Защита объектов транспорта и хранения нефти и газа от коррозии 2

Наиболее часто при электрохимической коррозии наблюдается ионизация (восстановление) кислорода, т.е.

наиболее распространенным катодным процессом в природных почвенных условиях прокладки трубопроводов является процесс кислородной деполяризации.

Протекание кислородной деполяризации при коррозионном процессе в грунте требует наличия кислорода в месте катодного процесса. Поэтому условия доставки кислорода к месту протекания катодного процесса в известной мере определяет ход коррозионного процесса.

Если обе катодные реакции идут параллельно с соизмеримой скоростью, то говорят о коррозии со смешанной деполяризацией.

Коррозия с кислородной деполяризацией широко распространена в нейтральной среде или при небольшом сдвиге рН в ту или иную сторону от 7.

Когда энергетический уровень ионов на поверхности металла и растворе становится одинаковым, устанавливается,

как уже отмечалось, динамическое равновесие, при котором скорости анодного и катодного процессов равны, и в этом случае изменение массы металла не происходит, т.е. коррозия приостанавливается. В природе это равновесие легко нарушается из-за изменения внешних условий (температуры, влажности, концентрации электролитической среды,

доступа кислорода и т.д.), что приводит к возобновлению и продолжению коррозионного разрушения металла.

Следует отметить, что при электрохимической коррозии интенсивность процесса зависит от скорости образования ион-атомов металла (и свободных электронов), а также наличия кислорода и воды.

На скорость образования ион-атомов влияет температура, концентрация раствора электролита и другие внешние условия. Поэтому, если на поверхности одного и того же металла создать различные условия, то одна часть его

9

Консорциум « Н е д р а »

поверхности станет анодом по отношению к другой, т.е. на поверхности металла возникают гальванические

коррозионные элементы (пары).

3.Виды коррозионных гальванических элементов (пар)

На возникновение коррозионных гальванических пар влияет неоднородность состава металлов. Как уже отмечалось, для строительства трубопроводов и резервуаров применяют малоуглеродистые и низколегированные стали.

Кроме железа, они содержат углерод (до 2%), легирующие добавки (хром, никель, марганец, медь и др.) и вредные примеси, которые невозможно полностью удалить в металлургическом производстве на уровне развития современных технологий (сера, фосфор, кислород, азот, водород и др.).

Неоднородный состав сталей и неоднородность микроструктуры металлов благоприятствуют возникновению микрокоррозионных пар в соответствующей среде. Металлы с химически чистой структурой и с высокой степенью чистоты обработанной поверхности менее подвержены коррозии.

Поскольку при электрохимической коррозии реакция взаимодействия электролита с металлом подразделяется на два самостоятельно протекающих процесса: анодный и катодный, т.е. для возникновения электрического тока при электрохимической коррозии металла необходимо наличие катодной и анодной зон. Эти зоны могут возникнуть из-за неоднородности условий на поверхности металла (риски, вмятины, сварные швы и др.). При этом возникают макрокоррозионные элементы (рис. 1, а).

Таким образом, зависимости от природы возникающей разности потенциалов все возникшие коррозионные элементы (пары) подразделяются на микрокоррозионные и макрокоррозионные.

Микрокоррозионные элементы возникают за счет:

10

Консорциум « Н е д р а »

-неоднородности микроструктуры поверхности – наличие микрочастиц различных металлов в сплаве (Fe, C, Mn, P, S и др.) микровключений окислов (окалины), неметаллических микровключений (частиц пыли), нарушение микроструктуры поверхности при очистке поверхности, внутренних механических напряжений;

-микроструктурной неоднородности физико-химических свойств грунта, являющегося почвенным электролитом и

т.п.

Макрокоррозионные элементы возникают (рис. 1):

- из-за неоднородности макроструктуры поверхности при наличии макровключений – окалины, царапин, вмятин,

сварных швов;

-из-за макроструктурной неоднородности физико-химических свойств почв (для протяженных магистральных трубопроводов это имеет большое значение);

-из-за неравномерного доступа кислорода к разным участкам поверхности металлоконструкции.

а) окалина царапина вмятина сварной шов

б) Прокладка под насыпью автодорог

11

Консорциум « Н е д р а »

Анодный процесс протекает на участках с более отрицательным начальным потенциалом поверхности, катодный

– с более положительным. Материальный эффект процесса коррозионного разрушения металла преобладает на анодных участках, так как из сооружения уносятся ионы железа в почву.

В результате протекания анодного и катодного процессов потенциалы анода и катода изменяются в сторону взаимного сближения. Изменение потенциала, обусловленное замедленностью собственно электрохимических стадий реакций, называется электрохимической поляризацией (перенапряжением). Это изменение потенциалов называется анодной или катодной поляризацией.

Поляризация является следствием отставания электродных процессов от перетока электронов в гальваническом элементе. Анодный процесс выхода ионов металла в электролит отстает от перетока электронов от анода к катоду, а катодный процесс ассимиляции электронов отстает от поступления на катод электронов, что приводит к увеличению отрицательного заряда на поверхности электрода и делает потенциал катода отрицательнее.

4.Анодная и катодная поляризация

Анодная поляризация – это смещение потенциалов анода в положительную сторону при прохождении анодного

тока.

Катодная поляризация – это смещение потенциала катода в отрицательную сторону при прохождении катодного

тока.

В электрохимии термин поляризация означает отклонение от равновесного значения разности потенциалов между гальваническим электродом и раствором электролита при прохождении электрического тока.

13

Консорциум « Н е д р а »

Для промышленного процесса электролиза поляризация нежелательное явление, так как снижается напряжение,

получаемое от гальванических элементов, и требуется повышение расхода электроэнергии, потребляемой для процесса электролиза. В нашем же случае поляризация благоприятное явление, т.к. происходит торможение коррозионного процесса.

Поляризация тормозит, а деполяризация усиливает процессы электрохимической коррозии.

В трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов применяют защиту трубопроводов от электрохимической коррозии методом катодной поляризации.

При катодной защите трубопровода устанавливают специальные станции катодной защиты (СКЗ), которые с помощью выпрямителей преобразуют переменный ток от вдольтрассовой ЛЭП и являются источниками постоянного тока. Положительный полюс источника постоянного тока подключается к специальному анодному заземлителю (анод),

а отрицательный полюс – к защищаемому стальному сооружению-трубопроводу (катод).

Принцип действия катодной защиты аналогичен электролизу. Под воздействием электрического поля начинается движение электронов от анодного заземлителя к защищаемому трубопроводу. Теряя электроны, атомы металла анодного заземлителя переходят в виде ионов в раствор почвенного электролита, т.е. анодный заземлитель разрушается. На катоде (трубопроводе) наблюдается избыток

свободных электронов, т.е. создаются условия для протекания реакций кислородной и водородной деполяризации,

характерной для катода.

5.Анодная и катодная защита трубопроводов

14

Консорциум « Н е д р а »

Исследованиями установлено, что минимальный защитный потенциал стальных сооружений уложенных в песчаных и глинистых грунтах, изменяется от – 0,72 до – 1,1 В по так называемому медносульфатному электроду сравнения (МСЭ).

Однако стальные подземные сооружения становятся защищенными на 80-90% уже в том случае, когда их потенциал равен – 0,85 В. Эта величина принята в качестве нормы минимального защитного потенциала, который необходимо поддерживать на защищаемом сооружении.

Так как при реакции водородной деполяризации, выделяемый газообразный водород может вызвать разрушение и отслаивание изоляционного покрытия, то величина защитного потенциала ограничена: для стальных сооружений с битумной изоляцией она должна составлять, например, не более –1,1 В по МСЭ. В случае, когда сооружение не имеет защитного покрытия, максимальная величина защитного потенциала не регламентируется.

Катодная защита возможна только в том случае, когда защищаемый трубопровод и анодное заземление находятся в электрическом и электролитическом контакте.

Следует заметить, что катодная поляризация неизолированной металлической конструкции до минимального защитного потенциала требуют значительных токов. Поэтому катодная защита используется только совместно с изоляционными покрытиями, нанесенными на поверхность защищаемого сооружения.

Ток, необходимый для катодной защиты подземных трубопроводов, почти полностью зависит от качества изоляционного покрытия. Все прочие факторы имеют меньшее значение. Трубопровод с хорошим изоляционным покрытием на участке 100 км может быть защищен током в несколько ампер, в то время как неизолированный трубопровод при такой же длине потребует для катодной защиты ток до 1000 А.

15

Консорциум « Н е д р а »

Для полной обеспеченности защиты трубопроводов методом катодной поляризации по всей его длине устанавливают по трассе несколько катодных станций. Число катодных станций выбирается с таким расчетом, чтобы катодные зоны перекрывали одна другую на всем протяжении трубопровода.

Например, для защиты МНПП в ОАО «Юго-Западнефтепродукт» катодные станции установлены с интервалом

10-12 км и обеспечивают защитный потенциал от – 0,9 до – 2,5 В. Используют в качестве анодного заземлителя угольно-

графитные электроды. Выходной ток с СКЗ в среднем 8-12 А (в некоторых местах до 20 А, а при хорошей изоляции труб

2-3 А). На нефтепроводе «Дружба» станции катодной защиты, например, устанавливают чаще – через 3-4 км.

При прокладке трубопроводов в труднодоступных районах, удаленных от источников электроэнергии,

применяется протекторная защита. Протекторная защита по принципу действия является вариантом катодной защиты.

Отличие по существу заключается в ином источнике катодной поляризации защищаемого металла.

Как известно разные металлы обладают различным электрическим потенциалом по отношению один к другому.

Сущность протекторной защиты состоит в том, что к защищаемому трубопроводу подключается электрод из металла,

стоящего в электрохимическом ряду напряжений выше железа, т.е. имеющий более электроотрицательный потенциал.

Этот электрод играет роль анода и называется протектором.

16

Консорциум « Н е д р а »