Электрохимическая защита магистрального трубопровода (проектная, катодная, дренажная)

Основной принцип катодной защиты.

Катодная защита (рис. 1) - защита подземного металличе­ского трубопровода при наложении электрического поля от внешнего источника тока, создающего катодную поляризацию на тру­бопроводе. При этом коррозионному разрушению подвергается анодное заземление из металлических или неметаллических элект­ропроводных материалов. Такая защита осуществляется при со­здании защитной разности потенциалов между трубопроводом и окружающим его. грунтом от источника постоянного (или вы­прямленного) тока. Разность потенциалов создается станцией катодной защиты (СКЗ).

 

Рис. 1. Принципиальная схема катодной за­щиты магистрального трубопровода:

1 — трубопровод; 2 — анодное заземление (анод); 3 — соединительная электролиния по­стоянного или выпрямленного тока; 4 — защит­ное заземление; 5 — источник постоянного или выпрямленного тока; 6 — катодный вывод; 7,8 — точки соответственно подключения ка­тодного вывода и дренажа; I ₃ — ток катодной защиты

Как следует из схемы катодной защиты, электрический ток, растекающийся с анодного заземления (2) в почву, распространяется по ней и поступает на защищаемый объект (1) – трубопровод, поляризуя его катодно. Поступивший на защищаемый объект ток собирается в точке дренажа (8) и возвращается к своему источнику (5). Максимальный ток в цепи катодной защиты находится в точке подключения источника питания СКЗ (в точке дренажа).

Устройство, включающее СКЗ, анодное заземление и соединительные провода называют катодной установкой с внешним источ­ником тока. СКЗ бывают двух типов: сетевые, питающиеся от действующих или специально сооружаемых ЛЭП, и с мест­ными источниками тока, в ка­честве которых используют моторы-генераторы, электро­двигатели различных типов термогенераторы и др. СКЗ состоит из понижающего транс­форматора, выпрямителя тока, устройств регулировки напря­жения и контрольно-измери­тельных приборов.

Принцип действия катодной защиты аналоги­чен процессу электролиза. 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 вглубь 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.

При осуществлении электрохимической защиты участка трубопровода, стенка которого более чем на 10 % толщины повреждена коррозией, минимальный защитный потенциал должен быть на 0,05 В отрицательнее.

Минимальный защитный потенциал должен поддерживать­ся на границе зоны действия станции катодной защиты (СКЗ). Так как значение защитного потенциала убывает с удалением от точки подключения СКЗ (точка дренажа), то максимальный защитный потенциал имеет место в точке дренажа. Чтобы предотвратить разрушение и отслаивание изоляционного покрытия вследствие выделения газообразно­го водорода, максимальное значение защитного потенциала ограничено. Так, для стального сооружения с битумной или полимерной изоляцией это значение составляет —1,15 В по МСЭ. Когда сооружение не имеет защитного покрытия, максимальное значение защитного потенциала не регламен­тируется.

В установках катодной защиты используют сосредоточен­ные, распределенные, глубинные и протяженные анодные заземления. Для уменьшения скорости их растворения элект­роды анодного заземления устанавливают в коксовую мелочь. Срок службы анодного заземления должен составлять не ме­нее 15 лет.

Основной принцип протекторной защиты.

Протекторную защиту (рис. 1) от электрохимической корро­зии участков магистральных трубопроводов применяют при значи­тельной удаленности их от источников электроснабжения, где применение катодной защиты экономически нецелесообразно, а также в местах неполной защиты участков трубопроводов катодными установками. Протекторные установки, состоящие из про­тектора, активатора, проводника и контрольно-измерительной ко­лонки, применяют для защиты конусов переходов трубопроводов через железные и шоссейные дороги, конденсат- и водосборников и др. Их присоединяют к защищаемому сооружению металлического протектора (анодного электрода), имеющему более низкий электрохимический потенциал по сравнению с потенциалом ме­талла, защищаемого в данной коррозионной среде.

Рисунок 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 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 (4). В результате этого образуется гальванический элемент «труба-протектор», в котором трубопровод является КАТОДОМ, протектор – АНОДОМ, а почва – электролитом.

Разрушение всегда на АНОДЕ!!!!!!!!!!!!!!

Так как материал протектора является более электроотрицательным, то под действием разности потенциа­лов происходит направленное движение электронов ё от протектора к трубопроводу по проводнику 3. Одновременно ион-атомы материала протектора переходят в раствор, что приводит к его разрушению. При этом сила тока контроли­руется с помощью контрольно-измерительной колонки.

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 изготовляют 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 магний, цинк и алюминий.

Видно, что отдать предпочтение какому-либо одному ме­таллу трудно. Поэтому протекторы изготовляют из сплавов этих металлов с добавками, улучшающими работу протек­торной защиты. В зависимости от преобладающего компо­нента сплавы бывают магниевые, алюминиевые, цинковые. В качестве добавок используют марганец (способствует повы­шению токоотдачи), индий (препятствует образованию плот­ной окисной пленки на поверхности сплава, а значит, его пассивации) и др.

Применяют защиту протекторами, расположенными как по­одиночке (если состояние изоляционного покрытия трубопровода хорошее), так и группами (применяют при защите участков трубопроводов с плохой изоляцией или неизолированных патронов на переходах через шоссейные и железные дороги). Кроме того, защита от коррозии трубопроводов может быть выполнена протяженными протек­торами. Защиту одиночными и групповыми коллекторами реко­мендуется использовать в грунтах с удельным сопротивлени­ем не более 50 Ом-м, а протяженными — не более 500 Ом-м.

Повышение эффективности действия протекторной установки достигается погружением ее в специальную смесь солей, называемую «заполнителем» или активатором. Непосредственное погружение протектора в грунт менее эффективно, чем в заполнитель. Заполнитель готовится путем смешения сухих солей и глины.

Назначение заполнителей следующее:

- снижение собственной коррозии

- уменьшение анодной поляризуемости

- снижение сопротивления растеканию тока с протектора

- устранение причин, способствующих образованию плотных слоев продуктов коррозии на поверхности протекторов.

Основной принцип электродренажной защиты.

Для электрозащиты магистральных трубопроводов от блуж­дающих токов применяют электродренажную защиту (рис. 1), отводящую блуждающие токи с трубопровода в рельсовую часть цепи электротяги или на сборную шину отсасывающих кабелей тяговой подстанции железной дороги. Блуждающие токи дости­гают значительных величин и могут вызвать сквозную коррозию стенок трубопровода через 3 - 5 лет после его укладки. В связи с этим ввод в действие электродренажных станций должен сов­пасть с укладкой трубопровода в траншею и засыпкой его.

 

 

Рисунок 1. Принципиальная схема электродренажной защиты магистрального трубопровода

1 – трубопровод; 2 – контакт катодного вывода; 3 - катодный вывод; 4 – точка дренажа на трубопроводе; 5 – поляризованная электродренажная установка; 6 – контакт схемы с рельсовой сетью; 7 – рельсовая сеть; 8 – дренажный кабель.

 

 

К трубопроводу (1) подключают дренажное устройство (5) в точке дренажа (4) при помощи дренажного кабеля (8), который также подключен к рельсовой сети (7) электрифицированного транспорта. Создается положительная разность потенциалов в цепи «трубопровод-рельс» и потечет ток I_др. Дренажная защита на устойчивых анодных участках действует непрерывно, а на знакопеременных (при проявлении на трубопроводе положительных потенциалов) – периодически.

Применяют прямой, поляризованный и усиленный дрена­жи.

1) Прямой электрический дренаж — это дренажное уст­ройство двусторонней проводимости. Дренаж при котором ток может идти в любом направлении, то есть из рельсов в трубопровод и наоборот. Схема прямого элект­рического дренажа (рис. 2, а) включает: реостат R, ру­бильник К, плавкий предохранитель Пр и сигнальное реле СР. Сила тока в цепи трубопровод — рельс регулируется ре­остатом. Если значение тока превысит допустимое значение, то плавкий предохранитель сгорит, ток потечет по обмотке реле, при включении которого включается звуковой или све­товой сигнал.

Прямой электрический дренаж применяют 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.

2) Поляризованный электрический дренаж — это дренажное устройство, обладающее односторонней проводимостью (из трубопровода в рельс)(рис. 2, б). Поляризованный дренаж обеспечивает постоянный, более отрицательный понетциал защищаемого трубопровода.От прямого дренажа поляризованный отличается наличием элемента односторонней проводимости — вентиль­ного элемента (ВЭ). При поляризованном дренаже ток проте­кает только от трубопровода к рельсу, что исключает натекание блуждающих токов на трубопровод по дренажному проводу.

3) Усиленный дренаж (рис. 2, в) применяют в тех случаях, когда нужно не только отводить блуждающие токи с трубо­провода, но и обеспечить на нем необходимое значение за­щитного потенциала. Усиленный дренаж представляет собой обычную катодную станцию, подключенную отрицательным полюсом к защищаемому сооружению и положительным — не к анодному заземлению, а к рельсам электрифицирован­ного транспорта. За счет такой схемы подключения обеспе­чивается, во-первых, поляризованный дренаж (благодаря ра­боте вентильных элементов в схеме СКЗ), а во-вторых, ка­тодная станция удерживает необходимый защитный потенци­ал трубопровода. После ввода трубопровода в эксплуатацию проводят регу­лировки параметров работы системы его защиты от коррозии. При необходимости можно вводить в эксплуатацию дополнительные станции катодной и дренажной защиты, а также протекторные установки.

Рис. 2. Принципиальные схемы электрических дрена­жей:

R — реостат; К — рубильник; Пр — плавкий предохранитель; СР — сигнальное реле; ВЭ — вентильный элемент; А — изме­рительный амперметр; Тр — трансформатор; П — соедини­тельный провод

 

68. Производство земляных работ при строительстве магистральных трубопроводов в различных условиях (болота, горные условия, условия барханных пустынь, вечная мерзлота)

Особенности строительства МТ в горах.

Сильная пересеченность рельефа местности обусловливает необходи­мость выполнения работ на крутых подъемах и спусках, косогорных участ­ках. Часто встречаются уклоны такой крутизны, что работа машин на них оказывается невозможной. Требуются такие методы работ, при которых ис­ключалась их необходимость применения.

Как правило, крутые откосы сложены скальными грунтами, часто силь­но трещиноватыми и насыщенными водой. Поэтому к сложностям рельефа добавляются сложности, обусловленные необходимостью устройства полок для прохода строительных колони и траншей для трубопровода с помощью буровзрывных работ. Возможность внезапного образования оползней огром­ных масс грунта или возникновения селевых потоков вызывает опасность ве­дения строительно-монтажных работ.

Оползни часто образуются в результате нарушения естественного равно­весного состояния склонов при устройстве полок. Селевые потоки возникают в результате выпадения дождей иногда даже не в районе ведения работ, а ближе к вершинам гор. Поток грязи, камней и воды с довольно большой» скор остью движется по руслам пересохших ручьев, речек и сметает все на своем пути, образуя так называемые конусы выноса.

Горные дороги, как правило, имеют большое число крутых подъемов и поворотов. Это создает значительные трудности в транспортировке длинно­мерных грузов (секций труб). В некоторых случаях доставка даже двухтруб­ных секций оказывается сложной и строительство трубопроводов приходится вести из одиночных труб.

Затруднения возникают и при организации строительных участков. Если в обычных условиях можно расставить участки по длине всего трубопровода, то в горах это часто вызывает большие трудности. Отсутствие дорог, слож­ность рельефа и грунтовых условий во многих случаях диктуют свои требо­вания. Работы можно вести только одной колонной, устраивая сначала пол­ки, дорогу, траншею. Только вслед за землеройной колонной может идти изоляционно-укладочная.

На очень сложных участках работы ведет обычно комплексная колонна, выполняя сразу все операции, вплоть до засыпки уложенного трубопровода.

В числе основных мер по борьбе с оползнями можно назвать следую­щие: перехват поверхностных и грунтовых вод, устройство буронабивных железобетонных свай, прорезающих оползень и входящих на 2—3 м в корен­ной грунт. В некоторых случаях (при малых оползнях) неплохие результаты может дать устройство подпорных стенок.

Особенности строительства МТ на болотах.

При строительстве трубопроводов на болотах применяют все существу­ющие в настоящее время конструктивные схемы укладки трубопроводов.

Подземная схема. Трубопровод укладывают в грунт на глубину, превы­шающую диаметр труб.

Полуподземная и наземная схемы. Трубопровод укладывают в грунт на глубину менее диаметра, а выступающую часть труб засыпают грунтом.

При наземной схеме — трубопровод укладывают на поверхности спланиро­ванного грунта.

Надземная схема. Трубопровод укладывают выше поверхности грунта на опорах. На переходах трубопроводов через болота обычно укладывают одну нитку трубопровода. Однако на болотах II и III типов при ширине боло­та более 500 м допускается прокладка резервной нитки.

Возможность применения той или иной схемы в конкретных условиях определяется типом болота, его естественным состоянием, а также изменени­ем физико-механических свойств грунта под воздействием трубопровода. Необходимо иметь в виду, что и технология строительства может оказать существенное положительное или отрицательное влияние на взаимодействие труб и окружающего их грунта.

В отличие, от трубопроводов, уложенных в плотных грунтах, трубопро­воды, уложенные на болотах по подземной или наземной схемам, с течением времени изменяют свое первоначальное положение. Это объясняется чрез­вычайно сильной сжимаемостью болотистых (торфяных) грунтов под воз­действием даже незначительных уплотняющих нагрузок. Поскольку в период эксплуатации в трубопроводе возникают продольные усилия, то они обу­словливают белее значительные поперечные перемещения труб.

Особенности строительства МТ в пустынях.

Специфика сооружения магистральных трубопроводов в пустыне заклю­чается прежде всего в том, что трасса проходит по безлюдным, безводным и бездорожным районам с сыпучими песчаными грунтами или по скалистым грунтам, покрытым толстым слоем пыли. Строительство же в районах хорошо освоенных поливных земель связано с другими трудностями. Поливные земли обычно пересечены густой сетью оросительных каналов, канав и ары­ков, что вызывает необходимость сооружать большое число переходов. Кро­ме того, через каналы и арыки должны устраиваться проезды и мосты.

Необычайно сложны климатические условия в пустынных районах. До­статочно сказать, что летом температура достигает 45 - 50°С в тени при от­носительной влажности воздуха 6 - 10%, а зимой - 35° С. Пески, например, в пустынях Кызылкум и Каракумы прогреваются до 70° С. Особенно большие помехи создают почти непрерывные горячие сухие ветры и песчаные бура­ны. В таких условиях одна из важнейших задач — организация труда и быта строителей. Жилые городки должны располагаться в наиболее благоприят­ных местах, где есть источники воды, или на специально устраиваемых опорных пунктах. Обычно максимальное удаление фронта работ от городка не должно превышать 15 - 20 км.

В пустынях целесообразно вести линейные работы расчлененно-специализированным методом, т. е. разделением комплекса работ на отдельные операции, поручаемые специализированным управлениям. Однако, несмотря на расчленение, строительство ведется одним потоком (недоделки недопус­тимы). Ни землеройные, ни сварочные, ни изоляционно-укладочные колонны не должны отрываться друг от друга на расстояние, большее чем 2-3 км, как это бывает в нормальных условиях.

При ветрах на поверхность трубы оседает много пыли, песка, что сни­жает прилипаемость битумной мастики. Для снятия пыли перед изоляцион­ной машиной устанавливают обод с набором мягких щеток, которые снима­ют пыль.

Особенности строительства МТ на многолетнемерзлых грунтах.

В настоящее время применяют три основных конструктивных схемы: подземную, наземную и надземную. Применимость каждой из них в тех или иных конкретных условиях определяется, прежде всего, тепловым взаимодей­ствием труб с окружающей их средой. Если температура транспортируемого продукта отрицательная, то мерзлый грунт вокруг трубы оттаивать не будет, и, следовательно, его несущая способность будет достаточной для нормаль­ной работы трубопровода при любой конструктивной схеме. Если же темпе­ратура продукта положительная, то грунт вокруг трубы оттаивает. Несущая способность его резко снижается, что приведет к просадкам трубы и другим нежелательным последствиям. Для прогнозирования возможных последст­вий в работе труб при оттаивании грунта необходимо знать методы, позво­ляющие рассчитывать тепловое взаимодействие грунта с трубой.

Сложность сооружения и эксплуатации трубопроводов в условиях веч­ной мерзлоты заключается в том, что грунт под трубой протаивает на от­дельных участках, труба провисает, и в ней возникают дополнительные изгибные напряжения.

Существует два способа защиты вечной мерзлоты от протаивания:

- перекачивание продуктов при отрицательных температурах (-2 - -3°С),
с использованием охлаждения их в аппаратах воздушного охлаждения
(АВО) и в холодильнике;

- теплоизоляция труб: а) использование песчаной подушки под трубой
(толщиной 1 м); б) изготовление экранов из пенополеуритана.

69. Выбор и планировка площадки под строительство нефтебазы или газохранилища

1. Отводимая для НБ территория должна иметь разрывы между границами участка и соседними сооружениями согласно СНиП 2-106-79.

2. Подветренная сторона от населенных пунктов и сооружений, чтобы пары н/пр не относились на жилые дома, объекты с открытым огнем и т.д.

Вычерчивают розу ветров.

Речные НБ следует располагать ниже по течению реки от ближайших населенных пунктов, промышленных предприятий, пристаней, мостов и т.д.

1. Удобное примыкание к транспортным магистралям.
2. На самой площадке или вблизи от нее необходимо иметь источник водоснабжения и энергосбережения для хозяйственных, производственных т противопожарных нужд.
3. Обеспечение удобного спуска ливневых и канализационных вод, не причиняя вреда окружающей среде.
4. Площадка д.б. сложена из коренных пород, способных выдержать удельную нагрузку >=0,1 МПа.