Что такое скз на газопроводе
Катодная защита от коррозии – все особенности методики
Одним из часто применяемых методов электрохимической защиты разнообразных конструкций из металлов от ржавления является катодная защита. В большинстве случаев ее используют совместно с нанесением на металлические поверхности специальных покрытий.
1 Общая информация о катодной защите
Впервые такая защита металлов была описана в 1820-х годах Гемфри Дэви. На основании его докладов в 1824 году на корабле HMS Samarang осуществили проверку предоставленной теории. На медную обшивку корабля установили железные анодные протекторы, которые существенно уменьшили скорость ржавления меди. Методику стали развивать, и в наши дни катодная антикоррозионная защита всевозможных конструкций из металлов (трубопроводов, элементов автомобиля и т. д.) признается наиболее эффективной и широко используемой.
В производственных условиях такая защита металлов (ее нередко называют катодной поляризацией) производится по двум основным методикам.
Первая методика нашла широкое применение по всему миру. Она достаточно проста и экономически целесообразна, дает возможность предохранять металл от общей коррозии и от многих ее разновидностей – межкристаллитной коррозии «нержавейки», питтинговой, растрескивания латунных изделий, обусловленного напряжениями, при которых они работают.
Гальваническая схема нашла большее применение в США. В нашей стране она используется реже, хотя ее эффективность высока. Ограниченное применение протекторной защиты металлов в России связано с тем, что на многие трубопроводы у нас не наносят специальное покрытие, а это является обязательным условием для реализации антикоррозионной гальванической методики.
2 Как работает стандартная катодная поляризация металлов?
Катодная защита от коррозии производится посредством использования наложенного тока. Он поступает на конструкцию от выпрямителя либо иного источника (внешнего) тока, где промышленный по частоте переменный ток модифицируется в требуемый постоянный. Объект, который защищается, подключают к выпрямленному току (к «минусовому» полюсу). Конструкция, таким образом, является катодом. Анодное заземление (второй электрод) подключают к «плюсу».
Важно, чтобы между вторичным электродом и конструкцией имелся хороший электролитический и электронный контакт. Первый обеспечивается грунтом, куда погружают анод и объект защиты. Грунт в данном случае выполняет роль электролитической среды. А электронного контакта добиваются с помощью проводников из металлических материалов.
Регулирование катодной антикоррозионной защиты осуществляется посредством поддержания защитного потенциала между электролитической средой и индикатором потенциала поляризации (либо непосредственно конструкцией) на строго определенной величине. Замеряют показатель вольтметром с высокоомной шкалой.
Здесь необходимо понимать, что у потенциала есть не только поляризационный компонент, но и еще одна составляющая – падение (омическое) напряжения. Такое падение возникает из-за протекания через эффективное сопротивление катодного тока. Причем качество катодной защиты зависит исключительно от поляризации на поверхности изделия, которое предохраняется от ржавления. По этой причине выделяют две характеристики защищенности металлоконструкции – наибольший и наименьший потенциалы поляризации.
Эффективное регулирование поляризации металлов, учитывая все сказанное, становится возможным в том случае, когда показатель омического компонента исключается из величины полученной разности потенциалов. Добиться этого можно при помощи особой схемы замера потенциала поляризации. Описывать ее в рамках данной статьи мы не будем, так как она изобилует множеством специализированных терминов и понятий.
Как правило, катодная технология применяется совместно с нанесением на внешнюю поверхность предохраняемых от коррозии изделий специальных защитных материалов.
Для защиты неизолированных трубопроводов и других конструкций необходимо использовать существенные токи, что экономически невыгодно и технически сложно.
3 Катодная защита элементов автомобиля
Коррозия – активный и весьма агрессивный процесс. Качественная защита узлов автомобиля от ржавления вызывает немало проблем у автолюбителей. Коррозионному разрушению подвергаются все без исключения транспортные средства, ведь ржавление начинается даже тогда, когда на лакокрасочном покрытии машины появляется маленькая царапина.
Катодная технология предохранения автомобиля от коррозии достаточно распространена в наши дни. Ее применяют наряду с использованием антикоррозионных красок и всевозможных мастик. Под такой методикой понимают подачу электрического потенциала на поверхность той или иной детали автомобиля, что приводит к эффективному и длительному замедлению ржавления.
При описываемой защите транспортного средства катодом являются специальные пластинки, которые накладывают на наиболее уязвимые его узлы. А роль анода играет корпус автомобиля. Подобное распределение потенциалов обеспечивает целостность корпуса машины, так как разрушению подвергаются только катодные пластины, а основной металл не корродирует.
Под уязвимыми местами транспортного средства, которые можно защитить по катодной методике, понимают:
Для защиты автомобиля необходимо приобрести специальный электронный модуль (некоторые умельцы изготавливают его самостоятельно) и протекторы-пластины. Модуль монтируют в салоне машины, подсоединяют к бортовой сети (он должен быть запитанным при отключении автодвигателя). Установка устройства занимает буквально 10–15 минут. Причем энергии оно берет минимум, а антикоррозионную защиту гарантирует весьма качественную.
Защитные пластины могут иметь разный размер. Их число также отличается в зависимости от того, в каких местах автомобиля они монтируются, а также от того, какие геометрические параметры имеет электрод. На практике пластин нужно тем меньше, чем больший размер имеет электрод.
Защита от коррозии автомобиля по катодной методике производится и иными сравнительно простыми способами. Самый элементарный – подсоединить проводом «плюс» аккумулятора автомобиля к обычному металлическому гаражу. Обратите внимание – для подключения необходимо обязательно использовать резистор.
4 Защита трубопроводов методом катодной поляризации
Разгерметизация различных по назначению трубопроводов происходит во многих случаях из-за их коррозионного разрушения, вызываемого появлением разрывов, трещин и каверн. Особенно подвержены ржавлению подземные коммуникации. На них образуются зоны с разным потенциалом (электродным), что обуславливается гетерогенностью грунта и неоднородным составом металлов, из которых изготавливаются трубы. За счет появления указанных зон начинается процесс активного формирования коррозионных гальванических компонентов.
Катодная поляризация трубопроводов, выполняемая по схемам, описанным в начале статьи (гальваника или внешний источник энергии), базируется на уменьшении скорости растворения материала труб в процессе их эксплуатации. Достигается подобное уменьшение посредством смещения коррозионного потенциала в зону, имеющую по отношению к естественному потенциалу более отрицательные показатели.
Еще в первой трети 20 столетия был определен потенциал катодной поляризации металлов. Его показатель равняется –0,85 вольт. В большинстве грунтов естественный потенциал металлических конструкций находится в диапазоне от –0,55 до –0,6 вольт.
Это означает, что для эффективной защиты трубопроводов требуется «передвинуть» коррозионный потенциал в отрицательную сторону на 0,25-0,3 вольт. При такой его величине практическое влияние ржавления на состояние коммуникаций почти полностью нивелируется (коррозия за год имеет скорость не более 10 микрометров).
Методика с применением источника тока (внешнего) считается трудоемкой и достаточно сложной. Зато она обеспечивает высокий уровень защиты трубопроводов, ее энергетический ресурс ничем не ограничивается, при этом сопротивление (удельное) грунта оказывает минимальное влияние на качество защитных мероприятий.
Источниками питания для катодной поляризации обычно являются воздушные электролинии на 0,4; 6 и 10 кВ. На местностях, где таковых нет, допускается использование газо-, термо и дизель-генераторов в качестве источников энергии.
Ток-«защитник» распределяется неравномерно по протяженности трубопроводов. Наибольшая его величина отмечается в так называемой точке дренажа – в месте, где производится подключение источника. Чем больше расстояние от этой точки, тем меньше защищены трубы. При этом и чрезмерный ток непосредственно в зоне подключения оказывает негативное влияние на трубопровод – высока вероятность водородного растрескивания металлов.
Метод с использованием гальванических анодов демонстрирует неплохую эффективность в грунтах с малым показателем омности (до 50 ом*м). В грунтах высокоомной группы его не применяют, так как особых результатов он не дает. Здесь стоит добавить, что аноды изготавливают из сплавов на основе, алюминия, магния и цинка.
5 Коротко о станциях катодной защиты (СКЗ)
Для антикоррозионной защиты трубопроводов, проложенных под землей, вдоль трассы их залегания устанавливают СКЗ, включающие в себя:
Станции подключают к сетям электрического тока либо к автономным устройствам. Разрешается устанавливать на СКЗ несколько заземлений и источников энергии тогда, когда в одном подземном коридоре проложено две и более ниток трубопровода. Это, правда, влечет за собой увеличение расходов на проведение антикоррозионных мероприятий.
Если монтируется всего одна установка на многониточные коммуникации, ее соединение с трубами осуществляется посредством особых блоков. Они не позволяют формироваться сильным гальваническим парам, возникающим при монтаже глухих перемычек на трубные изделия. Указанные блоки изолируют трубы друг от друга, а также дают возможность выбирать на каждом элементе трубопроводов требуемый потенциал, гарантирующий максимальную защиту конструкции от ржавления.
Выходное напряжение на катодных станциях может регулироваться автоматически (установка в этом случае оснащается тиристорами) или вручную (оператор переключает при необходимости трансформаторные обмотки). В ситуациях, когда СКЗ функционируют в изменяющихся во времени условиях, рекомендуется эксплуатировать станции с автоматической регулировкой напряжения.
Они сами следят за показателями сопротивления (удельного) грунта, появлением блуждающих токов и прочих факторов, оказывающих негативное воздействие на качество защиты, и автоматически корректируют работу СКЗ. А вот в системах, где защитный ток и показатель сопротивления в его цепи остаются неизменными, лучше использовать установки с ручной настройкой напряжения на выходе.
Добавим, что регулирование в автоматическом режиме производится по одному из двух показателей:
6 Информация об известных станциях катодной защиты
Среди популярных отечественных СКЗ можно выделить несколько установок. Очень востребованной является станция Минерва–3000 – мощная система, разработанная французскими и российскими инженерами для объектов Газпрома. Достаточно одной Минервы, чтобы надежно защитить от ржавления до 30 километров трубопроводов. Станция обладает такими основными достоинствами:
Кроме того, к Минерва–3000 можно подключать установки для удаленного контроля над работой станции и дистанционного управления ее оборудованием.
Отличными техническими показателями обладают и системы АСКГ-ТМ – современные телемеханизированные адаптивные станции для защиты электрокабелей, городских и магистральных трубопроводов, а также емкостей, в которых хранят газ и нефтепродукты. Такие устройства выпускаются с разными показателями (от 1 до 5 киловатт) выходной мощности. Они располагают многофункциональным телеметрическим комплексом, позволяющим выбирать конкретный рабочий режим СКЗ, мониторить и изменять параметры станции, а также обрабатывать поступающую информацию и отправлять ее оператору.
Преимущества использования АСКГ-ТМ:
Имеются СКЗ и других типов, сведения о которых несложно найти на специализированных сайтах в интернете.
7 Какие объекты можно защищать при помощи катодной поляризации?
Кроме защиты автомобилей и трубопроводов рассматриваемые методики поляризации активно используются для предохранения от коррозии арматуры, входящей в железобетонные конструкции (здания, дорожные объекты, фундаменты и так далее). Обычно арматура представляет собой единую электросистему, которая при попадании в нее хлоридов и воды активно корродирует.
Катодная поляризация в сочетании с операцией санации бетона останавливает коррозионные процессы. В данном случае необходимо применять два типа анодов:
Регулируя внешний ток, поступающий на железобетонную конструкцию, осуществляют выбор потенциала арматуры.
Поляризация считается незаменимой методикой для защиты стационарных строений, размещаемых на континентальном шельфе, в газовой и нефтяной промысловых сферах. Первоначальные защитные покрытия на таких объектах невозможно восстановить (требуется их демонтаж и транспортировка в сухие ангары), а значит, остается один выход – катодная защита металлов.
Для предохранения от морской коррозии применяется гальваническая поляризация гражданских кораблей посредством анодов из цинка, магния, алюминиевых сплавов. На берегу (во время ремонтов и стоянок) судна подключают к СКЗ, аноды для которых делают из платинированного титана.
Также катодная защита используется для предохранения от разрушения внутренних частей сосудов и емкостей, а также труб, которые контактируют со сточными промышленными водами и иными агрессивными электролитами. Поляризация в данном случае увеличивает время безремонтного применения указанных конструкций в 2–3 раза.
Средства катодной защиты на базе новых технологий
Для обеспечения эффективной электрохимической защиты в течение всего срока эксплуатации магистральных трубопроводов большого диаметра в экстремальных условиях Севера потребовался комплексный подход к разработке высоконадежных средств катодной защиты с резервированием электроснабжения.
Для обеспечения эффективной электрохимической защиты в течение всего срока эксплуатации магистральных трубопроводов большого диаметра в экстремальных условиях Севера потребовался комплексный подход к разработке высоконадежных средств катодной защиты с резервированием электроснабжения.
Как известно наряду с пассивной защитой элементом активной защиты является катодная защита.
Электрохимзащита подземных коммуникаций должна быть непрерывной во времени и обеспечивать катодную поляризацию трубопровода на всем протяжении и по всей поверхности.
Активная катодная защита обеспечивается установкой катодной защиты (УКЗ) состоящей из источника электроснабжения, преобразователя (станция катодной защиты), анодного заземления, линий постоянного тока, неполяризующегося электрода сравнения длительного действия и контрольно-измерительного пункта (рис. 1).
Надежность эксплуатируемых газотранспортных систем зависит от состояния изоляции, работы средств катодной защиты, энергообеспечения этих средств и своевременного проведения капитального ремонта газотранспортных систем по результатам комплексного обследования.
Анализ отказов в работе эксплуатируемых средств катодной защиты показывает, что основной причиной выхода из строя установок являются низкая надежность элементной базы преобразователей (пробой диодных мостов, отсутствие блоков защиты от перенапряжения, выход из строя блоков управления).
По этой причине число отказов достигает 12-15 % от общего числа отказов.
Более 20 % отказов приходится на анодные заземления, которые выходят из строя по причине обрыва провода в зоне контактного узла (изоляция провода нарушается от воздействия хлора). Поэтому материал анода не полностью используется, что резко снижает срок его эксплуатации. Число отказов достигает 25 %.
Низкая надежность энергоснабжения наблюдается по причине отказов коммутационной аппаратуры (высоковольтные разъединители на каждой УКЗ), обрывы проводов ЛЭП 6-10 кВ в районах обледенения, веерное отключение предприятий, от подстанций которых обеспечивается энергоснабжение УКЗ. Число отказов достигает 22-25 %.
Многообразие и суровость природно-климатических условий Севера оказывают решающее влияние на эффективность выбора применения средств электрохимической защиты от коррозии.
Основные виды отказов (в %)
Климатические условия Севера характеризуется низкими отрицательными температурами, шквальными ветрами, снежными заносами, обледенениями. После длительной (до 9 месяцев) полярной ночи наступает короткое лето, которое характеризуется сильными туманами (п/о Ямал и другие регионы). Полярные ночи, туманы, высокая обводненность и заболоченность, сильное обледенение и снежные заносы затрудняют обслуживание и ремонт установок катодной защиты и линий электропередачи. Чередование мерзлотности, пучинистости, низкой и высокой минерализации, грунтов требуют прямо противоположных решений по защите от коррозии.
Таким образом, имеются специфические особенности, из которых следует исходить при разработке и проектировании систем защиты магистральных трубопроводов Севера России.
Учитывая особенности эксплуатации Северных газопроводов для проектирования катодной защиты предложена система катодной защиты Северных газопроводов на базе Новых технологий и аппаратуры. (рис. 2) Основные критерии эффективности катодной защиты системы представлены на рис. 3.
Рассмотрим основные элементы средств катодной защиты, обеспечивающие эффективность и надежность электрохимической защиты (рис. 4).
В настоящее время на магистральных газопроводах эксплуатируются более 18 тыс. станций катодной защиты (СКЗ) различных модификаций. Около 76 % СКЗ установлены в Северных регионах (Тюментрансгаз, Уралтрансгаз, Надымгазпром и т.д.).
Из них в эксплуатации находятся 23.4 % автоматическая СКЗ типа ПАСК,ТДЕ и др., которые по своим техническим характеристикам не отвечают требованиям ГОСТ Р 51164-98.
Созданию высоконадежных элементов системы катодной защиты ООО «ВНИИГАЗ» уделяет особое внимание, учитывая опыт эксплуатации на газотранспортных системах России и за рубежом.
Основные технические характеристики СКЗ МИНЕРВА-3000
Дополнительные технические характеристики
Степень защиты от воздействия окружающей среды Не ниже IР34 по ГОСТ 14254-80
Устойчивость к помехам, Гц 50 и 100
Класс силовых вентилей 12
Время необслуживаемой работы, лет 1
Уровень радиопомех Евростандарт
Уровень шума отсутствует
Защита от несанкционированного доступа
Отсутствие движущихся частей (вентиляторы, пакетные переключатели)
Удобство и простота обслуживания
Производство станции катодной защиты типа МИНЕРВА-3000 освоено на совместном Российско-Французском предприятии «КАТОДЪ».
Вторым важным элементом в УКЗ является анодное заземление.
ООО «ВНИИГАЗом» разработан электрод-заземлитель типа АЗМ-ЗХ для анодного заземления, который отвечает основным требованиям:
Технические характеристики АЗМ-ЗХ
Скорость растворения при плотности тока до 30 А/м2, кг/А в год
— в грунтах 0.2
— в соленой воде 0.5
— в грунтах с применением коксоминерального наполнителя 0.1
Максимальный рабочий ток на у электрод, А 5
Сечение жилы провода, мм2 6
Рабочая поверхность, м2 0.29
Масса электрода, кг 35
Средний ресурс, Ампер-лет 50
Срок службы, не менее 15
Долговечность и надежность контактного узла, изоляция провода стойка к хлору
Стабильность сопротивления растеканию постоянного тока в течение всего срока эксплуатации
Многолетние трассовые испытания, проводимые сотрудниками ООО «ВНИИГАЗа» Хмельницким Б.И. и Суровой В.А. и анализ эксплуатации анодов различных конструкции, показали, что надежность их работы зависит от множества факторов таких как:
По результатам лабораторных и трассовых испытаний разработана новая конструкция анодного типа АЗМ-ЗХ, которая успешно прошла трассовые испытания в высокоагрессивных грунтах на газопроводах Туркмении и Астраханьтрансгаза.
Для обеспечения бесперебойного электроснабжения УКЗ в схему системы катодной защиты введен блок автоматического подключения СКЗ на резервную линию электроснабжения типа БАВР, который позволяет автоматически переключать СКЗ на резервный источник питания, тем самым обеспечит бесперебойную защиту магистральных трубопроводов во времени.
Техническая характеристика блока БАВР
Автоматическое переключение на резервную СКЗ-Р происходит при следующих режимах на СКЗ-О:
Организация схемы совместной катодной защиты многониточных газопроводов осуществляется с помощью блока совместной защиты типа БРТ-1-5, где число каналов, которое может обеспечивать подключение к одной УКЗ до 5 ниток газопровода.
Техническая характеристика блока БРТ
Тип изделия БРТ-1 … 5
Количество каналов 1-5
Максимальный ток канала, А 10-50
Сопротивление минимальное, Ом 0.005
Сопротивление максимальное, Ом 0.250
Количество ступеней регулирования 17
Напряжение на шунте, мВ 75
Масса, кг от 5 до 30
Охлаждение воздушное естественное
Диод, кл 12
Управление по потенциалу станции катодной защиты осуществляется относительно биметаллического электрода сравнения длительного действия типа ЭДБ. Электрод (медно-титановый) со стабилизирующей обмазкой позволяет поддерживать заданный потенциал во времени близким к поляризационному для управления станций катодной защиты в автоматическом режиме. Конструктивное исполнение значительно повышает эксплуатационную надежность по сравнению с известными электродами типа ЭНЕС, МЭД-АКХ и другие, которые содержат электролиты и требуют по истечении определенного времени их замены или долива электролита.
Для организации системы мониторинга, подключения и вывода от контролируемых трубопроводов измерительных проводов в схему системы в зоне дренажа и по трассе газопровода устанавливаются универсальные колонки типа УК, различных модификаций, которые позволяют коммутировать сильноточные цепи (катодные-анодные цепи) и цепи к измерительным приборам (электрод сравнения, датчик измерения тока наводороживания, датчик температуры и т.д.)
Таким образом, рассмотренная схема организации катодной защиты, решает задачу резервирования средств катодной защиты;
Рис.1 Катодная защита для одиночного магистрального газопровода
Рис.2 Система катодной защиты северных газопроводов на базе новых технологий
Рис.3 Основные критерии эффективности катодной защиты
Рис.4 Система катодной защиты с резервным электропитанием и преобразователем
Станция катодной защиты: виды, свойства, эксплуатация
Промышленные трубопроводы, в основном, изготавливают из стали — этот материал прочен, долговечен, устойчив к перепадам давления и температуры. Однако он имеет и недостатки, главный из которых — склонность к коррозии.
Коррозионный процесс постепенно приводит к разрушению изделия и выводит из строя всю систему. Предотвратить эту угрозу поможет электрохимическая защита трубопровода.
Суть метода
Защита трубопроводов от коррозионного разрушения осуществляется путем воздействия постоянного электрического поля на защищаемый металлический объект. Катодная защита предполагает, что трубопровод в результате подачи на него электромагнитного поля приобретает отрицательный потенциал — превращается в катод.
Антикоррозионные системы такого типа должны иметь среду с высокой проводимостью. При обустройстве подземных трубопроводов такой средой является грунт. Контакт электродов обеспечивают элементы из металлов и сплавов, проводящие ток. Разница потенциалов, возникающая между средой и защищаемым от коррозии элементом, позволяет ощутимо снизить скорость коррозирования металла.
Виды устройств
Существуют устройства катодно-протекторной защиты двух видов. В первом случае к металлическому изделию, подводят внешний источник электротока. Сам объект приобретает отрицательный заряд и превращается в катод, роль анода при этом выполняют инертные электроды.
Второй метод предполагает, что защищаемая конструкция соприкасается со специальной протекторной пластиной из алюминия, цинка, магния или сплавов на их основе — эти металлы имеют большой отрицательный потенциал.
Первый метод используется чаще в силу простоты и доступности. Станция катодной защиты позволяет надежно защитить крупные объекты — в частности, данный тип ЭХЗ используется для различных трубопроводов.
Что важно учесть при выборе СКЗ
Важнейшие характеристики устройства, указываемые в паспорте изделия — номинальная выходная мощность и КПД при данном уровне мощности.
С точки зрения потребительских свойств важны также:
Особенности эксплуатации
Задача станции — не только обеспечивать ток, но и в постоянном режиме поддерживать его на таком уровне, чтобы защитный потенциал оставался нормативным. При условии новой изоляции для поддержания необходимого значения нужен небольшой ток.
При постепенном старении изоляции, особенно — при появлении трещин, снижается ее сопротивление, при этом возрастает требуемый компенсирующий ток. Таким образом, к важнейшим возможностям относится возможность измерения защитного потенциала и изменения выходного тока.
Эксплуатация должна производиться в строгом соответствии с требованиями, изложенными в сопроводительной документации. При условии своевременного грамотного обслуживания срок жизни станции ЭХЗ достигает 20 лет.