Как организовать катодную защиту трубопроводов от коррозии? Электрическая защита газопроводов.

Трубопроводные магистрали – это на сегодняшний день наиболее распространенное средство для осуществления транспортировки носителей энергии. Очевидный их недостаток – подверженность образованию ржавчины. Для этого выполняется катодная защита магистральных трубопроводов от коррозии. В чем же ее принцип действия?

Причины коррозии

Сети трубопроводов систем жизнеобеспечения распространены по всей территории России. С их помощью эффективно транспортируется газ, вода, нефтепродукты и нефть. Не так давно был проложен трубопроводов для транспортировки аммиака. Большинство видов трубопроводов выполнены из металла, а главный их враг – это коррозия, видов которой имеется много.

Причины образования ржавчины на металлических поверхностях основаны на свойствах окружающей среды, как наружной, так и внутренней коррозии трубопроводов. Опасность образования коррозии для внутренних поверхностей основана на:

1. Взаимодействии с водой.
2. Наличии в воде щелочей, солей или кислот.

Такие обстоятельства могут сложиться на магистральных водопроводах, системах горячего водоснабжения (ГВС), пара и отопления. Не менее важным фактором является способ прокладки трубопровода: наземный или подземный. Первый проще обслуживать и устранять причины образования ржавчины, по сравнению со вторым.

При способе прокладывания “труба в другую трубу” риск возникновения коррозии находится на невысоком уровне. При непосредственном выполнении монтажа трубопровода на открытом воздухе возможно образование ржавчины от взаимодействия с атмосферой, что тоже приводит к изменению конструкции.

Трубопроводы, расположенные под землей, в том числе пара и горячей воды наиболее уязвимы к коррозии. Возникает вопрос о подверженности к коррозии труб, расположенных на дне водоисточников, но лишь небольшая часть магистралей расположена в этих местах.

Согласно предназначению трубопроводы с риском возникновения коррозии подразделяются на:

• магистральные;
• промысловые;
• для систем отопления и жизнеобеспечения населения;
• для сточной воды от промышленных предприятий.

Подверженность коррозии магистральных трубопроводных сетей

Коррозия трубопроводов данного типа наиболее хорошо изучена, и их защита от воздействия внешних факторов определена стандартными требованиями. В нормативных документах рассматриваются способы защиты, а не причины, исходя из которых происходит образование ржавчины.

Не менее важно учитывать, что при этом рассматривается только наружная коррозия, которой подвержен внешний участок трубопровода, так как внутри магистрали проходят инертные газы. Не столь опасно в этом случае контактирование металла с атмосферой.

Для защищенности от коррозии по ГОСТ рассматриваются для нескольких участок трубопровода: повышенной и высокой опасности, а также коррозионно-опасных.

Воздействие негативных факторов из атмосферы для участков повышенной опасности или виды коррозии:

1. От источников постоянного тока возникновение блуждающих токов.
2. Воздействие микроорганизмов.
3. Созданное напряжение провоцирует растрескивание металла.
4. Хранение отходов.
5. Соленые почвы.
6. Температура транспортируемого вещества выше 300 °С.
7. Углекислотная коррозия нефтепровода.

Монтер по защите подземных трубопроводов от коррозии должен знать конструкцию трубопровода и требования СНиП.

Электрохимическая коррозия от грунта

Вследствие разности напряжений, образовавшихся на отдельных участках трубопроводов, возникает поток электронов. Процесс образования ржавчины происходит по электрохимическому принципу. На основании этого эффекта часть металла в анодных зонах растрескивается и перетекает в основание почвы. После взаимодействия с электролитом образовывается коррозия.

Одним из значимых критериев для обеспечения защиты от негативных проявлений является длина магистрали. На пути попадаются почвы с разным составом и характеристикой. Все это способствует возникновению разности напряжений между частями проложенных трубопроводов. Магистрали обладают хорошей проводимостью, поэтому происходит образование гальванопар с достаточно большой протяженностью.

Увеличение скорости коррозии трубопровода провоцирует высокая плотность потока электронов. Не меньшее значение играет и глубина расположения магистралей, так как на ней сохраняется существенный процент влажности, и температуры, которая ниже отметки “0” не отпускается. На поверхности труб также остается прокатная окалина после обработки, а это влияет на появление ржавчины.

Путем проведения исследовательских работ установлена прямая зависимость между глубиной и площадью образованной ржавчины на металле. Это основано на том, что металл с большей площадью поверхности наиболее уязвим к внешним негативным проявлениям. К частным случаям можно отнести проявление на стальных сооружениях значительно меньших количеств разрушений под действием электрохимического процесса.

Агрессивность грунтов к металлу, прежде всего, определяется их собственной структурной составляющей, влажностью, сопротивлением, насыщенностью щелочами, воздушной проницаемостью и иными факторами. Монтер по защите подземных трубопроводов от коррозии должен быть ознакомлен с проектом на строительство магистрали.

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.

Коррозионное растрескивание под влиянием напряжения

Если на металлическую поверхность одновременно воздействуют внешние негативные факторы и высокое напряжение от ЛЭП, создающее растягивающие усилия, то происходит образование ржавчины. Согласно проведенным исследованиям получила свое место водородно-коррозионная новая теория.

Трещины небольшого размера образовываются при насыщении трубы водородом, которое после обеспечивает увеличение давления изнутри до показателей, выше положенного эквивалента связи атомов и кристаллов.

Под влиянием диффузии протонов производится наводораживание поверхностного слоя под влияние гидролиза при повышенных уровнях катодной защищенности и одновременного воздействия неорганических соединений.

После того как трещина раскроется, происходит ускорение процесса ржавление металла, которое обеспечивается грунтовым электролитом. В итоге под влиянием механических воздействий металл подвергается медленному разрушению.

Коррозия под влиянием микроорганизмов

Микробиологической коррозией называется процесс образования ржавчины на трубопроводе под влиянием живых микроорганизмов. Это могут быть водоросли, грибки, бактерии, в их числе простейшие организмы. Установлено, что размножение бактерий наиболее существенно влияет на этот процесс. Для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов необходимо создание условий, а именно нужен азот, влажность, воды и соли. Также условия такие, как:

1. Температурно-влажностные показатели.
2. Давление.
3. Наличие освещенности.
4. Кислород.

При выделении кислотной среды организмы также могут вызвать коррозию. Под их влиянием на поверхности проявляются каверны, имеющие черный цвет и неприятный запах сероводорода. Бактерии, содержащие сульфаты присутствуют практические во всех почвах, но скорость коррозии увеличивается при увеличении их количества.

Что такое электрохимическая защита

Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии – это комплекс мер, направленных на недопущение развития коррозии под воздействием электрического поля. Для преобразования постоянного тока применяются специализированные выпрямители.

Защита от коррозии производится созданием электромагнитного поля, в результате чего приобретается отрицательный потенциал или участок исполняет роль катода. То есть отрезок стальных трубопроводов, огражденный от образования ржавчины, приобретает отрицательный заряд, а заземление – положительный.

Катодная защита трубопроводов от коррозии сопровождает электролитической защищенностью с достаточной проводимостью среды. Такую функцию выполняет грунт, при прокладывании металлических подземных магистралей. Контактирование электродов осуществляется через токопроводящие элементы.

Индикатор для определения показателей коррозии – это высоковольтный вольтметр или датчик коррозии. С помощью этого прибора контролируется показатель между электролитом и грунтом, конкретно для этого случая.

Как классифицируется электрохимическая защита

Коррозия и защита магистральных трубопроводов и резервуаров от нее контролируются двумя способами:

• К металлической поверхности подводиться источник от тока. Этот участок приобретает отрицательный заряд, то есть исполняет роль катода. Аноды – это инертные электроды, которые никакого отношения к конструктивному исполнению не имеют. Этот способ считается наиболее распространенным, и электрохимическая коррозия не возникает. Такая методика направлена на недопущение следующих разновидностей коррозий: питтинговой, по причине присутствия блуждающих токов, кристаллического типа нержавеющей стали, а также растрескиванию элементов из латуни.
• Гальванический способ. Защита магистральных трубопроводов или протекторная защита осуществляется металлическими пластинами с большими показателями отрицательных зарядов, изготовленными из алюминия, цинка, магния либо их сплавов. Аноды – это два элемента, так называемые ингибиторы, при этом медленное разрушение протектора способствует поддержанию в изделии катодного тока. Протекторная защита используется крайне редко. ЭХЗ выполняется на изоляционное покрытие трубопроводов.

Об особенностях электрохимической защиты

Основной причиной разрушения трубопроводов является следствие коррозии металлических поверхностей. После образования ржавчины образовывают трещины, разрывы, каверны, которые постепенно увеличиваются в размерах и способствуют разрыву трубопровода. Это явление чаще происходит у магистралей, проложенных под землей, или соприкасающихся с грунтовыми водами.

В принципе действия катодной защиты заложено создание разности напряжений и действия двумя вышеописанными методами. После проведенных измерительных операций непосредственно на местности расположения трубопровода выяснено, что нужный потенциал, способствующий замедлению процесса разрушения должен составлять 0,85В, а у подземных элементов это значение равно 0,55В.

Для замедления скорости коррозии следует снизить катодное напряжение на 0,3В. При таком раскладе, скорость коррозии не будет более 10 мкм/год, а это существенно продлить срок службы технических устройств.

Одна из значимых проблем – это наличие блуждающих токов в грунте. Такие токи возникают от заземлений зданий, сооружений, рельсовых путей и иных устройств. Тем более невозможно провести точную оценку, в каком месте они могут проявиться.

Для создания разрушающего воздействия достаточно заряда стальных трубопроводов положительным потенциалом по отношению к электролитическому окружению, к ним относятся магистрали, проложенные в грунте.

Для того чтобы обеспечить контур током необходимо подвести внешнее напряжение, параметры которого будут достаточными для пробивания сопротивления грунтового основания.

Как правило, подобные источники – это линии электропередач с показателями мощностей от 6 до 10 кВт. Если электрический ток невозможно подвести, то можно использовать дизельные или газовые генераторы. Монтер по защите подземных трубопроводов от коррозии перед выполнением работ должен быть ознакомлен с проектными решениями.

Катодная защита

Чтобы снизился процент возникновения ржавчины на поверхности труб, используются станции электродной защиты:

1. Анодная, выполненная в виде заземляющих проводников.
2. Преобразователи постоянных потоков электронов.
3. Оборудование пункта управления процессом и контроля за этим процессом.
4. Кабельные и проводные соединения.

Станции катодных защит достаточно результативны, при непосредственном соединении с линией электропередачи или генератору, они обеспечивают ингибирующее действие токов. При этом обеспечивается защита одновременно нескольких участков трубопровода. Регулировка параметров производиться вручную или автоматически. В первом случае используются обмотки трансформаторов, а во втором – тиристоры.

Наиболее распространенной на территории России является высокотехнологичная установка – Миневра -3000. Ее мощности предостаточно для осуществления защиты 30000 м магистралей.

Достоинства технического устройства:

• высокие характеристики мощности;
• обновление режима работы после перегрузок через четверть минуты;
• с помощью цифрового регулирования осуществляется контроль за рабочими параметрами;
• герметичность высокоответственных соединений;
• подключение устройства к дистанционному контролю за процессом.

Также применяются АСКГ-ТМ, хотя они их мощность невелика, их оснащение телеметрическим комплексом или дистанционным управлением позволяет им быть не менее популярными.

Схема изоляционной магистрали водопровода или газопровода должна быть на месте проведения работ.

Видео: катодная защита от коррозии – какой бывает и как выполняется?

Защита от коррозии обустройством дренажа

Монтер по защите подземных трубопроводов от коррозии должен быть ознакомлен с устройством дренажа. Такая защита от образования ржавчины трубопроводов от блуждающих токов производится устройством дренажа, необходимым для отвода этих токов в другой участок земли. Всего существует несколько вариантов дренажей.

Разновидности исполнения:

1. Выполненный под землей.
2. Прямой.
3. С полярностями.
4. Усиленный.

При осуществлении земляного дренажа производят установку электродов к анодные зоны. Для обеспечения прямой дренажной линии выполняется электрическая перемычка, соединяющая трубопровод с отрицательным полюсом от источников токов, к примеру, заземлению от жилого дома.

Поляризованный дренаж имеет одностороннюю проводимость, то есть при появлении положительного заряда на заземляющем контуре он автоматически отключается. Усиленный дренаж функционирует от преобразователя тока, дополнительно подключенному в электрическую схему, а это улучшает отвод блуждающих токов от магистрали.

Прибавка на коррозию трубопроводов проводится расчетным путем, согласно РД.

Кроме всего, применяется ингибиторная защита, то есть на трубах используется специальный состав для защиты от агрессивных сред. Стояночная коррозия возникает при простое котельного оборудования продолжительное время, чтобы этого не происходило, необходимо техническое обслуживание оборудования.

Монтер по защите подземных трубопроводов от коррозии должен обладать знаниями и навыками, обучен Правилам и периодически проходить медосмотр, и сдавать экзамены в присутствии инспектора Ростехнадзора.

Защита трубопроводов от коррозии может выполняться посредством множества технологий, наиболее эффективным из которых является электрохимический метод, к которому и относится катодная защита. Зачастую антикоррозийная катодная защита применяется комплексно, вместе с обработкой стальной конструкции изолирующими составами.

В данной статье рассмотрена электрохимическая защита трубопроводов и особенно детально изучен ее катодный подвид. Вы узнаете, в чем заключается суть данного метода, когда его можно использовать и какое оборудование применяется для катодной защиты металлов.

Cодержание статьи

Разновидности катодной защиты

Катодная защита стальных конструкций от коррозии была изобретена в 1820-х годах. Впервые метод был применен в кораблестроении – защитными анодными протекторами был обшит медный корпус судна, что значительно уменьшило скорость корродирования меди. Методика была взята на вооружение и начала активно развиваться, что сделало ее одним из наиболее эффективных методов противокоррозионной защиты на сегодняшний день.

Катодная защита металлов, согласно технологии выполнения, классифицируется на две разновидности:

• метод №1 – к защищающейся конструкции подсоединяется внешний источник тока, при наличии которого само металлическое изделие выполняется роль катода, тогда как в качестве анодов выступают сторонние инертные электроды.
• метод №2 – “гальваническая технология “: защищаемая конструкция контактирует с протекторной пластиной изготовленной из металла, имеющего больший электроотрицательный потенциал (к таким металлам относится цинк, алюминий, магний и их сплавы). Функцию анода в данном метода выполняют оба металла, тогда как электрохимическое растворение металла протекторной пластины обеспечивает протекание через защищаемую конструкцию необходимого минимума катодного тока. По истечению времени протекторная пластина полностью разрушается.

Метод №1 – наиболее распространенный. Это простая в реализации противокоррозионная технология, которая эффективно справляется с многими разновидностями коррозии металлов:

• межкристальная коррозия нержавеющей стали;
• питтинговая коррозия;
• растрескивание латуни из повышенного напряжения;
• коррозия под воздействием блуждающих токов.

В отличие от первого метода, пригодного для защиты больших по размеру конструкций (применяется для подземных и наземных трубопроводов), гальваническая электрохимзащита предназначена для применения с изделиями малых размеров.

Гальванический метод широко распространен в США, в России он практически не используется, поскольку технология возведения трубопроводов в нашей стране не предусматривает обработку магистралей специальным изоляционным покрытием, которое является обязательным условием для гальванической электрохимзащиты.

Отметим, что без значительно увеличивается коррозия стали под воздействием грунтовых вод, что особенно характерно для весеннего периода и осени. Зимой, после замерзания воды, коррозия от влаги существенно замедляется.

Суть технологии

Катодная противокоррозионная защита осуществляется посредством применения постоянного тока, который подается на защищаемую конструкцию от внешнего источника (чаще всего используются выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный) и делает ее потенциал отрицательным.

Сам объект, подключенный к постоянному току, является “минусом” – катодом, тогда как подведенное к нему анодное заземление, является “плюсом”. Ключевым условием эффективности катодной защиты является наличие хорошо проводимой электролитической среды, в качестве которого при защите подземных трубопроводов выступает грунт, тогда как электронный контакт достигается за счет использования металлических материалов с высокой проводимостью.

В процессе реализации технологии между электролитической средой (грунтом) и объектом постоянно поддерживается требуемая разница потенциала тока, величина которой определяется с помощью высокоомного вольтметра.

Особенности катодной защиты трубопроводов

Коррозия – основная причина разгерметизации всех типов трубопроводов. Из-за повреждения металла ржавчиной на нем образуются разрывы, каверны и трещины, приводящие к разрушению стальной конструкции. Данная проблема особенно критична для подземных трубопроводов, которые постоянно пребывают в постоянном контакте с грунтовыми водами.

Катодная защита газопроводов от коррозии выполняется одним из вышеуказанных способов (посредством внешнего выпрямителя либо гальваническим методом). Технология в, данном случае, позволяет уменьшить скорость окисления и растворения металла, из которого изготовлен трубопровод, что достигается за счет смещения его естественного коррозийного потенциала в отрицательную сторону.

Посредством практический испытаний было выяснено, что потенциал катодной поляризации металлов, при котором замедляются все коррозийные процессы, равен -0.85 В , тогда как у подземных трубопроводов в естественном режиме он составляет -0.55 В.

Чтобы противокоррозионная защита было эффективной, необходимо посредством постоянного тока снизить катодный потенциал металла, из которого изготовлен трубопровод, на -0.3 В. В таком случае скорость корродирования стали не превышает 10 микрометров в течении года.

Катодная защита – наиболее эффективный метод защиты подземных трубопроводов от блуждающих токов. Под понятием блуждающих токов подразумевается электрический заряд, который попадает в землю в результате работы точек заземления ЛЭП, громоотводов либо движения поездов по железнодорожным магистралям. Точное время и место появления блуждающих токов выяснить невозможно.

Коррозийное воздействие блуждающих токов на металл происходит в случае, если металлическая конструкция имеет позитивный потенциал относительно электролита(для подземных трубопроводов электролитом выступает грунт). Катодная защита же делает потенциал металла подземных трубопроводов отрицательным, что устраняет риск их окисления под воздействием блуждающих токов.

Технология применения внешнего источника тока для катодной защиты подземных трубопроводов предпочтительна. Ее преимущества – неограниченный энергоресурс, способный преодолевать удельное сопротивление грунта.

В качестве источника тока противокоррозионная защита используется воздушные линии электропередач мощностью 6 и 10 кВт, если же на территории ЛЭП отсутствуют, могут применяться мобильные генераторы, работающие на газу и дизтопливе.

Детальный обзор технологии катодной защиты от коррозии (видео)

Оборудование для катодной защиты

Для противокоррозионной защиты подземных трубопроводов применяется специальное оборудование – станции катодной защиты (СКЗ), состоящие из следующих узлов:

• заземление (анод);
• источник постоянного тока;
• пункт управления, контроля и измерений;
• соединительные кабели и провода.

Одна СКЗ, подключенная к электросети либо к автономному генератору, может выполнять катодную защиту сразу нескольких рядом расположенных магистралей подземных трубопроводов. Регулировка тока может выполняться вручную (посредством замены обмотки на трансформаторе) либо в автоматическом режиме (если система укомплектована тиристорами).

Среди станций катодной защиты, применяемых в отечественной промышленности, наиболее технологичной установкой считается Минерва-3000 (спроектированная инженерами из Франции по заказу Газпрома). Мощности данной СКЗ достаточно для эффективной защиты 30 км подземного трубопровода.

К преимуществам установки относится:

• повышенная мощность;
• функция восстановления после перегрузок (обновление происходит за 15 секунд);
• наличие систем цифрового регулирования для контроля за рабочими режимами;
• полная герметичность ответственных узлов;
• возможность подключения оборудования для удаленного контроля.

Также широко востребованными в отечественном строительстве являются установки АСКГ-ТМ, в сравнении с Минервой-3000 они имеют уменьшенную мощность (1-5 кВт), однако в стоковой комплектации система оборудована телеметрическим комплексом, который в автоматическом режиме контролирует работу СКЗ и имеет возможность дистанционного управления.

Станции катодной защиты Минерва-3000 и АСКГ-ТМ требуют питания от электросети мощностью 220 В. Удаленное управление оборудованием выполняется посредством встроенных GPRS модулей. СКЗ имеют достаточно больше габариты – 50*40*90 см. и вес – 50 кг. Минимальный срок службы устройств составляет 20 лет.

Электрохимическая защита – эффективный способ защиты готовых изделий от электрохимической коррозии . В некоторых случаях невозможно возобновить лакокрасочное покрытие или же защитный оберточный материал, тогда целесообразно использовать электрохимическую защиту. Покрытие подземного трубопровода или же днища морского суда очень трудоемко и дорого возобновлять, иногда просто невозможно. Электрохимическая защита надежно защищает изделие от , предупреждая разрушение подземных трубопроводов, днищ судов, различных резервуаров и т.п.

Применяется электрохимическая защита в тех случаях, когда потенциал свободной коррозии находится в области интенсивного растворения основного металла либо перепассивации. Т.е. когда идет интенсивное разрушение металлоконструкции.

Суть электрохимической защиты

К готовому металлическому изделию извне подключается постоянный ток (источник постоянного тока или протектор). Электрический ток на поверхности защищаемого изделия создает катодную поляризацию электродов микрогальванических пар. Результатом этого является то, что анодные участки на поверхности металла стают катодными. А вследствии воздействия коррозионной среды идет разрушение не металла конструкции, а анода.

В зависимости от того, в какую сторону (положительную или отрицательную) смещается потенциал металла, электрохимическую защиту подразделяют на анодную и катодную.

Катодная защита от коррозии

Катодная электрохимическая защита от коррозии применяется тогда, когда защищаемый металл не склонен к пассивации. Это один из основных видов защиты металлов от коррозии. Суть катодной защиты состоит в приложении к изделию внешнего тока от отрицательного полюса, который поляризует катодные участки коррозионных элементов, приближая значение потенциала к анодным. Положительный полюс источника тока присоединяется к аноду. При этом коррозия защищаемой конструкции почти сводится к нулю. Анод же постепенно разрушается и его необходимо периодически менять.

Существует несколько вариантов катодной защиты: поляризация от внешнего источника электрического тока; уменьшение скорости протекания катодного процесса (например, деаэрация электролита); контакт с металлом, у которого потенциал свободной коррозии в данной среде более электроотрицательный (так называемая, протекторная защита).

Поляризация от внешнего источника электрического тока используется очень часто для защиты сооружений, находящихся в почве, воде (днища судов и т.д.). Кроме того данный вид коррозионной защиты применяется для цинка, олова, алюминия и его сплавов, титана, меди и ее сплавов, свинца, а также высокохромистых, углеродистых, легированных (как низко так и высоколегированных) сталей.

Внешним источником тока служат станции катодной защиты, которые состоят из выпрямителя (преобразователь), токоподвода к защищаемому сооружению, анодных заземлителей, электрода сравнения и анодного кабеля.

Катодная защита применяется как самостоятельный, так и дополнительный вид коррозионной защиты.

Главным критерием, по которому можно судить о эффективности катодной защиты, является защитный потенциал . Защитным называется потенциал, при котором скорость коррозии металла в определенных условиях окружающей среды принимает самое низкое (на сколько это возможно) значение.

В использовании катодной защиты есть свои недостатки. Одним из них является опасность перезащиты . Перезащита наблюдается при большом смещении потенциала защищаемого объекта в отрицательную сторону. При этом выделяется. В результате – разрушение защитных покрытий, водородное охрупчивание металла, коррозионное растрескивание.

Протекторная защита (применение протектора)

Разновидностью катодной защиты является протекторная. При использовании протекторной защиты к защищаемому объекту подсоединяется металл с более электроотрицательным потенциалом. При этом идет разрушение не конструкции, а протектора. Со временем протектор корродирует и его необходимо заменять на новый.

Протекторная защита эффективна в случаях, когда между протектором и окружающей средой небольшое переходное сопротивление.

Каждый протектор имеет свой радиус защитного действия, который определяется максимально возможным расстоянием, на которое можно удалить протектор без потери защитного эффекта. Применяется протекторная защита чаще всего тогда, когда невозможно или трудно и дорого подвести к конструкции ток.

Протекторы используются для защиты сооружений в нейтральных средах (морская или речная вода, воздух, почва и др.).

Для изготовления протекторов используют такие металлы: магний, цинк, железо, алюминий. Чистые металлы не выполняют в полной мере своих защитных функций, поэтому при изготовлении протекторов их дополнительно легируют.

Железные протекторы изготавливаются из углеродистых сталей либо чистого железа.

Цинковые протекторы

Цинковые протекторы содержат около 0,001 – 0,005 % свинца, меди и железа, 0,1 – 0,5 % алюминия и 0,025 – 0,15 % кадмия. Цинковые проекторы применяют для защиты изделий от морской коррозии (в соленой воде). Если цинковый протектор эксплуатировать в слабосоленой, пресной воде либо почвах – он достаточно быстро покрывается толстым слоем оксидов и гидроксидов.

Протектор магниевый

Сплавы для изготовления магниевых протекторов легируют 2 – 5 % цинка и 5 – 7 % алюминия. Количество в сплаве меди, свинца, железа, кремния, никеля не должно превышать десятых и сотых долей процента.

Протектор магниевый используют в слабосоленых, пресных водах, почвах. Протектор применяется с средах, где цинковые и алюминиевые протекторы малоэффективны. Важным аспектом является то, что протекторы из магния должны эксплуатироваться в среде с рН 9,5 – 10,5. Это объясняется высокой скоростью растворения магния и образованием на его поверхности труднорастворимых соединений.

Магниевый протектор опасен, т.к. является причиной водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания конструкций.

Алюминиевые протекторы

Алюминиевые протекторы содержат добавки, которые предотвращают образование окислов алюминия. В такие протекторы вводят до 8 % цинка, до 5 % магния и десятые-сотые доли кремния, кадмия, индия, таллия. Алюминиевые протекторы эксплуатируются в прибрежном шельфе и проточной морской воде.

Анодная защита от коррозии

Анодную электрохимическую защиту применяют для конструкций, изготовленных из титана, низколегированных нержавеющих, углеродистых сталей, железистых высоколегированных сплавов, разнородных пассивирующихся металлов. Анодная защита применяется в хорошо электропроводных коррозионных средах.

При анодной защите потенциал защищаемого металла смещается в более положительную сторону до достижения пассивного устойчивого состояния системы. Достоинствами анодной электрохимической защиты является не только очень значительное замедление скорости коррозии, но и тот факт, что в производимый продукт и среду не попадают продукты коррозии.

Анодную защиту можно реализовать несколькими способами: сместив потенциал в положительную сторону при помощи источника внешнего электрического тока или введением в коррозионную среду окислителей (или элементов в сплав), которые повышают эффективность катодного процесса на поверхности металла.

Анодная защита с применением окислителей по защитному механизму схожа с анодной поляризацией.

Если использовать пассивирующие ингибиторы с окисляющими свойствами, то защищаемая поверхность переходит в пассивное состояние под действием возникшего тока. К ним относятся бихроматы, нитраты и др. Но они достаточно сильно загрязняют окружающую технологическую среду.

При введении в сплав добавок (в основном легирование благородным металлом) реакция восстановления деполяризаторов, протекающая на катоде, проходит с меньшим перенапряжением, чем на защищаемом металле.

Если через защищаемую конструкцию пропустить электрический ток, происходит смещение потенциала в положительную сторону.

Установка для анодной электрохимической защиты от коррозии состоит из источника внешнего тока, электрода сравнения, катода и самого защищаемого объекта.

Для того, чтоб узнать, возможно ли для определенного объекта применить анодную электрохимическую защиту, снимают анодные поляризационные кривые, при помощи которых можно определить потенциал коррозии исследуемой конструкции в определенной коррозионной среде, область устойчивой пассивности и плотность тока в этой области.

Для изготовления катодов используются металлы малорастворимые, такие, как высоколегированные нержавеющие стали, тантал, никель, свинец, платина.

Чтобы анодная электрохимическая защита в определенной среде была эффективна, необходимо использовать легкопассивируемые металлы и сплавы, электрод сравнения и катод должны все время находится в растворе, качественно выполнены соединительные элементы.

Для каждого случая анодной защиты схема расположения катодов проектируется индивидуально.

Для того, чтоб анодная защита была эффективной для определенного объекта, необходимо, чтоб он отвечал некоторым требованием:

Все сварные швы должны быть выполнены качественно;

В технологической среде материал, из которого изготовлен защищаемый объект, должен переходить в пассивное состояние;

Количество воздушных карманов и щелей должно быть минимальным;

На конструкции не должно присутствовать заклепочных соединений;

В защищаемом устройстве электрод сравнения и катод должны всегда находиться в растворе.

Для реализации анодной защиты в химической промышленности часто используют теплообменники и установки, имеющие цилиндрическую форму.

Электрохимическая анодная защита нержавеющих сталей применима для производственных хранилищ серной кислоты, растворов на основе аммиака, минеральных удобрений, а также всевозможных сборников, цистерн, мерников.

Анодная защита может также применяться для предотвращения коррозионного разрушения ванн химического никелирования, теплообменных установок в производстве искусственного волокна и серной кислоты.

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.

Позволяют продлить срок службы металлической конструкции, а также сохранить ее технико-физические свойства в процессе эксплуатации. Несмотря на разнообразие методов обеспечения противокоррозийного действия, полностью уберечь объекты от поражения ржавчиной удается лишь в редких случаях.

Эффективность такой защиты зависит не только от качества протекторной технологии, но и от условий ее применения. В частности, для сбережения металлической структуры трубопроводов свои лучшие свойства демонстрирует электрохимическая защита от коррозии, основанная на работе катодов. Предотвращение образования ржавчины на подобных коммуникациях, разумеется, не единственная сфера применения данной технологии, но по совокупности характеристик это направление можно рассматривать как наиболее актуальное для электрохимической протекции.

Общие сведения об электрохимической защите

Защита металлов от ржавчины посредством электрохимического воздействия основывается на зависимости величины материала от скорости процесса коррозии. Металлические конструкции должны эксплуатироваться в том диапазоне потенциалов, где их анодное растворение будет ниже допустимого предела. Последний, к слову, определяется технической документацией по эксплуатации сооружения.

На практике электрохимическая защита от коррозии предполагает подключение к готовому изделию источника с постоянным током. Электрическое поле на поверхности и в структуре защищаемого объекта формирует поляризацию электродов, за счет которой управляется и процесс коррозийного поражения. В сущности, анодные зоны на металлической конструкции становятся катодными, что позволяет смещать негативные процессы, обеспечивая сохранность структуры целевого объекта.

Принцип работы катодной защиты

Существует катодная и анодная защита электрохимического типа. Наибольшую популярность все же получила первая концепция, которая и применяется для защиты трубопроводов. По общему принципу, при реализации данного метода к объекту подводится ток с отрицательным полюсом от внешнего источника. В частности, таким образом может защищаться труба стальная или медная, в результате чего будет происходить поляризация катодных участков с переходом их потенциалов в анодное состояние. В итоге коррозийная активность защищаемой конструкции будет сведена практически к нулю.

При этом и катодная защита может иметь разные варианты исполнения. Широко практикуется вышеописанная техника поляризации от внешнего источника, но эффективно действует и метод деаэрации электролита с уменьшением скорости катодных процессов, а также созданием протекторного барьера.

Уже не раз отмечалось, что принцип катодной защиты реализуется за счет внешнего источника тока. Собственно, в его работе и заключается главная функция Выполняют эти задачи специальные станции, которые, как правило, входят в общую инфраструктуру технического обслуживания трубопроводов.

Станции от коррозии

Главная функция катодной станции заключается в стабильном обеспечении током целевого металлического объекта в соответствии с методом катодной поляризации. Используют такое оборудование в инфраструктуре подземных газо- и нефтепроводов, в трубах водоснабжения, тепловых сетях и т.д.

Существует множество разновидностей таких источников, при этом наиболее распространенное устройство катодной защиты предусматривает наличие в составе:

• оборудования преобразователя тока;
• провода для подводки к защищаемому объекту;
• анодного заземлителя.

При этом существует разделение станций на инверторные и трансформаторные. Имеют место и другие классификации, но они ориентированы на сегментацию установок или по сферам применения, или же по техническим характеристикам и параметрам входных данных. Базовые принципы работы наиболее ярко иллюстрируют обозначенные два типа катодных станций.

Трансформаторные установки катодной защиты

Сразу следует отметить, что данный вид станций является устаревающим. На его смену как раз и приходят инверторные аналоги, которые имеют как плюсы, так и минусы. Так или иначе, трансформаторные модели применяются даже на новых пунктах обеспечения электрохимической защиты.

В качестве основы таких объектов используется низкочастотный трансформатор на 50 Гц и Для системы управления тиристорами применяются простейшие устройства, среди которых фазоимпульсные регуляторы мощности. Более ответственный подход к решению задач управления предполагает использование контроллеров с широким функционалом.

Современная катодная защита от коррозии трубопроводов с таким оснащением позволяет регулировать параметры выходного тока, показатели напряжения, а также выравнивать защитные потенциалы. Что касается недостатков трансформаторного оборудования, то они сводятся к высокой степени пульсации тока на выходе при низком коэффициенте мощности. Объясняется этот изъян не синусоидой формой тока.

Решить проблему с пульсацией в определенной мере позволяет внедрение в систему низкочастотного дросселя, но его габариты соответствуют размерам самого трансформатора, что не всегда делает возможным такое дополнение.

Инверторная станция катодной защиты

Установки инверторного типа базируются на импульсных высокочастотных преобразователях. Одним из главных преимуществ от использования станций этого типа является высокий КПД, достигающий 95%. Для сравнения, у трансформаторных установок этот показатель в среднем достигает 80%.

Иногда на первый план выходят и другие достоинства. Например, небольшие габариты инверторных станций расширяют возможности для их применения на сложных участках. Есть и финансовые преимущества, которые подтверждает практика применения такого оборудования. Так, инверторная катодная защита от коррозии трубопроводов быстро окупается и требует минимальных вложений в техническое содержание. Впрочем, эти качества отчетливо заметны лишь при сравнении с трансформаторными установками, но уже сегодня появляются более эффективные новые средства обеспечения тока для трубопроводов.

Конструкции катодных станций

Такое оборудование представлено на рынке в разных корпусах, формах и габаритах. Конечно, распространена и практика индивидуального проектирования таких систем, что позволяет не только получить оптимальную для конкретных нужд конструкцию, но и обеспечить необходимые эксплуатационные параметры.

Строгий расчет характеристик станции позволяет в дальнейшем оптимизировать затраты на ее установку, транспортировку и хранение. К примеру, для небольших объектов вполне подойдет катодная защита от коррозии трубопроводов на инверторной основе массой в 10-15 кг и мощностью 1,2 кВт. Оборудование с такими характеристиками можно обслужить и легковым автомобилем, однако для масштабных проектов могут применяться и более массивные и тяжелые станции, требующие подключения грузовой техники, подъемного крана и бригад монтажников.

Защитный функционал

Особое внимание при разработке катодных станций уделяется защите самого оборудования. Для этого интегрируются системы, позволяющие предохранять станции от короткого замыкания и обрыва нагрузок. В первом случае используются специальные предохранители, позволяющие обрабатывать аварийные режимы работы установок.

Что касается скачков и обрывов напряжения, то станция катодной защиты вряд ли серьезно пострадает от них, но зато может возникнуть опасность поражения током. Например, если в обычном режиме оборудование эксплуатируется небольшим напряжением, то после обрыва скачок в показателях может довести до 120 В.

Другие виды электрохимической защиты

Помимо катодной защиты практикуются и технологии электрического дренажа, а также протекторные методы предотвращения коррозии. Наиболее перспективным направлением считается именно специальная протекция от образования коррозии. В данном случае также к целевому объекту подключаются активные элементы, обеспечивающие преобразование поверхности с катодами посредством тока. Например, труба стальная в составе газопровода может быть защищена цинковыми или алюминиевыми цилиндрами.

Заключение

Способы электрохимической защиты нельзя отнести к новым и, тем более, инновационным. Эффективность применения подобных методик в борьбе с процессами ржавления освоена давно. Однако, широкому распространению этого способа препятствует один серьезный недостаток. Дело в том, что катодная защита от коррозии трубопроводов неизбежно вырабатывает так называемые Они не опасны для целевой конструкции, но могут оказывать негативное воздействие на близкорасположенные объекты. В частности, блуждающий ток способствует развитию той же коррозии на металлической поверхности соседних труб.