Варианты катодной защиты трубопроводов – преимущества и недостатки способов. Катодная защита трубопроводов от коррозии

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.

Одним из часто применяемых методов электрохимической защиты разнообразных конструкций из металлов от ржавления является катодная защита. В большинстве случаев ее используют совместно с нанесением на металлические поверхности специальных покрытий.

1 Общая информация о катодной защите

Впервые такая защита металлов была описана в 1820-х годах Гемфри Дэви. На основании его докладов в 1824 году на корабле HMS Samarang осуществили проверку предоставленной теории. На медную обшивку корабля установили железные анодные протекторы, которые существенно уменьшили скорость ржавления меди. Методику стали развивать, и в наши дни катодная всевозможных конструкций из металлов (трубопроводов, элементов автомобиля и т. д.) признается наиболее эффективной и широко используемой.

В производственных условиях такая защита металлов (ее нередко называют катодной поляризацией) производится по двум основным методикам.

1. Предохраняемая от разрушения конструкция подключается к внешнему источнику тока. В данном случае металлоизделие выполняет функцию катода. А анодами являются инертные дополнительные электроды. Эта методика обычно применяется для защиты трубопроводов, металлических сварных оснований, платформ для бурения.
2. Катодная поляризация гальванического типа. При такой схеме металлическая конструкция контактирует с металлом, который имеет больший электроотрицательный потенциал (алюминий, магний, алюминиевые сплавы, цинк). При этом под анодом понимают оба металла (основной и защитный). Растворение (имеется в виду сугубо электрохимический процесс) электроотрицательного материала приводит к протеканию через предохраняемое изделие необходимого катодного тока. С течением времени происходит полное разрушение металла-"защитника". Гальваническая поляризация эффективна для конструкций, на которых есть изоляционный слой, а также для металлоизделий относительно малых размеров.

Первая методика нашла широкое применение по всему миру. Она достаточно проста и экономически целесообразна, дает возможность предохранять металл от общей коррозии и от многих ее разновидностей – межкристаллитной коррозии "нержавейки", питтинговой, растрескивания латунных изделий, обусловленного напряжениями, при которых они работают.

Гальваническая схема нашла большее применение в США. В нашей стране она используется реже, хотя ее эффективность высока. Ограниченное применение протекторной защиты металлов в России связано с тем, что на многие трубопроводы у нас не наносят специальное покрытие, а это является обязательным условием для реализации антикоррозионной гальванической методики.

2 Как работает стандартная катодная поляризация металлов?

Катодная защита от коррозии производится посредством использования наложенного тока. Он поступает на конструкцию от выпрямителя либо иного источника (внешнего) тока, где промышленный по частоте переменный ток модифицируется в требуемый постоянный. Объект, который защищается, подключают к выпрямленному току (к "минусовому" полюсу). Конструкция, таким образом, является катодом. Анодное заземление (второй электрод) подключают к "плюсу".

Важно, чтобы между вторичным электродом и конструкцией имелся хороший электролитический и электронный контакт. Первый обеспечивается грунтом, куда погружают анод и объект защиты. Грунт в данном случае выполняет роль электролитической среды. А электронного контакта добиваются с помощью проводников из металлических материалов.

Регулирование катодной антикоррозионной защиты осуществляется посредством поддержания защитного потенциала между электролитической средой и индикатором потенциала поляризации (либо непосредственно конструкцией) на строго определенной величине. Замеряют показатель вольтметром с высокоомной шкалой.

Здесь необходимо понимать, что у потенциала есть не только поляризационный компонент, но и еще одна составляющая – падение (омическое) напряжения. Такое падение возникает из-за протекания через эффективное сопротивление катодного тока. Причем качество катодной защиты зависит исключительно от поляризации на поверхности изделия, которое предохраняется от ржавления. По этой причине выделяют две характеристики защищенности металлоконструкции – наибольший и наименьший потенциалы поляризации.

Эффективное регулирование поляризации металлов, учитывая все сказанное, становится возможным в том случае, когда показатель омического компонента исключается из величины полученной разности потенциалов. Добиться этого можно при помощи особой схемы замера потенциала поляризации. Описывать ее в рамках данной статьи мы не будем, так как она изобилует множеством специализированных терминов и понятий.

Как правило, катодная технология применяется совместно с нанесением на внешнюю поверхность предохраняемых от коррозии изделий специальных защитных материалов.

Для защиты неизолированных трубопроводов и других конструкций необходимо использовать существенные токи, что экономически невыгодно и технически сложно.

3 Катодная защита элементов автомобиля

Коррозия – активный и весьма агрессивный процесс. Качественная защита узлов автомобиля от ржавления вызывает немало проблем у автолюбителей. Коррозионному разрушению подвергаются все без исключения транспортные средства, ведь ржавление начинается даже тогда, когда на лакокрасочном покрытии машины появляется маленькая царапина.

Катодная технология предохранения автомобиля от коррозии достаточно распространена в наши дни. Ее применяют наряду с использованием и всевозможных мастик. Под такой методикой понимают подачу электрического потенциала на поверхность той или иной детали автомобиля, что приводит к эффективному и длительному замедлению ржавления.

При описываемой защите транспортного средства катодом являются специальные пластинки, которые накладывают на наиболее уязвимые его узлы. А роль анода играет корпус автомобиля. Подобное распределение потенциалов обеспечивает целостность корпуса машины, так как разрушению подвергаются только катодные пластины, а основной металл не корродирует.

Под уязвимыми местами транспортного средства, которые можно защитить по катодной методике, понимают:

• заднюю и переднюю части днища;
• арку заднего колеса;
• области фиксации подфарников и непосредственно фар;
• стыки крыла с колесом;
• внутренние зоны дверей и порогов;
• пространство за щитками колес (передних).

Для защиты автомобиля необходимо приобрести специальный электронный модуль (некоторые умельцы изготавливают его самостоятельно) и протекторы-пластины. Модуль монтируют в салоне машины, подсоединяют к бортовой сети (он должен быть запитанным при отключении автодвигателя). Установка устройства занимает буквально 10–15 минут. Причем энергии оно берет минимум, а антикоррозионную защиту гарантирует весьма качественную.

Защитные пластины могут иметь разный размер. Их число также отличается в зависимости от того, в каких местах автомобиля они монтируются, а также от того, какие геометрические параметры имеет электрод. На практике пластин нужно тем меньше, чем больший размер имеет электрод.

Защита от коррозии автомобиля по катодной методике производится и иными сравнительно простыми способами. Самый элементарный – подсоединить проводом "плюс" аккумулятора автомобиля к обычному металлическому гаражу. Обратите внимание – для подключения необходимо обязательно использовать резистор.

4 Защита трубопроводов методом катодной поляризации

Разгерметизация различных по назначению трубопроводов происходит во многих случаях из-за их коррозионного разрушения, вызываемого появлением разрывов, трещин и каверн. Особенно подвержены ржавлению подземные коммуникации. На них образуются зоны с разным потенциалом (электродным), что обуславливается гетерогенностью грунта и неоднородным составом металлов, из которых изготавливаются трубы. За счет появления указанных зон начинается процесс активного формирования коррозионных гальванических компонентов.

Катодная поляризация трубопроводов, выполняемая по схемам, описанным в начале статьи (гальваника или внешний источник энергии), базируется на уменьшении скорости растворения материала труб в процессе их эксплуатации. Достигается подобное уменьшение посредством смещения коррозионного потенциала в зону, имеющую по отношению к естественному потенциалу более отрицательные показатели.

Еще в первой трети 20 столетия был определен потенциал катодной поляризации металлов. Его показатель равняется –0,85 вольт. В большинстве грунтов естественный потенциал металлических конструкций находится в диапазоне от –0,55 до –0,6 вольт.

Это означает, что для эффективной защиты трубопроводов требуется "передвинуть" коррозионный потенциал в отрицательную сторону на 0,25-0,3 вольт. При такой его величине практическое влияние ржавления на состояние коммуникаций почти полностью нивелируется (коррозия за год имеет скорость не более 10 микрометров).

Методика с применением источника тока (внешнего) считается трудоемкой и достаточно сложной. Зато она обеспечивает высокий уровень защиты трубопроводов, ее энергетический ресурс ничем не ограничивается, при этом сопротивление (удельное) грунта оказывает минимальное влияние на качество защитных мероприятий.

Источниками питания для катодной поляризации обычно являются воздушные электролинии на 0,4; 6 и 10 кВ. На местностях, где таковых нет, допускается использование газо-, термо и дизель-генераторов в качестве источников энергии.

Ток-"защитник" распределяется неравномерно по протяженности трубопроводов. Наибольшая его величина отмечается в так называемой точке дренажа – в месте, где производится подключение источника. Чем больше расстояние от этой точки, тем меньше защищены трубы. При этом и чрезмерный ток непосредственно в зоне подключения оказывает негативное влияние на трубопровод – высока вероятность водородного растрескивания металлов.

Метод с использованием гальванических анодов демонстрирует неплохую эффективность в грунтах с малым показателем омности (до 50 ом*м). В грунтах высокоомной группы его не применяют, так как особых результатов он не дает. Здесь стоит добавить, что аноды изготавливают из сплавов на основе, алюминия, магния и цинка.

5 Коротко о станциях катодной защиты (СКЗ)

Для антикоррозионной защиты трубопроводов, проложенных под землей, вдоль трассы их залегания устанавливают СКЗ, включающие в себя:

• анодное заземление;
• источник тока;
• пункт контроля и измерения;
• кабели и провода, выполняющие соединительные функции.

Станции подключают к сетям электрического тока либо к автономным устройствам. Разрешается устанавливать на СКЗ несколько заземлений и источников энергии тогда, когда в одном подземном коридоре проложено две и более ниток трубопровода. Это, правда, влечет за собой увеличение расходов на проведение антикоррозионных мероприятий.

Если монтируется всего одна установка на многониточные коммуникации, ее соединение с трубами осуществляется посредством особых блоков. Они не позволяют формироваться сильным гальваническим парам, возникающим при монтаже глухих перемычек на трубные изделия. Указанные блоки изолируют трубы друг от друга, а также дают возможность выбирать на каждом элементе трубопроводов требуемый потенциал, гарантирующий максимальную защиту конструкции от ржавления.

Выходное напряжение на катодных станциях может регулироваться автоматически (установка в этом случае оснащается тиристорами) или вручную (оператор переключает при необходимости трансформаторные обмотки). В ситуациях, когда СКЗ функционируют в изменяющихся во времени условиях, рекомендуется эксплуатировать станции с автоматической регулировкой напряжения.

Они сами следят за показателями сопротивления (удельного) грунта, появлением блуждающих токов и прочих факторов, оказывающих негативное воздействие на качество защиты, и автоматически корректируют работу СКЗ. А вот в системах, где защитный ток и показатель сопротивления в его цепи остаются неизменными, лучше использовать установки с ручной настройкой напряжения на выходе.

Добавим, что регулирование в автоматическом режиме производится по одному из двух показателей:

• по току защиты (гальваностатические преобразователи);
• по потенциалу объекта, который защищается (потенциостатические преобразователи).

6 Информация об известных станциях катодной защиты

Среди популярных отечественных СКЗ можно выделить несколько установок. Очень востребованной является станция Минерва–3000 – мощная система, разработанная французскими и российскими инженерами для объектов Газпрома. Достаточно одной Минервы, чтобы надежно защитить от ржавления до 30 километров трубопроводов. Станция обладает такими основными достоинствами:

• уникальная технологичность выпуска всех ее комплектующих;
• повышенная мощность СКЗ (можно предохранять коммуникации с очень плохим защитным покрытием);
• самовосстановление (после аварийных перегрузок) режимов работы станции на протяжении 15 секунд;
• наличие высокоточного цифрового оборудования для контроля рабочих режимов и системы терморегулирования;
• наличие защитных схем от перенапряжения измерительных и входных цепей;
• отсутствие подвижных узлов и герметичность электрошкафа.

Кроме того, к Минерва–3000 можно подключать установки для удаленного контроля над работой станции и дистанционного управления ее оборудованием.

Отличными техническими показателями обладают и системы АСКГ-ТМ – современные телемеханизированные адаптивные станции для защиты электрокабелей, городских и магистральных трубопроводов, а также емкостей, в которых хранят газ и нефтепродукты. Такие устройства выпускаются с разными показателями (от 1 до 5 киловатт) выходной мощности. Они располагают многофункциональным телеметрическим комплексом, позволяющим выбирать конкретный рабочий режим СКЗ, мониторить и изменять параметры станции, а также обрабатывать поступающую информацию и отправлять ее оператору.

Преимущества использования АСКГ-ТМ :

• возможность встраивания в SCADA-комплексы за счет поддержки ОРС-технологии;
• резервный и главный канал связи;
• выбор значения мощности (выходной);
• повышенная отказоустойчивость;
• большой интервал рабочих температур;
• уникальная точность настройки выходных параметров;
• предохранение от напряжения силовых выходов системы.

Имеются СКЗ и других типов, сведения о которых несложно найти на специализированных сайтах в интернете.

7 Какие объекты можно защищать при помощи катодной поляризации?

Кроме защиты автомобилей и трубопроводов рассматриваемые методики поляризации активно используются для предохранения от коррозии арматуры, входящей в железобетонные конструкции (здания, дорожные объекты, фундаменты и так далее). Обычно арматура представляет собой единую электросистему, которая при попадании в нее хлоридов и воды активно корродирует.

Катодная поляризация в сочетании с операцией санации бетона останавливает коррозионные процессы. В данном случае необходимо применять два типа анодов:

• основные – из титана, графита или их комбинации с покрытием металлооксидного вида, а также кремнистого чугуна;
• распределительные – стержни из сплавов титана с добавочным слоем металлической защиты либо с неметаллическим электропроводящим покрытием.

Регулируя внешний ток, поступающий на железобетонную конструкцию, осуществляют выбор потенциала арматуры.

Поляризация считается незаменимой методикой для защиты стационарных строений, размещаемых на континентальном шельфе, в газовой и нефтяной промысловых сферах. Первоначальные защитные покрытия на таких объектах невозможно восстановить (требуется их демонтаж и транспортировка в сухие ангары), а значит, остается один выход – катодная защита металлов.

Для предохранения от морской коррозии применяется гальваническая поляризация гражданских кораблей посредством анодов из цинка, магния, алюминиевых сплавов. На берегу (во время ремонтов и стоянок) судна подключают к СКЗ, аноды для которых делают из платинированного титана.

Также катодная защита используется для предохранения от разрушения внутренних частей сосудов и емкостей, а также труб, которые контактируют со сточными промышленными водами и иными агрессивными электролитами. Поляризация в данном случае увеличивает время безремонтного применения указанных конструкций в 2–3 раза.

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.

Как бы ни был популярен пластик, но большинство магистралей, проложенных в грунте (заглубленных) монтируется из стальных или чугунных образцов. Существенным минусом таких трубопроводов, при всех неоспоримых достоинствах, является подверженность материалов коррозии. Независимо от типа (эл/химическая, вызванная блуждающими токами или иным фактором), она существенно снижает эксплуатационный срок инженерной коммуникации или отдельной ее части.

В зависимости от местных условий и экономической целесообразности на практике реализуется несколько методик защиты трубопроводов. Все они подразделяются на 2 группы – активные и пассивные. Катодная защита относится к первой. Ее особенностям, технологии обустройства, принципу функционирования посвящен данный материал.

Схема катодной защиты трубопроводов

Состав

• Источник пром/напряжения.
• Преобразователь тока (переменный/постоянный).
• Анодный заземлитель (одинарный или комбинированный).
• Соединительные элементы цепи (проводники из металла).

Дополнительно

• Вольтметр.
• Контрольный электрод (медно-сульфатный).

Принцип действия

Подключение

Роль катода в этой схеме играет сам трубопровод. Он присоединяется к «-» выпрямителя. Соответственно, анод – к его «+».

Условие функционирования

Наличие электролитической среды (в данном случае – почвы) и анода из токопроводящего материала. Это не обязательно должен быть металл.

Порядок работы защиты

При подаче напряжения в схему возникает электрическое поле, создающее на участке трубопровода катодную поляризацию. Не вдаваясь в тонкости протекающих процессов, достаточно сказать, что в результате от разрушается не трубопровод, а анод, так как она образуется именно в области «+» напряжения. Заземлитель через определенное время заменить гораздо легче и дешевле, чем одну или несколько труб на трассе.

Особенности схем катодной защиты

• В качестве источника питания могут использоваться как стационарные линии, так и мобильные генераторы.
• Максимальный потенциал защитного поля для трубопроводов, не имеющих специального покрытия, не регламентирован. В остальных случаях (например, если элементы трассы имеют полимерную изоляцию) рассчитывается индивидуально для каждой схемы.
• В зависимости от специфики трубопровода анодные заземлители могут отличаться способом расстановки (распределенные, сосредоточенные) и положением относительно уровня грунта (протяженные, глубинные).
• Материал анода выбирается для конкретной почвы из расчета эксплуатации без замены минимум 15 лет. Этот срок можно искусственно увеличить, если поместить заземлитель в какую-либо среду. Например, в измельченный кокс.

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.