Протекторная установка электрохимической защиты. Катодная защита от коррозии – все особенности методики
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.
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.
Способы защиты трубопроводов от наружной коррозии подразделяются на пассивные и активные .
Пассивные способы защиты предусматривают изоляцию наружной поверхности трубы от контакта с грунтовыми водами и от блуждающих электрических токов, которая осуществляется с помощью противокоррозионных диэлектрических покрытий, обладающих водонепроницаемостью, прочным сцеплением с металлом, механической прочностью. Для изоляции трубопроводов применяют покрытие на битумной основе, на основе полимеров и лаков.
Битумная мастика для покрытий содержит минеральный наполнитель или резиновую крошку для повышения ее вязкости в горячем состоянии и увеличения механической прочности покрытия. Для повышения прочности и долговечности битумных покрытий используют бризол и стекловолокнистые материалы.
Покрытия на основе полимеров представляют собой полиэтиленовые или полихлорвиниловые ленты с применением клея. Ленту наматывают на очищенный и загрунтованный трубопровод.
Лаки применяются для защиты наземных трубопроводов от атмосферной коррозии.
При длительной эксплуатации трубопроводов, защищенных только изоляционным покрытием, возникают сквозные коррозионные повреждения уже через 5-8 лет после укладки трубопроводов в грунт вследствие почвенной коррозии, так как изоляция со временем теряет прочностные свойства и в ее трещинах начинаются интенсивные процессы наружной электрохимической коррозии. Суть процессов электрохимической коррозии заключается в следующем.
Электрохимическая коррозия (коррозионное разрушение) возникает под действием коррозионно-активной среды, разнообразна по характеру, вызывает большинство коррозионных разрушений трубопроводов и оборудования. Электрохимическая коррозия протекает с наличием двух процессов - катодного и анодного. Процессы электрохимической коррозии протекают по законам электрохимической кинетики, когда общая реакция взаимодействия может быть разделена на следующие, в значительной степени самостоятельные электродные процессы:
а) анодный процесс - переход металла в раствор в виде ионов (в водных растворах, обычно гидратированных) с оставлением эквивалентного количества электронов в металле;
б) катодный процесс - ассимиляция появившихся в металле избыточных электронов деполяризаторами.
Соответственно для защиты от электрохимической коррозии применяются активные способы электрохимической защиты.
Активные способы защиты трубопроводов от наружной коррозии предусматривают создание такого электрического тока, в котором весь металл трубопровода, несмотря на неоднородность его включений, становится катодом, а анодом является дополнительно размещенный в грунте металл. Существуют два вида активной защиты трубопроводов от наружной коррозии - протекторная и катодная .
При протекторной защите рядом с трубопроводом размещают более активный металл (протектор), который соединяют с трубопроводом изолированным проводником. Протекторы изготовляют из цинка, алюминия или магниевых сплавов.
При катодной защите с помощью источника постоянного тока (катодной станции) (рис. 13.24) создают разность потенциалов между трубопроводом и размещенными рядом с трубопроводом кусками металла (обычно обрезки старых труб, металлолом) так, что на трубопровод подается отрицательный заряд, а на куски металла - положительный. Таким образом, дополнительно размещаемый в грунте металл как в протекторной, так и в катодной защите, является анодом и подвергается разрушению, а наружная коррозия трубопровода не происходит.
Принцип действия протекторной защиты аналогичен работе гальванического элемента (рис. 13.25).
Два электрода (трубопровод и протектор, изготовленный из более электроотрицательного металла, чем сталь) опущены в почвенный электролит и соединены проводником. Так как материал протектора является более электроотрицательным, то под действием разности потенциалов происходит направленное движение электронов от протектора к трубопроводу по проводнику. Одновременно ион-атомы материала протектора переходят в раствор, что приводит к его разрушению. Сила тока при этом контролируется с помощью контрольно-измерительной колонки.
Таким образом разрушение металла все равно имеет место, но не трубопровода, а протектора.
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 (рис. 13.26.).
Прямой электрический дренаж - это дренажное устройство двусторонней проводимости. Схема прямого электрического дренажа включает в себя: реостат (R), рубильник (К), плавкий предохранитель (Пр) и сигнальное реле (Ср). 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 срабатывает 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.
Следует отметить, что контуры защитных заземлений технологического оборудования, расположенного на КС, ГРС, НПС и других аналогичных площадках, не должны оказывать экранирующего влияния на систему электрохимической защиты подземных коммуникаций.
Сооружение устройств электрохимической защиты отличается широким фронтом работ, растянутым на многокилометровой трассе магистрального трубопровода, наличием труднопроходимых для колесного транспорта участков, а также многочисленностью строительно-монтажных операций.
Эффективная работа электрохимической защиты возможна только при высоком качестве монтажа всех конструктивных элементов. Для этого требуются научно обоснованная организация работ, максимальная механизация и высокая квалификация строительно-монтажных рабочих. Так как для защиты трубопроводов применяется ограниченное число типов установок, а элементы электрохимической защиты являются в основном типовыми, следует производить предварительную заготовку основных монтажных узлов и блоков в заводских условиях.
Для сооружения электрохимической защиты магистральных трубопроводов от коррозии применяются средства и установки катодной, электродренажной, протекторной защиты, электрические перемычки, контрольно-измерительные пункты и конструктивные узлы типовых проектов.
Работы по сооружению электрохимической защиты необходимо осуществлять в две стадии. На первой стадии необходимо выполнять следующие работы:
Разметку трасс участка производства работ, ЛЭП и кабелей, подготовку строительной площадки;
Выбор и обустройство места для хранения оборудования, монтажных узлов, деталей, метизов, инструментов и материалов;
Доставку техники, машин и механизмов;
Подготовку участка для производства работ;
Доставку оборудования установки катодной защиты, монтажных узлов, деталей, метизов, инструмента, приспособлений и материалов;
Разработку грунта в траншеях и котлованах. Обратную засыпку с трамбовкой после установки оборудования и кабелей до уровня, указанного в рабочей документации;
Сооружение анодных и защитных заземлений, монтаж и укладку протекторов;
Прокладку подземных коммуникаций;
Монтаж катодных и контрольных электрических выводов от трубопроводов, а также контактных соединений анодных, защитных заземлений и протекторных выводов;
Установку и закладку в сооружаемые фундаменты несущих опорных конструкций для монтажа оборудования.
Работы первой стадии следует вести одновременно с основны- " ми строительными работами по технологической части трубопровода.
Во второй стадии необходимо осуществлять работы по установке оборудования, подключение к нему электрических кабелей, проводов и индивидуальное опробование электрических коммуникаций и установленного оборудования.
Работы второй стадии должны быть выполнены, как правило, после окончания основных видов строительных работ и одновременно с работами специализированных организаций, осуществляющих пуск, опробование и наладку средств и установок электрохимической защиты по совмещенному графику.
Пуск, опробование и наладку средств и установок электрохимической защиты проводят с целью проверки работоспособности как отдельных средств и установок ЭХЗ, так и системы электрохимической защиты, ввода ее в действие и установления режима, предусмотренного проектом для обеспечения электрохимической защиты участка подземного трубопровода от внешней коррозии в соответствии с действующей нормативно-технической документацией.
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.
Защита газопроводов от коррозии подразделяется на пассив-ную и активную.
Пассивная защита. Этот вид защиты предусматривает изоля-цию газопровода. При этом используют покрытие на основе битумно-полимерных, битумно-минеральных, полимерных, этиле-новых и битумно-резиновых мастик. Антикоррозийное покрытие должно иметь достаточные механическую прочность, пластичность, хорошую прилипаемость к металлу труб, обладать диэлектриче-скими свойствами, а также оно не должно разрушаться от биоло-гического воздействия и содержать компоненты, вызывающие кор-розию металла труб.
Одним из широко используемых методов пассивной защиты является изоляция липкими полимерными лентами шириной 400, 450, 500 мм или по заказу. Согласно ГОСТ 20477-86 в зависимости от толщины ленты основа ее может быть марок А или Б.
Активная защита. Методы активной защиты (катодная, протек-торная, электродренажная) в основном сводятся к созданию та-кого электрического режима для газопровода, при котором кор-розия трубопровода прекращается.
Рис. 1. Схема катодной защиты:
/ — дренажный кабель; 2 — источник постоянного тока; 3 — соединительный кабель; 4 — заземлитель (анод); 5 — газопровод; б — точка дренирования
Катодная защита. При катодной защите (рис. 1) для создания гальванической пары используется внешний источник питания 2. При этом катодом является газопровод 5, подсоединенный в то-чке дренирования 6 посредством дренажного кабеля к отрицатель-ному электроду источника питания; анодом является металличе-ская штанга 4, заглубленная в грунт ниже зоны промерзания его.
Одна катодная станция обеспечивает защиту газопровода про-тяженностью до 1 000 м.
Протекторная (электродная) защита. При протекторной защите участок газопровода превращается в катод не за счет источника питания, а за счет использования протектора. Последний соеди-нен проводником с газопроводом и образует с ним гальваниче-скую пару, в которой газопровод является катодом, а протектор — анодом. В качестве протектора используется металл с более отри-цательным потенциалом, чем у железа.
Принцип работы протекторной защиты показан на рис. 2. Ток от протектора 3 через грунт попадает на газопровод 6, а затем по изолированному соединительному кабелю к протектору. Протек-тор при стекании с него тока будет разрушаться, защищая газо-провод.
Зона действия протекторной установки приблизительно 70 м. Главное назначение протекторных установок — дополнение к дре-нажной или катодной защите на удаленных газопроводах для пол-ного снятия положительных потенциалов.
Рис. 2. Схема протекторной (электродной) защиты:
/ — контрольный пункт; 2 — соединительные кабели; 3 — протектор (электрод);
4 — заполнитель (соли + глина + вода); 5 — пути движения защитного тока в грунте; 6 — газопровод
Электродренажная защита. При электродренажной защите ток отводится из анодной зоны газопровода к источнику (рельсу или отрицательной шине тяговой подстанции). Зона защиты около 5 км.
Применяют три типа дренажа: прямой (простой), поляризо-ванный и усиленный.
Прямой дренаж характеризуется двухсторонней проводи-мостью (рис.3). Дренажный кабель присоединяется только к ми-нусовой шине. Главный недостаток заключается в возникновении положительного потенциала на газопроводе при нарушении сты-ковых соединений рельсов, поэтому, несмотря на простоту, эти установки в городских газопроводах не применяют.
Поляризованный дренаж обладает односторонней про-водимостью от газопровода к источнику. При появлении положи-тельного потенциала на рельсах дренажный кабель автоматически отключается, поэтому его можно присоединять к рельсам.
Рис. 3. Схема прямого (простого) дренажа:
/ — защищаемый газопровод; 2 — регулировочный реостат; 3 — амперметр; 4 — предохранитель; 5 — минусовая шина (отсасывающий кабель)
Усиленный дренаж применяют, когда на газопроводе остается положительный или знакопеременный потенциал по от-ношению к земле, а потенциал рельса в точке дренирования тока выше потенциала газопровода. В усиленном дренаже дополнитель-но в цепь включают источник ЭДС, позволяющий увеличить дре-нажный ток. Заземлением в данном случае служат рельсы.
Изолирующие фланцевые соединения и вставки. Они использу-ются дополнительно к устройствам электрохимической защиты и позволяют разбивать газопровод на отдельные участки, уменьшая проводимость и силу тока, протекающего по газопроводу. Элект-роизолирующие соединения (ЭИС) — прокладки между фланца-ми из резины или эбонита. Вставки из полиэтиленовых труб при-меняют для отсечения различных подземных сооружений друг от друга. Установка ЭИС приводит к сокращению затрат электроэнер-гии за счет исключения потерь тока перетекания на смежные ком-муникации. ЭИС устанавливают на вводах к потребителям, под-земных и надводных переходах газопроводов через препятствия, а также на вводах газопроводов в ГРС, ГРП и ГРУ.
Электрические перемычки. Электрические перемычки устанав-ливают на смежных металлических сооружениях в том случае, ког-да на одном сооружении имеются положительные потенциалы (анодная зона), а на другом — отрицательные (катодная зона), при этом на обоих сооружениях устанавливаются отрицательные потенциалы. Перемычки применяют при прокладке по одной ули-це газопроводов различного давления.
