Катодная защита подземных металлических сооружений

Лекция №10. Катодная защита подземных металлических сооружений. Уведомление о Правах: Этот документ и его переводы могут быть скопированы и предоставлены только в образовательных целях, и только в данном университете. Производные работы, которые комментируют или иным образом объясняют его, могут быть подготовлены, скопированы, опубликованы и распространены, полностью или частично, без каких-либо ограничений. Однако этот документ не может быть изменен каким-либо образом, за исключением необходимости улучшения. Сущность и принципиальная схема катодной защиты  Катодную защиту применяют для предотвращения разрушения трубопровода от почвенной коррозии, а так­же от блуждающих токов при нецелесообразности ис­пользования электродренажной защиты.  При катодной защите отрицательны й полюс источни­ка постоянного тока подключают к трубопроводу, а положительный — к искусственно созданном у аноду -за­землению. При включении источника тока электрическая цепь замкнется через почвенный электролит и на ого­ ленных участках трубопровода в местах повреждения изоляции начнется процесс катодной поляризации (рис .27). В простейшем случае получают трехэлектрод­ную систему. На рис. 28, а изображена коррозионная диаграмма такой системы при полной поляризации, когда омическим сопротивлением в связи с высокой электропроводностью почвенного электролита можно прене­бречь. 2 Сущность и принципиальная схема катодной защиты  Для прекращения работы коррозионного элемента φoк-φoa необходимо, чтобы катод был поляризован до точки 2, соответствующей первоначальному уровню потенциала анода φoa (φoa = φoк). Это достигается под­ключением к двухэлектродной системе φoк - φoa дополнительного электрода φoa.доп ,поляризация которого изо­бражается прямой φoa.доп - 2, что соответствует jзащ. При этом общий потенциал полученной трехэлек­тродной системы становится равным первоначальном у потенциалу анодного участка. 3 Защитный потенциал подземного сооружения.  Потенциал защищаемой конструкции, измеренный по отношению к электролиту (для магистральных трубо­проводов— потенциал «труба — грунт»), при котором ток коррозии практически равен нулю, называют защит­ным потенциалом . 4 Защитный потенциал подземного сооружения.   Минимальный защитный потенциал имеет значение, равное начальному потенциалу анодных участков при разомкнутой электрической цепи коррози­онной пары. Как следует из формулы (23), ток коррозии равен нулю при φ0к = φ0а. При более положительных значениях потенциала наступает явление неполной за­щиты (рис. 27, б). Оно может возникнуть при катодной защите подземных сооружений, находящихся в зоне сильного влияния блуждающих токов или при исполь­зовании протекторов, не имеющих достаточного отрица­тельного электродного потенциала (цинковые протек­торы ). Минимальный защитный потенциал для стальных сооружений, уложенных в песчаных и глинистых грунтах, изменяется от — 0,72 до — 1,1 В по МСЭ (медно-суль­фатному электроду сравнения) 5 Защитный потенциал подземного сооружения.  Практически стальные подземные сооружения становятся защищенными на 80— 90% , если потенциал равен — 0,85 В. Эта величина принята как критерий защищенности стальных подземных сооружений (табл. 16). Однако указанный минимальный потенциал достаточен только в случае, если отсутствует анаэробная биокоррозия. При наличии последней защитный потенциал должен быть более отрицательным и равным — 0,95 В. 6 Защитный потенциал подземного сооружения.  При осуществлении электрохимической защиты тру­бопровода на всем его протяжении не удается создать одинаковые значения защитного, потенциала. Так как в наиболее удаленных точках должен быть минимальный защитный потенциал, то на ближних участках трубопровода неизбежно создаются большие значения защит­ного потенциала, что может ускорить разрушение и отслаивание покрытия от металла. Причины этого явле­ния изучены еще недостаточно. Теоретическими и экспе­риментальными исследованиями установлено, что в грун­тах высокой влажности катодная реакция с водородной деполяризацией начинает протекать при потенциале, равном — 1,1В; во влажных грунтах — при потенциале — 1,2 В. 7 Защитный потенциал подземного сооружения.  Однако отслаивание битумных покрытий в ус­ловиях водных электролитов наблюдается и при мини­мальном защитном потенциале, равном — 0,85 В по МСЭ, когда не созданы условия для выделения газооб­разного водорода в результате реакции водородной деполяризации . Такое явление можно объяснить тем, что адгезия битумного покрытия к металлу оказывается не­достаточной, чтобы противостоять силе, действующей на границе раздела «металл— покрытие» в результате скопления миграционной воды (электроосмотические яв­ ления).  Было изучено поведение таких новых видов изоля­ционных материалов, как полимерные материалы и стеклоэмали в условиях катодной поляризации. Экспериментальными исследованиями установлена принципи­альная возможность применения на подземных стальных трубопроводах катодной защиты с повышенным против нормы защитным потенциалом в тех случаях, когда тру­бопровод не находится в постоянном контакте с грунто­выми водами. 8 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  Как следует из схемы катодной защиты, электриче­ский ток, растекающийся с анодного заземлителя в почву, распространяется по ней и поступает на защи­щаемый объект, поляризуя его катодно. Поступивший на защищаемый объект ток собирается в точке дренажа и возвращается к своему источнику (станции катодной защиты — СКЗ). 9 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты   Из схемы катодной защиты (рис. 29) видно, что максимальный ток в цепи катодной защиты будет в точ­ке подключения источника электроэнергии (СК З). По мере удаления 0I точки дренажа в обе стороны трубо­провода сила тока уменьшается. Аналогичная картина наблюдается при распределении наложенного потенциа­ла по длине трубопровода в обе стороны от точки дре­нажа. Если на трубопроводе расположена только одна СКЗ, то наложенный потенциал, постепенно понижаясь, стре­мится к нулю. На практике, как правило, трубопровод защищается несколькими СКЗ, расположенными на не­котором расстоянии одна от другой. Эти СКЗ оказывают электрическое влияние друг на друга, выражающееся в наложении электрических потенциалов. 10 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  Для описания закономерностей изменения наложен­ных потенциалов и силы поляризующего тока по длине трубопровода при катодной защите сделаем следующие допущения: грунт является однородным; трубопровод выполнен из труб одного и того же диаметра с одинако­вой толщиной стенки; изоляция трубопровода равно­мерна по длине и не имеет дефектов, т. е. характеризу­ется постоянной толщиной и одинаковыми диэлектриче­скими свойствами. Из-за принятых допущений все рас­четные формулы дают значения, которые необходимо уточнять на месте специальными измерениями в процес­се наладки и пуска в эксплуатацию системы катодной защиты. 11 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты     Исходными уравнениями, полученными на основании закона Ома для элементарного участка трубопровода длиной dx, расположенного на расстоянии х от точки дренажа, являются следующие. 1. На пути тока от почвы к стенке трубопровода вследствие сопротивления изоляционного покрытия воз­никает разность потенциалов между почвой и трубой где ρиз — удельное электрическое сопротивление мате­риала изоляции. Знак «минус» в правой части уравнения означает, что ток имеет направление из области более положительных в область более отрицательных потенциалов. 12 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты     Комплекс характеризует элек­трическое сопротивление изоляции трубопровода на еди­нице его длины, которое определяется специальными измерениями на трассе трубопровода. С учётом этого можно записать: 2. При протекании электрического тока по стенке трубопровода длиной dx вследствие сопротивления мате­риала трубы возникает разность потенциалов где ρт - удельное сопротивление материала трубопро­вода. 13 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  Комплекс характеризует электрическое трубопровода на единице его дли­ны, следовательно, ­  Разность потенциалов, возникающая между почвой и трубопроводом, можно выразить как   сопротивление где Vп — потенциал земли, зависящий от силы тока, сте­кающего с анодного заземления, и расстояния от анод­ного заземления до рассматриваемой точки на трубо­проводе. Если рассматривать анодный заземлитель как точеч­ный источник тока, то в соответствии с выражением (27) 14 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты   где у — расстояние от анодного заземления до точки дренажа; ρг - удельное электрическое сопротивление грунта.  Из формул (64) и (65) с учетом выражения (63) по­лучаем  С другой стороны из формулы (61) 15 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  Решая совместно уравнения (66), (63) и (67), по­лучаем  Аналогичным путем можно получить  Общими решениями полученных дифференциальных уравнений с достаточной для инженерных расчетов точ­ностью можно считать выражения: 16 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты   где С1 С2, С3, С4— константы интегрирования, которые могут быть определены из граничных условий; α — по­казатель, характеризующий интенсивность изменения силы поляризующего тока и величины наложенного по­тенциала подлине трубопровода, 1/м, Вследствие того что принятыми допущениями огово­рено постоянство величин, определяющих значение и, будем считать, что этот показатель не изменяется по длине трубопровода. Именно при этом условии получе­ны выражения (70) и (71). По этой же причине в науч­нотехнической литературе показатель а принято назы­вать постоянной распределения токов и потенциалов по длине трубопровода. 17 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты   Анализ выражения (72) показывает, что постоянная а уменьшается с ростом толщины стенки трубопровода и изоляционного покрытия, а также при повышении его диэлектрических свойств. При этом наблюдаются мед­ленное изменение потенциалов и токов по длине трубо­провода и значительные по протяженности зоны дейст­вия одной СКЗ. В этом заключается физический смысл постоянной «α». Для определения постоянных интегрирования С1, С2, С3 и С4 рассмотрим два случая катодной защиты трубо­провода. 18 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты   Первы й случай — защита магистрального трубопро­вода большой протяженности с помощью нескольких СКЗ (рис. 30, а). В точке дренажа ( х = 0 ) потенциал и ток имеют максимальные значения, т. е. E=Emax и I = Imax , а на границе защитной зоны одной СКЗ ( х = l) в силу симметрии . Поэтому постоянные интегрирования С3 и С4 можно определить решением системы уравнений 19 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  После подстановки полученных выражений в форму­ле (71) получим зависимость для изменения наложен­ного потенциала по длине трубопровода: 20 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты   Постоянные интегрирования С1 и С2 можно опреде­лить решением другой системы уравнений, полученных на основании описанных выше граничных условии приме­нительно к выражению (70) с учетом формулы (67), После подстановки полученных выражений для C1 и С2 в формулу (70) получим зависимость для изменения поляризующего тока по длине трубопровода: 21 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  После подстановки в формулу (61) зависимостей (74) и (76) для распределения потенциалов и токов по длине трубопровода получаем  где z - входное сопротивление трубопровода, 22 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  На границе защитной зоны одной СКЗ при х =l (l называют плечом защиты трубопровода одной СКЗ) потенциал Е имеет минимальную величину, еще способ­ную защитить трубопровод, E = Emin, поэтому из выра­жения (74) с учетом формулы (77) следует: 23 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты    Окончательно приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты магистрального трубопро­вода с помощью нескольких СКЗ имеют следующий вид: ток СКЗ (в точке дренажа) (Iдр = 2Imax) протяженность защитной зоны одной СКЗ 24 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  Второй случай — защита трубопровода небольшой протяженности с помощью одной СКЗ (рис. 30, б ). Бу­дем считать, что трубопровод длиной L = 2l не имеет электрической связи с другими подземными металличе­скими сооружениями, а СКЗ подключена посередине трубопровода. Граничными условиями для распределе­ния наложенных потенциалов по длине трубопровода будут следующие: в точке дренаж а ( х = 0 ) потенциал E=Eдр ≤ Емах; в конце трубопровода ( х = I) потенциал должен быть равным минимальному защитному значе­нию, т. е. Е = Еmin. Поэтому постоянные интегрирова­ния С3 и C4 можно определить решением системы урав­нений: 25 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты     После подстановки полученных выражений в форму­лу (71) получим зависимость Для определения постоянных интегрирования C1 и С2 запишем следующие граничные условия: при при 26 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  С учетом выражений (70) и (71) получим следующую систему уравнений:  После подстановки полученных выражений в форму­лу (70) получим зависимость для изменения силы поля­ризующего тока по длине трубопровода: 27 Приближенные расчетные формулы для параметров катодной защиты  Из последнего выражения с учетом условия: при получить зависимость  по которой вычисляется токовая нагрузка СКЗ  Учитывая, что в конце защищаемого трубопровода сила тока равна нулю, подставим это граничное условие (/ = 0 при х = l ) в формулу (85). Решение полученного выражения с учетом формулы (86) относительно Едр позволяет определить необходимую величину наложен­ного потенциала в точке дренажа. С достаточной для инженерных расчетов точностью это решение можно преобразовать в расчетную формулу 28 можно