Кац Н.Г., Стариков В.П., Парфенова С.Н. Химическое сопротивление материалов и защита оборудования нефтегазопереработки от коррозии

Подождите немного. Документ загружается.

349

Для успешного применения анодной защиты объект должен от-

вечать следующим требованиям [24]:

1) материал аппарата должен пассивироваться в технологической

среде;

2) конструкция аппарата не должна иметь заклепок, количество

щелей и воздушных карманов должно быть минимальным, сварка –

качественной;

3) катод и электрод сравнения в защищаемом устройстве должны

постоянно находиться в растворе.

Важной особенностью анодной защиты является малая защитная

плотность тока, которая не может быть выше плотности тока коррозии.

7.2.5. Электродренажная защита

Третьей разновидностью ЭХЗ является электродренажная защи-

та, использующая в качестве катодного (натекающего) тока блуж-

дающий ток рельсового электротранспорта, который, как правило,

питается от сети постоянного тока. Блуждающий ток есть часть тяго-

вого тока электропоезда или трамвая.

Дренажные установки являются наиболее эффективным методом

отвода блуждающих токов из анодной зоны подземного сооружения в

рельсовую сеть или на отрицательную шину тяговой подстанции

(рис. 7.27). Прямой дренаж имеет двустороннюю проводимость

(рис. 7.27, а), поэтому он присоединяется только к отсасывающему

пункту или к отрицательной шине тяговой подстанции. Поляризован-

ный дренаж (рис. 7.27, б) обладает проводимостью в одном направ-

лении и применяется в том случае, когда потенциал защищаемого со-

оружения по отношению к рельсам и земле положительный или зна-

копеременный. Усиленный дренаж (рис. 7.27, в) представляет собой

катодную установку, в которой отрицательный полюс присоединен к

защищаемому подземному сооружению [37].

350

Рис. 7.27. Схемы дренажей:

а – прямого, б – поляризованного; в – усиленного;

1 – дренажный кабель; 2 – плавкий предохранитель; 3 – рубильник;

4 – реостат; 5 – зажимы для переносного амперметра; 6 – реле

сигнализации; 7 – выпрямитель; 8 – амперметр; 9 – трансформатор;

Р – рельс; С – сооружение

Токоотводы и секционирование при их комбинированном приме-

нении также являются эффективными методами защиты подземных

сооружений от блуждающих токов.

При наличии устойчивых анодных зон на трубопроводе разруше-

ние может быть перенесено на специальное заземление (токоотвод) с

низким сопротивлением растеканию тока. Поступающий в трубопро-

вод ток выходит в грунт через заземление, которое при этом разру-

шается.

Секционирование трубопроводов осуществляется с помощью

изолирующих вставок (рис. 7.28), монтируемых на базе стандартного

фланцевого соединения с использованием резиновой прокладки и

текстолитовых втулок и шайб. Секционирование приводит к образо-

ванию распределенных катодных и анодных зон, число которых про-

порционально количеству изолирующих фланцев [13, 16].

351

Рис. 7.28. Схема действия изолирующих вставок и токоотводов:

а – до установки изолирующих вставок;

б – после установки изолирующих фланцев;

в – то же после установки токоотводов;

1 – трубопровод; 2 – изолирующая вставка;

3 – токоотвод; + – анодная зона; – – катодная зона

В случае секционирования токоотводы устанавливаются вблизи

изолирующей вставки для устранения вредного влияния обтекающего

фланец блуждающего тока, уменьшенного по величине благодаря

секционированию.

Наиболее эффективным средством защиты металлических конст-

рукций от коррозии блуждающими переменными токами является

метод поляризованных (присоединенных к защищаемому сооруже-

нию через полупроводниковые диоды) протекторов и дренажей. Он

дает возможность снять с корродирующих металлических конструк-

ций анодный полупериод переменного тока и оставить на них катод-

ный полупериод, который обеспечивает их катодную защиту.

352

Электродренажные установки (рис. 7.29) представляют собой ре-

лейно-контактные или полупроводниковые схемы односторонней

проводимости (поляризованный дренаж), присоединенные с помо-

щью дренажных кабелей к защищаемому сооружению и элементам

отрицательных питающих линий электрифицированного транспорта.

Эффективная работа поляризованного электродренажа возможна

лишь при значительной положительной разности потенциалов между

точками его подключения (не менее 1В) [37].

Рис. 7.29. Электродренажная установка ЭДС

Включение электродренажей меняет распределение потенциалов

в системе «рельсы – земля – подземные сооружения», вследствие че-

го абсолютные значения потенциалов на рельсовой сети снижаются.

Это приводит к тому, что последующее подключение поляризован-

ных электродренажей в данном районе затрудняется. В связи с этим в

практике защиты большое распространение нашли усиленные дрена-

жи, представляющие собой сочетание поляризованного дренажа с до-

полнительным источником постоянного тока. Последовательное

включение дополнительных ЭДС в цепь дренажа позволяет в широ-

ких пределах регулировать потенциалы на подземном сооружении.

353

В ряде случаев усиленный дренаж представляет собой единст-

венно эффективное средство защиты подземных сооружений от кор-

розии, вызываемой блуждающими токами: либо когда подземные со-

оружения находятся в зоне действия нескольких источников блуж-

дающих токов и дренирование на рельсовую цепь одного из них не

является достаточно эффективной мерой, либо при сильно разветв-

ленной сети подземных сооружений, имеющих плохое изоляционное

покрытие, если с помощью поляризованного дренажа можно защи-

тить весьма ограниченные участки подземных коммуникаций. Круг-

лосуточная работа усиленного дренажа обеспечивает защиту соору-

жений от почвенной коррозии.

Поскольку при электродренировании блуждающих токов распре-

деление потенциалов на защищаемых сооружениях обусловлено

главным образом колебаниями тяговых нагрузок, то для обеспечения

стабилизации потенциалов широко применяют автоматические элек-

тродренажные устройства (преобразователи). Автоматический дре-

нажный усиленный преобразователь типа ПДУ предназначен для

преобразования трехфазного переменного тока в плавно регулируе-

мый выпрямленный ток, обеспечивающий дренажную защиту под-

земных металлических сооружений от коррозии, вызываемой блуж-

дающими токами.

Рис. 7.30. Схема электродренажной установки:

1 – защищаемый объект; 5 – кабельная перемычка;

7 – электродренажное устройство

354

Простейшая электродренажная установка представляет собой ка-

бельную перемычку между трубопроводом и рельсами (рис. 7.30).

Величина тока в перемычке будет определяться разностью потенциа-

лов «труба» – «рельсы» в точках их соединения [11, 16].

Блуждающий ток будет выполнять свои защитные функции, если

потенциал рельсов отрицательнее потенциала трубопровода. В этом

случае ток по перемычке направлен из трубопровода в рельсы, а не

наоборот.

7.2.6. Кислородная защита

Кислородная защита является разновидностью электрохимиче-

ской защиты, при которой смещение потенциала защищаемой метал-

локонструкции в положительную сторону осуществляется путем на-

сыщения коррозионной среды кислородом. В результате этого ско-

рость катодного процесса настолько возрастает, что становится воз-

можным перевод стали из активного в пассивное состояние. По-

скольку величина критического тока пассивации сплавов Fe-Cr, к ко-

торым относятся и стали, существенно зависит от содержания в них

хрома, ее эффективность повышается с увеличением концентрации

хрома в сплаве. Кислородная защита применяется при коррозии теп-

лоэнергетического оборудования, эксплуатирующегося в воде при

высоких параметрах (высокая температура и давление).

На рис. 7.31 представлена зависимость скорости коррозии низко-

легированной стали от концентрации кислорода в высокотемператур-

ной воде. Как видно, увеличение концентрации растворенного в воде

кислорода приводит к первоначальному росту скорости коррозии, по-

следующему ее снижению и дальнейшей стабилизации. Низкие ста-

ционарные скорости растворения стали (в 10-30 раз ниже имеющих

место без защиты) достигаются при содержании кислорода в воде

355

приблизительно 1,8 г/л. Кислородная защита металлов нашла приме-

нение в атомной энергетике [24].

Рис. 7.31. Зависимость скорости коррозии низколегированной стали

в воде при температуре 300 °С от концентрации кислорода в воде

7.3. Защитные тонкослойные покрытия

К тонкослойным защитным покрытиям относятся неорганиче-

ские, лакокрасочные и гальванопокрытия.

Выбор того или иного вида покрытия зависит от сроков эксплуа-

тации изделий и скорости коррозии (рис. 7.32) [23, 24, 34].

Из рисунка видно, что применение лакокрасочных покрытий вы-

годно при долговечности не более 10 лет и скорости коррозии метал-

ла до 0,05 мм/год. Для повышения долговечности изделия применяют

метод комбинированных металлизационных лакокрасочных покры-

тий.

На рис. 7.33 представлена классификация основных способов об-

работки поверхности металла [23].

356

7.3.1. Фосфатирование

Фосфатирование применяется в различных отраслях промыш-

ленности для защиты изделий из чугуна, конструкционной стали, а

также магниевых и алюминиевых сплавов. Фосфатный слой на ме-

талле способствует повышению сцепления лакокрасочного покрытия

с основанием. Защитные свойства фосфатной пленки, полученной на

металле, значительно повышаются после покрытия ее асфальтовым

или битумным лаком. В этом случае покрытие становится коррози-

онно-стойким не только в атмосфере, но и в пресной воде. В раство-

рах кислот и щелочей фосфатная пленка разрушается.

Рис. 7.32. Распределение Р удельного веса различных способов защиты

в зависимости от требуемой долговечности Д стальных конструкций

в объеме применяемых противокоррозионных средств:

1 – электрометаллизация (80 мкм) + (лакокрасочное покрытие) ЛКП; 2 – горя-

чее цинкование (60-80 мкм); 3 – ЛКП (120 мкм) по пескоструйнообработанной

поверхности; 4 – низколегированная сталь без ЛКП; 5 – ручная металлизация

(150-200 мкм); 6 – ручная металлизация (150-200 мкм) + ЛКП;

7 – ЛКП (120 мкм) на поверхности с ручным удалением ржавчины.

I, 2, 4, 6 – 0,5-1,0 мм/год; 3, 7 – 0,05 мм/год

357

Рис. 7.33. Классификация способов химической и электрохимической

обработки поверхности металлов

Фосфатная пленка имеет кристаллическое строение, обладает оп-

ределенной твердостью, а также диэлектрическими свойствами, но

пориста и хрупка. Цвет этой пленки темно-серый с зеленоватым от-

тенком.

Различают фосфатирование [24]:

а) химическое нормальное;

б) химическое ускоренное;

в) электролитическое.

Химическое нормальное фосфатирование применяется для изде-

лий из стали, в дальнейшем покрываемых асфальтовым или битум-

ным лаком. Процесс нормального фосфатирования осуществляется в

3%-ном растворе дигидроортофосфатов марганца и железа. Этот пре-

парат содержит 50%

OP , до 14%

, до 3%

и нерастворимые

вещества.

Дигидроортофосфаты марганца и железа растворяются в горячей

воде и диссоциируют:

358

,2)(

442

242









POHHPO

HPOHPOH

POHMePOHMe

(7.8)

Погружение в фосфатирующий раствор стальных или чугунных

изделий вызывает усиление деятельности на их поверхности анодных

и катодных участков. Анодные участки, разрушаясь, посылают в рас-

твор ионы железа







, а на катодных участках совершает-

ся процесс

222 HHeH





, в результате чего слой раствора,

граничащий с поверхностью фосфатируемых изделий, обогащается

ионами железа, а также ионами

2

HPO и

3

PO . Произведение раство-

римости гидроортофосфата железа и марганца (

FeHPO и

MnHPO ),

а также нормальных фосфатов этих металлов (

243

)(POFe и

243

)(POMn ) крайне невелики, а потому граничащий с изделиями слой

раствора становится пересыщенным относительно этих солей. По-

следние кристаллизуются на обрабатываемой поверхности, образуя

фосфатное покрытие по реакциям [24]:

.)(23

,)(23

243





POMnPOMn

POFePOFe

MnHPOHPOMn

FeHPOHPOFe

(7.9)

Температуру раствора рекомендуется поддерживать на уровне 96-

98 °С. Понижение температуры приводит к образованию грубого кри-

сталлического покрытия и к замедлению процесса фосфатирования.

Повышение температуры вызывает загрязнение покрытия шламом.

Химическое ускоренное фосфатирование часто называют бонде-

ризацией. Процесс предназначается для обработки главным образом