ТПУ. стр 96. Коррозионная защита магистральных трубопроводов в грунтах с различной коррозионной активностью
 Скачать 3.15 Mb.
|
|
Рис. 9. Участок подземного стального трубопровода на выходе из болота (а) и участок подземного стального трубопровода в минерализованном и неминерализованном грунте (б) Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 48 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа Отрезок подземного стального трубопровода, соприкасающийся с более концентрированным грунтом (NaCl), по отношению к участку трубопровода, соприкасающимся с менее концентрированным грунтом, будет анодом в результате активирующего действия ионов хлора на анодный процесс и образования растворимой соли FeCl, которая препятствует образованию защитной пленки на корродирующей поверхности трубопровода. Точно так же, участок подземного трубопровода, находящийся в заболоченной местности, является анодом по отношению к участку трубопровода, проходящему по береговой (более сухой) аэрированной местности. На участках подземного трубопровода, где доставка кислорода затруднена, локализуется анодный процесс. Наоборот, на участках, где доставка кислорода к корродирующей поверхности облегчена, локализуется катодный процесс. На грунтовую коррозию подземных стальных трубопроводов влияют следующие основные факторы: наличие влаги (образование электролита и возможность возникновения электрохимической коррозии). Увеличение влажности грунта облегчает протекание анодного процесса, но затрудняет катодный процесс – снижается аэрируемость металла, то есть уменьшается поступление кислорода. Снижение содержания влаги затрудняет отвод ионов металла. При отсутствии влаги нет электролита и нет электрохимической коррозии; воздухопроницаемость грунтов, зависящая от влажности, пористости, химического состава. С повышением воздухопроницаемости облегчается катодный процесс и ускоряется коррозионное разрушение трубопроводов. Кроме этого, наличие разной аэрации участков приводит к образованию гальванических пар; электрическая проводимость грунтов, которая зависит от влажности, состава и концентрации, структуры грунта. Увеличение засоленности грунтов снижает электросопротивление; Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 49 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа кислотность грунта (рН = 3-7), ускоряющая коррозию металлов в результате дополнительной катодной деполяризации ионами водорода; разнородность грунтов по длине трубопровода, приводящая к образованию макрокоррозионных пар и усилению коррозии металлов; температура транспортируемого по трубопроводу продукта. При повышении температуры скорость коррозии увеличивается, но резко замедляется при замерзании почвенно-грунтового электролита. Различие температур по длине трубопровода (вблизи нефтеперекачивающих и компрессорных станции и на некотором расстоянии от нее) может привести к образованию термогальванических коррозионных пар. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 50 Коррозия обьектов магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа 1. КАТОДНАЯ ЗАЩИТА ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ 2.1. Принципиальная схема катодной защиты трубопроводов Катодную защиту применяют для предотвращения разрушения трубопровода от коррозии, а также, в отдельных случаях, от блуждающих токов при нецелесообразности использования электродренажной защиты. При катодной защите отрицательный полюс источника постоянного тока подключают к трубопроводу, а положительный - к искусственно созданному аноду - заземлению. При включении источника тока электрическая цепь замыкается через грунтовый электролит и на оголенных участках трубопровода в местах повреждения изоляции начинается процесс катодной поляризации (рис. 10). Катодная поляризация конструкции часто сопровождается выпадением на ее поверхности осадка труднорастворимых гидроксидов, а также дополнительным смещением потенциала конструкции в отрицательную сторону вследствие увеличения концентрационной поляризации, что приводит к повышению эффективности катодной защиты. Защите от электрохимической коррозии предшествует электрометрические изыскания, сущность которых заключается в подготовке исходных данных для выполнения необходимых расчетов и проектных работ. Как известно, электрометрические изыскания включают в себя проведение измерений удельного сопротивления грунта или отбор проб грунта для определения в лабораторных условиях коррозионной активности, измерений градиентов потенциала, потенциала сооружение – грунт, производство опытных защит, определение эффективности существующей защиты. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 51 «Коррозионная защита магистральных трубопроводов в грунтах с различной коррозионной активностью» Разраб . Ф.И.О. студ. Руковод. Крец В.Г. Консульт. Рук-ль ООП Брусник О.В. А.В. В. Катодная защита подземных трубопроводов Лит. Листов 140 ТПУ гр. 2Б6А Рис. 10. Принципиальная схема защиты трубопроводов: 1 – трубопровод; 2 – внешний источник постоянного тока; 3 – соединительный провод; 4 – анодное заземление Изыскания начинают с определения коррозионной активности грунтов методом четырехэлектродной установки, либо по плотности катодного тока. Интервалы измерения удельного сопротивления грунта или отбора проб находятся в пределах от 0,1 до 4 км. Частоту измерения определяют исследователи. В последующем измеряют потенциалы сооружение – грунт, если имеются подземные коммуникации, определяют наличие блуждающих токов. В случае необходимости проводят суточные записи потенциалов сооружение – грунт. На трубопроводах измерение потенциалов проводят через расстояние от 200 до 1000 км. Определяют эффективность существующей защиты. При отсутствии подземных коммуникаций измеряют градиент потенциала. Для ускорения производства электрометрических изысканий используют передвижные лаборатории. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 52 Катодная защита подземных трубопроводов 2.2. Анодное заземление Анодное заземление служит для ввода тока в грунт при защите от коррозии подземного трубопровода. К анодному заземлению предъявляются следующие требования: 1) минимальное переходное сопротивление растеканию тока; 2) наименьшие габаритные размеры; 3) наиболее долговечный и недефицитный материал; 4) простота установки; 5) невысокая стоимость. 2.2.1. Виды анодных заземлителей Принципиально заземлитель может быть изготовлен из любого токопроводящего материала (металл, графит и т. п.). При выборе материалов для анодов в установках катодной защиты часто останавливаются на наиболее простом и доступном материале – стальном ломе. Анодные заземлители, изготовленные из самого дешевого материала (стальной лом), оказываются очень дороги по той причине, что требуется их частая замена. Высокая скорость растворения стальных анодов является основным недостатком, препятствующим широкому применению стали в качестве анодного материала для системы катодной защиты. Поэтому стальной лом для анодных заземлителей используют в том случае, когда он не дефицитен, а частая замена не представляет трудностей. Срок службы анодных заземлителей увеличивается, если применяются малорастворимые металлы. Для снижения потерь металла анодные заземлители устанавливают в активатор - неагрессивные электропроводящие засыпки из измельченной и утрамбованной коксовой и угольной крошки. В некоторых случаях применяют отходы электродного производства - графитовую крошку и шлак. При применении коксовой засыпки изменяется электрохимический механизм работы анодного заземлителя. Одновременно с ионной Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 53 Катодная защита подземных трубопроводов проводимостью на границе стальной заземлитель - грунт, связанной с растворением металла, возникает электронная проводимость на границе стальной заземлитель - засыпка. Стекание электрического тока в грунт с прессованной коксовой засыпки не вызывает растворения поверхности заземлителя. Характер электрохимических процессов, протекающих на поверхности анодного заземлителя, зависит от количества влаги в приэлектродном слое заземлителя, определяемого влажностью грунтов. В засыпке не должно быть свободного грунтового электролита. В противном случае на поверхности заземлителя появляется ток ионной проводимости и стальной электрод начинает разрушаться. По этой причине в грунтах насыщенной влажности (для коренных песков — 20 %, супесей — 25 % и суглинков — 30 %), где с поверхностью стального электрода контактирует грунтовый электролит, применение коксовой засыпки неэффективно. Стальные электроды разрушаются с той же скоростью, что и без засыпки. Для влажных и маловлажных грунтов интенсивность разрушения стальных электродов в коксовой засыпке определяется электрохимическим эквивалентом для стали в коксе, который в 1,5 — 2,0 раза ниже, чем для стали в грунте в зависимости от плотности анодного тока. Исследования в области применения коксовой мелочи показали, что для стальных анодов благоприятным условием работы является коксовая мелочь со степенью грануляции 1,2 — 2,5 мм. При таком гранулометрическом составе коксовой мелочи расход стального лома наименьший и в среднем составляет 4,5 кг/(А*год). Благодаря засыпке снижается переходное сопротивление анод – грунт, облегчается отвод газов, обеспечивается более равномерная работа всей поверхности анода. Для того чтобы анод был полностью предохранен от разрушения, свойства засыпки необходимо тщательно контролировать, она должна иметь Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 54 Катодная защита подземных трубопроводов низкое удельное сопротивление порядка 0,1 Ом •м. Если сопротивление больше необходимой величины, в нее добавляют графит. К числу современных анодов, применяемых для катодной защиты с наложенным током, относят ферросилидовые, графитовые, коксографитовые, а также аноды из алюминия, платины, платинированного титана, тантала и др. Ниже дается краткое описание большинства перечисленных анодов с указанием их преимуществ и недостатков, а также условий, благоприятствующих их применению. При работе коксовой мелочи в качестве наполнителя заземлителя влага из окружающего грунта проникает между зерен коксовой мелочи и заполняет свободное пространство между электродом и грунтом. Благодаря этому дополнительно включается ионная проводимость влаги между электродом и грунтом, а общее сопротивление заземлителя снижается. Графитовые аноды, длительно применяющиеся в электрохимической промышленности, применяются и в системах катодной защиты. Графит является стабильной модификацией углерода, и конечным продуктом его превращений под действием электрохимического процесса является двуокись углерода. Если весь ток, накладываемый при катодной защите на графитовый анод, будет образовывать углекислый газ, скорость разрушения графитового анода составит 1 кг/(А • год) Одной из причин разрушения графита является кислород, который освобождается на его поверхности. Однако при высокой концентрации хлора в реальных электролитах (грунтовых), замедляется процесс разрушения графита кислородом, так как выделение хлора происходит гораздо быстрее нежели кислорода. Поэтому аноды из графита весьма хорошо ведут себя в хлорсодержащих средах (например, морской воде). Графитовые аноды обычно устанавливают в засыпку из коксовой мелочи, и при этом собственно анодом становится коксовая засыпка. Сопротивление растеканию тока уменьшается, а кислород, освобожденный Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 55 Катодная защита подземных трубопроводов на аноде, адсорбируется коксом. Таким образом, графит будет защищен от окисления. К недостаткам графитированных анодов относят их низкую ме- ханическую прочность и хрупкость. Дефицитность и высокая стоимость в России не позволяют рекомендовать их к широкому внедрению. Углеродистые электроды обычно имеют пористую структуру. В порах могут скапливаться выделяющиеся газы и, кроме того, по ним может проникать влага к металлическому токовводу, подвергая его коррозии. Поэтому с целью снижения скорости разрушения углеграфитовых электродов их пропитывают маслами или смолами. В 1954 г. был предложен и испытан сплав ферросилида. В сообщениях об опыте использования ферросилидовых анодов отмечено, что ферросилид может быть применен для анодов при обычных плотностях тока с очень небольшими потерями металла. Потери металла (ферросилида) находятся в пределах 0,08-0,70 кг/(А • год). Своей стойкостью к электрохимическому разрушению ферросилид обязан образованию на поверхности плотно сцепляющейся, проводящей пленки Si0 2 , его способности (в отличие от графита) лучше работать в условиях преимущественного выделения кислорода на аноде. При работе таких заземлителей (АКО-2М, АЗМ-2) на их поверхности образуется коричневая пленка, а в некоторых местах образуется точечная коррозия (при этом питтинги иногда достигают в диаметре 25 мм), что приводит к выходу из строя заземлителя. Кроме того, с увеличением плотности анодного тока повышается интенсивность растворения ферросилидовых анодов. Применение свинцовых сплавов в качестве анодов катодной защиты известно с 1960-х гг. Для этих целей использованы следующие сплавы: 1) свинец, 12 % сурьмы, 14 % серебра; 2) свинец, 28 % мышьяка; 3) свинец, 6,7 % сурьмы, 3 % олова, 0,98 % серебра. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 56 Катодная защита подземных трубопроводов Добавка небольшого количества серебра делает такие сплавы "малорастворимыми". Этот эффект объясняется образованием на поверхности анода плотного хорошо проводящего оксидного слоя РЬ0 2 , который и является токоотдающей поверхностью. При отсутствии легирующих добавок в виде серебра этот слой становится пористым и в работу включается нижележащий металлический свинец, который быстро растворяется. Электрохимический эквивалент анодов из сплавов свинца в грунте составляет порядка 0,4 - 0,6 кг/(А • год). С электрохимической точки зрения, их преимуществами являются: низкая скорость разрушения, возможность применения высоких плотностей тока, хорошая электрическая проводимость сплава. К недостаткам следует отнести то, что эти аноды необходимо устанавливать в среде с большим содержанием хлора, что не всегда выполнимо для подземных трубопроводов. Перспективным материалом для анодных заземлителей является магнетит - сплав на основе оксидов железа. Изделия из магнетита отливают при высокой температуре со специальными добавками. Литой электрод гладкий, твердый и плотный как стекло. Электрохимический эквивалент магнетита составляет 0,02 кг/(А • год). Анодные заземлители из магнетита проходят промышленную апробацию. В настоящее время имеется опыт катодной защиты с платинированными титановыми анодами трубчатой формы с медным сердечником. Изготавливают такие аноды диаметром от 3,0 до 25,6 мм, покрытыми платиной в 20 мк. Несмотря на ряд преимуществ сплавов в качестве анодов, они имеют такие недостатки, как хрупкость и ломкость, высокая стоимость. Электрохимический эквивалент радованных титановых анодов составляет порядка 0,08 – 0,15 кг/(А*год). Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 57 Катодная защита подземных трубопроводов Платинированные танталовые аноды применимы при большом рабочем напряжении в системах катодной защиты, где возможно осуществить автоматическое регулирование потенциала. Платину относят к наиболее химически стойким металлам, пла- тинированные аноды можно применять при плотности анодного тока 2000- 3000 А/м 2 . Однако высокой стоимостью и дефицитностью платины ограничивается возможность ее применения в чистом виде. Поэтому она применяется либо в виде тонкого покрытия на подложке из пассивирующихся металлов титана, тантала или ниобия, либо в виде проволоки или сетки, укрепленных в основе из диэлектрика. В ходе длительных испытаний при плотностях тока от 4,4 до 40 А/м 2 титан—никелевых сплавов для анодов, применяемых в системах катодной защиты, расход материала составил от 1 до 10 г/(А • год). Это были бы хорошие результаты, если бы не наблюдался процесс питтингообразования. А в случае выделения на поверхности анода кислорода или хлора скорость саморастворения увеличивается в результате подкисления приэлектродного слоя, пропорционально плотности тока. Поэтому литые титан - никелевые аноды не могут обеспечить надежную работу катодной защиты. За рубежом и в России для анодных заземлителей используют электропроводную резину. Внутри резинового тела, представляющего собой гибкий электрод диаметром от 20 до 50 мм, проходит непрерывный токоотвод в виде многопроволочной медной или омедненной стальной жилы. Кроме того, для анодных заземлителей применяют малорастворимые материалы на основе токопроводящих эластомеров и полимеров. Электрохимический эквивалент этих конструкций находится в пределах 0,5 кг/(А*год). Поставляют их в бобинах длиной от 500 до 600м в зависимости от диаметра. Анодные заземлители из этих материалов проходят промышленную апробацию. Планируют их использовать для горизонтальных и протяженных конструкций. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 58 Катодная защита подземных трубопроводов Из применяемых в настоящее время малорастворимых материалов (графит, ферросилид, платинированный титан и т. д.) ни один в полной мере не удовлетворяет практическим запросам, что обусловливает продолжение поиска новых материалов, среди которых в последнее время уделяется большое внимание композиционным материалам. В последние годы начали применять электроды из прессованного графитированного порошка на связующем из фенолоформальдегидной смолы. Этот материал известен под названием графитопласт типа АТМ-1. Графитопласт обладает низкой механической прочностью, однако он хорошо обрабатывается. Имеется промышленная база для производства в количестве, удовлетворяющем потребности нефтяной промышленности. Скорость анодного растворения графитопласта составляет 0,5-1,0 кг/(А • год). Изготовлением графитопластовых электродов в виде полых цилиндров большого диаметра в некоторой степени компенсируют низкую прочность материала. Помещая токовводы и соединительные кабели в полость трубчатого электрода, где электрическое поле отсутствует, можно надежно предохранить эти элементы от разрушающего действия анодного тока. ВНИИСТом разработан анодный заземлитель в коксобетонной оболочке. Коксобетон является композиционным материалом, состоящим из коксовой мелочи, цементного камня и жидкой фазы, которая представляет собой водный раствор электролитов. Изготовляют анодные заземлители в коксобитумной оболочке. В качестве углеродсодержащего наполнителя используют коксовую мелочь, а в качестве связующего берут битумно - резиновую мастику. Анодные заземлители изготовляют методом прессования при давлении не менее 30 МПа. Удельное электрическое сопротивление материала оболочки не превышает 0,2 Ом•м. Для повышения механической прочности и долговечности иногда рекомендуют в оболочку добавлять различные полимеры. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 59 Катодная защита подземных трубопроводов Находят применение для стальных анодов обмазки, состоящие из смеси полупроводникового окисла и стекла. Полученное покрытие обладает достаточной стойкостью в средах, содержащих ионы хлора. При работе таких анодных заземлителей на границе электрод-оболочка, за счет выхода на поверхность выделяющихся газов, оболочка разрывается и заземлители быстро выходят из строя. В качестве протяженных анодных заземлителей можно использовать заземлители из электропроводящего эластомера типа ЭРП, «Райхем», «AnodeFlex» и др. Заземлители представляют собой гибкий электрод из электропроводящего эластомера диаметром от 10 до 50 мм, по оси которого расположен непрерывный токоввод в виде многопроволочной медной или омедненной стальной жилы (рис. 11). |