Меню

Коррозия при блуждающих токах металла



Коррозия при блуждающих токах металла

Анодное заземление – устройство, обеспечивающее стекание защитного тока от катодного преобразователя в землю.

Блуждающие токи – токи в земле, возникающие вследствие работы посторонних источников постоянного или переменного тока (электрифицированный транспорт, сварочные агрегаты, устройства электрохимической защиты посторонних сооружений и пр.).

Дренажная линия – проводники, соединяющие минусовую клемму источника постоянного тока с трубопроводом (катодная дренажная линия) и плюсовую клемму – с анодным заземлением (анодная дренажная линия).

Защитное заземление – заземление, выполняемое в целях электробезопасности

Конец участка нефтепровода – удаленная точка контролируемого участка нефтепровода относительно точки дренажа поляризующего тока.

Контактное соединение – соединение двух или более проводников.

Катодный вывод – устройство, обеспечивающее электрический контакт металлической стенки трубопровода с измерительным прибором, расположенным на поверхности земли.

Катодная защита – торможение коррозионного процесса посредством сдвига потенциала оголенных участков трубопровода в сторону более отрицательных значений, чем потенциал свободной коррозии этих участков.

Катодная станция (катодный преобразователь) – источник постоянного тока или устройство, преобразующее переменный ток в постоянный и предназначенный для защиты трубопровода от коррозии.

Консольный участок – участок нефтепровода, начало или конец которого вварен в общую магистраль.

Контрольно-измерительный пункт – устройство, в котором размещен катодный вывод.

Начало участка нефтепровода – ближний к точке дренажа поляризующего тока конец контролируемого участка нефтепровода.

Пооперационный контроль – контроль изоляции в процессе ее нанесения и после окончания каждого цикла строительных работ.

Сопротивление заземления – сопротивление заземленного электрода (электродов), включающее в себя сопротивление растеканию токов в земле и контактное сопротивление на границе раздела электрод-грунт.

Точка дренажа – место отвода тока из трубопровода при электрохимической защите.

Электрод сравнения – электрод, имеющий постоянный электродный потенциал в данных условиях применения.

Влияние потенциалов металлов на их коррозионную стойкость

Равновесный потенциал

При соприкосновении металла с электролитом происходит растворение металла. Растворение прекращается, когда раствор становится насыщенным. Устанавливается состояние равновесия. При равновесии скорость окисления равна скорости восстановления. В результате перехода катионов металла в раствор на поверхности металла и прилегающем к ней слое раствора возникает заряд. Между этими двумя заряженными слоями существует разность потенциалов (скачок потенциала, или просто потенциал). При наступлении равновесия скачок потенциала примет значение, отвечающее равновесию (равновесный потенциал). Если в силу каких-либо причин равновесный потенциал установиться не может, то металл будет либо постоянно растворяться (окислиться), либо восстанавливаться (катионы будут оседать на поверхности и входить в состав кристаллической решетки). Такой причиной может быть внешний источник тока.

Если между двумя электродами (рис. 1) включить источник ЭДС, то потенциалы электродов немедленно изменятся. Это сразу же нарушит равновесие, ибо потенциалы электродов не будут равновесными. До тех пор пока будет действовать электродвижущая сила, потенциалы обоих электродов не смогут принять равновесного значения и, следовательно, на одном из электродов (аноде) постоянно будет преобладать скорость окисления над скоростью восстановления.

Скачок потенциала на границе электрод-раствор служит мерой окислительно-восстановительной способности системы. Однако измерить такой скачок потенциала невозможно. Можно измерить ЭДС элементов, составленных из интересующих нас электродов и какого-нибудь (одинакового по всех случаях) электрода, потенциал которого условно принят за нуль. Полученную таким способом величину называют собственным, или нормальным, потенциалом металла. Измерения ЭДС характеризует окислительно-восстановительного способность интересующего нас электрода относительно некоторого условного нуля.

Рис 1. Гальванический элемент включенным источником ЭДС.

Собственный, или нормальный, потенциал

В качестве электрода, равновесный потенциал которого условно принят за нуль, служит стандартный водородный электрод сравнения. Для измерений можно применять и другие электроды сравнения, потенциал которых относительно водородного стандартного электрода известен. Этот потенциал также находят на основании измерения ЭДС цепи, составленной из выбранного электрода сравнения и стандартного водородного электрода. Если изучаемый электрод в паре со стандартным водородным электродом является отрицательным, то собственному потенциалу приписывается знак минус, в противном случае — знак плюс.

Читайте также:  Что такое задир металла

Когда исследуемый электрод имеет отрицательный потенциал, то на нем происходит окисление. Это характерно для магния, алюминия, цинка, железа и др. В том случае, когда исследуемый электрод имеет положительный потенциал, на нем происходит восстановление. Это характерно для золота, серебра, ртути.

Стационарный потенциал

В условиях электрохимической коррозии металлы чаще всего находятся не в растворах их солей, а в растворах других электролитов, поэтому в образовании двойных электрических слоев на границе металл — раствор могут принимать участие также катионы других металлов или ионы водорода. В таких случаях возникают неравновесные слои, у которых число катионов металла, перешедших в раствор, не равно числу его катионов, вернувшихся на поверхность металла. Но если баланс между числом зарядов, потерянных металлом, и числом зарядов, вновь им приобретенных, все же устанавливается, то установившийся потенциал будет отличаться от нормального. Данный потенциал называют стационарным.

Стационарный потенциал стали в почвах и скорость анодной и катодной реакций зависят от влажности почвы, кислородной проницаемости, химического состава и др. Стационарный потенциал трубопроводной стали во влажной и глинистой почве имеет более отрицательное значение, чем в песчаной. В первом случае его значение может достигать -0,7 ¸ -0,8 В, во втором случае -0,3 ¸ -0,4 В (по отношению к медносульфатному электроду сравнения).

В результате образования на отдельных участках трубопровода различных стационарных потенциалов возникают макропары, образование которых приводит к изменению первоначальных значений этих потенциалов.

Потенциал на границе фаз

Коррозия блуждающими токами

Источники блуждающих токов

На практике в грунте протекают не только защитный (постоянный) ток рассматриваемого катодно-защищенного объекта. Пользователи других установок постоянного тока также используют грунт в качестве проводника. Вызываемые этим токи определяются как блуждающие токи. Существенными источниками блуждающих токов являются другие катодно-защищенные объекты, потребляющие постоянный ток.

Основными источниками являются рельсовые сети электрифицированной железной дороги, а также линии электропередач постоянного тока (ЛЭП ПТ) и катодные установки.

Наиболее мощными и распространенными из названных источников блуждающих токов являются линии электрифицированных железных дорог. Так как электроснабжение их принципиально одинаково, то и процессы возникновения в земле блуждающих токов от этих источников одинаковы.

Известно, что положительный полюс источника питания на электрических железных дорогах постоянного тока подключается к контактному проводу, а отрицательный к ходовым рельсам. При такой схеме тяговый ток от положительной шины тяговой подстанции по питающей линии поступает в контактный провод, а оттуда через токоприемник к двигателям электровоза или мотор-вагонной секции и далее через колесные пары, рельсы и землю в отсасывающую линию к минусовой шине. Величина стекающего в землю тока, который и называют блуждающим, тем больше, чем меньше переходное сопротивление между рельсами и землей и чем больше продольное сопротивление рельсов. В некоторых случаях величина блуждающих токов в земле может достигать 70-80% от общей величины тягового тока.

Наиболее значительные токи утечки наблюдаются на участках станционных путей электрифицированных железных дорог, где имеются малые переходные сопротивления между рельсами и землей и значительные величины тяговых токов. Блуждающие токи, возникающие при этом, могут распространяться на большие расстояния. Отмечены случаи, когда влияние блуждающих токов было зарегистрировано на расстоянии до 30км от линии железной дороги.

Распределение блуждающих токов в земле зависит от потенциалов металла рельс относительно окружающей земли. На всех источниках блуждающих токов имеются участки, где ток стекает в землю, и участки, где ток возвращается к источнику тока.

Рис.3 Схема возникновения блуждающего тока от электрифицированного транспорта и влияние их на нефтепровод

1 — контактный провод; 2 — питающая линия; 3 – тяговая подстанция; 4 – дренажная линия; 5 – рельсы; 6 – нефтепровод

Распределение потенциальных зон на рельсах электрифицированной железной дороги, трамвая и метрополитена имеет общие закономерности (рис. 3). В районе расположения отсасывающего пункта тяговой подстанции потенциал рельс-земля отрицательный, т.е. рельсы находятся в катодной зоне. На перегоне, между тяговыми подстанциями или же отсасывающими пунктами, потенциал рельс-земля знакопеременный. Максимальное значение положительного потенциала наблюдается примерно в середине перегона.

Читайте также:  Основные компоненты необходимые для производства черных металлов это

Возникновение блуждающих токов в земле при работе линии электропередачи постоянного тока (рис. 4) происходит по следующей схеме.

Переменный ток в выпрямителе преобразуется в постоянный, передается на линию, в которой одним из токопроводов является земля. Заземление полюсов на выпрямительной и инверторной (преобразующей постоянный ток в переменный) подстанциях осуществляется при помощи специально оборудуемых рабочих заземлений малого сопротивления. Через эти заземления протекает весь ток нагрузки ЛЭП, который может достигать сотен и тысяч ампер. В процессе работы ЛЭП может происходить перемена полярности заземлений, поэтому следует учитывать возможность протекания тока по земле как в одном, так и в другом направлениях.

Рис. 4 Схема возникновения и влияния блуждающих токов при работе линии электропередачи постоянного тока системы провод — земля

1- кабельная или воздушная линия; 2 — выпрямитель; 3 — инвертор; 4- реакторы; 5 — рабочие заземления; б — нефтепровод.

Рис. 5. Схема возникновения и влияния блуждающих токов от установок катодной защиты

а — анодная зона вблизи точки дренирования; б – катодная зона в районе анодного заземления; 1 — теплосеть; 2 — нефтепровод.

В процессе работы катодной установки токи, стекающие с анодного заземления, распространяются по земле и втекают в защищаемый трубопровод (рис. 5).

Работающие катодные установки м o г y т создавать блуждающие токи значительных величин. Так, величина тока в земле может достигать десятков ампер. Блуждающие токи, протекая в земле и встречая на своем пути подземные металлические сооружения, ответвляются в них, так как сопротивление последних значительно меньше удельного сопротивления земли.

Процессы коррозии металла в поле блуждающих токов

Процесс коррозии металла в поле блуждающих токов является процессом электролитическим. Металл подвержен действию электролиза. Скорость процесса коррозии, как это следует из закона Фарадея, определяется количеством электричества, протекающего между анодами катодами уложенного в грунт трубопровода, и зависит от электрического сопротивления грунта и природы процессов, происходящих на анодных и катодных участках нефтепровода. Следовательно, если кроме почвенной коррозии трубопровод подвергается дополнительному воздействию блуждающих токов, то в местах, где складывается электролитическое действие этих токов с токами гальванических пар, может произойти резкое увеличение скорости коррозионных процессов.

Для всех металлических сооружений такими местами являются зоны стекания блуждающих токов в окружающую среду. При достаточно больших потенциалах блуждающих токов последние подавляют ток катодной цепи микропар, возникающих в процессе почвенной коррозии, распространяя разрушение на все микро участки сооружения в анодной зоне блуждающих токов.

Так, например, на трубопроводе длиной около 100 км с удельным сопротивлением покрытия ru =200 k W m 2 вблизи от концов трубопровода проявляются колебания значений потенциалов до 3 В (0 В > UC u / C uSO 4 > -3 В). Эти колебания происходят с нерегулярным интервалом и имеют различную продолжительность, что делает невозможным получение достоверных значений потенциалов труба/земля во время появления колебаний. В отличие от блуждающих токов от электрифицированных железных дорог на постоянном токе, здесь нет направления ориентированной структуры для тока на входе и выходе. Поэтому в результате геомагнитных колебаний не может возникнуть коррозионная опасность.

Методы защиты магистральных трубопроводов от подземной коррозии

Защита подземных трубопроводов от коррозии осуществляется как изоляционным покрытием (пассивная защита), так и средствами электрохимической защиты (активная защита).

Изоляционные покрытия трубопроводов

Изоляционные покрытия, применяемые на подземных магистральных трубопроводах, должны удовлетворять следующим требованиям:

— высокие диэлектрические свойства;

— высокая механическая прочность и эластичность;

— простота конструкции покрытий;

Противокоррозионную защиту подземных трубопроводов осуществляют покрытиями на основе:

— полимерных материалов наносимых в заводских или базовых условиях;

— термоусаживающихся материалов наносимых в базовых или трассовых условиях

В период эксплуатации под воздействием различных факторов изоляционное покрытие, а также при опуске и засыпке их грунтом возможны сквозные дефекты в покрытиях. В период эксплуатации под воздействием различных факторов изоляционное покрытие стареет, ранее образовавшиеся дефекты расширяются и возникают новые. Скорость коррозии при этом в местах дефектов может достигать значительной величины.

Читайте также:  Термостойкая краска для металла термоксол

При наличии в изоляционном покрытии сквозных дефектов диаметром более 1 мм защищенность сооружения не будет равна 100%. Так как на стальных подземных магистральных трубопроводах изоляционные покрытия всегда имеют сквозные дефекты, возникшие в периоды строительства и эксплуатации, наряду с изоляционными покрытиями при защите трубопроводов от коррозии применяются средства электрохимзащиты.

Катодная защита трубопроводов

Электрохимическая защита от коррозии подземного трубопровода заключается в катодной поляризации трубопровода, при степени поляризации МН равной – 0,85 m В, скорость коррозии составляет 0,01 мм в год, что позволяет безаварийно эксплуатировать МН в течении всего срока службы МН. Создание разности потенциалов между трубопроводом и окружающим его грунтом осуществляется с помощью внешнего источника тока (УКЗ) при подключении отрицательного полюса к трубопроводу, а положительного полюса к заземлению (анод), расположенного в стороне от трубопровода (рис.1).

Ток в цепи установки катодной защиты двояким образом влияет на разность потенциалов «труба–земля»: создает положительный потенциал грунта, окружающего трубопровод, и отрицательный потенциал трубопровода.

Разность потенциалов «труба-земля», вызываемая катодной установкой, распределяется вдоль трубопровода неравномерно. Максимальная величина этой разности находится около точки дренажа, лежащей обычно напротив анода. По мере удаления от точки дренажа в обе стороны вдоль трубопровода величина наложенной разности потенциалов «труба-земля» уменьшается.

Протекторная защита

Электрохимическая защита трубопровода осуществляется также с помощью гальванических анодов (протекторов), имеющих электрохимический потенциал более отрицательный, чем электрохимический потенциал трубопровода.

Протекторы должны изготавливаться из сплавов на основе магния, алюминия или
цинка, обладающих стабильным во время эксплуатации электродным потенциалом более отрицательным, чем потенциал защищаемого трубопровода.

Электродный потенциал протектора не должен облагораживаться во время эксплуатации более чем на:

100 мВ — для сплавов на основе магния;

50 мВ —для сплавов на основе алюминия;

30 мВ — для сплавов на основе цинка.

При отключении от трубопровода протектор не должен самопассивироваться и при подклю­чении должен восстанавливать прежнюю силу защитного тока.

Сосредоточенные протекторы следует применять в грунтах с удельным электрическим
сопротивлением не более 50 Ом м.

Допускается использовать искусственное снижение удельного электрического сопротивления грунта в местах установки протекторов при исключении вредного воздействия на окружающую среду и технико-экономическом обоснований.

Протяженные протекторы следует использовать в грунтах с удельным электрическим сопротивлением не более 500 Ом-м.

Групповые протекторные установки, единичные и протяженные протекторы должны быть подключены к защищаемому трубопроводу через контрольно-измерительные пункты.

Дренажная защита

Система дренажной зашиты включает установки дренажной защиты, состоящие не менее чем из одного электрического дренажа, соединительных проводов (кабелей), контрольно-из­ мерительных пунктов, а также, при необходимости, электрических перемычек, регулирующих ре­ зисторов и поляризованных блоков.

Катодную поляризацию трубопроводов с непрерывным обеспечением требуемых защит­ ных потенциалов в зонах действия блуждающих токов источников постоянного тока следует осу­ ществлять с помощью поляризованных электрических дренажей, в том числе автоматических поляризованных дренажей с управлением сопротивлением цепи защиты по дренированному току, а также автоматическими катодными станциями с поддержанием защитного потенциала и, по возможности, усиленными электрическими дренажами.

Допускается применение автоматических протекторных установок при технико-экономичес­ ком обосновании по НД. Среднечасовой ток всех установок системы дренажной защиты, находящихся в зоне
действия одной тяговой подстанции электрифицированной железной дороги, не должен превышать
20 % общей среднечасовой токовой нагрузки этой подстанции.

Комплексная защита

Для защиты трубопроводов от коррозии применяются в основном комплексная защита, когда наряду с защитой изоляционными покрытиями применяют электрохимическую защиту (установки катодной и протекторной защиты).

Электрохимическая защита трубопроводов от коррозии весьма эффективна, если она правильно осуществляется. Необходимо правильно выбрать средства электрохимической защиты и разместить их, для чего необходимо произвести специальные расчеты и технико-экономические сравнения отдельных вариантов.

Источник