Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей

Подождите немного. Документ загружается.

181

Рис.8.5. Горизонтальный анодный заземлитель из графитопластовых

электродов типа ЭГТ-2500 (1500): 1- электрод; 2- кабель одножиль-

ный в виниловой оболочке АВВГ 1х25; 3 - разветвительная коробка;

4- коксовая засыпка в приямке 3000 х 400.

Рис.8.6. Вертикальный анодный заземлитель из графитопластовых

электродов ЭГТ-2500(1500). Обозначения - на рис.8.5.

Если нет возможности провести открытые земляные работы по уст-

ройству траншеи, например, из-за стесненных городских условий, имея

ввиду, что расстояние между электродами может превышать 7 м, то изго-

тавливают вертикальный анодный заземлитель, показанный на рис.8.6,

где не требуются траншейные, но необходимы уже более дорогие работы

- бурение скважин.

Более сложный анодный заземлитель - глубинный, выполненный из

тех же электродов типа ЭГТ, представлен на рис.8.7. Глубинные анодные

заземлители - их длина обычно не превышает 100 м - применяют в стес-

ненных условиях городов, когда приповерхностные заземлители размес-

тить нет возможности. Это диктуется в основном тем, что анодный зазем-

182

литель должен быть удален от всех подземных коммуникаций на доста-

точно большое расстояние.

Рис.8.7. Варианты а и б глубинного анодного заземлителя из электродов

типа ЭГТ-2500. 1- направляющий оголовок; 2- ворот для опуска колон-

ны; 3- кабель к “+” преобразователя; 4- стальной провод ПСО-4;

5- электрод ЭГТ-2500; 6- межэлектродная перемычка кабелем АВВГ

1х25; 7- болтовое соединение на стыке двух электродов; 8- соедини-

тельный ниппель на резьбе из графитопласта.

Трубчатые графитопластовые электроды 5 свинчивают посредством

графитопластовых ниппелей 8 в колонну, которую по мере наращивания

длины опускают в скважину с помощью троса 4 и лебедки 2. Электроды

при этом электрически соединяют между собой отрезками кабелей 6, а

контактные узлы 7 тщательно изолируют. Ниппель 8 имеет плоскую про-

ушину с отверстием для болтового контактного соединения электрода с

наконечниками кабелей.

После опуска колонны до проектной отметки L скважину заполняют

коксовой мелочью. Иногда в скважину перед этим опускают перфориро-

ванную пластмассовую трубку с выходом на дневную поверхность, пред-

183

назначенную для отвода газообразных продуктов коррозии, которые об-

разуются при растворении графита. С той же целью верхнюю часть сква-

жины часто заполняют гравием.

Если скважина глубокая (более 50 м), то для бурения устанавливают

направляющий оголовок 1 по варианту рис.8.7,б.

Рис.8.8. Глубинный анод-

ный заземлитель из сталь-

ной трубы. 1-крышка; 2-

клеммник; 3-хомут; 4-на-

правляющая труба; 5-сталь-

стальная труба; 6- кабель;

7-накладки приварные;

8-контактный узел; 9- ка-

бель питания.

Возможно применение приповерхностных и глубинных заземлителей

из стальных электродов. Вариант такого анодного заземлителя приведен

на рис.8.8. Одновременно с бурением в скважину опускают обсадную ко-

лонну 5, которая предназначена служить электродом заземлителя. Трубы

колонны соединяют между собой привариваемыми накладками 7. В двух-

трех местах на внутренней поверхности труб колонны устраивают кон-

тактные узлы 8, от которых на общий клеммник 2 выводят питающие ка-

бели 6. Узлы 8 тщательно изолируют от воды, которая в конце концов

попадет внутрь трубы.

Возможен еще ряд вариантов анодных заземлителей. Так, в силу не-

которых хозяйственных причин часто в качестве электродов используют

различный металлолом, в частности, рельсы, трубы (стальные и чугун-

ные), уголковую сталь и т.д.

184

8.4. Материал анодных заземлителей

Основное требование, предъявляемое к анодному заземлителю, - ма-

лая скорость анодного растворения. В соответствии с законом Фарадея

(см.формулу 2.8) 1 ампер анодного тока за 1 год растворяет около 10 кг

железа. Так, 750 катодных станций г.Волгограда со средним током 20 А

каждой из них и суммарным 15000 А за один лишь только год превратят

в ничто 150000 кг железа. Поэтому наряду со сталью, которая изначаль-

но применялась при катодной защите и все еще применяется сейчас, был

создан ряд материалов, специально предназначенных для изготовления

слаборастворимых анодов катодных станций.

В табл.8.1 приведен перечень основных материалов, используемых

для анодных заземлителей, а ниже даны комментарии по каждому из них.

8.4.1. Cталь и чугун

По своей долговечности сталь - наихудший из всех применяемых ма-

териалов. Однако, к сожалению, стальные анодные заземлители широко

распространены в отечественной практике. Причем причина здесь един-

ственная - относительная доступность материала.

Таблица 8.1

Анодный

материал

Скорость рас-

творения, q ,

кг/(А

год)

Сталь 10

Чугун 4...5

Графит 0,8...1,5

Ферросилид 0,1...0.3

Свинец+серебро 0,04...0,08

Магнетит 0.002

Платина ~ 0

185

Проблема применения стальных электродов усугубляется еще и тем,

что через 1...2 года стальной заземлитель может прекратить свою работу,

далеко еще не растворившись полностью. Особенно это касается верти-

кальных электродов из труб. Если труба при ее установке плотно вбива-

ется в пробуренную скважину, то твердые продукты коррозии, беспре-

рывно образующиеся в процессе растворения, постепенно уплотняясь,

создают слой высокого электрического сопротивления, который вызывает

медленное, но верное уменьшение рабочего тока электрода до полного

его прекращения. Все попытки выдернуть электрод из земли для ремонта,

как правило, безуспешны, чему препятствует мощный и далеко не глад-

кий слой ржавчины. Это и понятно, если учесть, что объем ржавчины бо-

лее чем в 3 раза превышает первоначальный объем растворившегося

стального изделия.

Эра стальных анодных заземлителей все же заканчивается, тем более

что существует ряд альтернативных материалов. Но если все же есть

обоснованная необходимость применения стальных заземлителей хотя бы

в малой степени приемлемым сроком службы, то их устраивают с коксо-

вой засыпкой.

Целесообразность применения коксовой засыпки для продления срока

службы анодных заземлителей в зарубежной практике давно не обсужда-

ется и эта технология используется повсеместно.

Кокс - твердый остаток с высоким содержанием углерода, образую-

щийся при нагревании различных видов ископаемого топлива до высоких

температур без доступа кислорода. Кокс из каменоугольного и нефтяного

пека является сырьем для изготовления электродов плавильных печей.

Для обсыпки заземлителей используется коксовая крошка размером

до 8 мм, которая послойно утрамбовывается вокруг электрода. Плотность

коксовой крошки примерно 0,6 т/м

Эффект снижения скорости растворения стального электрода объяс-

няется следующим. Благодаря углероду кокс - проводник с электронной

проводимостью. Поэтому в точке контакта электрической пары кокс-

сталь нет электролитического растворения. Растворение имеет место

при контакте сталь-вода и кокс-вода. Но кокс, как и уголь растворяется в

10 раз медленнее стали (см.табл.8.1). Слой из коксовой крошки должен

уменьшить долю тока, непосредственно стекающего со стальной по-

верхности в электролит. Большая часть тока, перетекая с электрода на

контактирующие с ним зерна кокса, стекает в электролит уже не со

стальной поверхности, а с поверхности зерен слаборастворяющегося

186

кокса, что и является причиной увеличения срока службы анодного за-

землителя.

Однако в отечественной практике до последнего времени бытовала

иная точка зрения: техническими нормами коксовую засыпку разрешает-

ся заменять глинистым раствором.

Но эта замена далеко не равноценная и даже напротив. Действитель-

но, плотный слой глины будет способствовать возникновению плотного

слоя ржавчины, приводящего, как это сказано выше, к запиранию элек-

трода и прекращению тока. Коксовая крошка, к тому же, способствует

образованию рыхлого слоя ржавчины, заполняющего пустоты между зер-

нами и не препятствующего протеканию тока. Увеличение стоимости

анодного заземлителя при применении коксовой засыпки компенсируется

увеличением срока службы как за счет уменьшения скорости растворе-

ния, так и за счет повышения работоспособности заземлителя.

Чугунные трубы как аноды имеют более низкую скорость растворе-

ния, чем стальные. Типовыми рабочими чертежами альбома серии 5.905-6

они рекомендуются для применения.

Выпускаются специальные стальные анодные заземлители в ком-

плекте с коксовым наполнителем. Так, анодный заземлитель типа АК-1

состоит из стального стержня диаметром 50 мм, длиной 1500 мм, массой

21 кг, опрессованного коксовым наполнителем, который помещен в ко-

жух из жести. Диаметр электрода в кожухе -185 мм, длина -1420 мм, мас-

са - 60 кг. Такой заземлитель не желательно применять во влажных грун-

тах.

Коксобетонный заземлитель типа АКЦ, напротив, предназначен для

грунтов с повышенной влажностью. Стальной стержень диаметром 50 мм

замоноличен в бетон, наполнителем которого является коксовая крошка.

Габариты электрода 150х150х1700 мм, масса - 77 кг.

8.4.2. Графит

Графитовые электроды в свое время были названы “нерастворимы-

ми”, но позже, как это следует из табл.8.1, потеряли свой приоритет, од-

нако все еще широко применяются.

Графит имеет электронную проводимость с удельным электрическим

сопротивлением (2...5)

−5

Ом

м, плотностью 1600...2100 кг/м

. Скорость

187

растворения графита, как это видно из рис.8.9, слабо зависит от плотно-

сти анодного тока.

Слабая растворимость графита, а также других рассмотренных ниже

“нерастворимых” электродов, объясняется тем, что при окислительно-

восстановительном процессе на аноде происходит образование газов по

реакциям

2Н

О − 2е= О

+ 4Н

; (8.1)

2Сl

−

+2е = Cl

Пропорциональное соотношение объемов выделяющихся газов - ки-

слорода, хлора и углекислоты - определяется химическим составом окру-

жающей среды. Так, в морской воде расход графита меньше, чем в грун-

те, поскольку графит C реагирует с кислотой НClО в соответствии с

уравнениями

+ H

O = HCl + HСlO; (8.2)

C + 2HClO → CO

+ 2HCl.

А поскольку значительная часть хлора отводится с проточной водой,

то количество хлорноватистой кислоты НСlО невелико и поэтому неве-

лик материальный ущерб от непосредственной коррозии анода по срав-

нению с коррозией в пресной воде и грунте, где преобладает прямое

окисление с участием кислорода по уравнению

C + O

→ CO

. (8.3)

Обычно используются графитовые и угольные электроды, предна-

значенные для дуговых печей в электрометаллургии. Для увеличения

стойкости во влажных грунтах и в средах с высоким содержанием суль-

фат-ионов графитовые электроды пропитывают связующим веществом,

например, фенолформальдегидной смолой, а также помещают в коксовую

крошку.

Коксовая засыпка дает особо ощутимый эффект - скорость растворе-

ния графита снижается в несколько раз. Так, если без коксовой засыпки

потеря массы составляет q =1,2кг/(А

год), то с засыпкой q = 0,2 кг/(А

год).

188

Коксовая засыпка в паре с графитовыми или угольными электродами

проявляет еще одно свое важное свойство: способствует отводу газооб-

разных продуктов коррозии. Если их не отводить организованно, то могут

возникнуть пазухи, пустоты, приводящие к неравномерности растворения

электрода, увеличению его сопротивления и даже к прекращению работы.

Можно ожидать образование кислорода со скоростью 1,83 м

/(А

год).

Образующийся хлор - ядовитый и агрессивный газ, ускоряющий разру-

шение анода и других элементов заземлителя, в том числе, пластмассо-

вых изолирующих оболочек питающих кабелей. Его тем более надо по-

скорее удалить.

При растворении стальных электродов газ практически не выделяет-

ся и поэтому материальные затраты на коррозию соответствуют закону

Фарадея.

Рис.8.9. Скорость коррозии анодных заземлителей. 1 - графи-

товый электрод без коксовой засыпки; 2- ферросилидовый

электрод без коксовой засыпки; 3- ферросилидовый электрод

с коксовой засыпкой.

Отечественной промышленностью выпускаются и нашли широкое

применение в стране графитопластовые электроды марки ЭГТ, которые

189

выполняются в виде трубы с внешним диаметром 115 мм, внутренним -

90мм, длиной от 1,5 до 3 м. Средний вес 3-х метрового электрода состав-

ляет 22 кг.

Основым компонентом графитопласта является искусственный гра-

фит (82%), связующим служит синтетическая смола в виде пресс-

порошка. Смесь перемешивают, плавят при температуре 140

С и изготав-

ливают трубу с внутренней резьбой на концах (см.рис.8.7, а также альбо-

мы типовых чертежей серии 5.905-6 и 8.402-5 “Узлы и детали электрохи-

мической защиты”).

Графитопласт имеет удельное электрическое сопротивление

(8...13)

−5

Ом

м, что несколько больше, чем у графитовых электродов.

Предельный нагрузочный ток электрода длиной 3 м составляет 5 А или

4,5 А/м

, в то время как графитовые электроды допускают плотность тока

20 А/м

и более.

Основной недостаток графитовых и, особенно, графитопластовых

электродов - хрупкость. Образующиеся при монтаже трещины и повреж-

дения в графитопластовой трубе проявляются затем как очаги механиче-

ских разрушений и локальной коррозии. К тому же графитопласт “разва-

ливается” при большой плотности тока, т.е. пластмассовая матрица в этом

случае уже не в состоянии удержать частички графита.

8.4.3. Ферросилид

Наиболее широкое распространение получили анодные заземлители

из железокремнистых (ферросилидовых) электродов. В состав железок-

ремнистых сплавов С14...С17 входит 14...17% кремния (Si) из кварцевого

песка. Плотность ферросилида 7000...7200 кг/м

. Он очень хрупок и труд-

но поддается механической обработке резанием.

Малая скорость растворения электрода объясняется образованием на

его поверхности защитной пленки, состоящей из окисла SiO

, который

способствует выделению кислорода взамен выделения ионов железа. В

морской воде и солончаковых грунтах образование пассивирующей плен-

ки SiO

затруднено. В этом случае больший эффект дают ферросилиды с

добавкой молибдена (до 4%) или хрома.

Скорость растворения ферросилида более существенно зависит от

плотности тока, чем графита. Так, из рис.8.9 следует, что скорость рас-

190

творения ферросилида растет с увеличением плотности анодного тока.

Как для графита, так и для ферросилида скорость растворения заметно

снижается при использовании коксовой засыпки. Рекомендуемая плот-

ность анодного тока - 10...50 А/м

Ввиду малой скорости растворения, ферросилидовые аноды можно

было бы укладывать непосредственно в грунт, но при обязательной орга-

низации отвода газообразных продуктов.

Рис.8.10. Контактный узел ферросилидового электрода.1- кабель в

двойной виниловой оболочке; 2- электрод ферросилидовый; 3- герме-

тизирующая кабельная заливка; 4- полиэтиленовая трубка; 5- фторо-

пластовая шайба; 6- эпоксидная смола; 7- свинцовая зачеканка; 8 - ме-

сто пайки; 9- стальной вкладыш, заделанный в тело электрода; 10- ви-

ниловая трубка; 11- полиэтиленовая лента.

В отечественной практике применяют готовые для установки ком-

плекты ферросилидовых электродов. Так, в комплект анодного заземли-

теля АЗМ-2 входят 24 электрода, 4 контактные коробки и 60 м соедини-

тельного кабеля. Электрод диаметром 65 мм и длиной 1500 мм с двух

концов имеет кабельные выводы, тщательно изолированные от окру-

жающей среды. На рис.8.10 даны варианты подсоединения кабелей к

ферросилидовым электродам. При этом узел а используется в анодах типа