Технология и организация протекторной защиты

Разработка новых месторождений и строительство различных объектов в нефтегазовой отрасли требуют значительного использования металлоконструкций, что влечет за собой необходимость решения вопросов противокоррозионной защиты оборудования. До 90% всех строительных работ в сфере добычи и переработки углеводородов осуществляется с применением конструкций из черного металла. Эти конструкции используются для создания подконструкций под оборудование, объектов жилой и вспомогательной инфраструктуры, а также систем трубопроводов. В связи с тем, что значительная часть месторождений нефти и газа находится в районах с экстремальными условиями эксплуатации, такими как континентальный Север, проблемы коррозии приобретают особую значимость [1].
Коррозия (от лат. сorrosio - "разъедание") – процесс самопроизвольного разрушения металлов вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Термин произошел от латинского слова corrosio, что означает "разъедание". Коррозию железоуглеродистых сплавов чаще всего называют ржавлением, поскольку продукты коррозии этих сплавов содержат гидратированные оксиды железа, известные как ржавчина. Однако цветные металлы, в продуктах коррозии которых отсутствуют оксиды железа, подвергаются коррозии, но не образуют ржавчину. Помимо внешних факторов окружающей среды, коррозия усугубляется наличием активных агентов, содержащихся в нефти и газе, таких как сера и её соединения, которые оказывают негативное воздействие на металл [2].
Срок службы конструкций трубопроводного транспорта нефти и газа в естественных условиях окружающей среды нередко ограничен. Увеличить его возможно с помощью 4-х основных методов, применяемых в данной отрасли:
1. Изоляция стальных сооружений от контакта с агрессивной внешней средой.
2. Использование коррозионностойких сталей, которые лучше противостоят воздействию окружающей среды.
3. Воздействие на окружающую среду с целью снижения ее агрессивности, что может включать обработку почвы или изменение состава окружающей среды.
4. Применение электрохимической защиты подземных стальных сооружений, которая помогает снизить скорость коррозии.
Одним из методов электрохимической защиты является протекторная защита. Этот метод основан на использовании гальванических анодов (протекторов), изготовленных из сплавов с более отрицательным по сравнению со сталью электродным потенциалом. В условиях агрессивных сред, таких как морская вода, химически активные вещества или грунтовые воды, коррозия металлов представляет собой значительную угрозу долговечности конструкций и оборудования. Это особенно актуально для промышленных предприятий, транспортной инфраструктуры, нефтегазового сектора и строительства.
Развитие технологий протекторной защиты позволяет значительно увеличить срок службы металлических сооружений, минимизировать затраты на ремонт и замену поврежденных элементов, а также повысить безопасность эксплуатации объектов.
Кроме того, улучшение организации протекторной защиты способствует снижению экологического ущерба, связанного с утечкой опасных веществ из повреждённых конструкций, и повышению общей надёжности инженерных систем. Всё это подчеркивает актуальность изучения и внедрения передовых методов протекторной защиты в современных условиях.
Целью данной работы является изучение технологии и организации протекторной защиты на различных участках газопровода.
Цель может быть достигнута посредством решения следующих задач:
- проведение всестороннего обзора существующих подходов к технологии и организации протекторной защиты;
- показать методику протекторной защиты, учитывающую современные требования к эффективности, надежности и экологической безопасности.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1. Принцип работы протекторной защиты трубопроводов
При строительстве магистральных трубопроводов в отдаленных районах зачастую отсутствует доступ к линиям электропередач, что существенно ограничивает возможности использования традиционных систем катодной защиты, требующих значительных затрат на организацию электроснабжения. В таких случаях целесообразно применять протекторную защиту, принцип которой основывается на ускоренном разрушении протектора (анода), обладающего более отрицательным электрическим потенциалом по сравнению с защищаемым стальным трубопроводом, выполняющим функцию катода в образующейся гальванической паре.
Процесс коррозии металла можно интерпретировать как функционирование короткозамкнутого гальванического элемента А-К, к которому подключается дополнительный электрод — эффективный анод (протектор). Этот подход позволяет обеспечить эффективную защиту от коррозии без необходимости подключения к внешним источникам электроэнергии, что делает его особенно привлекательным для использования в труднодоступных регионах.
При достаточном сдвиге потенциала системы в отрицательную область ток коррозии может снизиться до нуля, что приведет к полной защите. Следовательно, чтобы полностью предотвратить коррозию, необходимо поляризовать защищаемую металлическую конструкцию до уровня потенциала самой электроотрицательной анодной составляющей ее поверхности [3].
Протекторы рекомендуется размещать в грунтах с удельным сопротивлением до 50 Ом·м. Учитывая небольшую мощность каждого отдельного протектора, их устанавливают группами (рис. 1, б) или используют в форме протяженных лент. Протяженные протекторы (рис. 1, а) располагают в той же траншее, что и трубопровод. Согласно рекомендациям ВНИИСТа [4], такие протекторы можно устанавливать в грунтах с удельным сопротивлением до 500 Ом·м.
Для протекторов, используемых в системах защиты стальных сооружений, подходят любые металлы, обладающие более электроотрицательным потенциалом по сравнению с железом. Наиболее широкое применение нашли магний, цинк и алюминий. Основные физико-химические свойства этих металлов представлены в таблице 1.
Эти металлы обладают различными характеристиками, влияющими на их эффективность в конкретных условиях эксплуатации, что требует тщательного выбора материала протектора в зависимости от особенностей защищаемого объекта и окружающей среды. Применение чистых металлов для производства протекторов оказалось неэффективным из-за низкой токоотдачи магния и склонности алюминия и цинка к пассивации. Добавление специальных компонентов позволяет создавать сплавы с более отрицательными потенциалами по сравнению с основным металлом, которые остаются активными и равномерно разрушаются. В магниевые сплавы для протекторов добавляют алюминий, цинк и марганец. Алюминий улучшает литейные свойства сплава и увеличивает его механические характеристики, хотя несколько снижает потенциал. Цинк облагораживает сплав и уменьшает негативное влияние примесей меди и никеля, повышая допустимое содержание этих элементов в сплаве. Марганец вводится в состав сплава для осаждения примесей железа, увеличения токоотдачи и улучшения отрицательных показателей потенциала протектора. Основные загрязняющие примеси в сплаве - железо, медь, никель, кремний. Они увеличивают самокоррозию протекторов и снижают срок их службы [5].
Установка протектора в специальные заполнители, известные как активаторы, значительно повышает его эффективность. Эти активаторы способствуют снижению саморазрушения протектора, уменьшению анодной поляризации, снижению сопротивления распространению тока от протектора, а также предотвращают формирование плотных оксидных слоев на его поверхности. Использование активаторов увеличивает коэффициент полезного действия протектора, продлевая срок его службы и стабилизируя ток в цепи протекторной установки.