≡×МЕНЮ

• Інтер'єр
• Вікна
• Стіни
• Проекти
• Будівлі

Катодний захист. А.І. Хейфец, Система електрохімічного захисту трубопроводів теплових мереж

Корозія згубно впливає на технічний стан підземних трубопроводів, під її впливом порушується цілісність газопроводу, з'являються тріщини. Для захисту від такого процесу застосовують електрохімзахист газопроводу.

Корозія підземних трубопроводів та засоби захисту від неї

На стан сталевих трубопроводіввпливає вологість ґрунту, його структура та хімічний склад. Температура сполученого трубами газу, що блукають у землі струми, викликані електрифікованим транспортом і кліматичні умовив цілому.

Види корозії:

• Поверхнева. Поширюється суцільним шаром поверхні виробу. Має найменшу небезпеку для газопроводу.
• Місцева. Виявляється у вигляді виразок, щілин, плям. Найнебезпечніший вид корозії.
• Втомне корозійне руйнування. Процес поступового накопичення ушкоджень.

Методи електрохімзахисту від корозії:

• пасивний метод;
• активний метод.

Суть пасивного методу електрохімзахисту полягає у нанесенні на поверхню газопроводу спеціального захисного шару, що перешкоджає шкідливій дії. довкілля. Таким покриттям може бути:

• бітум;
• полімерна стрічка;
• кам'яновугільний пек;
• епоксидні смоли.

Насправді рідко виходить нанести електрохімічне покриття поступово на газопровід. У місцях зазорів з часом метал все ж таки пошкоджується.

Активний метод електрохімзахисту або метод катодної поляризації полягає у створенні на поверхні трубопроводу негативного потенціалу, що запобігає витоку електрики, тим самим запобігаючи появі корозії.

Принцип дії електрохімзахисту

Щоб захистити газопровід від корозії, потрібно створити катодну реакцію та виключити анодну. Для цього на трубопроводі, що захищається, примусово створюється негативний потенціал.

У грунті розміщують анодні електроди, підключають негативний полюс зовнішнього джерела струму безпосередньо до катода - об'єкту, що захищається. Для замикання електричного ланцюга, позитивний полюс джерела струму з'єднується з анодом – додатковим електродом, встановленим у загальному середовищіз трубопроводом, що захищається.

Анод у цьому електричному ланцюзі виконує функцію заземлення. За рахунок того, що анод має позитивніший потенціал, ніж металевий об'єкт, відбувається його анодне розчинення.

Процес корозії пригнічується під впливом негативно зарядженого поля об'єкта, що захищається. При катодному захисті від корозії процесу псування буде піддається безпосередньо анодний електрод.

Для збільшення терміну експлуатації анодів, їх виготовляють інертних матеріалів, стійких до розчинення та інших впливів зовнішніх факторів

Станція електрохімзахисту - це пристрій, який є джерелом зовнішнього струму в системі катодного захисту. Ця установка підключається до мережі, 220 Вт і виробляє електрику з встановленими вихідними значеннями.

Станція встановлюється землі поруч із газопроводом. Вона повинна мати ступінь захисту IP34 та вище, тому що працює на відкритому повітрі.

Станції катодного захисту можуть мати різні технічні характеристикита функціональні особливості.

Типи станцій катодного захисту:

• трансформаторні;
• інверторні.

Трансформаторні станції електрохімзахисту поступово відходять у минуле. Вони є конструкцією з трансформатора, що працює з частотою 50 Гц і тиристорного випрямляча. Мінусом таких пристроїв є несинусоїдальна форма енергії, що генерується. Внаслідок чого, на виході відбувається сильне пульсування струму та знижується його потужність.

Інверторна станція електрохімзахисту має перевагу у трансформаторної. Її принцип ґрунтується на роботі високочастотних імпульсних перетворювачів. Особливістю інверторних пристроїв є залежність розміру трансформаторного блоку частоти перетворення струму. При вищій частоті сигналу потрібно менше кабелю, знижуються теплові втрати. В інверторних станціях, завдяки фільтрам, що згладжують, рівень пульсації виробленого струму має меншу амплітуду.

Електричний ланцюг, який приводить у роботу станцію катодного захисту, виглядає так: анодне заземлення – ґрунт – ізоляція об'єкта захисту.

Під час встановлення станції захисту від корозії враховуються такі параметри:

• становище анодного заземлення (анод-земля);
• опір ґрунту;
• електропровідність ізоляції об'єкта.

Установки дренажного захисту для газопроводу

При дренажному способі електрохімзахисту джерело струму не потрібно, газопровід з допомогою струмів, що блукають у землі, повідомляється з тяговими рейками залізничного транспорту. Здійснюється електричний взаємозв'язок завдяки різниці потенціалів залізничних рейок та газопроводу.

За допомогою дренажного струму створюється зміщення електричного поля газопроводу, що знаходиться в землі. Захисну роль у даній конструкції відіграють плавкі запобіжники, а також автоматичні вимикачі максимального навантаження із поверненням, які налаштовують роботу дренажного ланцюга після спаду високої напруги.

Система поляризованих електродренажів здійснюється за допомогою з'єднань вентильних блоків. Регулювання напруги за такої установки здійснюється перемиканням активних резисторів. Якщо метод дав збій, застосовують потужніші електродренажі у вигляді електрохімзахисту, де анодним заземлювачем служить залізнична рейка.

Установки гальванічного електрохімзахисту

Використання протекторних установок гальванічного захисту трубопроводу виправдане, якщо поблизу об'єкта відсутнє джерело напруги – ЛЕП, або ділянка газопроводу недостатньо велика за розмірами.

Гальванічне обладнання служить для захисту від корозії:

• підземних металевих споруд, що не приєднані електричним ланцюгом до зовнішніх джерел струму;
• окремих незахищених частин газопроводів;
• частин газопроводів, що ізольовані від джерела струму;
• трубопроводів, що будуються, тимчасово не підключених до станцій захисту від корозії;
• інших підземних металевих споруд (палі, патрони, резервуари, опори та ін.).

Гальванічний захист спрацює найкращим чином у ґрунтах з питомим електричним опором, що знаходиться в межах 50 Ом.

Установки з протяжними або розподіленими анодами

При використанні трансформаторної станції захисту від корозії струм розподіляється по синусоїді. Це несприятливо позначається на захисному електричному полі. Відбувається або надмірна напруга в місці захисту, яке тягне за собою високу витрату електроенергії, або неконтрольований витік струму, що робить електрохімзахист газопроводу неефективним.

Практика використання протяжних чи розподілених анодів допомагає оминути проблему нерівномірного розподілуелектрики. Включення розподілених анодів у схему електрохімзахисту газопроводу сприяє збільшенню зони захисту від корозії та згладжуванню лінії напруги. Аноди за такої схеми розміщуються у землі, протягом усього газопроводу.

Регулювальний опір або спеціальне обладнання забезпечує зміну струму в необхідних межах, змінюється напруга анодного заземлення, регулюється захисний потенціал об'єкта.

Якщо використовується відразу кілька заземлювачів, можна змінювати напругу захисного об'єкта, змінюючи кількість активних анодів.

ЕХЗ трубопроводу за допомогою протекторів заснована на різниці потенціалів протектора та газопроводу, що знаходиться у землі. Грунт у разі є електроліт; метал відновлюється, а тіло протектора руйнується.

Відео: Захист від блукаючих струмів

А.І. Хейфец, начальник служби електрохімічного захисту,
ВАТ «Тепломережа Санкт-Петербурга», м. Санкт-Петербург

Вступ

Захист трубопроводів теплових мереж від корозії є дуже важливим завданням, від вирішення якого залежить надійність роботи всієї системи централізованого теплопостачання. У м. Санкт-Петербург превалюють теплові мережі підземної прокладки, які експлуатуються в корозійно-небезпечних умовах, обумовлених як густою мережею підземних комунікацій великої довжини та розвиненим електрифікованим транспортом, так і насиченістю ґрунтів та ґрунтів вологою та хімічними реагентами. Існує два основних способи захисту металів від корозії: пасивний – це нанесення на їх поверхню ізоляційних покриттів та активний – це використання засобів електрохімічного захисту.

Трохи теорії

Металеві споруди, що експлуатуються в різних середовищах (в атмосфері, воді, ґрунті), піддаються руйнівному впливу цього середовища. Руйнування металу внаслідок його взаємодії із зовнішнім середовищем називається корозією. Сутью корозійного процесу є видалення атомів з металевих грат, яке може відбуватися двома шляхами, тому і розрізняють корозію просто хімічну та електрохімічну.

Корозія є хімічною, якщо після розриву металевого зв'язку атоми металу безпосередньо з'єднуються. хімічним зв'язкомз тими атомами чи групами атомів, що входять до складу окислювачів, які відбирають валентні електрони металу. Процес відбувається без участі вільних електронів і не супроводжується появою електричного струму. Прикладом може бути утворення окалини при взаємодії матеріалів на основі заліза при високій температурііз киснем.

Корозія є електрохімічною, якщо при виході з металевих грат позитивно заряджений іон металу, тобто. катіон, вступає у зв'язок не з окислювачем, а з іншими компонентами корозійного середовища, окислювачі ж передаються електрони, що звільняються при утворенні катіону. При електрохімічній корозії видалення атомів з металевих грат здійснюється в результаті не одного, як при хімічній корозії, а двох незалежних, але пов'язаних між собою електрохімічних процесів: анодного (перехід «захоплених» катіонів металу в розчин) і катодного (зв'язування окислювачем електронів, що звільнилися). Окислювачами служать іони водню, які є скрізь, де є вода, і молекули кисню. Електрохімічна корозіясупроводжується появою електричного струму.

Трубопроводи теплових мереж є протяжними об'єктами і їх ділянки виявляються над рівних умовах з погляду розвитку корозійних процесів. Ґрунти та ґрунти по-різному вбирають у себе атмосферні опади, талі води, мають різну повітропроникність. Питома електричний опірґрунтів теж різне; саме його значення (що нижче, тим небезпечніше) характеризує корозійну агресивність середовища. В результаті вздовж поверхні трубопроводів утворюються ділянки, де переважно здійснюються або анодні, або катодні реакції. Електрична провідність металу дуже висока, електрони практично миттєво перерозподіляються від місць протікання анодної реакції до місць, де протікає катодна (рис. 1). По суті, виникають подоби гальванічних елементів, батарейок, у яких роль електроліту відіграє ґрунт, а зовнішнім ланцюгом є підземна металева споруда. Анодні зони – це позитивний електрод («+»), а катодні зони – це негативний електрод («-»). При протіканні електричного струму в анодних зонах безперервно відбувається вихід атомів з металевих грат у зовнішнє середовище, тобто. Розчинення металу.

Особливу небезпеку для трубопроводів теплових мереж становлять блукаючі струми, які виникають внаслідок витоку з транспортних електричних ланцюгів частини струму в ґрунт або водні розчиниде вони потрапляють на металеві конструкції. У місцях виходу струму з цих конструкцій знову грунт або воду виникає анодне розчинення металу. Такі зони особливо часто спостерігаються у районах наземного електричного транспорту. Корозію під дією блукаючих струмів іноді називають електричною корозією. Такі струми можуть досягати величини кілька ампер. Для подання: струм силою 1 А, відповідно до першого закону Фарадея, викликає протягом року розчинення заліза в кількості 9,1 кг. Якщо струм зосереджений ділянці 1 м 2 , це відповідає зменшенню товщини стінки труби на 1,17 мм на рік, тобто. за 6 років вона зменшилася б на 7 мм.

Принцип дії електрохімічного захисту (ЕХЗ) зовнішньої поверхні металу від корозії заснований на тому, що зсув потенціалу металу пропусканням зовнішнього електричного струму можна змінити швидкість його корозії. Залежність між потенціалом та швидкістю корозії нелінійна та неоднозначна.

ЕХЗ, заснована на накладанні катодного струму, зветься катодного захисту. У виробничих умовах вона реалізується у двох варіантах.

1. У першому варіанті необхідний зсув потенціалу забезпечується підключенням конструкції, що захищається, до зовнішнього джерела напруги в якості катода, а в якості анода використовуються допоміжні електроди (рис. 2).

Джерелом служить регульований випрямляч, який перетворює напругу промислової частоти на постійне, а анодні заземлювачі об'єднуються в контур, склад і розташування електродів якого визначаються розрахунком. У процесі експлуатації маса електродів контуру анодного заземлення монотонно зменшується.

Катодна поляризація неізольованої металевої конструкції до величини мінімального захисного потенціалу вимагає значних струмів, тому зазвичай катодна захиствикористовується спільно з ізоляційними покриттями, нанесеними на зовнішню поверхню споруди, що захищається. Поверхне покриття зменшує необхідний струм на кілька порядків. При катодний захист необхідно контролювати і величину максимального потенціалу, т.к. його занадто велике значенняможе призвести до відшаровування ізоляційного покриття від стінки трубопроводу. Нормативними документами (Типова інструкція із захисту трубопроводів теплових мереж від зовнішньої корозії РД 153-34.0-20.518-2003) встановлено, що мінімальний захисний потенціал для теплових мереж дорівнює 1,1 В, а максимальний 2,5 В негативний бік по відношенню медносульфатного електрода порівняння. Такі значення повинні бути забезпечені на всьому протязі ділянки, що захищається, і це досягається тим вірніше, чим краще метал ізольований від землі.

2. Другим варіантом катодного захисту є гальванічний (або протекторний) захист (рис. 3). Принцип її дії ґрунтується на тому, що різні метали характеризуються різними значеннями стандартних електродних потенціалів. Катодна поляризація конструкції, що захищається досягається за рахунок її контакту з більш електронегативним металом. Останній виступає в ролі анода, і його електрохімічне розчинення забезпечує протікання катодного струму через метал, що захищається. Сам же анод, виконаний із магнію, цинку, алюмінію та їх сплавів, поступово руйнується. Перевагою протекторного захисту є те, що для неї не потрібне зовнішнє джерело напруги, але цей вид захисту може використовуватися тільки на порівняно невеликих ділянках трубопроводів (до 60 м), а також на сталевих футлярах.

3. Для захисту трубопроводів теплових мереж від зовнішньої корозії під дією блукаючих струмів застосовують електродренаж (дренаж) - з'єднання металевим провідником ділянки, з якої стікають ці струми, з трамвайною рейкою або залізничних колій. При великій відстані до рейки, коли такий дренаж важко реалізувати, використовують додатковий чавунний анод, який закопують у землю і з'єднують з ділянкою, що захищається.

У місцях, де електролітична дія блукаючих струмів складається із струмами гальванічних пар, може відбутися різке збільшення швидкості корозійних процесів. У таких випадках застосовуються установки посиленого дренажу (рис. 4), які дозволяють не тільки відводити струми, що блукають від трубопроводів, але і забезпечити на них необхідну величину захисного потенціалу. Посилений дренаж являє собою звичайну катодну станцію, підключену негативним полюсом до спорудження, що захищається, а позитивним - не до анодного заземлення, а до рейок електрифікованого транспорту.

4. Сильне корозійне вплив на трубопроводи теплових мереж можуть надавати установки ЕХЗ власників суміжних підземних комунікацій, наприклад, газопроводів (рис. 5а). Якщо трубопроводи опинилися в зоні дії катодного струму «чужої» установки, то руйнування в місцях виходу цього струму зі сталевої труби в ґрунт будуть такими ж, як і під дією блукаючих струмів. Для захисту необхідно з'єднати трубопроводи теплових мереж із негативним полюсом джерела напруги (рис. 5б).

Зрушувати потенціал металу для захисту його від корозії можна у бік негативних, а й позитивних значень. При цьому деякі метали переходять у пасивний стан, а струм розчинення металу падає у десятки разів. Такий захист називається анодним, її перевага в тому, що для підтримки пасивного стану металу потрібні малі струми. Однак, якщо в електроліті є іони хлору та сірки, корозія металу може різко зрости і вийти з ладу саме анодно-поляризоване обладнання. Анодний захист для теплових мереж не застосовується.

ЭХЗ у ВАТ «Тепломережа Санкт-Петербурга» експлуатується та розвивається як система, тобто. сукупність взаємозалежних складових: стаціонарних технічних засобів, інструментального контролю та інформаційної бази даних

Відповідно до графіків фахівці служби ЕХЗ у плановому порядку проводять за встановленою методикою корозійні вимірювання на всіх ділянках магістральних та розподільчих мереж у місцях доступу до підземних трубопроводів (теплові камери). Після обробки результатів вимірювань визначаються анодні та катодні зони на трубопроводах, зони захисту, ділянки небезпечного впливу блукаючих струмів. Крім того, корозійні вимірювання проводяться при планових шурфуваннях і усуненні дефектів на теплових мережах, де вони доповнюються результатом хімічного аналізуґрунту. Результати вимірювань систематизуються та архівуються, вони є цінною інформацією як для правильної організаціїексплуатації тепломеханічного устаткування, так планування будівництва додаткових коштів ЭХЗ.

Докладніші та ретельніші корозійні обстеження зон залягання теплотрас проводяться силами спеціалізованої підрядної організації. Ці обстеження проводяться на корозійно-небезпечних ділянках зазвичай після реконструкції (перекладання) теплових мереж, т.к. застосування сучасних типів ізоляції, конструкцій та технологій забезпечує кращу, ніж раніше, гальванічну розв'язку металу від бетону та від землі. Це означає, у тому числі, і можливу зміну меж анодних і катодних зон, ділянок впливу блукаючих струмів. Результати обстежень подаються у вигляді звітів, що містять відомості про зміни значень електродних потенціалів різних ділянкахповерхні трубопроводів при різних режимах роботи (рис. 6) як своїх, а й належать стороннім організаціям засобів ЭХЗ. Методами математичного моделювання (рис. 7) розраховуються тип, кількість та місця розташування необхідних додаткових засобів ЕХЗ для подальшого проектування.

В даний час ВАТ «Тепломережа Санкт-Петербурга» належать 432 установки ЕХЗ, їх: установок катодного захисту - 204 прим. (у тому числі установок катодного захисту, що належать до категорії спільного захисту від зовнішньої корозії трубопроводів теплових мереж та прокладених поряд газопроводів, - 20 шт.); установок посиленого дренажу – 8 шт.; установок протекторного захисту – 220 шт. Технічним обслуговуванням установок катодного спільного захисту займається ВАТ "Антикор".

Відповідно до вимог нормативних документів (Захист від корозії. Проектування електрохімічного захисту підземних споруд. СТО Газпром 2-3.5-047-2006) установки ЕХЗ не повинні негативно впливати на сусідні комунікації. ВАТ «Антикор», що займається в Санкт-Петербурзі електрохімічним захистом газопроводів, при реконструкції та новому будівництві своїх установок своєчасно повідомляє ВАТ «Тепломережа Санкт-Петербурга» про технічної можливостіпідключення ділянок теплових мереж до ЕХЗ газопроводів, якщо передбачено проектом.

У процесі експлуатації всіх, крім дренажних, установок ЭХЗ безупинно втрачається маса їх заземлених електродів, т.к. це становить фізичну сутність електрохімічного захисту. Неминуче настає момент «смерті» контуру анодного заземлення чи протектора. Забезпечити заданий період експлуатації між капітальними ремонтами установок ЕХЗ можна і потрібно правильним розрахунком

необхідного числа та місця розташування елементів, вибором якісних матеріалів, суворе дотримання технології монтажу. Можливі випадки відмови електродів через локальні точкові ушкодження. З 2010 р. при реконструкції та новому будівництві нами застосовуються феросилідові анодні заземлювачі ЕлЖК-1500 із захистом контактного вузла замість колишніх ЕГТ-1450. Протягом ряду останніх роківв установках ЕХЗ застосовуються лише автоматичні перетворювачі типу УКЗТА та ПКЗ-АР (рис. 8), що дозволяють безперервно підтримувати задані значення анодного струму чи захисного потенціалу на трубопроводі.

Особливого значення набула практика оснащення установок ЕХЗ телеметричними реєстраторами (рис. 9). Ці пристрої, виготовлені у вигляді блоків, що вбудовуються, безперервно дистанційно передають інформацію про значення змінюються в часі електричних величин на виділений комп'ютер (рис. 10). Створюються архіви, дозволяють аналізувати роботу установок ЭХЗ. Крім того, в системі телеметрії реалізовано функцію сигналізації про несанкціонований доступ сторонніх осіб до установок.

Варто зазначити, що перед початком будівельно-монтажних робіт підрядник повідомляє про дату початку робіт замовника, проектну організацію, організацію, що здійснює технічний нагляд за будівництвом, та організацію, на обслуговування якої будуть передаватися захисні установки, що будуються.

Електрохімічним захистом теплових мереж від зовнішньої корозії нашому підприємстві займаються з 1960 р., тобто. понад 50 років. У різні роки фахівці з ЕХЗ входили до складу різних виробничих підрозділів, а після утворення у 2010 р. ВАТ «Тепломережа Санкт-Петербурга» було створено окрему службу ЕХЗ. На сьогоднішній день у її складі 13 осіб, які вирішують технічні та організаційні завдання.

До технічних завдань належать: щоденні об'їзди двох бригад електромонтерів за заданими маршрутами установок ЕХЗ із проведенням технічне обслуговування. Одночасно при цьому контролюється, чи не ведуться сторонніми організаціями без правильного оформлення земляні роботиу зоні наших установок.

Технічне обслуговування установок ЕХЗ включає:

■ огляд всіх елементів установки з метою виявлення зовнішніх дефектів, перевірку щільності контактів, справності монтажу, відсутності механічних пошкоджень окремих елементів, відсутності підгарів та слідів перегрівів, відсутності розкопок на трасі дренажних кабелів та анодних заземлень;

■ перевірку справності запобіжників (якщо вони є);

■ очищення корпусу дренажного та катодного перетворювача, блоку спільного захисту зовні та всередині;

■ вимірювання струму та напруги на виході перетворювача або між гальванічними анодами (протекторами) та трубами;

■ вимірювання потенціалу трубопроводу у точці підключення установки;

■ виконання запису в журналі установки про результати виконаної роботи;

■ вимірювання потенціалів у постійно закріплених вимірювальних пунктах.

Періодично проводиться поточний ремонт та контроль ефективності обладнання ЕХЗ. Фахівці служби ЕХЗ ведуть технічний нагляд за виробництвом капітального ремонту, реконструкції та капітального будівництва установок ЕХЗ підрядними організаціями Контролюється відповідність виконуваних будівельно-монтажних робіт проекту.

Поточний ремонт включає:

■ вимірювання опору ізоляції кабелів живлення;

■ ремонт ліній живлення;

■ ремонт випрямного блоку;

■ ремонт дренажного кабелю.

Контроль ефективності роботи установки ЕХЗ полягає у вимірі захисних потенціалів у вимірювальних пунктах по всій зоні захисту цієї установки ЕХЗ. Контроль ефективності ЕХЗ трубопроводів теплових мереж проводять не рідше, ніж 2 рази на рік, а також при зміні параметрів роботи установок ЕХЗ та зміні корозійних умов, пов'язаних з:

■ прокладання нових підземних споруд;

■ у зв'язку з проведенням ремонтних робітна теплових мережах;

■ встановленням ЕХЗ на суміжних підземних комунікаціях.

Фахівці служби ехз ведуть технічний нагляд за виробництвом капітального ремонту, реконструкції та капітального будівництва установок ехз підрядними організаціями. Контролюється відповідність виконуваних будівельно-монтажних робіт проекту.

До організаційних завдань належить, передусім, отримання дозволу електропостачання станцій ЕХЗ від мереж ВАТ «Ленэнерго». Це багатоходовий алгоритм, який супроводжується оформленням великої кількості документації. Окрім електропостачання, служба ЕХЗ займається підготовкою адресних програм нового будівництва та ремонту, перевіркою та узгодженням проектів, підготовкою технічних завдань.

Установки ЕХЗ від зовнішньої корозії металоконструкцій застосовуються вже 100 років. Фізико-хімічний принцип їхньої роботи залишається незмінним, але для збільшення ресурсу їхньої роботи, зниження капітальних та експлуатаційних витрат необхідно шукати та знаходити нові технічне рішення. Перспективним є використання протяжних електродів для анодного заземлення. Еластомірні електроди укладаються горизонтально в траншею вздовж трубопроводів теплової мережі на глибині

1,5 м та поділяються на кілька ділянок для підвищення ремонтопридатності. Вартість таких установок менша, ніж при використанні традиційних контурів анодного заземлення. У 2011 р. вже збудовано дві установки з горизонтальними електродами.

Оснащення установок ЕХЗ блоками телеметрії продовжуватиметься, і в перспективі інформація про роботу всіх установок дистанційно передаватиметься та архівуватиметься.

У 2011 р. було виконано проект автоматизованого обліку електроенергії для 59 установок ЕХЗ, а його реалізація намічена на 2012 р.

Вже розпочато роботу із занесення бази даних про встановлення ЕХЗ в єдину інформаційно-аналітичну систему ВАТ «Тепломережа Санкт-Петербурга». У перспективі це дозволить швидше та достовірніше визначати пріоритети під час складання програми реконструкції ділянок теплових мереж, правильно організовувати земляні роботи при усуненні дефектів.

Основне призначення ЕХЗ теплових мереж – це забезпечення експлуатації трубопроводів без виникнення пошкоджень протягом усього нормативного терміну(25 років). Для досягнення цієї мети необхідно ставитись до ЕХЗ саме як до системи, не нехтуючи жодною з її складових, зазначених у цій статті. Корисними можуть бути кілька загальних міркувань.

1. У корозійно-небезпечних зонах слід вводити в експлуатацію ЕХЗ якнайшвидше після будівництва чи реконструкції ділянки теплових мереж, тобто. захищати метал "з нуля".

2. На ділянці трубопроводів, що електрично погано ізольованих від землі (руйнування теплової ізоляції, контакт металу з бетонними конструкціями тощо), установка ЕХЗ буде мало ефективна, т.к. створений нею захисний струм не розподілиться на сотні метрів уздовж труб, а стіче в землю в місці «закоротки».

3. При виявленій низькій ефективності існуючої установки ЕХЗ (мала різниця у значенні потенціалу металу при включеній та відключеній установці) потрібно провести її реконструкцію зі зміною розташування контуру анодного заземлення (КАЗ) по відношенню до трубопроводів, що захищаються.

4. При реконструкції та новому будівництві установок ЕХЗ доцільно використати самі найкращі маркиелектродів для КАЗ, т.к. відмова контуру - це вихід із ладу всієї установки, а для відновлення КАЗ доведеться проводити дорогі земляні роботи.

5. Координація діяльності в частині ЕХЗ з іншими власниками підземних комунікацій дозволить вжити заходів для захисту трубопроводів теплових мереж від шкідливого впливу «чужих» установок ЕХЗ, а також у ряді випадків організувати спільний захист.

Досвід експлуатації теплових мереж ВАТ "Тепломережа Санкт-Петербурга" переконливо доводить, що ЕХЗ була і залишається важливою складовою в комплексі заходів щодо підвищення надійності теплопостачання Санкт-Петербурга.

Станції катодного захисту (СКЗ) є необхідним елементом системи електрохімічного (або катодного) захисту підземних трубопроводів (ЕХЗ) від корозії. При виборі СКЗ виходять найчастіше з найменшої вартості, зручності обслуговування та кваліфікації свого обслуговуючого персоналу. Якість обладнання, що купується, оцінити зазвичай важко. Автори пропонують розглянути зазначені у паспортах технічні параметри СКЗ, які визначають, наскільки якісно виконуватиметься основне завдання катодного захисту.

Автори не мали на меті висловлюватися суворо науковою мовою у визначенні понять. У процесі спілкування з персоналом служб ЕХЗ ми зрозуміли, що необхідно цим людям допомогти систематизувати терміни і, що ще важливіше, дати їм уявлення, що відбувається і в електромережі, і в самій СКЗ.

Завдання ЕХЗ

Катодний захист здійснюється при протіканні електричного струму від СКЗ по замкнутому електричному ланцюгу, утвореному трьома послідовно включеними опорами:

· Опір ґрунту між трубопроводом та анодом; I опір розтікання анода;

· Опір ізоляції трубопроводу.

Опір ґрунту між трубою та анодом може змінюватися в широких межах залежно від складу та зовнішніх умов.

Анод є важливою частиною системи ЕХЗ, і служить тим витратним елементом, розчинення якого забезпечує можливість реалізації ЕХЗ. Опір його в процесі експлуатації стабільно зростає внаслідок розчинення, зменшення ефективної площі. робочої поверхніта утворення оксидів.

Розглянемо сам металевий трубопровід, який і є елементом ЕХЗ, що захищається. Металева труба зовні покрита ізоляцією, в якій у процесі експлуатації утворюються тріщини від впливу механічних вібрацій, сезонних та добових перепадів температур і т.д. Через тріщини в гідро- і теплоізоляції трубопроводу проникає волога і виникає контакт металу труби з грунтом, так утворюється гальванічна пара, що сприяє виносу металу з труби. Чим більше тріщинта їх розміри, тим більше металу виноситься. Отже відбувається гальванічна корозія, у якій тече струм іонів металу, тобто. електричний струм.

Якщо тече струм, то виникла чудова ідея взяти зовнішнє джерело струму і включити його на зустріч цьому самому струму, через який відбувається винос металу та корозія. Але виникає питання: якої величини цей рукотворний струм давати? Начебто такий, щоб плюс на мінус давав нуль струму виносу металу. А як виміряти цей струм? Аналіз показав, що напруга між металевою трубоюта ґрунтом, тобто. по обидві сторони ізоляції, має знаходитися в межах від -0,5 до -3,5 (ця напруга називається захисним потенціалом).

Завдання СКЗ

Завданням СКЗ є не тільки забезпечувати в ланцюзі ЕХЗ струм, а й підтримувати його таким, щоб захисний потенціал не виходив за прийняті рамки.

Так, якщо ізоляція нова, і вона не встигла отримати пошкоджень, то її опір електричному струму високий і потрібний невеликий струм для підтримки потрібного потенціалу. При старінні ізоляції її опір падає. Отже, необхідний компенсуючий струм від СКЗ зростає. Ще більше він зросте, якщо в ізоляції з'явилися тріщини. Станція повинна вміти вимірювати захисний потенціал та змінювати свій вихідний струм відповідним чином. І нічого більше, з погляду завдання ЕХЗ, не потрібно.

Режими роботи СКЗ

Режимів роботи ЕХЗ може бути чотири:

· Без стабілізації вихідних значень струму чи напруги;

· I стабілізації вихідної напруги;

· Стабілізація вихідного струму;

· I стабілізації захисного потенціалу.

Скажімо відразу, що у прийнятому діапазоні змін всіх чинників повністю забезпечується виконання завдання ЭХЗ лише за використанні четвертого режиму. Що прийнято як стандарт для режиму роботи СКЗ.

Датчик потенціалу видає станції інформацію про рівень потенціалу. Станція змінює свій струм у потрібний бік. Проблеми починаються з моменту, коли треба ставити це датчик потенціалу. Ставити його потрібно в певному розрахунковому місці, копати траншею для сполучного кабелю між станцією і датчиком. Той, хто прокладав якісь комунікації у місті, знає, яка це морока. Плюс до цього датчик потребує періодичного обслуговування.

В умовах, коли виникають проблеми з режимом роботи з зворотним зв'язкомза потенціалом, надходять у такий спосіб. При використанні третього режиму приймають, що стан ізоляції в короткостроковому плані змінюється мало, і її опір залишається практично стабільним. Отже, достатньо забезпечити протікання стабільного струму через стабільний опір ізоляції і отримуємо стабільний захисний потенціал. У середньостроковому та довгостроковому плані необхідні коригування може проводити спеціально навчений обхідник. Перший та другий режими не пред'являють до СКЗ високих вимог. Ці станції виходять простими виконанням і як наслідок дешевими, як у виготовленні, так і в експлуатації. Очевидно, ця обставина і зумовлює застосування таких СКЗ в ЕХЗ об'єктів, що знаходяться в умовах невисокої корозійної активності середовища. Якщо зовнішні умови (стан ізоляції, температура, вологість, блукаючі струми) змінюються до меж, коли на об'єкті, що захищається, утворюється неприпустимий режим - ці станції не можуть виконувати своє завдання. Для коригування їх режиму необхідна часта присутність обслуговуючого персоналу, інакше завдання ЕХЗ виконується частково.

Характеристики СКЗ

Насамперед, СКЗ необхідно вибирати виходячи з вимог, викладених у нормативні документи. І, мабуть, найголовнішим у цьому випадку буде ДЕРЖСТАНДАРТ Р 51164-98. У додатку «І» цього документа йдеться, що ККД станції має бути не нижчим за 70%. Рівень індустріальних перешкод, створюваних СКЗ, може бути не вище значень, зазначених ГОСТ 16842, а рівень гармонік на виході відповідати ГОСТ 9.602.

У паспорті СКЗ зазвичай зазначаються: I номінальна вихідна потужність;

ККД за номінальної вихідної потужності.

Номінальна вихідна потужність - потужність, яку може віддавати станція при номінальному навантаженні. Зазвичай це навантаження становить 1 Ом. ККД визначається як відношення номінальної вихідної потужності до активної потужності, що споживається станцією в номінальному режимі. І в цьому режимі ККД найвищий для будь-якої станції. Однак більшість СКЗ працюють далеко не в номінальному режимі. Коефіцієнт завантаження потужністю коливається від 0,3 до 1,0. У цьому випадку реальний ККД для більшості станцій, що випускаються сьогодні, буде помітно падати при зниженні вихідної потужності. Особливо це помітно для трансформаторних СКЗ із застосуванням тиристорів як регулюючий елемент. Для безтрансформаторних (високочастотних) СКЗ падіння ККД при зменшенні вихідної потужності значно менше.

Загальний вид зміни ККД для СКЗ різного виконання можна побачити малюнку.

З рис. видно, що якщо ви використовуєте станцію, наприклад, з номінальним ККД рівним 70%, то будьте готові до того, що ще 30% отриманої з електроенергії ви витратили марно. І це у найкращому разі номінальної вихідної потужності.

При вихідній потужності на рівні 0,7 від номінальної ви повинні бути готові до того, що ваші втрати електроенергії зрівняються з корисно витраченою енергією. Де ж втрачається стільки енергії:

· омічні (теплові) втрати в обмотках трансформаторів, дроселів та в активних елементах схеми;

· Витрати енергії для роботи схеми управління станцією;

· Втрати енергії у вигляді радіовипромінювання; втрати енергії пульсацій вихідного струму станції на навантаженні

Ця енергія випромінюється в ґрунт від анода і не виробляє корисної роботи. Тому необхідно використовувати станції з низьким коефіцієнтом пульсацій, інакше марно витрачається недешева енергія. Мало того, що при великих рівнях пульсацій і радіовипромінювання зростають втрати електроенергії, але крім цього ця марно розсіяна енергія створює перешкоди для нормальної роботи великої кількості електронної апаратури, розташованої в околицях. У паспорті СКЗ зазначається також необхідна повна потужність, спробуємо розібратися із цим параметром. СКЗ забирає з електромережі енергію і робить це в кожну одиницю часу з такою інтенсивністю, якою ми дозволили це робити ручкою регулювання на панелі управління станції. Природно, що з мережі можна брати енергію з потужністю, що не перевищує потужність цієї мережі. І якщо напруга в мережі змінюється синусоїдально, то і наша можливість брати енергію з мережі змінюється синусоїдально 50 разів на секунду. Наприклад, у час, коли напруга мережі переходить через нуль, з неї не можна взяти ніякої потужності. Однак, коли синусоїда напруги досягає свого максимуму, то в цей момент наша можливість забирати з мережі енергію максимальна. У будь-який інший момент часу ця можливість менша. Таким чином, виходить, що будь-якої миті часу потужність мережі відрізняється від її потужності в сусідній момент часу. Ці значення потужності називають миттєвою потужністю в даний момент часу і таким поняттям важко оперувати. Тому домовилися про поняття так званої діючої потужності, яка визначається з уявного процесу, в якому мережа із синусоїдальною зміною напруги замінюється на мережу із постійною напругою. Коли підрахували величину цієї постійної напруги для наших електромереж, то вийшло 220 В - її назвали напругою, що діє. А максимальне значення синусоїди напруги назвали амплітудною напругою, і вона дорівнює 320 В. За аналогією з напругою ввели поняття діючого значення струму. Добуток чинного значення напруги на чинне значення струму називають повною споживаною потужністю, і її значення вказують у паспорті СКЗ.

А використовується повна потужність у самій СКЗ в повному обсязі, т.к. в ній є різні реактивні елементи, які не витрачають енергію, а використовують її як би для створення умов, щоб решта енергія пройшла в навантаження, а потім повертають цю настроювальну енергію назад у мережу. Цю енергію, що повертається назад, назвали ре активною енергією. Енергію, що передається у навантаження, – активною енергією. Параметр, який вказує на відношення між активною енергією, яка має бути передана в навантаження, і повною енергією, що підводиться до СКЗ, називається коефіцієнтом потужності та вказується в паспорті станції. І якщо ми узгодимо свої можливості з можливостями мережі живлення, тобто. синхронно з синусоїдальною зміною напруги мережі відбираємо з неї потужність, то такий випадок називається ідеальним і коефіцієнт потужності СКЗ, що працює з мережею таким способом, дорівнюватиме одиниці.

Активну енергію станція має якнайефективніше передати для створення захисного потенціалу. Ефективність, з якою СКЗ це робить, та оцінюється коефіцієнтом корисної дії. Скільки вона витрачає енергії, залежить від способу передачі енергії та від режиму роботи. Не вдаючись у це велике поле для обговорення, скажімо лише, що трансформаторні та трансформаторнотиристорні СКЗ досягли своєї межі вдосконалення. Вони не мають ресурсів для поліпшення якості своєї роботи. Майбутнє за високочастотними СКЗ, які з кожним роком стають надійнішими та простішими в обслуговуванні. За економічності та якістю своєї роботи вони вже перевершують своїх попередників і мають великий резерв для вдосконалення.

Споживчі властивості

До споживчих властивостей такого пристрою як СКЗ можна віднести:

1. Розміри, вага та міцність. Напевно, не треба говорити, що чим менше і легше станція, тим менше витрат на її транспортування та встановлення як при монтажі, так і ремонті.

2. Ремонтопридатність. Дуже важливою є можливість швидкої заміни станції або вузла на місці. З наступним ремонтом у лабораторії, тобто. модульний принциппобудови СКЗ.

3. Зручність у обслуговуванні. Зручність в обслуговуванні, крім зручності транспортування та ремонту, визначається, на нашу думку, таким:

наявність усіх необхідних індикаторів та вимірювальних приладів, наявність можливості дистанційного керування та стеження за режимом роботи СКЗ

Виходячи з вищесказаного можна зробити кілька висновків-рекомендацій:

1. Трансформаторні та тиристорно-трансформаторні станції безнадійно застаріли за всіма параметрами та не відповідають сучасним вимогам, особливо у галузі енергозбереження.

2. Сучасна станція повинна мати:

· високий ККДу всьому діапазоні навантажень;

· Коефіцієнт потужності (cos I) не нижче 0,75 у всьому діапазоні навантажень;

· Коефіцієнт пульсацій вихідної напруги не більше 2%;

· Діапазон регулювання по струму і напрузі від 0 до 100%;

· Легкий, міцний і малогабаритний корпус;

· Модульний принцип побудови, тобто. мати високу ремонтопридатність;

· I енергоекономічність.

Інші вимоги до станцій катодного захисту газопроводу, такі як захист від перевантажень та коротких замикань; автоматична підтримка заданого струму навантаження - та інші вимоги, є загальноприйнятими та обов'язковими для всіх СКЗ.

У висновку пропонуємо споживачам таблицю порівняння параметрів основних станцій катодного захисту, що випускаються і застосовуються зараз. Для зручності в таблиці представлені станції однакової потужності, хоча багато виробників можуть запропонувати цілу гаму станцій, що випускаються.

МЕТАЛЕВИХ СПОРУД»

Теоретичні основи

Катодний захист підземних металевих споруд

Принцип дії катодного захисту

При контакті металу з ґрунтами, що належать до електролітичних середовищ, відбувається корозійний процес, що супроводжується утворенням електричного струму, та встановлюється певний електродний потенціал. Величину електродного потенціалу трубопроводу можна визначити по різниці потенціалів між двома електродами: трубопроводом і мідно-сульфатним елементом, що неполяризується. Таким чином, значення потенціалу трубопроводу є різницею його електродного потенціалу і потенціалу електрода порівняння по відношенню до грунту. На поверхні трубопроводу протікають електродні процеси певного напрямку та стаціонарні за характером зміни часу.

Стаціонарний потенціал прийнято називати природним потенціалом, маючи на увазі при цьому відсутність на трубопроводі блукаючих та інших наведених струмів.

Взаємодія корозіюючого металу з електролітом поділяється на два процеси: анодний та катодний, які проходять одночасно на різних ділянках поверхні розділу металу та електроліту.

При захисті від корозії використовують територіальний поділ анодного та катодного процесів. До трубопроводу підключають джерело струму з додатковим заземлювачем електродом, за допомогою якого накладають на трубопровід зовнішній постійний струм. В цьому випадку анодний процес відбувається на додатковому електроді-заземлювачі.

Катодна поляризація підземних трубопроводів здійснюється за допомогою накладання електричного поля від зовнішнього джерела постійного струму. Негативний полюс джерела постійного струму підключається до конструкції, що захищається, при цьому трубопровід є катодом по відношенню до грунту, штучно створений анод-заземлювач - до позитивного полюса.

Принципова схемакатодного захисту показано на рис. 14.1. При катодному захисті негативний полюс джерела струму 2 підключений до трубопроводу 1, а позитивний - штучно створеного аноду-заземлювача 3. При включенні джерела струму від його полюса через анодне заземлення надходить в грунт і через пошкоджені ділянки ізоляції 6 на трубу. Далі через точку дренажу 4 по сполучному дроту струм 5 повертається знову до мінусу джерела живлення. При цьому на оголених ділянках трубопроводу починається процес катодної поляризації.

Мал. 14.1. Принципова схема катодного захисту трубопроводу:

1 - трубопровід; 2 - зовнішнє джерело постійного струму; 3 – анодне заземлення;

4 – точка дренажу; 5 – дренажний кабель; 6 – контакт катодного виведення;

7 – катодний висновок; 8 - ушкодження ізоляції трубопроводу

Оскільки напруга зовнішнього струму, прикладеного між електродом-заземлювачем та трубопроводом, значно перевищує різницю потенціалів між електродами корозійних макропар трубопроводу, стаціонарний потенціал анодного заземлення не відіграє визначальної ролі.

З включенням електрохімічного захисту ( j 0a.дод) порушується розподіл струмів корозійних макропар, зближуються значення різниці потенціалів «труба – земля» катодних ділянок ( j 0к) з різницею потенціалів анодних ділянок ( j 0а), забезпечуються умови для поляризації.

Катодний захист регулюється шляхом підтримання необхідного захисного потенціалу. Якщо накладання зовнішнього струму трубопровід заполяризований до рівноважного потенціалу ( j 0к = j 0а) Розчинення металу (рис. 14.2 а), то анодний струм припиняється і корозія зупиняється. Подальше підвищення захисного струму є недоцільним. При більш позитивних значенняхпотенціалу настає явище неповного захисту (рис. 14.2 б). Воно може виникнути при катодному захисті трубопроводу, що знаходиться в зоні сильного впливу блукаючих струмів або при використанні протекторів, які не мають достатньо негативного електродного потенціалу (цинкові протектори).

Критеріями захисту металу від корозії є захисна щільність струму та захисний потенціал.

Катодна поляризація неізольованої металевої конструкції до величини захисного потенціалу потребує значних струмів. Найбільш ймовірні величини щільностей струмів, необхідних для поляризації сталі в різних середовищах до мінімального захисного потенціалу (-0,85) по відношенню до мідно-сульфатного електрода порівняння, наведені в табл. 14.1

Мал. 14.2. Корозійна діаграма для повної поляризації (а) і

неповної поляризації (б)

Зазвичай катодна захист використовується разом із ізоляційними покриттями, нанесеними на зовнішню поверхню трубопроводу. Поверхне покриття зменшує необхідний струм на кілька порядків. Так, для катодного захисту сталі з гарним покриттям у ґрунті потрібно всього 0,01...0,2 мА/м 2 .

Таблиця 14.1

Щільність струму, необхідна для катодного захисту

неізольованої сталевої поверхні в різних середовищах

Захисна щільність струму для ізольованих магістральних трубопроводів не може стати надійним критерієм захисту внаслідок невідомого розподілу пошкодженої ізоляції трубопроводу, що визначає фактичну площу контакту металу із ґрунтом. Навіть для неізольованої труби (патрон на підземному переході через залізниці та шосейні дороги) захисна щільність струму визначається за геометричними розмірами споруди і є фіктивною, оскільки залишається невідомою частка поверхні патрона, покрита постійно присутніми пасивними захисними шарами (окалиною та ін.) у процесі деполяризації. Тому захисна густина струму як критерій захисту застосовується при деяких лабораторних дослідженнях, що виконуються на зразках металу.

Забезпечення захисту труб від корозійної дії здійснюється за допомогою різних технологій. Одним з найбільш ефективних методиквважається електрохімічна обробка, що включає і катодну захист. Найчастіше цей варіант використовується комплексно, поряд з обробкою металоконструкцій складами-ізоляторами.

Основні різновиди катодного захисту

Катодний захист трубопроводів від корозії розробили ще у ХІХ столітті. Ця технологія вперше були використані в кораблебудівній галузі- анодними протекторами обшивали корпус плавучого судна, що мінімізувало корозійні процеси мідного сплаву. Трохи згодом цю технологію почали активно застосовувати і в інших сферах. Крім того, катодна методика на даний момент вважається самою ефективною технологієюантикорозійного захисту.

Існує два типи катодного захисту металевих сплавів:

Найпоширенішим сьогодні вважається перший варіант, оскільки він є більш швидким та простим. За допомогою цієї технології можна впоратися з різними типами корозії:

• міжкристальна;
• потріскування латуні через надмірну напругу;
• корозія, обумовлена ​​впливом блукаючих електрострумів;
• піттингова корозія і т.д.

Слід зазначити, що перша методика дозволяє обробляти великогабаритні металеві конструкції, а гальванічний хімелектрозахист призначений лише для невеликих виробів.

Гальванічна технологія дуже популярна на території США, в нашій країні вона майже не застосовується, так як технологія пристрою трубопроводів в РФ не передбачає обробку особливою ізоляцією, яка необхідна для гальванічного захисту.

Без такого покриття підвищується корозія сталі під впливом ґрунтових водщо вкрай актуально для осені та весни. У зимовий період після заледеніння води процес корозії значно загальмовується.

Опис технології

Катодний захист від корозії проводиться за допомогою постійного електроструму, що подається на виріб, що обробляється, і робить потенціал заготівлі негативним. Для цієї мети найчастіше застосовуються випрямлячі.

Об'єкт, який приєднано до джерела електроструму, вважається «мінусом», тобто катодом, а підведене заземлення є анодом, тобто «плюсом». Головна умова - наявність хорошого електропровідного середовища. Для підземних труб нею є ґрунт.

При реалізації цієї технології між грунтом (електропровідним середовищем) та об'єктом, що обробляється, повинна обов'язково підтримуватися різниця потенціалів електроструму. Величину цього показника можна визначити із застосуванням вольтметра високоомного типу.

Особливості ефективної роботи

Корозія найчастіше є винуватцем розгерметизації трубопроводів. У зв'язку з пошкодженням структури металу, на конструкції утворюються тріщини, каверни та розриви. Ця проблема вкрай актуальна для трубопроводів під землею, адже вони постійно контактують із ґрунтовими водами.

Катодна методика в цій ситуації дозволяє мінімізувати процес розчинення та окислення металевого сплаву за допомогою зміни вихідного корозійного потенціалу.

Результати практичних випробувань свідчать, що потенціал поляризації металевих сплавів з допомогою катодної методики уповільнює корозію.

Для того, щоб домогтися ефективного захисту, потрібно за допомогою постійного електроструму зменшити катодний потенціал матеріалу, який використовувався для створення трубопроводу. У цій ситуації швидкість кородування металу не перевищуватиме десяти мікрометрів на рік.

Крім того, катодна захист - саме краще рішеннядля захисту трубопроводу під землею від впливу блукаючих електрострумів. Блукаючі струми - це електрозаряд, що проникає в ґрунт при роботі громовідводу, руху електропоїздів і т.д.

Для забезпечення антикорозійного захисту можуть застосовуватись лінії електропередач або портативні генератори, що функціонують на дизельному паливі чи газі.

Спеціальне обладнання

Для забезпечення захисту використовуються спеціальні станції.. Це обладнання включає кілька вузлів:

• джерело електроструму;
• анод (заземлення);
• пункт вимірювання, контролю та управління;
• з'єднувальні дроти та шнури.

Станція анодного захистудозволяє забезпечити захист відразу кільком трубопроводам, які знаходяться поруч один з одним. Регулювання електроструму, що подається, може бути автоматичним або ручним.

У нашій країні особливу популярність має установка Мінерва-3000. Показників потужності цієї СКЗ достатньо для того, щоб захистити від корозії приблизно 40 км трубопроводу під землею.

До переваг установки слід віднести:

Дистанційний контроль обладнання здійснюється за допомогою модулів GPRS, які вбудовані в конструкцію.