Поиск по сайту

Жми

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. 3.1. 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.

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 (j0a доп) нарушается распределение токов коррозионных макропар, сближаются значения разности потенциалов «труба–земля» катодных участков (j) с разностью потенциалов анодных участков (j), обеспечиваются условия для поляризации.

Катодная защита регулируется путем поддержания необходимого защитного потенциала. Если наложением внешнего тока трубопровод заполяризован до равновесного потенциала (j = j) растворения металла (рис. 3.2, а), то анодный ток прекращается и коррозия приостанавливается. Дальнейшее повышение защитного тока нецелесообразно. При более положительных значениях потенциала наступает явление неполной защиты (рис. 3.2, 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. 3.1.

Таблица 3.1

Плотность тока, необходимая для катодной защиты

неизолированной стальной поверхности в различных средах

Среда (почва)

Плотность тока,

необходимая для катодной защиты, мА/м2

Стерильная нейтральная

4,3 ... 16,1

Хорошо аэрируемая нейтральная

21,5 ... 32,3

Сухая, хорошо аэрируемая

5,4 ... 16,1

Влажная

16,9 ... 64,6

Высококислая

53,8 ... 161,4

Поддерживающая активность сульфатновосстанавливающих бактерий

451,9

 

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/м2.

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.

В качестве критерия защищенности по ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии» принят защитный потенциал (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Минимальные защитные потенциалы

Условия прокладки и эксплуатации трубопровода

Минимальный защитный потенциал относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения, В

поляризационный

с омической

составляющей

Грунты с предельным электрическим сопротивлением не менее             10 Ом×м или содержанием водорастворимых солей не более 1 г на 1 кг грунта или при температуре транспортируемого продукта не более 293 К (200С)

- 0,85

- 0,90

Грунты с предельным электрическим сопротивлением менее           10 Ом×м или содержанием водорастворимых солей более 1 г на           1 кг грунта, или опасном влиянии блуждающих токов промышленной частоты (50 Гц) и постоянных токов, или при возможной микробиологической коррозии, или при температуре транспортируемого продукта более 293 К (200С)

- 0,95

- 1,05

Примечания:

1. Для трубопроводов, температура транспортируемого продукта которых не более 278 К (50С), минимальный поляризационный защитный потенциал равен минус  0,80 В относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения.

2. Минимальный защитный потенциал с омической составляющей при температуре транспортируемого продукта от 323 К (500С) до 343 К (700С) - минус 1,10 В, от
343 К (700С) до 373 К (1000С) - минус 1,15 В.

3. Для грунтов с высоким удельным сопротивлением (более 100 Ом×м) значения минимального потенциала с омической составляющей должны быть определены экспериментально или расчетным путем в соответствии с НД.

 

Смещение разности потенциалов «труба-земля» в отрицательную сторону относительно минимально защитного, с точки зрения защиты от коррозии, бесполезно и вызывает повышение расхода тока. Однако, такое смещение разности потенциалов необходимо в местах подключений станций катодной защиты (СКЗ) к трубопроводу, чтобы обеспечить минимальную защитную разность потенциалов на участках трубопровода, удаленных от СКЗ. Как только разность потенциалов «труба-земля» достигнет величин, отрицательнее - 1,10 В, на трубопроводе (катоде) катодный процесс будет протекать с интенсивным выделением водорода, что может нарушить прилипаемость изоляции трубопровода. Поэтому для изолированных трубопроводов максимально допустимая разность поляризационных потенциалов принята равной - 1,10 В (табл.3.3).

 

Наблюдениями установлено, что в определенных условиях изолирующее покрытие сохраняет прилипаемость к трубе и при более отрицательных разностях потенциалов. Это относится, прежде всего, к участкам, уложенным в хорошо аэрируемых грунтах с добросовестно выполненным покрытием. На участках трубопровода, где при строительстве изоляция выполнена небрежно со слабой прилипаемостью, наблюдается отрыв ее от трубы в условиях перезащиты.

Таблица 3.3

Максимальные защитные потенциалы

Условия прокладки и эксплуатации

трубопровода

Максимальный защитный потенциал относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения, В

поляризационный

с омической

составляющей

При прокладке трубопровода с температурой транспортируемого продукта выше           333 К (600С) в грунтах с удельным электрическим сопротивлением менее 10 Ом×м или при подводной прокладке трубопровода с температурой транспортируемого продукта выше 333 К (600С)

- 1,10

- 1,50

При других условиях прокладки трубопроводов:

- с битумной изоляцией

- с полимерной изоляцией

 

 

- 1,15

- 1,15

 

 

- 2,50

- 3,50

Примечания:

1. Для трубопроводов из упрочненных сталей с пределом прочности 0,6 МПа
(6 кг/см2) и более не допускаются поляризационные потенциалы более отрицательные, чем минус 1,10 В.

2. В грунтах с высоким удельным сопротивлением (более 100 Ом×м) допускаются более отрицательные потенциалы с омической составляющей, установленные экспериментально или расчетным путем в соответствии с НД.

Проведены исследования почвенных условий, в которых эксплуатируются трубопроводы, в частности, влияние влажности грунтов и давления их на покрытие. Изучено поведение таких новых видов изоляционных материалов, как полимерные материалы и стеклоэмали в условиях катодной поляризации. Экспериментальными исследованиями установлена принципиальная возможность применения на подземных стальных трубопроводах катодной защиты с повышенным против нормы защитным потенциалом в тех случаях, когда трубопровод не находится в постоянном контакте с грунтовыми водами. Положительные результаты получены при повышении защитного потенциала в точке дренажа катодных станций при битумной изоляции до - 2,5 В, при полимерной пленочной и силикатных эмалях - до - 3,5 В. Такое повышение защитного потенциала обеспечивает увеличение экономической эффективности катодной защиты магистральных трубопроводов за счет сокращения числа катодных станций в 3 - 4 раза.

Для неизолированных стальных труб, не имеющих сближений и пересечений с другими металлическими сооружениями, смещение разности потенциалов в отрицательную сторону не ограничивается.

Потенциал подземного трубопровода со временем становится более отрицательным или более положительным. Это зависит от конкретных условий. На магистральном трубопроводе непрерывно развиваются два процесса:

1. Разрушение изолирующего покрытия и включение в коррозионный процесс все новых активных электрохимических участников стального трубопровода. При этом стационарный потенциал смещается в отрицательную сторону. В том же направлении действует увеличение влажности и естественное уплотнение грунта в траншее.

2. Образование продуктов коррозии и их отложения на металлической поверхности снижают ее электрохимическую активность и смещают стационарный потенциал в положительную сторону. Этому способствует также высыхание грунта и дренирование грунтовых вод с трассы трубопровода.

В зависимости от того, какой из этих процессов является доминирующим в условиях данного трубопровода, и будет определяться характер сдвига потенциала.