Защита трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии

Общие положения

Надежная и долговечная работа подземных теплопроводов в значительной степени определяется их коррозионной стойкостью. Тепловые сети эксплуатируются в условиях, благоприятствующих развитию коррозионных процессов, что требует принятия специальных мер по их защите от коррозии. В настоящее время имеется большой арсенал средств антикоррозионной защиты, предназначенных для применения на подземных металлических сооружениях. Полное и правильное применение разработанных методов и средств защиты на тепловых сетях позволит значительно повысить их коррозионную стойкость.

Коррозия металлов представляет собой их самопроизвольное разрушение из-за химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Коррозия наружной поверхности трубопроводов тепловых сетей всегда связана с процессами, протекающими на границе двух фаз — металла и водной среды, и имеет электрохимическую природу. Электрохимический механизм растворения металла является результатом одновременного протекания взаимно независимых реакций: анодной, представляющей собой переход металла в раствор в виде гидратированных ионов с последующим образованием малорастворимых продуктов коррозии, и катодной, представляющей собой ассимиляцию освободившихся при анодной реакции электронов какими-либо содержащимися в растворе деполяризаторами.

При коррозии железа в нейтральных или близких к ним средах анодная реакция может быть представлена в виде

Fе→ Fе²⁺+2е.

Основной катодной реакцией при коррозии железа и низкоуглеродистых сталей в нейтральных и слабощелочных средах является реакция восстановления молекулярного кислорода:

1/2O₂+2е + Н₂O = 2ОН ^-.

В условиях подземной коррозии для этой реакции характерна замедленность переноса растворенного в электролите кислорода к поверхности корродирующего металла, что обусловливает не только скорость катодной реакции, но и общую скорость коррозии. Перенос кислорода через почвенный электролит к поверхности металла подземного металлического сооружения состоит из нескольких стадий. Наиболее затрудненной стадией является стадия переноса кислорода в слое электролита через неподвижный (диффузионный) слой, непосредственно примыкающий к поверхности металла.

Перенос кислорода к поверхности трубопроводов тепловых сетей дополнительно осложнен теплоизоляционной конструкцией, в частности наличием дополнительного барьера в виде тепло- и гидроизоляционного покрытия. На скорость электрохимической коррозии оказывает влияние ряд внешних факторов, связанных с составом коррозионной среды и условиями протекания коррозионного процесса: водородный показатель (рН), стимуляторы и ингибиторы (замедлители) коррозии, температура, поляризация внешним током и др.

С ростом температуры скорость электрохимической коррозии обычно возрастает, так как по экспоненциальному закону увеличивается скорость электрохимических реакций. Однако такая закономерность в случае коррозии с кислородной деполяризацией полностью не соблюдается в связи с тем, что действуют факторы, имеющие обратную температурную зависимость. В частности, растворимость кислорода в незамкнутых системах с ростом температуры уменьшается, что определяет снижение скорости коррозии. Вместе с тем с увеличением температуры возрастает скорость диффузии кислорода, что способствует росту скорости коррозии. Зависимость скорости коррозии наружной поверхности трубопроводов от температуры еще более усложняется при переменном температурно-влажностном режиме, присущем условиям эксплуатации тепловых сетей.

Наличие температурного градиента и периодических колебаний температуры теплоносителя приводит к увеличению интенсивности коррозии, максимум которой приходится на температурные колебания 70— 80 °С. Эта температурная зона в присутствии влаги в слое теплоизоляции, примыкающем к поверхности трубопровода, является наиболее коррозионно-опасной.

Под воздействием источников тока может осуществляться как катодная, так и анодная поляризация металла, при этом его потенциал от стационарного смещается соответственно в сторону отрицательных или положительных значений. При катодной поляризации корродирующего металла от источника постоянного тока скорость коррозии, как правило, уменьшается. При анодной поляризации скорость коррозии обычно возрастает. Подземные металлические сооружения, в частности трубопроводы, поверхность которых имеет электролитический контакт с грунтом, часто подвергаются поляризации блуждающими токами. Коррозия блуждающими токами (электрокоррозия) опасна локальным поражением трубопроводов.

Блуждающие токи — это постоянные или медленно меняющиеся по величине и направлению электрические токи, протекающие в земле от источников, находящихся за пределами подземных металлических сооружений.

К источникам блуждающих токов относятся: рельсы электрифицированных на постоянном токе железных дорог, трамвая, метрополитена, шахтного электротранспорта; заземления линий электропередачи постоянного тока по системе «провод — земля»; анодные заземления установок электрохимической защиты и трубопроводы с электрохимической защитой; сварочные установки и гальванические ванны с утечкой тока в землю и др. На участках входа блуждающих токов подземные металлические сооружения поляризуются катодно, а на участках выхода — анодно. Критерием опасности коррозии, вызываемой блуждающими токами, является наличие анодных и знакопеременных зон на стальных подземных трубопроводах. Наличие этих зон характеризуется появлением положительной или знакопеременной разности потенциалов между трубопроводом и землей.

Наружная поверхность трубопроводов тепловых сетей, как правило, находится в контакте с теплоизоляционными материалами, физико-механические и физико-химические свойства которых в зависимости от способа прокладки теплопроводов в меньшей или большей степени определяют кинетику коррозионных процессов на поверхности трубопроводов. В большей степени это относится к канальным прокладкам трубопроводов, где между теплоизоляционной конструкцией и стенками канала предусмотрен воздушный зазор. При бесканальной прокладке трубопроводов теплоизоляционная конструкция непосредственно контактирует с грунтом. В этом случае свойства грунтов, характеризуемые их структурой и гранулометрическим составом, влагосодержанием и минерализацией грунтовых вод, воздухопроницаемостью и биогенностью, могут оказывать превалирующее воздействие на кинетику коррозионных процессов.

Неоднородность грунтов вдоль трасс трубопроводов может вызвать появление анодных и катодных участков на трубах. Так, например, различия в воздухопроницаемости грунтов могут стать причиной образования на трубопроводах протяженных коррозионных макропар дифференциальной аэрации. Интенсивность действия макропар в значительной степени вызвана электросопротивлением грунтов. В связи с этим удельное объемное электрическое сопротивление является характеристикой коррозионной активности грунтов по отношению к трубопроводам тепловых сетей бесканальной прокладки.

4.2. Исходные данные для определения опасности электрохимической коррозии трубопроводов тепловых сетей

Для определения опасности коррозии трубопроводов тепловых сетей производятся электрические измерения с целью:

§ выявления участков тепловых сетей бесканальной прокладки, находящихся в зоне с высокой коррозионной активностью грунтов;

§ выявления участков тепловых сетей канальной прокладки с заносом грунтом или затоплением каналов и участков тепловых сетей бесканальной прокладки с увлажненным теплоизоляционным покрытием;

§ выявления участков тепловых сетей канальной и бесканальной прокладки, находящихся в зоне опасного воздействия блуждающих токов;

§ оценки характера влияния установок электрохимической защиты смежных подземных сооружений;

§ определения основных источников опасности коррозии в случае одновременного действия нескольких источников блуждающих токов;

§ проверки эффективности мероприятий по снижению утечек токов с рельсовых путей электротранспорта в землю.

Состав и объем измерительных работ определяются отдельно для проектируемых и действующих теплопроводов.

Коррозионная активность грунтов оценивается по удельному объемному электрическому сопротивлению грунта (УОЭС). При УОЭС свыше 100 Ом∙м коррозионная активность грунтов оценивается как низкая, при УОЭС от 20 до 100 Ом∙м — как средняя, при УОЭС до 20 Ом∙м — как высокая.

На трассах проектируемых тепловых сетей бесканальной прокладки измерение удельного электрического сопротивления грунта производится вдоль оси предполагаемой трассы на расстоянии не более 100 — 200 м между смежными точками измерения. На эксплуатируемых тепловых сетях измерения проводятся через каждые 100 — 200 м вдоль трассы на расстоянии 2 — 4 м от нее.

Л5Измерения удельного электрического сопротивления грунтов выполняются четырехэлектродной установкой с использованием измерителей сопротивления заземления М-416, Ф-416 или полевого электроразведочного потенциометра ЭП-1М. Измерение УОЭС производится в соответствии с методикой, изложенной в нормативно-технической документации [ 5 ].

Наличие блуждающих токов в земле на трассе проектируемых тепловых сетей рекомендуется определять по результатам измерений разности потенциалов между проложенными в данном районе подземными металлическими сооружениями и землей. При отсутствии подземных металлических сооружений наличие блуждающих токов в земле на трассе проектируемых трубопроводов следует определять, измеряя разность потенциалов между двумя точками земли через каждые 1000 м по двум взаимно перпендикулярным направлениям при разносе измерительных электродов на 100 м.

Для измерения разности потенциалов между трубопроводом и землей используют специально оборудованные на газовых, водопроводных или тепловых сетях контрольно-измерительные пункты (КИП). На пунктах контрольные проводники, соединенные соответственно с трубопроводом и электродом сравнения, выведены под крышку люка или в ковер, что позволяет производить измерительные работы с поверхности земли (рис. 5.11, 5.12). При отсутствии КИП подключение положительного зажима вольтметра к трубопроводу осуществляется на вводе в здание, в камере или других доступных местах. Переносный электрод сравнения при этом устанавливают на возможно меньшем расстояний от подземной части трубопровода.

 

Рис. 5.11. Контрольно-измерительный пункт в камере:

1 — медносульфатный электрод сравнения длительного действия; 2 — люк; 3 — поперечная перемычка; 4 — продольная перемычка; 5, 6 — контрольные проводники от электрода и трубопровода

Выявление участков тепловых сетей, находящихся в зоне опасного воздействия блуждающих токов, производится измерением разности потенциалов между трубопроводом теплосети и землей. При проведении измерений учитывается способ прокладки и условия эксплуатации теплопроводов.

Рис. 5.12. Контрольно-измерительный пункт на трубопроводах бесканальной прокладки:

1 — медносульфатный электрод сравнения длительного действия; 2 — подающий и обратный трубопроводы; 3 — контрольные проводники; 4 — перечная перемычка; 5 — песок

При канальной прокладке трубопроводов в случае предположения затопления или заноса каналов наиболее эффективным является метод выноса электрода сравнения, который устанавливают над осью трассы трубопровода с интервалом 5 —10 м (рис. 5.14). Из общего числа результатов измерений выбирают тот, который характеризует опасность электрокоррозии. При отсутствии затоплений или заносов электроды располагают над трубопроводами вблизи камер.

Рис. 5.13. Измерение разности потенциалов «труба — земля» на теплопроводах канальной прокладки:

1 — вольтметр; 2 — электрод сравнения; 3 — трубопровод; 4 — канал; 5 — подвижная опора; 6 — занос канала грунтом

При бесканальной прокладке трубопроводов переносные электроды сравнения рекомендуется устанавливать над участками, где зафиксировано увлажнение теплоизоляции, у мест перехода бесканальной прокладки в канальную, у камер.

Определение характера влияния установок электрохимической защиты смежных подземных сооружений на трубопроводы осуществляется путем сопоставления результатов измерений на трубопроводах разности потенциалов «труба — земля» при выключенных и работающих защитных установках в заданном режиме. Измерения производятся в зоне действия защиты на смежных сооружениях. Вредным влиянием установок электрохимической защиты считается появление опасности электрохимической коррозии на трубопроводах, ранее не требовавших защиты от нее (появление положительной или знакопеременной разности потенциалов), уменьшение по абсолютной величине минимального или увеличение по абсолютной величине максимального защитного потенциала на трубопроводах, имеющих электрохимическую защиту.

Определение основных источников опасности коррозии в случае одновременного действия нескольких источников блуждающих токов осуществляется сопоставлением результатов синхронных измерений разности потенциалов «труба — земля» на трубопроводах и «рельс — земля» на рельсах электрифицированного на постоянном токе транспорта. Основным источником считается тот, распределение потенциалов на котором во времени определяет на трубопроводе аналогичный характер распределения потенциалов, но противоположной полярности.

Обработка результатов измерений разности потенциалов между трубопроводом и землей, рельсами и землей производится в соответствии с рекомендациями, приведенными в [ 5 ].