Uzupełnieniem ochrony biernej gazociągów podziemnych powłokami izolacyjnymi jest ochrona elektryczna. Zadania ochrony elektrycznej są następujące.
- Usunięcie prądów błądzących z chronionego gazociągu i zorganizowany ich powrót do instalacji elektrycznych i sieci prądu stałego będących źródłem tych prądów.
- Tłumienie prądów płynących przez gazociąg w punktach ich wyjścia do ziemi (strefach anodowych) przez prądy ze źródła zewnętrznego, a także prądów powstających w wyniku korozji elektrochemicznej gruntu, poprzez wytworzenie obwodu galwanicznego i ochronnego potencjału elektrycznego na rury gazociągu.
- Zapobieganie rozprzestrzenianiu się prądów elektrycznych przez gazociągi poprzez przecinanie tych ostatnich kołnierzami izolacyjnymi.
Problem przekierowania prądów błądzących można rozwiązać, tworząc:
- dodatkowe uziemienie w celu odprowadzenia prądów do ziemi. Wada - możliwość szkodliwego oddziaływania na sąsiednie gazociągi prądów wypływających z chronionego gazociągu;
- proste lub bezpośrednie zabezpieczenie odwadniające, tj. połączenie elektryczne chronionego gazociągu z szynami tramwaju lub kolejki elektrycznej w celu zawrócenia przez nie prądów do ich źródła. Prosty drenaż ma przewodnictwo dwustronne, tj. może przepuszczać prąd tam iz powrotem i dlatego jest używany w stabilnych strefach anodowych. Wadą tego zabezpieczenia jest konieczność wyłączenia drenażu w przypadku zmiany biegunowości prądu lub gdy potencjał na gazociągu stał się niższy niż na szynach;
- spolaryzowane zabezpieczenie drenażu, tj. drenaż o przewodnictwie jednostronnym, który wyklucza wsteczny przepływ prądu z szyn do gazociągu chronionego;
- wzmocniona ochrona drenażu, tj. takie zabezpieczenie, w którego obwód włączone jest zewnętrzne źródło prądu w celu zwiększenia wydajności. Tak więc wzmocniony drenaż jest połączeniem drenażu spolaryzowanego z ochroną katodową.
Zadanie tłumienia prądów przepływających przez chroniony gazociąg można rozwiązać za pomocą:
- Ochrona katodowa prądem zewnętrznym (ochrona elektryczna), tj. poprzez podłączenie zabezpieczanego gazociągu do zewnętrznego źródła prądu - do jego bieguna ujemnego jako katody. Biegun dodatni źródła prądu jest połączony z masą - anodą. Powstaje obwód zamknięty, w którym prąd płynie od anody przez ziemię do chronionego gazociągu i dalej do bieguna ujemnego zewnętrznego źródła prądu. W tym przypadku uziemienie anodowe jest stopniowo niszczone, ale ochrona gazociągu jest zapewniona dzięki jego polaryzacji katodowej i zapobieganiu przepływowi prądu z rur do ziemi. Jako źródło zewnętrzne można zastosować stacje ochrony katodowej (CPS);
- Ochrona ochronna, tj. zabezpieczenie poprzez zastosowanie w obwodzie elektrycznym ochronników wykonanych z metali, które w środowisku korozyjnym mają większy potencjał ujemny niż metal rurociągu. W systemie ochrony bieżnika oraz w ogniwie galwanicznym powstaje prąd elektryczny, a gleba zawierająca wilgoć służy jako elektrolit, a gazociąg i metal bieżnika są elektrodami. Powstały prąd ochronny tłumi elektrochemiczne prądy korozyjne i zapewnia wytworzenie ochronnego potencjału elektrycznego na gazociągu.
Schemat ideowy ochrony katodowej gazociągu podziemnego
1 - uziemienie anody; 2.4 - kable drenażowe; 3 - zewnętrzne źródło prądu elektrycznego; 5 - punkt mocowania kabla drenażowego; 6 - gazociąg chroniony
Schemat ideowy zabezpieczenia bieżnika gazociągu podziemnego
1 - gazociąg chroniony; 2 - kable izolowane; 3 - wyjście sterujące; 4 - obrońca; 5 - wypełniacz bieżnika
Problem przekrojów elektrycznych rurociągów rozwiązuje się instalując kołnierze izolacyjne z uszczelkami paronitowymi lub tekstolitowymi, przepustami i podkładkami tekstolitowymi. Przykład konstrukcji kołnierzy izolacyjnych pokazano na poniższym rysunku.
Montaż kołnierzy izolacyjnych
1 - tuleja izolacyjna tekstolitowa lub paronitowa; 2 - podkładka izolująca wykonana z tekstolitu, gumy lub chlorku winylu; 3 - podkładka stalowa; 4 - podkładki ołowiane; 5 - uszczelka pierścienia tekstolitowego
Głównymi czynnikami charakteryzującymi stopień oddziaływania korozji na stalowe gazociągi podziemne są:
- wielkość i kierunek prądów błądzących w glebie;
- wielkość i biegunowość potencjału gazociągu w stosunku do innych podziemnych urządzeń metalowych i szyn transportu zelektryfikowanego;
- kierunek i siła prądów przepływających przez gazociąg;
- stan zabezpieczenia antykorozyjnego gazociągów;
- wartość oporu elektrycznego funta.
Wszystkie te czynniki podlegają okresowemu monitoringowi.
Częstotliwość pomiarów elektrycznych jest następująca:
- w rejonie instalacji elektrycznych zabezpieczeń gazociągów i innych obiektów chronionych, a także w pobliżu podstacji trakcyjnych i zajezdni transportu elektrycznego, w pobliżu torów kolejowych i zelektryfikowanych oraz w miejscach przecięcia się z nimi gazociągów – nie rzadziej niż raz na 3 miesiące , a także przy zmianie sposobu instalacji - innowacje w ochronie elektrycznej, chronionych konstrukcjach lub źródłach prądów błądzących;
- w strefach niezagrożonych z punktu widzenia ochrony elektrycznej – nie rzadziej niż raz w roku w okresie letnim, a także przy zmianach warunków mogących powodować korozję elektryczną.
Do ochrony bieżnika stosuje się ochraniacze z metali nieżelaznych - najczęściej z magnezu, cynku, aluminium i ich stopów.
Kontrolę działania elektrycznych instalacji ochronnych oraz pomiar potencjałów na stykach przeprowadza się (co najmniej): na instalacjach odwadniających - 4 razy w miesiącu; na instalacjach katodowych - 2 razy w miesiącu; na instalacjach bieżnika - 1 raz w miesiącu.
KONSTRUKCJE METALOWE»
Podstawy teoretyczne
Ochrona katodowa podziemnych konstrukcji metalowych
Zasada działania ochrony katodowej
W kontakcie metalu z zanieczyszczeniami związanymi z mediami elektrolitycznymi zachodzi proces korozji, któremu towarzyszy powstawanie prądu elektrycznego i ustala się pewien potencjał elektrody. Wielkość potencjału elektrody rurociągu można określić na podstawie różnicy potencjałów między dwiema elektrodami: rurociągiem i niespolaryzowanym elementem siarczanu miedzi. Zatem wartość potencjału rurociągu jest różnicą między potencjałem jego elektrody a potencjałem elektrody odniesienia względem ziemi. Na powierzchni rurociągu zachodzą procesy elektrodowe o określonym kierunku i charakterze stacjonarnym, zmieniające się w czasie.
Potencjał stacjonarny jest zwykle nazywany potencjałem naturalnym, co oznacza brak prądów błądzących i innych indukowanych w rurociągu.
Oddziaływanie korodującego metalu z elektrolitem dzieli się na dwa procesy: anodowy i katodowy, które zachodzą jednocześnie na różnych częściach styku metalu z elektrolitem.
Przy zabezpieczaniu przed korozją stosuje się terytorialny rozdział procesów anodowych i katodowych. Źródło prądu z dodatkową elektrodą uziemiającą jest podłączone do rurociągu, za pomocą którego do rurociągu doprowadzany jest zewnętrzny prąd stały. W tym przypadku proces anodowy zachodzi na dodatkowej elektrodzie uziemiającej.
Polaryzację katodową podziemnych rurociągów przeprowadza się poprzez przyłożenie pola elektrycznego z zewnętrznego źródła prądu stałego. Biegun ujemny źródła prądu stałego jest podłączony do chronionej konstrukcji, natomiast rurociąg jest katodą w stosunku do ziemi, do bieguna dodatniego podłączona jest sztucznie utworzona anoda uziemiająca.
Schemat ideowy ochrony katodowej pokazano na ryc. 14.1. W przypadku ochrony katodowej biegun ujemny źródła prądu 2 jest podłączony do rurociągu 1, a biegun dodatni do sztucznie wytworzonej anody-uziomu 3. Po włączeniu źródła prądu przepływa on od bieguna przez uziemienie anody do gruntu i przez uszkodzone odcinki izolacji 6 do rury. Ponadto, przez punkt drenażowy 4 wzdłuż przewodu łączącego 5, prąd powraca ponownie do minusa źródła zasilania. W tym przypadku proces polaryzacji katodowej rozpoczyna się na gołych odcinkach rurociągu.
Ryż. 14.1. Schemat ideowy ochrony katodowej rurociągu:
1 - rurociąg; 2 - zewnętrzne źródło prądu stałego; 3 - uziemienie anody;
4 - punkt odwadniający; 5 - kabel drenażowy; 6 - styk zacisku katody;
7 - wyjście katodowe; 8 - uszkodzenie izolacji rurociągu
Ponieważ napięcie prądu zewnętrznego przyłożonego między elektrodą uziemiającą a rurociągiem znacznie przekracza różnicę potencjałów między elektrodami makropar korozyjnych rurociągu, potencjał stacjonarny uziemienia anodowego nie odgrywa decydującej roli.
Z włączeniem ochrony elektrochemicznej ( j 0a.dodaj) rozkład prądów korozyjnych makropar jest zaburzony, wartości różnicy potencjałów „rura – ziemia” odcinków katodowych zbliżają się do siebie ( j 0k) z różnicą potencjałów sekcji anodowych ( j 0a), podane są warunki dla polaryzacji.
Ochrona katodowa jest regulowana poprzez utrzymywanie wymaganego potencjału ochronnego. Jeżeli po przyłożeniu prądu zewnętrznego rurociąg zostanie spolaryzowany do potencjału równowagi ( j 0к = j 0а) rozpuszczanie metalu (ryc. 14.2 a), wtedy prąd anodowy zatrzymuje się i korozja zatrzymuje się. Dalsze zwiększanie prądu ochronnego jest niepraktyczne. Przy bardziej dodatnich wartościach potencjałów występuje zjawisko ochrony niezupełnej (rys. 14.2 b). Może do tego dojść podczas ochrony katodowej rurociągu znajdującego się w strefie silnego oddziaływania prądów błądzących lub przy stosowaniu zabezpieczeń, które nie mają dostatecznie ujemnego potencjału elektrody (ochronniki cynkowe).
Kryteria ochrony metalu przed korozją to gęstość prądu ochronnego i potencjał ochronny.
Polaryzacja katodowa nieizolowanej konstrukcji metalowej do potencjału ochronnego wymaga znacznych prądów. Najbardziej prawdopodobne wartości gęstości prądu wymagane do polaryzacji stali w różnych środowiskach do minimalnego potencjału ochronnego (-0,85 V) względem elektrody odniesienia z siarczanu miedzi podano w tabeli. 14.1
Ryż. 14.2. Wykres korozji dla przypadku pełnej polaryzacji (a) i
niepełna polaryzacja (b)
Zazwyczaj ochronę katodową stosuje się w połączeniu z powłokami izolacyjnymi nakładanymi na zewnętrzną powierzchnię rurociągu. Powłoka powierzchniowa zmniejsza wymagany prąd o kilka rzędów wielkości. Tak więc do ochrony katodowej stali z dobrą powłoką w glebie wymagane jest tylko 0,01 ... 0,2 mA / m2.
Tabela 14.1
Gęstość prądu wymagana do ochrony katodowej
gołej powierzchni stalowej w różnych środowiskach
Gęstość prądu ochronnego dla izolowanych rurociągów głównych nie może stać się wiarygodnym kryterium ochrony ze względu na nieznany rozkład uszkodzonej izolacji rurociągu, który określa rzeczywistą powierzchnię styku metal-ziemia. Nawet dla nieizolowanej rury (wkład w przejściu podziemnym przez tory kolejowe i autostrady) gęstość prądu ochronnego jest określona wymiarami geometrycznymi konstrukcji i jest fikcją, ponieważ część powierzchni wkładu pozostaje nieznana, pokryta stale obecnymi pasywnych warstw ochronnych (zgorzelina itp.) i nieuczestniczących w procesie depolaryzacji. Dlatego gęstość prądu ochronnego jako kryterium ochrony jest wykorzystywana w niektórych badaniach laboratoryjnych przeprowadzanych na próbkach metali.
Korozja rurociągów podziemnych i ochrona przed nią
Korozja podziemnych rurociągów jest jedną z głównych przyczyn ich dekompresji w wyniku powstawania ubytków, pęknięć i pęknięć. Korozja metali, tj. ich utlenianie to przejście atomów metali ze stanu wolnego do chemicznie związanego stanu jonowego. W tym przypadku atomy metali tracą elektrony, a utleniacze je przyjmują. Na rurociągu podziemnym, ze względu na niejednorodność metalu rury oraz niejednorodność gruntu (zarówno pod względem właściwości fizycznych, jak i składu chemicznego), pojawiają się odcinki o różnym potencjale elektrody, co prowadzi do powstania korozji galwanicznej. Do najważniejszych rodzajów korozji należą: powierzchniowa (ciągła na całej powierzchni), miejscowa w postaci korozji wżerowej, szczelinowej i zmęczeniowej. Najbardziej niebezpieczne dla podziemnych rurociągów są dwa ostatnie rodzaje korozji. Korozja powierzchniowa rzadko powoduje uszkodzenia, podczas gdy wżery powodują największe szkody. Sytuacja korozyjna, w której metalowy rurociąg znajduje się w gruncie, zależy od wielu czynników związanych z warunkami gruntowo-klimatycznymi, charakterystyką trasy oraz warunkami eksploatacji. Czynniki te obejmują:
- wilgotność gleby,
- chemia gleby,
- kwasowość elektrolitów gleby,
- konstrukcja podłoża,
- temperatura transportowanego gazu
Najsilniejszym negatywnym przejawem prądów błądzących w ziemi, powodowanym przez zelektryfikowany transport szynowy prądu stałego, jest elektrokorozyjne niszczenie rurociągów. Natężenie prądów błądzących i ich wpływ na rurociągi podziemne zależy od takich czynników jak:
- rezystancja styku szyna-ziemia;
- wytrzymałość wzdłużna szyn jezdnych;
- odległość między podstacjami trakcyjnymi;
- pobór prądu przez pociągi elektryczne;
- liczba i przekrój linii ssących;
- specyficzna rezystancja elektryczna gleby;
- odległość i położenie rurociągu względem ścieżki;
- opór przejściowy i wzdłużny rurociągu.
Należy zauważyć, że prądy błądzące w strefach katodowych mają działanie ochronne na konstrukcję, dlatego w takich miejscach ochronę katodową rurociągu można przeprowadzić bez dużych nakładów kapitałowych.
Metody ochrony podziemnych rurociągów metalowych przed korozją dzielą się na pasywne i aktywne.
Pasywna metoda ochrony antykorozyjnej polega na stworzeniu nieprzepuszczalnej bariery pomiędzy metalem rurociągu a otaczającym go gruntem. Osiąga się to poprzez nakładanie na rurę specjalnych powłok ochronnych (bitum, smoła węglowa, taśmy polimerowe, żywice epoksydowe itp.).
W praktyce nie jest możliwe uzyskanie pełnej ciągłości powłoki izolacyjnej. Różne rodzaje powłok mają różną przepuszczalność dyfuzyjną, dzięki czemu zapewniają różną izolację rury od otoczenia. Podczas budowy i eksploatacji w powłoce izolacyjnej pojawiają się pęknięcia, zadrapania, wgniecenia i inne wady. Najbardziej niebezpieczne są uszkodzenia powłoki ochronnej, gdzie w praktyce dochodzi do korozji gruntu.
Ponieważ metoda pasywna nie zapewnia pełnej ochrony rurociągu przed korozją, stosuje się jednocześnie ochronę aktywną, związaną z kontrolą procesów elektrochemicznych zachodzących na styku metalu rury z elektrolitem gruntowym. Ochrona ta nazywana jest ochroną kompleksową.
Aktywna metoda ochrony antykorozyjnej realizowana jest poprzez polaryzację katodową i polega na zmniejszaniu szybkości rozpuszczania metalu w miarę przesuwania się jego potencjału korozyjnego do wartości bardziej ujemnych niż potencjał naturalny. Eksperymentalnie ustalono, że wartość potencjału ochrony katodowej stali wynosi minus 0,85 wolta w stosunku do elektrody odniesienia z siarczanu miedzi. Ponieważ naturalny potencjał stali w glebie jest w przybliżeniu równy -0,55 ... -0,6 wolta, to w celu wdrożenia ochrony katodowej konieczne jest przesunięcie potencjału korozji o 0,25 ... 0,30 wolta w kierunku ujemnym.
Podając prąd elektryczny pomiędzy metalową powierzchnią rury a gruntem należy uzyskać obniżenie potencjału w uszkodzonych miejscach izolacji rury do wartości poniżej kryterium potencjału ochronnego, równej -0,9 V. W rezultacie , szybkość korozji jest znacznie zmniejszona.
2. Instalacje ochrony katodowej
Ochronę katodową rurociągów można przeprowadzić na dwa sposoby:
- zastosowanie magnezowych protektorów anodowych (metoda galwaniczna);
- zastosowanie zewnętrznych źródeł prądu stałego, których minus jest podłączony do rury, a plus do masy anodowej (metoda elektryczna).
Metoda galwaniczna opiera się na fakcie, że różne metale w elektrolicie mają różne potencjały elektrod. Jeśli utworzysz galwaniczną parę dwóch metali i umieścisz je w elektrolicie, wówczas metal o bardziej ujemnym potencjale stanie się anodą i ulegnie zniszczeniu, chroniąc w ten sposób metal o mniejszym potencjale ujemnym. W praktyce jako protektorowe anody galwaniczne stosowane są protektory wykonane ze stopów magnezu, aluminium i cynku.
Stosowanie ochrony katodowej za pomocą protektorów jest skuteczne tylko w gruntach o niskiej rezystancji (do 50 Ohm-m). W gruntach o dużej rezystywności metoda ta nie zapewnia niezbędnej ochrony. Ochrona katodowa za pomocą zewnętrznych źródeł prądu jest bardziej złożona i czasochłonna, ale nie zależy zbytnio od rezystywności gruntu i ma nieograniczone zasoby energii.
Jako źródło prądu stałego z reguły stosuje się przetwornice różnych konstrukcji, zasilane siecią prądu przemiennego. Przetwornice umożliwiają regulację prądu ochronnego w szerokim zakresie, zapewniając ochronę rurociągu w każdych warunkach.
Linie powietrza 0,4 są wykorzystywane jako źródła zasilania instalacji ochrony katodowej; 6; 10kV. Prąd ochronny wywierany na rurociąg z przetwornicy i tworzący różnicę potencjałów „rura-ziemia” rozkłada się nierównomiernie na całej długości rurociągu. Dlatego maksymalna wartość bezwzględna tej różnicy występuje w miejscu przyłączenia źródła prądu (punkt drenażu). W miarę oddalania się od tego punktu różnica potencjałów „rura-ziemia” maleje. Nadmierne przeszacowanie różnicy potencjałów niekorzystnie wpływa na przyczepność powłoki i może spowodować nasycenie metalu rury wodorem, co może spowodować pękanie wodorowe. Ochrona katodowa jest jedną z metod walki z korozją metali w agresywnym środowisku chemicznym. Polega na przejściu metalu ze stanu aktywnego do stanu pasywnego i utrzymywaniu tego stanu za pomocą zewnętrznego prądu katodowego. W celu zabezpieczenia rurociągów podziemnych przed korozją na trasie ich występowania budowane są stacje ochrony katodowej (CPS). Konstrukcja SKZ obejmuje źródło prądu stałego (instalację ochronną), uziemienie anodowe, punkt kontrolno-pomiarowy, przewody i kable przyłączeniowe. W zależności od warunków instalacje ochronne mogą być zasilane prądem przemiennym 0,4; 6 lub 10 kV lub z niezależnych źródeł. Przy zabezpieczaniu rurociągów wieloliniowych układanych w jednym korytarzu można zainstalować kilka instalacji i zbudować kilka uziemień anodowych. Biorąc jednak pod uwagę fakt, że podczas przerw w działaniu układu ochronnego, na skutek różnicy potencjałów naturalnych rur połączonych ślepą zworką, tworzą się silne pary galwaniczne, prowadzące do intensywnej korozji, przewody muszą być podłączone do montaż za pomocą specjalnych bloków zabezpieczających złącza. Bloki te nie tylko oddzielają rury od siebie, ale także pozwalają na ustawienie optymalnego potencjału na każdej rurze. Jako źródła prądu stałego do ochrony katodowej o wartości skutecznej stosuje się głównie przetwornice zasilane z sieci o częstotliwości sieciowej 220 V. Regulacja napięcia wyjściowego przekształtnika odbywa się ręcznie poprzez przełączenie zaczepów uzwojenia transformatora lub automatycznie za pomocą sterowanych zaworów (tyrystorów). Jeżeli instalacje ochrony katodowej pracują w warunkach zmiennych w czasie, co może wynikać z wpływu prądów błądzących, zmian rezystywności gruntu lub innych czynników, wówczas wskazane jest wyposażenie przetwornic w automatyczną regulację napięcia wyjściowego. Regulacja automatyczna może odbywać się w zależności od potencjału zabezpieczanej konstrukcji (przetwornice potencjostatu) lub prądu zabezpieczenia (przetwornice galwanostatu).
3. Instalacje ochrony drenażu
Drenaż elektryczny jest najprostszym rodzajem ochrony czynnej, który nie wymaga źródła zasilania, ponieważ rurociąg jest elektrycznie połączony z szynami trakcyjnymi źródła prądu błądzącego. Źródłem prądu ochronnego jest różnica potencjałów między rurociągiem a szyną, wynikająca z eksploatacji zelektryfikowanego transportu kolejowego oraz obecności pola prądów błądzących. Przepływ prądu drenu powoduje wymagane przesunięcie potencjału w rurociągu podziemnym. Z reguły jako zabezpieczenie stosuje się bezpieczniki, jednak stosuje się również automatyczne wyłączniki maksymalnego obciążenia z powrotem, czyli przywracanie obwodu drenażowego po opadnięciu niebezpiecznego dla elementów instalacji prądu. Jako element spolaryzowany stosowane są bloki zaworów, złożone z kilku lawinowych diod krzemowych połączonych równolegle. Regulacja prądu w obwodzie drenażowym odbywa się poprzez zmianę rezystancji w tym obwodzie poprzez przełączanie aktywnych rezystorów. Jeśli zastosowanie spolaryzowanych drenów elektrycznych jest nieskuteczne, wówczas stosuje się wzmocnione (wymuszone) dreny elektryczne, które są instalacją ochrony katodowej, której anodową elektrodą uziemiającą są szyny zelektryfikowanej kolei. Prąd wymuszonego drenażu pracujący w trybie ochrony katodowej nie powinien przekraczać 100A, a jego stosowanie nie powinno prowadzić do pojawienia się dodatnich potencjałów szyn względem podłoża w celu wykluczenia korozji szyn i elementów mocujących szyny oraz przymocowane do nich konstrukcje.
Dopuszcza się podłączenie elektrozabezpieczeń odwadniających do sieci kolejowej bezpośrednio tylko do punktów środkowych dławików torowych przez dwa do trzeciego punktu dławienia. Częstsze połączenie jest dozwolone, jeśli w obwodzie spustowym znajduje się specjalne urządzenie zabezpieczające. Jako takie urządzenie można zastosować dławik, którego całkowita rezystancja wejściowa do prądu sygnałowego systemu sygnalizacji głównych linii kolejowych o częstotliwości 50 Hz wynosi co najmniej 5 omów.
4. Instalacje ochrony galwanicznej
Instalacje ochrony galwanicznej (instalacje ochronne) stosuje się do ochrony katodowej podziemnych konstrukcji metalowych w przypadkach, gdy zastosowanie instalacji zasilanych z zewnętrznych źródeł prądu jest nieopłacalne: brak linii elektroenergetycznych, mała długość obiektu itp.
Standardowo instalacje katodowe stosowane są do ochrony katodowej następujących obiektów podziemnych:
- zbiorniki i rurociągi, które nie mają styków elektrycznych z sąsiednią rozszerzoną komunikacją;
- poszczególne odcinki rurociągów, które nie są wyposażone w wystarczający poziom ochrony przed konwerterami;
- odcinki rurociągów odcięte elektrycznie od magistrali złączami izolacyjnymi;
- stalowe osłony ochronne (naboje), zbiorniki i zbiorniki podziemne, podpory i pale stalowe oraz inne obiekty zagęszczone;
- liniowy odcinek budowanych rurociągów głównych przed oddaniem do eksploatacji stałych instalacji ochrony katodowej.
Wystarczająco skuteczną ochronę za pomocą instalacji bieżnika można przeprowadzić w glebach o właściwej rezystancji elektrycznej nie większej niż 50 omów.
5. Instalacje z przedłużonymi lub rozproszonymi anodami.
Jak już wspomniano, przy stosowaniu tradycyjnego schematu ochrony katodowej rozkład potencjału ochronnego wzdłuż rurociągu jest nierównomierny. Nierównomierny rozkład potencjału ochronnego prowadzi zarówno do nadmiernej ochrony w pobliżu miejsca odpływu, tj. do pozaprodukcyjnego zużycia energii elektrycznej oraz do zmniejszenia strefy ochronnej instalacji. Tej wady można uniknąć, stosując schemat z rozszerzonymi lub rozproszonymi anodami. Schemat technologiczny ECP z anodami rozproszonymi pozwala na zwiększenie długości strefy ochronnej w porównaniu ze schematem ochrony katodowej z anodami skupionymi, a także zapewnia bardziej równomierny rozkład potencjału ochronnego. Stosując schemat technologiczny ZKhZ z rozproszonymi anodami, można zastosować różne układy uziemienia anod. Najprostszy jest schemat z uziemieniem anodowym równomiernie rozmieszczonym wzdłuż gazociągu. Regulacja potencjału ochronnego odbywa się poprzez zmianę prądu uziemienia anody za pomocą rezystancji nastawczej lub innego urządzenia zapewniającego zmiany prądu w wymaganych granicach. W przypadku uziemienia z kilku uziemników prąd ochronny można regulować zmieniając liczbę podłączonych uziemników. Zasadniczo uziomy znajdujące się najbliżej przekształtnika powinny mieć wyższą rezystancję styku. Zabezpieczenia ochronne Zabezpieczenia elektrochemiczne za pomocą protektorów polegają na tym, że w wyniku różnicy potencjałów pomiędzy protektorem a metalem ochranianym w środowisku elektrolitycznym dochodzi do redukcji metalu i rozpuszczenia korpusu protektora. Ponieważ większość konstrukcji metalowych na świecie jest wykonana z żelaza, metale o większym potencjale elektrody ujemnej niż żelazo mogą być używane jako ochraniacze. Jest ich trzy - cynk, aluminium i magnez. Główną różnicą między ochraniaczami magnezowymi jest największa różnica potencjałów między magnezem a stalą, co korzystnie wpływa na promień działania ochronnego, który wynosi od 10 do 200 m, co pozwala na zastosowanie mniejszej liczby ochraniaczy magnezowych niż cynkowych i aluminium. Ponadto magnez i stopy magnezu, w przeciwieństwie do cynku i aluminium, nie mają polaryzacji, której towarzyszy spadek prądu wyjściowego. Cecha ta determinuje główne zastosowanie ochraniaczy magnezowych do ochrony rurociągów podziemnych w gruntach o dużej rezystywności.
Zabezpieczenie rur przed korozją przeprowadza się przy użyciu różnych technologii. Jedną z najskuteczniejszych metod jest obróbka elektrochemiczna, która obejmuje ochronę katodową. W większości przypadków ta opcja jest stosowana w połączeniu z obróbką konstrukcji metalowych związkami izolacyjnymi.
Główne rodzaje ochrony katodowej
Ochrona katodowa rurociągów przed korozją została opracowana w XIX wieku. Ta technologia jest pierwsza były używane w przemyśle stoczniowym oraz - kadłub jednostki pływającej został osłonięty osłonami anodowymi, co zminimalizowało procesy korozji stopu miedzi. Nieco później technologia ta zaczęła być aktywnie wykorzystywana w innych obszarach. Ponadto technika katodowa jest obecnie uważana za najskuteczniejszą technologię ochrony antykorozyjnej.
Istnieją dwa rodzaje ochrony katodowej stopów metali:
Pierwsza opcja jest obecnie uważana za najczęstszą, ponieważ jest szybsza i prostsza. Za pomocą tej technologii możesz poradzić sobie z różnymi rodzajami korozji:
- międzykrystaliczny;
- trzaskający mosiądz z powodu nadmiernego naprężenia;
- korozja spowodowana wpływem błądzących prądów elektrycznych;
- wżery itp.
Należy zauważyć, że pierwsza technika pozwala na obróbkę wielkogabarytowych konstrukcji metalowych, a galwaniczna chemiczna ochrona elektryczna jest przeznaczona tylko dla małych produktów.
Technologia galwaniczna jest bardzo popularna w Stanach Zjednoczonych, ale w naszym kraju prawie nigdy nie jest używana, ponieważ technologia układania rurociągów w Federacji Rosyjskiej nie wymaga obróbki specjalną izolacją, która jest niezbędna do ochrony galwanicznej.
Bez takiej powłoki korozja stali wzrasta pod wpływem wód gruntowych, co jest niezwykle ważne w okresie jesienno-wiosennym. Zimą, po zlodowaceniu wód, proces korozji ulega znacznemu spowolnieniu.
Opis technologii
Katodowa ochrona przed korozją jest wytwarzana przez prąd stały przykładany do przedmiotu obrabianego i powoduje, że potencjał przedmiotu obrabianego jest ujemny. W tym celu często stosuje się prostowniki.
Obiekt, który jest podłączony do źródła prądu elektrycznego, jest uważany za „minus”, czyli katodę, a podłączona masa jest anodą, czyli „plusem”. Głównym warunkiem jest obecność dobrego ośrodka przewodzącego prąd elektryczny. W przypadku rur podziemnych jest to gleba.
Wdrażając tę technologię pomiędzy gruntem (ośrodkiem przewodzącym) a obrabianym obiektem należy zachować różnicę potencjałów prądu elektrycznego. Wartość tego wskaźnika można określić za pomocą woltomierza o wysokiej rezystancji.
Cechy wydajnej pracy
Przyczyną dekompresji rurociągów jest często korozja. Z powodu uszkodzenia struktury metalu na konstrukcji powstają pęknięcia, ubytki i szczeliny. Ten problem jest niezwykle istotny w przypadku rurociągów podziemnych, ponieważ są one stale w kontakcie z wodami gruntowymi.
Technika katodowa w tej sytuacji pozwala zminimalizować proces rozpuszczania i utleniania stopu metalu poprzez zmianę początkowego potencjału korozyjnego.
Wyniki badań praktycznych wskazują, że potencjał polaryzacyjny stopów metali przy zastosowaniu techniki katodowej spowalnia korozję.
W celu uzyskania skutecznej ochrony konieczne jest zmniejszenie potencjału katodowego materiału, z którego wykonano rurociąg, za pomocą stałego prądu elektrycznego. W tej sytuacji tempo korozji metalu nie przekroczy dziesięciu mikrometrów rocznie.
Ponadto ochrona katodowa jest najlepszym rozwiązaniem do ochrony podziemnych rurociągów przed wpływem błądzących prądów elektrycznych. Prądy błądzące to ładunek elektryczny, który wnika w glebę podczas działania piorunochronu, ruchu pociągów elektrycznych itp.
Linie energetyczne lub przenośne generatory zasilane olejem napędowym lub gazem mogą być wykorzystywane do zapewnienia ochrony przed korozją.
Specjalny sprzęt
Do celów ochronnych wykorzystywane są specjalne stacje. Ten sprzęt obejmuje kilka węzłów:
- źródło prądu elektrycznego;
- anoda (masa);
- punkt pomiaru, kontroli i zarządzania;
- łączenia przewodów i linek.
Stacja ochrony anodowej pozwala zabezpieczyć jednocześnie kilka rurociągów, które znajdują się obok siebie. Regulacja dostarczanego prądu elektrycznego może być automatyczna lub ręczna.
W naszym kraju szczególnie popularna jest instalacja Minerva-3000. Moc znamionowa tego systemu VCS jest wystarczająca do ochrony przed korozją około 40 kilometrów rurociągu pod ziemią.
Zalety instalacji to:
Zdalne sterowanie urządzeniami odbywa się za pomocą wbudowanych w konstrukcję modułów GPRS.
Ochrona elektrochemiczna- skuteczny sposób zabezpieczenia gotowych wyrobów przed korozją elektrochemiczną. W niektórych przypadkach nie ma możliwości odnowienia powłoki lakierniczej lub folii ochronnej, wówczas wskazane jest zastosowanie zabezpieczenia elektrochemicznego. Powłoka rurociągu podziemnego czy dna statku morskiego jest bardzo pracochłonna i kosztowna w odnowie, czasem wręcz niemożliwa. Ochrona elektrochemiczna niezawodnie chroni produkt przed zniszczeniem podziemnych rurociągów, dna statków, różnych zbiorników itp.
Zabezpieczenia elektrochemiczne stosuje się w przypadkach, gdy potencjał korozji swobodnej mieści się w zakresie intensywnego rozpuszczania metalu nieszlachetnego lub nadmiernej pasywacji. Te. gdy następuje intensywne niszczenie konstrukcji metalowej.
Istota ochrony elektrochemicznej
Prąd stały jest podłączony do gotowego produktu metalowego z zewnątrz (źródło prądu stałego lub ochraniacz). Prąd elektryczny na powierzchni chronionego produktu powoduje katodową polaryzację elektrod par mikrogalwanicznych. W rezultacie obszary anodowe na powierzchni metalu stają się katodowe. A w wyniku narażenia na działanie korozyjnego środowiska niszczony jest nie metal konstrukcji, ale anoda.
W zależności od tego, w którym kierunku (dodatnim lub ujemnym) przesunięty jest potencjał metalu, ochrona elektrochemiczna dzieli się na anodową i katodową.
Ochrona katodowa przed korozją
Katodowe elektrochemiczne zabezpieczenie antykorozyjne stosuje się, gdy zabezpieczany metal nie jest podatny na pasywację. Jest to jeden z głównych rodzajów ochrony metali przed korozją. Istotą ochrony katodowej jest przyłożenie do produktu zewnętrznego prądu z bieguna ujemnego, który polaryzuje sekcje katodowe elementów korozyjnych, zbliżając wartość potencjału do anodowych. Biegun dodatni źródła prądu jest połączony z anodą. W takim przypadku korozja zabezpieczanej konstrukcji jest zredukowana niemal do zera. Anoda ulega stopniowemu zniszczeniu i należy ją okresowo wymieniać.
Istnieje kilka opcji ochrony katodowej: polaryzacja z zewnętrznego źródła prądu elektrycznego; spadek szybkości procesu katodowego (na przykład odpowietrzanie elektrolitu); kontakt z metalem, który ma bardziej elektroujemny potencjał do swobodnej korozji w danym środowisku (tzw. ochrona ofiarna).
Polaryzację z zewnętrznego źródła prądu elektrycznego stosuje się bardzo często do ochrony konstrukcji znajdujących się w gruncie, wodzie (dna statków itp.). Ponadto ten rodzaj ochrony przed korozją stosuje się do cynku, cyny, aluminium i jego stopów, tytanu, miedzi i jej stopów, ołowiu, a także stali wysokochromowych, węglowych, stopowych (zarówno nisko, jak i wysokostopowych).
Zewnętrznym źródłem prądu są stacje ochrony katodowej, które składają się z prostownika (przetwornicy), źródła zasilania prądem chronionego obiektu, uziomów anodowych, elektrody odniesienia oraz przewodu anodowego.
Ochrona katodowa stosowana jest jako samodzielny i dodatkowy rodzaj ochrony antykorozyjnej.
Głównym kryterium oceny skuteczności ochrony katodowej jest potencjał ochronny. Potencjał ochronny to taki, przy którym szybkość korozji metalu w określonych warunkach środowiskowych przyjmuje najniższą (o ile to możliwe) wartość.
Korzystanie z ochrony katodowej ma wady. Jednym z nich jest niebezpieczeństwo nadopiekuńczość. Nadopiekuńczość obserwuje się przy dużym przesunięciu potencjału chronionego obiektu w kierunku ujemnym. Jednocześnie wyróżnia się. W efekcie dochodzi do niszczenia powłok ochronnych, kruchości wodorowej metalu, pękania korozyjnego.
Ochrona bieżnika (aplikacja bieżnika)
Rodzajem ochrony katodowej jest ochrona katodowa. Podczas korzystania z ochrony protektorowej metal o większym potencjale elektroujemnym jest podłączony do chronionego obiektu. W tym przypadku zniszczeniu ulega nie konstrukcja, a bieżnik. Z biegiem czasu ochraniacz koroduje i należy go wymienić na nowy.
Ochrona bieżnika jest skuteczna w przypadkach, gdy przejściowy opór między ochraniaczem a otoczeniem jest niewielki.
Każdy ochraniacz ma swój własny promień działania ochronnego, który jest określony przez maksymalną możliwą odległość, na jaką ochraniacz można zdjąć bez utraty efektu ochronnego. Zabezpieczenia ochronne stosuje się najczęściej wtedy, gdy doprowadzenie prądu do obiektu jest niemożliwe lub trudne i kosztowne.
Ochraniacze służą do ochrony konstrukcji w środowiskach neutralnych (woda morska lub rzeczna, powietrze, gleba itp.).
Do produkcji ochraniaczy stosuje się następujące metale: magnez, cynk, żelazo, aluminium. Czyste metale nie spełniają w pełni swoich funkcji ochronnych, dlatego podczas produkcji ochraniaczy są dodatkowo przetapiane.
Ochraniacze żelaza wykonane są ze stali węglowych lub czystego żelaza.
Ochraniacze cynku
Ochraniacze cynkowe zawierają około 0,001 - 0,005% ołowiu, miedzi i żelaza, 0,1 - 0,5% aluminium i 0,025 - 0,15% kadmu. Projektory cynkowe służą do ochrony produktów przed korozją morską (w słonej wodzie). W przypadku stosowania osłony cynkowej w lekko zasolonej, słodkiej wodzie lub glebie szybko pokrywa się ona grubą warstwą tlenków i wodorotlenków.
Ochraniacz magnezu
Stopy do produkcji ochraniaczy magnezowych zawierają 2–5% cynku i 5–7% aluminium. Ilość miedzi, ołowiu, żelaza, krzemu, niklu w stopie nie powinna przekraczać dziesiątych i setnych części procenta.
Ochraniacz magnezu stosuje się w lekko zasolonych, słodkich wodach, glebach. Ochraniacz jest stosowany w środowiskach, w których zabezpieczenia cynkowe i aluminiowe są nieskuteczne. Ważnym aspektem jest to, że ochraniacze magnezowe muszą być stosowane w środowisku o pH 9,5 - 10,5. Wynika to z dużej szybkości rozpuszczania magnezu i powstawania na jego powierzchni związków trudno rozpuszczalnych.
Ochraniacz magnezu jest niebezpieczny, ponieważ. jest przyczyną kruchości wodorowej i pękania korozyjnego konstrukcji.
Ochraniacze aluminiowe
Ochraniacze aluminiowe zawierają dodatki zapobiegające powstawaniu tlenków glinu. Do takich ochraniaczy wprowadza się do 8% cynku, do 5% magnezu oraz od dziesiątych do setnych części krzemu, kadmu, indu i talu. Aluminiowe ochraniacze są stosowane w szelfie przybrzeżnym i płynącej wodzie morskiej.
Ochrona anodowa przed korozją
Zabezpieczenie elektrochemiczne anod stosuje się do konstrukcji wykonanych z tytanu, stali nierdzewnych niskostopowych, stali węglowych, wysokostopowych stopów żelaza, metali niejednorodnych pasywowanych. Ochrona anodowa jest stosowana w wysoce przewodzących środowiskach korozyjnych.
W przypadku ochrony anodowej potencjał chronionego metalu jest przesuwany na bardziej dodatnią stronę, aż do osiągnięcia pasywnego stabilnego stanu systemu. Zaletą anodowej ochrony elektrochemicznej jest nie tylko bardzo znaczne spowolnienie tempa korozji, ale także fakt, że produkty korozji nie przedostają się do produktu i medium.
Ochronę anodową można realizować na kilka sposobów: poprzez przesunięcie potencjału na stronę dodatnią za pomocą zewnętrznego źródła prądu elektrycznego lub poprzez wprowadzenie do środowiska korozyjnego utleniaczy (lub pierwiastków) podnoszących efektywność procesu katodowego na metalowa powierzchnia.
Zabezpieczenie anodowe utleniaczami jest podobne w swoim mechanizmie ochronnym do polaryzacji anodowej.
W przypadku zastosowania inhibitorów pasywujących o właściwościach utleniających chroniona powierzchnia przechodzi w stan pasywny pod wpływem powstałego prądu. Należą do nich dichromiany, azotany itp. Ale dość mocno zanieczyszczają otaczające środowisko technologiczne.
Wraz z wprowadzeniem do stopu dodatków (głównie domieszkowania metalem szlachetnym) reakcja redukcji depolaryzatorów zachodząca na katodzie przebiega z mniejszym przepięciem niż na zabezpieczanym metalu.
Jeśli przez chronioną konstrukcję przepływa prąd elektryczny, potencjał przesuwa się w kierunku dodatnim.
Instalacja do anodowej elektrochemicznej ochrony przed korozją składa się z zewnętrznego źródła prądu, elektrody odniesienia, katody oraz samego zabezpieczanego obiektu.
Aby dowiedzieć się, czy możliwe jest zastosowanie anodowej ochrony elektrochemicznej dla określonego obiektu, pobiera się krzywe polaryzacji anodowej, za pomocą których można określić potencjał korozyjny badanej konstrukcji w określonym środowisku korozyjnym, obszar stabilnej pasywności i gęstość prądu w tym regionie.
Do produkcji katod stosuje się metale o niskiej rozpuszczalności, takie jak wysokostopowe stale nierdzewne, tantal, nikiel, ołów i platynę.
Aby anodowa ochrona elektrochemiczna była skuteczna w określonym środowisku, konieczne jest stosowanie łatwo pasywujących metali i stopów, elektroda odniesienia i katoda muszą zawsze znajdować się w roztworze, a elementy łączące muszą być wysokiej jakości.
Dla każdego przypadku ochrony anodowej układ katod projektowany jest indywidualnie.
Aby ochrona anodowa była skuteczna dla określonego obiektu, konieczne jest, aby spełniała ona określone wymagania:
Wszystkie spoiny muszą być wysokiej jakości;
W środowisku technologicznym materiał, z którego wykonany jest chroniony przedmiot, musi przejść w stan pasywny;
Liczba kieszeni i szczelin powietrznych powinna być ograniczona do minimum;
Na konstrukcji nie powinno być połączeń nitowanych;
W chronionym urządzeniu elektroda odniesienia i katoda muszą zawsze znajdować się w roztworze.
Aby wdrożyć ochronę anodową w przemyśle chemicznym, często stosuje się wymienniki ciepła i jednostki cylindryczne.
Elektrochemiczne zabezpieczenie anodowe stali nierdzewnych ma zastosowanie do przemysłowych magazynów kwasu siarkowego, roztworów na bazie amoniaku, nawozów mineralnych, a także wszelkiego rodzaju kolektorów, zbiorników, zbiorników pomiarowych.
Ochrona anodowa może być również stosowana w celu zapobiegania uszkodzeniom korozyjnym w chemicznych kąpielach niklujących, wymiennikach ciepła w produkcji włókien sztucznych i kwasu siarkowego.