Электрохимическая защита

Анализ причин аварийности магистральных нефтепроводов показывает, что основной причиной их отказов являются коррозионные повреждения (до 40%). При этом общая и язвенная коррозии наблюдаются практически на всех трубопроводах, имеющих дефекты изоляции. Для борьбы с этими видами коррозии в нефтепроводном транспорте используется дополнительная защита – электрохимическая. Все магистральные нефтепроводы защищены по технологической системе электрохимической защитой (катодной, протекторной и дренажной) непрерывной катодной поляризацией всей поверхности.

Наиболее простым случаем катодной защиты является защита с помощью протекторов. Схематически катодная защита с помощью протектора может быть представлена следующим образом (см. рисунок 19.1).

1- протектор; 2 – активатор протектора; 3- защищаемое сооружение (трубопровод)

Рисунок 19.1. - Катодная защита с помощью протектора.

При замыкании защищаемой конструкции с протектором с помощью соединительного кабеля происходит растворение материала протектора, а на поверхности защищаемого сооружения идут восстановительные процессы, не приводящие к разрушению сооружения. В процессе эксплуатации протектор растворяется и требует периодической замены. Катодная защита с помощью протекторов не требует специальных источников энергии, поэтому может быть использована в труднодоступных районах, где отсутствуют постоянные источники энергии. Ее используют преимущественно в тех случаях, когда необходим защитный ток малой величины. Это бывает, если конструкция имеет хорошее изоляционное покрытие и необходима защита только тех участков, где изоляция нарушена. Область применения протекторной защиты ограничивается величиной удельного сопротивления грунта. В грунтах с большим электрическим сопротивлением (скальных; щебеночно-гравийных; сухих грунтах: песчаных, суглинистых и глинистых) протекторная защита становится малоэффективной.

Катодная защита внешним током (КЗВТ) используется совместно с различными изоляционными покрытиями наружной поверхности защищаемого сооружения и характеризуется: высокой эффективностью; возможностью защиты протяженных металлических поверхностей, имеющих поврежденную изоляцию; возможностью регулирования защитного тока в процессе эксплуатации; возможность автоматизации процесса защиты. К недостаткам метода можно отнести высокую начальную стоимость работ, необходимость систематического контроля и профилактического ремонта, а также возможное вредное влияние на соседние незащищенные металлические конструкции.

Установка катодной защиты состоит из источника постоянного тока, анодного заземления и соединительных кабелей. Защищаемая конструкция присоединяется к отрицательному полюсу источника тока, к его положительному полюсу подключают второй электрод – анодный заземлитель. Место контакта с конструкцией называется точкой дренажа. Принципиальную схему метода можно представить следующим образом (см. рисунок 19.2). Работа катодной защиты возможна лишь в том случае, когда защищаемая конструкция и анодное заземление находятся в электронном и электролитическом контакте. Электронный контакт достигается с помощью металлических проводников, электролитический обеспечивается электропроводностью грунта. При этом поверхность защищаемого металла поляризуется катодно и на ней протекают процессы катодного восстановления, чаще всего – кислорода. Аноды служат для съема на землю положительных зарядов и на них протекают преимущественно анодные процессы окисления.

1 – источник постоянного тока, 2 – защищаемое сооружение, 3 – точка дренажа, 4 – анодное заземление.

Рисунок 19.2. - Принципиальная схема метода КЗВТ.

Поэтому в данном случае, в отличие от протекторной защиты, необходимо заботиться о том, чтобы аноды были изготовлены из материалов, наиболее стойких к окислению. Для питания постоянным током обычно используют выпрямители, преобразующие переменный ток промышленной частоты в постоянный. В простейшем случае КЗВТ сооружения может производиться от нерегулируемого источника с настраиваемым постоянным напряжением на выходе. Они получили название преобразователей потенциала с ручным управлением. Такая система защиты может быть использована, если параметры защищаемого объекта остаются стабильными во времени. Тогда задается от источника постоянная величина защитного потенциала, нерегулируемая во времени. Если параметры защищаемого объекта меняются во времени, то следует при организации КЗВТ использовать автоматические катодные станции, поддерживающие потенциал защищаемого объекта в заданном режиме.

Анодное заземление является одним из важнейших элементов катодной защиты. От правильного выбора и расположения анодного заземления по отношению к защищаемому объекту зависит эффективность и надежность катодной защиты. Для обеспечения достаточной долговечности работы установки катодной защиты аноды должны быть изготовлены из материалов, стойких к окислению в условиях эксплуатации, т.к. их замена часто связана с большими затратами. Как показывает опыт эксплуатации, наибольшему разрушению подвергаются стальные аноды (≈9,1 кг/А. год). Это основной недостаток стальных анодов. Поэтому они применяются вместе с коксовыми активаторами, которые уменьшают скорость растворения анодов за счет снижения плотности тока. Известно применение в качестве анодного материала алюминия. При этом допустимая плотность анодного тока значительно выше, чем в случае остальных анодов.

Графит, пропитанный воском или смолами, является легко доступным и сравнительно дешевым материалом. Однако он имеет малую механическую прочность. Выделяющиеся при его работе газы также способствуют его механическому разрушению, поэтому области применения графита ограничены.

Находят применение для изготовления анодов сплавы свинца. Они обладают хорошими электрохимическими и технологическими свойствами. При их анодной поляризации в области плотностей тока 200-500 А/м² на поверхности свинцовых сплавов (Ag, Sb) образуется тонкая пленка проводящей двуокиси свинца (PbO₂), которая делает анод устойчивым к растворению.

Платинированный титан (Ti + Pt) с электрохимической точки зрения ведет себя также как платина, хотя стоимость его во много раз ниже. Широко применяют железокремниевые аноды, изготавливаемые из высококремнистых >16% Si чугунов – ферросилидов. Скорость их анодного растворения не превышает 0,5-0,6 кг/А. год. Они тоже могут эксплуатироваться во всех природных средах, содержащих Cl – ионы, ферросилид должен быть легирован молибденом или хромом. К важнейшим факторам, характеризующим свойства анода и определяющим его практическую пригодность, относятся скорость его коррозии и допустимая плотность тока. В каждом случае следует стремиться к оптимальному распределению тока и потенциала на защищаемой поверхности, что обеспечивается наименьшим сопротивлением растеканию тока анода.

Способ электродренажной коррозионной защиты заключаются в отведении блуждающих токов от защищаемых сооружений к их источнику. Для этого создается металлическое соединение с помощью электродренажного кабеля защищаемой конструкции с отрицательным полюсом источника блуждающих токов (БТ) (чаще всего - рельсом электрифицированной дороги), для наибольшего сдвига потенциала трубопровода в отрицательную сторону. При этом происходит значительное понижение анодного потенциала защищаемой конструкции или даже ее катодная поляризация. Снижение анодного потенциала тем больше, чем выше напряжение дренажного тока. Недостатком метода является увеличение утечки тока в землю. Схематически дренаж блуждающих токов представлен на рисунке 19.3.

1 - контактный провод, 2 – рельс, 3 - трубопровод, подлежащий дренированию, 4 - генератор тока, 5 - дренажное соединение.

Рисунок 19.3 - Схема дренажа блуждающих токов

Устройство подобного типа характеризуется возможностью протекания дренированного тока в обоих направлениях, поэтому его можно применять только тогда, когда рельс в точке дренажа имеет постоянный отрицательный потенциал по отношению к защищаемой конструкции. Эффективная работа таких устройств возможна лишь при значительной разности потенциалов между точками его подключения – не менее 1 В. Это ограничивает применение прямого дренажа. Во избежание возможности протекания тока от рельса к защищаемой конструкции по дренажу при изменении потенциала применяется поляризованный дренаж. В его схеме кроме переменного сопротивления имеется вентильный элемент, обеспечивающий протекание тока только в одном направлении – от защищаемой конструкции к источнику блуждающих токов. Поляризованный дренаж используется в тех случаях, когда рельс почти все время имеет отрицательный потенциал по отношению к защищаемой конструкции и изменение его полярности может происходить только на короткое время. Если же источник токов имеет постоянно меняющийся потенциал, то применение поляризованного дренажа будет малоэффективным. В этом случае следует использовать усиленный дренаж. В схеме усиленного дренажа кроме перечисленных выше элементов входит дополнительный источник тока, обеспечивающий сохранение необходимой поляризации защищаемого объекта даже тогда, когда источник блуждающих токов имеет более положительный потенциал. Однако, усиленный дренаж применяется ограниченно, так как имеет множество недостатков, главным из которых является чрезмерное потребление электроэнергии и разрушение рельсов, вступающих в данном случае в роли анодов.

Защита от БТ может быть осуществлена также с помощью поляризованных управляемых протекторных систем. В этом случае к защищаемому сооружению 1, как и при катодной протекторной защите, подключают эффективный анод 2, но в цепь «сооружение – протектор» дополнительно включают вентильный элемент, например, диод 3 (см. рисунок 19.4).

Рисунок 19.4. - Поляризованная управляемая

протекторная система

При наличии БТ система включается только тогда, когда защищаемое сооружение поляризуется анодной составляющей БТ и его потенциал смещается в положительную сторону. При этом блуждающий ток стекает в грунт не с поверхности защищаемой конструкции, а с эффективного анода, который интенсивно растворяется, что приводит к смещению потенциала конструкции в сторону отрицательных значений. Такую схему можно применять, если нет необходимости ограничивать высокие катодные потенциалы защищаемой конструкции, например, в случае защиты неизолированных стальных подземных конструкций, когда не опасаются «перезащиты».

В случае необходимости ограничения потенциала с катодной стороны следует применять систему на транзисторах (см.рисунок . 19.5).

1-защищаемый объект, 2 –электрод сравнения, 3 – транзистор, 4 – эффективный анод.

Рисунок 19.5 - Протекторная защита с ограничением потенциала с катодной стороны

Ток протекает через цепь только в том случае, когда потенциал базы транзистора, определяемый электродом сравнения, отрицательнее потенциала защищаемого сооружения. По мере сближения потенциала вспомогательного электрода и сооружения ток в цепи базы уменьшается до установления минимального разбаланса потенциалов «электрод сравнения – сооружение». Уровень защитного потенциала устанавливают путем подбора соответствующего электрода сравнения.

Если существует опасность поражения конструкции как анодной, так и катодной составляющей БТ, то следует применять сдвоенные поляризованные протекторные установки (см. рисунок 19.6).

1-защищаемый объект, 2 – электрод сравнения, 3 – транзистор, 4 – эффективный анод, 5– эффективный катод, 6 – диод.

Рисунок 19.6. - Схема сдвоенной поляризованной протекторной установки

В этом случае при воздействии знакопеременных блуждающих токов могут быть реализованы два случая:

1. Если сооружение поляризуется анодной составляющей блуждающих токов и потенциал сооружения положительнее, чем потенциал эффективного анода, последний подключается через диод к сооружению и поляризует его. При этом эффективный катод отключен.

2. Если сооружение поляризуется катодной составляющей блуждающих токов и его потенциал отрицательнее потенциала эффективного анода, цепь эффективного анода закрыта. Работает эффективный катод.

Подбором диодов и транзисторов определенного типа устанавливаются наилучшие условия работы систем поляризованных протекторов. Достоинством поляризованных протекторов является их эффективное действие при наличии блуждающих токов, возникших от нескольких независимых источников. Однако, при большом расстоянии (свыше 1 км) от защищаемой конструкции до рельсов электрифицированного транспорта поляризованные протекторы не в состоянии обеспечить надежный защитный потенциал. В этом случае для защиты от блуждающих токов следует применять катодную защиту от внешнего источника.

Эффективность такой защиты будет завесить от многих факторов и в первую очередь от расположения катодных заземлителей. Аноды следует помещать между защищаемой конструкцией и рельсами электрифицированного транспорта напротив участков, имеющих наиболее положительный потенциал относительно рельсов. В этом случае целесообразно использовать автоматические станции катодной защиты, т.к. имеются постоянные колебания потенциала в системе. В городских условиях, когда имеется высокая концентрация подземных коммуникаций различного назначения, следует предусматривать, как уже упоминалось, совместную защиту всех подземных сооружений, расположенных рядом.

Системы катодной и протекторной защиты в течение 10 лет, дренажной - в течение 5 лет с начала их эксплуатации должны поддерживать защитные потенциалы на всем протяжении защищаемых сооружений, не требуя дополнительной реконструкции. Оценку коррозионного влияния полей блуждающих токов от источников постоянного тока на подземные сооружения и меры защиты от этого влияния осуществляют в соответствии с требованиями соответствующей НТД. Все соседние трубопроводы одного назначения должны быть включены в единую технологическую систему совместной электрохимической защиты. Допускается включение в такую систему соседних сооружений различного назначения, а также применение на них самостоятельных технологических систем электрохимической защиты при технико-экономическом обосновании. В случае невозможности создания единой системы совместной электрохимической защиты всех сооружений необходимо исключить вредное влияние раздельной защиты соседних сооружений друг на друга путем изменения мест расположения и конструкций анодных заземлений и точек подключения защитных установок. Эксплуатация катодной защиты соседних сооружений с любой разностью потенциалов между ними допустима при защитных потенциалах на каждом из них в пределах специальных требований.

Технологическая система катодной защиты включает установки катодной защиты, состоящие не менее чем из одной катодной станции, обеспечивающей вероятность безотказной работы на наработку 4000 ч не менее 0,9, анодного заземления и соединительных проводов (кабелей), а также контрольно-измерительные пункты. Величина защитной зоны одной установки катодной защиты на начало эксплуатации должна составлять не менее 20 км для нормальной изоляции и 30 км для усиленной изоляции. В установках катодной защиты могут быть использованы катодные станции или другие внешние источники защитного тока, имеющие встроенные приборы для контроля выходного напряжения, силы тока, оценки суммарного времени работы под нагрузкой.

Технологическая система протекторной защиты включает установки протекторной защиты, состоящие из одного или группы протекторов и соединительных проводов (кабелей), а также контрольно-измерительных пунктов. В установках протекторной защиты используют литые протекторные электроды длиной до 1,5 м или протяженные протекторы с технологической длиной более 10 м. Литые протекторы следует использовать в грунтах с удельным сопротивлением не более 50 Ом·м, устанавливая их на глубине не менее 1 м ниже границы зоны промерзания грунта. Протяженные протекторы следует использовать в грунтах с удельным сопротивлением не более 500 Ом·м. Групповые протекторные установки, единичные протекторы с интервалом размещения не менее 500 м и протяженные протекторы должны быть подключены к защищаемому сооружению через контрольно-измерительные пункты.

Технологическая система дренажной защиты включает установки дренажной защиты, состоящие не менее чем из одного электрического дренажа, обеспечивающего вероятность безотказной работы за наработку 4000 ч не менее 0,9, соединительных проводов (кабелей) и, в случае необходимости, электрических перемычек и дроссель-трансформаторов, а также контрольно-измерительных пунктов. Дренажные установки следует подключать к рельсовой цепи только через отсасывающие фидеры и средние точки путевых. Среднечасовой ток всех установок технологической системы дренажной защиты, подключенных к одной тяговой подстанции электрифицированной железной дороги, не должен превышать 20 % от общей среднечасовой токовой нагрузки этой подстанции