Катодные станции для газопроводов. Особенности схем катодной защиты. Установки гальванической защиты

СКЗ – основные сведения.

Станция катодной защиты (СКЗ) – это комплекс сооружений, предназначенных для катодной поляризации газопровода внешним током.

Основными конструктивными элементами СКЗ (рис. 12.4.1.) являются:

Ø источник постоянного (выпрямленного) тока (катодная станция) 5 ;

Ø анодное заземление 2 , зарываемое в землю на некотором расстоянии от трубопровода 1 ;

Ø соединительные электролинии 3 , соединяющие положительный полюс источника тока с анодным заземлением, а отрицательный полюс - с трубопроводом;

Ø катодный вывод газопровода 8 и точка дренажа 7 ;

Ø защитное заземление 4 .

Рисунок – 12.4.1. - Принципиально-конструктивная схема СКЗ

Потенциал трубопровода под действием входящего тока становится более электроотрицательным, оголенные участки газопровода (в местах повреждения изоляции) катодно заполяризовываются и в зависимости от величины установившегося потенциала становится полностью или частично защищенными от коррозии. Одновременно на анодном заземлении под действием стекающего тока происходит процесс анодной поляризации, сопровождающийся постепенным разрушением анодного заземления.

Источники постоянного тока СКЗ разделяются на две группы. К первой группе относятся сетевые преобразующие устройства - выпрямители, питаемые от линий электропередачи (ЛЭП) переменного тока промышленной частоты 50 Гц номинальным напряжением от 0,23 до 10 кВ. Ко второй группе относятся автономные источники – генераторы постоянного тока и электрохимические элементы, которые вырабатывают электроэнергию непосредственно на трассе газопровода вблизи места, где необходимо установить СКЗ (ветроэлектрогенераторы, электрогенераторы с приводом от газовых турбинок, от двигателя внутреннего сгорания, термоэлектрогенераторы, аккумуляторы).

На магистральных газопроводах широкое распространение получили сетевые катодные станции с выпрямителями однофазного переменного тока напряжением 127/220 В, частотой 50 Гц. При наличии линий электропередачи переменного тока с номинальным напряжением 0,23; 0,4; 6 и 10 кВ применение таких станций целесообразно и экономически оправдано. При питании от ЛЭП 6 или 10 кВ выпрямительную установку подключают к питающей линии через понижающий трансформатор.

Рисунок – 12.4.2. – Упрощенная принципиальная схема типового неавтоматического источника питания СКЗ

На рис.12.4.2. приведена упрощенная типовая схема сетевой катодной станции с выпрямителем. Сеть переменного тока подключается к клеммам 1 и 2 . Учет потребляемой электроэнергии осуществляется электросчетчиком 3 . Автомат 4 служит для включения установки, а предохранители 5 обеспечивают защиту от токов короткого замыкания и перегрузок со стороны переменного тока. Понижающий трансформатор 6 питает выпрямитель 7 , собранный из отдельных выпрямительных элементов по двухполупериодной мостовой схеме выпрямления или по двухполупериодной однофазной схеме выпрямления с нулевым выводом. Защита от короткого замыкания и перегрузки со стороны цепи выпрямленного тока обеспечивается предохранителем 9 . Режим работы установки контролируют при помощи амперметра 10 и вольтметра 12 . Соединительный кабель от трубопровода 11 подключается к клемме «-», а от анодного заземления - к клемме «+». Все элементы установки смонтированы в металлическом шкафу, запираемом на замок.

Для обеспечения безопасных условий эксплуатации все металлические части конструкции станции заземляются защитным заземлением 8 .

Выпрямительные установки имеют устройства для регулирования напряжения или силы тока. В большинстве установок применяют ступенчатое регулирование напряжения путем переключения отдельных секций обмоток трансформатора. На некоторых типах выпрямителей напряжение регулируется плавно при помощи автотрансформатора или магнитных шунтов в обмотках трансформатора. Применяют также симисторное регулирование напряжения в первичной обмотке и тиристорное – во вторичной.

При катодной защите газопроводов, находящихся в зоне действия блуждающих токов, режим работы неавтоматических выпрямителей переменного тока обычно выбирается с учетом среднего значения разности потенциала «труба – земля», которое определяется по данным измерений за определенный промежуток времени (обычно среднесуточное значение) и не исключает выбросов потенциала в анодную или катодную область. Для подавления анодных выбросов выпрямитель необходимо настраивать на режим перезащиты. Глубокая катодная поляризация приводит к перерасходу электроэнергии, отслаиванию и растрескиванию изоляционного покрытия, наводораживанию поверхности металла (за счет интенсивного выделения на катоде водорода). Такой характер изменения потенциалов газопроводов приводит к необходимости создания автоматических станций катодной защиты, которые должны поддерживать потенциал в защитном диапазоне при минимальном расходе электроэнергии и максимальном использовании защитных свойств блуждающих токов. СКЗ состоят из устройств для установки заданного значения разности потенциалов (задающих устройств), устройств для измерения фактической разности потенциалов (измерительных устройств со стационарными электродами сравнения), усилителей мощности, исполнительных органов, изменяющих силу тока в цепи СКЗ.

Коррозия - это химическая и электрохимическая реакция металла с окружающей средой, вызывающая его повреждение. Она протекает с разной скоростью, которую можно уменьшить. С практической точки зрения интерес представляет антикоррозионная катодная защита металлических сооружений, контактирующих с землей, с водой и с транспортируемыми средами. Особенно повреждаются наружные поверхности труб от влияния грунта и блуждающих токов.

Внутри коррозия зависит от свойств среды. Если это газ, он должен быть тщательно очищен от влаги и агрессивных веществ: сероводорода, кислорода и др.

Принцип работы

Объектами процесса электрохимической коррозии являются среда, металл и границы раздела между ними. Среда, которой обычно является влажный грунт или вода, обладает хорошей электропроводностью. На границе раздела между ней и металлической конструкцией происходит электрохимическая реакция. Если ток положительный (анодный электрод), ионы железа переходят в окружающий раствор, что приводит к потере массы металла. Реакция вызывает коррозию. При отрицательном токе (катодный электрод) этих потерь нет, поскольку в раствор переходят электроны. Способ используется в гальванотехнике для нанесения на сталь покрытий из цветных металлов.

Катодная защита от коррозии осуществляется, когда к объекту из железа подводят отрицательный потенциал.

Для этого в грунте размещают анодный электрод и подключают к нему положительный потенциал от источника питания. Минус подается на защищаемый объект. Катодно-анодная защита приводит к активному разрушению от коррозии только анодного электрода. Поэтому его следует периодически менять.

Негативное действие электрохимической коррозии

Коррозия конструкций может происходить от действия блуждающих токов, попадающих из других систем. Они полезны для целевых объектов, но наносят существенный вред близкорасположенным сооружениям. Блуждающие токи могут распространяться от рельсов электрифицированного транспорта. Они проходят по направлению к подстанции и попадают на трубопроводы. При выходе из них образуются анодные участки, вызывающие интенсивную коррозию. Для защиты применяют электродренаж - специальный отвод токов от трубопровода к их источнику. Здесь также возможна Для этого необходимо знать величину блуждающих токов, которую измеряют специальными приборами.

По результатам электрических измерений выбирается способ защиты газопровода. Универсальным средством является пассивный способ от контакта с грунтом с помощью изолирующих покрытий. Катодная защита газопровода относится к активному способу.

Защита трубопроводов

Конструкции в земле защищают от коррозии, если подключить к ним минус источника постоянного тока, а плюс - к анодным электродам, закопанным рядом в грунт. Ток пойдет к конструкции, защищая ее от коррозии. Таким образом производится катодная защита трубопроводов, резервуаров или трубопроводов, находящихся в грунте.

Анодный электрод будет разрушаться, и его следует периодически менять. Для бака, заполненного водой, электроды размещают внутри. При этом жидкость будет электролитом, через которую ток пойдет от анодов к поверхности емкости. Электроды хорошо контролируются, и их легко заменить. В грунте это делать сложней.

Источник питания

Возле нефте- и газопроводов, в сетях отопления и водоснабжения, для которых необходима катодная защита, устанавливают станции, от которых подается напряжение на объекты. Если они размещаются на открытом воздухе, степень их защиты должна быть не ниже IP34. Для сухих помещений подходит любая.

Станции катодной защиты газопроводов и других крупных сооружений имеют мощность от 1 до 10 кВт.

Их энергетические параметры прежде всего зависят от следующих факторов:

сопротивление между почвой и анодом;
электропроводность грунта;
длина защитной зоны;
изолирующее действие покрытия.

Традиционно преобразователь катодной защиты представляет собой трансформаторную установку. Сейчас на смену ей приходит инверторная, обладающая меньшими габаритами, лучшей стабильностью тока и большей экономичностью. На важных участках устанавливают контроллеры, обладающие функциями регулирования тока и напряжения, выравнивания защитных потенциалов и др.

Оборудование представлено на рынке в различных вариантах. Для конкретных нужд применяется обеспечивающее лучшие условия эксплуатации.

Параметры источника тока

Для защиты от коррозии для железа защитный потенциал составляет 0,44 В. На практике он должен быть больше из-за влияния включений и состояния поверхности металла. Максимальная величина составляет 1 В. При наличии покрытий на металле ток между электродами составляет 0,05 мА/м 2 . Если изоляция нарушится, он возрастает до 10 мА/м 2 .

Катодная защита эффективна в комплексе с другими способами, поскольку меньше расходуется электроэнергии. Если на поверхности конструкции есть лакокрасочное покрытие, электрохимическим способом защищаются только места, где оно нарушено.

Особенности катодной защиты

Источниками питания служат станции или мобильные генераторы.
Расположение анодных заземлителей зависит от специфики трубопроводов. Способ расстановки может быть распределенным или сосредоточенным, а также располагаться на разной глубине.
Материал анода выбирается с низкой растворимостью, чтобы его хватило на 15 лет.
Потенциал защитного поля для каждого трубопровода рассчитывается. Он не регламентируется, если на конструкциях отсутствуют защитные покрытия.

Стандартные требования "Газпрома" к катодной защите

Действие в течение всего срока эксплуатации средств защиты.
Защита от атмосферных перенапряжений.
Размещение станции в блок-боксах или в отдельно стоящей в антивандальном исполнении.
Анодное заземление выбирается на участках с минимальным электрическим сопротивлением грунта.
Характеристики преобразователя выбираются с учетом старения защитного покрытия трубопровода.

Протекторная защита

Способ представляет собой вид катодной защиты с подключением электродов из более электроотрицательного металла через электропроводную среду. Отличие заключается в отсутствии источника энергии. Протектор берет коррозию на себя, растворяясь в электропроводной окружающей среде.

Через несколько лет анод следует заменить, поскольку он вырабатывается.

Эффект от анода увеличивается со снижением у него переходного сопротивления со средой. Со временем он может покрываться коррозионным слоем. Это приводит к нарушению электрического контакта. Если поместить анод в смесь солей, обеспечивающую растворение продуктов коррозии, эффективность повышается.

Влияние протектора ограничено. Радиус действия определяется электрическим сопротивлением среды и разностью потенциалов между

Протекторная защита применяется при отсутствии источников энергии или когда их использование экономически нецелесообразно. Она также невыгодна при применении в кислых средах из-за высокой скорости растворения анодов. Протекторы устанавливают в воде, в грунте или в нейтральной среде. Аноды из чистых металлов обычно не делают. Растворение цинка происходит неравномерно, магний корродирует слишком быстро, а на алюминии образуется прочная пленка окислов.

Материалы протекторов

Чтобы протекторы обладали необходимыми эксплуатационными свойствами, их изготавливают из сплавов со следующими легирующими добавками.

Zn + 0,025-0,15 % Cd+ 0,1-0,5 % Al - защита оборудования, находящегося в морской воде.
Al + 8 % Zn +5 % Mg + Cd, In, Gl, Hg, Tl, Mn, Si (доли процента) - эксплуатация сооружений в проточной морской воде.
Mg + 5-7 % Al +2-5 % Zn - защита небольших конструкций в грунте или в воде с низкой концентрацией солей.

Неправильное применение некоторых видов протекторов приводит к негативным последствиям. Аноды из магния могут быть причиной растрескивания оборудования из-за развития водородного охрупчивания.

Совместная протекторная катодная защита с антикоррозионными покрытиями повышает ее эффективность.

Распределение защитного тока улучшается, а анодов требуется значительно меньше. Один магниевый анод защищает покрытый битумом трубопровод на длину 8 км, а без покрытия - всего на 30 м.

Защита кузовов автомобилей от коррозии

При нарушении покрытия толщина кузова автомобиля может уменьшиться за 5 лет до 1 мм, т. е. проржаветь насквозь. Восстановление защитного слоя важно, но кроме него есть способ полного прекращения процесса коррозии с помощью катодно-протекторной защиты. Если превратить кузов в катод, коррозия металла прекращается. Анодами могут быть любые токопроводящие поверхности, расположенные рядом: металлические пластины, контур заземления, корпус гаража, влажное дорожное покрытие. При этом эффективность защиты возрастает с ростом площади анодов. Если анодом является дорожное покрытие, для контакта с ним применяется "хвост" из металлизованной резины. Его помещают напротив колес, чтобы лучше попадали брызги. "Хвост" изолируется от корпуса.

К аноду подключается плюс аккумуляторной батареи через резистор 1 кОм и последовательно соединенный с ним светодиод. При замыкании цепи через анод, когда минус соединен с кузовом, в нормальном режиме светодиод еле заметно светится. Если он ярко горит, значит, в цепи произошло короткое замыкание. Причину надо найти и устранить.

Для защиты последовательно в цепи нужно установить предохранитель.

При нахождении автомобиля в гараже его подключают к заземляющему аноду. Во время движения подключение происходит через "хвост".

Заключение

Катодная защита является способом повышения эксплуатационной надежности подземных трубопроводов и других сооружений. При этом следует учитывать ее негативное воздействие на соседние трубопроводы от влияния блуждающих токов.

Позволяют продлить срок службы металлической конструкции, а также сохранить ее технико-физические свойства в процессе эксплуатации. Несмотря на разнообразие методов обеспечения противокоррозийного действия, полностью уберечь объекты от поражения ржавчиной удается лишь в редких случаях.

Эффективность такой защиты зависит не только от качества протекторной технологии, но и от условий ее применения. В частности, для сбережения металлической структуры трубопроводов свои лучшие свойства демонстрирует электрохимическая защита от коррозии, основанная на работе катодов. Предотвращение образования ржавчины на подобных коммуникациях, разумеется, не единственная сфера применения данной технологии, но по совокупности характеристик это направление можно рассматривать как наиболее актуальное для электрохимической протекции.

Общие сведения об электрохимической защите

Защита металлов от ржавчины посредством электрохимического воздействия основывается на зависимости величины материала от скорости процесса коррозии. Металлические конструкции должны эксплуатироваться в том диапазоне потенциалов, где их анодное растворение будет ниже допустимого предела. Последний, к слову, определяется технической документацией по эксплуатации сооружения.

На практике электрохимическая защита от коррозии предполагает подключение к готовому изделию источника с постоянным током. Электрическое поле на поверхности и в структуре защищаемого объекта формирует поляризацию электродов, за счет которой управляется и процесс коррозийного поражения. В сущности, анодные зоны на металлической конструкции становятся катодными, что позволяет смещать негативные процессы, обеспечивая сохранность структуры целевого объекта.

Принцип работы катодной защиты

Существует катодная и анодная защита электрохимического типа. Наибольшую популярность все же получила первая концепция, которая и применяется для защиты трубопроводов. По общему принципу, при реализации данного метода к объекту подводится ток с отрицательным полюсом от внешнего источника. В частности, таким образом может защищаться труба стальная или медная, в результате чего будет происходить поляризация катодных участков с переходом их потенциалов в анодное состояние. В итоге коррозийная активность защищаемой конструкции будет сведена практически к нулю.

При этом и катодная защита может иметь разные варианты исполнения. Широко практикуется вышеописанная техника поляризации от внешнего источника, но эффективно действует и метод деаэрации электролита с уменьшением скорости катодных процессов, а также созданием протекторного барьера.

Уже не раз отмечалось, что принцип катодной защиты реализуется за счет внешнего источника тока. Собственно, в его работе и заключается главная функция Выполняют эти задачи специальные станции, которые, как правило, входят в общую инфраструктуру технического обслуживания трубопроводов.

Станции от коррозии

Главная функция катодной станции заключается в стабильном обеспечении током целевого металлического объекта в соответствии с методом катодной поляризации. Используют такое оборудование в инфраструктуре подземных газо- и нефтепроводов, в трубах водоснабжения, тепловых сетях и т.д.

Существует множество разновидностей таких источников, при этом наиболее распространенное устройство катодной защиты предусматривает наличие в составе:

оборудования преобразователя тока;
провода для подводки к защищаемому объекту;
анодного заземлителя.

При этом существует разделение станций на инверторные и трансформаторные. Имеют место и другие классификации, но они ориентированы на сегментацию установок или по сферам применения, или же по техническим характеристикам и параметрам входных данных. Базовые принципы работы наиболее ярко иллюстрируют обозначенные два типа катодных станций.

Трансформаторные установки катодной защиты

Сразу следует отметить, что данный вид станций является устаревающим. На его смену как раз и приходят инверторные аналоги, которые имеют как плюсы, так и минусы. Так или иначе, трансформаторные модели применяются даже на новых пунктах обеспечения электрохимической защиты.

В качестве основы таких объектов используется низкочастотный трансформатор на 50 Гц и Для системы управления тиристорами применяются простейшие устройства, среди которых фазоимпульсные регуляторы мощности. Более ответственный подход к решению задач управления предполагает использование контроллеров с широким функционалом.

Современная катодная защита от коррозии трубопроводов с таким оснащением позволяет регулировать параметры выходного тока, показатели напряжения, а также выравнивать защитные потенциалы. Что касается недостатков трансформаторного оборудования, то они сводятся к высокой степени пульсации тока на выходе при низком коэффициенте мощности. Объясняется этот изъян не синусоидой формой тока.

Решить проблему с пульсацией в определенной мере позволяет внедрение в систему низкочастотного дросселя, но его габариты соответствуют размерам самого трансформатора, что не всегда делает возможным такое дополнение.

Инверторная станция катодной защиты

Установки инверторного типа базируются на импульсных высокочастотных преобразователях. Одним из главных преимуществ от использования станций этого типа является высокий КПД, достигающий 95%. Для сравнения, у трансформаторных установок этот показатель в среднем достигает 80%.

Иногда на первый план выходят и другие достоинства. Например, небольшие габариты инверторных станций расширяют возможности для их применения на сложных участках. Есть и финансовые преимущества, которые подтверждает практика применения такого оборудования. Так, инверторная катодная защита от коррозии трубопроводов быстро окупается и требует минимальных вложений в техническое содержание. Впрочем, эти качества отчетливо заметны лишь при сравнении с трансформаторными установками, но уже сегодня появляются более эффективные новые средства обеспечения тока для трубопроводов.

Конструкции катодных станций

Такое оборудование представлено на рынке в разных корпусах, формах и габаритах. Конечно, распространена и практика индивидуального проектирования таких систем, что позволяет не только получить оптимальную для конкретных нужд конструкцию, но и обеспечить необходимые эксплуатационные параметры.

Строгий расчет характеристик станции позволяет в дальнейшем оптимизировать затраты на ее установку, транспортировку и хранение. К примеру, для небольших объектов вполне подойдет катодная защита от коррозии трубопроводов на инверторной основе массой в 10-15 кг и мощностью 1,2 кВт. Оборудование с такими характеристиками можно обслужить и легковым автомобилем, однако для масштабных проектов могут применяться и более массивные и тяжелые станции, требующие подключения грузовой техники, подъемного крана и бригад монтажников.

Защитный функционал

Особое внимание при разработке катодных станций уделяется защите самого оборудования. Для этого интегрируются системы, позволяющие предохранять станции от короткого замыкания и обрыва нагрузок. В первом случае используются специальные предохранители, позволяющие обрабатывать аварийные режимы работы установок.

Что касается скачков и обрывов напряжения, то станция катодной защиты вряд ли серьезно пострадает от них, но зато может возникнуть опасность поражения током. Например, если в обычном режиме оборудование эксплуатируется небольшим напряжением, то после обрыва скачок в показателях может довести до 120 В.

Другие виды электрохимической защиты

Помимо катодной защиты практикуются и технологии электрического дренажа, а также протекторные методы предотвращения коррозии. Наиболее перспективным направлением считается именно специальная протекция от образования коррозии. В данном случае также к целевому объекту подключаются активные элементы, обеспечивающие преобразование поверхности с катодами посредством тока. Например, труба стальная в составе газопровода может быть защищена цинковыми или алюминиевыми цилиндрами.

Заключение

Способы электрохимической защиты нельзя отнести к новым и, тем более, инновационным. Эффективность применения подобных методик в борьбе с процессами ржавления освоена давно. Однако, широкому распространению этого способа препятствует один серьезный недостаток. Дело в том, что катодная защита от коррозии трубопроводов неизбежно вырабатывает так называемые Они не опасны для целевой конструкции, но могут оказывать негативное воздействие на близкорасположенные объекты. В частности, блуждающий ток способствует развитию той же коррозии на металлической поверхности соседних труб.

Электрохимическая защита от коррозии состоит из катодной и дренажной защиты. Катодная защита трубопроводов осуществляется двумя основными методами: применением металлических анодов-протекторов (гальванический протекторный метод) и применением внешних источников постоянного тока, минус которых соединяется с трубой, а плюс - с анодным заземлением (электрический метод).

Рис. 1. Принцип работы катодной защиты

Гальваническая протекторная защита от коррозии

Наиболее очевидным способом осуществления электрохимической защиты металлического сооружения, имеющего непосредственный контакт с электролитической средой, является метод гальванической защиты, в основу которого положен тот факт, что различные металлы в электролите имеют различные электродные потенциалы. Таким образом, если образовать гальванопару из двух металлов и поместить их в электролит, то металл с более отрицательным потенциалом станет анодом-протектором и будет разрушаться, защищая металл с менее отрицательным потенциалом. Протекторы, по существу, служат портативными источниками электроэнергии.

В качестве основных материалов для изготовления протекторов используются магний, алюминий и цинк. Из сопоставления свойств магния, алюминия и цинка видно, что из рассматриваемых элементов магний обладает наибольшей электродвижущей силой. В то же время одной из наиболее важных практических характеристик протекторов является коэффициент полезного действия, показывающий долю массы протектора, использованной на получение полезной электрической энергии в цепи. К.П.Д. протекторов, изготовленных из магния и магниевых сплавов, редко превышают 50 % в, в отличие от протекторов на основе Zn и Al с К.П.Д. 90 % и более.

Рис. 2. Примеры магниевых протекторов

Обычно протекторные установки применяются для катодной защиты трубопроводов, не имеющих электрических контактов со смежными протяженными коммуникациями, отдельных участков трубопроводов, а также резервуаров, стальных защитных кожухов (патронов), подземных резервуаров и емкостей, стальных опор и свай, и других сосредоточенных объектов.

В то же время протекторные установки очень чувствительны к ошибкам в их размещении и комплектации. Неправильный выбор или размещение протекторных установок приводит к резкому снижению их эффективности.

Катодная защита от коррозии

Наиболее распространенный метод электрохимической защиты от коррозии подземных металлических сооружений - это катодная защита, осуществляемая путем катодной поляризации защищаемой металлической поверхности. На практике это реализуется путем подключения защищаемого трубопровода к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, называемого станцией катодной защиты. Положительный полюс источника соединяют кабелем с внешним дополнительным электродом, сделанным из металла, графита или проводящей резины. Этот внешний электрод размещается в той же коррозионной среде, что и защищаемый объект, в случае подземных промысловых трубопроводов, в почве. Таким образом, образуется замкнутая электрическая цепь: дополнительный внешний электрод - почвенный электролит - трубопровод - катодный кабель - источник постоянного тока - анодный кабель. В составе данной электрической цепи трубопровод является катодом, а дополнительный внешний электрод, присоединенный к положительному полюсу источника постоянного тока, становится анодом. Данный электрод называется анодным заземлением. Отрицательно заряженный полюс источника тока, присоединенный к трубопроводу, при наличии внешнего анодного заземления катодно поляризует трубопровод, при этом потенциал анодных и катодных участков практически выравнивается.

Таким образом, система катодной защиты состоит из защищаемого сооружения, источника постоянного тока (станции катодной защиты), анодного заземления, соединительных анодной и катодной линий, окружающей их электропроводной среды (почвы), а также элементов системы мониторинга - контрольно-измерительных пунктов.

Дренажная защита от коррозии

Дренажная защита трубопроводов от коррозии блуждающими токами осуществляется путем направленного отвода этих токов к источнику или в землю. Установка дренажной защиты может быть нескольких видов: земляной, прямой, поляризованный и усиленный дренажи.

Рис. 3. Станция дренажной защиты

Земляной дренаж осуществляется заземлением трубопроводов дополнительными электродами в местах их анодных зон, прямой дренаж - созданием электрической перемычки между трубопроводом и отрицательным полюсом источника блуждающих токов, например рельсовой сетью электрифицированной железной дороги. Поляризованный дренаж в отличие от прямого обладает только односторонней проводимостью, поэтому при появлении положительного потенциала на рельсах дренаж автоматически отключается. В усиленном дренаже дополнительно в цепь включается преобразователь тока, позволяющий увеличивать дренажный ток.

Станции катодной защиты (СКЗ) являются необходимым элементом системы электрохимической (или катодной) защиты (ЭХЗ) подземных трубопроводов от коррозии. При выборе СКЗ исходят чаще всего из наименьшей стоимости, удобства обслуживания и квалификации своего обслуживающего персонала. Качество приобретаемого оборудования оценить обычно трудно. Авторы предлагают рассмотреть указанные в паспортах технические параметры СКЗ, которые определяют, насколько качественно будет выполняться основная задача катодной защиты.

Авторы не преследовали цель выражаться строго научным языком в определении понятий. В процессе общения с персоналом служб ЭХЗ мы поняли, что необходимо этим людям помочь систематизировать термины и, что еще более важно, дать им представление, что же происходит и в электросети, и в самой СКЗ.

Задача ЭХЗ

Катодная защита осуществляется при протекании электрического тока от СКЗ по замкнутой электрической цепи, образованной тремя включенными последовательно сопротивлениями:

· сопротивление грунта между трубопроводом и анодом; I сопротивление растекания анода;

· сопротивление изоляции трубопровода.

Сопротивление грунта между трубой и анодом может меняться в широких пределах в зависимости от состава и внешних условий.

Анод является важной частью системы ЭХЗ, и служит тем расходным элементом, растворение которого обеспечивает саму возможность реализации ЭХЗ. Сопротивление его в процессе эксплуатации стабильно растет вследствие растворения, уменьшения эффективной площади рабочей поверхности и образования окислов.

Рассмотрим сам металлический трубопровод, который и является защищаемым элементом ЭХЗ. Металлическая труба снаружи покрыта изоляцией, в которой в процессе эксплуатации образуются трещины от воздействия механических вибраций, сезонных и суточных температурных перепадов и т.д. Через образовавшиеся трещины в гидро- и теплоизоляции трубопровода проникает влага и возникает контакт металла трубы с грунтом, так образуется гальваническая пара, способствующая выносу металла из трубы. Чем больше трещин и их размеры, тем больше металла выносится. Таким образом происходит гальваническая коррозия, в которой течет ток ионов металла, т.е. электрический ток.

Раз течет ток, то возникла замечательная идея взять внешний источник тока и включить его на встречу этому самому току, из-за которого происходит вынос металла и коррозия. Но возникает вопрос: какой величины этот самый рукотворный ток давать? Вроде бы такой, чтобы плюс на минус давал ноль тока выноса металла. А как измерить этот самый ток? Анализ показал, что напряжение между металлической трубой и грунтом, т.е. по обе стороны изоляции, должно находиться в пределах от -0,5 до -3,5 В (это напряжение называется защитным потенциалом).

Задача СКЗ

Задачей СКЗ является не только обеспечивать в цепи ЭХЗ ток, но и поддерживать его таким, чтобы защитный потенциал не выходил за принятые рамки.

Так, если изоляция новая, и она не успела получить повреждений, то ее сопротивление электрическому току высокое и нужен небольшой ток для поддержания нужного потенциала. При старении изоляции ее сопротивление падает. Следовательно, требуемый компенсирующий ток от СКЗ возрастает. Еще больше он возрастет, если в изоляции появились трещины. Станция должна уметь измерять защитный потенциал и менять свой выходной ток соответствующим образом. И ничего более, с точки зрения задачи ЭХЗ, не требуется.

Режимы работы СКЗ

Режимов работы ЭХЗ может быть четыре:

· без стабилизации выходных значений тока или напряжения;

· I стабилизации выходного напряжения;

· стабилизации выходного тока;

· I стабилизации защитного потенциала.

Скажем сразу, что в принятом диапазоне изменений всех влияющих факторов полностью обеспечивается выполнение задачи ЭХЗ только при использовании четвертого режима. Что и принято как стандарт для режима работы СКЗ.

Датчик потенциала выдает станции информацию об уровне потенциала. Станция изменяет свой ток в нужную сторону. Проблемы начинаются с момента, когда надо ставить это самый датчик потенциала. Ставить его нужно в определенном расчетном месте, нужно копать траншею для соединительного кабеля между станцией и датчиком. Тот, кто прокладывал какие-либо коммуникации в городе, знает, какая это морока. Плюс к этому датчик требует периодического обслуживания.

В условиях, когда возникают проблемы с режимом работы с обратной связью по потенциалу, поступают следующим образом. При использовании третьего режима принимают, что состояние изоляции в краткосрочном плане меняется мало и ее сопротивление остается практически стабильным. Следовательно, достаточно обеспечить протекание стабильного тока через стабильное сопротивление изоляции, и получаем стабильный защитный потенциал. В среднесрочном и долговременном плане необходимые корректировки может производить специально обученный обходчик. Первый и второй режимы не предъявляют к СКЗ высоких требований. Эти станции получаются простыми по исполнению и как следствие дешевыми, как в изготовлении, так и в эксплуатации. Видимо это обстоятельство и обуславливает применение таких СКЗ в ЭХЗ объектов, находящихся в условиях невысокой коррозионной активности среды. В случае если внешние условия (состояние изоляции, температура, влажность, блуждающие токи) изменяются до пределов, когда на защищаемом объекте образуется недопустимый режим - эти станции не могут выполнять свою задачу. Для корректировки их режима необходимо частое присутствие обслуживающего персонала, иначе задача ЭХЗ выполняется частично.

Характеристики СКЗ

В первую очередь, СКЗ необходимо выбирать исходя из требований, изложенных в нормативных документах. И, наверное, самым главным в этом случае будет ГОСТ Р 51164-98. В приложении «И» этого документа говорится, что КПД станции должен быть не ниже 70%. Уровень индустриальных помех, создаваемых СКЗ, должен быть не выше значений, указанных ГОСТ 16842, а уровень гармоник на выходе соответствовать ГОСТ 9.602.

В паспорте СКЗ обычно указываются: I номинальная выходная мощность;

КПД при номинальной выходной мощности.

Номинальная выходная мощность - мощность, которую может отдавать станция, при номинальной нагрузке. Обычно эта нагрузка составляет 1 Ом. КПД определяется как отношение номинальной выходной мощности к активной мощности, потребляемой станцией в номинальной режиме. И в этом режиме КПД самый высокий для любой станции. Однако большинство СКЗ работают далеко не в номинальном режиме. Коэффициент загрузки по мощности колеблется от 0,3 до 1,0. В этом случае реальный КПД для большинства выпускаемых сегодня станций будет заметно падать при снижении выходной мощности. Особенно это заметно для трансформаторных СКЗ с применением тиристоров в качестве регулирующего элемента. Для бестрансформаторных (высокочастотных) СКЗ падение КПД при уменьшении выходной мощности существенно меньше.

Общий вид изменения КПД для СКЗ разного исполнения можно видеть на рисунке.

Из рис. видно, что если вы используете станцию, к примеру, с номинальным КПД равным 70%, то будьте готовы к тому, что еще 30% полученной из сети электроэнергии вы истратили бесполезно. И это в самом лучшем случае номинальной выходной мощности.

При выходной мощности на уровне 0,7 от номинальной вы должны быть готовы уже к тому, что ваши потери электроэнергии сравняются с полезно затраченной энергией. Где же теряется столько энергии:

· омические (тепловые) потери в обмотках трансформаторов, дросселей и в активных элементах схемы;

· затраты энергии для работы схемы управления станцией;

· потери энергии в виде радиоизлучения; потери энергии пульсаций выходного тока станции на нагрузке.

Эта энергия излучается в грунт от анода и не производит полезной работы. Поэтому так необходимо использовать станции с низким коэффициентом пульсаций, иначе бесполезно тратится недешевая энергия. Мало, того, что при больших уровнях пульсаций и радиоизлучения растут потери электроэнергии, но кроме этого эта бесполезно рассеянная энергия создает помехи для нормальной работы большого количества электронной аппаратуры, расположенной в окрестностях. В паспорте СКЗ указывается также необходимая полная мощность, попробуем разобраться с этим параметром. СКЗ забирает из электросети энергию и делает это в каждую единицу времени с такой интенсивностью, какой мы позволили ей это делать ручкой регулировки на панели управления станции. Естественно, что из сети можно брать энергию с мощностью, не превышающей мощность этой самой сети. И если напряжение в сети меняется синусоидально, то и наша возможность брать энергию из сети меняется синусоидально 50 раз в секунду. К примеру, в момент времени, когда напряжение сети переходит через ноль, из нее нельзя взять никакой мощности. Однако же, когда синусоида напряжения достигает своего максимума, то в этот момент наша возможность забирать из сети энергию максимальна. В любой другой момент времени эта возможность меньше. Таким образом, получается, что в любой момент времени мощность сети отличается от ее мощности в соседний момент времени. Эти значения мощности называются мгновенной мощностью в данный момент времени и таким понятием трудно оперировать. Поэтому договорились о понятии так называемой действующей мощности, которая определяется из воображаемого процесса, в котором сеть с синусоидальным изменением напряжения заменяется на сеть с постоянным напряжением. Когда подсчитали величину этого постоянного напряжения для наших электросетей, то получилось 220 В - ее назвали действующим напряжением. А максимальное значение синусоиды напряжения назвали амплитудным напряжением, и равно оно 320 В. По аналогии с напряжением ввели понятие действующего значения тока. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока называют полной потребляемой мощностью, и ее значение указывают в паспорте СКЗ.

А используется полная мощность в самой СКЗ не полностью, т.к. в ней имеются различные реактивные элементы, которые не тратят энергию, а используют ее как бы для создания условий, чтобы остальная энергия прошла в нагрузку, а затем возвращают эту настроечную энергию обратно в сеть. Эту возвращаемую обратно энергию назвали реактивной энергией. Энергию, которая передается в нагрузку, - активной энергией. Параметр, который указывает отношение между активной энергией, которая должна быть передана в нагрузку, и полной энергией, подводимой к СКЗ, называется коэффициентом мощности и указывается в паспорте станции. И если мы согласуем свои возможности с возможностями питающей сети, т.е. синхронно с синусоидальным изменением напряжения сети отбираем из нее мощность, то такой случай называется идеальным и коэффициент мощности СКЗ, работающей с сетью таким способом, будет равен единице.

Активную энергию станция должна как можно эффективнее передать для создания защитного потенциала. Эффективность, с которой СКЗ это делает, и оценивается коэффициентом полезного действия. Сколько она тратит энергии, зависит от способа передачи энергии и от режима работы. Не вдаваясь в это обширное поле для обсуждения, скажем только, что трансформаторные и трансформаторнотиристорные СКЗ достигли своего предела совершенствования. У них нет ресурсов для улучшения качества своей работы. Будущее за высокочастотными СКЗ, которые с каждым годом становятся надежней и проще в обслуживании. По экономичности и качеству своей работы они уже превосходят своих предшественников и имеют большой резерв для совершенствования.

Потребительские свойства

К потребительским свойствам такого устройства как СКЗ можно отнести следующее:

1. Размеры, вес и прочность. Наверно, не нужно говорить, что чем меньше и легче станция, тем меньше затрат на ее транспортировку и установку как при монтаже, так и при ремонте.

2. Ремонтопригодность. Очень важна возможность быстрой замены станции или узла на месте. С последующим ремонтом в лаборатории, т.е. модульный принцип построения СКЗ.

3. Удобство в обслуживании. Удобство в обслуживании, кроме удобства транспортировки и ремонта, определяется, по нашему мнению, следующим:

наличие всех необходимых индикаторов и измерительных приборов, наличие возможности дистанционного управления и слежения за режимом работы СКЗ.

Исходя из вышесказанного можно сделать несколько выводов-рекомендаций:

1. Трансформаторные и тиристорно-трансформаторные станции безнадежно устарели по всем параметрам и не отвечают современным требованиям, особенно в области энергосбережения.

2. Современная станция должна иметь:

· высокий КПД во всем диапазоне нагрузок;

· коэффициент мощности (cos I) не ниже 0,75 во всем диапазоне нагрузок;

· коэффициент пульсаций выходного напряжения не более 2%;

· диапазон регулирования по току и напряжению от 0 до 100%;

· легкий, прочный и малогабаритный корпус;

· модульный принцип построения, т.е. иметь высокую ремонтопригодность;

· I энергоэкономичность.

Остальные требования к станциям катодной защиты газопровода , такие как защита от перегрузок и коротких замыканий; автоматическое поддержание заданного тока нагрузки - и прочие требования, являются общепринятыми и обязательными для всех СКЗ.

В заключении предлагаем потребителям таблицу сравнения параметров основных выпускаемых и применяемых сейчас станций катодной защиты. Для удобства в таблице представлены станции одинаковой мощности, хотя многие производители могут предложить целую гамму выпускаемых станций.