Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей

Подождите немного. Документ загружается.

211

Таблица 8.2

Ток катодной

станции,

Площадь

сечения жилы ка-

беля, мм

0...12 4

12...18 6

18...25 10

25...35 16

35...50 25

50...100 35

Обычно применяют кабели марки АВВГ с двойной виниловой изоля-

цией, а при тяжелых механических нагрузках - бронированные кабели

типа АВРБ, АВБШ и др.

Рис.8.18. Устройство кабельной дренажной линии катодной станции.

1- преобразователь; 2-клеммник; 3-кабель; 4-стальная труба; 5-крас-

ный кирпич; 6-асбестоцементная труба; 7-грунт земляной; 8-песчаная

подушка; 9-дорога.

Дренажный кабель или укладывают в землю, или закрепляют на сте-

нах зданий. При устройстве воздушных линий на железобетонных опорах

подвешивают голый алюминиевый провод.

212

В городах не желательна прокладка на опорах из эстетических сооб-

ражений, в то время как для катодных станций магистральных трубопро-

водов, напротив, воздушные линии предпочтительнее.

Кабельная линия сооружается по нормам и правилам для низковольт-

ных сетей. На рис.8.18 показаны основные элементы кабельной линии ка-

тодной станции.

Кабель укладывают в песчаную постель и закрывают от механиче-

ских повреждений красным кирпичем, а под автомобильными и прочими

дорогами используют асбестоцементную трубу.

Питающая линия

Для питания катодных станций городских трубопроводов используют

ближайшие трансформаторные подстанции, вводно-распределительные

устройства здания и сооружения, распределительные устройства пред-

приятий напряжением 220 В.

При устройстве низковольтной двухпроводной линии для стандарт-

ной катодной станции сечение провода достаточно взять равным 6 мм

по

алюминию.

Некоторые типы катодных станций позволяют использовать источ-

ники напряжением 6 или 10 кВ с последующим понижением с помощью

стандартного или встроенного трансформатора (рис.8.19). Такие катод-

ные станции устраиваются на магистральных трубопроводах и требуют

прокладки высоковольтной линии 6/10 кВ, что, безусловно, существенно

повышает стоимость катодной защиты.

Не так давно делались попытки использовать для питания катодных

станций ветроэлектрогенераторы, использующие энергию ветра для по-

лучения электроэнергии. В пору ветрового затишья для работы катодной

станции предполагалось использовать буферные аккумуляторы, которые

бы подзаряжались в период нормальной работы ветроустановки. Не ис-

ключено, что к этой идее мы вернемся снова, поскольку в последнее вре-

мя заметно вырос интерес к нетрадиционным возобновляемым источни-

кам энергии.

213

Рис.8.19. Подключение катодной станции к питающей сети переменного

тока. а - с питанием от сети напряжением 220 В; б,в - с питанием от воз-

душной линии напряжением 6/10 кВ. 1 - преобразователи; 2 - однофазный

понижающий трансформатор; 3 - разъединитель и предохранитель высоко-

вольтный; 4 - провода 220В в трубе; 5 - ручной привод разъединителя; 6 -

конечная опора воздушной линии; 7 - высоковольтный блок СКЗ; 8 - низ-

ковольтный блок СКЗ; 9 - ограждение.

8.7.2. Изолирующее фланцевое соединение

На рис.8.20 показано устройство изолирующего фланцевого соедине-

ния (ИФС), которое в общем случае предназначено для электрического

рассечения трубопровода.

ИФС прежде всего устанавливают на вводах защищаемого трубопро-

вода в здание или сооружение с естественными и искусственными зазем-

лениями. При этом ИФС выполняет две функции:

- содействует снижению скорости коррозии и

- увеличивает зону действия катодной станции.

214

Воздействие на коррозию объясняется тем, что происходит разделе-

ние катода и анода коррозионной макропары и, следовательно, прекра-

щение ее функционирования (о макропарах см.пп.2.2.3).

Эффект увеличения зоны действия катодной станции связан с тем,

что возрастает переходное сопротивление между трубой и землей за счет

отсечения заземлений, каковыми являются неизолированные от земли

подземные сооружения.

По существующим нормам ИФС должны обязательно устанавливать-

ся на вводах газопроводов в жилые дома, и тем более на вводах в произ-

водственные здания и сооружения. ИФС ставят на магистральных трубо-

проводах на выходе из насосной или компрессорной станции, для отделе-

ния подземного участка трубопроводной сети от надземного, уложенного

по стальной эстакаде и, следовательно, заземленного. Иногда изолирую-

щими фланцами отделяют вновь построенный участок трубопровода от

существующего - с изношенной изоляцией -, если здесь можно ожидать

возникновение коррозионной макропары или если один из участков тре-

бует локальной электрохимической защиты, а другой можно по каким-то

причинам не защищать электрохимически.

Рис.8.20. Изолирующее флан-

цевое соединение. 1- фланец

приварной; 2 - изолирующая

шайба;3- изолирующая муфта;

4- изолирующее кольцо; 5 -

болт с гайкой; 6 - стальная

шайба; 7 - трубопровод.

ИФС можно устанавливать:

- на воздушном участке трубопровода при выходе его из земли;

- непосредственно в земле;

- в колодце.

Часто в ИФС переоборудывают обыкновенное фланцевое соединение

задвижки или какого-либо линейного устройства на трубопроводе.

При эксплуатации следует иметь виду, что если ИФС установлено в

колодце или непосредственно в земле, то при катодной защите можно

215

ожидать ухудшения коррозионного состояния на отсекаемой (не защи-

щаемой) части подземного сооружения в непосредственной близости от

ИФС. Действительно, для отсекаемого трубопровода токи катодной стан-

ции есть блуждающие токи со всеми своими неприятностями. Поэтому

участки трубопровода по обе стороны ИФС более тщательно изолируют.

К тому же ИФС, предназначенные для установки непосредственно в зем-

ле, имеют другую конструкцию, позволяющую изолировать от земли все

металлические элементы ИФС.

8.7.3. Контактные устройства

На рис.8.21 приведены варианты контрольно-измерительных пунктов

(КИП), предназначенных для контроля зоны действия катодной станции,

и контактное устройство (КУ) для подключения дренажного кабеля.

КИПы устанавливают так, чтобы можно было бы измерять потенциа-

лы с шагом не более 200 м - в городских сетях и 500 м - на магистралях. В

городских условиях используют КИПы с ковером, на магистралях - с ко-

лонкой.

Рис.8.21. Устройство контрольно-измерительного пункта в ковере (а), в колонке

(б) и контактное устройство на трубопроводе (в): 1- ковер; 2 - медносульфат-

ный электрод сравнения с датчиком поляризационного потенциала; 3 - сталь-

ной электрод сравнения в пластмассовой трубке; 4 - стальная полоса, прива-

ренная к трубопроводу; 5 - защищаемый трубопровод; 6 - бетонная подушка на

песчаном основании; 7 - железобетонная колонка; 8- клеммник; 9 - малый ко-

лодец с крышкой; 10 - узел подключения кабеля к трубопроводу.

216

Стальной электрод 3 устанавливают на тот случай, когда медносуль-

фатный электрод сравнения (МЭС) 2 вышел из строя и требует замены.

Дело в том, что электролит МЭС, несмотря на его желеобразное состоя-

ние, постепенно вытекает и электрод приходит в негодность. Поэтому на

период замены стационарного МЭС обычно используют или переносной

МЭС, или стационарный стальной электрод, хотя следует напомнить, что

стальной электрод в цивилизованном мире не применяют.

8.7.4. Блоки совместной защиты

Совместная защита - электрохимическая защита ряда разнородных

подземных сооружений с помощью одной или нескольких согласованно

работающих установок ЭХЗ.

Комплексная защита - активная защита в сочетании с пассивной. Она

предусматривает применение в том или ином сочетании:

- совместной или раздельной электрохимической защиты;

- изолирующих покрытий;

- изолирующих фланцевых соединений, диэлектрических прокладок,

футляров, вставок;

- мероприятий на источниках блуждающих токов;

- мероприятий по снижению агрессивности окружающей среды.

Для реализации требований по совместной защите как оптимальном и

часто единственном методе защиты в сложных сетевых условиях, когда

включение катодной станции на одном сооружении ведет - из-за перете-

каний токов защиты - к ухудшению коррозионного состояния на другом,

применяют ряд мер, в том числе включают в систему защиты следующие

устройства и оборудование:

- глухие потенциалвыравнивающие перемычки между влияющим и

подверженным влиянию сооружениями;

- регулируемые перемычки между сооружениями;

- вентильные перемычки между сооружениями;

дополнительные катодные преобразователи с собственными анод-

ными заземлителями (вспомогательные катодные станции);

- дополнительные анодные заземлители с одним общим катодным

преобразователем (распределенные заземлители).

217

Глухие перемычки между двумя соседним трубопроводами, а также

шунтирующие перемычки на задвижках и стыках, обеспечивают надеж-

ную проводимость и выполняют, как правило, стальными шинами. Одна-

ко неизолированная перемычка при хорошей изоляции трубопровода мо-

жет существенно ухудшить уровень защиты в районе перемычки, что по-

казано расчетом ниже.

Регулируемая перемычка включает в себя блок с переменным рези-

стором. Характеристики универсальных блоков совместной защиты типа

УСБЗ представлены в табл.8.3.

Таблица 8.3

Технические

характеристики

УСБЗ-10 УСБЗ-50

Номинальный ток, А 10 50

Максимальный ток, А 30 100

Максимальное

сопротивление, Ом

0,3 0,24

Шаг регулирования, Ом 0,01 0,05

Габариты, мм 180х140х95 305х320х150

Масса, кг 2 6,2

В типовых чертежах серии 7.402-5 “Узлы и детали установок ЭХЗ”

предусмотрено применение регулируемых сопротивлений типа СДЗ.

В вентильной перемычке в блок совместной защиты добавлен полу-

проводниковый диод. К вентильным блокам относятся, например, блоки

дренажной защиты БДЗ-10 и БДЗ-50, регулировочные характеристики ко-

торых соответствуют данным табл.8.3. Они обычно устанавливаются в

перемычках между трубопроводами и кабелями связи.

218

Глава 9. Протекторная защита

9.1. Общие сведения

Применение протектора-защитника - первый шаг в истории элек-

трохимической защиты. Его вероятнее всего сделали наши древние пред-

ки случайно. Действительно, соединив прочно два предмета из различ-

ных металлов можно отметить, что один из них перестал корродировать,

а другой, напротив, стал разрушаться быстрее. Сейчас теория этого явле-

ния известна всем, хотя 200 лет назад этот эффект вызывал только удив-

ление.

Итак, действие протекторной защиты это действие искусственно соз-

данной гальванической пары, у которой катодом является охраняемое ме-

таллическое сооружение, а анодом - некий “жертвенный” электрод, на-

дежно присоединенный к данному сооружению. Такой анод называют

протектором, а защиту - по-разному: или протекторной, или катодной

без источника тока, или гальванической. Мы выберем первое.

Прежде всего следует вспомнить, что в паре с катодом анод - более

электроотрицательный электрод.

При разрушении анода-протектора его ионы уходят безвозвратно в

землю, а освободившиеся электроны перетекают, как избыточные, на ка-

тод-трубопровод, заряжая его отрицательно. Т.е. под действием э.д.с.

гальванопары “труба-протектор” в контуре “протектор - земля - трубо-

провод” возникает защитный ток, натекающий, как и положено при элек-

трохимической защите, из земли на трубопровод (рис.9.1,а).

Поскольку э.д.с. пары есть разность стационарных потенциалов като-

да и анода, то ток в цепи “протектор - земля - трубопровод” в общем слу-

чае определяется законом Ома в форме (2.2).

Напомним также, что в соответствии с законом Фарадея количество

растворившегося металла (G) связано с электрохимическим эквивалентом

(q) соотношением (2.7).

219

Рис.9.1. Схема простейшей протекторной установки (а) и диаграмма

потенциалов (б): 1 - протектор; 2 - трубопровод; 3 - соединительный

провод, I

- ток протектора; U

, U

- стационарные потенциалы про-

тектора и трубопровода.

Следует познакомиться с новым термином: токоотдача - количество

электричества на единицу массы

= 8750 / q ;

(9.1)

Q = Q

η ,

где Q

, Q - теоретическая, удовлетворяющая закону Фарадея, и фактиче-

ская токоотдачи, А

ч/кг; η - коэффициент полезного использования или

коэффициент выхода по току; q – электрохимический эквивалент или

скорость растворения, кг/(А.год).

Фактическая токоотдача всегда меньше теоретической. Это связано

прежде всего с явлением саморастворения протектора как неоднородно-

го металла, включающего в себя легирующие добавки и различные при-

меси. К тому же на поверхности протектора могут идти побочные реак-

ции с выделением водорода, а не только растворения металла. Это нару-

шает пропорциональность между током и потерей массы металла по Фа-

радею, что и учтено коэффициентом η.

220

Поскольку Q < Q

, то и продолжительность растворения протектора

( T ), определяемая формулой (2.7), также меньше теоретической, соот-

ветствующей закону Фарадея. Поэтому формула для вычисления факти-

ческого срока службы протектора (T, ч) в зависимости от его массы (G,

кг) и величины тока (I, А) имеет вид

T = QGη / I. (9.2)

Э.д.с. действующей гальванической пары Е = U

−U

уравновешива-

ется падением напряжения на всех участках цепи, что очевидно из диа-

граммы рис.9.1,б, где

пр

- смещение потенциала на поляризационном

сопротивлении протектора;,

защ

- защитное смещение потенциала тру-

бопровода;

зем

- потеря напряжения в земле. Следует не забывать, что

катод поляризуется отрицательным током, а анод - положительным, бла-

годаря чему

защ

< 0 и

пр

> 0.

В результате поляризации на трубопроводе и протекторе устанавли-

ваются напряжения

защ

= U

−

защ

;

(9.3)

пр

= U

пр

где U

защ

пр

- фактические разности потенциалов труба-земля и протек-

тор-земля.

Если величина U

защ

соответствуют принятым критериям электрохи-

мической защиты (U

защ

< U

защ.min

), то протектор надежно выполняет свои

функции.

Таким образом, протекторная защита - это катодная защита, где

источником тока служит гальваническая пара “трубопровод-

протектор”.

9.2. Протекторные материалы

За всю историю протекторной защиты стальных сооружений по чис-

то практическим соображениям широко использовали лишь три вида ме-