Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей

Подождите немного. Документ загружается.

также фреттинг-коррозия - коррозия трущихся поверхностей, о чем уже

упоминалось.

Коррозионные микропары относительно небольших размеров и мощ-

ности вызывают так называемую равномерную коррозию, скорость кото-

рой невелика и не является определяющей для большинства металличе-

ских сооружений.

Рис.2.6. Этапы развития язвенной коррозии на стенке

трубопровода

Основную опасность представляет локальная или язвенная коррозия,

связанная с мощными коррозионными макропарами, генерирующими

большой ток, а также с блуждающими токами, явление которых рассмот-

рено ниже.

На рис.2.6 показан процесс изменения формы коррозионной язвы в

течение ряда лет. Обычно составляющие вектора скорости коррозионного

проникновения вглубь и вдоль поверхности различны, как это и показано.

2.4. Потенциал и ток коррозии

Поток ионов железа несет положительные заряды, образующие элек-

трический ток I

, направленный из анода в коррозионную среду. Такой

же по величине ток I

создает поток электронов от анода к катоду, в

конце концов покидающих металл на катоде. Этот ток I = I

= I

можно

представить как результат действия электродвижущей силы гальваниче-

ского элемента, т.е.

I = (ϕ

ок

− ϕ

оа

) / R , (2.2)

где I - ток гальванического элемента, ϕ

ок

, ϕ

оа

- электрохимические по-

тенциалы соответственно катода и анода, определенные при условии хо-

лостого хода гальванического элемента (при I = 0 ); R - сопротивление

цепи анод-среда-катод.

Зависимость (2.2), несмотря на кажущуюся простоту, довольно слож-

на, поскольку сопротивление R является нелинейной функцией электрод-

ного тока. Так, электродный ток обычно подчиняется распространенной в

природе закономерности

I = Ae

/ B

, (2.3)

где η - смещение потенциала относительно своего равновесного состоя-

ния и обычно называемое перенапряжением процесса; A, B - некоторые

константы, зависящие от параметров окружающей среды и свойств ме-

талла.

Тогда сопротивление участка цепи между одним из электродов и сре-

дой следовало бы вычислять по формуле

пол

= η / I . (2.4)

Сопротивление R

пол

представляющее собой сопротивление двойного

электрического слоя металл-электролит, поскольку η - падение напряже-

ния на этом слое, называют поляризационным, так как его величина зави-

сит от величины и направления тока поляризации.

Таким образом, э.д.с. элемента тратится на преодоление омического

сопротивления коррозионной среды в цепи между анодом и катодом и

двух поляризационных сопротивлений, так что для гальванического эле-

мента

ок

−ϕ

оа

= η

+ η

;

(2.5)

= (η

+ η

+ ΔU

) / ( P

/ S

+ P

/ S

+ R

) , (2.6)

где η

, η

- величина напряжения на поляризационном сопротивлении ка-

тода и анода соответственно; ΔU

- падение напряжения в коррозионной

среде; P

, P

- удельные поляризационные сопротивления катода и ано-

да, Ом

; S

, S

- площади катода и анода, м

; R

- сопротивление среды

между электродами, Ом.

При этом сопротивлением металла электродов пренебрегают.

На рис.2.7 представлена поляризационная диаграмма работающей

пары, так называемая диаграмма Эванса, поясняющая соотношения (2.5)

и (2.6).

По оси абсцисс откладывают абсолютные значения тока данного

электрода, а по оси ординат - смещения потенциала с учетом их знаков, а

именно η

< 0, η

> 0.

Несмотря на то, что диаграмма Эванса в таком виде - это лишь каче-

ственная иллюстрация процесса (ее практически можно снять, если взять

два независимых электрода со своими потенциалами ϕ

ок

и ϕ

оа

и поляризо-

вать один анодно, другой катодно с помощью внешнего источника тока),

с ее помощью можно сделать ряд практических выводов.

1) Чем больше ток поляризации ( I ), тем сильнее поляризуются - из-

меняют свой потенциал - электроды. При этом анод поляризуется по-

ложительно ( η

> 0 ), т.е. его потенциал становится более положитель-

ным, а катод - отрицательно, так как η

< 0.

Заметьте, по оси ординат вверх откладывают, хотя это и непривычно,

отрицательные значения потенциала. Это - дань моде.

Рис.2.7. Коррозионная диаграмма

Эванса, где Е = ϕ

ок

− ϕ

оа

- э.д.с.

коррозионной гальванопары, η

, η

ΔU

- напряжения участков цепи со-

ответственно на поляризационном

сопротивлении анода, катода и в

среде между ними.

2) В конечном счете электроды пары приобретают некоторый сред-

ний потенциал ϕ

кор

, называемый потенциалом коррозии. Этот потенциал

в точности определялся бы точкой пересечения анодной и катодной ха-

рактеристик, если бы можно было пренебречь омической составляющей

цепи - падением напряжения в среде (

3) Ток коррозии I

кор

зависит от разности электродных потенциалов

(ϕ

, ϕ

ок

), которые, к сожалению, далеко не всегда известны, а не от по-

тенциала коррозии ϕ

кор

. Несмотря на свое имя, потенциал коррозии не

определяет ток коррозии, а скорее наоборот: при токе коррозии I

кор

уста-

навливается некий компромисный потенциал ϕ

кор.

4) Ток коррозии тем выше, чем меньше поляризационное сопротив-

ление. Очевидно, что ток коррозии тем выше, чем меньше сопротивление

среды.

2.5. Показатели коррозионного разрушения

2.5.1. Скорость коррозии в соответствии с законом Фарадея

Согласно закону Фарадея, количество электричества, стекающего с

электрода, пропорционально потере массы этого электрода

= qIТ; (2.7)

q= 3600

M / (nF),

где G - масса растворившегося металла, г; q - электрохимический экви-

валент металла, гA

-1.

-1

; M - атомная масса, г/моль; F = 96500 - число Фа-

радея, Кл/г

Экв; n - валентность металла; I - величина электродного тока,

А; T - время, ч.

Так, если при анодной реакции образуется двухвалентное железо ( n =

2 ), то электрохимический эквивалент при M = 56 г/моль будет равен q =

1,0424 г

-1

или q = 9,12 кг/(А

год).

Разделив правую и левую части на площадь поверхности раство-

ряющегося электрода S, получим формулу, связывающую плотность то-

ка коррозии с потерей массы

j = I / S = G / (SqT), (2.8)

из которой следуют практические формулы для расчета скорости корро-

зии

⎧ 0,95 v

j = ⎨ (2.9)

⎩ 0,85 v

2 ,

где j – плотность анодного тока коррозии, А/м

; v

- скорость весовой кор-

розии, г/(м

ч); v

- скорость проникающей коррозии, мм/год.

Таким образом, величина плотности анодного тока есть мера

скорости коррозии.

2.5.2. Экспериментальное определение скорости коррозии

Экспериментальные методы определения скорости коррозии много-

образны. Ниже приведены некоторые из них.

По величине поляризационного сопротивления

Широко распространенные в зарубежной практике коррозиметры

общего применения контролируют величину поляризационного сопро-

тивления двух электродов датчика, погружаемых в коррозионную среду и

подключаемых к внешнему источнику постоянного тока малого напряже-

ния (U ≈ 10 мВ). При этом измеряют наложенный ток пары ( I ), опреде-

ляют поляризационное сопротивление R

пол

= U / I и, вводя некоторый

поправочный коэффициент, находят скорость коррозии.

К сожалению, при измерениях фиксируют воздействие коррозионной

среды на электроды датчика, но не на самое металлическое сооружение,

ради которого проводятся измерения. Так, этот метод не позволяет реги-

стрировать какие-либо коррозионные гальванопары, о влиянии которых

много сказано выше.

Гравиметрия

Измеряют общую коррозию образца-свидетеля, который помещают в

коррозионную среду, по возможности моделируя реальные условия экс-

плуатации сооружения. Метод широко применяется для лабораторных

исследований, но мало пригоден для полевых.

Контроль электросопротивления

Измерительными датчиками в данном случае являются проволочные

или иные элементы, сопротивление которых увеличивается в процессе их

коррозионного разрушения (за счет уменьшения поперечного сечения).

Коррозиметры, построенные на этом принципе, - весьма точные электри-

ческие измерительные приборы, позволяющие наблюдать коррозию во

времени, но как и прочие методы измерения, регистрируют лишь корро-

зию датчиков, а не реального металлического сооружения.

Прочие методы

Ультразвуковой контроль позволяет определять фактическую тол-

щину стенки трубопровода или резервуара по изменению времени про-

хождения ультразвукового сигнала через стенку.

Радиографический контроль осуществляют с помощью рентгенов-

ских лучей, “просвечивая” стенку резервуара или аппарата.

Поскольку измерение скорости коррозии реального металлического

сооружения пока выполнить не удается, то оценку коррозионной опасно-

сти ведут по косвенным показателям. Однако в следующей главе пред-

ставлен новый расчетно-полевой метод определения плотности тока кор-

розии, который по мнению автора может иметь перспективу применения

на действующих трубопроводах.

При критериальной оценке коррозионную стойкость металлов опре-

деляют по табл.2.1.

Таблица 2.1

Бал

Скорость коррозии,

мм/год

Группа стойкости

1 Менее 0,001 Совершенно стойкие

2 0,001...0,005 Весьма стойкие

3 0,005...0,01 -”-

4 0,01...0,05 Стойкие

5 0,05...0,1 -”-

6 0,1...0,5 Пониженно стойкие

7 0,5...1,0 -”-

8 1,0...5,0 Малостойкие

9 5,0...10,0 -”-

10 Свыше 10,0 Нестойкие

Для спокойной почвенной коррозии характерны величины 0,01...0,1

мм/год, т.е. баллы 4-5. Язвенная коррозия, возникающая в процессе рабо-

ты мощных коррозионных гальванопар, может характеризоваться балами

6-8 с максимальной скоростью, как правило, 2...3 мм/год, хотя практикой

отмечалась коррозия и более высокого уровня вплоть до 20 мм/год.

Блуждающие токи могут вызвать коррозию силой до 10 баллов.

Глава 3. Коррозионная диагностика

3.1. Задачи коррозионной диагностики

Выявление очагов коррозии и оценка интенсивности коррозионных

токов относится к предпроектным работам, которые должны обеспечить

инженера-проектировщика исходными данными, определяющими объем

и содержание проекта защиты, а также очередность выполнения анти-

коррозионных мероприятий.

Объем коррозионной диагностики планируют исходя из требований

нормативной документации и особенностей объекта в зависимости от ха-

рактера металлического сооружения и условий его эксплуатации.

Коррозионные исследования могут выполняться полевыми, лабора-

торными и численными методами.

На стадии коррозионных исследований проектируемого к укладке

подземного трубопровода выполняют:

- измерения коррозионной агрессивности грунта;

- измерения разности потенциалов рельс-земля электрифицирован-

ного рельсового транспорта;

- измерения разности потенциалов труба-земля в смежных точках на

соседних подземных сооружениях;

- расчет поля блуждающих токов с определением анодных зон на

трубопроводах.

Для существующего трубопровода добавляют следующие работы:

- измерения разности потенциалов труба-земля при включенной элек-

трохимической защите и без нее;

- измерения градиентов потенциала и определение поля токов в зем-

ле;

- определение вредных влияний токов электрохимической защиты на

соседние подземные сооружения;

- определение наличия гальванических связей с соседними сооруже-

ниями и анализ работы гальванических коррозионных макропар;

- определение мест повреждения изоляционного покрытия трубопро-

вода;

- расчет скорости коррозии по результатам полевых измерений;

- расчет удельного сопротивления изоляционного покрытия трубо-

провода по токам установок электрохимической защиты.

Фактический объем изыскательских работ определяет проектная ор-

ганизация.

3.2. Определение агрессивности грунта

В соответствии с действующим ГОСТ 9.602-89 “Сооружения подзем-

ные. Общие требования к защите от коррозии” одним из критериев кор-

розионной опасности для стальных подземных металлических сооруже-

ний является коррозионная агрессивность среды, которую определяют

два показателя:

1) удельное электрическое сопротивление грунта по трассе трубопро-

вода (ρ);

2) удельное катодное поляризационное сопротивление (P

), опреде-

ляемое по плотности тока поляризации образца-свидетеля в условиях,

близких к условиям трассы трубопровода.

Роль этих показателей как критериев коррозионной опасности станет

очевидной, если рассмотреть формулы (2.5) и (2.6), которые в совокупно-

сти дают

I = E / R; (3.1)

R = R

+ R

где I - ток коррозии, Е - э.д.с. коррозионной гальванопары, R - полное

сопротивление току коррозии.

Составляющая R

есть сопротивление “земляного” участка цепи галь-

ванического элемента. Она

однозначно определяется величиной удельно-

го электрического сопротивления грунта (ρ) как обыкновенная омическая

составляющая электрической цепи. Здесь очевидно, что чем меньше ρ и,

следовательно, меньше R

, тем больше ток коррозии.

Второй участок цепи R образует катодное поляризационное сопро-

тивление R

. Этот участок контролируетcя удельным катодным поля-

ризационным сопротивлением сооружения (Р

), покольку R

= P

/ S

, где

- площадь катодных участков. Здесь справедливо аналогичное правило:

чем меньше Р

, тем больше ток коррозии.

Третий участок - анодное поляризационное сопротивление R

по-

добен катодному (R

), но техническими нормами как критерий коррози-

онной опасности не рассматривается, хотя этот параметр также управляет

величиной тока коррозии.

Не учтена нормами также и величина э.д.с. ( Е ) гальванопары в свя-

зи с отсутствием надежных экспериментальных способов ее контроля.

Во второй главе было отмечено множество и других факторов, в той

или иной мере определяющих скорость коррозии. Но можно полагать, что

все они воздействуют или на величину R с ее составляющими, или на ве-

личину Е, меняя электрохимический потенциал электродов пары.

Таким образом, техническими нормами предусмотрены два показате-

ля агрессивности среды - по ρ и по Р

. Обобщающего критерия коррози-

онной агрессивности грунта нет. Поэтому указанные выше требования

ГОСТа при необходимости дополняются другими экспериментально про-

веренными способами оценки коррозионной опасности, назначаемыми

при проектировании.

3.2.1. Измерения удельного электрического сопротивления

грунта

Измерения удельного электрического сопротивления грунта в поле-

вых условиях выполняют с помощью четырехэлектродной установки по

схеме рис.3.1.

Метод построен на использовании известной формулы для потенциа-

ла в поле точечного источника тока в полупространстве, например, ко-

роткого стержня-заземлителя, расположенного у поверхности земли

ϕ = Iρ /(2πr) , (3.2)