Электрохимическая защита технологических трубопроводов

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.

Технология катодной поляризации

В данном случае используется так называемый наложенный ток. Для его подачи на металлический объект используется внешний проводник (часто) или источник тока (редко). При контакте с электрически активной частицей происходит следующее — частица под действием сил электрического притяжения перемещается к защитному элементу с отрицательным зарядом, где происходит «утилизация» этих частиц.

Последствия такой «утилизации» очевидны — защитный элемент со временем сам покрывается коррозией и приходит в негодность. Поэтому данную технологию очень часто называют методом жертвенного электрода (вместо нашей детали происходит ржавление «электрода-жертвы»).

Помимо силы тока и напряжения при работе с катодной поляризацией нужно учитывать еще один важный параметр — это омическое напряжение. В техническом смысле этот параметр отражает тот факт, что по мере протекания электрического заряда со временем напряжение тока в контуре падает. Само падение происходит из-за того, что протекание катодного тока происходит по контуру с более низким зарядом. В случае правильной сборки контура этот показатель является достаточно маленьким — благодаря этому в контуре будет всегда сохраняться один и тот же ток одинаковой мощности.

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

Jдр=j3·F3·K0

где j3 — необходимая величина защитной плотности тока; F3 — суммарная поверхность контакта подземных сооружений с грунтом; К0 — коэффициент оголенности коммуникаций, величина которого определяется в зависимости от переходного сопротивления изоляционного покрытия Rnep и удельного электросопротивления грунта рг по графику, приведенному на рисунке ниже.

Необходимая величина защитной плотности тока выбирается в зависимости от характеристики грунтов площадки нефтебазы в соответствии с таблицей ниже.

Комбинация протекторов и красок

Часто возникает необходимость защитить газопровод от коррозии не только протектором, но лакокрасочным материалом. Краска считается пассивным способом защиты от коррозионных процессов и действительно эффективна лишь, когда сочетается с применением протектора.

Такая методика сочетания позволяет:

1. Уменьшить отрицательное воздействие потенциальных изъянов покрытия металлоконструкций (отслаивание, набухание, растрескивание, вспучивание и тому подобное). Такие изъяны имеются не только в результате заводского брака, но и в связи с природными факторами.
2. Уменьшить (порой на весьма значимую величину) расход дорогих протекторов, при этом увеличив их срок эксплуатации.
3. Сделать распределение по металлу защитного слоя более равномерным.

Также стоит отметить, что лакокрасочные составы очень часто непросто наносить на определенные поверхности уже работающего газопровода, танкера или какой-то другой металлоконструкции. В таких случаях придется обойтись только защитным протектором.

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.

Методы защиты трубопроводных магистралей

Коррозия трубопроводов возникает в процессе их эксплуатации. Образование ржавчины происходит на трубах внутри и снаружи. C внутренней стороны появляются отложения, и причина этому — химические реакции состава транспортируемой жидкости с металлом. На состояние поверхности оказывает влияние и высокий показатель влажности грунта.

Если своевременно не обеспечить защиту, то возможно возникновение ряда последствий. Что важно:

• плановые осмотры рекомендуется проводить с небольшими временными промежутками.
• проведение ремонтных работ осуществлять периодически, независимо от наличия коррозии.
• приостановление функционирования трубопроводного транспорта неминуемо, так как необходимо производить осмотры и выполнять планово-предупредительные и иные текущие ремонты.

Важно! Для обеспечения полной защиты необходимо учитывать способ монтажа, контактирование с агрессивными средами, а также тип трубопровода.

Зависимость защитной плотности тока от характеристики грунтов

Коррозия под влиянием блуждающих токов

Ржавчина может возникать от переменного и постоянного потока электронов:

• Образование ржавчины под воздействием тока постоянных величин. Блуждающими токами называются токи, находящиеся в почве и в конструктивных элементах, расположенных под землей. Их происхождение антропогенное. Они возникают в результате эксплуатации технических устройств постоянного тока, распространяющегося от зданий или сооружений. Ими могут быть сварочные инверторы, систем защиты от катодов и иные устройства. Ток стремится пройти по пути наименьшего показателя сопротивления, в результате, при имеющихся в наличии трубопроводах в земле, току будет гораздо легче пройти через металл. Анодом является участок трубопровода, из которого блуждающий ток выходит на поверхность почвы. Часть трубопровода, в который попадает ток, играет роль катода. На описанных анодных поверхностях токи имеют повышенную плотность, поэтому именно в этих местах образовываются значительные коррозионные места. Скорость коррозии не ограничивается и может быть до 20 мм в год.
• Образование ржавчины под воздействием переменного тока. При расположении около магистралей линий электропередач с напряжением сети свыше 110 кВ, а также параллельном расположении трубопроводов под влиянием переменных токов образовывается коррозия, в том числе коррозия под изоляцией трубопроводов.

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.

Протекторная защита трубопроводов от коррозии — принцип действия и схема

Существует две основные группы методик предотвращения разрушения (или снижения его интенсивности) металлов под воздействием внешних факторов (в первую очередь, влаги) – активная и пассивная. К первой относится защита электрохимическая. С одним из таких способов борьбы с коррозией – протекторным (гальваническим) – читатель сможет ознакомиться в данной статье.

Принцип функционирования

Цель протекторной защиты – максимальное снижение потенциала основного материала, чем и обеспечивается предохранение его от разрушения корозией. Это осуществляется присоединением к нему специального электрода, который нередко именуется «жертвенным анодом». Он подбирается из металла более активного по отношению к базовому. Таким образом, коррозии в первую очередь подвергается протектор, следовательно, повышается долговечность того или иного конструкционного элемента, с которым он соединяется (читайте о катодной защите).

Эффективность протекторной защиты

Считается очень высокой. При том, что эн/затраты на реализацию протекторной защиты от коррозии сравнительно небольшие. Если использование магниевого анода с соответствующими параметрами предохраняет разрушение металла трубопровода на протяжении, к примеру, порядка 7,5 км, то без него – всего лишь на 25 – 30 м.

Когда следует использовать протекторную защиту

Способов борьбы с коррозией достаточно, и выбор всегда есть. Применение «жертвенного анода» целесообразно:

• если у предприятия нет необходимых мощностей для реализации иных, более эн/затратных методик;
• при необходимости защиты малогабаритных конструкций;
• для предохранения от коррозии металлоизделий (объектов) с поверхностным покрытием (изоляцией). Те же трубопроводные магистрали.

Максимальная эффективность протекторной защиты достигается, если она используется в средах, называемых электролитическими. Например, морская вода.

Какие металлы используются в качестве протекторов

Как правило, в основном подразумевается протекторная защита изделий из железа и его сплавов (стали). По сравнению с ними более активными являются такие металлы, как цинк, хром, алюминий, кадмий, магний. Хотя это и не единственно возможные варианты.

Особенность изготовления «жертвенных анодов» в том, что для их производства указанные материалы в чистом виде не берутся. В качестве сырья используются различные сплавы на их основе. При этом учитывается специфика применения протекторов. В первую очередь, в какой среде планируется обеспечивать защиту от коррозии.

Например, если цинковый электрод поместить в сухой грунт, то эффективность его действия будет практически нулевой. Поэтому выбор того или иного протектора определяется местными условиями.

Противодействие протекторным способом

Протекторная защита газопровода от коррозии предусматривает создание блокирующего потенциала при помощи подсоединения к трубам металлических протекторов с более отрицательным показателем, чем параметр самого трубопровода. При использовании указанного метода не предусматривается внешний источник тока, требуемые характеристики создаются посредством гальванического анодного элемента. Под воздействием протектора на газопровод действует катодная поляризация, что способствует прекращению коррозийных процессов.

Рабочим материалом может выступать цинк, алюминий, магний в виде специальных сплавов (МЛ, ЦО, Ц1 и тому подобных). Указанный вид защиты максимально прост, не нуждается в дополнительном обслуживании. Данный способ в комбинации с другими методами актуально применять для защиты отдельных отсеков, не пересекаемых смежными участками катодной безопасности. Протекторная защита газопровода от коррозии уместна для специальных кожухов на переходах через ж/д пути и автодороги, на объектах с развитыми подземными сооружениями.

Протекторы монтируются сплотками по несколько элементов, подключаются непосредственно к трубе либо выходу-катоду. Между собой они соединяются при помощи специального кабеля, провода из стали или меди. Для увеличения эффективности защиты протекторы располагаются в заполнителе, что снижает переходное сопротивление. В качестве состава выступает сернокислый магний либо натрий с глиной. Расстояние монтажа протекторов от трубопровода составляет порядка 3-6 метров.

Вам будет интересно:Что тяжелее: трамвай или танк? Что тяжелее: трамвай или танк Т-34?