В горах грунты состоят из пород с жёсткими связями (скальные и
сцементированные породы) они с коррозийной точки зрения не представляют опасности,
так как являются высокоомными. Электропроводимость грунта является функцией
влажности, состава и концентрации солей, воздухопроницаемости.
Электропроводимость безводных и гидротированных составляющих твёрдого скелета
грунта очень мала.
Для протяжённого трубопровода в данных условиях особенно сильно
проявляется неоднородность грунтов, то есть чередование высокоомных грунтов
(известняка, известкового мергеля, щебня, шифера, песка) и грунтов с меньшим
сопротивлением (глина, глинистый
мергель, суглинки, гумус). При этом низкоомные грунты, менее аэрированные и
содержат больше солей, чем высокоомные грунты, поэтому в зоне прилегания разнородных
грунтов могут образовываться гальванические коррозионные элементы. Соответствующие
катоды располагаются в зоне высокоомных, а аноды в зоне низкоомных грунтов. Под
действием электродвижущей силы гальванической пары свободные электроны
перемещаются по решетке металла в сторону катодной зоны, где переходят из
металла в грунт, реагируя с окисляющими элементами электролита и образуя ионы
кислорода и водорода. При этом потери массы металла не происходит. Однако, в
результате нарушения электрического равновесия в решетке металла, в анодной
зоне происходит переход положительных ионов железа из металла в грунт. Этот
процесс вызывает потерю массы металла, протекающую по закону Фарадея и
зависящую от потенциала.
Анодные и катодные процессы протекают сопряжено и замедление одного приводит
к торможению другого.
Методы защиты подземных металлических трубопроводов от коррозии подразделяются
на пассивные и активные. Пассивный метод защиты от коррозии предполагает
создание непроницаемого барьера между металлом трубопровода и окружающим его
грунтом. Это достигается нанесением на трубу специальных защитных покрытий
(битум, каменноугольный пек, полимерные ленты, эпоксидные смолы и пр). Как
правило, на практике не удается добиться полной сплошности изоляционного
покрытия: различные виды покрытия имеют различную диффузионную проницаемость и
поэтому обеспечивают различную изоляцию трубы от окружающей среды. В процессе
строительства и эксплуатации в изоляционном покрытии возникают трещины, задиры,
вмятины и другие дефекты. Наиболее опасными являются сквозные повреждения
защитного покрытия, где, практически, и протекает грунтовая коррозия. Так как
пассивным методом не удается осуществить полную защиту трубопровода от
коррозии, одновременно применяется активная защита, связанная с управлением
электрохимическими процессами, протекающими на границе металла трубы и
грунтового электролита.Активный метод защиты от коррозии осуществляется путем катодной
поляризации и основан на снижении скорости растворения металла по мере смещения
его потенциала коррозии в область более отрицательных значений, чем
естественный потенциал. В 1928 году Роберт Кун опытным путем установил, что
величина потенциала катодной защиты стали составляет минус 0,85 Вольт
относительно медносульфатного электрода сравнения. Так как естественный
потенциал стали в грунте примерно равен -0,55...-0,6 Вольта, то для осуществления
катодной защиты необходимо сместить потенциал коррозии на 0,25...0,30 Вольта в
отрицательную сторону. Прилагая между поверхностью металла трубы и грунтом
электрический ток, необходимо достигнуть снижения потенциала в дефектных местах
изоляции трубы до значения ниже критерия защитного потенциала, равного - 0,85
В. В результате этого скорость коррозии снимается до 10 мкм в год, утрачивая
при этом свое практическое значение.Катодная защита трубопроводов осуществляется двумя основными методами: применением
магниевых анодов-протекторов (гальванический метод) и применением внешних
источников постоянного тока, минус которых соединяется с трубой, а плюс - с анодным
заземлением (электрический метод).
В основу гальванического метода положен тот факт, что различные металлы в
электролите имеют различные электродные потенциалы. Если образовать
гальванопару из двух металлов и поместить их в электролит, то металл с более
отрицательным потенциалом станет анодом и будет разрушаться, защищая, тем
самым, металл с менее отрицательным потенциалом.
На практике в качестве гальванических анодов используются протекторы из
стальных, магниевых, алюминиевых и цинковых сплавов.
Установки гальванической защиты (протекторные установки) применяются для
катодной защиты подземных металлических сооружений в тех случаях, когда
применение установок, питающихся от внешних источников тока, экономически
нецелесообразно: отсутствие линий электропитания, небольшая протяженность
объекта и т.п. Обычно протекторные установки применяются для катодной защиты
резервуаров и трубопроводов, не имеющих электрических контактов со смежными
протяженными коммуникациями, отдельных участков трубопроводов, которые не
обеспечиваются достаточным уровнем защиты от преобразователей, электрически
отсеченных от магистрали участков трубопроводов изолирующими соединениями, а
также стальных защитных кожухов (патронов), подземных резервуаров и емкостей,
стальных опор и свай и других сосредоточенных объектов.
Применение катодной защиты с помощью магниевых протекторов эффективно
только в низкоомных грунтах (с удельным сопротивлением до 50 Ом*м). В
высокоомных грунтах такой метод необходимой защищенности не обеспечивает.
Протяженные протекторы следует использовать в грунтах с удельным
электрическим сопротивлением не более 500 Ом*м.
Групповые протекторные установки, единичные и протяженные протекторы должны быть подключены к защищаемому
трубопроводу через контрольно-измерительные пункты.Для защиты подземных трубопроводов от коррозии по трассе их залегания
сооружаются станции катодной защиты (СКЗ). В состав СКЗ входят источник
постоянного тока (защитная установка), анодное заземление,
контрольно-измерительный пункт, соединительные провода и кабели.
В качестве источников питания установок катодной защиты используются
воздушные линии 0,4; 6; 10 кВ, а также автономные источники: дизельгенераторы,
термогенераторы, газогенераторы и др.
СКЗ устанавливаются
вдоль нефтепровода через определённое расстояние, которое зависит от: типа
грунта, мощности СКЗ и т. д. Зоны защит СКЗ должны перекрываться, а у самой СКЗ
должен быть запас по мощности не менее 35%.
Регулировка выходного напряжения преобразователя осуществляется вручную,
путем переключения отводов обмотки трансформатора, или автоматически, с помощью
управляемых вентилей (тирристоров.). Выпрямление переменного тока
осуществляется мостовыми схемами или схемами со средней точкой вторичной
обмотки трансформатора. Эти схемы имеют, к.п.д. от 60 до 75% и остаточную
пульсацию выпрямленного тока до 48% при частоте 100 Гц.
Преобразователи с ручным регулированием выходного напряжения используются
в системах ЭХЗ, в которых сопротивление в цепи тока и требуемый защитный ток
остаются неизменными продолжительное время.
Если установки катодной защиты работают в условиях, изменяющихся во
времени, которые могут обусловливаться воздействием блуждающих токов,
изменением удельного сопротивления грунта или другими факторами, то
целесообразно предусматривать преобразователи с автоматическим регулированием
выходного напряжения. Автоматическое регулирование может осуществляться по
потенциалу защищаемого сооружения (преобразователи потенциостаты) или по току
защиты (преобразователи гальваностаты).
Защитный ток, накладываемый на трубопровод от преобразователя (станции катодной
защиты) и создающий разность потенциалов "труба-земля", распределяется
неравномерно по длине трубопровода (при использовании глубинного или
сосредоточенного (группового) анодного заземления). Поэтому максимальное по
абсолютной величине значение этой разности находится в точке подключения
источника тока (точке дренажа). По мере удаления в обе стороны от этой точки
разность потенциалов "труба-земля" уменьшается. Чрезмерное завышение
разности потенциалов отрицательно влияет на адгезию покрытия и может вызвать
наводороживание металла трубы, что может стать причиной водородного
растрескивания. Снижение разности потенциалов не обеспечивает защиту от
коррозии по всей протяжённости трубопровода.
Для эффективной работы глубинного анодного заземлителя необходимо в
процессе монтажа добиться чтобы его сопротивления растекания было менее или
равно 1 Ом*м, а добиться такого в высокоомных грунтах практически не
представляется возможным. Зона защиты станции катодной защиты в скальных
породах будет минимальной, из – за плохой проводимости грунта.
Этого недостатка можно
избежать, используя схему с протяженными анодами.
В схеме с протяженными
анодами используются специальные аноды кабельного типа, состоящие из
металлического проводника (жилы), покрытого специальной электропроводящей
оболочкой из эластомера. При строительстве аноды укладываются одновременно с трубопроводом,
рисунок №1.

Таким образом, мы
добиваемся равномерного распределения защитного потенциала по всей протяжённости
трубопровода, устраняя зоны недозащиты. Близкое расположение анода к
трубопроводу позволяет натекать току СКЗ на МН даже в высокоомных грунтах, тем
самым, снижая скорость коррозии в местах повреждения изоляционного покрытия до
минимального значения (в среднем 0,01 мм/год).
Стоимость протяжённых
анодов значительно выше, чем глубинных, поэтому их применение экономически
целесообразно на участках с высокоомными грунтами.
Считаю что, на
проектируемом нефтепроводе должна применяться комбинированная электрохимзащита
с применением различных видов анодных заземлителей для станций катодной защиты.
Протяжённые аноды, для защиты подземных трубопроводов в высокоомных грунтах,
широко используется организацией РАО «ГАЗПРОМ» так, например один из последних
проектов – строительстве газопровода в Турцию. |