Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии. Большая энциклопедия нефти и газа

Коррозия подземных трубопроводов и защита от нее

Коррозия подземных трубопроводов является одной из основных причин их разгерметизации вследствие образования каверн, трещин и разрывов. Коррозия металлов, т.е. их окисление — это переход атомов металла из свободного состояния в химически связанное, ионное. При этом атомы металла теряют свои электроны, а окислители их принимают. На подземном трубопроводе за счет неоднородности металла трубы и из-за неоднородности грунта (как по физическим свойствам, таки по химическому составу) возникают участки с различным электродным потенциалом, что обуславливает образование гальванических коррозионных. Важнейшими видами коррозии являются: поверхностная (сплошная по всей поверхности), местная в виде раковин, язвенная, щелевая и усталостное коррозионное растрескивание. Два последних вида коррозии представляют наибольшую опасность для подземных трубопроводов. Поверхностная коррозия лишь в редких случаях приводит к повреждениям, тогда как по причине язвенной коррозии происходит наибольшее число повреждений. Коррозионная ситуация, в которой находится металлический трубопровод в грунте, зависит от большого количества факторов, связанных с грунтовыми и климатическими условиями, особенностями трассы, условиями эксплуатации. К таким факторам относятся:

влажность грунта,
химический состав грунта,
кислотность грунтового электролита,
структура грунта,
температура транспортируемого газа

Наиболее сильным отрицательным проявлением блуждающих токов в земле, вызываемое электрифицированным рельсовым транспортом постоянного тока, является электрокоррозионное разрушение трубопроводов. Интенсивность блуждающих токов и их влияние на подземные трубопроводы зависит от таких факторов, как:

переходное сопротивление рельс-земля;
продольное сопротивление ходовых рельсов;
расстояние между тяговыми подстанциями;
потребление тока электропоездами;
число и сечение отсасывающих линий;
удельное электрическое сопротивление грунта;
расстояние и расположение трубопровода относительно пути;
переходное и продольное сопротивление трубопровода.

Следует отметить, что блуждающие токи в катодных зонах оказывают защитное воздействие на сооружение, поэтому в таких местах катодная защита трубопровода может быть осуществлена без больших капитальных затрат.

Методы защиты подземных металлических трубопроводов от коррозии подразделяются на пассивные и активные.

Пассивный метод защиты от коррозии предполагает создание непроницаемого барьера между металлом трубопровода и окружающим его грунтом. Это достигается нанесением на трубу специальных защитных покрытий (битум, каменноугольный пек, полимерные ленты, эпоксидные смолы и пр).

На практике не удается добиться полной cплошности изоляционного покрытия. Различные виды покрытия имеют различную диффузионную проницаемость и поэтому обеспечивают различную изоляцию трубы от окружающей среды. В процессе строительства и эксплуатации в изоляционном покрытии возникают трещины, задиры, вмятины и другие дефекты. Наиболее опасными являются сквозные повреждения защитного покрытия, где, практически, и протекает грунтовая коррозия.

Так как пассивным методом не удается осуществить полную защиту трубопровода от коррозии, одновременно применяется активная защита, связанная с управлением электрохимическими процессами, протекающими на границе металла трубы и грунтового электролита. Такая защита носит название комплексной защиты.

Активный метод защиты от коррозии осуществляется путем катодной поляризации и основан на снижении скорости растворения металла по мере смещения его потенциала коррозии в область более отрицательных значений, чем естественный потенциал. Опытным путем установили, что величина потенциала катодной защиты стали составляет минус 0,85 Вольт относительно медносульфатного электрода сравнения. Так как естественный потенциал стали в грунте примерно равен -0,55…-0,6 Вольта, то для осуществления катодной защиты необходимо сместить потенциал коррозии на 0,25…0,30 Вольта в отрицательную сторону.

Прилагая между поверхностью металла трубы и грунтом электрический ток, необходимо достигнуть снижения потенциала в дефектных местах изоляции трубы до значения ниже критерия защитного потенциала, равного - 0,9 В. В результате этого скорость коррозии значительно снижается.

2. Установки катодной защиты
Катодную защиту трубопроводов можно осуществить двумя методами:

применением магниевых жертвенных анодов-протекторов (гальванический метод);
применением внешних источников постоянного тока, минус которых соединяется с трубой, а плюс — с анодным заземлением (электрический метод).

В основу гальванического метода положен тот факт, что различные металлы в электролите имеют различные электродные потенциалы. Если образовать гальванопару из двух металлов и поместить их в электролит, то металл с более отрицательным потенциалом станет анодом и будет разрушаться, защищая, тем самым, металл с менее отрицательным потенциалом. На практике в качестве жертвенных гальванических анодов используются протекторы из магниевых, алюминиевых и цинковых сплавов.

Применение катодной защиты с помощью протекторов эффективно только в низкоомных грунтах (до 50 Ом-м). В высокоомных грунтах такой метод необходимой защищенности не обеспечивает. Катодная защита внешними источниками тока более сложная и трудоемкая, но она мало зависит от удельного сопротивления грунта и имеет неограниченный энергетический ресурс.

В качестве источников постоянного тока, как правило, используются преобразователи различной конструкции, питающиеся от сети переменного тока. Преобразователи позволяют регулировать защитный ток в широких пределах, обеспечивая защиту трубопровода в любых условиях.

В качестве источников питания установок катодной защиты используются воздушные линии 0,4; 6; 10 кВ. Защитный ток, накладываемый на трубопровод от преобразователя и создающий разность потенциалов «труба-земля», распределяется неравномерно по длине трубопровода. Поэтому максимальное по абсолютной величине значение этой разности находится в точке подключения источника тока (точке дренажа). По мере удаления от этой точки разность потенциалов «труба-земля» уменьшается. Чрезмерное завышение разности потенциалов отрицательно влияет на адгезию покрытия и может вызвать наводораживание металла трубы, что может стать причиной водородного растрескивания. Катодная защита является одним из методов борьбы с коррозией металлов в агрессивных химических средах. Она основана на переводе металла из активного состояния в пассивное и поддержании этого состояния при помощи внешнего катодного тока. Для защиты подземных трубопроводов от коррозии по трассе их залегания сооружаются станции катодной защиты (СКЗ). В состав СКЗ входят источник постоянного тока (защитная установка), анодное заземление, контрольно-измерительный пункт, соединительные провода и кабели. В зависимости от условий защитные установки могут питаться от сети переменного тока 0,4; 6 или 10кВ или от автономных источников. При защите многониточных трубопроводов, проложенных в одном коридоре, может быть смонтировано несколько установок и сооружено несколько анодных заземлений. Однако, учитывая то, что при перерывах в работе системы защиты, из-за разности естественных потенциалов соединенных глухой перемычкой труб, образуются мощные гальванопары, приводящие к интенсивной коррозии, соединение труб с установкой должно осуществляться через специальные блоки совместной защиты. Эти блоки не только разъединяют трубы между собой, но и позволяют устанавливать оптимальный потенциал на каждой трубе. В качестве источников постоянного тока для катодной защиты на СКЗ в основном используются преобразователи, которые питаются от сети 220 В промышленной частоты. Регулировка выходного напряжения преобразователя осуществляется вручную, путем переключения отводов обмотки трансформатора, или автоматически, с помощью управляемых вентилей (тиристоров). Если установки катодной защиты работают в условиях, изменяющихся во времени, которые могут обусловливаться воздействием блуждающих токов, изменением удельного сопротивления грунта или другими факторами, то целесообразно предусматривать преобразователи с автоматическим регулированием выходного напряжения. Автоматическое регулирование может осуществляться по потенциалу защищаемого сооружения (преобразователи потенциостаты) или по току защиты (преобразователи гальваностаты).

3. Установки дренажной защиты

Электрический дренаж является наиболее простым, не требующим источника тока видом активной защиты, так как трубопровод электрически соединяется с тяговыми рельсами источника блуждающих токов. Источником защитного тока является разность потенциалов трубопровод-рельс, возникающая в результате работы электрифицированного железнодорожного транспорта и наличия поля блуждающих токов. Протекание дренажного тока создает требуемое смещение потенциала на подземном трубопроводе. Как правило, в качестве защитного устройства используется плавкие предохранители, однако находят применение и автоматические выключатели максимальной нагрузки с возвратом, то есть восстанавливающие цепь дренажа после спадания опасного для элементов установки тока. В качестве поляризованного элемента используются вентильные блоки, собранные из нескольких, соединенных параллельно лавинных кремниевых диодов. Регулирование тока в цепи дренажа осуществляется изменением сопротивления в этой цепи путем переключения активных резисторов. Если применение поляризованных электродренажей неэффективно, то используется усиленные (форсированные) электродренажи, представляющие собой установку катодной защиты, в качестве анодного заземлителя которой используются рельсы электрифицированной железной дороги. Ток форсированного дренажа, работающего в режиме катодной защиты, не должен превышать 100А, и применение его не должно приводить к появлению положительных потенциалов рельсов относительно земли, чтобы исключить коррозию рельсов и рельсовых скреплений, а также присоединенных к ним конструкций.

Электродренажную защиту допускается подключать к рельсовой сети непосредственно лишь к средним точкам путевых дроссель-трансформаторов через два на третий дроссельный пункт. Более частое подключение допускается, если в цепи дренажа включено специальное защитное устройство. В качестве такого устройства может быть использован дроссель, полное входное сопротивление которого сигнальному току системы СЦБ магистральных железных дорог частотой 50 Гц составляет не менее 5 Ом.

4. Установки гальванической защиты

Установки гальванической защиты (протекторные установки) применяются для катодной защиты подземных металлических сооружений в тех случаях, когда применение установок, питающихся от внешних источников тока, экономически не целесообразно: отсутствие линий электропитания, небольшая протяженность объекта и т.п.

Обычно протекторные установки применяются для катодной защиты следующих подземных сооружений:

резервуаров и трубопроводов, не имеющих электрических контактов со смежными протяженными коммуникациями;
отдельных участков трубопроводов, которые не обеспечиваются достаточным уровнем защиты от преобразователей;
участков трубопроводов, электрически отсеченных от магистрали изолирующими соединениями;
стальных защитных кожухов (патронов), подземных резервуаров и емкостей, стальных опор и свай и других сосредоточенных объектов;
линейной части строящихся магистральных трубопроводов до введения в строй установок постоянной катодной защиты.

Достаточно эффективную защиту протекторными установками можно осуществить в грунтах с удельным электросопротивлением не более 50 Ом.

5. Установки с протяженными или распределенными анодами.

Как уже отмечалось, при применении традиционной схемы катодной защиты распределение защитного потенциала вдоль трубопровода неравномерно. Неравномерность распределения защитного потенциала приводит как к избыточной защите вблизи точки дренажа, т.е. к не-производительному расходу электроэнергии, так и к уменьшению защитной зоны установки. Этого недостатка можно избежать используя схему с протяженными или распределенными анодами. Технологическая схема ЭХЗ с распределенными анодами позволяет увеличить длину защитной зоны по сравнению со схемой катодной защиты с сосредоточенными анодами, а также обеспечивает более равномерное распределение защитного потенциала. При применении технологической схемы ЗХЗ с распределенными анодами могут использоваться различные схемы размещения анодных заземлений. Наиболее простой является схема с анодными заземлениями, равномерно установленными вдоль газопровода. Регулировка защитного потенциала осуществляется путем изменения тока анодного заземления при помощи регулировочного сопротивления или любого другого устройства, обеспечивающего изменение тока в необходимых пределах. В случае выполнения заземлений из нескольких заземлителей регулировка защитного тока может осуществляться за счет изменения числа включенных заземлителей. В общем случае заземлители, ближайшие к преобразователю, должны иметь более высокое переходное сопротивление. Протекторная защита Электрохимическая защита при помощи протекторов основана на том, что за счет разности потенциалов протектора и защищаемого металла в среде, представляющей собой электролит, происходит восстановление металла и растворение тела протектора. Поскольку основная масса металлических конструкций в мире делается из железа, в качестве протектора могут использоваться металлы с более отрицательным, чем у железа, электродным потенциалом. Их три — цинк, алюминий и магний. Основное отличие магниевых протекторов — наибольшая разность потенциалов магния и стали, благотворно влияющая на радиус защитного действия, который составляет от 10 до 200 м, что позволяет использовать меньшее количество магниевых протекторов, чем цинковых и алюминиевых. Кроме того, у магния и магниевых сплавов, в отличие от цинка и алюминия, отсутствует поляризация, сопровождаемая уменьшением токоотдачи. Эта особенность определяет основное применение магниевых протекторов для защиты подземных трубопроводов в грунтах с высоким удельным сопротивлением

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.

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.

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.

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.