Протекторная защита магистрального газопровода от коррозии

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Одно из самых опасных  разрушающих явлений для стального  трубопровода является – коррозия,  в некоторых зонах она может достигать 2-4 мм/год. В связи с этим строительство магистрального трубопровода обязательным образом включает в себя мероприятия по защите сооружения от коррозии, а именно – его изоляции. Изоляция трубопровода бывает пассивная (нанесение изоляционного покрытия на заводе или на трассе) и активная (электрохимическая защита). Причем пассивная изоляция действует с начала эксплуатации трубопровода, а активная включается через некоторое время в зависимости от агрессивности почвы.

В данной работе подробно рассмотрен один из способов электрохимической защиты трубопровода от почвенной коррозии, - протекторная защита.

Почвенная коррозия

Под коррозией металлических  трубопроводов понимается самопроизвольное разрушение их под действием различных факторов химического или электрохимического характера, определяемых окружающей трубопровод средой.

Химическая коррозия – самопроизвольное окисление металла под воздействием окружающей среды токонепроводящей среды. При этом продукты коррозии образуются непосредственно на участке поверхности металла, подвергающегося разрушению.

Электрохимическая коррозия – коррозия металлов в электолитах, сопровождающаяся образованием электрического тока. При этом взаимодействие металла с окружающей средой разделяется на анодный и катодный процессы, протекающие на различных участках поверхности раздела металла и электролита.

Почвенная коррозия относится  к электрохимической коррозии, однако ей присущи особенности:

1) связь влаги с  окружающей средой:

- физико-механическая  связь (свободная вода в порах грунта);

- физико-химическая связь  (влага адсорбированная на поверхности грунта или металла);

- химическая (гидратированная)  влага, входящая в химическое  соединение Fe∙nH₂;

2) неоднородность структуры  и состава грунта, как в микро-, так и в макромасштабах;

3) почти полное отсутствие  перемешивания твердой фазы грунта (замедление процесса коррозии во времени);

4) неодинаковый доступ  кислорода воздуха к поверхности  металла.

 

Основные причины  возникновения коррозионных элементов  на трубопроводе

Условия возникновения  коррозии являются:

- наличие разнородности  грунтовых участков, имеющих различные потенциалы;

- наличие разнородных  грунтовых участков;

- наличие средств проводящих  электрический ток.

Причины возникновения  коррозионных элементов на трубопроводе:

1) микронеоднородность  состава металла (присутствие  механических примесей в металле труб).

2) Наличие окалины  на поверхности металла (микронеоднородность  состояния поверхности металла).

3) Наличие продольных  и поперечных сварных швов, являющихся  наиболее опасными участками  в трубопроводах.

4) Различные напряженные состояния поверхности металла (растянутые участки имеют менее отрицательный потенциал).

5) Различная глубина  заложения трубопровода.

6) Чередование грунтов  с различными физико-химическими  свойствами.

7) Температура. С увеличением  температуры происходит увеличение протекания анодных процессов, т.е. увеличивается скорость коррозии.

1. Условия применения и принцип действия  протекторной защиты магистральных трубопроводов    от коррозии

Протекторные установки  предназначены:

- для защиты от почвенной  коррозии участков большой протяженности, удаленных от источников электроснабжения, где нецелесообразно применение катодной защиты внешним током;

- на участках, защищенных  СКЗ, - в местах неполной защиты, для обеспечения необходимого  защитного потенциала;

- для защиты от почвенной коррозии патронок (кожухов) на переходах через железные и автомобильные дороги;

- на участках блуждающих  токов – в качестве земляных  микродренажей.

Протекторы также устанавливают  на изолирующих фланцах для снятия анодных зон, на электрических перемычках при совместной защите подземных сооружений для устранения электрохимического взаимодействия между ними, для защиты металлических подземных емкостей и др.

Средний срок службы протектора – 5-10 лет.

Таким образом,  положительные  стороны данного способа ЭХЗ:

- эффективность;

- простота устройства;

- удобность эксплуатации;

- автономность.

Отрицательные стороны – снижение эффективности при значительном удельном сопротивлении грунта, окружающего протектор, и использование дефицитных материалов.

Рис.1. Принципиальная схема протекторной установки:

1 – трубопровод; 2 – точка дренажа; 3 – изолированный  соединительный провод;

4 – протектор;  А – анод; К – катод.

 

Протекторная защита трубопроводов основана на принципе работы гальванических пар. При защите подземных металлических объектов с помощью протекторных установок к трубопроводу подключают протектор (анодный электрод), имеющий более низкий электрохимический потенциал, чем потенциал металла трубы. Создаются условия, при которых трубопровод выступает в качестве катода, а электрод (протектор) в качестве анода, в результате добиваются прекращения коррозионного разрушения трубопровода за счет интенсивного разрушения протектора.

При устройстве протекторной защиты к стальному трубопроводу подключают металлический протектор. В результате этого образуется гальванический элемент «труба-протектор», в котором трубопровод является катодом, протектор – анодом, а почва – электролитом.

Таким образом, протекторная защита имеет те же основы, что и  катодная защита. Разница заключается в том, что необходимый для защиты ток создается крупным гальваническим элементом, поэтому протекторную защиту иначе называют защитой гальваническими анодами. При этом положительный полюс находится на защищаемой поверхности, а отрицательный – на разрушаемом аноде, то есть в порядке, обратном порядку при катодной защите с наложенным током от внешнего источника.

2. Протекторные  установки

2.1. Металлы и сплавы, применяемые для изготовления  протекторов

 Требования, предъявляемые  к материалу протектора:

- материал протектора  должен иметь более отрицательный  потенциал, чем потенциал трубопровода;

- на поверхности протектора  не должны образовываться плотные  окисные пленки (материал протектора должен иметь малую анодную поляризуемость);

- материал протектора должен иметь высокий КПД, т.к. происходит самокоррозия протектора;

- материал протектора  должен иметь высокую удельную  токоотдачу, то есть g → max [А∙час/кг];

- количество электроэнергии  с единицы веса (токоотдача) должна  быть максимальной при минимальной стоимости.

В качестве материалов протекторов  используют алюминий, цинк и магний, а так же сплавы на их основе.

Таблица 1

Физико-химические свойства металлов,

используемых  в качестве протекторов

Показатели	Магний	Цинк	алюминий
Относительная молекулярная масса	24,32	65,38	26,97
Валентность	2	2	3
Электрохимический эквивалент, кг/(А∙год)	3,97	10,7	2,94
Токоотдача, (А∙час)/кг	2200	820	2980
Равновесный электродный  потенциал по нормальному водородному электроду, В	-2,34	-0,76	-1,67

 

2.2. Заполнители

Повышение эффективности  действия протекторной установки достигается погружением его в специальную смесь солей, называемую активатором (он же – заполнитель). Непосредственная установка протектора в грунт менее эффективна, чем в активатор.

Назначение активатора следующее:

- снижение собственной коррозии;

- уменьшение анодной поляризуемости;

- снижение сопротивления растеканию тока с протектора;

- устранение причин, способствующих образованию плотных слоев продуктов коррозии на поверхности протектора.

При использовании активатора обеспечивается стабильный во времени ток в цепи «труба-протектор» и более высокое значение КПД (срока службы протектора).

Активатор готовится  путем смешения сухих солей и  глины с водой до вязкой консистенции по рецептам.

На один протектор  необходимо готовить 65-70 кг активатора.

Таблица 2

Заполнители и  электродные потенциалы протекторов 

из различных  материалов

Материал протектора	Состав заполнителя		Электродный потенциал,В
	Ингредиенты	%
Магний	MgSO4 CaSO4 Глина	25 25 50	-1,7
Алюминий	Ca(OH)2 NaCl Глина	25 25 50	-1,47
цинк	Na2SO4 CaSO4 Глина	25 25 50	-1,2

2.3. Конструкция протекторов

Магниевый протектор  МГА (ВНИИСТа) представляет собой монолитный цилиндр, в центре которого по продольной оси заплавлен сталной сердечник в виде стержня. Через этот стержень осуществляется электрический контакт протектора с проводником, подключаемым к защищаемому трубопроводу.

Для лучшей изоляции внешней части вывода стального сердечника в протекторе имеется воронка. Изоляция вывода необходима для исключения возможности образования гальванопары сердечник – сплав протектора.

Протекторы могут быть с выводами сердечника в обоих  торцах. Такая конструкция позволяет осуществлять их монтаж в случае применения нескольких протекторов в виде гирлянд с вертикальной или горизонтальной установкой.

В зависимости от размеров протекторы разделяют на несколько  марок, приведенных в таблице 3.

Таблица 3

Магниевые протекторы МГА

				Стальной сердечник
Марка	Диаметр, мм	Высота, мм
протектора			Вес, кг	форма	диаметр	выводы с торца
МГА-1	110	600	10,36	Спиральная	3	одного
МГА-2	110	600	10,36	То же	3	Обоих
МГА-3	85	500	5,20	»	3-4	Одного
МГА-4	85	500	5,20	»	3-4	Обоих
МГА-5	110	600	10,36	Стержня	4—5	Одного
МГА-6	110	600	10,36	То же	4-5	Обоих
МГА-7	85	500	5,20	»	3-4	Одного
МГА-8	85	500	5,20	»	3-4	Обоих

 

 

Магниевые протекторы (электроды) типа ПМ (таблица 4) представляют собой удлиненный блок D-образного сечения. В верхнем торце протектора имеется воронка с выводом стального сердечника, служащего для подключения соединительного проводника к протектору. Место соединения проводника с протектором изолируется битумной мастикой путем заливки ее в воронку протектора. Потенциал «протектор-грунт» для этих сплавов (при разомкнутой цепи «протектор – труба») практически равен -1,6 В по медно-сульфатному электроду сравнения.

Таблица 4

Техническая характеристика электродов ПМ

и комплектных  протекторов ПМ-У

Показатели	Тип электрода			Тип комплектных протекторов
	ПМ-5	МП-10	ПМ-20	ПМ5У	ПМ10У	ПМ20У
Размеры, мм высота в плане диаметр	500 75х100 -	600 100х130 -	610 155х175 -	580 - 165	700 - 200	710 - 270
Масса,кг	5	20	20	16	30	60

 

Прутковые (ленточные) магниевые протекторы применяют при защите магистральных трубопроводов от коррозии в грунтах с удельным электрическим сопротивлением грунта (ρ_гр) до 300 Ом∙м. Их изготавливают из Mg-95, содержащего 99,95% этого металла.

При изготовлении магниевые  прутки наматывают на кабельные барабаны. Строительная длина прутка – 1км.

В середине прутка запрессован  стержень из стальной оцинкованной проволоки, используемой для армирования и  обеспечения контакта (таблица 5).

Рис. 2.  Конструкция пруткового магниевого протектора

 

 

 

 

 

 

Таблица 5

Типы и размеры  магниевых прутковых протекторов

Тип протектора	Вид сечения	Площадь,  м2	Размеры, мм			Масса 1м  протектора, кг
			а	б	в
ПМП 20х10		200	20	10	-	0.35
ПМП 30х15		450	30	15	-	0.78
ПМП 20		310	-	-	20	0.70
ПМП 30		700	-	-	30	1.30
ПМП 40		1250	-	-	40	2.70

2.4. Устройство протекторной  установки

Основными элементами протекторных установок являются протектор, активатор  и проводник, предназначенный для подключения протектора к трубопроводу. Для измерения электрических параметров контрольных протекторных установок предусматриваются контрольно-измерительные пункты.

Защиту трубопроводов  от почвенной коррозии можно осуществлять одиночными протекторами или группами протекторов, в соответствии с этим существует две схемы устройства протекторной установки (рис.3 и рис.4).

Рис. 3. Одиночная протекторная установка.

1- трубопровод; 2-точка  дренажа; 3-изолированный провод; 4- протектор; 5-заполнитель;

6-насыпной грунт; h-глубина промерзания грунта, 0,3 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Групповая протекторная установка.

1-трубопровод; 2-протектор; 3- соединительные кабеля; 4- кабель подключения трубопровода;

5-контрольно измерительный  пункт; 6- перемычка, 7- точка дренажа.

 

 

Если состояние изоляционного  покрытия трубопровода хорошее, применяют одиночные протекторные установки (ОПУ), которые располагают на расстоянии 3÷7 м от трубопровода. Глубина установки от поверхности земли до верха протектора должны быть не менее 2м и ниже промерзания грунта на 0,2м.

ОПУ устанавливают без  измерительной колонки. Для отыскания  протектора на трассе ставят опознавательный знак.

Групповые протекторные установки (ГПУ) применяют при защите участков трубопроводов с плохой изоляцией или неизолированных патронов на переходах трубопроводов через шоссейные и железные дороги для увеличения срока службы. Число протекторов в группе зависит от состояния изоляционного покрытия, диаметра трубопровода, удельного сопротивления грунта. ГПУ размещают на расстоянии 10-12м от оси трубопровода. Расстояние между протекторами в группе – 15м. Рекомендуется ГПУ располагать через 500-1000 м.

ГПУ имеют контрольно-измерительные  колонки, в которые выводят изолированные  провода и дренажный провод от трубопровода наличие в измерительной колонке перемычек позволяет соединять протекторы между собой и трубопроводом, а при необходимости контроля – подключать контрольно-измерительные приборы.

Протекторы располагают  по одну сторону от защищаемого трубопровода. Если защищают две параллельные нитки труб, протекторы устанавливаются с внешней стороны каждого трубопровода.

Протекторы могут устанавливаться  вертикально в пробуренные скважины или горизонтально в общей траншее. Соединительный провод протектора присоединяют к трубопроводу термитной сваркой, а затем изолируют и засыпают.

 

 

 

Заключение

При проведении работ  по сооружению протекторной защиты следует избегать загрязнений окружающей среды горюче-смазочными, изоляционными материалами, строительными отходами, для чего необходимо на стадии проектирования протекторной защиты предусмотреть способы переработки или захоронения отходов.

На всех этапах сооружения протекторной защиты следует предусмотреть мероприятия, нейтрализующие или предотвращающие неблагоприятные рельефообразующие процессы, возникающие или активизирующиеся вследствие строительства объектов протекторной защиты.

На всех этапах строительства протекторной защиты следует избегать нарушения естественной дренажной сети,  восстанавливать ее в близком к существовавшему до начала строительства виде в ходе рекультивационных работ.

При сооружении объектов протекторной защиты необходимо обеспечить соблюдение правил противопожарной безопасности, особенно при работах в пределах лесной зоны и зоны многолетнемерзлых пород в месяцы с положительными среднесуточными температурами воздуха.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Дизенко Е.И., Новоселов В.Ф., Тугунов П.И., Юфин В.А. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров. М., изд. «НЕДРА», 1978г.

 

2. Ментюков И.В. Электрохимическая защита магистральных трубопроводов от коррозии. М., ГАНГ, 1996г.

 

3. Васильев Г.Г., Орехов В.В., Ментюков И.В. Противокоррозионная защита трубопроводов. Учебное пособие. М., РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2001г.

 

4. Котик В.Г. Катодная защита магистральных трубопроводов. М., изд. «НЕДРА», 1964г.