ЛР №2 - Измерение разности потенциалов между трубопроводом и грунтом. Электроды сравнения

ЛР №2 - Измерение разности потенциалов между трубопроводом и грунтом. Электроды сравнения

Цель работы:

Получить навыки измерения разности потенциалов между трубопроводом и землей для выявления участков трубопроводов, находящихся в зонах коррозийной опасности.

Краткая теория:

Трубопроводы, уложенные в грунт, защищены от воздействия агрессивной окружающей среды изоляционным покрытием. С течением времени изоляция стареет и разрушается, вследствие чего поверхность трубы в местах поврежденной изоляции начинает контактировать с почвенным электролитом. Поверхность трубопровода, как и любого другого металла, состоит из короткозамкнутых гальванических микроэлементов, которые при контакте металла с электролитом начинают действовать, что приводит к разрушению металла и образованию двойного электрического слоя вследствие перехода ионов металла в электролит или из электролита в металл.

Такой переход возможен до тех пор, пока не установится равновесие, которому соответствует определенный электрохимический потенциал. Однако при помощи измерительного прибора невозможно определить потенциал одного электрода. Можно измерить лишь разность потенциалов двух электродов, т.е. электродвижущую силу элемента, равную разности потенциалов электродов ∆E = E₁ - E₂.

В качестве стандартного электрода, относительно потенциала которого вычисляют потенциал исследуемого электрода, принят стандартный водородный электрод (рисунок 2.1, а), потенциал которого при всех температурах условно принят равным нулю.

Потенциал обратимого водородного электрода, в котором газообразный водород под давлением 0,1 МПа находится в равновесии с раствором ионов водорода, причем активность этих ионов равна единице, считается равным нулю при всех температурах и, следовательно, стандартный потенциал водородного электрода является условным нулевым потенциалом.

Для того чтобы возникла разность потенциалов между раствором и газом, необходим так называемый индифферентный электрод. В случае водорода таким электродом чаще всего служит платинированная платина (платиновая жесть, электролитически покрытая платиной в виде рыхлого осадка, состоящего из чрезвычайно мелких металлических кристаллов), частично погруженная в раствор, содержащий ионы водорода, а частично окруженная газообразным водородом.

Каломельный электрод - электрод второго рода, потенциал которого не изменяется во времени и имеет незначительный по величине температурный коэффициент. Каломельный электрод обычно изготовляют в стеклянном сосуде, изображенном на рис. 2.1, б. Слой химически чистой ртути, помещаемой на дно сосуда, служит электродом полуэлемента. Во ртуть погружают платиновую проволоку 9, вплавленную в стеклянную трубку 10. Поверх ртути содержится тонкий слой 11 пасты из каломели (толщиной около 1 мм) Hg₂Cl₂. Сосуд заполняют раствором хлористого калия 14 определенной концентрации. Для полуэлемента применяют следующие растворы хлористого калия: насыщенный, 1Н и 0,1Н. Потенциал каломельного электрода зависит от концентрации хлористого калия.

а - водородный; б - каломельный

1 - раствор, содержащий ионы водорода; 2 - платинированный платиновый электрод; 3 - трубка для подачи водорода; 4 - внешний провод; 5 - сифон; 6 - трубка для отвода водорода с жидкостным затвором; 7 - кран;

8 - ртуть; 9 - платиновая проволока; 10 - стеклянная трубка; 11 - каломель в виде пасты; 12 - пробка; 13 - боковая трубка; 14 - раствор хлористого калия определенной концентрации

Рисунок 2.1 - Стандартные электроды сравнения

Для измерения потенциалов подземных сооружений относительно земли используются различные электроды сравнения (стальные, медно-сульфатные). Наибольшее распространение получили медно-сульфатные неполяризующиеся электроды сравнения различных конструкций.

Медно-сульфатный неполяризующийся электрод ЭН-1 представляет собой керамический сосуд с пористым дном (рисунок 2.1). В горловину сосуда вставляют пробку с медной пластиной. Верхний конец пластины ввернут в трубку для присоединения штекера диаметром 4 мм. Во внутреннюю полость электрода заливают насыщенный раствор медного купороса (сульфата меди).

1 - контакт; 2 - резиновая прокладка; 3 - пластмассовая крышка, 4 - пористая керамическая чашка; 5 - медный стержень

Рисунок 2.2 - Неполяризующийся медно-сульфатный электрод сравнения ЭН-1

Стационарный медно-сульфатный долгодействующий электрод с датчиком потенциала (вспомогательным электродом) используют как электрод сравнения при измерении разности потенциалов «труба-грунт» и поляризационного потенциала, а также в качестве датчика в цепи блока управления автоматических преобразователей. Долгодействующий электрод типа ЭНЕС (рисунок 2.3) состоит из пластмассового корпуса, в верхнюю часть которого ввинчена пробка со стержнем из красной меди марки М1-Т-КР7. Дно электрода закрыто ионообменной мембраной и пористой керамической диафрагмой. Полость электрода заполняют насыщенным раствором медного купороса. Датчик потенциала (вспомогательный электрод) представляет собой квадратную пластину размером 25x25 мм из легированной стали марки 1Х18Н9Т, вмонтированную в пластмассовое гнездо. Медный стержень и вспомогательный электрод снабжены проводами длиной не менее 2 м.

1 - провод от электрода; 2 - штуцер; 3 - прокладки; 4 - медный стержень; 5 - электролит; 6 - пластмассовый корпус;

7 - мембрана; 8 - уплотнительная прокладка; 9 - пластмассовая прокладка; 10 - гайка; 11 - вспомогательный электрод; 12 - провод от вспомогательного электрода

Рисунок 2.3 - Долгодействующий неполяризующийся электрод сравнения со вспомогательным электродом

Медно-сульфатный электрод сравнения (МЭС) сохраняет свой потенциал при контакте с любым электролитом. Его постоянный скачок потенциала +0,316 В (по отношению к стандартному (нормальном) водородному электроду) сравнивается со скачком потенциала на границе защищаемого стального сооружения и окружающей почвы при помощи приборных измерений. Замеры потенциалов по трассе магистрального трубопровода производятся в контрольно-измерительных колонках, расположенных вдоль трубопровода. МЭС применяют в тех случаях, когда амплитуда колебаний разности потенциалов не превышает 1 В.

Стационарный потенциал «труба-грунт» зависит от состояния поверхности трубопровода и физико-химических свойств грунтов, обычно находится в пределах

-0,23...0,72 В по медно-сульфатному электроду сравнения (МЭС), в расчетах параметров катодной защиты принимается равным -0,55 В.

В плотных, влажных, плохо аэрируемых глинистых грунтах стационарный потенциал более отрицателен, чем в песчаных почвах. В практике коррозионных обследований магистральных трубопроводов стационарный потенциал принято называть естественным потенциалом E_ест, подразумевая при этом отсутствие на трубопроводе блуждающих и других наведенных токов.

Критерием защищенности металлического сооружения от коррозии является потенциал E_защ «труба-грунт», который устанавливается после включения станции катодной защиты. Практически считается, что подземные стальные сооружения защищены на 80-90 % от коррозии при достижении разности потенциалов значения

-0,85 В.

Для осуществления контроля защищенности трубопровода от коррозии предусматривают контрольно-измерительные пункты (КИП), которые сооружают на каждом километре трубопровода. КИП состоит из колонки (стальная труба или пластиковая стойка), на клеммную колодку которой выведен контрольный провод (вывод) от трубы. Для измерения поляризационного потенциала в КИП устанавливают долгодействующий электрод сравнения со вспомогательным электродом. Провода от электродов выводят на клеммную панель колонки (рисунок 2.4).

Разность потенциалов «труба-грунт» измеряют высокоомным вольтметром, одну клемму которого соединяют непосредственно с трубой, а вторую - с электродом сравнения, осуществляющим контакт с грунтом. При этом грунт в месте установки электродов сравнения должен быть увлажнен.

В качестве электродов сравнения используют неполяризующиеся медно-сульфатные электроды.

1 - контрольно-измерительная колонка;

2 - измерительная панель;

3 - переключатель;

4 - опознавательный знак;

5 - электрод сравнения;

6 - вспомогательный электрод;

7 - вывод от трубопровода;

8 - трубопровод;

9 - точка приварки

Рисунок 2.4 - Схема КИП

Измерения потенциалов выполняют:

- в специальных контрольно-измерительных пунктах;

- на элементах трубопровода, выходящих на поверхность земли (запорная арматура, КПП СОД и т.п.);

- в местах выхода трубопровода на поверхность;

- в открытых шурфах, траншеях и пр.

Электрод сравнения необходимо устанавливать на поверхности земли на минимальном расстоянии от трубопровода над осью трубы (рисунок 2.5). Если трасса трубопровода точно неизвестна, измерения следует проводить, переставляя электрод сравнения перпендикулярно оси трубы шагом 0,5 м в пяти-шести точках. За истинное значение разности потенциалов принимают минимальную по модулю величину показаний прибора. При проведении измерений в шурфе или траншее электрод располагают на расстоянии не ближе трех диаметров от открытого участка трубы.

1 - трубопровод; 2 - медно-сульфатный электрод сравнения; 3 - измерительный прибор; 4 - КИП; 5 - магнитный контакт

Рисунок 2.5 - Измерение разности потенциалов «труба-грунт» в контрольно-измерительном пункте

Соединение вольтметра с трубопроводом при измерении потенциала вне КИП-а можно осуществлять с помощью магнитного контакта, при этом трубу в месте установки контакта зачищают до металлического блеска.

Для измерения разности потенциалов «труба-грунт» вдоль трубопровода применяют метод выносного электрода. Для реализации этого метода необходимо иметь измерительный провод длиной 500-1000 м на катушке. Один конец провода подключают к контрольному вводу в КИП, другой - к измерительному прибору. Передвигаясь вдоль трубы и переставляя электрод сравнения с заданным шагом, регистрируют разность потенциалов в каждой точке.

Приборы и оборудование:

Перед эксплуатацией прибора ОРИОН ИП-01 после пребывания в климатических условиях, отличных от рабочих, необходимо выдержать прибор в рабочих условиях применения не менее двух часов.

На лицевой панели (рисунок 2.6), под откидной крышкой со схемой подключения 1 расположены:

- кнопка «Vпит.» 2 для включения / выключения питания прибора;

- кнопка «установка t задержки» 5 для контроля и выбора требуемого значения времени задержки начала заряда накопительного конденсатора относительно окончания поляризации при измерении поляризационного потенциала;

- кнопка «контроль Vпит. / усреднение» 6 для индикации напряжения батареи аккумуляторов в вольтах и перехода в режим усреднения;

- цифровой жидкокристаллический индикатор, состоящий из двух информационных полей (левого 3 и правого 4 по пять знакомест каждое). Левое поле «Е» предназначено для индикации знака полярности и величины поляризационного потенциала в вольтах. Правое поле «U» предназначено для индикации знака полярности и величины суммарного потенциала в вольтах, значения времени задержки «t задержки, mS», времени усреднения в минутах и секундах, разделенных децимальной точкой и величины напряжения элементов питания «Vпит.». При индикации времени задержки, времени усреднения и напряжения питания происходит гашение левого информационного поля.

На передней поверхности расположено входное гнездо 7 для подключения контактного провода. В основании прибора расположен отсек для элементов питания со съемной крышкой.

Рисунок 2.6 - Лицевая панель прибора ОРИОН ИП-01

Подготовка к проведению измерений:

1. Установить прибор в удобное для работы положение.

2. Открыть верхнюю откидную крышку и убедиться в наличии индикации на цифровом индикаторе, при отсутствии индикации нажать кнопку «Vпит.».

3. Соединить контактный провод с входным гнездом прибора.

4. При необходимости проконтролировать величину напряжения элементов питания, нажать и удерживать в нажатом состоянии кнопку «контроль Vпит. / усреднение», на индикаторе прибора отобразится значение напряжения элементов питания в вольтах. При напряжении менее 4,3 В требуется подзарядка или замена аккумуляторов.

Вид индикатора при индикации напряжения питания показан на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Индикация напряжения питания

Проведение измерений:

1. Используя схему, изображенную на внутренней стороне крышки прибора с помощью «крокодилов» подключить прибор к измерительной цепи. При этом черный «крокодил» подключается к шине от трубопровода, белый - к датчику потенциала (дополнительному электроду), красный - к выводу от электрода сравнения. При наличии перемычки между выводами от трубопровода и датчика потенциала ее необходимо удалить.

2. Выдержать прибор в течение десяти минут для поляризации датчика потенциала и через каждые 10 секунд производить отсчет показаний индикатора прибора, которые соответствуют значениям поляризационного и суммарного потенциалов. Продолжительность измерений при отсутствии блуждающих токов не менее десяти минут. Если на стационарном КИП-е датчик потенциала постоянно подключен к поляризуемому трубопроводу, то измерения начинают непосредственно после подключения прибора и удаления перемычки между датчиком и трубопроводом. Вид индикатора при измерении потенциалов показан на рисунке 2.8, при этом в левой части индикатора отображаются значения поляризационного потенциала с учетом знака полярности, в правой - значения суммарного потенциала.

Рисунок 2.8 - Индикация значений потенциалов

В зонах, не подверженных влиянию блуждающих токов, можно применить режим усреднения для получения E_ср по ГОСТ 9.602-89.

В режиме усреднения отображаются достоверные показания только в том случае, если прибор до перехода в режим усреднения был подключен к измерительной цепи, т.е. нельзя отсоединять «крокодилы» при измерениях в режиме усреднения, т.к. в противном случае в сумму усредняемых показаний попадут значения, полученные при отключенном от источника потенциалов приборе (значения, близкие к нулю). Переход в режим усреднения осуществляется кратковременным (менее 0,5 сек.) нажатием кнопки «контроль Vпит. / усреднение», при этом на индикаторе отображается в минутах и секундах, разделенных децимальной точкой текущее время усреднения - рисунок 2.9. Максимальное время одного цикла усреднения 90 минут.

Рисунок 2.9 - Индикация времени усреднения

По прошествии времени усреднения кратковременным нажатием кнопки «контроль Vпит. / усреднение» прибор переводится в режим индикации усредненных значений - рисунок 2.10.

Рисунок 2.10 - Индикация усредненных значений потенциалов

Включение режима усреднения индицирует нижний сегмент индикатора знака полярности суммарного потенциала. Кратковременным нажатием кнопки «контроль Vпит. / усреднение» во время усреднения можно осуществлять переход из режима индикации времени усреднения в режим индикации усредненных значений и обратно. Выход из режима усреднения производится длительным нажатием кнопки «контроль Vпит. / усреднение».

Пример замера мгновенных значений потенциалов:

- открыть крышку 1 (рисунок 2.6);

- включить прибор нажатием кнопки 2;

- нажатием и удержанием кнопки 6 проверить напряжение питания прибора, оно должно находиться в пределах от 4,3 до 6 В (рисунок 2.7);

- нажатием кнопки 5 установить необходимую задержку (рисунок 2.11);

- подсоединить к прибору шнур с «крокодилами»;

- подсоединить красный «крокодил» 8 к клемме электрода сравнения;

- белый «крокодил» 9 подсоединить к клемме датчика потенциала (дополнительному электроду);

- черный «крокодил» 10 подсоединить к клемме трубопровода;

- удалить (при ее наличии) перемычку между клеммой трубопровода и клеммой датчика потенциала;

- на информационном поле 3 отображаются мгновенные значения поляризационного потенциала, на поле 4 – суммарного (рисунок 2.8).

Пример замера усредненных значений потенциалов:

- кратковременно нажать кнопку 6, на поле 4 отобразятся значения отсчета времени от 00 минут 00 секунд до 90 минут 00 секунд (рисунок 2.9);

- через время, установленное НТД (например, 10 мин.), кратковременно нажать кнопку 6, при этом на поле 3 отобразиться усредненное значение поляризационного потенциала, на поле 4 - усредненное значение суммарного потенциала (рисунок 2.10).

Используя красный и черный «крокодилы», прибор можно применять как вольтметр постоянного напряжения с пределом измерения ±5 В, отсчет производится по показаниям информационного поля суммарного потенциала.

Контроль и установка длительности задержки для оценки степени спада поляризационного потенциала производится с помощью кнопки «установка t задержки». Установка длительности задержки в режиме усреднения невозможна, т.е. длительность задержки должна быть установлена при необходимости до перехода в режим усреднения. При нажатии на кнопку «установка t задержки» в правой части цифрового индикатора (рисунок 2.11) отображается текущее значение задержки (при включении питания устанавливается задержка 0,2 мс). Если в течение примерно 3 сек. кнопка не будет нажата повторно, прибор автоматически перейдет в режим измерения потенциалов, в противном случае при повторном нажатии на кнопку значение паузы будет изменено и проиндицировано и т.д., т.е. изменение значения длительности задержки производится методом перебора, в последовательности 0,2 мс; 0,4 мс; 0,8 мс; 1,6 мс; 0,2 мс и так далее. Индикация значения длительности задержки осуществляется в миллисекундах.

Рисунок 2.11- Индикация времени задержки

Примечание: в случае, если входные гнезда не закорочены и не подключены к объекту, на индикаторе прибора наблюдаются показания, изменяющиеся во времени, что не свидетельствует о неисправности прибора.

Контрольные вопросы:

1. Образование двойного электрического слоя.

2. Понятие электродного потенциала металла, нормального потенциала металла.

3. Расскажите о нормальном электроде сравнения и стандартных электродах сравнения второго рода.

4. Медно-сульфатный электрод сравнения.

5. Образование потенциала «труба-земля».

6. Значение потенциалов, критерий защищенности сооружения от коррозии.

9