СКЗ – основные сведения.

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

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

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

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

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

Ø катодный вывод газопровода 8 и точка дренажа 7 ;

Ø защитное заземление 4 .

Рисунок – 12.4.1. - Принципиально-конструктивная схема СКЗ

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

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

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

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

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

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

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

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

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.

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.

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

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).