Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии. Катодная защита. Протекторная защита

Катодная защита. Сущность катодной защиты заключается в искусственной поляризации катода таким образом, чтобы его потенциал, по крайней мере, стал равным потенциалу анода коррозионной пары. Это можно сделать, подключив к двухэлектродной (катод – анод) коррозионной паре третий электрод с более отри­цательным потенциалом. В результате такой поляризации катода работа кор­розионной пары прекращается. Однако это может быть лишь при определенном более отрицательном потенциале и соответствующей силе защитного тока.

Рассмотрим случай поляризации постоянным током. Трубопровод, расположенный в грунте является катодом по отношению к электролиту, заполняющему, в той или иной мере поры грунта. Соответственно грунт является анодом по отношению к трубопроводу. Отрицательный полюс источника тока подключается к трубопроводу (катод), а положительный – к специально устраиваемому заземлению (анод) (рис. 15.6). Источник тока 2 называют станцией катодной защиты (СКЗ). Каждая станция в зависимости от коррозионных свойств грунта, качества изоляции, мощности самой станции может защитить трубопровод 1 на участке определенной длины L. В пределах этой длины защитный потенциал, создаваемый СКЗ, обеспечивает отсутствие на катоде (трубопроводе) электрохимической коррозии.

Рисунок 15.6 – Схема катодной защиты

В то же время анод вследствие активизации анодного процесса интенсивно разрушается. Изображенная на рисунке 15.6 кривая 3 характеризует распределение защитной разности потенциалов V в пределах длины участка L. Наибольшее значение V_з.max фиксируется обычно напротив анода. Эффективно защитный потенциал может выполнять свое назначение только в том случае, если он не меньше определенного, так называемого минимального защитного потенциала V_з.min. Отметим, что смещение защитного потенциала в область более отрицательных значений не оказывает существенного влияния на коррозию металла.

Но при чрезмерном увеличении V по сравнению с V_min между изоляцией и поверхностью металла скапливается водород, выделяющийся в результате катодного процесса. Это может привести к отслоению изоляции и ухудшению защитных свойств покрытия. Таким образом, можно сказать, что качество покрытия оказывает существенное влияние на параметры катодной защиты. Чем лучше качество покрытия, тем требуется меньший защитный потенциал, тем большую длину участка можно защитить от одной станции. Если учитывать и естественный потенциал труба – земля, существовавший до наложения защитного потенциала, то максимально допустимая разность потенциалов труба – земля будет равна:

V_з.max = V_е + V_max, (15. 1)

а минимальная

V_з.min = V_е + V_min, (15. 2)

где V_е – естественная разность потенциалов; V_max и V_min – соответственно максимально и минимально допустимые разности наложенного потенциала.

Исходя из указанных особенностей можно заключить, что предельные значения защитного потенциала ограничиваются значениями, приведенными в таблице 15.6 (ГОСТ 9.015-74).

 

 

Таблица 15.1 – Значение потенциалов

Разность потенциалов	Допустимые потенциалы по отношению к электроду сравнения, В
водородному	медносульфатному
Минимальная для всех сред Максимальная для всех сред: трубопроводы с защитными покрытиями трубопроводы без покрытия	–0,55   –0,8   Не ограничивается	–0,85   –1,1   Не ограничивается

 

Существует другой метод оценки защитного потенциала, суть которого заключается в установлении определенного сдвига первоначального, т. е. естественного потенциала, в отрицательную сторону, при котором обеспечивается защита от коррозии. Это смещение устанавливается в пределах 0,28 – 0,32 В. Для реализации второго метода оценки необходимо измерение естественного потенциала трубопровода в различных точках при выключенной катодной защите.

Протекторная защита

К электрохимическому виду защиты трубопровода от коррозии относится так называемая протекторная защита, в основу которой положен принцип работы гальванического элемента. Механизм электро­химической коррозии, связанный с образованием гальванического элемента сопровождается переходом ионов металла анода в электролит, в то время как на катоде происходит разряд этих ионов.

Таким образом, создавая условия, при которых трубопровод будет катодом, а другой электрод анодом, можно добиться прекращения коррозионного разруше­ния трубопровода, но при довольно интенсивном разрушении анода. Эту идею можно реализовать за счет использования в качестве анода материала, обладающего более отрицательным электродным потенциалом по сравнению с потенциалом защищаемого металла. Более отрицательным по сравнению с железом потенциалом обладают магний, цинк, алюминий. Их можно в прин­ципе использовать в качестве анодов-протекторов. Однако вследствие того, что на поверхности алюминия образуется труднорастворимая пленка, в чистом виде его не применяют. Наиболее часто используют для этой цели магнитные сплавы МЛ-4 и МЛ-5.

Расчет протекторной защиты

При расчете должна быть определена длина участка трубопро­вода, защищаемого одиночным протектором или группой про­текторов. Рассмотрим схему, изображенную на рис.15.7. Допу­стим, что в грунте установлен протектор (или группа) 2, кото­рый соединен кабелем 3 с трубопроводом 1. Вследствие того что протектор изготовлен из материала, обладающего более от­рицательным потенциалом по сравнению с потенциалом мате­риала трубопровода, в точке подсоединения О разность потен­циалов будет максимально допустимой V_max. По мере удаления от точки О эта разность будет уменьшаться. В точках т, п она станет равной минимально допустимой V_min.

Рисунок 15.7 – Схема протекторной защиты

 

Расстояние между точками т ип можно считать максимальной длиной участка трубопровода, защищаемого одним протектором. Пусть электродная разность потенциала протектора по отношению к электроду сравнения V_пр <V_max, переходное сопротивление одиночного протектора R_п.пр; R_вх – входное сопротивление тру­бопровода, т. е. сопротивление, оказываемое трубопроводом, имеющим на изоляции повреждения, входящему в него току, R_с.пр – сопротивление кабеля, соединяющего протектор с тру­бопроводом. Тогда, учитывая естественную разность потенциа­лов труба – земля V_e, силу тока протектора, найдем по закону Ома

I _пр = (V_пр – V_e)/(R_п.пр + R_вх + R_с.пр). (15. 3)

Отметим, что V_пр и V_e определяются по одному и тому же электроду сравнения (медносульфатному или водородному).

Чем больше электродный по­тенциал протектора, тем боль­шей силы ток при прочих рав­ных условиях он может дать. Для того чтобы трубопровод был защищен от коррозии, плотность тока, приходящаяся на единицу длины трубопро­вода, при минимуме защит­ного потенциала V_min должна быть

J _п = kV_min / R_пер , (15. 4)

где k = 1,2 – 1,3– коэффициент неравномерности распределения разности потенциалов труба – грунт вдоль трубопровода; V_min = 0,85 В (по медносульфатному электроду сравнения); R_пер – переходное сопротивление трубопровод – грунт.

Две последние формулы позволяют определить число N не­обходимых одиночных протекторов на участок определенной длины или длину участка L₁, защищаемого одним протектором:

N = L₁ J _п / I _пр ; (15. 5)

L₁ = I _пр / J _п. (15. 6)

В однородном грунте протекторы размещаются на равном друг от друга расстоянии L₁.

Применяют также и групповое размещение протектора. В этом случае необходимо определить силу тока группы про­текторов и их переходное сопротивление. Сила тока группы протекторов:

I _{г. пр} = (V_пр – V_e)/(R_пер.г + R_вх + R_с.пр); (15. 7)

где R_пер.г – переходное сопротивление группы протекторов.

Первоначально определяют приближенное число протекторов в группе, необходимое для защиты участка длиной L:

N_г = LJ /(0,6/ I _пр); (15. 8)

где 0,6 – ориентировочный коэффициент взаимовлияния про­текторов в группе. Далее определяют R_пер.г = R_пер/ N_г.

Одной из важнейших расчетных характеристик является срок службы протектора Т, который зависит от массы протек­тора Q _пр, электрохимического эквивалента материала протек­тора q, коэффициентов использования протектора и его к. п. д. , а также средней силы тока протектора I _{пр. ср} пли группы протекторов I _{г. ср}:

. (15. 9)

Протекторы выполняют в форме цилиндрического стержня.

Сооружение протекторов

Сооружение протекторной защиты включает следующие основные операции:

- устройство скважин диаметром 25–30 см на глубину, превышающую глубину промерзания грунта;

- присоединение к протектору кабеля сечением 3 – 5 мм²;

- подготовку протектора к установке в скважину;

- установку протектора в скважину;

- прокладку соединительного кабеля и подсоединение его к трубопроводу.

Бурят скважины с помощью передвижной буровой установки. Перед установкой протектора в скважину заливают специально приготовляемый заполнитель. Состав заполнителя: гипс, глина, сернокислый натрий, сернокислый магний. На этой основе приготовляют водный раствор пастообразной консистенции. Протектор обмазывают заполнителем и устанавли­вают по центру скважины. Затем оставшееся пространство между стенкой скважины и протектором заливают заполните­лем, закрывая торец протектора на 15 – 20 см.

Сверху оставшуюся часть скважины засыпают грунтом. Со­единительный кабель прокладывают на глубину 50 – 80 см и присоединяют его к поверхности труб с помощью термитной сварки. Для регулировки работы протектора в соеди­нительный кабель включают шунт, регулируемое сопротивление и размыкатель цепи.