Оптимизация параметров катодной защиты

Введение
Трубопроводный транспорт газа в настоящее время считается главным средством
доставки газа от мест добычи, переработки либо получения к местам употребления. Сеть
магистральных газопроводов характеризуется значимой длиной, огромным диаметром,
существенным возрастом и высочайшим давлением перекачки.
Газопроводы таковой длины пересекают большущее количество различных преград:
небольших и огромных речек, водохранилищ, озер, глубочайших топких мест, грунтовых
дорог и дорог с улучшенными покрытием сложенных слабенькими грунтами. Помимо
этого на материал стенок газопровода оказывает постоянное воздействие спектр
разрушающих факторов, которые могут привести к серьезным последствиям вплоть до
взрыва на газопроводе. К одним из наиболее опасных факторов относятся блуждающие
токи. Источниками блуждающих токов являются линии электропередач,
железнодорожный транспорт, который на пути протяженности магистральных
трубопроводов, во-первых, встречаются не раз, а, во-вторых, зачастую представляют
собой комплекс сооружений.
Глава 1. Литературный обзор
1.1.Процессы коррозии
Коррозия является электрохимическим процессом, образующим электрические
потенциалы на участках поверхности металла с появлением при этом электрического тока
(называемого в данном случае коррозионным током). Поэтому основным принципом
активной катодной защиты черных металлов является защита посредством «жертвенных»
электронов. Принцип заключается в том, что один металл (в данном случае – цинк)
2
расходуется (жертвуется) для защиты другого металла (железо). Основной довод в пользу
применения в качестве защитного покрытия для стали именно цинка — то, что цинк
подвергается ржавлению гораздо медленнее, нежели железо.
Из механизма коррозии металла, следует, что более активный металл начинает испускать
электроны и присоединять к образовавшимся ионам гидроксильной группы из раствора
электролита, а другой, менее активный, будет принимать электроны, присоединяя их к
своим ионам. В результате, более активный металл — анод — будет окисляться, а менее
активный металл — катод восстанавливаться. Таким образом, анод будет защищать от
коррозии.
1.2.Коррозия трубопроводов
Трубопроводы, пролегающие под землёй, подвергаются разрушающему действию
коррозии. Коррозия трубопровода поражает металлические трубы, если возникают
условия, когда атомы металла могут перейти в состояние иона.
Чтобы нейтральный атом стал, ионом, необходимо отдать электрон, а это возможно если
есть анод, который его примет. Такая ситуация возможна при возникновении разности
потенциалов между отдельными участками трубы: один участок анод, другой катод.
Причин образования разности потенциалов (величина его значения) на отдельных
участках трубы несколько:
различные составы грунта по физическим и химическим свойствам;
неоднородность металла;
влажность почвы;
значение рабочей температуры, транспортируемого вещества;
показатель кислотности грунтового электролита;
прохождение линии электротранспорта, который создаёт блуждающие токи.
1.3. Способы организации катодной защиты
Электрохимическая коррозия представляет собой разрушение металла,
сопровождающееся образованием электрического тока. Этот вид коррозии наиболее
распространен в трубопроводном транспорте.
Согласно классической теории электрохимической коррозии, участки анодной и катодной
реакции пространственно разделены, и для протекания процесса коррозии необходим
переток электронов в металле и ионов в электролите. Электрохимическое разрушение
(растворение) металла является, таким образом, сложным процессом, состоящим из трех
основных процессов[6]:
анодного процесса - возникновения некомпенсированных электронов около
анодных участков металла и гидратированных ионов металла в электролите:Me+mH_2
O→〖Me〗^(n+) mH_2 O+ne;
процесса протекания электронов по металлу от анодных участков к катодным и
соответствующею перемещения катионов и анионов в растворе;
катодного процесса - ассимиляции электронов какими-либо ионами или
молекулами раствора (деполяризаторами), способными к восстановлению на катодных
участках.
В ряде случаев необходимая коррозионная стойкость металлической конструкции
достигается подбором с применением стойкого в данной коррозионной среде (и при
данных условиях коррозии) металла (или сплава). Выбор материала может быть сделан на
основании данных, приводимых в справочниках по коррозионной стойкости металлов.
В тех случаях, когда не удается подобрать достаточно стойкий металл, применяются
следующие основные методы зашиты: обработка реагентами для снижения коррозионной
активности среды, нанесение защитных покрытий, электрохимическая зашита, которая
3
подразделяется на катодную, протекторную и электродренажную. В настоящей книге
подробно рассматривается лишь электрохимическая защита.
Аккумуляторы. Если требуемая для катодной защиты мощность невелика, что
наблюдается обычно при хорошей изоляции, то для питания иногда применяют
аккумуляторы. В этом случае необходимо иметь две группы аккумуляторов, из которых
одна заряжается от передвижного или стационарного генератора, в то время как другая
работает для защиты.
Гальванические элементы
При небольших токах защиты можно применять и гальва¬нические элементы. Их
достоинством является большая токоотдача, простота конструкции и легкость
обслуживания.
Анодное заземление служит для подачи тока в грунт при за¬щите подземного
сооружения. К анодному заземлению предъявля¬ются следующие требования [22-27]:
минимальное переходное сопротивление растеканию тока;
наименьшие габаритные размеры;
наиболее долговечный и недефицитный материал;
простота установки;
наименьшая стоимость.
Материал анодного заземления
Принципиально заземлитель может быть изготовлен из любого токопроводящего
материала: металла, графита, угля и т. п. Но наибольшее распространение получили
заземлители из черных металлов, особенно из стали. Это объясняется тем, что в
практических условиях почти всегда можно найти бросовый черный металл, в виде
старых труб, рельсов, уголков, двутаврового проката и использовать их для анодных
заземлений. Недостаток заземлителей из черного металла заключается в сравнительно
быстром разрушении их проходящим током за счет высокого электрохимического
эквивалента (9-10 кг/А год). Но в то же время форма и механическая прочность изделий из
бросового железа обычно позволяет легко устанавливать их в грунт.
2.6. Проблема разрушения газопроводов на месторождении
Коррозия подземных трубопроводов, к которым относятся газопроводы и нефтепроводы,
во всем мире наносит огромный вред системам транспортировки газа, нефти и
нефтепродуктов. Последствия почвенной коррозии могут быть самыми разнообразными:
от прямого экономического ущерба, связанного с потерей добываемого или
транспортируемого продукта, до крупных техногенных и экологических катастроф.
Блуждающий ток в 1 а за один год разъедает в анодной зоне металлическою сооружения
около 36 кг свинца или соответственно около 9 кг железа или около 4 кг алюминия
(каждые 96500 кулонов количества электричества растворяют 1 г/экв металла) [1].
Нетрудно представить результаты коррозионного действия блуждающих токов, если
последние в некоторых сооружениях, расположенных вблизи источников блуждающего
тока, достигают 40 а и даже больше. Наибольший ущерб коррозия блуждающими токами
приносит подземным сооружениям в системе городского хозяйства. При этом самой
сильной коррозии подвергаются незащищенные изолирующими покрытиями сооружения:
трубопроводы, голые освинцованные и бронированные кабели. Особенно опасным
4
источником блуждающих токов являются электрифицированные железные дороги, а
также трамвай и метро, где потребляются большие токи.
Электрохимическая коррозия подземных сооружений блуждающими токами во много
раз опаснее обычной почвенной коррозии. В отдельных случаях большие блуждающие
токи способны вывести сооружения из строя в течение самого короткого срока — в 2—3
месяца.
Скорость и интенсивность коррозии блуждающими токами совместно с почвенной
коррозией особенно сильно возрастает при наличии частых и резких перепадов значений
электрического сопротивления почв вдоль линейного сооружения. Объясняется это тем,
что в этих условиях блуждающие и гальванические токи то входят в сооружение и
проходят по нему, то выходят из сооружения и проходят по почве, создавая тем самым
множество анодных и катодных зон. Установлено, что в почвах с высоким
сопротивлением блуждающие токи более или менее полно собираются металлическим
сооружением и протекают по нему. На участках, где почва имеет низкое сопротивление,
эти токи покидают сооружение и частично переходят в почву. Места наиболее сильных
утечек тока из сооружения, совпадающие с участками низкого сопротивления почвы,
характеризуются наиболее интенсивными явлениями коррозии. Вредное явление
блуждающих токов не ограничивается только анодными участками. Под влиянием
катодного потенциала защитная изоляция на катодном участке со временем приобретает
способность впитывать почвенную влагу. В связи с этим сначала происходит понижение
омического сопротивления защитного покрытия, а затем и его полное разрушение с
оголением поверхности металла [5].
Глава 3.Расчетная часть
3.1. Критерии выбора способов защиты газопровода от блуждающих токов
Исходными данными для расчета катодной защиты строящихся трубопроводов являются
[19]:
а) конструктивные данные трубопровода:
1) диаметр трубопровода;
2) толщина стенки трубопровода;
3) класс прочности труб и марка стали, удельное электрическое сопротивление;
4) глубина залегания (до оси) трубопровода;
5) тип и конструкция изоляционного покрытия трубопровода;
6) сопротивление изоляционного покрытия и коэффициент изменения этого
сопротивления во времени;
Выбор технических решений по катодной защите
Выбор месторасположения УКЗ следует производить в соответствии с расчетной длиной
защитной зоны (плеч защиты) и наличия источников электроснабжения.
Преимущественно УКЗ следует устанавливать в районе узлов задвижек.
Выбор АЗ производят в зависимости от удельного электрического сопротивления грунта
и наличия свободной площади:
- в грунтах с удельным электрическим сопротивлением не более 20 Ом·м следует
применять сосредоточенные подпочвенные АЗ с использованием малорастворимых
электродов;
5
- при удельном электрическом сопротивлении грунтов более 250 Ом·м в качестве АЗ
следует использовать протяженные аноды с электрическим сопротивлением
токопроводящего слоя до 1 Ом·м. В грунтах с удельным сопротивлением менее 250 Ом·м
применяются ГАЗ, а также протяженные аноды с промежуточным слоем, обладающим
сопротивлением до 3000 Ом·м;
- в скальных и многолетнемерзлых грунтах следует применять протяженные АЗ,
укладываемые в траншею вместе с трубопроводом на расстоянии от его поверхности не
менее 300 мм.
- при наличии на глубине пластов с удельным сопротивлением в два и более раз меньшим,
чем сопротивление поверхностных грунтов (по данным вертикального электрического
зондирования), необходимо использовать ГАЗ;
- при использовании сосредоточенного АЗ, расстояние от АЗ до ближайшего
защищаемого сооружения должно быть от 200 до 500 м, для ГАЗ это расстояние должно
быть от 50 до 500 м;
- АЗ должны быть установлены ниже глубины сезонного промерзания грунтов
преимущественно на некультивируемых землях.
Глава 5. Социальная ответственность
На всей территории протяженности газопровода ООО «Газпром межрегионгаз» проводят
активную социальную политику.
Социальные и благотворительные проекты ориентированы на жителей регионов
присутствия компаний, подконтрольных ООО «Газпром межрегионгаз». Реализуя
программы социальной поддержки населения, «Газпром межрегионгаз» вкладывает
средства в развитие производственной и социальной инфраструктуры. Через
региональные газовые компании ООО «Газпром межрегионгаз» оказывает финансовую
помощь организациям здравоохранения в приобретении медицинского оборудования,
выступает спонсором различных реабилитационных программ.
В рамках благотворительных марафонов ООО «Газпром межрегионгаз» выделяется
финансовая помощь детским домам, дошкольным учреждениям, общеобразовательным и
спортивным школам, школам-интернатам для детей с недостатками развития, а также
больницам республиканского и местного подчинения. Деятельность, осуществляемая РГК
в рамках благотворительности, направлена на повышение качества образования в
регионах России и решение проблемы доступности информации.
Заключение
Проделанная работа позволяет сделать следующие выводы
Исходными данными для расчета катодной защиты строящихся трубопроводов являются
[19]:
а) конструктивные данные трубопровода:
1) диаметр трубопровода;
2) толщина стенки трубопровода;
3) класс прочности труб и марка стали, удельное электрическое сопротивление;
4) глубина залегания (до оси) трубопровода;
5) тип и конструкция изоляционного покрытия трубопровода;
6) сопротивление изоляционного покрытия и коэффициент изменения этого
сопротивления во времени;
6
Выбор месторасположения УКЗ следует производить в соответствии с расчетной длиной
защитной зоны (плеч защиты) и наличия источников электроснабжения.
Преимущественно УКЗ следует устанавливать в районе узлов задвижек.