При катодной защите трубопровода положительный полюс источника постоянного тока (анод) подключается к специальному анодному заземлителю, а отрицательный (катод) – к защищаемому сооружению (рис. 2.24).
Рис. 2.24. Схема катодной защиты трубопровода
1- линия электропередачи;
2 - трансформаторный пункт;
3 - станция катодной защиты;
4 - трубопровод;
5 - анодное заземление;
6 - кабель
Принцип действия катодной защиты аналогичен электролизу. Под воздействием электрического поля начинается движение электронов от анодного заземлителя к защищаемому сооружению. Теряя электроны, атомы металла анодного заземлителя переходят в виде ионов в раствор почвенного электролита, то есть анодный заземлитель разрушается. На катоде (трубопроводе) наблюдается избыток свободных электронов (восстановление металла защищаемого сооружения).
49. Протекторная защита
При прокладке трубопроводов в труднодоступных районах, удаленных от источников электроэнергии, применяется протекторная защита (рис. 2.25).
1 - трубопровод;
2 - протектор;
3 - проводник;
4 - контрольно-измерительная колонка
Рис. 2.25. Схема протекторной защиты
Принцип действия протекторной защиты аналогичен гальванической паре. Два электрода – трубопровод и протектор (изготовленный из более электроотрицательного металла, чем сталь) соединяются проводником. При этом возникает разность потенциалов, под действием которой происходит направленное движение электронов от протектора-анода к трубопроводу-катоду. Таким образом, разрушается протектор, а не трубопровод.
Материал протектора должен отвечать следующим требованиям:
Обеспечивать наибольшую разность потенциалов металла протектора и стали;
Ток при растворении единицы массы протектора должен быть максимальным;
Отношение массы протектора, израсходованной на создание защитного потенциала, к общей массе протектора должно быть наибольшим.
Предъявляемым требованиям в наибольшей степени отвечают магний, цинк и алюминий . Эти металлы обеспечивают практически равную эффективность защиты. Поэтому на практике применяют их сплавы с применением улучшающих добавок (марганца , повышающего токоотдачу и индия – увеличивающего активность протектора).
50. Электродренажная защита
Электродренажная защита предназначена для защиты трубопровода от блуждающих токов. Источником блуждающих токов является электротранспорт, работающий по схеме «провод–земля». Ток от положительной шины тяговой подстанции (контактный провод) движется к двигателю, а затем через колеса к рельсам. Рельсы соединяются с отрицательной шиной тяговой подстанции. Из-за низкого переходного сопротивления «рельсы–грунт» и нарушения перемычек между рельсами часть тока стекает в землю.
Если поблизости находится трубопровод с нарушенной изоляцией, ток проходит по трубопроводу до тех пор, пока не будет благоприятных условий для возвращения к минусовой шине тяговой подстанции. В месте выхода тока трубопровод разрушается. Разрушение происходит за короткое время, поскольку блуждающий ток стекает с небольшой поверхности.
Электродренажной защитой называется отведение блуждающих токов от трубопровода на источник блуждающих токов или специальное заземление (рис. 2.26).
Рис. 2.26. Схема электродренажной защиты
1 - трубопровод; 2 - дренажный кабель; 3 - амперметр; 4 - реостат; 5 - рубильник; 6 - вентильный элемент; 7 - плавкий предохранитель; 8 – сигнальное реле; 9 – рельс
Существуют различные методы обработки металлических труб, но наиболее эффективной из них является катодная защита трубопроводов от коррозии. Она необходима для предотвращения их преждевременной разгерметизации, которая повлечет за собой образование трещин, каверн и разрывов.
Коррозия металлов представляет собой естественный процесс, при котором происходит изменение атомов металла. Вследствие этого их электроны переходят к окислителям, что влечет разрушение структуры материала.
Для подземных трубопроводов дополнительным фактором коррозийного влияния является состав грунта. В нем присутствуют участки различного электродного потенциала, что является причиной образования коррозийных гальванических элементов.
Существует несколько разновидностей коррозии, среди которых:
- Сплошная. Отличается большой сплошной площадью распространения. В редких случаях становится причиной повреждения трубопровода, так как зачастую не проникает глубоко в структуру металла;
- Местная коррозия – становится наиболее частой причиной разрывов, так как не охватывает большую площадь, но проникает глубоко. Подразделяется на язвенную, нитевидную, сквозную, подповерхностную, пятнистую, ножевую, межкристаллитную, коррозийную хрупкость и растрескивание.
Методы защиты подземного трубопровода
Защита от коррозии металла может быть как активной, так и пассивной. Пассивные методы предполагают создание для трубопровода таких условий, в которых на него не будет влиять окружающий его грунт. Для этого на него наносятся особые защитные составы, которые становятся барьером. Чаще всего используются в виде покрытия битум, эпоксидные смолы, полимерные ленты либо каменноугольный пек.
Для активного метода чаще всего используется катодная защита трубопроводов от коррозии. Она основывается на создании поляризации, что позволяет снизить скорость растворения металла. Этот эффект реализуется за счет смещения потенциала коррозии в более отрицательную область. Для этого между поверхностью металла и грунтом проводиться электрический ток, что существенно снижает скорость коррозии.
Способы реализации катодной защиты:
- С использованием внешних источников тока, которые соединяются с защищаемой трубой и с анодным заземлением;
- С использованием гальванического метода (магниево-жертвенных анодов-протекторов).
Катодная защита трубопроводов от коррозии с использованием внешних источников является более сложной. Так как требует использования особых конструкций, которые обеспечивают подачу постоянного тока. Гальванический способ, в свою очередь, реализуется за счет протекторов, которые позволяют обеспечивать эффективную защиту только в грунтах с низким электрическим сопротивлением.
Может использоваться для защиты трубопровода и анодный метод. Он используется в условиях контакта с агрессивной химической средой. Анодный метод основывается на переводе активного состояния металла в пассивное и его поддержания за счет влияния внешнего анода.
Несмотря на определенные сложности в реализации, данный метод активно используется там, где катодная защита трубопроводов от коррозии не может быть реализована.
Примеры катодной защиты трубопроводов от коррозии на выставке
Опыт использования и новые разработки в данной сфере освещаются на ежегодной отраслевой выставке «Нефтегаз», которая проходит в ЦВК «Экспоцентр».
Выставка является крупным событием индустрии и отличной площадкой для ознакомления специалистов с новыми разработками, а также запуска новых проектов. Выставка «Нефтегаз» будет проходить в ЦВК «Экспоцентр» в Москве на Красной Пресне.
Читайте другие наши статьи.
При укладке в траншею изолированного трубопровода и его последующей засыпке изоляционное покрытие может быть повреждено, а в процессе эксплуатации трубопровода оно постепенно стареет (теряет свои диэлектрические свойства, водоустойчивость, адгезию). Поэтому при всех способах прокладки, кроме надземной, трубопроводы подлежат комплексной защите от коррозии защитными покрытиями и средствами электрохимической защиты (ЭХЗ) независимо от коррозионной активности грунта.
К средствам ЭХЗ относятся катодная, протекторная и электродренажная защиты.
Защита от почвенной коррозии осуществляется катодной поляризацией трубопроводов. Если катодная поляризация производится с помощью внешнего источника постоянного тока, то такая защита называется катодной, если же поляризация осуществляется присоединением защищаемого трубопровода к металлу, имеющему более отрицательный потенциал, то такая защита называется протекторной.
Катодная защита
Принципиальная схема катодной защиты показана на рисунке.
Источником постоянного тока является станция катодной защиты 3, где с помощью выпрямителей переменный ток от вдольтрассовой ЛЭП 1, поступающий через трансформаторный пункт 2, преобразуется в постоянный.
Отрицательным полюсом источник с помощью соединительного провода 4 подключен к защищаемому трубопроводу 6, а положительным — к анодному заземлению 5. При включении источника тока электрическая цепь замыкается через почвенный электролит.
Принципиальная схема катодной защиты
1 — ЛЭП; 2 — трансформаторный пункт; 3 — станция катодной защиты; 4 — соединительный провод; 5 — анодное заземление; 6 — трубопровод
Принцип действия катодной защиты следующий. Под воздействием приложенного электрического поля источника начинается движение полусвободных валентных электронов в направлении «анодное заземление — источник тока— защищаемое сооружение». Теряя электроны, атомы металла анодного заземления переходят в виде ион-атомов в раствор электролита, т.е. анодное заземление разрушается. Ион-атомы подвергаются гидратации и отводятся в глубь раствора. У защищаемого же сооружения вследствие работы источника постоянного тока наблюдается избыток свободных электронов, т.е. создаются условия для протекания реакций кислородной и водородной деполяризации, характерных для катода.
Подземные коммуникации нефтебаз защищают катодными установками с различными типами анодных заземлений. Необходимая сила защитного тока катодной установки определяется по формуле
J др =j 3 ·F 3 ·K 0
где j 3 — необходимая величина защитной плотности тока; F 3 — суммарная поверхность контакта подземных сооружений с грунтом; К 0 — коэффициент оголенности коммуникаций, величина которого определяется в зависимости от переходного сопротивления изоляционного покрытия R nep и удельного электросопротивления грунта р г по графику, приведенному на рисунке ниже.
Необходимая величина защитной плотности тока выбирается в зависимости от характеристики грунтов площадки нефтебазы в соответствии с таблицей ниже.
Протекторная защита
Принцип действия протекторной защиты аналогичен работе гальванического элемента.
Два электрода: трубопровод 1 и протектор 2, изготовленный из более электроотрицательного металла, чем сталь, опущены в почвенный электролит и соединены проводом 3. Так как материал протектора является более электроотрицательным, то под действием разности потенциалов происходит направленное движение электронов от протектора к трубопроводу по проводнику 3. Одновременно ион-атомы материала протектора переходят в раствор, что приводит к его разрушению. Сила тока при этом контролируется с помощью контрольно-измерительной колонки 4.
Зависимость коэффициентов оголенности подземных трубопроводов от переходного сопротивления изоляционного покрытия для грунтов удельным сопротивлением, Ом-м
1 — 100; 2 — 50; 3 — 30; 4 — 10; 5 — 5
Зависимость защитной плотности тока от характеристики грунтов
Принципиальная схема протекторной защиты
1 — трубопровод; 2 — протектор; 3 — соединительный провод; 4 — контрольно-измерительная колонка
Таким образом, разрушение металла все равно имеет место. Но не трубопровода, а протектора.
Теоретически для защиты стальных сооружений от коррозии могут быть использованы все металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений левее железа, так как они более электроотрицательны. Практически же протекторы изготавливаются только из материалов, удовлетворяющих следующим требованиям:
- разность потенциалов материала протектора и железа (стали) должна быть как можно больше;
- ток, получаемый при электрохимическом растворении единицы массы протектора (токоотдача), должен быть максимальным;
- отношение массы протектора, израсходованной на создание защитного тока, к общей потере массы протектора (коэффициент использования) должно быть наибольшим.
Данным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют сплавы на основе магния, цинка и алюминия.
Протекторную защиту осуществляют сосредоточенными и протяженными протекторами. В первом случае удельное электросопротивление грунта должно быть не более 50 Ом-м, во втором — не более 500 Ом·м.
Электродренажная защита трубопроводов
Метод защиты трубопроводов от разрушения блуждающими токами, предусматривающий их отвод (дренаж) с защищаемого сооружения на сооружение — источник блуждающих токов либо специальное заземление, называется электродренажной защитой.
Применяют прямой, поляризованный и усиленный дренажи.
Принципиальные схемы электродренажной защиты
а — прямой дренаж; б —поляризованный дренаж; в — усиленный дренаж
Прямой электрический дренаж — это дренажное устройство двусторонней проводимости. Схема прямого электрического дренажа включает: реостат К, рубильник К, плавкий предохранитель Пр и сигнальное реле С. Сила тока в цепи «трубопровод — рельс* регулируется реостатом. Если величина тока превысит допустимую величину, то плавкий предохранитель сгорит, ток потечет по обмотке реле, при включении которого включается звуковой или световой сигнал.
Прямой электрический дренаж применяется в тех случаях, когда потенциал трубопровода постоянно выше потенциала рельсовой сети, куда отводятся блуждающие токи. В противном случае дренаж превратится в канал для натекания блуждающих токов на трубопровод.
Поляризованный электрический дренаж — это дренажное устройство, обладающее односторонней проводимостью. От прямого дренажа поляризованный отличается наличием элемента односторонней проводимости (вентильный элемент) ВЭ. При поляризованном дренаже ток протекает только от трубопровода к рельсу, что исключает натекание блуждающих токов на трубопровод по дренажному проводу.
Усиленный дренаж применяется в тех случаях, когда нужно не только отводить блуждающие токи с трубопровода, но и обеспечить на нем необходимую величину защитного потенциала. Усиленный дренаж представляет собой обычную катодную станцию, подключенную отрицательным полюсом к защищаемому сооружению, а положительным — не к анодному заземлению, а к рельсам электрифицированного транспорта.
За счет такой схемы подключения обеспечивается: вопервых, поляризованный дренаж (за счет работы вентильных элементов в схеме СКЗ), а во-вторых, катодная станция удерживает необходимый защитный потенциал трубопровода.
После ввода трубопровода в эксплуатацию производится регулировка параметров работы системы их защиты от коррозии. При необходимости с учетом фактического положения дел могут вводиться в эксплуатацию дополнительные станции катодной и дренажной защиты, а также протекторные установки.
Больше 15 лет я разрабатываю станции катодной защиты. Требования к станциям четко формализованы. Есть определенные параметры, которые должны быть обеспечены. А знание теории защиты от коррозии совсем не обязательно. Гораздо важнее знание электроники, программирования, принципов конструирования электронной аппаратуры.
Создав этот сайт, я не сомневался, что когда-нибудь там появится раздел катодная защита. В нем я собираюсь писать о том, что я хорошо знаю, о станциях катодной защиты. Но как-то не поднимается рука писать о станциях, не рассказав, хотя бы коротко, о теории электрохимической защиты. Постараюсь рассказать о таком сложном понятии как можно проще, для не профессионалов.
По сути это источник вторичного электропитания, специализированный блок питания. Т.е. станция подключается к питающей сети (как правило ~ 220 В) и вырабатывает электрический ток с заданными параметрами.
Вот пример схемы системы электрохимической защиты подземного газопровода с помощью станции катодной защиты ИСТ-1000.
Станция катодной защиты установлена на поверхности земли, вблизи от газопровода. Т.к. станция эксплуатируется на открытом воздухе, то она должна иметь исполнение IP34 и выше. В этом примере используется современная станция, с контроллером GSM телеметрии и функцией стабилизации потенциала.
В принципе, бывают очень разными. Они могут быть трансформаторными или инверторными. Могут быть источниками тока, напряжения, иметь различные режимы стабилизации, различные функциональные возможности.
Станции прошлых лет это громадные трансформаторы с тиристорными регуляторами. Современные станции это инверторные преобразователи с микропроцессорным управлением и GSM телемеханикой.
Выходная мощность устройств катодной защиты, как правило, находится в диапазоне 1 – 3 кВт, но может доходить и до 10 кВт. Станциям катодной защиты и их параметрам посвящена отдельная статья.
Нагрузкой для устройства катодной защиты является электрическая цепь: анодное заземление – почва – изоляция металлического объекта. Поэтому требования к выходным энергетическим параметрам станций, прежде всего, определяют:
- состояние анодного заземления (сопротивление анод-почва);
- почва (сопротивление грунта);
- состояние изоляции объекта защиты от коррозии (сопротивление изоляции объекта).
Все параметры станции определяются при создании проекта катодной защиты:
- рассчитываются параметры трубопровода;
- определяется величина защитного потенциала;
- рассчитывается сила защитного тока;
- определяется длина защитной зоны; 0 Рубрика: . Вы можете добавить в закладки.
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ»
Катодная защита подземных металлических сооружений
Принцип действия катодной защиты
При контакте металла с грунтами, относящимися к электролитическим средам, происходит коррозионный процесс, сопровождаемый образованием электрического тока, и устанавливается определенный электродный потенциал. Величину электродного потенциала трубопровода можно определить по разности потенциалов между двумя электродами: трубопроводом и неполяризующимся медно-сульфатным элементом. Таким образом, значение потенциала трубопровода представляет собой разность его электродного потенциала и потенциала электрода сравнения по отношению к грунту. На поверхности трубопровода протекают электродные процессы определенного направления и стационарные по характеру изменения во времени.
Стационарный потенциал принято называть естественным потенциалом, подразумевая при этом отсутствие на трубопроводе блуждающих и других наведенных токов.
Взаимодействие корродирующего металла с электролитом разделяется на два процесса: анодный и катодный, которые проходят одновременно на различных участках поверхности раздела металла и электролита.
При защите от коррозии используют территориальное разделение анодного и катодного процессов. К трубопроводу подключают источник тока с дополнительным электродом-заземлителем, с помощью которого накладывают на трубопровод внешний постоянный ток. В этом случае анодный процесс происходит на дополнительном электроде-заземлителе.
Катодная поляризация подземных трубопроводов осуществляется с помощью наложения электрического поля от внешнего источника постоянного тока. Отрицательный полюс источника постоянного тока подключается к защищаемой конструкции, при этом трубопровод является катодом по отношению к грунту, искусственно созданный анод-заземлитель - к положительному полюсу.
Принципиальная схема катодной защиты показана на рис. 14.1. При катодной защите отрицательный полюс источника тока 2 подключен к трубопроводу 1, а положительный - к искусственно созданному аноду-заземлителю 3. При включении источника тока от его полюса через анодное заземление поступает в грунт и через поврежденные участки изоляции 6 на трубу. Далее через точку дренажа 4 по соединительному проводу 5 ток возвращается снова к минусу источника питания. При этом на оголенных участках трубопровода начинается процесс катодной поляризации.
Рис. 14.1. Принципиальная схема катодной защиты трубопровода:
1 - трубопровод; 2 - внешний источник постоянного тока; 3 - анодное заземление;
4 - точка дренажа; 5 - дренажный кабель; 6 - контакт катодного вывода;
7 - катодный вывод; 8 - повреждения изоляции трубопровода
Поскольку напряжение внешнего тока, приложенного между электродом-заземлителем и трубопроводом, значительно превышает разность потенциалов между электродами коррозионных макропар трубопровода, стационарный потенциал анодного заземления не играет определяющей роли.
С включением электрохимической защиты (j 0a.доп ) нарушается распределение токов коррозионных макропар, сближаются значения разности потенциалов «труба – земля» катодных участков (j 0к ) с разностью потенциалов анодных участков (j 0а ), обеспечиваются условия для поляризации.
Катодная защита регулируется путем поддержания необходимого защитного потенциала. Если наложением внешнего тока трубопровод заполяризован до равновесного потенциала (j 0к = j 0а ) растворения металла (рис. 14.2 а), то анодный ток прекращается и коррозия приостанавливается. Дальнейшее повышение защитного тока нецелесообразно. При более положительных значениях потенциала наступает явление неполной защиты (рис. 14.2 б). Оно может возникнуть при катодной защите трубопровода, находящегося в зоне сильного влияния блуждающих токов или при использовании протекторов, не имеющих достаточно отрицательного электродного потенциала (цинковые протекторы).
Критериями защиты металла от коррозии являются защитная плотность тока и защитный потенциал.
Катодная поляризация неизолированной металлической конструкции до величины защитного потенциала требует значительных токов. Наиболее вероятные величины плотностей токов, необходимых для поляризации стали в различных средах до минимального защитного потенциала (-0,85 В) по отношению к медно-сульфатному электроду сравнения, приведены в табл. 14.1
Рис. 14.2. Коррозионная диаграмма для случая полной поляризации (а) и
неполной поляризации (б)
Обычно катодная защита используется совместно с изоляционными покрытиями, нанесенными на наружную поверхность трубопровода. Поверхностное покрытие уменьшает необходимый ток на несколько порядков. Так, для катодной защиты стали с хорошим покрытием в почве требуется всего 0,01 ... 0,2 мА/м 2 .
Таблица 14.1
Плотность тока, необходимая для катодной защиты
неизолированной стальной поверхности в различных средах
Защитная плотность тока для изолированных магистральных трубопроводов не может стать надежным критерием защиты вследствие неизвестного распределения поврежденной изоляции трубопровода, определяющую фактическую площадь контакта металла с грунтом. Даже для неизолированной трубы (патрон на подземном переходе через железные и шоссейные дороги) защитная плотность тока определяется по геометрическим размерам сооружения и является фиктивной, так как остается неизвестной доля поверхности патрона, покрытая постоянно присутствующими пассивными защитными слоями (окалиной и др.) и не участвующая в процессе деполяризации. Поэтому защитная плотность тока как критерий защиты применяется при некоторых лабораторных исследованиях, выполняемых на образцах металла.
