровода начинается процесс катодной поляризации.
Рис. 14.1. Принципиальная схема катодной защиты трубопровода:
1 - трубопровод; 2 - внешний источник постоянного тока; 3 - анодное заземление;
4 - точка дренажа; 5 - дренажный кабель; 6 - контакт катодного вывода;
7 - катодный вывод; 8 - повреждения изоляции трубопровода
Поскольку напряжение внешнего тока, приложенного между электродом-заземлителем и трубопроводом, значительно превышает разность потенциалов между электродами коррозионных макропар трубопровода, стационарный потенциал анодного заземления не играет определяющей роли.
С включением электрохимической защиты (j 0a.доп ) нарушается распределение токов коррозионных макропар, сближаются значения разности потенциалов «труба – земля» катодных участков (j 0к ) с разностью потенциалов анодных участков (j 0а ), обеспечиваются условия для поляризации.
Катодная защита регулируется путем поддержания необходимого защитного потенциала. Если наложением внешнего тока трубопровод заполяризован до равновесного потенциала (j 0к = j 0а ) растворения металла (рис. 14.2 а), то анодный ток прекращается и коррозия приостанавливается. Дальнейшее повышение защитного тока нецелесообразно. При более положительных значениях потенциала наступает явление неполной защиты (рис. 14.2 б). Оно может возникнуть при катодной защите трубопровода, находящегося в зоне сильного влияния блуждающих токов или при использовании протекторов, не имеющих достаточно отрицательного электродного потенциала (цинковые протекторы).
Критериями защиты металла от коррозии являются защитная плотность тока и защитный потенциал.
Катодная поляризация неизолированной металлической конструкции до величины защитного потенциала требует значительных токов. Наиболее вероятные величины плотностей токов, необходимых для поляризации стали в различных средах до минимального защитного потенциала (-0,85 В) по отношению к медно-сульфатному электроду сравнения, приведены в табл. 14.1
Рис. 14.2. Коррозионная диаграмма для случая полной поляризации (а) и
неполной поляризации (б)
Обычно катодная защита используется совместно с изоляционными покрытиями, нанесенными на наружную поверхность трубопровода. Поверхностное покрытие уменьшает необходимый ток на несколько порядков. Так, для катодной защиты стали с хорошим покрытием в почве требуется всего 0,01 ... 0,2 мА/м 2 .
Таблица 14.1
Плотность тока, необходимая для катодной защиты
неизолированной стальной поверхности в различных средах
Защитная плотность тока для изолированных магистральных трубопроводов не может стать надежным критерием защиты вследствие неизвестного распределения поврежденной изоляции трубопровода, определяющую фактическую площадь контакта металла с грунтом. Даже для неизолированной трубы (патрон на подземном переходе через железные и шоссейные дороги) защитная плотность тока определяется по геометрическим размерам сооружения и является фиктивной, так как остается неизвестной доля поверхности патрона, покрытая постоянно присутствующими пассивными защитными слоями (окалиной и др.) и не участвующая в процессе деполяризации. Поэтому защитная плотность тока как критерий защиты применяется при некоторых лабораторных исследованиях, выполняемых на образцах металла.