Катодная защита: применение и стандарты. А.И

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

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ»

Теоретические основы

Катодная защита подземных металлических сооружений

Принцип действия катодной защиты

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. 14.1. 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.

Рис. 14.1. Принципиальная схема катодной защиты трубопровода:

1 - трубопровод; 2 - внешний источник постоянного тока; 3 - анодное заземление;

4 - точка дренажа; 5 - дренажный кабель; 6 - контакт катодного вывода;

7 - катодный вывод; 8 - повреждения изоляции трубопровода

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 (j 0a.доп ) нарушается распределение токов коррозионных макропар, сближаются значения разности потенциалов «труба – земля» катодных участков (j 0к ) с разностью потенциалов анодных участков (j 0а ), обеспечиваются условия для поляризации.

Катодная защита регулируется путем поддержания необходимого защитного потенциала. Если наложением внешнего тока трубопровод заполяризован до равновесного потенциала (j 0к = j 0а ) растворения металла (рис. 14.2 а), то анодный ток прекращается и коррозия приостанавливается. Дальнейшее повышение защитного тока нецелесообразно. При более положительных значениях потенциала наступает явление неполной защиты (рис. 14.2 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. 14.1

Рис. 14.2. Коррозионная диаграмма для случая полной поляризации (а) и

неполной поляризации (б)

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/м 2 .

Таблица 14.1

Плотность тока, необходимая для катодной защиты

неизолированной стальной поверхности в различных средах

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.

До сих пор при обустройстве протяжённых промышленных трубопроводов наиболее востребованным материалом изготовления труб является сталь. Обладая множеством замечательных свойств, таких как механическая прочность, способность функционировать при больших значениях внутренних давления и температуры и стойкость к сезонным изменениям погоды, сталь имеет и серьёзный недостаток: склонность к коррозии, приводящей к разрушению изделия и, соответственно, неработоспособности всей системы.

Один из способов защиты от этой угрозы – электрохимический, включающий катодную и анодную защиту трубопроводов; об особенностях и разновидностях катодной защиты будет рассказано ниже.

Определение электрохимической защиты

Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии – процесс, осуществляемый при воздействии постоянного электрического поля на предохраняемый объект из металлов или сплавов. Поскольку обычно доступен для работы переменный ток, используются специальные выпрямители для преобразования его в постоянный.

В случае катодной защиты трубопроводов защищаемый объект путём подачи на него электромагнитного поля приобретает отрицательный потенциал, то есть делается катодом.

Соответственно, если ограждаемый от коррозии отрезок трубы становится «минусом», то заземление, подводящееся к нему, – «плюсом» (т.е. анодом).

Антикоррозионная защита по такой методике невозможна без присутствия электролитической, с хорошей проводимостью, среды. В случае обустройства трубопроводов под землёй её функцию выполняет грунт. Контакт же электродов обеспечивается путём применения хорошо проводящих электрический ток элементов из металлов и сплавов.

В ходе протекания процесса между средой-электролитом (в данном случае грунтом) и защищаемым от коррозии элементом возникает постоянная разница потенциалов, значение которой контролируется при помощи высоковольтных вольтметров.

Классификация методик электрохимической катодной защиты

Такой способ предупреждения коррозии был предложен в 20-х годах XIX века и поначалу использовался в судостроении: медные корпуса кораблей обшивались протекторами-анодами, значительно снижающими скорость корродирования металла.

После того, как была установлена эффективность новой технологии, изобретение стало активно применяться в других областях промышленности. Через некоторое время оно было признано одним из самых эффективных способов защиты металлов.

В настоящее время используется два основных типа катодной защиты трубопроводов от коррозии:

Самый простой способ : к металлическому изделию, требующему предохранения от коррозии, подводится внешний источник электрического тока. В таком исполнении сама деталь приобретает отрицательный заряд и становится катодом, роль же анода выполняют инертные, не зависящие от конструкции, электроды.
Гальванический метод . Нуждающаяся в защите деталь соприкасается с защитной (протекторной) пластиной, изготавливаемой из металлов с большими значениями отрицательного электрического потенциала: алюминия, магния, цинка и их сплавов. Анодами в этом случае становятся оба металлических элемента, а медленное электрохимическое разрушение пластины-протектора гарантирует поддержание в стальном изделии требуемого катодного тока. Через более или менее долгое время, в зависимости от параметров пластины, она растворяется полностью.

Характеристики первого метода

Этот способ ЭХЗ трубопроводов, в силу простоты, наиболее распространён. Применятся он для предохранения крупных конструкций и элементов, в частности, трубопроводов подземного и наземного типов.

Методика помогает противостоять:

питтинговой коррозии;
коррозии из-за присутствия в зоне расположения элемента блуждающих токов;
коррозии нержавеющей стали межкристального типа;
растрескиванию латунных элементов вследствие повышенного напряжения.

Характеристики второго метода

Эта технология предназначается, в отличие от первой, в том числе для защиты изделий небольших размеров. Методика наиболее популярна в США, в то время как в Российской Федерации используется редко. Причина в том, что для проведения гальванической электрохимическая защита трубопроводов необходимо наличие на изделии изоляционного покрытия, а в России магистральные трубопроводы таким образом не обрабатываются.

Особенности ЭХЗ трубопроводов

Главной причиной выхода трубопроводов из строя (частичной разгерметизации или полного разрушения отдельных элементов) является коррозия металла. В результате образования на поверхности изделия ржавчины на его поверхности появляются микроразрывы, раковины (каверны) и трещины, постепенно приводящие к выходу системы из строя. Особенно эта проблема актуальна для труб, пролегающих под землёй и всё время соприкасающихся с грунтовыми водами.

Принцип действия катодной защиты трубопроводов от коррозии предполагает создание разности электрических потенциалов и реализуется двумя вышеописанными способами.

После проведения измерений на местности было установлено, что необходимый потенциал, при котором замедляется любой коррозионный процесс, составляет –0,85 В; у находящихся же под слоем земли элементов трубопровода его естественное значение равно –0,55 В.

Чтобы существенно замедлить процессы разрушения материалов, нужно добиться снижения катодного потенциала защищаемой детали на 0,3 В. Если добиться этого, скорость коррозии стальных элементов не будет превышать значений 10 мкм/год.

Одну из самых серьёзных угроз металлическим изделиям представляют блуждающие токи, то есть электрические разряды, проникающие в грунт вследствие работы заземлений линий энергопередачи (ЛЭП), громоотводов или передвижения по рельсам поездов. Невозможно определить, в какое время и где они проявятся.

Разрушающее воздействие блуждающих токов на стальные элементы конструкций проявляется, когда эти детали обладают положительным электрическим потенциалом относительно электролитической среды (в случае трубопроводов – грунта). Катодная методика сообщает защищаемому изделию отрицательный потенциал, в результате чего опасность коррозии из-за этого фактора исключается.

Оптимальным способом обеспечения контура электрическим током является использование внешнего источника энергии: он гарантирует подачу напряжения, достаточного для «пробивания» удельного сопротивления грунта.

Обычно в роли такого источника выступают воздушные линии энергопередачи с мощностями 6 и 10 кВт. В случае отсутствия на участке пролегания трубопровода ЛЭП следует использовать генераторы мобильного типа, функционирующие на газе и дизельном топливе.

Что нужно для катодной электрохимической защиты

Для обеспечения снижения коррозии на участках пролегания трубопроводов используются особые приспособления, называемые станциями катодной защиты (СКЗ).

Эти станции включают в себя следующие элементы:

заземление, выступающее в роли анода;
генератор постоянного тока;
пункт контроля, измерений и управления процессом;
соединительные приспособления (провода и кабели).

Станции катодной защиты вполне эффективно выполняют основную функцию, при подключении к независимому генератору или ЛЭП защищая одновременно несколько расположенных поблизости участков трубопроводов.

Регулировать параметры тока можно как вручную (заменяя трансформаторные обмотки), так и в автоматизированном режиме (в случае, когда в контуре имеются тиристоры).

Наиболее совершенной среди применяемых на территории РФ станций катодной защиты признаётся «Минерва-3000» (проект СКЗ по заказу «Газпрома» был создан французскими инженерами). Одна такая станция позволяет обеспечить безопасность около 30 км пролегающего под землей трубопровода.

Плюсы «Минервы-3000»:

высокий уровень мощности;
возможность быстрого восстановления после возникновения перегрузок (не более 15 секунд);
оснащённость необходимыми для контроля рабочих режимов узлами цифровой регулировки системы;
абсолютно герметичные ответственные узлы;
возможность контролировать функционирование установки удалённо, при подключении специального оборудования.

Вторая наиболее популярная в России СКЗ – «АСКГ-ТМ» (адаптивная телемеханизированная станция катодной защиты). Мощность таких станций меньше, чем упомянутых выше (от 1 до 5 кВт), но их возможности автоматического контроля работы улучшены за счёт наличия в исходной комплектации телеметрического комплекса с дистанционным управлением.

Обе станции требуют источника напряжения мощностью 220 В, управляются с помощью модулей GPRS и характеризуются достаточно скромными габаритами - 500×400×900 мм при весе 50 кг. Срок эксплуатации СКЗ – от 20 лет.

Пассивная защита подземных газопроводов изолиру-ющими покрытиями дополняется электрической защитой. Задачи электрической защиты следующие.

Отвод блуждающих электрических токов с защищаемого газо-провода и организованный возврат их к электрическим установкам и сетям постоянного тока, являющимся источником этих токов.
Подавление протекающих по газопроводу токов в местах их вы-хода в землю (анодные зоны) токами от внешнего источника, а также токов, возникающих за счет почвенной электрохимической коррозии, созданием гальванической цепи и защитного электрического потен-циала на трубах газопровода.
Предотвращение распространения электрических токов по газопроводам путем секционирования последних изолирующими фланцами.

Задача отвода блуждающих токов может быть решена путем создания:

дополнительных заземлений для отвода токов в землю. Недо-статок — возможность вредного влияния на соседние трубопроводы токов, стекающих с защищаемого газопровода;
простой или прямой дренажной защиты, т.е. электрического соединения защищаемого газопровода с рельсами трамвая или элек-трической железной дороги с целью возврата через них токов к их источнику. Простой дренаж имеет двустороннюю проводимость, т.е. может пропускать ток туда и обратно, и поэтому применяется в устойчивых анодных зонах. Недостатком этой защиты является не-обходимость выключения дренажа, если изменилась полярность тока или если потенциал на газопроводе стал меньшим, чем на рельсах;
поляризованной дренажной защиты, т.е. дренажа с односто-ронней проводимостью, исключающей обратное течение тока от рельсов к защищаемому газопроводу;
усиленной дренажной защиты, т.е. такой защиты, в цепь кото-рой для повышения эффективности включен внешний источник тока. Таким образом, усиленный дренаж — это объединение поля-ризованного дренажа с катодной защитой.

Задача подавления токов, протекающих по защищаемому газо-проводу, может быть решена с помощью:

Катодной защиты внешним током (электрозащита), т.е. при-соединением защищаемого газопровода к внешнему источнику тока — к его отрицательному полюсу в качестве катода. Положитель-ный полюс источника тока присоединяется к заземлению — аноду. Создается замкнутая цепь, в которой ток течет от анода через землю к защищаемому газопроводу и далее к отрицательному полюсу внешнего источника тока. При этом происходит постепенное разрушение анодных зазем-лений, но обеспечивается защита газопровода за счет его катодной поляризации и предотвращения стекания токов с труб в землю. В ка-честве внешнего источника могут применяться станции катодной защиты(СКЗ);
Протекторной защиты, т.е. защиты путем использования в электрической цепи протекторов из металлов, обладающих в кор-розионной среде более отрицательным потенциалом, чем металл трубопровода. Электрический ток возникает в системе протекторной защиты, так же как в гальваническом элементе, причем электроли-том служит грунт, содержащий влагу, а электродами являются газопровод и металл протектора. Возникающий защитный ток подавля-ет токи электрохимической коррозии и обеспечивает создание за-щитного электрического потенциала на газопроводе.

Принципиальная схема катодной защиты подземного газопровода

1 — анодное заземление; 2,4 — дренажные кабели; 3 — внешний источник электри-ческого тока; 5 — точка при-соединения дренажного кабеля; 6 — защищаемый газопровод

Принципиальная схема протекторной защиты подземного газопровода

1 — защищаемый газопровод; 2 — изолированные кабели; 3 — контрольный вывод; 4 — протектор; 5 — заполнитель для протектора

Задача электрического секционирования трубопроводов решается установкой изолирующих фланцев с паронитовыми или текстолито-выми прокладками, текстолитовыми втулками и шайбами. Пример конструкции изолирующих фланцев представлен на рисунке ниже.

Устройство изолирующих фланцев

1— изолирующая текстолитовая или паронитовая втулка; 2— изолирующая шайба из текстолита, резины или хлорвинила; 3 — стальная шайба; 4 — свинцовые шайбы; 5— текстолитовое кольцо-прокладка

Основными факторами, характеризующими степень коррозион-ного воздействия на подземные стальные газопроводы, являются:

величина и направление блуждающих токов в грунте;
величина и полярность потенциала газопровода относительно других металлических подземных коммуникаций и рельсов электри-фицированного транспорта;
направление и сила токов, протекающих по газопроводу;
состояние противокоррозионной защиты газопроводов;
величина удельного электрического сопротивления фунта.

Все эти факторы подлежат периодическому контролю.

Периодичность элекфических измерений такова:

в районах установок электрозащиты газопроводов и других за-щищаемых сооружений, а также около тяговых подстанций и депо элекфотранспорта, вблизи рельсов фамвая и элекфифицированных железных дорог и в местах пересечений газопроводов с ними — не реже одного раза в 3 месяца, а также при изменениях режимов уста-новок электрозащиты, защищаемых сооружений или источников блуждающих токов;
в неопасных с точки зрения электрозащиты участках — не реже одного раза в год в летнее время, а также при всяких изменениях ус-ловий, могущих вызвать электрокоррозию.

Для протекторной защиты применяют протекторы из цветных металлов — обычно магния, цинка, алюминия и их сплавов.

Контроль работы электрозащитных установок и измерение по-тенциалов на контактах производятся (не реже): на дренажных уста-новках — 4 раза в месяц; на катодных установках — 2 раза в месяц; на протекторных установках — 1 раз в месяц.

А.И. Хейфец, начальник службы электрохимической защиты,
ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга», г. Санкт-Петербург

Введение

Защита трубопроводов тепловых сетей от коррозии является очень важной задачей, от решения которой во многом зависит надежность работы всей системы централизованного теплоснабжения. В г. Санкт-Петербург превалируют тепловые сети подземной прокладки, которые эксплуатируются в коррозионно-опасных условиях, обусловленных как густой сетью подземных коммуникаций большой протяженности и развитым электрифицированным транспортом, так и насыщенностью почв и грунтов влагой и химическими реагентами. Существует два основных способа защиты металлов от коррозии: пассивный - это нанесение на их поверхность изоляционных покрытий и активный - это использование средств электрохимической защиты.

Немного теории

Металлические сооружения, эксплуатируемые в различных средах (в атмосфере, воде, почве), подвергаются разрушающему воздействию этой среды. Разрушение металла вследствие его взаимодействия с внешней средой называется коррозией. Сутью коррозионного процесса является удаление атомов из металлической решетки, которое может происходить двумя путями, поэтому и различают коррозию просто химическую и электрохимическую.

Коррозия является химической, если после разрыва металлической связи атомы металла непосредственно соединяются химической связью с теми атомами или группами атомов, которые входят в состав окислителей, отнимающих валентные электроны металла. Процесс проходит без участия свободных электронов и не сопровождается появлением электрического тока. Примером может служить образование окалины при взаимодействии материалов на основе железа при высокой температуре с кислородом.

Коррозия является электрохимической, если при выходе из металлической решетки положительно заряженный ион металла, т.е. катион, вступает в связь не с окислителем, а с другими компонентами коррозионной среды, окислителю же передаются электроны, освобождающиеся при образовании катиона. При электрохимической коррозии удаление атомов из металлической решетки осуществляется в результате не одного, как при химической коррозии, а двух независимых, но сопряженных между собой электрохимических процессов: анодного (переход «захваченных» катионов металла в раствор) и катодного (связывание окислителем освободившихся электронов). Окислителями служат ионы водорода, которые есть везде, где присутствует вода, и молекулы кислорода. Электрохимическая коррозия сопровождается появлением электрического тока.

Трубопроводы тепловых сетей являются протяженными объектами и различные их участки оказываются не в равных условиях с точки зрения развития коррозионных процессов. Почвы и грунты по-разному впитывают в себя атмосферные осадки, талые воды, обладают различной воздухопроницаемостью. Удельное электрическое сопротивление грунтов тоже разное; именно его значение (чем ниже, тем опаснее) характеризует коррозионную агрессивность среды. В результате вдоль поверхности трубопроводов образуются участки, где преимущественно осуществляются либо анодные, либо катодные реакции. Электрическая проводимость металла очень высока, электроны практически мгновенно перераспределяются от мест протекания анодной реакции к местам, где протекает катодная (рис. 1). По сути, возникают подобия гальванических элементов, батареек, в которых роль электролита играет грунт, а внешней цепью является подземное металлическое сооружение. Анодные зоны - это положительный электрод («+»), а катодные зоны - это отрицательный электрод («-»). При протекании электрического тока в анодных зонах непрерывно происходит выход атомов из металлической решетки во внешнюю среду, т.е. растворение металла.

Особую опасность для трубопроводов тепловых сетей представляют блуждающие токи, которые возникают вследствие утечки из транспортных электрических цепей части тока в почву или водные растворы, где они попадают на металлические конструкции. В местах выхода тока из этих конструкций вновь в почву или воду возникает анодное растворение металла. Такие зоны особенно часто наблюдаются в районах наземного электрического транспорта. Коррозию под действием блуждающих токов иногда называют электрической коррозией. Такие токи могут достигать величины в несколько ампер. Для представления: ток силой в 1 А, в соответствии с первым законом Фарадея, вызывает в течение года растворение железа в количестве 9,1 кг. Если ток сосредоточен на участке 1 м 2 , то это соответствует уменьшению толщины стенки трубы на 1,17 мм в год, т.е. за 6 лет она уменьшилась бы на 7 мм.

Принцип действия электрохимической защиты (ЭХЗ) наружной поверхности металла от коррозии основан на том, что, сдвигая потенциал металла пропусканием внешнего электрического тока, можно изменить скорость его коррозии. Зависимость между потенциалом и скоростью коррозии нелинейная и неоднозначная.

ЭХЗ, основанная на наложении катодного тока, носит название катодной защиты. В производственных условиях она реализуется в двух вариантах.

1. В первом варианте необходимый сдвиг потенциала обеспечивается подключением защищаемой конструкции к внешнему источнику напряжения в качестве катода, а в качестве анода используются вспомогательные электроды (рис. 2).

Источником служит регулируемый выпрямитель, который преобразует напряжение промышленной частоты в постоянное, а анодные заземлители объединяются в контур, состав и расположение электродов которого определяются расчетом. В процессе эксплуатации масса электродов контура анодного заземления монотонно уменьшается.

Катодная поляризация неизолированной металлической конструкции до величины минимального защитного потенциала требует значительных токов, поэтому обычно катодная защита используется совместно с изоляционными покрытиями, нанесенными на наружную поверхность защищаемого сооружения. Поверхностное покрытие уменьшает необходимый ток на несколько порядков. При катодной защите необходимо контролировать и величину максимального потенциала, т.к. его слишком большое значение может привести к отслаиванию изоляционного покрытия от стенки трубопровода. Нормативными документами (Типовая инструкция по защите трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии РД 153-34.0-20.518-2003) установлено, что минимальный защитный потенциал для тепловых сетей равен 1,1 В, а максимальный 2,5 В в отрицательную сторону по отношению к неполяризующемуся медносульфатному электроду сравнения. Такие значения должны быть обеспечены на всем протяжении защищаемого участка, и это достигается тем вернее, чем лучше металл изолирован от земли.

2. Вторым вариантом катодной защиты является гальваническая (или протекторная) защита (рис. 3). Принцип ее действия основан на том, что разные металлы характеризуются различными значениями стандартных электродных потенциалов. Катодная поляризация защищаемой конструкции достигается за счет ее контакта с более электроотрицательным металлом. Последний выступает в роли анода, и его электрохимическое растворение обеспечивает протекание катодного тока через защищаемый металл. Сам же анод, выполненный из магния, цинка, алюминия и их сплавов, постепенно разрушается. Достоинством протекторной защиты является то, что для нее не требуется внешний источник напряжения, но этот вид защиты может использоваться только на сравнительно небольших по протяженности участках трубопроводов (до 60 м), а также на стальных футлярах.

3. Для защиты трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии под действием блуждающих токов применяют электродренаж (дренаж) - соединение металлическим проводником участка, с которого стекают эти токи, с рельсом трамвайных или железнодорожных путей. При большом расстоянии до рельса, когда такой дренаж трудно реализовать, используют дополнительный чугунный анод, который закапывают в землю и соединяют с защищаемым участком.

В местах, где электролитическое действие блуждающих токов складывается с токами гальванических пар, может произойти резкое увеличение скорости коррозионных процессов. В таких случаях применяются установки усиленного дренажа (рис. 4), которые позволяют не только отводить блуждающие токи от трубопроводов, но и обеспечить на них необходимую величину защитного потенциала. Усиленный дренаж представляет собой обычную катодную станцию, подключенную отрицательным полюсом к защищаемому сооружению, а положительным - не к анодному заземлению, а к рельсам электрифицированного транспорта.

4. Сильное коррозионное воздействие на трубопроводы тепловых сетей могут оказывать установки ЭХЗ владельцев смежных подземных коммуникаций, например газопроводов (рис. 5а). Если трубопроводы оказались в зоне действия катодного тока «чужой» установки, то разрушения в местах выхода этого тока из стальной трубы в грунт будут такими же, как и под действием блуждающих токов. Для защиты необходимо соединить трубопроводы тепловых сетей с отрицательным полюсом источника напряжения (рис. 5б).

Сдвигать потенциал металла для защиты его от коррозии можно не только в сторону отрицательных, но и положительных значений. При этом некоторые металлы переходят в пассивное состояние, а ток растворения металла падает в десятки раз. Такая защита называется анодной, ее преимущество в том, что для поддержания пассивного состояния металла требуются малые токи. Однако, если в электролите есть ионы хлора и серы, коррозия металла может резко возрасти и выйти из строя само анодно-поляризованное оборудование. Анодная защита для тепловых сетей не применяется.

ЭХЗ в ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга» эксплуатируется и развивается как система, т.е. совокупность взаимосвязанных составляющих: стационарных технических средств, инструментального контроля и информационной базы данных.

В соответствии с графиками специалисты службы ЭХЗ в плановом порядке проводят по установленной методике коррозионные измерения на всех участках магистральных и распределительных сетей в местах доступа к подземным трубопроводам (тепловые камеры). После обработки результатов измерений определяются анодные и катодные зоны на трубопроводах, зоны защиты, участки опасного воздействия блуждающих токов. Кроме того, коррозионные измерения проводятся при плановых шурфовках и при устранении дефектов на тепловых сетях, где они дополняются результатом химического анализа грунта. Результаты измерений систематизируются и архивируются, они являются ценной информацией как для правильной организации эксплуатации тепломеханического оборудования, так и для планирования строительства дополнительных средств ЭХЗ.

Более подробные и тщательные коррозионные обследования зон залегания теплотрасс проводятся силами специализированной подрядной организации. Эти обследования проводятся на коррозионно-опасных участках обычно после реконструкции (перекладки) тепловых сетей, т.к. применение современных типов изоляции, конструкций и технологий обеспечивает лучшую, чем ранее, гальваническую развязку металла от бетона и от земли. Это означает, в том числе, и возможное изменение границ анодных и катодных зон, участков воздействия блуждающих токов. Результаты обследований представляются в виде отчетов, содержащих сведения об изменениях значений электродных потенциалов на разных участках поверхности трубопроводов при различных режимах работы (рис. 6) не только своих, но и принадлежащих сторонним организациям средств ЭХЗ. Методами математического моделирования (рис. 7) рассчитываются тип, количество и места расположения необходимых дополнительных средств ЭХЗ для дальнейшего проектирования.

В настоящее время ОАО «Теплосеть Санкт- Петербурга» принадлежат 432 установки ЭХЗ, из них: установок катодной защиты - 204 шт. (в том числе установок катодной защиты, относящихся к категории совместной защиты от наружной коррозии трубопроводов тепловых сетей и проложенных рядом газопроводов, - 20 шт.); установок усиленного дренажа - 8 шт.; установок протекторной защиты - 220 шт. Техническим обслуживанием установок катодной совместной защиты занимается ОАО «Антикор».

В соответствии с требованиями нормативных документов (Защита от коррозии. Проектирование электрохимической защиты подземных сооружений. СТО Газпром 2-3.5-047-2006) установки ЭХЗ не должны оказывать негативного влияния на соседние коммуникации. ОАО «Антикор», занимающееся в Санкт-Петербурге электрохимической защитой газопроводов, при реконструкции и новом строительстве своих установок своевременно уведомляет ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга» о технической возможности подключения участков тепловых сетей к ЭХЗ газопроводов, если это предусмотрено проектом.

В процессе эксплуатации всех, кроме дренажных, установок ЭХЗ непрерывно теряется масса их заземленных электродов, т.к. это составляет физическую сущность электрохимической защиты. Неизбежно наступает момент «смерти» контура анодного заземления или протектора. Обеспечить заданный период эксплуатации между капитальными ремонтами установок ЭХЗ можно и нужно правильным расчетом

необходимого числа и места расположения элементов, выбором качественных материалов, строгим соблюдением технологии монтажа. Возможны случаи отказа электродов из-за локальных точечных повреждений. С 2010 г. при реконструкции и новом строительстве нами применяются ферросилидовые анодные заземлители ЭлЖК-1500 с защитой контактного узла вместо прежних ЭГТ-1450. В течение ряда последних лет в установках ЭХЗ применяются только автоматические преобразователи типа УКЗТА и ПКЗ-АР (рис. 8), позволяющие непрерывно поддерживать заданные значения анодного тока или защитного потенциала на трубопроводе.

Особое значение приобрела практика оснащения установок ЭХЗ телеметрическими регистраторами (рис. 9). Эти устройства, изготовленные в виде встраиваемых блоков, непрерывно дистанционно передают информацию о значениях меняющихся во времени электрических величин на выделенный компьютер (рис. 10). Создаются архивы, позволяющие анализировать работу установок ЭХЗ. Кроме того, в системе телеметрии реализована функция сигнализации о несанкционированном доступе посторонних лиц к установкам.

Стоит отметить, что перед началом строительно-монтажных работ подрядчик извещает о дате начала работ заказчика, проектную организацию, организацию, осуществляющую технический надзор за строительством, и организацию, на обслуживание которой будут передаваться строящиеся защитные установки.

Электрохимической защитой тепловых сетей от наружной коррозии на нашем предприятии занимаются с 1960 г., т.е. более 50 лет. В разные годы специалисты по ЭХЗ входили в состав различных производственных подразделений, а после образования в 2010 г. ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга» была создана отдельная служба ЭХЗ. На сегодняшний день в ее составе 13 чел., которые решают технические и организационные задачи.

К техническим задачам относятся: ежедневные объезды двух бригад электромонтеров по заданным маршрутам установок ЭХЗ с проведением технического обслуживания. Одновременно при этом контролируется, не ведутся ли сторонними организациями без правильного оформления земляные работы в зоне наших установок.

Техническое обслуживание установок ЭХЗ включает:

■ осмотр всех элементов установки с целью выявления внешних дефектов, проверку плотности контактов, исправности монтажа, отсутствия механических повреждений отдельных элементов, отсутствия подгаров и следов перегревов, отсутствия раскопок на трассе дренажных кабелей и анодных заземлений;

■ проверку исправности предохранителей (если они имеются);

■ очистку корпуса дренажного и катодного преобразователя, блока совместной защиты снаружи и внутри;

■ измерение тока и напряжения на выходе преобразователя или между гальваническими анодами (протекторами) и трубами;

■ измерение потенциала трубопровода в точке подключения установки;

■ производство записи в журнале установки о результатах выполненной работы;

■ измерения потенциалов в постоянно закрепленных измерительных пунктах.

Периодически проводится текущий ремонт и контроль эффективности оборудования ЭХЗ. Специалисты службы ЭХЗ ведут технический надзор за производством капитального ремонта, реконструкции и капитального строительства установок ЭХЗ подрядными организациями. Контролируется соответствие выполняемых строительно-монтажных работ проекту.

Текущий ремонт включает:

■ измерение сопротивления изоляции питающих кабелей;

■ ремонт линий питания;

■ ремонт выпрямительного блока;

■ ремонт дренажного кабеля.

Контроль эффективности работы установки ЭХЗ заключается в измерении защитных потенциалов в измерительных пунктах по всей зоне защиты данной установки ЭХЗ. Контроль эффективности ЭХЗ трубопроводов тепловых сетей производят не реже, чем 2 раза в год, а также при изменении параметров работы установок ЭХЗ и при изменении коррозионных условий, связанных с:

■ прокладкой новых подземных сооружений;

■ в связи с проведением ремонтных работ на тепловых сетях;

■ установкой ЭХЗ на смежных подземных коммуникациях.

Специалисты службы ЭХЗ ведут технический надзор за производством капитального ремонта, реконструкции и капитального строительства установок ЭХЗ подрядными организациями. Контролируется соответствие выполняемых строительно-монтажных работ проекту.

К организационным задачам относится, прежде всего, получение разрешения на электроснабжение станций ЭХЗ от сетей ОАО «Ленэнерго». Это многоходовый алгоритм, сопровождаемый оформлением большого количества документации. Кроме электроснабжения, служба ЭХЗ занимается подготовкой адресных программ нового строительства и ремонта, проверкой и согласованием проектов, подготовкой технических заданий.

Установки ЭХЗ от наружной коррозии металлоконструкций используются уже 100 лет. Физико-химический принцип их работы остается неизменным, но для увеличения ресурса их работы, снижения капитальных и эксплуатационных затрат необходимо искать и находить новые технические решения. Перспективным представляется использование протяженных электродов для анодного заземления. Эластомерные электроды укладываются горизонтально в траншею вдоль трубопроводов тепловой сети на глубине

1,5 м и разделяются на несколько участков для повышения ремонтопригодности. Стоимость таких установок меньше, чем при использовании традиционных контуров анодного заземления. В 2011 г. уже построены две установки с горизонтальными электродами.

Оснащение установок ЭХЗ блоками телеметрии будет продолжаться, и в перспективе информация о работе всех установок будет дистанционно передаваться и архивироваться.

В 2011 г. был выполнен проект автоматизированного учета электроэнергии для 59 установок ЭХЗ, а его реализация намечена на 2012 г

Уже начата работа по занесению базы данных об установках ЭХЗ в единую информационно-аналитическую систему ОАО «Теплосеть Санкт- Петербурга». В перспективе это позволит быстрее и достовернее определять приоритеты при составлении программы реконструкции участков тепловых сетей, правильно организовывать земляные работы при устранении дефектов.

Основное назначение ЭХЗ тепловых сетей - это обеспечение эксплуатации трубопроводов без возникновения повреждений в течение всего нормативного срока (25 лет). Для достижения этой цели необходимо относиться к ЭХЗ именно как к системе, не пренебрегая ни одной из ее составляющих, указанных в данной статье. Полезными могут оказаться несколько общих соображений.

1. В коррозионно-опасных зонах нужно вводить в эксплуатацию ЭХЗ как можно быстрее после строительства или реконструкции участка тепловых сетей, т.е. защищать металл «с нуля».

2. На участке трубопроводов, электрически плохо изолированных от земли (разрушение тепловой изоляции, контакт металла с бетонными конструкциями и т.п.), установка ЭХЗ будет мало эффективна, т.к. созданный ею защитный ток не распределится на сотни метров вдоль труб, а стечет в землю в месте «закоротки».

3. При выявленной низкой эффективности существующей установки ЭХЗ (малая разница в значении потенциала металла при включенной и отключенной установке) нужно провести ее реконструкцию с изменением расположения контура анодного заземления (КАЗ) по отношению к защищаемым трубопроводам.

4. При реконструкции и новом строительстве установок ЭХЗ целесообразно использовать самые лучшие марки электродов для КАЗ, т.к. отказ контура - это выход из строя всей установки, а для восстановления КАЗ придется проводить дорогостоящие земляные работы.

5. Координация деятельности в части ЭХЗ с другими владельцами подземных коммуникаций позволит принять меры для защиты трубопроводов тепловых сетей от вредного влияния «чужих» установок ЭХЗ, а также в ряде случаев организовать совместную защиту.

Опыт эксплуатации тепловых сетей ОАО «Теплосеть Санкт-Петербурга» убедительно доказывает, что ЭХЗ была и остается важной составляющей в комплексе мер по повышению надежности теплоснабжения Санкт-Петербурга.