Что такое эхз газопровода. Катодная защита: применение и стандарты

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ»

Теоретические основы

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.

Предохранение металла от коррозии путем наложения внешнего постоянного электрического тока, при котором радикально меняется электродный потенциал материала и изменяется скорость его коррозии, называется электрохимической защитой. Она надежно оберегает поверхности от коррозии, предотвращая разрушение подземных резервуаров, трубопроводов, днищ судов, газгольдеров, гидротехнических сооружений, газопроводов и т. п. Используется такой метод в тех случаях, когда коррозийный потенциал находится в зоне интенсивного распада или при пассивации, то есть когда происходит активное разрушение металлоконструкций.

Принцип действия электрохимической защиты

К металлической конструкции извне подключается источник постоянного электрического тока. На поверхности изделия электрический ток формирует катодную поляризацию электродов, в результате чего совершается обмен, и анодные участки трансформируются в катодные. Вследствие этого, под воздействием коррозионной среды происходит разрушение анода, а не исходного материала. Такого рода защита подразделяется на катодную и анодную, зависит это от того в какую сторону (отрицательную или положительную) сдвигается потенциал металла.

Катодная защита от коррозии

Пример: (+0,8)Au/Fe(-0,44)

Для повышения устойчивости металлических деталей при соприкосновении с какой-либо агрессивной средой или при эксплуатации с воздействием морской воды или почвы, применяется катодная защита от коррозии. При этом катодная поляризация сохраняемого металла достигается формированием микрогальванической пары с другим металлом (алюминий, цинк, магний), понижением скорости катодного процесса (деаэрация электролита) или наложением электротока от внешнего источника.

Такой прием, как правило, применяется для сохранения черных металлов, потому что из них изготавливается большая часть объектов размещающихся в почве и воде – например, пирсы, свайные сооружения, трубопроводы. Широкое применение данный метод нашел и в машиностроении, при профилактике коррозийных процессов новых и находящихся в эксплуатации машин, при обработке кузова автомобиля, полостей лонжеронов, узлов шасси и т. п. Следует заметить, что этим же способом производится эффективная защита днища автомобиля, которое наиболее часто подвергается воздействию агрессивных сред.

Катодная защита, при многих достоинствах, все же имеет и недостатки. Один из них – переизбыток защиты, такое явление отмечается при сильном смещении потенциала сохраняемого изделия в отрицательную сторону. В результате – хрупкость металла, коррозионное растрескивание материала и разрушение всех предохраняющих покрытий. Ее разновидностью является защита протекторная. При ее использовании к сберегаемому изделию присоединяется металл с отрицательным потенциалом (протектор), который впоследствии, сохраняя объект, разрушается.

Анодная защита

Пример: (-0,77)Cd/Fe(-0,44)

Анодная защита от коррозии металла применяется для изделий, изготовленных из высоколегированных железистых сплавов, углеродистой и кислотоупорной стали, расположенных в коррозионных средах с хорошей электропроводностью. При этом способе потенциал металла сдвигается в положительную сторону до того времени, пока не достигнет стабильного (пассивного) состояния.

Анодная электрохимическая установка включает в себя: источник тока, катод, электрод сравнения и сохраняемый объект.

Для того чтобы защита была максимально эффективной для какого-либо конкретного предмета, необходимо соблюсти определенные правила:

свести к минимуму количество трещин, щелей и воздушных карманов;

качество сварных швов и соединений металлоконструкций должно быть максимальным;

катод и электрод сравнения должны быть помещены в раствор и находиться там постоянно

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.  

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.  

Метод электрохимической защиты (ЭХЗ) от коррозии уже многие годы применяется инженерами для продления срока службы различных металлических устройств и сооружений. Однако так повелось, что наиболее широко известны технические решения по использованию ЭХЗ для противокоррозионной защиты больших металлоемких конструкций и сооружений, таких как подземные трубопроводы в нефтегазовой промышленности и в сфере ЖКХ или большие стальные резервуары, хотя принцип работы ЭХЗ универсален, и может быть успешно использован практически везде, где есть контакт металла и агрессивного электролита. В этой статье мы бы хотели дать, безусловно, очень краткий обзор других возможностей применения электрохимзащиты вокруг нас - в индустриальной, общественной и даже приватной сфере жизни современного человека.

Электрохимическая защита основана на управлении токами электрохимической коррозии, всегда возникающими при контакте любого металлического сооружения и электролита. С помощью ЭХЗ анодная разрушающаяся зона переносится с защищаемого объекта либо на специальное анодное заземление (при катодной защите), либо на отдельное изделие из более активного металла (при протекторной защите). Более подробно о физико-химических принципах катодной и протекторной защиты от коррозии можно прочитать . Главное, что следует понимать при принятии решения о применении ЭХЗ - это то, что необходим обязательный контакт защищаемого объекта/системы объектов и внешнего анода (анодного заземления или протектора), как посредством проводника первого рода (металлического кабеля или прямого металлического контакта), так и посредством проводника второго рода (электролита). Электрическая цепь "сооружение - кабель - анод - электролит" обязательно должна замкнуться, иначе защитного тока в системе просто не возникнет. Простой пример - трубопровод или свая, выходящая из земли на поверхность. ЭХЗ будет работать только на подземной части. Однако есть несколько примеров, когда, на первый взгляд, это правило не работает. Например, постоянный контакт сооружения и электролита не обеспечивается в зонах переменного смачивания, таких как приливно-отливная зона свай на морских пирсах и причалах, зона волнового смачивания аналогичных сооружений пресноводных водоемов и т.д. В этих случаях приходится применять довольно хитрые схемы ЭХЗ, работающие только в моменты увлажнения коррозионно-опасных зон. Но как, например, организовать ЭХЗ от атмосферной коррозии металлического сооружения во влажном морском или промышленном воздухе? Оказывается и это возможно! Но начнем мы с более простых случаев.

Простой и очевидный пример объекта, подвергающегося электрохимической коррозии, которую можно замедлить с помощью ЭХЗ - это закопанное в землю или стоящее на земле любое металлическое сооружение: свая, резервуар, трубопровод любого назначения. Конечно, применять ЭХЗ везде и всюду нет никакой необходимости, однако если объект находится в грунте высокой коррозионной агрессивности (высокая влажность или засоленность - явные признаки такого грунта!), либо это промышленно значимый и плохо ремонтопригодный объект - ЭХЗ явно не будет лишней. Проект такой системы ЭХЗ не очень сложен. Например, если нужно защитить свайный фундамент, то достаточно станции катодной защиты малой мощности (может хватить и аккумулятора) и несколько правильно расположенных точечных анодов, или несколько небольших отрезков протяженного анода. Только нужно не забыть, что если сваи сделаны из труб, то они могут корродировать и изнутри, там, где ЭХЗ работать не будет. Одиночный, полностью закопанный резервуар также прекрасно защищается точечными анодами по периметру сооружения, а днище резервуара, стоящего на грунте - одним точечным анодом или изогнутым отрезком протяженного анода. Если есть возможность менять анодные заземления и сопротивление грунта мало, то вместо точечных анодов можно установить протекторные установки, срок эффективной работы которых обычно составляет 5-7 лет.

Теперь перейдем к не очень распространенному, но очень продуктивному способу электрохимической защиты от коррозии внутренней поверхности трубопроводов и резервуаров (сосудов) любой емкости и назначения, имеющих контакт с агрессивным водным электролитом (промышленными сточными водами или просто водой с высоким содержанием минеральных солей и кислорода). В этом случае применение ЭХЗ позволяет продлить срок безремонтной эксплуатации объекта в несколько раз. Более простой случай - внутренняя ЭХЗ резервуара, когда во внутреннем пространстве резервуара размещаются протекторы или анодные заземления. Эффективность ЭХЗ существенно повысится, если внутренняя поверхность резервуара будет дополнительно защищена изоляционным покрытием с хорошими диэлектрическими свойствами. Более сложное техническое решение применяется для внутренней электрохимической защиты трубопровода. В этом случае наиболее эффективно ввести во внутреннюю полость трубопровода протяженный гибкий анод (ПГА) из токопроводящей резины. Длина такого анода обычно равна протяженности защищаемого участка трубопровода. Определенную техническую сложность вызывает укладка такого анода в уже эксплуатируемый трубопровод, хотя это также выполнимо на практике. Иногда для защиты участков ограниченной протяженности (5-30 м) достаточно установки во внутреннюю полость единичного точечного анода или протектора.

Внутренняя ЭХЗ трубопровода с применением протекторов

Такие системы внутренней электрохимзащиты чрезвычайно эффективны, даже когда ничего больше не помогает в принципе. Например, срок службы трубопроводов и различных очистительных установок - очень коррозионно-агрессивных сточных вод промышленных предприятий - продлевается за счет внутренней ЭХЗ в 5-20 раз!

Следующий интересный случай применения систем ЭХЗ - это причальные сооружения, основания нефтегазовых платформ, опоры мостов или любые другие металлические конструкции в морской воде. Кстати, воды некоторых пресных водоемов в нашей "экологически чистой" стране, особенно вблизи крупных городов и промышленных предприятий, по коррозионной агрессивности приближаются к морской воде, поэтому все излагаемое ниже распространяется и на них с небольшими оговорками.

Коррозия сваи в зоне переменного смачивания и забрызгивания

Итак, металлические конструкции в морской воде подвергаются активной электрохимической коррозии, которая не может быть остановлена обычной покраской. По механизму коррозионного процесса на таких объектах обычно выделяют три основных зоны:

• зона переменного смачивания и забрызгивания;
• зона полного погружения в воду;
• зона погружения сваи в грунт.

Наибольшую сложность при реализации систем электрохимической защиты представляет зона переменного смачивания, где нет постоянной электрической цепи "сооружение - электролит - анод". Для этих зон необходимы анодные заземления (протекторы) сетчатой или браслетной формы, обеспечивающие раздельную защиту локально увлажненных участков металлической конструкции. В самых сложных случаях имеет смысл обеспечить принудительное постоянное увлажнение зоны переменного смачивания конструкции, для постоянной работы средств ЭХЗ.

Электрохимзащита зоны полного смачивания металлических свай в водной среде может быть реализована в зависимости от конструкции разными способами, среди которых имеет смысл выделить следующие:

• размещение нескольких подвесных точечных анодов, каждый из которых защищает ближайшие, окружающие его, сваи;
• на более глубоких участках возможно использование протяженных гибких анодов, которые крепятся к тросам, закрепляемым концами на металлическом сооружении и дне водоема;
• если нет возможности подвести электричество к защищаемому сооружению, тогда приемлемым методом электрохимической защиты будет использование больших глубинных протекторов с длительными расчетными сроками эксплуатации.

Магниевый протектор для электрохимзащиты морских сооружений

Теперь вернемся к анонсированной ЭХЗ от атмосферной коррозии металлического сооружения во влажном морском или промышленном воздухе. По своему механизму этот случай чем-то напоминает коррозию в зоне переменного смачивания - также большое количество локально-увлажненных участков, только еще более маленьких. В этом случае единственный способ обеспечить электрохимическую защиту всей поверхности защищаемого изделия - это обеспечить свою локальную систему ЭХЗ на каждом увлажненном участке. Эта цель достигается путем нанесения на поверхность изделия специального покрытия, содержащего частицы металла, обладающего защитными протекторными свойствами по отношению к стали. Обычно этим металлом является цинк. Таким образом, на каждом участке поверхности обеспечивается своя маленькая установка протекторной защиты, которая активируется при увлажнении.

В этой статье мы рассказали только о нескольких основных случаях применения электрохимической защиты разнообразных металлических конструкций. На самом деле можно привести гораздо больше таких примеров - ЭХЗ может использоваться повсеместно: кузова автомобилей, корпуса морских судов, бытовые нагреватели воды, морские трубопроводы и т.д. Иногда даже приходится обеспечивать электрохимзащиту железобетонных конструкций, но это настолько объемная тема, что требует отдельного обзора. Поэтому можно смело говорить, что пока наш век металла не сменился веком композиционных материалов, именно электрохимическая защита будет одной из наиболее важных и востребованных человечеством технологий.

Пассивная защита подземных газопроводов изолиру-ющими покрытиями дополняется электрической защитой. Задачи электрической защиты следующие.

1. Отвод блуждающих электрических токов с защищаемого газо-провода и организованный возврат их к электрическим установкам и сетям постоянного тока, являющимся источником этих токов.
2. Подавление протекающих по газопроводу токов в местах их вы-хода в землю (анодные зоны) токами от внешнего источника, а также токов, возникающих за счет почвенной электрохимической коррозии, созданием гальванической цепи и защитного электрического потен-циала на трубах газопровода.
3. Предотвращение распространения электрических токов по газопроводам путем секционирования последних изолирующими фланцами.

Задача отвода блуждающих токов может быть решена путем создания:

1. дополнительных заземлений для отвода токов в землю. Недо-статок — возможность вредного влияния на соседние трубопроводы токов, стекающих с защищаемого газопровода;
2. простой или прямой дренажной защиты, т.е. электрического соединения защищаемого газопровода с рельсами трамвая или элек-трической железной дороги с целью возврата через них токов к их источнику. Простой дренаж имеет двустороннюю проводимость, т.е. может пропускать ток туда и обратно, и поэтому применяется в устойчивых анодных зонах. Недостатком этой защиты является не-обходимость выключения дренажа, если изменилась полярность тока или если потенциал на газопроводе стал меньшим, чем на рельсах;
3. поляризованной дренажной защиты, т.е. дренажа с односто-ронней проводимостью, исключающей обратное течение тока от рельсов к защищаемому газопроводу;
4. усиленной дренажной защиты, т.е. такой защиты, в цепь кото-рой для повышения эффективности включен внешний источник тока. Таким образом, усиленный дренаж — это объединение поля-ризованного дренажа с катодной защитой.

Задача подавления токов, протекающих по защищаемому газо-проводу, может быть решена с помощью:

1. Катодной защиты внешним током (электрозащита), т.е. при-соединением защищаемого газопровода к внешнему источнику тока — к его отрицательному полюсу в качестве катода. Положитель-ный полюс источника тока присоединяется к заземлению — аноду. Создается замкнутая цепь, в которой ток течет от анода через землю к защищаемому газопроводу и далее к отрицательному полюсу внешнего источника тока. При этом происходит постепенное разрушение анодных зазем-лений, но обеспечивается защита газопровода за счет его катодной поляризации и предотвращения стекания токов с труб в землю. В ка-честве внешнего источника могут применяться станции катодной защиты(СКЗ);
2. Протекторной защиты, т.е. защиты путем использования в электрической цепи протекторов из металлов, обладающих в кор-розионной среде более отрицательным потенциалом, чем металл трубопровода. Электрический ток возникает в системе протекторной защиты, так же как в гальваническом элементе, причем электроли-том служит грунт, содержащий влагу, а электродами являются газопровод и металл протектора. Возникающий защитный ток подавля-ет токи электрохимической коррозии и обеспечивает создание за-щитного электрического потенциала на газопроводе.

Принципиальная схема катодной защиты подземного газопровода

1 — анодное заземление; 2,4 — дренажные кабели; 3 — внешний источник электри-ческого тока; 5 — точка при-соединения дренажного кабеля; 6 — защищаемый газопровод

Принципиальная схема протекторной защиты подземного газопровода

1 — защищаемый газопровод; 2 — изолированные кабели; 3 — контрольный вывод; 4 — протектор; 5 — заполнитель для протектора

Задача электрического секционирования трубопроводов решается установкой изолирующих фланцев с паронитовыми или текстолито-выми прокладками, текстолитовыми втулками и шайбами. Пример конструкции изолирующих фланцев представлен на рисунке ниже.

Устройство изолирующих фланцев

1— изолирующая текстолитовая или паронитовая втулка; 2— изолирующая шайба из текстолита, резины или хлорвинила; 3 — стальная шайба; 4 — свинцовые шайбы; 5— текстолитовое кольцо-прокладка

Основными факторами, характеризующими степень коррозион-ного воздействия на подземные стальные газопроводы, являются:

• величина и направление блуждающих токов в грунте;
• величина и полярность потенциала газопровода относительно других металлических подземных коммуникаций и рельсов электри-фицированного транспорта;
• направление и сила токов, протекающих по газопроводу;
• состояние противокоррозионной защиты газопроводов;
• величина удельного электрического сопротивления фунта.

Все эти факторы подлежат периодическому контролю.

Периодичность элекфических измерений такова:

• в районах установок электрозащиты газопроводов и других за-щищаемых сооружений, а также около тяговых подстанций и депо элекфотранспорта, вблизи рельсов фамвая и элекфифицированных железных дорог и в местах пересечений газопроводов с ними — не реже одного раза в 3 месяца, а также при изменениях режимов уста-новок электрозащиты, защищаемых сооружений или источников блуждающих токов;
• в неопасных с точки зрения электрозащиты участках — не реже одного раза в год в летнее время, а также при всяких изменениях ус-ловий, могущих вызвать электрокоррозию.

Для протекторной защиты применяют протекторы из цветных металлов — обычно магния, цинка, алюминия и их сплавов.

Контроль работы электрозащитных установок и измерение по-тенциалов на контактах производятся (не реже): на дренажных уста-новках — 4 раза в месяц; на катодных установках — 2 раза в месяц; на протекторных установках — 1 раз в месяц.