Электрохимическая защита от коррозии состоит из катодной и дренажной защиты. Катодная защита трубопроводов осуществляется двумя основными методами: применением металлических анодов-протекторов (гальванический протекторный метод) и применением внешних источников постоянного тока, минус которых соединяется с трубой, а плюс - с анодным заземлением (электрический метод).
Рис. 1. Принцип работы катодной защиты
Гальваническая протекторная защита от коррозии
Наиболее очевидным способом осуществления электрохимической защиты металлического сооружения, имеющего непосредственный контакт с электролитической средой, является метод гальванической защиты, в основу которого положен тот факт, что различные металлы в электролите имеют различные электродные потенциалы. Таким образом, если образовать гальванопару из двух металлов и поместить их в электролит, то металл с более отрицательным потенциалом станет анодом-протектором и будет разрушаться, защищая металл с менее отрицательным потенциалом. Протекторы, по существу, служат портативными источниками электроэнергии.
В качестве основных материалов для изготовления протекторов используются магний, алюминий и цинк. Из сопоставления свойств магния, алюминия и цинка видно, что из рассматриваемых элементов магний обладает наибольшей электродвижущей силой. В то же время одной из наиболее важных практических характеристик протекторов является коэффициент полезного действия, показывающий долю массы протектора, использованной на получение полезной электрической энергии в цепи. К.П.Д. протекторов, изготовленных из магния и магниевых сплавов, редко превышают 50 % в, в отличие от протекторов на основе Zn и Al с К.П.Д. 90 % и более.
Рис. 2. Примеры магниевых протекторов
Обычно протекторные установки применяются для катодной защиты трубопроводов, не имеющих электрических контактов со смежными протяженными коммуникациями, отдельных участков трубопроводов, а также резервуаров, стальных защитных кожухов (патронов), подземных резервуаров и емкостей, стальных опор и свай, и других сосредоточенных объектов.
В то же время протекторные установки очень чувствительны к ошибкам в их размещении и комплектации. Неправильный выбор или размещение протекторных установок приводит к резкому снижению их эффективности.
Катодная защита от коррозии
Наиболее распространенный метод электрохимической защиты от коррозии подземных металлических сооружений - это катодная защита, осуществляемая путем катодной поляризации защищаемой металлической поверхности. На практике это реализуется путем подключения защищаемого трубопровода к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, называемого станцией катодной защиты. Положительный полюс источника соединяют кабелем с внешним дополнительным электродом, сделанным из металла, графита или проводящей резины. Этот внешний электрод размещается в той же коррозионной среде, что и защищаемый объект, в случае подземных промысловых трубопроводов, в почве. Таким образом, образуется замкнутая электрическая цепь: дополнительный внешний электрод - почвенный электролит - трубопровод - катодный кабель - источник постоянного тока - анодный кабель. В составе данной электрической цепи трубопровод является катодом, а дополнительный внешний электрод, присоединенный к положительному полюсу источника постоянного тока, становится анодом. Данный электрод называется анодным заземлением. Отрицательно заряженный полюс источника тока, присоединенный к трубопроводу, при наличии внешнего анодного заземления катодно поляризует трубопровод, при этом потенциал анодных и катодных участков практически выравнивается.
Таким образом, система катодной защиты состоит из защищаемого сооружения, источника постоянного тока (станции катодной защиты), анодного заземления, соединительных анодной и катодной линий, окружающей их электропроводной среды (почвы), а также элементов системы мониторинга - контрольно-измерительных пунктов.
Дренажная защита от коррозии
Дренажная защита трубопроводов от коррозии блуждающими токами осуществляется путем направленного отвода этих токов к источнику или в землю. Установка дренажной защиты может быть нескольких видов: земляной, прямой, поляризованный и усиленный дренажи.
Рис. 3. Станция дренажной защиты
Земляной дренаж осуществляется заземлением трубопроводов дополнительными электродами в местах их анодных зон, прямой дренаж - созданием электрической перемычки между трубопроводом и отрицательным полюсом источника блуждающих токов, например рельсовой сетью электрифицированной железной дороги. Поляризованный дренаж в отличие от прямого обладает только односторонней проводимостью, поэтому при появлении положительного потенциала на рельсах дренаж автоматически отключается. В усиленном дренаже дополнительно в цепь включается преобразователь тока, позволяющий увеличивать дренажный ток.
Существуют различные методы обработки металлических труб, но наиболее эффективной из них является катодная защита трубопроводов от коррозии. Она необходима для предотвращения их преждевременной разгерметизации, которая повлечет за собой образование трещин, каверн и разрывов.
Коррозия металлов представляет собой естественный процесс, при котором происходит изменение атомов металла. Вследствие этого их электроны переходят к окислителям, что влечет разрушение структуры материала.
Для подземных трубопроводов дополнительным фактором коррозийного влияния является состав грунта. В нем присутствуют участки различного электродного потенциала, что является причиной образования коррозийных гальванических элементов.
Существует несколько разновидностей коррозии, среди которых:
- Сплошная. Отличается большой сплошной площадью распространения. В редких случаях становится причиной повреждения трубопровода, так как зачастую не проникает глубоко в структуру металла;
- Местная коррозия – становится наиболее частой причиной разрывов, так как не охватывает большую площадь, но проникает глубоко. Подразделяется на язвенную, нитевидную, сквозную, подповерхностную, пятнистую, ножевую, межкристаллитную, коррозийную хрупкость и растрескивание.
Методы защиты подземного трубопровода
Защита от коррозии металла может быть как активной, так и пассивной. Пассивные методы предполагают создание для трубопровода таких условий, в которых на него не будет влиять окружающий его грунт. Для этого на него наносятся особые защитные составы, которые становятся барьером. Чаще всего используются в виде покрытия битум, эпоксидные смолы, полимерные ленты либо каменноугольный пек.
Для активного метода чаще всего используется катодная защита трубопроводов от коррозии. Она основывается на создании поляризации, что позволяет снизить скорость растворения металла. Этот эффект реализуется за счет смещения потенциала коррозии в более отрицательную область. Для этого между поверхностью металла и грунтом проводиться электрический ток, что существенно снижает скорость коррозии.
Способы реализации катодной защиты:
- С использованием внешних источников тока, которые соединяются с защищаемой трубой и с анодным заземлением;
- С использованием гальванического метода (магниево-жертвенных анодов-протекторов).
Катодная защита трубопроводов от коррозии с использованием внешних источников является более сложной. Так как требует использования особых конструкций, которые обеспечивают подачу постоянного тока. Гальванический способ, в свою очередь, реализуется за счет протекторов, которые позволяют обеспечивать эффективную защиту только в грунтах с низким электрическим сопротивлением.
Может использоваться для защиты трубопровода и анодный метод. Он используется в условиях контакта с агрессивной химической средой. Анодный метод основывается на переводе активного состояния металла в пассивное и его поддержания за счет влияния внешнего анода.
Несмотря на определенные сложности в реализации, данный метод активно используется там, где катодная защита трубопроводов от коррозии не может быть реализована.
Примеры катодной защиты трубопроводов от коррозии на выставке
Опыт использования и новые разработки в данной сфере освещаются на ежегодной отраслевой выставке «Нефтегаз», которая проходит в ЦВК «Экспоцентр».
Выставка является крупным событием индустрии и отличной площадкой для ознакомления специалистов с новыми разработками, а также запуска новых проектов. Выставка «Нефтегаз» будет проходить в ЦВК «Экспоцентр» в Москве на Красной Пресне.
Читайте другие наши статьи.
При катодной защите трубопровода положительный полюс источника постоянного тока (анод) подключается к специальному анодному заземлителю, а отрицательный (катод) – к защищаемому сооружению (рис. 2.24).
Рис. 2.24. Схема катодной защиты трубопровода
1- линия электропередачи;
2 - трансформаторный пункт;
3 - станция катодной защиты;
4 - трубопровод;
5 - анодное заземление;
6 - кабель
Принцип действия катодной защиты аналогичен электролизу. Под воздействием электрического поля начинается движение электронов от анодного заземлителя к защищаемому сооружению. Теряя электроны, атомы металла анодного заземлителя переходят в виде ионов в раствор почвенного электролита, то есть анодный заземлитель разрушается. На катоде (трубопроводе) наблюдается избыток свободных электронов (восстановление металла защищаемого сооружения).
49. Протекторная защита
При прокладке трубопроводов в труднодоступных районах, удаленных от источников электроэнергии, применяется протекторная защита (рис. 2.25).
1 - трубопровод;
2 - протектор;
3 - проводник;
4 - контрольно-измерительная колонка
Рис. 2.25. Схема протекторной защиты
Принцип действия протекторной защиты аналогичен гальванической паре. Два электрода – трубопровод и протектор (изготовленный из более электроотрицательного металла, чем сталь) соединяются проводником. При этом возникает разность потенциалов, под действием которой происходит направленное движение электронов от протектора-анода к трубопроводу-катоду. Таким образом, разрушается протектор, а не трубопровод.
Материал протектора должен отвечать следующим требованиям:
Обеспечивать наибольшую разность потенциалов металла протектора и стали;
Ток при растворении единицы массы протектора должен быть максимальным;
Отношение массы протектора, израсходованной на создание защитного потенциала, к общей массе протектора должно быть наибольшим.
Предъявляемым требованиям в наибольшей степени отвечают магний, цинк и алюминий . Эти металлы обеспечивают практически равную эффективность защиты. Поэтому на практике применяют их сплавы с применением улучшающих добавок (марганца , повышающего токоотдачу и индия – увеличивающего активность протектора).
50. Электродренажная защита
Электродренажная защита предназначена для защиты трубопровода от блуждающих токов. Источником блуждающих токов является электротранспорт, работающий по схеме «провод–земля». Ток от положительной шины тяговой подстанции (контактный провод) движется к двигателю, а затем через колеса к рельсам. Рельсы соединяются с отрицательной шиной тяговой подстанции. Из-за низкого переходного сопротивления «рельсы–грунт» и нарушения перемычек между рельсами часть тока стекает в землю.
Если поблизости находится трубопровод с нарушенной изоляцией, ток проходит по трубопроводу до тех пор, пока не будет благоприятных условий для возвращения к минусовой шине тяговой подстанции. В месте выхода тока трубопровод разрушается. Разрушение происходит за короткое время, поскольку блуждающий ток стекает с небольшой поверхности.
Электродренажной защитой называется отведение блуждающих токов от трубопровода на источник блуждающих токов или специальное заземление (рис. 2.26).
Рис. 2.26. Схема электродренажной защиты
1 - трубопровод; 2 - дренажный кабель; 3 - амперметр; 4 - реостат; 5 - рубильник; 6 - вентильный элемент; 7 - плавкий предохранитель; 8 – сигнальное реле; 9 – рельс
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:
- Взаимодействии с водой.
- 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:
- От источников постоянного тока возникновение блуждающих токов.
- Воздействие микроорганизмов.
- Созданное напряжение провоцирует растрескивание металла.
- Хранение отходов.
- Соленые почвы.
- Температура транспортируемого вещества выше 300 °С.
- 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:
- Температурно-влажностные показатели.
- Давление.
- Наличие освещенности.
- 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:
- Анодная, выполненная в виде заземляющих проводников.
- Преобразователи постоянных потоков электронов.
- Оборудование пункта управления процессом и контроля за этим процессом.
- 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:
- Выполненный под землей.
- Прямой.
- С полярностями.
- 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.
- 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.
- 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.