Схема катодной защиты. Особенности катодной защиты. Оборудование для катодной защиты

23.09.2019

Катодная защита

Принципиальная схема катодной защиты показана на рисунке.

Источником постоянного тока является станция катодной защиты 3, где с помощью выпрямителей переменный ток от вдольтрассовой ЛЭП 1, поступающий через трансформаторный пункт 2, преобразуется в постоянный.

Отрицательным полюсом источник с помощью соединительного провода 4 подключен к защищаемому трубопроводу 6, а положительным — к анодному заземлению 5. При включении источника тока электрическая цепь замыкается через почвенный электролит.

Принципиальная схема катодной защиты

1 — ЛЭП; 2 — трансформаторный пункт; 3 — станция катодной защиты; 4 — соединительный провод; 5 — анодное заземление; 6 — трубопровод

Принцип действия катодной защиты следующий. Под воздействием приложенного электрического поля источника начинается движение полусвободных валентных электронов в направлении «анодное заземление — источник тока— защищаемое сооружение». Теряя электроны, атомы металла анодного заземления переходят в виде ион-атомов в раствор электролита, т.е. анодное заземление разрушается. Ион-атомы подвергаются гидратации и отводятся в глубь раствора. У защищаемого же сооружения вследствие работы источника постоянного тока наблюдается избыток свободных электронов, т.е. создаются условия для протекания реакций кислородной и водородной деполяризации, характерных для катода.

Подземные коммуникации нефтебаз защищают катодными установками с различными типами анодных заземлений. Необходимая сила защитного тока катодной установки определяется по формуле

J др =j 3 ·F 3 ·K 0

где j 3 — необходимая величина защитной плотности тока; F 3 — суммарная поверхность контакта подземных сооружений с грунтом; К 0 — коэффициент оголенности коммуникаций, величина которого определяется в зависимости от переходного сопротивления изоляционного покрытия R nep и удельного электросопротивления грунта р г по графику, приведенному на рисунке ниже.

Необходимая величина защитной плотности тока выбирается в зависимости от характеристики грунтов площадки нефтебазы в соответствии с таблицей ниже.

Протекторная защита

Принцип действия протекторной защиты аналогичен работе гальванического элемента.

Два электрода: трубопровод 1 и протектор 2, изготовленный из более электроотрицательного металла, чем сталь, опущены в почвенный электролит и соединены проводом 3. Так как материал протектора является более электроотрицательным, то под действием разности потенциалов происходит направленное движение электронов от протектора к трубопроводу по проводнику 3. Одновременно ион-атомы материала протектора переходят в раствор, что приводит к его разрушению. Сила тока при этом контролируется с помощью контрольно-измерительной колонки 4.

Зависимость коэффициентов оголенности подземных трубопроводов от переходного сопротивления изоляционного покрытия для грунтов удельным сопротивлением, Ом-м

1 — 100; 2 — 50; 3 — 30; 4 — 10; 5 — 5

Зависимость защитной плотности тока от характеристики грунтов

Принципиальная схема протекторной защиты

1 — трубопровод; 2 — протектор; 3 — соединительный провод; 4 — контрольно-измерительная колонка

Таким образом, разрушение металла все равно имеет место. Но не трубопровода, а протектора.

Теоретически для защиты стальных сооружений от коррозии могут быть использованы все металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений левее железа, так как они более электроотрицательны. Практически же протекторы изготавливаются только из материалов, удовлетворяющих следующим требованиям:

разность потенциалов материала протектора и железа (стали) должна быть как можно больше;
ток, получаемый при электрохимическом растворении единицы массы протектора (токоотдача), должен быть максимальным;
отношение массы протектора, израсходованной на создание защитного тока, к общей потере массы протектора (коэффициент использования) должно быть наибольшим.

Данным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют сплавы на основе магния, цинка и алюминия.

Протекторную защиту осуществляют сосредоточенными и протяженными протекторами. В первом случае удельное электросопротивление грунта должно быть не более 50 Ом-м, во втором — не более 500 Ом·м.

Электродренажная защита трубопроводов

Метод защиты трубопроводов от разрушения блуждающими токами, предусматривающий их отвод (дренаж) с защищаемого сооружения на сооружение — источник блуждающих токов либо специальное заземление, называется электродренажной защитой.

Применяют прямой, поляризованный и усиленный дренажи.

Принципиальные схемы электродренажной защиты

а — прямой дренаж; б —поляризованный дренаж; в — усиленный дренаж

Прямой электрический дренаж — это дренажное устройство двусторонней проводимости. Схема прямого электрического дренажа включает: реостат К, рубильник К, плавкий предохранитель Пр и сигнальное реле С. Сила тока в цепи «трубопровод — рельс* регулируется реостатом. Если величина тока превысит допустимую величину, то плавкий предохранитель сгорит, ток потечет по обмотке реле, при включении которого включается звуковой или световой сигнал.

Прямой электрический дренаж применяется в тех случаях, когда потенциал трубопровода постоянно выше потенциала рельсовой сети, куда отводятся блуждающие токи. В противном случае дренаж превратится в канал для натекания блуждающих токов на трубопровод.

Поляризованный электрический дренаж — это дренажное устройство, обладающее односторонней проводимостью. От прямого дренажа поляризованный отличается наличием элемента односторонней проводимости (вентильный элемент) ВЭ. При поляризованном дренаже ток протекает только от трубопровода к рельсу, что исключает натекание блуждающих токов на трубопровод по дренажному проводу.

Усиленный дренаж применяется в тех случаях, когда нужно не только отводить блуждающие токи с трубопровода, но и обеспечить на нем 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.

За счет такой схемы подключения обеспечивается: вопервых, поляризованный дренаж (за счет работы вентильных элементов в схеме СКЗ), а во-вторых, катодная станция удерживает необходимый защитный потенциал трубопровода.

После ввода трубопровода в эксплуатацию производится регулировка параметров работы системы их защиты от коррозии. При необходимости с учетом фактического положения дел могут вводиться в эксплуатацию дополнительные станции катодной и дренажной защиты, а также протекторные установки.

М. Иванов, к. х. н.

Коррозия металлов, особенно железа и нелегированной стали, наносит большой вред аппаратам и трубопроводам, эксплуатируемым в условиях контакта с водой и воздухом. Это приводит к снижению сроков службы оборудования и дополнительно создает условия для загрязнения воды продуктами коррозии.

Подписаться на статьи можно на

Как известно, коррозия является электрохимическим процессом, при котором происходит окисление металла, то есть отдача его атомами электронов. Этот процесс осуществляется в микроскопической части поверхности, называемой анодной областью. Он приводит к нарушению целостности металла, атомы которого вступают в химические реакции, особенно активно - в присутствии кислорода воздуха и влаги.

Поскольку металлы хорошо проводят электрический ток, высвобожденные электроны свободно перетекают в другую микроскопическую область, где в присутствии воды и кислорода происходят восстановительные реакции. Такую область называют катодной.

Протеканию электрохимической коррозии можно противодействовать, произведя за счет приложения напряжения от внешнего источника постоянного тока сдвиг электродного потенциала металла до значений, при которых процесс коррозии не происходит.

На основе этого построены системы катодной защиты подземных трубопроводов, резервуаров и других металлических сооружений. В случае приложения к защищаемому металлу электрического потенциала на всей поверхности металлической конструкции устанавливаются такие значения потенциала, при которых могут протекать только восстановительные катодные процессы: например, катионы металла будут принимать электроны и превращаться в ионы более низкой степени окисления или нейтральные атомы.

Технически метод катодной защиты металлов осуществляется следующим образом (рис. 1 ). К защищаемой металлической конструкции, например стальному трубопроводу, подводится провод, который соединяют с отрицательным полюсом катодной станции, в результате этого трубопровод становится катодом. На некотором расстоянии от металлической конструкции в грунте располагается электрод, который с помощью провода соединяется с положительным полюсом и становится анодом. Разность потенциалов между катодом и анодом создают таким образом, чтобы полностью исключить протекание окислительных процессов на защищаемой конструкции. В этом случае через влажную почву между катодом и анодом в толще грунта будут протекать слабые токи. Для эффективной защиты требуется размещение нескольких анодных электродов по всей длине трубопровода. Если удается снизить разность потенциалов защищаемой конструкции и грунта до 0,85-1,2 В, то скорость протекания коррозии трубопровода уменьшается до существенно малых значений.

Итак, система катодной защиты включает в себя источник постоянного электрического тока, контрольно-измерительный пункт и анодное заземление. Обычно станция катодной защиты состоит из трансформатора переменного тока и диодного выпрямителя. Как правило, ее питание осуществляется от сети напряжением 220 В; существуют также станции, питаемые от линий высокого (6-10 кВ) напряжения.

Для эффективной работы катодной станции создаваемая ею разность потенциалов катода и анода должна быть не менее 0,75 В. В некоторых случаях для успешной защиты достаточно порядка 0,3 В. В то же время в качестве технических параметров станций катодной защиты используются величины номинальных значений выходного тока и выходного напряжения. Так, обычно номинальное выходное напряжение станций составляет от 20 до 48 В. При большом расстоянии между анодом и защищаемым объектом требуемое значение выходного напряжения станции достигает 200 В.

В качестве анодов применяют вспомогательные инертные электроды. Анодные заземлители, например модели АЗМ-3Х производства ЗАО «Катодъ» (пос. Развилка, Московская обл.), представляют собой отливки из коррозионно-стойкого сплава, снабженные специальным проводом с медной жилой в усиленной изоляции, а также герметизированной муфтой для присоединения к магистральному кабелю станции катодной защиты. Рациональнее всего использовать заземлители в средах высокой и средней коррозийной активности при удельном сопротивлении грунта до 100 Ом.м. Для оптимального распределения напряженности поля и плотности тока по корпусу оборудования вокруг анодов располагают специальные экраны в виде засыпки из угля или кокса.

Для оценки эффективности работы станции катодной защиты необходима система, которая состоит из измерительного электрода и электрода сравнения и является основной частью контрольно-измерительного пункта. На основании показаний данных электродов производится регулирование разности потенциалов катодной защиты.

Измерительные электроды изготавливают из высоколегированной стали, кремнистого чугуна, платинированной латуни или бронзы, а также меди. Электроды сравнения - хлорсеребряные или сульфатно-медные. По своему конструктивному исполнению электроды сравнения могут быть погружными или выносными. Состав раствора, используемого в них, должен быть близким к составу среды, от вредного воздействия которой требуется защитить оборудование.

Можно отметить биметаллические электроды сравнения длительного действия типа ЭДБ, разработанные ВНИИГАЗом (Москва). Они предназначены для измерения разности потенциалов между подземным металлическим объектом (включая трубопровод) и землей для управления станцией катодной защиты в автоматическом режиме в условиях большой нагрузки и на значительной глубине, то есть там, где другие электроды не могут обеспечить постоянное поддержание заданного потенциала.

Оборудования для катодной защиты поставляется, в основном, отечественными производителями. Так, упомянутое ЗАО «Катодъ» предлагает станцию «Минерва-3000» (рис. 2 ), предназначенную для защиты магистральных водопроводных сетей. Ее номинальная выходную мощность - 3,0 кВт, выходное напряжение - 96 В, сила тока защиты - 30 А. Точность поддержания защитного потенциала и величины тока соответственно составляет 1 и 2 %. Величина пульсации - не более 1 %.

Другой российский производитель - ОАО «Энергомера» (Ставрополь) - поставляет модули марок МКЗ-М12, ПНКЗ-ППЧ-М10 и ПН-ОПЕ-М11, обеспечивающие эффективную катодную защиту подземных металлических сооружений в зонах высокой коррозионной опасности. Модуль МКЗ-М12 имеет номинальный ток 15 или 20 А; номинальное выходное напряжение - 24 В. Для моделей МКЗ-М12-15-24-У2 выходное напряжение составляет 30 В. Точность поддержания защитного потенциала достигает ±0,5 %, заданного тока ±1 %. Технический ресурс - 100 тыс. ч, а срок службы - не менее 20 лет.

ООО «Электронные технологии» (Тверь) предлагает станции катодной защиты «Тверца» (рис. 3 ), комплектуемые встроенным микропроцессором и телемеханической системой дистанционного управления. Контрольно-измерительные пункты оборудованы неполяризующимися электродами сравнения длительного действия с датчиками электрохимического потенциала, обеспечивающими измерение поляризационных потенциалов на трубопроводе. В состав этих станций включены также регулируемый источник катодного тока и блок датчиков электрических параметров цепи, который через контроллер соединен с устройством дистанционного доступа. Трансформатор данной станции выполнен на основе ферритовых сердечников типа Epcos. Используется также система управления преобразователем напряжения на основе микросхемы типа UCC 2808A.

Компания «Курс-ОП» (Москва) выпускает станции катодной защиты «Элкон», напряжение на выходе которых изменяется в диапазоне от 30 до 96 В, а выходной ток - в диапазоне от 20 до 60 А. Пульсации выходного напряжения - не более 2 %. Эти станции предназначены для защиты от почвенной коррозии однониточных, а с применением блока совместной защиты и многониточных трубопроводов в зонах отсутствия блуждающих токов в условиях умеренного климата (от -45 до +40 °С). В состав станций входят однофазный силовой трансформатор, преобразователь со ступенчатым регулированием выходного напряжения, высоковольтная аппаратура, двухполюсный разъединитель с ручным приводом и ограничители перенапряжений.

Можно также отметить установки катодной защиты серии НГК-ИПКЗ производства ООО «НПФ «Нефтегазкомплекс ЭХЗ» (Саратов), максимальный ток на выходе из которых составляет 20 или 100 А, а номинальное выходное напряжение - 48 В.

Один из поставщиков станций катодной защиты из стран СНГ - фирма «Гофман Электрик Технолоджис» (Харьков, Украина), предлагающая оборудование для электрохимической защиты от почвенной коррозии магистральных трубопроводов.

Защита трубопроводов от коррозии может выполняться посредством множества технологий, наиболее эффективным из которых является электрохимический метод, к которому и относится катодная защита. Зачастую антикоррозийная катодная защита применяется комплексно, вместе с обработкой стальной конструкции изолирующими составами.

В данной статье рассмотрена электрохимическая защита трубопроводов и особенно детально изучен ее катодный подвид. Вы узнаете, в чем заключается суть данного метода, когда его можно использовать и какое оборудование применяется для катодной защиты металлов.

Cодержание статьи

Разновидности катодной защиты

Катодная защита стальных конструкций от коррозии была изобретена в 1820-х годах. Впервые метод был применен в кораблестроении – защитными анодными протекторами был обшит медный корпус судна, что значительно уменьшило скорость корродирования меди. Методика была взята на вооружение и начала активно развиваться, что сделало ее одним из наиболее эффективных методов противокоррозионной защиты на сегодняшний день.

Катодная защита металлов, согласно технологии выполнения, классифицируется на две разновидности:

метод №1 – к защищающейся конструкции подсоединяется внешний источник тока, при наличии которого само металлическое изделие выполняется роль катода, тогда как в качестве анодов выступают сторонние инертные электроды.
метод №2 – “гальваническая технология “: защищаемая конструкция контактирует с протекторной пластиной изготовленной из металла, имеющего больший электроотрицательный потенциал (к таким металлам относится цинк, алюминий, магний и их сплавы). Функцию анода в данном метода выполняют оба металла, тогда как электрохимическое растворение металла протекторной пластины обеспечивает протекание через защищаемую конструкцию необходимого минимума катодного тока. По истечению времени протекторная пластина полностью разрушается.

Метод №1 – наиболее распространенный. Это простая в реализации противокоррозионная технология, которая эффективно справляется с многими разновидностями коррозии металлов:

межкристальная коррозия нержавеющей стали;
питтинговая коррозия;
растрескивание латуни из повышенного напряжения;
коррозия под воздействием блуждающих токов.

В отличие от первого метода, пригодного для защиты больших по размеру конструкций (применяется для подземных и наземных трубопроводов), гальваническая электрохимзащита предназначена для применения с изделиями малых размеров.

Гальванический метод широко распространен в США, в России он практически не используется, поскольку технология возведения трубопроводов в нашей стране не предусматривает обработку магистралей специальным изоляционным покрытием, которое является обязательным условием для гальванической электрохимзащиты.

Отметим, что без значительно увеличивается коррозия стали под воздействием грунтовых вод, что особенно характерно для весеннего периода и осени. Зимой, после замерзания воды, коррозия от влаги существенно замедляется.

Суть технологии

Катодная противокоррозионная защита осуществляется посредством применения постоянного тока, который подается на защищаемую конструкцию от внешнего источника (чаще всего используются выпрямители, преобразующие переменный ток в постоянный) и делает ее потенциал отрицательным.

Сам объект, подключенный к постоянному току, является “минусом” – катодом, тогда как подведенное к нему анодное заземление, является “плюсом”. Ключевым условием эффективности катодной защиты является наличие хорошо проводимой электролитической среды, в качестве которого при защите подземных трубопроводов выступает грунт, тогда как электронный контакт достигается за счет использования металлических материалов с высокой проводимостью.

В процессе реализации технологии между электролитической средой (грунтом) и объектом постоянно поддерживается требуемая разница потенциала тока, величина которой определяется с помощью высокоомного вольтметра.

Особенности катодной защиты трубопроводов

Коррозия – основная причина разгерметизации всех типов трубопроводов. Из-за повреждения металла ржавчиной на нем образуются разрывы, каверны и трещины, приводящие к разрушению стальной конструкции. Данная проблема особенно критична для подземных трубопроводов, которые постоянно пребывают в постоянном контакте с грунтовыми водами.

Катодная защита газопроводов от коррозии выполняется одним из вышеуказанных способов (посредством внешнего выпрямителя либо гальваническим методом). Технология в, данном случае, позволяет уменьшить скорость окисления и растворения металла, из которого изготовлен трубопровод, что достигается за счет смещения его естественного коррозийного потенциала в отрицательную сторону.

Посредством практический испытаний было выяснено, что потенциал катодной поляризации металлов, при котором замедляются все коррозийные процессы, равен -0.85 В , тогда как у подземных трубопроводов в естественном режиме он составляет -0.55 В.

Чтобы противокоррозионная защита было эффективной, необходимо посредством постоянного тока снизить катодный потенциал металла, из которого изготовлен трубопровод, на -0.3 В. В таком случае скорость корродирования стали не превышает 10 микрометров в течении года.

Катодная защита – наиболее эффективный метод защиты подземных трубопроводов от блуждающих токов. Под понятием блуждающих токов подразумевается электрический заряд, который попадает в землю в результате работы точек заземления ЛЭП, громоотводов либо движения поездов по железнодорожным магистралям. Точное время и место появления блуждающих токов выяснить невозможно.

Коррозийное воздействие блуждающих токов на металл происходит в случае, если металлическая конструкция имеет позитивный потенциал относительно электролита(для подземных трубопроводов электролитом выступает грунт). Катодная защита же делает потенциал металла подземных трубопроводов отрицательным, что устраняет риск их окисления под воздействием блуждающих токов.

Технология применения внешнего источника тока для катодной защиты подземных трубопроводов предпочтительна. Ее преимущества – неограниченный энергоресурс, способный преодолевать удельное сопротивление грунта.

В качестве источника тока противокоррозионная защита используется воздушные линии электропередач мощностью 6 и 10 кВт, если же на территории ЛЭП отсутствуют, могут применяться мобильные генераторы, работающие на газу и дизтопливе.

Детальный обзор технологии катодной защиты от коррозии (видео)

Оборудование для катодной защиты

Для противокоррозионной защиты подземных трубопроводов применяется специальное оборудование – станции катодной защиты (СКЗ), состоящие из следующих узлов:

заземление (анод);
источник постоянного тока;
пункт управления, контроля и измерений;
соединительные кабели и провода.

Одна СКЗ, подключенная к электросети либо к автономному генератору, может выполнять катодную защиту сразу нескольких рядом расположенных магистралей подземных трубопроводов. Регулировка тока может выполняться вручную (посредством замены обмотки на трансформаторе) либо в автоматическом режиме (если система укомплектована тиристорами).

Среди станций катодной защиты, применяемых в отечественной промышленности, наиболее технологичной установкой считается Минерва-3000 (спроектированная инженерами из Франции по заказу Газпрома). Мощности данной СКЗ достаточно для эффективной защиты 30 км подземного трубопровода.

К преимуществам установки относится:

повышенная мощность;
функция восстановления после перегрузок (обновление происходит за 15 секунд);
наличие систем цифрового регулирования для контроля за рабочими режимами;
полная герметичность ответственных узлов;
возможность подключения оборудования для удаленного контроля.

Также широко востребованными в отечественном строительстве являются установки АСКГ-ТМ, в сравнении с Минервой-3000 они имеют уменьшенную мощность (1-5 кВт), однако в стоковой комплектации система оборудована телеметрическим комплексом, который в автоматическом режиме контролирует работу СКЗ и имеет возможность дистанционного управления.

Станции катодной защиты Минерва-3000 и АСКГ-ТМ требуют питания от электросети мощностью 220 В. Удаленное управление оборудованием выполняется посредством встроенных GPRS модулей. СКЗ имеют достаточно больше габариты – 50*40*90 см. и вес – 50 кг. Минимальный срок службы устройств составляет 20 лет.

Существуют различные методы обработки металлических труб, но наиболее эффективной из них является катодная защита трубопроводов от коррозии. Она необходима для предотвращения их преждевременной разгерметизации, которая повлечет за собой образование трещин, каверн и разрывов.

Коррозия металлов представляет собой естественный процесс, при котором происходит изменение атомов металла. Вследствие этого их электроны переходят к окислителям, что влечет разрушение структуры материала.

Для подземных трубопроводов дополнительным фактором коррозийного влияния является состав грунта. В нем присутствуют участки различного электродного потенциала, что является причиной образования коррозийных гальванических элементов.

Существует несколько разновидностей коррозии, среди которых:

Сплошная. Отличается большой сплошной площадью распространения. В редких случаях становится причиной повреждения трубопровода, так как зачастую не проникает глубоко в структуру металла;

Местная коррозия – становится наиболее частой причиной разрывов, так как не охватывает большую площадь, но проникает глубоко. Подразделяется на язвенную, нитевидную, сквозную, подповерхностную, пятнистую, ножевую, межкристаллитную, коррозийную хрупкость и растрескивание.

Методы защиты подземного трубопровода

Защита от коррозии металла может быть как активной, так и пассивной. Пассивные методы предполагают создание для трубопровода таких условий, в которых на него не будет влиять окружающий его грунт. Для этого на него наносятся особые защитные составы, которые становятся барьером. Чаще всего используются в виде покрытия битум, эпоксидные смолы, полимерные ленты либо каменноугольный пек.

Для активного метода чаще всего используется катодная защита трубопроводов от коррозии. Она основывается на создании поляризации, что позволяет снизить скорость растворения металла. Этот эффект реализуется за счет смещения потенциала коррозии в более отрицательную область. Для этого между поверхностью металла и грунтом проводиться электрический ток, что существенно снижает скорость коррозии.

Способы реализации катодной защиты:

С использованием внешних источников тока, которые соединяются с защищаемой трубой и с анодным заземлением;

С использованием гальванического метода (магниево-жертвенных анодов-протекторов).

Катодная защита трубопроводов от коррозии с использованием внешних источников является более сложной. Так как требует использования особых конструкций, которые обеспечивают подачу постоянного тока. Гальванический способ, в свою очередь, реализуется за счет протекторов, которые позволяют обеспечивать эффективную защиту только в грунтах с низким электрическим сопротивлением.

Может использоваться для защиты трубопровода и анодный метод. Он используется в условиях контакта с агрессивной химической средой. Анодный метод основывается на переводе активного состояния металла в пассивное и его поддержания за счет влияния внешнего анода.

Несмотря на определенные сложности в реализации, данный метод активно используется там, где катодная защита трубопроводов от коррозии не может быть реализована.

Примеры катодной защиты трубопроводов от коррозии на выставке

Опыт использования и новые разработки в данной сфере освещаются на ежегодной отраслевой выставке «Нефтегаз», которая проходит в ЦВК «Экспоцентр».

Выставка является крупным событием индустрии и отличной площадкой для ознакомления специалистов с новыми разработками, а также запуска новых проектов. Выставка «Нефтегаз» будет проходить в ЦВК «Экспоцентр» в Москве на Красной Пресне.

Читайте другие наши статьи.