Противокоррозионная защита газопровода
Под коррозией металлических трубопроводов понимается самопроизвольное разрушение их под воздействием различных факторов химического или электрохимического характера,определяемых окружающей трубопровод средой. Окружающая среда может быть газообразной,жидкой и твердой. Газообразной средой обычно является атмосфера (при прокладке трубопроводов по надземной или наземной схеме).Жидкая среда воздействует на трубопровод при прокладке его под водой через реки,водохранилища и так далее. Твердой средой является любой грунт, в котором прокладывается трубопровод. Соответственно коррозии,протекающие в каждой из этих сред,называют атмосферной,жидкостной и подземной или почвенной.Они обычно воздействуют на наружную поверхность трубопровода и приводят к ее разрушению. Перечисленные коррозии подразделяются на химическую и электрохимическую коррозии, отличающиеся лишь механизмом коррозийного процесса.Химической коррозией называется самопроизвольное окисление металла, связанное с переходом его в более устойчивое ионное состояние под воздействием токонепроводящей среды.
Электрохимической называют коррозию, при которой металл самопроизвольно разрушается при взаимодействии с жидкой токопроводящей средой (электролитом)
При электрохимической коррозии скорость разрушения металла зависит от электродного потенциала.Это объясняется тем, что ионизация атомов металла и восстановление окислителя в электролите происходит не одновременно. Скорости протекания каждого процесса зависит от электродного потенциала металла.Соответственно от него зависит и скорость коррозии.Поскольку основным условием протекания электрохимической коррозии является наличие токопроводящей среды,то примером электрохимической коррозии может служить коррозия металлов во влажной воздушной или жидкой токопроводящей среде.Для электрохимической коррозии подземных трубопроводов наиболее характерна почвенная коррозия.
Наибольшую опасность представляет так называемая коррозия под воздействием блуждающих токов, возникающих вблизи электропроводящих систем(электрифицированные железные дороги)
Основными видами электрической защиты на газопроводах являются катодная, протекторная и дренажная. Катодные станции и протекторы применяют для защиты газопровода от почвенной коррозии, а дренажная и станции катодной защиты – для защиты газопровода от действия блуждающих токов. Для защиты объектов с разветвленной системой подземных коммуникаций КС и ГРС применяют комбинированную дренажно-катодно-протекторную защиту.В этом случае катодные станции сооружают с несколькими точками дренирования и рассредоточенными анодами, чтобы избежать экранирующего влияния подземных коммуникаций.
Для измерения потенциала, подключения контроля и наблюдения за работой средств электрозащиты без нарушения режима работы газопровода на нем сооружают катодные выводы через каждые 1000 м.Катодные выводы, выполненные из металлических стержней диаметром 6-8 мм или из кабеля, приваривают к газопроводу ручной электродуговой или термитной сваркой и выводят на поверхность земли в специальные катодные колодцы,в ниши железобетонных километровых столбов или в специальные ящики на телефонных столбах линии связи.
Потенциал трубы по отношению к почве измеряют специальными потенциометрами или катодными вольтметрами.
Катодная защита состоит в том, что положительный полюс источника постоянного тока соединяют проводником с анодным заземлением, из которого ток проходит в почву и через поврежденную изоляцию поступает в трубу.По трубе ток через катодный выход направляется к точке подключения проводника и по проводнику к отрицательному полюсу источника тока.При достаточном напряжении, создаваемом источником тока, вся поверхность трубопровода становится катодной (отрицательной),и таким образом можно предупредить возникновение заметной коррозии в ней, анодной зоной при этом становится поверхность зарываемого в землю бросового металла (анодное заземление)Потенциал трубы по отношению к почве, под действием проходящего тока становится более отрицательным.
При протекторной защите защитный потенциал на трубопроводе создается путем присоединения к нему протекторов из металла с более отрицательным потенциалом, чем потенциал трубы.При протекторной защите нет внешнего источника тока, а необходимый для защиты ток создается гальванической парой-защищаемой трубой(анодом)Под влиянием протектора трубопровод подвергается катодной поляризации и коррозия труб прекращается.Материалом для протектора служит смесь магния, алюминия,цинка и др.Наиболее распространенными протекторами являются магниевые сплавы МЛ-4,МЛ-5,а также цинковые марок ЦО и Ц1.Протекторная защита очень проста в эксплуатации и не требует обслуживания.Протекторы в комплексе с другими видами защиты наиболее целесообразно использовать для защиты отдельных участков,не перекрываемых смежными станциями катодной защиты, и защитных кожухов на переходах через железные и автомобильные дороги, а также на объектах с разветвленными подземными коммуникациями.Протекторы устанавливают группами по несколько штук и подсоединяют к катодному выходу или непосредственно к трубе.Протектор с катодным выходом или трубой соединяют кабелем, стальным или медным проводом.Для эффективной работы протекторов их помещают в заполнитель, вследствие чего уменьшается переходное сопротивление.Для магниевых протекторов в качестве заполнителя применяют сернокислый магний с гипсом и глиной(3,5:1,5:5),а для цинковых протекторов-сернокислый натрий с гипсом и глиной(2,5:2.5:5)Протекторы обычно устанавливают на расстоянии2-6 м от газопровода.
Дренажная защита
В большинстве случаев рельсы электрифицированных железных дорог и трамваев не имеют достаточной проводимости, в результате чего часть электрического тока стекает в почву.Такой ток называют блуждающим. Газопроводы, прокладываемые вблизи железных дорог, необходимо защищать от блуждающих токов,т к металлические газопроводы являются хорошими проводниками. В тех местах, где блуждающие токи из почвы входят в трубопровод, образуются катодные зоны, а в тех местах где токи выходят из трубопроводов в почву, образуются анодные зоны. В анодных зонах происходит активная коррозия металла трубы. Под воздействием блуждающих токов трубопроводы могут разрушаться насквозь в течение короткого периода, поэтому борьба с ними крайне необходима. Эффективным методом борьбы с коррозией, вызываемой блуждающими токами, является электрический дренаж,т е отвод блуждающих токов через проводник от газопровода к источнику возникновения этих токов.Отводом токов по проводнику понижается потенциал газопровода по отношению к почве,чем ликвидируются анодные и знакопеременные зоны и прекращается утечка токов с газопровода в землю. В зависимости от расположения тяговых подстанций и других факторов электродренажные линии от газопровода сооружаются либо непосредственно на тяговую подстанцию (на минусовую шину), либо на рельсы железной дороги. При сооружении электродренажной линии на минусовую шину тяговой подстанции электродренаж может быть прямым или поляризованным.Прямо дренаж применяется тогда, когда потенциал газопровода больше,чем потенциал системы, в которую отводятся блуждающие токи.При сооружении электродренажной линии на рельсы электродренаж должен быть обязательно поляризованным. Поляризованный дренаж отличается от прямого тем, что в схему дренажа вводятся поляризованные дренажные установки, устраняющие возможность обратного течения электрических токов на газопровод. Электродренажная линия может быть кабельной или воздушной. На электродренажной линии устанавливают контрольно-измерительные приборы.
Наибольшее распространение на газопроводах получили универсальные поляризованные дренажные установки типа УПДУ-57.
СРЕДСТВА ПРОТИВОКОРРОЗИОННОЙ ЗАЩИТЫ
Коррозия подземных трубопроводов и защита от нее
Коррозия подземных трубопроводов является одной из основных причин их разрушения в следствии образования каверн, трещин и разрывов. Под коррозией понимается реакция металла с окружающей его средой, вызывающая в нем изменения, способные к коррозионному повреждению. Такие реакции, как правило, имеют электрохимическую природу. Участки трубы, имеющие более отрицательный потенциал, являются анодными, участки с менее отрицательным потенциалом - катодным. Под действием электродвижущей силы гальванической пары свободные электроны перемещаются по решетки 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. Возникает так называемая гальваническая коррозия.
Модель коррозионного элемента
Важнейшими видами коррозии являются: поверхностная (сплошная по всей поверхности), местная в виде раковин, язвенная (питтинговая), щелевая, межкристаллитная и усталостное коррозионное растрескивание. Поверхностная коррозия лишь в редких случаях приводит к повреждениям, тогда как по причине язвенной коррозии происходит наибольшее число повреждений.
Виды коррозионных повреждений
На подземном трубопроводе за счет неоднородности металла трубы и гетерогенности грунта ( как по физическим свойствам, так и по химическому составу) возникают участки с различным электродным потенциалом, что обуславливает образование гальванических коррозионных элементов
Образование макрогальванического коррозионного элемента
а) на стыках новой и старых труб, б) на границах неоднородных грунтов
Образование макрогальванического коррозионного элемента
в следствии различной аэрации грунта
а) на переходе трубопровода под дорогой, б) в траншее на трубах большого диаметра
Коррозионная ситуация, в которой находится металлический трубопровод в грунте, зависит от большого количества факторов, связанных с грунтовыми и климатическими условиями, особенностями трассы, условиями эксплуатации. К таким факторам относятся: влажность грунта, химический состав грунта, кислотность грунтового электролита, структура грунта, температура транспортируемого газа.
Большую роль в протекании коррозионных процессов играет влажность грунта. При малой влажности увеличивается удельное электросопротивление грунта, что влечет снижение значения коррозионного тока. При большой влажности удельное сопротивление грунта уменьшается, но и сильно затрудняется диффузия кислорода к поверхности металла, что замедляет коррозионный процесс. Максимальная скорость коррозии наблюдается при влажности грунта 15...20%. По влажности грунты подразделяются на сухие, влажноватые, влажные, сырые и мокрые.
Немаловажным фактором, влияющим на скорость коррозии, является и кислотность грунтового электролита. Структура грунта определяет скорость диффузии кислорода воздуха к поверхности трубы. В результате того, что на различных участках трубы создаются различные условия для диффузии кислорода, т.е. различная степень аэрации грунта, возникают условия для образования коррозионных гальванических элементов (рис. 1.2.).
Величина pH в грунте зависит от общей минерализации грунтовых вод и присутствия в них угольной и минеральных кислот, кислых и основных солей. По величине pH различают грунты: сильнокислые (3... 4.5), кислые (4.5... 5.5), слабокислые (5.5... 6.5), нейтральные (6.5... 7.0), слабощелочные (7.0... 7.5), щелочные (7.5... 8.5), сильнощелочные (8.5 и более). Наименьшее коррозионное воздействие грунта на сталь наблюдается при pH от 10 до 14 и резко возрастает при pH от 4 до 2.5. Концентрация водородных ионов влияет на потенциал коррозионных элементов, выпадение из растворов солей железа и на устойчивость защитных пленок на металле.
Химический состав грунта является одним из решающих факторов, обуславливающих его коррозионную агрессивность. Количественное и качественное содержание различных веществ в грунте в значительной мере определяет его электрическое сопротивление. Чем ниже удельное электрическое сопротивление грунта при прочих равных условиях, тем выше его коррозионная агрессивность.
Температура транспортируемого газа обуславливает температуру стенок трубы и прилегающего грунта. С повышением температуры до 75...80 о С скорость коррозии значительно возрастает, однако при дальнейшем повышении температуры скорость коррозии из-за высыхания грунта, как правило, уменьшается. Жизнедеятельность анаэробных бактерий в грунте может также увеличивать скорость коррозии за счет влияния на анодные и катодные электрохимические процессы. Микроорганизмы могут вызвать коррозию путем непосредственного влияния на кинетику электродных реакций, продуцирование веществ, вызывающих коррозию, создания на поверхности металла условий, которые обуславливают появление концентрационных электрохимических элементов. Основным видом микроорганизмов, вызывающих коррозию стальных сооружений являются сульфатвосстанавливающие бактерии.
Наиболее сильным отрицательным проявлением блуждающих токов в земле является электрокоррозионное разрушение трубопроводов, вызываемое электрифицированным рельсовым транспортом постоянного тока.
Интенсивность блуждающих токов и их влияние на подземные трубопроводы зависит от таких факторов, как:
- переходное сопротивление рельс-земля;
- продольное сопротивление ходовых рельсов;
- количество поездов на перегоне;
- расстояние между тяговыми подстанциями;
- потребление тока электропоездами;
- удельное электрическое сопротивление грунта;
- расстояние и расположение трубопровода относительно пути;
- переходное и продольное сопротивление трубопровода.
Следует отметить, что блуждающие токи в катодных зонах оказывают защитное воздействие на сооружение, поэтому в таких местах катодная защита трубопровода может быть осуществлена без каких-либо дополнительных затрат.
Схема возникновения блуждающих токов на железной дороге
с электрической тягой на постоянном токе.
1 - тяговая подстанция, 2 - нагрузка, 3 - контактная сеть, 4 - ходовая рельсовая сеть, 5 – трубопровод,
Iкc - ток в контактной сети, Ipc - ток в ходовой рельсовой сети, Iн - натекающий ток на трубопровод, Iс - стекающий ток с трубопровода.
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.).
Все изоляционные защитные покрытия, наносимые на поверхность трубы должны удовлетворять следующим требованиям:
- быть химически стойкими;
- обладать высоким электрическим сопротивлением;
- обладать достаточной адгезией к металлу;
- иметь высокую механическую прочность;
- обладать устойчивостью к воздействию климатических факторов;
- сохранять свои свойства при воздействии низких и высоких температур;
- не иметь механических повреждений и заводских дефектов;
- обладать устойчивостью к воздействию различных видов бактерий;
- не содержать компонентов, оказывающих коррозионное действие на металл.
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. Такая защита носит название комплексной защиты. 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 В относительно медносульфатного электрода сравнения. Так как естественный потенциал стали в грунте примерно равен -0.55...-0.6 В, то для осуществления катодной защиты необходимо сместить потенциал коррозии на 0,25... 0,30 В 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 снижается до 10 мкм в год, утрачивая при этом практическое значение. Катодную защиту трубопроводов можно осуществить двумя методами:
- применением магниевых жертвенных анодов-протекторов (гальванический метод);
- применением внешних источников постоянного тока, минус которых соединяется с трубой, а плюс - с анодным заземлением (электрический метод).
Принцип катодной защиты
а) с помощью гальванических жертвенных анодов.
б) с помощью поляризации от источника постоянного тока.
1 - заложенный в грунт трубопровод, 2 - гальванический жертвенный анод,
3 - источник постоянного тока, 4 - малорастворимый анод
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 (рис. 1.4а).
На практике в качестве жертвенных гальванических анодов используются протекторы из магниевых, алюминиевых и цинковых сплавов. Применение катодной защиты с помощью протекторов эффективно только в низкоомных грунтах (до 50 Ом.м). В высокоомных грунтах такой метод необходимой защищенности не обеспечивает. Катодная защита внешними источниками тока более сложная и трудоемкая, но она мало зависит от удельного сопротивления грунта и имеет неограниченный энергетический ресурс (рис. 1.4б). В качестве источников постоянного тока, как правило, используются преобразователи различной конструкции, питающиеся от сети переменного тока. Преобразователи позволяют регулировать защитный ток в широких пределах, обеспечивая защиту трубопровода в любых условиях. В качестве источников питания установок катодной защиты используются воздушные линии 0.4; 6; 10 кВ, а также автономные источники: дизельгенераторы, термогенераторы, газогенераторы и другие. Принцип работы и схема катодной защиты показана на рис.1.4в
Принцип работы и схема катодной защиты
1-защищаемый трубопровод, 2-соединительные провода, 3-источник постоянного тока, 4-анодное заземление, 5-места повреждений изолирующего покрытия
Защитный ток, накладываемый на трубопровод от преобразователя и создающий разность потенциалов “ труба-земля ”, распределяется неравномерно по длине трубопровода. Поэтому максимальное по абсолютной величине значение этой разности находится в точке подключения источника тока (точке дренажа). По мере удаления 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 и, в определенном диапазоне, может способствовать коррозионному растрескиванию под напряжением. Основным способом борьбы с водородным растрескиванием является контроль за величиной поляризационных потенциалов, особенно в точках дренажа, и ее поддержание на заданном уровне. Коррозионное растрескивание под механическим напряжением наблюдается в узком диапазоне потенциала трубопровода, от минус 0.75 В до минус 0.83 В, и проявляется только при одновременном воздействии высокой температуры и давления, а также зависит от состояния поверхности металла, состава грунтового электролита и состояния изоляции.
