Катодные станции для газопроводов. Электрохимическая защита. Принцип работы катодной защиты

А.И. Хейфец, начальник службы электрохимической защиты,
ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга», г. Санкт-Петербург

Введение

Защита трубопроводов тепловых сетей от коррозии является очень важной задачей, от решения которой во многом зависит надежность работы всей системы централизованного теплоснабжения. В г. Санкт-Петербург превалируют тепловые сети подземной прокладки, которые эксплуатируются в коррозионно-опасных условиях, обусловленных как густой сетью подземных коммуникаций большой протяженности и развитым электрифицированным транспортом, так и насыщенностью почв и грунтов влагой и химическими реагентами. Существует два основных способа защиты металлов от коррозии: пассивный - это нанесение на их поверхность изоляционных покрытий и активный - это использование средств электрохимической защиты.

Немного теории

Металлические сооружения, эксплуатируемые в различных средах (в атмосфере, воде, почве), подвергаются разрушающему воздействию этой среды. Разрушение металла вследствие его взаимодействия с внешней средой называется коррозией. Сутью коррозионного процесса является удаление атомов из металлической решетки, которое может происходить двумя путями, поэтому и различают коррозию просто химическую и электрохимическую.

Коррозия является химической, если после разрыва металлической связи атомы металла непосредственно соединяются химической связью с теми атомами или группами атомов, которые входят в состав окислителей, отнимающих валентные электроны металла. Процесс проходит без участия свободных электронов и не сопровождается появлением электрического тока. Примером может служить образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом.

Коррозия является электрохимической, если при выходе из металлической решетки положительно заряженный ион металла, т.е. катион, вступает в связь не с окислителем, а с другими компонентами коррозионной среды, окислителю же передаются электроны, освобождающиеся при образовании катиона. При электрохимической коррозии удаление атомов из металлической решетки осуществляется в результате не одного, как при химической коррозии, а двух независимых, но сопряженных между собой электрохимических процессов: анодного (переход «захваченных» катионов металла в раствор) и катодного (связывание окислителем освободившихся электронов). Окислителями служат ионы водорода, которые есть везде, где присутствует вода, и молекулы кислорода. Электрохимическая коррозия сопровождается появлением электрического тока.

Трубопроводы тепловых сетей являются протяженными объектами и различные их участки оказываются не в равных условиях с точки зрения развития коррозионных процессов. Почвы и грунты по-разному впитывают в себя атмосферные осадки, талые воды, обладают различной воздухопроницаемостью. Удельное электрическое сопротивление грунтов тоже разное; именно его значение (чем ниже, тем опаснее) характеризует коррозионную агрессивность среды. В результате вдоль поверхности трубопроводов образуются участки, где преимущественно осуществляются либо анодные, либо катодные реакции. Электрическая проводимость металла очень высока, электроны практически мгновенно перераспределяются от мест протекания анодной реакции к местам, где протекает катодная (рис. 1). По сути, возникают подобия гальванических элементов, батареек, в которых роль электролита играет грунт, а внешней цепью является подземное металлическое сооружение. Анодные зоны - это положительный электрод («+»), а катодные зоны - это отрицательный электрод («-»). При протекании электрического тока в анодных зонах непрерывно происходит выход атомов из металлической решетки во внешнюю среду, т.е. растворение металла.

Особую опасность для трубопроводов тепловых сетей представляют блуждающие токи, которые возникают вследствие утечки из транспортных электрических цепей части тока в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду возникает анодное растворение металла. Такие зоны особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта. Коррозию под действием блуждающих токов иногда называют электрической коррозией. Такие токи могут достигать величины в несколько ампер. Для представления: ток силой в 1 А, в соответствии с первым законом Фарадея, вызывает в течение года растворение железа в количестве 9,1 кг. Если ток сосредоточен на участке 1 м 2 , то это соответствует уменьшению толщины стенки трубы на 1,17 мм в год, т.е. за 6 лет она уменьшилась бы на 7 мм.

Принцип действия электрохимической защиты (ЭХЗ) наружной поверхности металла от коррозии основан на том, что, сдвигая потенциал металла пропусканием внешнего электрического тока, можно изменить скорость его коррозии. Зависимость между потенциалом и скоростью коррозии нелинейная и неоднозначная.

ЭХЗ, основанная на наложении катодного тока, носит название катодной защиты. В производственных условиях она реализуется в двух вариантах.

1. В первом варианте необходимый сдвиг потенциала обеспечивается подключением защищаемой конструкции к внешнему источнику напряжения в качестве катода, а в качестве анода используются вспомогательные электроды (рис. 2).

Источником служит регулируемый выпрямитель, который преобразует напряжение промышленной частоты в постоянное, а анодные заземлители объединяются в контур, состав и расположение электродов которого определяются расчетом. В процессе эксплуатации масса электродов контура анодного заземления монотонно уменьшается.

Катодная поляризация неизолированной металлической конструкции до величины минимального защитного потенциала требует значительных токов, поэтому обычно катодная защита используется совместно с изоляционными покрытиями, нанесенными на наружную поверхность защищаемого сооружения. Поверхностное покрытие уменьшает необходимый ток на несколько порядков. При катодной защите необходимо контролировать и величину максимального потенциала, т.к. его слишком большое значение может привести к отслаиванию изоляционного покрытия от стенки трубопровода. Нормативными документами (Типовая инструкция по защите трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии РД 153-34.0-20.518-2003) установлено, что минимальный защитный потенциал для тепловых сетей равен 1,1 В, а максимальный 2,5 В в отрицательную сторону по отношению к неполяризующемуся медносульфатному электроду сравнения. Такие значения должны быть обеспечены на всем протяжении защищаемого участка, и это достигается тем вернее, чем лучше металл изолирован от земли.

2. Вторым вариантом катодной защиты является гальваническая (или протекторная) защита (рис. 3). Принцип ее действия основан на том, что разные металлы характеризуются различными значениями стандартных электродных потенциалов. Катодная поляризация защищаемой конструкции достигается за счет ее контакта с более электроотрицательным металлом. Последний выступает в роли анода, и его электрохимическое растворение обеспечивает протекание катодного тока через защищаемый металл. Сам же анод, выполненный из магния, цинка, алюминия и их сплавов, постепенно разрушается. Достоинством протекторной защиты является то, что для нее не требуется внешний источник напряжения, но этот вид защиты может использоваться только на сравнительно небольших по протяженности участках трубопроводов (до 60 м), а также на стальных футлярах.

3. Для защиты трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии под действием блуждающих токов применяют электродренаж (дренаж) - соединение металлическим проводником участка, с которого стекают эти токи, с рельсом трамвайных или железнодорожных путей. При большом расстоянии до рельса, когда такой дренаж трудно реализовать, используют дополнительный чугунный анод, который закапывают в землю и соединяют с защищаемым участком.

В местах, где электролитическое действие блуждающих токов складывается с токами гальванических пар, может произойти резкое увеличение скорости коррозионных процессов. В таких случаях применяются установки усиленного дренажа (рис. 4), которые позволяют не только отводить блуждающие токи от трубопроводов, но и обеспечить на них 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.

4. Сильное коррозионное воздействие на трубопроводы тепловых сетей могут оказывать установки ЭХЗ владельцев смежных подземных коммуникаций, например газопроводов (рис. 5а). Если трубопроводы оказались в зоне действия катодного тока «чужой» установки, то разрушения в местах выхода этого тока из стальной трубы в грунт будут такими же, как и под действием блуждающих токов. Для защиты необходимо соединить трубопроводы тепловых сетей с отрицательным полюсом источника напряжения (рис. 5б).

Сдвигать потенциал металла для защиты его от коррозии можно не только в сторону отрицательных, но и положительных значений. При этом некоторые металлы переходят в пассивное состояние, а ток растворения металла падает в десятки раз. Такая защита называется анодной, ее преимущество в том, что для поддержания пассивного состояния металла требуются малые токи. Однако, если в электролите есть ионы хлора и серы, коррозия металла может резко возрасти и выйти из строя само анодно-поляризованное оборудование. Анодная защита для тепловых сетей не применяется.

ЭХЗ в ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга» эксплуатируется и развивается как система, т.е. совокупность взаимосвязанных составляющих: стационарных технических средств, инструментального контроля и информационной базы данных.

В соответствии с графиками специалисты службы ЭХЗ в плановом порядке проводят по установленной методике коррозионные измерения на всех участках магистральных и распределительных сетей в местах доступа к подземным трубопроводам (тепловые камеры). После обработки результатов измерений определяются анодные и катодные зоны на трубопроводах, зоны защиты, участки опасного воздействия блуждающих токов. Кроме того, коррозионные измерения проводятся при плановых шурфовках и при устранении дефектов на тепловых сетях, где они дополняются результатом химического анализа грунта. Результаты измерений систематизируются и архивируются, они являются ценной информацией как для правильной организации эксплуатации тепломеханического оборудования, так и для планирования строительства дополнительных средств ЭХЗ.

Более подробные и тщательные коррозионные обследования зон залегания теплотрасс проводятся силами специализированной подрядной организации. Эти обследования проводятся на коррозионно-опасных участках обычно после реконструкции (перекладки) тепловых сетей, т.к. применение современных типов изоляции, конструкций и технологий обеспечивает лучшую, чем ранее, гальваническую развязку металла от бетона и от земли. Это означает, в том числе, и возможное изменение границ анодных и катодных зон, участков воздействия блуждающих токов. Результаты обследований представляются в виде отчетов, содержащих сведения об изменениях значений электродных потенциалов на разных участках поверхности трубопроводов при различных режимах работы (рис. 6) не только своих, но и принадлежащих сторонним организациям средств ЭХЗ. Методами математического моделирования (рис. 7) рассчитываются тип, количество и места расположения необходимых дополнительных средств ЭХЗ для дальнейшего проектирования.

В настоящее время ОАО «Теплосеть Санкт- Петербурга» принадлежат 432 установки ЭХЗ, из них: установок катодной защиты - 204 шт. (в том числе установок катодной защиты, относящихся к категории совместной защиты от наружной коррозии трубопроводов тепловых сетей и проложенных рядом газопроводов, - 20 шт.); установок усиленного дренажа - 8 шт.; установок протекторной защиты - 220 шт. Техническим обслуживанием установок катодной совместной защиты занимается ОАО «Антикор».

В соответствии с требованиями нормативных документов (Защита от коррозии. Проектирование электрохимической защиты подземных сооружений. СТО Газпром 2-3.5-047-2006) установки ЭХЗ не должны оказывать негативного влияния на соседние коммуникации. ОАО «Антикор», занимающееся в Санкт-Петербурге электрохимической защитой газопроводов, при реконструкции и новом строительстве своих установок своевременно уведомляет ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга» о технической возможности подключения участков тепловых сетей к ЭХЗ газопроводов, если это предусмотрено проектом.

В процессе эксплуатации всех, кроме дренажных, установок ЭХЗ непрерывно теряется масса их заземленных электродов, т.к. это составляет физическую сущность электрохимической защиты. Неизбежно наступает момент «смерти» контура анодного заземления или протектора. Обеспечить заданный период эксплуатации между капитальными ремонтами установок ЭХЗ можно и нужно правильным расчетом

необходимого числа и места расположения элементов, выбором качественных материалов, строгим соблюдением технологии монтажа. Возможны случаи отказа электродов из-за локальных точечных повреждений. С 2010 г. при реконструкции и новом строительстве нами применяются ферросилидовые анодные заземлители ЭлЖК-1500 с защитой контактного узла вместо прежних ЭГТ-1450. В течение ряда последних лет в установках ЭХЗ применяются только автоматические преобразователи типа УКЗТА и ПКЗ-АР (рис. 8), позволяющие непрерывно поддерживать заданные значения анодного тока или защитного потенциала на трубопроводе.

Особое значение приобрела практика оснащения установок ЭХЗ телеметрическими регистраторами (рис. 9). Эти устройства, изготовленные в виде встраиваемых блоков, непрерывно дистанционно передают информацию о значениях меняющихся во времени электрических величин на выделенный компьютер (рис. 10). Создаются архивы, позволяющие анализировать работу установок ЭХЗ. Кроме того, в системе телеметрии реализована функция сигнализации о несанкционированном доступе посторонних лиц к установкам.

Стоит отметить, что перед началом строительно-монтажных работ подрядчик извещает о дате начала работ заказчика, проектную организацию, организацию, осуществляющую технический надзор за строительством, и организацию, на обслуживание которой будут передаваться строящиеся защитные установки.

Электрохимической защитой тепловых сетей от наружной коррозии на нашем предприятии занимаются с 1960 г., т.е. более 50 лет. В разные годы специалисты по ЭХЗ входили в состав различных производственных подразделений, а после образования в 2010 г. ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга» была создана отдельная служба ЭХЗ. На сегодняшний день в ее составе 13 чел., которые решают технические и организационные задачи.

К техническим задачам относятся: ежедневные объезды двух бригад электромонтеров по заданным маршрутам установок ЭХЗ с проведением технического обслуживания. Одновременно при этом контролируется, не ведутся ли сторонними организациями без правильного оформления земляные работы в зоне наших установок.

Техническое обслуживание установок ЭХЗ включает:

■ осмотр всех элементов установки с целью выявления внешних дефектов, проверку плотности контактов, исправности монтажа, отсутствия механических повреждений отдельных элементов, отсутствия подгаров и следов перегревов, отсутствия раскопок на трассе дренажных кабелей и анодных заземлений;

■ проверку исправности предохранителей (если они имеются);

■ очистку корпуса дренажного и катодного преобразователя, блока совместной защиты снаружи и внутри;

■ измерение тока и напряжения на выходе преобразователя или между гальваническими анодами (протекторами) и трубами;

■ измерение потенциала трубопровода в точке подключения установки;

■ производство записи в журнале установки о результатах выполненной работы;

■ измерения потенциалов в постоянно закрепленных измерительных пунктах.

Периодически проводится текущий ремонт и контроль эффективности оборудования ЭХЗ. Специалисты службы ЭХЗ ведут технический надзор за производством капитального ремонта, реконструкции и капитального строительства установок ЭХЗ подрядными организациями. Контролируется соответствие выполняемых строительно-монтажных работ проекту.

Текущий ремонт включает:

■ измерение сопротивления изоляции питающих кабелей;

■ ремонт линий питания;

■ ремонт выпрямительного блока;

■ ремонт дренажного кабеля.

Контроль эффективности работы установки ЭХЗ заключается в измерении защитных потенциалов в измерительных пунктах по всей зоне защиты данной установки ЭХЗ. Контроль эффективности ЭХЗ трубопроводов тепловых сетей производят не реже, чем 2 раза в год, а также при изменении параметров работы установок ЭХЗ и при изменении коррозионных условий, связанных с:

■ прокладкой новых подземных сооружений;

■ в связи с проведением ремонтных работ на тепловых сетях;

■ установкой ЭХЗ на смежных подземных коммуникациях.

Специалисты службы ЭХЗ ведут технический надзор за производством капитального ремонта, реконструкции и капитального строительства установок ЭХЗ подрядными организациями. Контролируется соответствие выполняемых строительно-монтажных работ проекту.

К организационным задачам относится, прежде всего, получение разрешения на электроснабжение станций ЭХЗ от сетей ОАО «Ленэнерго». Это многоходовый алгоритм, сопровождаемый оформлением большого количества документации. Кроме электроснабжения, служба ЭХЗ занимается подготовкой адресных программ нового строительства и ремонта, проверкой и согласованием проектов, подготовкой технических заданий.

Установки ЭХЗ от наружной коррозии металлоконструкций используются уже 100 лет. Физико-химический принцип их работы остается неизменным, но для увеличения ресурса их работы, снижения капитальных и эксплуатационных затрат необходимо искать и находить новые технические решения. Перспективным представляется использование протяженных электродов для анодного заземления. Эластомерные электроды укладываются горизонтально в траншею вдоль трубопроводов тепловой сети на глубине

1,5 м и разделяются на несколько участков для повышения ремонтопригодности. Стоимость таких установок меньше, чем при использовании традиционных контуров анодного заземления. В 2011 г. уже построены две установки с горизонтальными электродами.

Оснащение установок ЭХЗ блоками телеметрии будет продолжаться, и в перспективе информация о работе всех установок будет дистанционно передаваться и архивироваться.

В 2011 г. был выполнен проект автоматизированного учета электроэнергии для 59 установок ЭХЗ, а его реализация намечена на 2012 г

Уже начата работа по занесению базы данных об установках ЭХЗ в единую информационно-аналитическую систему ОАО «Теплосеть Санкт- Петербурга». В перспективе это позволит быстрее и достовернее определять приоритеты при составлении программы реконструкции участков тепловых сетей, правильно организовывать земляные работы при устранении дефектов.

Основное назначение ЭХЗ тепловых сетей - это обеспечение эксплуатации трубопроводов без возникновения повреждений в течение всего нормативного срока (25 лет). Для достижения этой цели необходимо относиться к ЭХЗ именно как к системе, не пренебрегая ни одной из ее составляющих, указанных в данной статье. Полезными могут оказаться несколько общих соображений.

1. В коррозионно-опасных зонах нужно вводить в эксплуатацию ЭХЗ как можно быстрее после строительства или реконструкции участка тепловых сетей, т.е. защищать металл «с нуля».

2. На участке трубопроводов, электрически плохо изолированных от земли (разрушение тепловой изоляции, контакт металла с бетонными конструкциями и т.п.), установка ЭХЗ будет мало эффективна, т.к. созданный ею защитный ток не распределится на сотни метров вдоль труб, а стечет в землю в месте «закоротки».

3. При выявленной низкой эффективности существующей установки ЭХЗ (малая разница в значении потенциала металла при включенной и отключенной установке) нужно провести ее реконструкцию с изменением расположения контура анодного заземления (КАЗ) по отношению к защищаемым трубопроводам.

4. При реконструкции и новом строительстве установок ЭХЗ целесообразно использовать самые лучшие марки электродов для КАЗ, т.к. отказ контура - это выход из строя всей установки, а для восстановления КАЗ придется проводить дорогостоящие земляные работы.

5. Координация деятельности в части ЭХЗ с другими владельцами подземных коммуникаций позволит принять меры для защиты трубопроводов тепловых сетей от вредного влияния «чужих» установок ЭХЗ, а также в ряде случаев организовать совместную защиту.

Опыт эксплуатации тепловых сетей ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга» убедительно доказывает, что ЭХЗ была и остается важной составляющей в комплексе мер по повышению надежности теплоснабжения Санкт-Петербурга.

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

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

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

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

Внутренняя ЭХЗ трубопровода с применением протекторов

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

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

Коррозия сваи в зоне переменного смачивания и забрызгивания

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

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

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

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

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

Магниевый протектор для электрохимзащиты морских сооружений

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

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

Одним из часто применяемых методов электрохимической защиты разнообразных конструкций из металлов от ржавления является катодная защита. В большинстве случаев ее используют совместно с нанесением на металлические поверхности специальных покрытий.

1 Общая информация о катодной защите

Впервые такая защита металлов была описана в 1820-х годах Гемфри Дэви. На основании его докладов в 1824 году на корабле HMS Samarang осуществили проверку предоставленной теории. На медную обшивку корабля установили железные анодные протекторы, которые существенно уменьшили скорость ржавления меди. Методику стали развивать, и в наши дни катодная всевозможных конструкций из металлов (трубопроводов, элементов автомобиля и т. д.) признается наиболее эффективной и широко используемой.

В производственных условиях такая защита металлов (ее нередко называют катодной поляризацией) производится по двум основным методикам.

Предохраняемая от разрушения конструкция подключается к внешнему источнику тока. В данном случае металлоизделие выполняет функцию катода. А анодами являются инертные дополнительные электроды. Эта методика обычно применяется для защиты трубопроводов, металлических сварных оснований, платформ для бурения.
Катодная поляризация гальванического типа. При такой схеме металлическая конструкция контактирует с металлом, который имеет больший электроотрицательный потенциал (алюминий, магний, алюминиевые сплавы, цинк). При этом под анодом понимают оба металла (основной и защитный). Растворение (имеется в виду сугубо электрохимический процесс) электроотрицательного материала приводит к протеканию через предохраняемое изделие необходимого катодного тока. С течением времени происходит полное разрушение металла-"защитника". Гальваническая поляризация эффективна для конструкций, на которых есть изоляционный слой, а также для металлоизделий относительно малых размеров.

Первая методика нашла широкое применение по всему миру. Она достаточно проста и экономически целесообразна, дает возможность предохранять металл от общей коррозии и от многих ее разновидностей – межкристаллитной коррозии "нержавейки", питтинговой, растрескивания латунных изделий, обусловленного напряжениями, при которых они работают.

Гальваническая схема нашла большее применение в США. В нашей стране она используется реже, хотя ее эффективность высока. Ограниченное применение протекторной защиты металлов в России связано с тем, что на многие трубопроводы у нас не наносят специальное покрытие, а это является обязательным условием для реализации антикоррозионной гальванической методики.

2 Как работает стандартная катодная поляризация металлов?

Катодная защита от коррозии производится посредством использования наложенного тока. Он поступает на конструкцию от выпрямителя либо иного источника (внешнего) тока, где промышленный по частоте переменный ток модифицируется в требуемый постоянный. Объект, который защищается, подключают к выпрямленному току (к "минусовому" полюсу). Конструкция, таким образом, является катодом. Анодное заземление (второй электрод) подключают к "плюсу".

Важно, чтобы между вторичным электродом и конструкцией имелся хороший электролитический и электронный контакт. Первый обеспечивается грунтом, куда погружают анод и объект защиты. Грунт в данном случае выполняет роль электролитической среды. А электронного контакта добиваются с помощью проводников из металлических материалов.

Регулирование катодной антикоррозионной защиты осуществляется посредством поддержания защитного потенциала между электролитической средой и индикатором потенциала поляризации (либо непосредственно конструкцией) на строго определенной величине. Замеряют показатель вольтметром с высокоомной шкалой.

Здесь необходимо понимать, что у потенциала есть не только поляризационный компонент, но и еще одна составляющая – падение (омическое) напряжения. Такое падение возникает из-за протекания через эффективное сопротивление катодного тока. Причем качество катодной защиты зависит исключительно от поляризации на поверхности изделия, которое предохраняется от ржавления. По этой причине выделяют две характеристики защищенности металлоконструкции – наибольший и наименьший потенциалы поляризации.

Эффективное регулирование поляризации металлов, учитывая все сказанное, становится возможным в том случае, когда показатель омического компонента исключается из величины полученной разности потенциалов. Добиться этого можно при помощи особой схемы замера потенциала поляризации. Описывать ее в рамках данной статьи мы не будем, так как она изобилует множеством специализированных терминов и понятий.

Как правило, катодная технология применяется совместно с нанесением на внешнюю поверхность предохраняемых от коррозии изделий специальных защитных материалов.

Для защиты неизолированных трубопроводов и других конструкций необходимо использовать существенные токи, что экономически невыгодно и технически сложно.

3 Катодная защита элементов автомобиля

Коррозия – активный и весьма агрессивный процесс. Качественная защита узлов автомобиля от ржавления вызывает немало проблем у автолюбителей. Коррозионному разрушению подвергаются все без исключения транспортные средства, ведь ржавление начинается даже тогда, когда на лакокрасочном покрытии машины появляется маленькая царапина.

Катодная технология предохранения автомобиля от коррозии достаточно распространена в наши дни. Ее применяют наряду с использованием и всевозможных мастик. Под такой методикой понимают подачу электрического потенциала на поверхность той или иной детали автомобиля, что приводит к эффективному и длительному замедлению ржавления.

При описываемой защите транспортного средства катодом являются специальные пластинки, которые накладывают на наиболее уязвимые его узлы. А роль анода играет корпус автомобиля. Подобное распределение потенциалов обеспечивает целостность корпуса машины, так как разрушению подвергаются только катодные пластины, а основной металл не корродирует.

Под уязвимыми местами транспортного средства, которые можно защитить по катодной методике, понимают:

заднюю и переднюю части днища;
арку заднего колеса;
области фиксации подфарников и непосредственно фар;
стыки крыла с колесом;
внутренние зоны дверей и порогов;
пространство за щитками колес (передних).

Для защиты автомобиля необходимо приобрести специальный электронный модуль (некоторые умельцы изготавливают его самостоятельно) и протекторы-пластины. Модуль монтируют в салоне машины, подсоединяют к бортовой сети (он должен быть запитанным при отключении автодвигателя). Установка устройства занимает буквально 10–15 минут. Причем энергии оно берет минимум, а антикоррозионную защиту гарантирует весьма качественную.

Защитные пластины могут иметь разный размер. Их число также отличается в зависимости от того, в каких местах автомобиля они монтируются, а также от того, какие геометрические параметры имеет электрод. На практике пластин нужно тем меньше, чем больший размер имеет электрод.

Защита от коррозии автомобиля по катодной методике производится и иными сравнительно простыми способами. Самый элементарный – подсоединить проводом "плюс" аккумулятора автомобиля к обычному металлическому гаражу. Обратите внимание – для подключения необходимо обязательно использовать резистор.

4 Защита трубопроводов методом катодной поляризации

Разгерметизация различных по назначению трубопроводов происходит во многих случаях из-за их коррозионного разрушения, вызываемого появлением разрывов, трещин и каверн. Особенно подвержены ржавлению подземные коммуникации. На них образуются зоны с разным потенциалом (электродным), что обуславливается гетерогенностью грунта и неоднородным составом металлов, из которых изготавливаются трубы. За счет появления указанных зон начинается процесс активного формирования коррозионных гальванических компонентов.

Катодная поляризация трубопроводов, выполняемая по схемам, описанным в начале статьи (гальваника или внешний источник энергии), базируется на уменьшении скорости растворения материала труб в процессе их эксплуатации. Достигается подобное уменьшение посредством смещения коррозионного потенциала в зону, имеющую по отношению к естественному потенциалу более отрицательные показатели.

Еще в первой трети 20 столетия был определен потенциал катодной поляризации металлов. Его показатель равняется –0,85 вольт. В большинстве грунтов естественный потенциал металлических конструкций находится в диапазоне от –0,55 до –0,6 вольт.

Это означает, что для эффективной защиты трубопроводов требуется "передвинуть" коррозионный потенциал в отрицательную сторону на 0,25-0,3 вольт. При такой его величине практическое влияние ржавления на состояние коммуникаций почти полностью нивелируется (коррозия за год имеет скорость не более 10 микрометров).

Методика с применением источника тока (внешнего) считается трудоемкой и достаточно сложной. Зато она обеспечивает высокий уровень защиты трубопроводов, ее энергетический ресурс ничем не ограничивается, при этом сопротивление (удельное) грунта оказывает минимальное влияние на качество защитных мероприятий.

Источниками питания для катодной поляризации обычно являются воздушные электролинии на 0,4; 6 и 10 кВ. На местностях, где таковых нет, допускается использование газо-, термо и дизель-генераторов в качестве источников энергии.

Ток-"защитник" распределяется неравномерно по протяженности трубопроводов. Наибольшая его величина отмечается в так называемой точке дренажа – в месте, где производится подключение источника. Чем больше расстояние от этой точки, тем меньше защищены трубы. При этом и чрезмерный ток непосредственно в зоне подключения оказывает негативное влияние на трубопровод – высока вероятность водородного растрескивания металлов.

Метод с использованием гальванических анодов демонстрирует неплохую эффективность в грунтах с малым показателем омности (до 50 ом*м). В грунтах высокоомной группы его не применяют, так как особых результатов он не дает. Здесь стоит добавить, что аноды изготавливают из сплавов на основе, алюминия, магния и цинка.

5 Коротко о станциях катодной защиты (СКЗ)

Для антикоррозионной защиты трубопроводов, проложенных под землей, вдоль трассы их залегания устанавливают СКЗ, включающие в себя:

анодное заземление;
источник тока;
пункт контроля и измерения;
кабели и провода, выполняющие соединительные функции.

Станции подключают к сетям электрического тока либо к автономным устройствам. Разрешается устанавливать на СКЗ несколько заземлений и источников энергии тогда, когда в одном подземном коридоре проложено две и более ниток трубопровода. Это, правда, влечет за собой увеличение расходов на проведение антикоррозионных мероприятий.

Если монтируется всего одна установка на многониточные коммуникации, ее соединение с трубами осуществляется посредством особых блоков. Они не позволяют формироваться сильным гальваническим парам, возникающим при монтаже глухих перемычек на трубные изделия. Указанные блоки изолируют трубы друг от друга, а также дают возможность выбирать на каждом элементе трубопроводов требуемый потенциал, гарантирующий максимальную защиту конструкции от ржавления.

Выходное напряжение на катодных станциях может регулироваться автоматически (установка в этом случае оснащается тиристорами) или вручную (оператор переключает при необходимости трансформаторные обмотки). В ситуациях, когда СКЗ функционируют в изменяющихся во времени условиях, рекомендуется эксплуатировать станции с автоматической регулировкой напряжения.

Они сами следят за показателями сопротивления (удельного) грунта, появлением блуждающих токов и прочих факторов, оказывающих негативное воздействие на качество защиты, и автоматически корректируют работу СКЗ. А вот в системах, где защитный ток и показатель сопротивления в его цепи остаются неизменными, лучше использовать установки с ручной настройкой напряжения на выходе.

Добавим, что регулирование в автоматическом режиме производится по одному из двух показателей:

по току защиты (гальваностатические преобразователи);
по потенциалу объекта, который защищается (потенциостатические преобразователи).

6 Информация об известных станциях катодной защиты

Среди популярных отечественных СКЗ можно выделить несколько установок. Очень востребованной является станция Минерва–3000 – мощная система, разработанная французскими и российскими инженерами для объектов Газпрома. Достаточно одной Минервы, чтобы надежно защитить от ржавления до 30 километров трубопроводов. Станция обладает такими основными достоинствами:

уникальная технологичность выпуска всех ее комплектующих;
повышенная мощность СКЗ (можно предохранять коммуникации с очень плохим защитным покрытием);
самовосстановление (после аварийных перегрузок) режимов работы станции на протяжении 15 секунд;
наличие высокоточного цифрового оборудования для контроля рабочих режимов и системы терморегулирования;
наличие защитных схем от перенапряжения измерительных и входных цепей;
отсутствие подвижных узлов и герметичность электрошкафа.

Кроме того, к Минерва–3000 можно подключать установки для удаленного контроля над работой станции и дистанционного управления ее оборудованием.

Отличными техническими показателями обладают и системы АСКГ-ТМ – современные телемеханизированные адаптивные станции для защиты электрокабелей, городских и магистральных трубопроводов, а также емкостей, в которых хранят газ и нефтепродукты. Такие устройства выпускаются с разными показателями (от 1 до 5 киловатт) выходной мощности. Они располагают многофункциональным телеметрическим комплексом, позволяющим выбирать конкретный рабочий режим СКЗ, мониторить и изменять параметры станции, а также обрабатывать поступающую информацию и отправлять ее оператору.

Преимущества использования АСКГ-ТМ :

возможность встраивания в SCADA-комплексы за счет поддержки ОРС-технологии;
резервный и главный канал связи;
выбор значения мощности (выходной);
повышенная отказоустойчивость;
большой интервал рабочих температур;
уникальная точность настройки выходных параметров;
предохранение от напряжения силовых выходов системы.

Имеются СКЗ и других типов, сведения о которых несложно найти на специализированных сайтах в интернете.

7 Какие объекты можно защищать при помощи катодной поляризации?

Кроме защиты автомобилей и трубопроводов рассматриваемые методики поляризации активно используются для предохранения от коррозии арматуры, входящей в железобетонные конструкции (здания, дорожные объекты, фундаменты и так далее). Обычно арматура представляет собой единую электросистему, которая при попадании в нее хлоридов и воды активно корродирует.

Катодная поляризация в сочетании с операцией санации бетона останавливает коррозионные процессы. В данном случае необходимо применять два типа анодов:

основные – из титана, графита или их комбинации с покрытием металлооксидного вида, а также кремнистого чугуна;
распределительные – стержни из сплавов титана с добавочным слоем металлической защиты либо с неметаллическим электропроводящим покрытием.

Регулируя внешний ток, поступающий на железобетонную конструкцию, осуществляют выбор потенциала арматуры.

Поляризация считается незаменимой методикой для защиты стационарных строений, размещаемых на континентальном шельфе, в газовой и нефтяной промысловых сферах. Первоначальные защитные покрытия на таких объектах невозможно восстановить (требуется их демонтаж и транспортировка в сухие ангары), а значит, остается один выход – катодная защита металлов.

Для предохранения от морской коррозии применяется гальваническая поляризация гражданских кораблей посредством анодов из цинка, магния, алюминиевых сплавов. На берегу (во время ремонтов и стоянок) судна подключают к СКЗ, аноды для которых делают из платинированного титана.

Также катодная защита используется для предохранения от разрушения внутренних частей сосудов и емкостей, а также труб, которые контактируют со сточными промышленными водами и иными агрессивными электролитами. Поляризация в данном случае увеличивает время безремонтного применения указанных конструкций в 2–3 раза.

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;

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).