Практическое занятие 2 расчет электрохимической защиты подземных сооружений

Цель занятия: освоение методики расчета параметров катодной защиты подземных сооружений.

Теоретические сведения

Подземные металлические сооружения подвергаются коррозии при взаимодействии металла сооружения с окружающей средой ( грунтом, водой и т.д.), а также под воздействием блуждающих токов. Источниками блуждающих токов являются электрифицированный рельсовый транспорт, установки катодной защиты, гальванические цеха и другие объекты, использующие постоянный ток. Блуждающие токи, протекая по земле и встречая на своем пути подземные металлические сооружения, ответвляются на них, так как их сопротивление на несколько порядков меньше сопротивления грунта. При этом коррозионные разрушения возникают в тех местах, где потенциал сооружения по отношению к земле положителен, то есть там, где ток стекает с сооружения в окружающую среду.

При смещении потенциала от стационарного значения в положительную сторону основной реакцией, на которую затрачивается внешний анодный ток, является реакция растворения железа. Поэтому количество прокорродировавшего металла может быть подсчитано по закону Фарадея:

Q = qI,

где Q – масса растворившегося железа в г;

q – электрохимический эквивалент железа в г/(А·ч);

I – сила тока в А;

 – продолжительность протекания анодного тока в ч.

Так, например, при анодном токе 0,1 А в течение 30 суток растворится

Q = 1,0424х0,1х30х24 = 75 г железа.

В связи с трудностью непосредственного измерения плотности тока оценку опасности коррозии производят по потенциалу, который, однако, не позволяет оценить количество разрушаемого металла.

Как показывают эксплуатационные данные и результаты специальных исследований, коррозия подземных сооружений под воздействием знакопеременных блуждающих токов идет замедленно по сравнению с коррозией в устойчивых анодных зонах. При этом оценка степени коррозионной опасности может быть произведена по величине коэффициента несимметричности блуждающих токов , характеризующего отношение количества электричества, стекающего с сооружения в течение анодных импульсов, к общему количеству электричества, прошедшего в течение анодных и катодных импульсов за определенный отрезок времени.

При   0,6 защита необходима так же, как и при наличии устойчивой анодной зоны. При  = 0,3  0,6 катодная поляризация осуществляется во вторую очередь после защиты в устойчивых анодных зонах. При   0,3 в устройстве защиты нет необходимости.

Для получения объективной информации об опасности электрокоррозии или степени защищенности подземных сооружений, находящихся в поле блуждающих токов, пользуются определенной методикой электроизмерений при помощи специальной аппаратуры.

Борьба с коррозией подземных сооружений может осуществляться различными методами, выбор которых в каждом конкретном случае основывается на закономерностях протекания коррозионных процессов.

Все существующие методы защиты подземных сооружений от коррозии делятся на две основные группы.

К первой группе относятся мероприятия, имеющие целью:

1. изоляцию металлического сооружения от окружающей среды;

2. ограничение увлажнения окружающей среды;

3. ограничение натекания блуждающих токов на защищаемый объект.

Эти мероприятия обычно предусматривают на стадии проектирования подземных сооружений. Наиболее эффективной изоляцией в настоящее время является изоляция полимерными пленками и стеклоэмалевыми покрытиями. Ограничение увлажнения окружающей среды осуществляется устройством дренажа грунтовых и ливневых вод, планировкой поверхности над трассой сооружения и т.д. Для ограничения величины блуждающих токов увеличивают переходное электрическое сопротивление между сооружением и землей и продольное электрическое сопротивление сооружения. Переходное сопротивление определяется главным образом свойствами применяемого антикоррозионного покрытия. Общая величина продольного сопротивления может быть значительно повышена путем секционирования сооружения на участки, электрически не связанные между собой. Секционирование осуществляется путем устройства специальных изолированных стыков в виде изолирующих фланцев. Это мероприятие наиболее эффективно на участках входа подземных сооружений на объекты источников блуждающих токов. В ряде случаев для повышения эффективности действия средств активной защиты электрическое секционирование применяется для изоляции искусственного заземления наземных участков сооружений. Следует отметить, что электрическое секционирование применяется главным образом как вспомогательное средство защиты подземных сооружений в общем комплексе защитных мероприятий.

Ко второй группе относятся мероприятия по электрической защите подземных сооружений. Она является одним из наиболее эффективных средств предотвращения коррозионного разрушения подземных сооружений. Электрическая защита может осуществляться при помощи:

1. электродренажных устройств;

2. станций катодной защиты;

3. протекторов.

Применение электрической защиты не только не исключает, а, наоборот, повышает роль пассивных методов защиты. Наиболее эффективно, с точки зрения суммарных затрат на защиту и продление срока службы подземных сооружений, сочетание электрической защиты с высококачественными антикоррозионными покрытиями. Применение того или иного способа электрозащиты определяется характером и степенью коррозионной опасности, а также технико-экономической целесообразностью.

Электрическим дренажом называют способ защиты подземных металлических сооружений от электрокоррозии, заключающийся в отводе блуждающих токов от защищаемого сооружения к источнику этих токов. Существует три вида электродренажей: прямой, поляризованный и усиленный.

Прямой дренаж, когда защищаемое сооружение соединяется непосредственно с источником блуждающих токов, в отличие от поляризованного и усиленного не обладает вентильными свойствами. Поэтому он может применяться только тогда, когда разность потенциалов между сооружением и источником тока положительна по знаку. Так как это условие в большинстве случаев не обеспечивается, то прямой дренаж применяется редко.

При поляризованном дренаже соединение объектов осуществляется через полупроводниковый диод, пропускающий ток только в одном направлении. Это предотвращает ускоренное разрушение защищаемого объекта при его обратной полярности.

Величина сопротивления кабеля R_дк, Ом, электродренажа может быть определена по формуле

,

где – средняя величина разности потенциалов между точками присоединения дренажа к трубопроводу и рельсам за время опытного дренирования в В;

– средняя величина дренажного тока за время опытного дренирования в А;

R_ду – сопротивление проектируемого дренажного устройства, определяемого по вольтамперной характеристике в Ом.

Сечение дренажного кабеля S, мм, определяется по формуле

,

где  – удельное электрическое сопротивление металла токопроводящих жил кабеля в Ом·мм²/м;

l – общая длина проектируемого дренажного кабеля в м.

Полученная расчетным путем величина сечения дренажного кабеля проверяется на допустимые длительные токовые нагрузки.

Технические характеристики преобразователей поляризованной дренажной защиты, выпускаемых промышленностью, приведены в табл. 12.

В практике все большее применение находит усиленный электродренаж, представляющий собой сочетание поляризованного дренажа с вольтодобавочным устройством. Основное преимущество этого дренажа заключается в возможности защиты подземного сооружения при малых разностях потенциалов между ним и источником тока, а также в случае знакопеременной разности потенциалов. Дополнительная ЭДС, включаемая в цепь дренажа, позволяет получить величину тока дренажа в пределах, необходимых для обеспечения защитного потенциала на сооружении, что невозможно обеспечить путем применения поляризованных дренажей, обладающих низкой чувствительностью. Усиленный дренаж является единственным эффективным средством защиты при одновременном наличии нескольких источников блуждающих токов, а также при разветвленной сети подземных сооружений, имеющих плохое изоляционное покрытие.

Величина сопротивления дренажного кабеля R_дк, Ом, при усиленном дренаже определяется по формуле:

,

где – R⁰_дк сопротивление дренажного кабеля при опытном дренировании в Ом;

– средняя величина тока усиленного дренажа при опытном дренировании в А;

U⁰_уд – напряжение на зажимах усиленного дренажа при опытном дренировании в В;

U_уд – напряжение на зажимах проектируемого усиленного дренажа при токе в В.

Сечение дренажного кабеля определяется так же, как и при поляризованном дренаже.

Технические характеристики преобразователей усиленной дренажной защиты приведены в табл. 13.

При катодной защите подземное сооружение подвергается катодной поляризации от постороннего источника постоянного тока. При этом происходит изменение потенциала сооружения и, как следствие, подавление реакции ионизации металла. Для того, чтобы реакция растворения металла полностью прекратилась, необходимо заполяризовать катодные участки до потенциала анодных, который они имеют до наложения защитного тока. Значение потенциала, при котором процесс электрохимической коррозии прекращается, называется защитным потенциалом.

Если же катодная поляризация осуществляется при помощи искусственно созданных гальванических элементов, то система носит название протекторной защиты. Протекторы применяются главным образом при защите трубопроводов, проложенных вне зоны прохождения блуждающих токов. В противном случае катодная защита осуществляется при помощи катодных станций.

В соответствии с Правилами защиты подземных сооружений от коррозии для повышения эффективности противокоррозионной защиты и уменьшения затрат на ее осуществление следует применять совместную электрическую защиту близко расположенных друг от друга подземных сооружений, если это допустимо по условиям эксплуатации этих сооружений. Под совместной защитой подразумевается электрическая защита сооружений различного назначения общими защитными установками, а также согласованная работа установок, осуществляющих защиту отдельных сооружений.