Катодная защита. А.И. Хейфец, Система электрохимической защиты трубопроводов тепловых сетей
Коррозия оказывает пагубное влияние на техническое состояние подземных трубопроводов, под ее воздействием нарушается целостность газопровода, появляются трещины. Для защиты от такого процесса применяют электрохимзащиту газопровода.
Коррозия подземных трубопроводов и средства защиты от нее
На состояние стальных трубопроводов оказывает влияние влажность почвы, ее структура и химический состав. Температура сообщаемого по трубам газа, блуждающие в земле токи, вызванные электрифицированным транспортом и климатические условия в целом.
Виды коррозии:
- Поверхностная. Распространяется сплошным слоем по поверхности изделия. Представляет наименьшую опасность для газопровода.
- Местная. Проявляется в виде язв, щелей, пятен. Наиболее опасный вид коррозии.
- Усталостное коррозионное разрушение. Процесс постепенного накопления повреждений.
Методы электрохимзащиты от коррозии:
- пассивный метод;
- активный метод.
Суть пассивного метода электрохимзащиты заключается в нанесении на поверхность газопровода специального защитного слоя, препятствующего вредному воздействию окружающей среды. Таким покрытием может быть:
- битум;
- полимерная лента;
- каменноугольный пек;
- эпоксидные смолы.
На практике редко получается нанести электрохимическое покрытие равномерно на газопровод. В местах зазоров с течением времени металл все же повреждается.
Активный метод электрохимзащиты или метод катодной поляризации заключается в создании на поверхности трубопровода отрицательного потенциала, предотвращающего утечку электричества, тем самым предупреждая появление коррозии.
Принцип действия электрохимзащиты
Чтобы защитить газопровод от коррозии, нужно создать катодную реакцию и исключить анодную. Для этого на защищаемом трубопроводе принудительно создается отрицательный потенциал.
В грунте размещают анодные электроды, подключают отрицательный полюс внешнего источника тока непосредственно к катоду – защищаемому объекту. Для замыкания электрической цепи, положительный полюс источника тока соединяется с анодом – дополнительным электродом, установленным в общей среде с защищаемым трубопроводом.
Анод в данной электрической цепи выполняет функцию заземления. За счет того, что анод имеет более положительный потенциал, чем металлический объект, происходит его анодное растворение.
Процесс коррозии подавляется под воздействием отрицательно заряженного поля защищаемого объекта. При катодной защите от коррозии, процессу порчи будет подвергается непосредственно анодный электрод.
Для увеличения срока эксплуатации анодов, их изготавливают из инертных материалов, устойчивых к растворению и другим воздействиям внешних факторов.
Станция электрохимзащиты – это устройство, которое служит источником внешнего тока в системе катодной защиты. Данная установка подключается к сети, 220 Вт и производит электричество с установленными выходными значениями.
Станция устанавливается на земле рядом с газопроводом. Она должна иметь степень защиты IP34 и выше, так как работает на открытом воздухе.
Станции катодной защиты могут иметь различные технические параметры и функциональные особенности.
Типы станций катодной защиты:
- трансформаторные;
- инверторные.
Трансформаторные станции электрохимзащиты постепенно отходят в прошлое. Они представляют собой конструкцию из трансформатора, работающего с частотой 50 Гц и тиристорного выпрямителя. Минусом таких устройств является несинусоидальная форма генерируемой энергии. Вследствие чего, на выходе происходит сильное пульсирование тока и снижается его мощность.
Инверторная станция электрохимзащиты имеет преимущество у трансформаторной. Ее принцип основан на работе высокочастотных импульсных преобразователей. Особенностью инверторных устройств является зависимость размера трансформаторного блока от частоты преобразования тока. При более высокой частоте сигнала требуется меньше кабеля, снижаются тепловые потери. В инверторных станциях, благодаря сглаживающим фильтрам, уровень пульсации производимого тока имеет меньшую амплитуду.
Электрическая цепь, которая приводит в работу станцию катодной защиты, выглядит так: анодное заземление – грунт – изоляция объекта защиты.
При установке станции защиты от коррозии учитываются следующие параметры:
- положение анодного заземления (анод-земля);
- сопротивление грунта;
- электропроводимость изоляции объекта.
Установки дренажной защиты для газопровода
При дренажном способе электрохимзащиты источник тока не требуется, газопровод с помощью блуждающих в земле токов сообщается с тяговыми рельсами железнодорожного транспорта. Осуществляется электрическая взаимосвязь благодаря разности потенциалов железнодорожных рельсов и газопровода.
Посредством дренажного тока создается смещение электрического поля находящегося в земле газопровода. Защитную роль в данной конструкции играют плавкие предохранители, а также автоматические выключатели максимальной нагрузки с возвратом, которые настраивают работу дренажной цепи после спада высокого напряжения.
Система поляризованных электродренажей осуществляется с помощью соединений вентильных блоков. Регулирование напряжения при такой установке осуществляется переключением активных резисторов. Если метод дал сбой, применяют более мощные электродренажи в виде электрохимзащиты, где анодным заземлителем служит железнодорожная рельса.
Установки гальванической электрохимзащиты
Использование протекторных установок гальванической защиты трубопровода оправданно, если вблизи объекта отсутствует источник напряжения – ЛЭП, или участок газопровода недостаточно внушителен по размерам.
Гальваническое оборудование служит для защиты от коррозии:
- подземных металлических сооружений, не подсоединенных электрической цепью к внешним источникам тока;
- отдельных незащищенных частей газопроводов;
- частей газопроводов, которые изолированы от источника тока;
- строящихся трубопроводов, временно не подключенных к станциям защиты от коррозии;
- прочих подземных металлических сооружений (сваи, патроны, резервуары, опоры и др.).
Гальваническая защита сработает наилучшим образом в почвах с удельным электрическим сопротивлением, находящимся в пределах 50 Ом.
Установки с протяженными или распределенными анодами
При использовании трансформаторной станции защиты от коррозии ток распределяется по синусоиде. Это неблагоприятным образом сказывается на защитном электрическом поле. Происходит либо избыточное напряжение в месте защиты, которое влечет за собой высокий расход электроэнергии, либо неконтролируемая утечка тока, что делает электрохимзащиту газопровода неэффективной.
Практика использования протяженных или распределенных анодов помогает обойти проблему неравномерного распределения электричества. Включение распределенных анодов в схему электрохимзащиты газопровода способствует увеличению зоны защиты от коррозии и сглаживанию линии напряжения. Аноды при такой схеме размещаются в земле, на протяжении всего газопровода.
Регулировочное сопротивление или специальное оборудование обеспечивает изменение тока в необходимых пределах, изменяется напряжение анодного заземления, при помощи этого регулируется защитный потенциал объекта.
Если используется сразу несколько заземлителей, напряжение защитного объекта можно изменять, меняя количество активных анодов.
ЭХЗ трубопровода посредством протекторов основана на разности потенциалов протектора и газопровода, находящегося в земле. Почва в данном случае представляет собой электролит; металл восстанавливается, а тело протектора разрушается.
Видео: Защита от блуждающих токов
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.
Станции катодной защиты (СКЗ) являются необходимым элементом системы электрохимической (или катодной) защиты (ЭХЗ) подземных трубопроводов от коррозии. При выборе СКЗ исходят чаще всего из наименьшей стоимости, удобства обслуживания и квалификации своего обслуживающего персонала. Качество приобретаемого оборудования оценить обычно трудно. Авторы предлагают рассмотреть указанные в паспортах технические параметры СКЗ, которые определяют, насколько качественно будет выполняться основная задача катодной защиты.
Авторы не преследовали цель выражаться строго научным языком в определении понятий. В процессе общения с персоналом служб ЭХЗ мы поняли, что необходимо этим людям помочь систематизировать термины и, что еще более важно, дать им представление, что же происходит и в электросети, и в самой СКЗ.
Задача ЭХЗ
Катодная защита осуществляется при протекании электрического тока от СКЗ по замкнутой электрической цепи, образованной тремя включенными последовательно сопротивлениями:
· сопротивление грунта между трубопроводом и анодом; I сопротивление растекания анода;
· сопротивление изоляции трубопровода.
Сопротивление грунта между трубой и анодом может меняться в широких пределах в зависимости от состава и внешних условий.
Анод является важной частью системы ЭХЗ, и служит тем расходным элементом, растворение которого обеспечивает саму возможность реализации ЭХЗ. Сопротивление его в процессе эксплуатации стабильно растет вследствие растворения, уменьшения эффективной площади рабочей поверхности и образования окислов.
Рассмотрим сам металлический трубопровод, который и является защищаемым элементом ЭХЗ. Металлическая труба снаружи покрыта изоляцией, в которой в процессе эксплуатации образуются трещины от воздействия механических вибраций, сезонных и суточных температурных перепадов и т.д. Через образовавшиеся трещины в гидро- и теплоизоляции трубопровода проникает влага и возникает контакт металла трубы с грунтом, так образуется гальваническая пара, способствующая выносу металла из трубы. Чем больше трещин и их размеры, тем больше металла выносится. Таким образом происходит гальваническая коррозия, в которой течет ток ионов металла, т.е. электрический ток.
Раз течет ток, то возникла замечательная идея взять внешний источник тока и включить его на встречу этому самому току, из-за которого происходит вынос металла и коррозия. Но возникает вопрос: какой величины этот самый рукотворный ток давать? Вроде бы такой, чтобы плюс на минус давал ноль тока выноса металла. А как измерить этот самый ток? Анализ показал, что напряжение между металлической трубой и грунтом, т.е. по обе стороны изоляции, должно находиться в пределах от -0,5 до -3,5 В (это напряжение называется защитным потенциалом).
Задача СКЗ
Задачей СКЗ является не только обеспечивать в цепи ЭХЗ ток, но и поддерживать его таким, чтобы защитный потенциал не выходил за принятые рамки.
Так, если изоляция новая, и она не успела получить повреждений, то ее сопротивление электрическому току высокое и нужен небольшой ток для поддержания нужного потенциала. При старении изоляции ее сопротивление падает. Следовательно, требуемый компенсирующий ток от СКЗ возрастает. Еще больше он возрастет, если в изоляции появились трещины. Станция должна уметь измерять защитный потенциал и менять свой выходной ток соответствующим образом. И ничего более, с точки зрения задачи ЭХЗ, не требуется.
Режимы работы СКЗ
Режимов работы ЭХЗ может быть четыре:
· без стабилизации выходных значений тока или напряжения;
· I стабилизации выходного напряжения;
· стабилизации выходного тока;
· I стабилизации защитного потенциала.
Скажем сразу, что в принятом диапазоне изменений всех влияющих факторов полностью обеспечивается выполнение задачи ЭХЗ только при использовании четвертого режима. Что и принято как стандарт для режима работы СКЗ.
Датчик потенциала выдает станции информацию об уровне потенциала. Станция изменяет свой ток в нужную сторону. Проблемы начинаются с момента, когда надо ставить это самый датчик потенциала. Ставить его нужно в определенном расчетном месте, нужно копать траншею для соединительного кабеля между станцией и датчиком. Тот, кто прокладывал какие-либо коммуникации в городе, знает, какая это морока. Плюс к этому датчик требует периодического обслуживания.
В условиях, когда возникают проблемы с режимом работы с обратной связью по потенциалу, поступают следующим образом. При использовании третьего режима принимают, что состояние изоляции в краткосрочном плане меняется мало и ее сопротивление остается практически стабильным. Следовательно, достаточно обеспечить протекание стабильного тока через стабильное сопротивление изоляции, и получаем стабильный защитный потенциал. В среднесрочном и долговременном плане необходимые корректировки может производить специально обученный обходчик. Первый и второй режимы не предъявляют к СКЗ высоких требований. Эти станции получаются простыми по исполнению и как следствие дешевыми, как в изготовлении, так и в эксплуатации. Видимо это обстоятельство и обуславливает применение таких СКЗ в ЭХЗ объектов, находящихся в условиях невысокой коррозионной активности среды. В случае если внешние условия (состояние изоляции, температура, влажность, блуждающие токи) изменяются до пределов, когда на защищаемом объекте образуется недопустимый режим - эти станции не могут выполнять свою задачу. Для корректировки их режима необходимо частое присутствие обслуживающего персонала, иначе задача ЭХЗ выполняется частично.
Характеристики СКЗ
В первую очередь, СКЗ необходимо выбирать исходя из требований, изложенных в нормативных документах. И, наверное, самым главным в этом случае будет ГОСТ Р 51164-98. В приложении «И» этого документа говорится, что КПД станции должен быть не ниже 70%. Уровень индустриальных помех, создаваемых СКЗ, должен быть не выше значений, указанных ГОСТ 16842, а уровень гармоник на выходе соответствовать ГОСТ 9.602.
В паспорте СКЗ обычно указываются: I номинальная выходная мощность;
КПД при номинальной выходной мощности.
Номинальная выходная мощность - мощность, которую может отдавать станция, при номинальной нагрузке. Обычно эта нагрузка составляет 1 Ом. КПД определяется как отношение номинальной выходной мощности к активной мощности, потребляемой станцией в номинальной режиме. И в этом режиме КПД самый высокий для любой станции. Однако большинство СКЗ работают далеко не в номинальном режиме. Коэффициент загрузки по мощности колеблется от 0,3 до 1,0. В этом случае реальный КПД для большинства выпускаемых сегодня станций будет заметно падать при снижении выходной мощности. Особенно это заметно для трансформаторных СКЗ с применением тиристоров в качестве регулирующего элемента. Для бестрансформаторных (высокочастотных) СКЗ падение КПД при уменьшении выходной мощности существенно меньше.
Общий вид изменения КПД для СКЗ разного исполнения можно видеть на рисунке.
Из рис. видно, что если вы используете станцию, к примеру, с номинальным КПД равным 70%, то будьте готовы к тому, что еще 30% полученной из сети электроэнергии вы истратили бесполезно. И это в самом лучшем случае номинальной выходной мощности.
При выходной мощности на уровне 0,7 от номинальной вы должны быть готовы уже к тому, что ваши потери электроэнергии сравняются с полезно затраченной энергией. Где же теряется столько энергии:
· омические (тепловые) потери в обмотках трансформаторов, дросселей и в активных элементах схемы;
· затраты энергии для работы схемы управления станцией;
· потери энергии в виде радиоизлучения; потери энергии пульсаций выходного тока станции на нагрузке.
Эта энергия излучается в грунт от анода и не производит полезной работы. Поэтому так необходимо использовать станции с низким коэффициентом пульсаций, иначе бесполезно тратится недешевая энергия. Мало, того, что при больших уровнях пульсаций и радиоизлучения растут потери электроэнергии, но кроме этого эта бесполезно рассеянная энергия создает помехи для нормальной работы большого количества электронной аппаратуры, расположенной в окрестностях. В паспорте СКЗ указывается также необходимая полная мощность, попробуем разобраться с этим параметром. СКЗ забирает из электросети энергию и делает это в каждую единицу времени с такой интенсивностью, какой мы позволили ей это делать ручкой регулировки на панели управления станции. Естественно, что из сети можно брать энергию с мощностью, не превышающей мощность этой самой сети. И если напряжение в сети меняется синусоидально, то и наша возможность брать энергию из сети меняется синусоидально 50 раз в секунду. К примеру, в момент времени, когда напряжение сети переходит через ноль, из нее нельзя взять никакой мощности. Однако же, когда синусоида напряжения достигает своего максимума, то в этот момент наша возможность забирать из сети энергию максимальна. В любой другой момент времени эта возможность меньше. Таким образом, получается, что в любой момент времени мощность сети отличается от ее мощности в соседний момент времени. Эти значения мощности называются мгновенной мощностью в данный момент времени и таким понятием трудно оперировать. Поэтому договорились о понятии так называемой действующей мощности, которая определяется из воображаемого процесса, в котором сеть с синусоидальным изменением напряжения заменяется на сеть с постоянным напряжением. Когда подсчитали величину этого постоянного напряжения для наших электросетей, то получилось 220 В - ее назвали действующим напряжением. А максимальное значение синусоиды напряжения назвали амплитудным напряжением, и равно оно 320 В. По аналогии с напряжением ввели понятие действующего значения тока. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока называют полной потребляемой мощностью, и ее значение указывают в паспорте СКЗ.
А используется полная мощность в самой СКЗ не полностью, т.к. в ней имеются различные реактивные элементы, которые не тратят энергию, а используют ее как бы для создания условий, чтобы остальная энергия прошла в нагрузку, а затем возвращают эту настроечную энергию обратно в сеть. Эту возвращаемую обратно энергию назвали реактивной энергией. Энергию, которая передается в нагрузку, - активной энергией. Параметр, который указывает отношение между активной энергией, которая должна быть передана в нагрузку, и полной энергией, подводимой к СКЗ, называется коэффициентом мощности и указывается в паспорте станции. И если мы согласуем свои возможности с возможностями питающей сети, т.е. синхронно с синусоидальным изменением напряжения сети отбираем из нее мощность, то такой случай называется идеальным и коэффициент мощности СКЗ, работающей с сетью таким способом, будет равен единице.
Активную энергию станция должна как можно эффективнее передать для создания защитного потенциала. Эффективность, с которой СКЗ это делает, и оценивается коэффициентом полезного действия. Сколько она тратит энергии, зависит от способа передачи энергии и от режима работы. Не вдаваясь в это обширное поле для обсуждения, скажем только, что трансформаторные и трансформаторнотиристорные СКЗ достигли своего предела совершенствования. У них нет ресурсов для улучшения качества своей работы. Будущее за высокочастотными СКЗ, которые с каждым годом становятся надежней и проще в обслуживании. По экономичности и качеству своей работы они уже превосходят своих предшественников и имеют большой резерв для совершенствования.
Потребительские свойства
К потребительским свойствам такого устройства как СКЗ можно отнести следующее:
1. Размеры, вес и прочность. Наверно, не нужно говорить, что чем меньше и легче станция, тем меньше затрат на ее транспортировку и установку как при монтаже, так и при ремонте.
2. Ремонтопригодность. Очень важна возможность быстрой замены станции или узла на месте. С последующим ремонтом в лаборатории, т.е. модульный принцип построения СКЗ.
3. Удобство в обслуживании. Удобство в обслуживании, кроме удобства транспортировки и ремонта, определяется, по нашему мнению, следующим:
наличие всех необходимых индикаторов и измерительных приборов, наличие возможности дистанционного управления и слежения за режимом работы СКЗ.
Исходя из вышесказанного можно сделать несколько выводов-рекомендаций:
1. Трансформаторные и тиристорно-трансформаторные станции безнадежно устарели по всем параметрам и не отвечают современным требованиям, особенно в области энергосбережения.
2. Современная станция должна иметь:
· высокий КПД во всем диапазоне нагрузок;
· коэффициент мощности (cos I) не ниже 0,75 во всем диапазоне нагрузок;
· коэффициент пульсаций выходного напряжения не более 2%;
· диапазон регулирования по току и напряжению от 0 до 100%;
· легкий, прочный и малогабаритный корпус;
· модульный принцип построения, т.е. иметь высокую ремонтопригодность;
· I энергоэкономичность.
Остальные требования к станциям катодной защиты газопровода , такие как защита от перегрузок и коротких замыканий; автоматическое поддержание заданного тока нагрузки - и прочие требования, являются общепринятыми и обязательными для всех СКЗ.
В заключении предлагаем потребителям таблицу сравнения параметров основных выпускаемых и применяемых сейчас станций катодной защиты. Для удобства в таблице представлены станции одинаковой мощности, хотя многие производители могут предложить целую гамму выпускаемых станций.
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ»
Теоретические основы
Катодная защита подземных металлических сооружений
Принцип действия катодной защиты
При контакте металла с грунтами, относящимися к электролитическим средам, происходит коррозионный процесс, сопровождаемый образованием электрического тока, и устанавливается определенный электродный потенциал. Величину электродного потенциала трубопровода можно определить по разности потенциалов между двумя электродами: трубопроводом и неполяризующимся медно-сульфатным элементом. Таким образом, значение потенциала трубопровода представляет собой разность его электродного потенциала и потенциала электрода сравнения по отношению к грунту. На поверхности трубопровода протекают электродные процессы определенного направления и стационарные по характеру изменения во времени.
Стационарный потенциал принято называть естественным потенциалом, подразумевая при этом отсутствие на трубопроводе блуждающих и других наведенных токов.
Взаимодействие корродирующего металла с электролитом разделяется на два процесса: анодный и катодный, которые проходят одновременно на различных участках поверхности раздела металла и электролита.
При защите от коррозии используют территориальное разделение анодного и катодного процессов. К трубопроводу подключают источник тока с дополнительным электродом-заземлителем, с помощью которого накладывают на трубопровод внешний постоянный ток. В этом случае анодный процесс происходит на дополнительном электроде-заземлителе.
Катодная поляризация подземных трубопроводов осуществляется с помощью наложения электрического поля от внешнего источника постоянного тока. Отрицательный полюс источника постоянного тока подключается к защищаемой конструкции, при этом трубопровод является катодом по отношению к грунту, искусственно созданный анод-заземлитель - к положительному полюсу.
Принципиальная схема катодной защиты показана на рис. 14.1. При катодной защите отрицательный полюс источника тока 2 подключен к трубопроводу 1, а положительный - к искусственно созданному аноду-заземлителю 3. При включении источника тока от его полюса через анодное заземление поступает в грунт и через поврежденные участки изоляции 6 на трубу. Далее через точку дренажа 4 по соединительному проводу 5 ток возвращается снова к минусу источника питания. При этом на оголенных участках трубопровода начинается процесс катодной поляризации.
Рис. 14.1. Принципиальная схема катодной защиты трубопровода:
1 - трубопровод; 2 - внешний источник постоянного тока; 3 - анодное заземление;
4 - точка дренажа; 5 - дренажный кабель; 6 - контакт катодного вывода;
7 - катодный вывод; 8 - повреждения изоляции трубопровода
Поскольку напряжение внешнего тока, приложенного между электродом-заземлителем и трубопроводом, значительно превышает разность потенциалов между электродами коррозионных макропар трубопровода, стационарный потенциал анодного заземления не играет определяющей роли.
С включением электрохимической защиты (j 0a.доп ) нарушается распределение токов коррозионных макропар, сближаются значения разности потенциалов «труба – земля» катодных участков (j 0к ) с разностью потенциалов анодных участков (j 0а ), обеспечиваются условия для поляризации.
Катодная защита регулируется путем поддержания необходимого защитного потенциала. Если наложением внешнего тока трубопровод заполяризован до равновесного потенциала (j 0к = j 0а ) растворения металла (рис. 14.2 а), то анодный ток прекращается и коррозия приостанавливается. Дальнейшее повышение защитного тока нецелесообразно. При более положительных значениях потенциала наступает явление неполной защиты (рис. 14.2 б). Оно может возникнуть при катодной защите трубопровода, находящегося в зоне сильного влияния блуждающих токов или при использовании протекторов, не имеющих достаточно отрицательного электродного потенциала (цинковые протекторы).
Критериями защиты металла от коррозии являются защитная плотность тока и защитный потенциал.
Катодная поляризация неизолированной металлической конструкции до величины защитного потенциала требует значительных токов. Наиболее вероятные величины плотностей токов, необходимых для поляризации стали в различных средах до минимального защитного потенциала (-0,85 В) по отношению к медно-сульфатному электроду сравнения, приведены в табл. 14.1
Рис. 14.2. Коррозионная диаграмма для случая полной поляризации (а) и
неполной поляризации (б)
Обычно катодная защита используется совместно с изоляционными покрытиями, нанесенными на наружную поверхность трубопровода. Поверхностное покрытие уменьшает необходимый ток на несколько порядков. Так, для катодной защиты стали с хорошим покрытием в почве требуется всего 0,01 ... 0,2 мА/м 2 .
Таблица 14.1
Плотность тока, необходимая для катодной защиты
неизолированной стальной поверхности в различных средах
Защитная плотность тока для изолированных магистральных трубопроводов не может стать надежным критерием защиты вследствие неизвестного распределения поврежденной изоляции трубопровода, определяющую фактическую площадь контакта металла с грунтом. Даже для неизолированной трубы (патрон на подземном переходе через железные и шоссейные дороги) защитная плотность тока определяется по геометрическим размерам сооружения и является фиктивной, так как остается неизвестной доля поверхности патрона, покрытая постоянно присутствующими пассивными защитными слоями (окалиной и др.) и не участвующая в процессе деполяризации. Поэтому защитная плотность тока как критерий защиты применяется при некоторых лабораторных исследованиях, выполняемых на образцах металла.
Обеспечение защиты труб от коррозийного воздействия производится с помощью разных технологий. Одним из наиболее эффективных методик считается электрохимическая обработка, включающая в себя и катодную защиту. В большинстве случаев этот вариант используется комплексно, наряду с обработкой металлоконструкций составами-изоляторами.
Основные разновидности катодной защиты
Катодную защиту трубопроводов от коррозии разработали еще в девятнадцатом столетии. Эта технология впервые были использована в кораблестроительной отрасл и - анодными протекторами обшивали корпус плавучего судна, что минимизировало коррозийные процессы медного сплава. Чуть позже эту технологию начали активно применять и в других сферах. Кроме того, катодная методика на настоящий момент считается самой эффективной технологией антикоррозионной защиты.
Существует два типа катодной защиты металлических сплавов:
Самым распространенным сегодня считается первый вариант, так как он является более быстрым и простым. С помощью это технологии можно справиться с разными типами коррозии:
- межкристальная;
- потрескивание латуни из-за чрезмерного напряжения;
- коррозия, обусловленная влиянием блуждающих электротоков;
- питтинговая коррозия и т. д.
Следует отметить, что первая методика позволяет обрабатывать крупногабаритные металлические конструкции, а гальваническая химэлектрозащита предназначена лишь для небольших изделий.
Гальваническая технология очень популярна на территории США, в нашей же стране она почти не применяется, так как технология устройства трубопроводов в РФ не подразумевает обработку особой изоляцией, которая необходима для гальванической защиты.
Без такого покрытия повышается коррозия стали под влиянием грунтовых вод, что крайне актуально для осени и весны. В зимний период после оледенения воды процесс коррозии значительно затормаживается.
Описание технологии
Катодная защита от коррозии производится с помощью постоянного электротока, подаваемого на обрабатываемое изделие, и делает потенциал заготовки отрицательным. Для этой цели зачастую применяются выпрямители.
Объект, который подсоединен к источнику электротока, считается «минусом», то есть катодом, а подведенное заземление является анодом, то есть «плюсом». Главное условие - наличие хорошей электропроводной среды. Для подземных труб ею является грунт.
При реализации этой технологии между почвой (электропроводной средой) и обрабатываемым объектом должна обязательно поддерживаться разница потенциалов электротока. Величину этого показателя можно определить с применением вольтметра высокоомного типа.
Особенности эффективной работы
Коррозия зачастую является виновницей разгерметизации трубопроводов. В связи с повреждением структуры металла, на конструкции образуются трещины, каверны и разрывы. Эта проблема крайне актуальна для трубопроводов под землей, ведь они постоянно контактируют с грунтовыми водами.
Катодная методика в этой ситуации позволяет минимизировать процесс растворения и окисления металлического сплава посредством изменения исходного коррозийного потенциала.
Результаты практических испытаний говорят о том, что потенциал поляризации металлических сплавов с помощью катодной методики замедляет коррозию.
Для того чтобы добиться эффективной защиты, нужно с помощью постоянного электротока уменьшить катодный потенциал материала, который использовался для создания трубопровода. В этой ситуации быстрота корродирования металла не будет превышать десяти микрометров в год.
Кроме того, катодная защита - самое лучшее решение для защиты трубопровода под землей от влияния блуждающих электротоков. Блуждающие токи - это электрозаряд, проникающий в почву при работе громоотвода, движения электропоездов и т. д.
Для обеспечения антикоррозийной защиты могут применяться линии электропередач или портативные генераторы, функционирующие на дизельном топливе или газу.
Специальное оборудование
Для целей обеспечения защиты используются специальные станции . Это оборудование включает в себя несколько узлов:
- источник электротока;
- анод (заземление);
- пункт измерения, контроля и управления;
- соединительные провода и шнуры.
Станция анодной защиты позволяет обеспечить защиту сразу нескольким трубопроводам, которые находятся рядом друг с другом. Регулировка подаваемого электротока может быть автоматической или ручной.
В нашей стране особую популярность имеет установка Минерва-3000. Показателей мощности этой СКЗ достаточно для того, чтобы защитить от коррозии примерно 40 километров трубопровода под землей.
К достоинствам установки следует отнести:
Дистанционный контроль за оборудованием осуществляется посредством модулей GPRS, которые встроены в конструкцию.
