Протекторная защита магистрального газопровода от коррозии

Введение

Одно из самых опасных разрушающих явлений для стального трубопровода является – коррозия, в некоторых зонах она может достигать 2-4 мм/год. В связи с этим строительство магистрального трубопровода обязательным образом включает в себя мероприятия по защите сооружения от коррозии, а именно – его изоляции. Изоляция трубопровода бывает пассивная (нанесение изоляционного покрытия на заводе или на трассе) и активная (электрохимическая защита). Причем пассивная изоляция действует с начала эксплуатации трубопровода, а активная включается через некоторое время в зависимости от агрессивности почвы.

В данной работе подробно рассмотрен один из способов электрохимической защиты трубопровода от почвенной коррозии, — протекторная защита.

Почвенная коррозия

Под коррозией металлических трубопроводов понимается самопроизвольное разрушение их под действием различных факторов химического или электрохимического характера, определяемых окружающей трубопровод средой.

Химическая коррозия – самопроизвольное окисление металла под воздействием окружающей среды токонепроводящей среды. При этом продукты коррозии образуются непосредственно на участке поверхности металла, подвергающегося разрушению.

Электрохимическая коррозия – коррозия металлов в электолитах, сопровождающаяся образованием электрического тока. При этом взаимодействие металла с окружающей средой разделяется на анодный и катодный процессы, протекающие на различных участках поверхности раздела металла и электролита.

Почвенная коррозия относится к электрохимической коррозии, однако ей присущи особенности:

1) связь влаги с окружающей средой:

— физико-механическая связь (свободная вода в порах грунта);

— физико-химическая связь (влага адсорбированная на поверхности грунта или металла);

— химическая (гидратированная) влага, входящая в химическое соединение Fe∙nH2;

2) неоднородность структуры и состава грунта, как в микро-, так и в макромасштабах;

3) почти полное отсутствие перемешивания твердой фазы грунта (замедление процесса коррозии во времени);

4) неодинаковый доступ кислорода воздуха к поверхности металла.

Основные причины возникновения коррозионных элементов на трубопроводе

Условия возникновения коррозии являются:

— наличие разнородности грунтовых участков, имеющих различные потенциалы;

— наличие разнородных грунтовых участков;

— наличие средств проводящих электрический ток.

Причины возникновения коррозионных элементов на трубопроводе:

1) микронеоднородность состава металла (присутствие механических примесей в металле труб).

2) Наличие окалины на поверхности металла (микронеоднородность состояния поверхности металла).

3) Наличие продольных и поперечных сварных швов, являющихся наиболее опасными участками в трубопроводах.

4) Различные напряженные состояния поверхности металла (растянутые участки имеют менее отрицательный потенциал).

5) Различная глубина заложения трубопровода.

6) Чередование грунтов с различными физико-химическими свойствами.

7) Температура. С увеличением температуры происходит увеличение протекания анодных процессов, т.е. увеличивается скорость коррозии.

Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии

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.

P.S. Обзор технических решений по ЭХЗ других металлических конструкций и сооружений можно прочитать здесь.

Хотите узнать больше о коррозии металлических конструкций и методах противокоррозионной защиты?

Скачайте наше специализированное учебно-справочное приложение «Защита от коррозии»

Условия применения и принцип действия протекторной защиты магистральных трубопроводов от коррозии

Протекторные установки предназначены:

— для защиты от почвенной коррозии участков большой протяженности, удаленных от источников электроснабжения, где нецелесообразно применение катодной защиты внешним током;

— на участках, защищенных СКЗ, — в местах неполной защиты, для обеспечения необходимого защитного потенциала;

— для защиты от почвенной коррозии патронок (кожухов) на переходах через железные и автомобильные дороги;

— на участках блуждающих токов – в качестве земляных микродренажей.

Протекторы также устанавливают на изолирующих фланцах для снятия анодных зон, на электрических перемычках при совместной защите подземных сооружений для устранения электрохимического взаимодействия между ними, для защиты металлических подземных емкостей и др.

Средний срок службы протектора – 5-10 лет.

Таким образом, положительные стороны данного способа ЭХЗ:

— эффективность;

— простота устройства;

— удобность эксплуатации;

— автономность.

Отрицательные стороны – снижение эффективности при значительном удельном сопротивлении грунта, окружающего протектор, и использование дефицитных материалов.

Рис.1. Принципиальная схема протекторной установки:

1 – трубопровод; 2 – точка дренажа; 3 – изолированный соединительный провод;

4 – протектор; А – анод; К – катод.

Протекторная защита трубопроводов основана на принципе работы гальванических пар. При защите подземных металлических объектов с помощью протекторных установок к трубопроводу подключают протектор (анодный электрод), имеющий более низкий электрохимический потенциал, чем потенциал металла трубы. Создаются условия, при которых трубопровод выступает в качестве катода, а электрод (протектор) в качестве анода, в результате добиваются прекращения коррозионного разрушения трубопровода за счет интенсивного разрушения протектора.

При устройстве протекторной защиты к стальному трубопроводу подключают металлический протектор. В результате этого образуется гальванический элемент «труба-протектор», в котором трубопровод является катодом, протектор – анодом, а почва – электролитом.

Таким образом, протекторная защита имеет те же основы, что и катодная защита. Разница заключается в том, что необходимый для защиты ток создается крупным гальваническим элементом, поэтому протекторную защиту иначе называют защитой гальваническими анодами. При этом положительный полюс находится на защищаемой поверхности, а отрицательный – на разрушаемом аноде, то есть в порядке, обратном порядку при катодной защите с наложенным током от внешнего источника.

Протекторная защита трубопроводов от коррозии — принцип действия и схема

Существует две основные группы методик предотвращения разрушения (или снижения его интенсивности) металлов под воздействием внешних факторов (в первую очередь, влаги) – активная и пассивная. К первой относится защита электрохимическая. С одним из таких способов борьбы с коррозией – протекторным (гальваническим) – читатель сможет ознакомиться в данной статье.

Принцип функционирования

Цель протекторной защиты – максимальное снижение потенциала основного материала, чем и обеспечивается предохранение его от разрушения корозией. Это осуществляется присоединением к нему специального электрода, который нередко именуется «жертвенным анодом». Он подбирается из металла более активного по отношению к базовому. Таким образом, коррозии в первую очередь подвергается протектор, следовательно, повышается долговечность того или иного конструкционного элемента, с которым он соединяется (читайте о катодной защите).

Эффективность протекторной защиты

Считается очень высокой. При том, что эн/затраты на реализацию протекторной защиты от коррозии сравнительно небольшие. Если использование магниевого анода с соответствующими параметрами предохраняет разрушение металла трубопровода на протяжении, к примеру, порядка 7,5 км, то без него – всего лишь на 25 – 30 м.

Когда следует использовать протекторную защиту

Способов борьбы с коррозией достаточно, и выбор всегда есть. Применение «жертвенного анода» целесообразно:

• если у предприятия нет необходимых мощностей для реализации иных, более эн/затратных методик;
• при необходимости защиты малогабаритных конструкций;
• для предохранения от коррозии металлоизделий (объектов) с поверхностным покрытием (изоляцией). Те же трубопроводные магистрали.

Максимальная эффективность протекторной защиты достигается, если она используется в средах, называемых электролитическими. Например, морская вода.

Какие металлы используются в качестве протекторов

Как правило, в основном подразумевается протекторная защита изделий из железа и его сплавов (стали). По сравнению с ними более активными являются такие металлы, как цинк, хром, алюминий, кадмий, магний. Хотя это и не единственно возможные варианты.

Особенность изготовления «жертвенных анодов» в том, что для их производства указанные материалы в чистом виде не берутся. В качестве сырья используются различные сплавы на их основе. При этом учитывается специфика применения протекторов. В первую очередь, в какой среде планируется обеспечивать защиту от коррозии.

Например, если цинковый электрод поместить в сухой грунт, то эффективность его действия будет практически нулевой. Поэтому выбор того или иного протектора определяется местными условиями.

2.1. Металлы и сплавы, применяемые для изготовления протекторов

Требования, предъявляемые к материалу протектора:

— материал протектора должен иметь более отрицательный потенциал, чем потенциал трубопровода;

— на поверхности протектора не должны образовываться плотные окисные пленки (материал протектора должен иметь малую анодную поляризуемость);

— материал протектора должен иметь высокий КПД, т.к. происходит самокоррозия протектора;

— материал протектора должен иметь высокую удельную токоотдачу, то есть g → max [А∙час/кг];

— количество электроэнергии с единицы веса (токоотдача) должна быть максимальной при минимальной стоимости.

В качестве материалов протекторов используют алюминий, цинк и магний, а так же сплавы на их основе.

Таблица 1

Физико-химические свойства металлов,

используемых в качестве протекторов

2.2. Заполнители

Повышение эффективности действия протекторной установки достигается погружением его в специальную смесь солей, называемую активатором (он же – заполнитель). Непосредственная установка протектора в грунт менее эффективна, чем в активатор.

Назначение активатора следующее:

— снижение собственной коррозии;

— уменьшение анодной поляризуемости;

— снижение сопротивления растеканию тока с протектора;

— устранение причин, способствующих образованию плотных слоев продуктов коррозии на поверхности протектора.

При использовании активатора обеспечивается стабильный во времени ток в цепи «труба-протектор» и более высокое значение КПД (срока службы протектора).

Активатор готовится путем смешения сухих солей и глины с водой до вязкой консистенции по рецептам.

На один протектор необходимо готовить 65-70 кг активатора.

Таблица 2

Заполнители и электродные потенциалы протекторов

из различных материалов

База книг в электронке для ЭНН УТЭК / Установки протекторной защиты

бухты. Протекторы изготовляются длиной до 1000 м.

Протекторная защита газопроводов осуществляется, как правило, в грунтах с удельным сопротивлением до 50 Ом-м. Магниевые сплавы обладают высокими электрохимическими эквивалентами, отрицательным потенциалом — 1,6 В по медносульфатному электроду сравнения, устойчивой во времени токоотдачей. В грунтах высоких сопротивлений применяют прутковые протекторы без активатора.

Протекторы ПМ5У, ПМ10У, ПМ20У представляют собой комплект, состоящий из магниевого протектора ПМ5, ПМ10, ПМ20 с подключенным к нему проводником и порошкообразного активатора, помещенных в хлопчатобумажный мешок. Активатор, или заполнитель служит для предотвращения образования на поверхности протектора слоя нерастворимых окислов, снижающих его токоотдачу, уменьшения сопротивления цепи «протектор—труба», а также для поддержания постоянного потенциала. На время складского хранения и транспортировки протектор дополнительно упаковывается в бумажный мешок, который снимается перед установкой его в грунт.

Срок службы протектора (в годах) вычисляют по формуле

Gg

Т =

Iп*8760 U

Где G –масса пртектора; g – теоретическая токоотдача протектора;

— коэффициент полезного действия протектора (0,55-0,65); — коэффициент использования протектора (0,95); Iп – ток в цепи «протектор-трубопровод».

Цинковые и алюминиевые сплавы не нашли широкого применения в практике защиты подземных газопроводов, так как при работе без специального заполнителя на поверхности цинка образуются нерастворимые карбонаты, снижающие токоотдачу протекторов, а на поверхности алюминия — плотные неэлектропроводные окисные пленки. Для повышения токоотдачи в алюминий необходимо добавлять магний и цинк, а протекторы устанавливать в специальные щелочные заполнители, в цинк следует добавлять ртуть.

Устройство установок протекторной защиты.

Защита подземных газопроводов может осуществляться с помощью одиночных или групповых протекторных установок. Если состояние изоляционного покрытия газопровода хорошее, применяют одиночные протекторы, которые располагают на расстоянии 3-7 м от газопровода. Глубина установки от поверхности земли до верха протектора должна быть не менее 2 м и ниже промерзания грунта на — 0,2 м. Групповые протекторные установки применяют при защите участков газопроводов с плохой изоляцией или неизолированных патронов на переходах газопроводов через шоссейные и железные дороги для увеличения срока службы. Число протекторов в группе зависит от состояния изоляционного покрытия газопровода, удельного сопротивления грунта, диаметра газопровода. Групповые протекторные установки размещают на расстоянии 10—12 м от оси газопровода. Расстояние между протекторами в группе 5 м. Рекомендуется групповые протекторные установки располагать через 500-1000 м.

Одиночные протекторные установки, как правило, устанавливают без измерительной колонки (рис. 3). Для отыскания протектора на трассе ставят опознавательный знак. Групповые протекторные установки обычно имеют контрольно-измерительные колонки, которые необходимы для отыскания протекторных установок на трассе и проведения контроля эффективности их работы (рис. 4,а). В контрольноизмерительную колонку (рис. 4, в) выводят изолированные провода от