В практике сложилось 4 основных способа обеспечения защиты трубопроводов от коррозии:
1) изоляция от контакта с агрессивной средой (пассивная),
2) электрозащита (активная),
3) снижение агрессивности окружающей среды,
4) изготовление оборудования из коррозийно-стойких материалов.
В условиях магистральных трубопроводов наиболее распространена электрохимическая коррозия - окисление металлов в электропроводных средах, сопровождающееся образованием электрического тока.
Блуждающий ток - это электрический ток, появляющийся в некоторых грунтах от дисперсии электрифицированных, например, железнодорожных (трамвайных) путей, где рельсы выполняют роль возвратных проводников питающих подстанций. Другим источником блуждающего тока может быть заземление электрического промышленного оборудования. Как правило, это ток большой силы, и воздействует он в первую очередь на трубопровод, отличающийся хорошей проводимостью (в частности, со сварными соединениями). Такой ток поступает в трубу в определенной точке, играющей роль катода, и, преодолев более или менее продолжительный отрезок трубопровода, выходит в другой точке, выступающей в качестве анода. Происходящий при этом электролиз и дает коррозию металла. Прохождение тока на участке от катода до анода вызывает переход железосодержащих частиц в раствор и со временем может привести к истончению и в конечном итоге перфорации трубы. Повреждение тем существенней, чем выше сила проходящего тока. Коррозийное действие блуждающего тока, безусловно, более разрушительно, чем действие коррозийных батарей, образующихся вследствие агрессивности почвы.
Активная защита трубопроводов от коррозии - это комплекс методов, в основе которых используется электрический ток и электрохимические реакции ионообменного типа.
4. Электродренажная защита трубопроводов от коррозии
Это комплекс мероприятий, который позволяет бороться с блуждающими токами - установка дренажной защиты, изоляция фланцев и установка электроэкранов. Наиболее эффективным способом защиты от блуждающих токов является электродренажная защита.
Суть методики следующая: в определенной точке трубопровод посредством специального кабеля, имеющего низкое электрическое сопротивление, подключается непосредственно к источнику блуждающего тока (например, к подстанции или железнодорожному пути). Подключение необходимо соответствующим образом поляризовать (при помощи однонаправленных переходников) таким образом, чтобы ток всегда шел в направлении от трубопровода к источнику дисперсии. Электрический дренаж требует строгого соблюдения сроков регламентных осмотров, тщательной наладки и регулярной проверки.
Применяют прямой, поляризованный и усиленный дренажи.
Прямой электрический дренаж - это дренажное устройство двусторонней проводимости. Схема прямого электрического дренажа включает в себя: реостат, рубильник, плавкий предохранитель и сигнальное реле. Сила тока в цепи "трубопровод-рельс" регулируется реостатом. Если величина тока превысит допустимую величину, то плавкий предохранитель сгорит, ток потечет по обмотке реле, при включении которого срабатывает звуковой или световой сигнал.
Прямой электрический дренаж применяется 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.
Поляризованный электрический дренаж - это дренажное устройство, обладающее односторонней проводимостью. От прямого дренажа поляризованный отличается наличием элемента односторонней проводимости (вентильный элемент) ВЭ. При поляризованном дренаже ток протекает только от трубопровода к рельсу, что исключает натекание блуждающих токов на трубопровод по дренажному проводу.
Усиленный дренаж применяется в тех случаях, когда нужно не только отводить блуждающие токи с трубопровода, но и обеспечить на нем необходимую величину защитного потенциала. Усиленный дренаж представляет собой обычную катодную станцию, подключенную отрицательным полюсом к защищаемому сооружению, а положительным - не к анодному заземлению, а к рельсам электрифицированного транспорта.
Дренажи следует подключать к рельсам, путевым дросселям или сборкам отсасывающих фидеров электрифицированного железнодорожного транспорта. Автоматические дренажи следует подключать только к отсасывающим фидерам или к средним точкам путевых дросселей. Не допускается применять установки дренажной защиты с дренажами без регулировочных (балластных) сопротивлений.
Электрические дренажи следует устанавливать преимущественно в местах пересечения и сближения железных дорог с трубопроводами. Дренажи устанавливают в анодных и знакопеременных зонах с наибольшей амплитудой положительных значений разности потенциалов на сооружении.
Усиленные дренажи следует предусматривать в анодных и знакопеременных зонах газопровода, образованных несколькими источниками блуждающих токов, либо действием одного мощного источника блуждающего тока. Подключение усиленных дренажей на смежные подземные сооружения не допускается.
При значительных расстояниях между трубопроводом и рельсами (более 1,5-2,0 км) при дренажной защите возрастает длина дренажного кабеля и требуется увеличение его сечения, что может оказаться экономически нецелесообразным. В таких случаях для защиты от коррозии блуждающими токами следует проектировать установку катодной защиты.
Анодная защита трубопроводов от коррозии
Принцип действия основан на использовании магниевых анодов, которые под действием электрических токов выделяют ионы магния, замедляя процессы разрушения металла.
Анодная электрохимическая защита менее распространена, чем катодная электрохимическая защита. Это обусловлено тем, что она применяется для конструкций и сооружений, которые изготавливаются из низколегированных нержавеющих, углеродистых сталей, железистых высоколегированных сплавов, титана, и других разнородных пассивирующихся (способных к самостоятельной защите от коррозии) металлов. Анодная защита может применяться в хорошо электропроводных коррозионных средах.
При использовании анодной защиты, потенциал защищаемого металла смещается в более положительную сторону до тех пор, пока не будет достигнуто пассивное устойчивое состояние системы. При этом, достоинством анодной электрохимической защиты является не только очень значительное замедление скорости коррозии конструкции, но также и тот факт, что в производимый продукт и окружающую среду не попадают продукты коррозии.
Существуют несколько способов применения анодной защиты: смещение потенциала в положительную сторону используя источник внешнего электрического тока или введение в коррозионную среду окислителей или элементов в сплав, повышающих эффективность катодного процесса на поверхности металла. Анодная защита с использованием окислителей по механизму защиты схожа с анодной поляризацией.
При использовании пассивирующих ингибиторов с окисляющими свойствами, защищаемая поверхность переходит в пассивное состояние под воздействием возникающего тока. К таким ингибиторам относят бихроматы, нитраты и др. Однако их использование достаточно сильно загрязняет окружающую технологическую среду.
Реакция восстановления деполяризаторов, протекающая на катоде, при введении в сплав добавок, проходит с меньшим перенапряжением, чем на защищаемом металле. Введение таких добавок осуществляется, в основном, с помощью легирования благородными металлами.
При пропускании электрического тока через защищаемую конструкцию, происходит смещение её потенциала в положительную сторону.
Установка для анодной электрохимической антикоррозионной защиты состоит из источника внешнего тока, электрода сравнения, катода и самого защищаемого объекта.
Для того, чтобы узнать, имеется ли возможность применить анодную электрохимическую защиту для определенного объекта, снимают анодные поляризационные кривые, помогающие определить потенциал коррозии исследуемой конструкции в определенной коррозионной среде, область устойчивой пассивности и плотность тока в этой области.
При изготовления катодов используют малорастворимые металлы, к которым относят высоколегированные нержавеющие стали, тантал, никель, свинец, платину.
Для того, чтобы анодная электрохимическая защита в определенной среде была эффективной, возникает необходимость использования легкопассивируемых металлов и сплавов. При этом электрод сравнения и катод должны все время находится в растворе, а также соединительные элементы должны быть выполнены качественно. Для каждого индивидуального случая анодной защиты схема расположения катодов проектируется отдельно.
Чтобы анодная защита была эффективной для определенного объекта, необходимо, чтобы он отвечал следующим требованиям:
- все сварные швы должны быть выполнены качественно;
- материал, из которого выполнен защищаемый объект, в технологической среде должен переходить в пассивное состояние;
- количество щелей и воздушных карманов должно быть минимальным;
- на конструкции не должны присутствовать заклепочные соединения;
- в защищаемом устройстве электрод сравнения и катод должны всегда находиться в растворе.
Катодная защита трубопроводов от коррозии.
Метод основан на явлении катодной поляризации металлов под действием постоянного тока. Объект воздействия превращается в катод с низким потенциалом, что исключает вероятность возникновения коррозии.
В 1928 году Роберт Кун опытным путем установил, что величина потенциала катодной защиты стали составляет минус 0,85 В относительно медносульфатного электрода сравнения. Так как естественный потенциал стали в грунте примерно равен -0.55...-0.6 В, то для осуществления катодной защиты необходимо сместить потенциал коррозии на 0,25... 0,30 В в отрицательную сторону. Прилагая между поверхностью металла трубы и грунтом электрический ток, необходимо достигнуть снижения потенциала в дефектных местах изоляции трубы до значения ниже критерия защитного потенциала, равного -0.85 В. В результате этого скорость коррозии снижается до 10 мкм в год, утрачивая при этом практическое значение. Катодную защиту трубопроводов можно осуществить двумя методами:
- применением магниевых жертвенных анодов-протекторов (гальванический метод);
- применением внешних источников постоянного тока, минус которых соединяется с трубой, а плюс - с анодным заземлением (электрический метод).
Принцип катодной защиты:
а) с помощью гальванических жертвенных анодов.
б) с помощью поляризации от источника постоянного тока.
1 - заложенный в грунт трубопровод, 2 - гальванический жертвенный анод, 3 - источник постоянного тока, 4 - малорастворимый анод
В основу гальванического метода положен тот факт, что различные металлы в электролите имеют различные электродные потенциалы. Если образовать гальванопару из двух металлов и поместить их в электролит, то металл с более отрицательным потенциалом станет анодом и будет разрушаться, защищая, тем самым, металл с менее отрицательным потенциалом (рис. А).
На практике в качестве жертвенных гальванических анодов используются протекторы из магниевых, алюминиевых и цинковых сплавов. Применение катодной защиты с помощью протекторов эффективно только в низкоомных грунтах (до 50 Ом.м). В высокоомных грунтах такой метод необходимой защищенности не обеспечивает. Катодная защита внешними источниками тока более сложная и трудоемкая, но она мало зависит от удельного сопротивления грунта и имеет неограниченный энергетический ресурс (рис. Б). В качестве источников постоянного тока, как правило, используются преобразователи различной конструкции, питающиеся от сети переменного тока. Преобразователи позволяют регулировать защитный ток в широких пределах, обеспечивая защиту трубопровода в любых условиях. В качестве источников питания установок катодной защиты используются воздушные линии 0.4; 6; 10 кВ, а также автономные источники: дизельгенераторы, термогенераторы, газогенераторы и другие. Принцип работы и схема катодной защиты показана на рис. В.
Принцип работы и схема катодной защиты
1-защищаемый трубопровод, 2-соединительные провода, 3-источник постоянного тока, 4-анодное заземление, 5-места повреждений изолирующего покрытия
Защитный ток, накладываемый на трубопровод от преобразователя и создающий разность потенциалов " труба-земля ", распределяется неравномерно по длине трубопровода. Поэтому максимальное по абсолютной величине значение этой разности находится в точке подключения источника тока (точке дренажа). По мере удаления от этой точки разность потенциалов " труба-земля " уменьшается. Чрезмерное завышение разности потенциалов отрицательно влияет на адгезию покрытия и может вызвать наводороживание металла трубы, что может стать причиной водородного растрескивания. Снижение разности потенциалов не обеспечивает защиту от коррозии и, в определенном диапазоне, может способствовать коррозионному растрескиванию под напряжением. Основным способом борьбы с водородным растрескиванием является контроль за величиной поляризационных потенциалов, особенно в точках дренажа, и ее поддержание на заданном уровне. Коррозионное растрескивание под механическим напряжением наблюдается в узком диапазоне потенциала трубопровода, от минус 0.75 В до минус 0.83 В, и проявляется только при одновременном воздействии высокой температуры и давления, а также зависит от состояния поверхности металла, состава грунтового электролита и состояния изоляции.