База книг в электронке для ЭНН УТЭК / База курсачей чертежей и дипломов УТЭК / Подводный трубопровод / Диплом / Пилигрим / дипломный проект / коррозия грунтов

5.5 Защита трубопровода от коррозии

5.5.1 Общие сведения о коррозии металлических трубопроводов

Под коррозией металлических трубопроводов понимается самопроизвольное разрушение их под действием различных факторов химического или электрохимического характера, определяемых окружающей трубопровод средой, которая может быть газообразной, жидкой или твердой. Газообразной средой обычно является атмосфера (при прокладке трубопроводов по надземной или наземной схеме). Жидкая среда воздействует на трубопровод при прокладке его под водой через реки, водохранилища, на морях и т. д. Наконец, твердой средой является любой грунт, в котором прокладывается трубопровод. Соответственно коррозии, протекающие н каждой из этих сред, называют атмосферной, жидкостной, подземной, или почвенной. Они обычно воздействуют на наружную поверхность трубопровода и приводят ее к разрушению. Но трубопроводы корродируют не только снаружи, но и изнутри, если по ним перекачиваются агрессивные среды. Они могут быть газообразными (например, сернистый газ) и жидкостными (неочищенная нефть и другие жидкие не очищенные от сернистых примесей среды). Перечисленные коррозии вне зависимости от среды их протекания подразделяются па химическую и электрохимическую коррозии, отличающиеся механизмом коррозионного процесса. Химической коррозией называют самопроизвольное окисление металла, связанное с переходом его в более устойчивое ионное состояние (продукт окисления) под воздействием токонепроводящей среды (сухой воздух или транспортируемый по трубопроводу газ). Электрохимической называют коррозию, при которой металл самопроизвольно разрушается при взаимодействии с жидкой токопроводящей средой (электролитом). Химическая коррозия может протекать и во взаимодействии с жидкой токонепроводящей средой (неэлектролитом), такой как очищенная нефть, нефтепродукты и т. п.

При электрохимической коррозии скорость разрушения ме­талла зависит от его электродного потенциала. Это объясняется тем, что ионизация атомов металла и восстановление окислителя в электролите происходят неодновременно. Скорости протекания каждого процесса зависят от электродного потенциала металла, Соответственно от него зависит и скорость коррозии. Поскольку основным условием протекания электрохимической коррозии является наличие токопроводящей среды, то примером электрохимической коррозии может служить коррозия металлов во влажной воздушной или жидкой токопроводящей среде (ржавление металла во влажном воздухе, влажной грунтовой среде, морской поде и т. д.). Для электрохимической коррозии подземных трубопроводов наиболее характерна почвенная коррозия. Наибольшую опасность представляет так называемая коррозия под воздействием блуждающих токов, возникающих от проходящих вблизи электропроводящих систем (например, электрифицированных железных дорог). Перечисленные виды коррозии далеко не исчерпывают полный перечень их, но они играют основную роль в коррозионном разрушении трубопроводов; поэтому мы ограничимся рассмотрением именно этих коррозии и методов защиты от них. Названные коррозии приводят к разрушениям металла труб, их узлов, соединений.

5.5.2 Почвенная (грунтовая) коррозия

При укладке трубопроводов по подземной или наземной (в насыпи) схемам грунт является средой, в которой коррозионное разрушение происходит в основном по электрохимическому типу. Это обусловлено следующими факторами: грунт практически всегда содержит в порах скелета воду, а также различные химические реагенты, что делает грунт средой, обладающей ионной проводимостью. Таким образом, система металлическая труба — электролит представляет своеобразный гальванический элемент.

При грунтовой коррозии происходит сплошное неравномерное (в однородных грунтах), язвенное, точечное и даже сквоз­ное разрушение металла. В формировании этих разрушений большое значение имеют степень насыщенности пор грунта влагой, пористость грунта и его газопроницаемость, так называемое омическое сопротивление грунта. Так как газопроницаемость грунта в различных его точках неодинакова, то к разным участкам поверхности труб поступает разное количество кислорода, который, как отмечалось, является основным деполяризатором при почвенной коррозии. В результате на поверхности металла возникают микро - и макрокоррозионные пары, работа которых приводит к быстрому разрушению металла. Образование микропор характерно для катодного контроля (контролирующий процесс при любых влажных грунтах); для сухих и очень рыхлых грунтов (например, пески пустынь) характерно образование микропор с преимущественным анодным контролем Образование макропар, особенно протяженных, характеризуется катодно-омическим или преимущественно омическим контролем. Рассмотрим кратко основные контролирующие процессы при грунтовой коррозии.

Катодный контроль с кислородной деполяризацией проходит в несколько последовательных стадий: поступление кислорода в электролит и перенос его движущимся электролитом, перенос кислорода конвективным путем, диффузия кислорода в слое продуктов коррозии, ионизация кислорода, диффузия ионов ОНЇ в глубь электролита от катода. При этом возникают следующие виды контролирующих процессов: катодный контроль при основной роли ионизации кислорода, характеризующийся соотношением

∆U_k > ∆V_a (1)

катодный контроль при основной роли диффузии кислорода

∆U_k »∆V_a; (.2)

катодный контроль с вс сродной деполяризацией

∆V_k » ∆V_а; (.3)

смешанный катодно-анодный контроль

∆V_k ≈ ∆V_а; (.4)

катодно-омический контроль

∆V_к ≈ ∆V_R » ∆V_а. (.5)

Контроль (20.1) возникает при хорошей газопроницаемости грунта, что обеспечивает хороший доступ кислорода. Контроль (20.2) характерен для нейтральной электролитной составляющей грунта; (20.3) — для грунтов, содержащих неокисляющие кислоты; (20.5)—при образовании макропар большой протяженности. Перечисленные виды контроля встречаются при подземной прокладке трубопроводов. При решении вопроса о методах защиты от коррозии должен быть установлен вид контролирующего процесса. Это позволит правильно назначить метод защиты трубопровода. Проведем некоторые сведения о других факторах, оказывающих влияние на скорость коррозии.

Влажность грунта может изменяться от 0 до 1 (весовая). Чем больше влажность, тем ближе грунт по свойствам приближается к чистому электролиту, тем меньше электрическое сопротивление грунта. Таким образом, можно сказать, что увеличение влажности способствует активизации анодного процесса, затрудняя одновременно протекание катодного процесса вследствие ухудшения воздухопроницаемости грунта. В соответствии с этим нельзя сказать, что любое увеличение влажности приводит к возрастанию скорости коррозии. На рис. 20.1 изображена кривая зависимости скорости коррозии от влажности.

Электрическая проводимость грунтов характеризуется так называемым удельным электрическим сопротивлением грунтов. Приведем характеристику коррозионной активности грунта в зависимости от его удельного электрического сопротивления.

Насыщенность грунта солями, особенно при значительной влажности, существенно снижает его сопротивление, увеличивает электрическую проводимость. При этом облегчается протекание как анодного, так и катодного процесса коррозии.

Кислотность грунтов ускоряет процесс коррозии за счет растворения продуктов коррозии и создания тем самым лучших условий для контакта агрессивной среды с металлом, а также за счет катодной деполяризации водородными ионами. Кислотность грунтовой среды характеризуется так называемым водородным показателем рН, который равен отрицательному значению логарифма активности водородных ионов. На рис. 20.2 изображена шкала, иллюстрирующая кислотность электролита в зависимости от рН. Грунты характеризуются колебаниями рН от 3 до 9. Наличие в грунте анаэробных микроорганизмов приводит к восстановлению сульфатов по схеме МgSO₄+4Н=Мg(ОН)₂+Н₂S+0₂. Кислород и сероводород, образующиеся при этом, облегчают катодную деполяризацию как в анаэробных, так и в кислых грунтах. Хорошие условия для анаэробных бактерий имеются в болотных грунтах, где скорость коррозии за счет деятельности бактерий может многократно возрасти по сравнению с таким же грунтом, но без бактерий. Наряду с анаэробными имеются и аэробные бактерии, например серобактерии, окисляющие сероводород, Н₂S + О₂ = 2Н₂О+S. Далее сера окисляется и, соединяясь с водой, превращается в серную кислоту, которая и обусловливает увеличение коррозионной активности грунта.

Температура грунта также способствует изменению скорости коррозии, которая увеличивается при повышении температуры и уменьшается при понижении. В связи с прокладкой трубопроводов в условиях вечномерзлых грунтов этот фактор приобретает большое значение, так как скорость коррозии сильно увеличивается именно при оттаивании мерзлого грунта. Важным фактором в изменении скорости коррозии является наличие в грунте так называемых блуждающих токов.

5.5.3 Катодная защита трубопровода от грунтовой коррозии

Сущность катодной защиты заключается в искусственной поляризации катода таким образом, чтобы его потенциал, по крайней мере, стал равным потенциалу анода коррозионной пары. Это можно сделать, подключив к двухэлектродной (катод — анод) коррозионной паре третий электрод с более отрицательным потенциалом. В результате такой поляризации катода работа коррозионной пары прекращается. Однако это может быть лишь при определенном более отрицательном потенциале и соответствующей силе защитного тока. Как уже отмечалось, защитная поляризация катода может быть осуществлена наложением защитного потенциала от источника постоянного тока или применением в качестве дополнительного анода специальных материалов.

Рассмотрим случай поляризации постоянным током. Такая схема поляризации называется катодной защитой магистрального трубопровода. Трубопровод, расположенный в грунте, является катодом по отношению к электролиту, заполняющему в той или иной мере поры грунта. Соответственно грунт является анодом по отношению к трубопроводу. Отрицательный полюс источника тока подключается к трубопроводу (катод), а положительный — к специально устраиваемому заземлению (анод) (рис. 20.3). Источник тока 2 называют станцией катодной защиты (СКЗ). Каждая станция в зависимости от коррозионных свойств грунта, качества изоляции, мощности самой станции может защитить трубопровод / на участке определенной длины I. В пределах этой длины защитный потенциал, создаваемый СКЗ, обеспечивает отсутствие на катоде (трубопроводе)

Рис. 20.3. Схема катодной защиты

электрохимической коррозии. В то же время анод (заземление) вследствие активизации анодного процесса интенсивно разрушается.

Изображенная на рис. 20.3 кривая 3 характеризует распределение защитной разности потенциалов V в пределах длины участка L (труба — грунт). Наибольшее значение V_{3 max} фиксируется

обычно напротив анода, т. е. заземления. Эффективно защитный потенциал может выполнять свое назначение только в том случае, если он не меньше определенного, так называемого, минимального защитного потенциала V_.3min Отметим, что смещение защитного потенциала в область более отрицательных значений не оказывает существенного влияния на коррозию металла. Но при чрезмерном увеличении V по сравнению с V_min между изоляцией и поверхностью металла скапливается водо­род, выделяющийся в результате катодного процесса. Это может привести к отслоению изоляции и ухудшению защитных свойств покрытия. Таким образом, можно сказать, что качество покрытия оказывает существенное влияние на параметры катодной защиты. Чем лучше качество покрытия, тем требуется меньший защитный потенциал, тем большую длину участка L можно защитить от одной станции, и наоборот — чем больше повреждений на изоляционном покрытии, тем меньше длина защищаемого участка L. Если учитывать и естественный потенциал труба — земля, существовавший до наложения защитного потенциала, то максимально допустимая разность потенциалов труба — земля будет

Исходя из указанных особенностей можно заключить, что предельные значения защитного потенциала ограничиваются значениями, приведенными в табл. 20.1 (ГОСТ 9.015—74).

Существует другой метод оценки защитного потенциала, суть которого заключается в установлении определенного сдвига первоначального, т. е. естественного потенциала, в отрицательную сторону, при котором обеспечивается защита от коррозии. Это смещение устанавливается в пределах 0,28—

Таблица 20.1. Значение потенциалов

Разность потенциалов	Допустимые потенциалы по отношению к электроду сравнения, В
	водородному	медносульфатному
Минимальная для всех сред Максимальная для всех сред: трубопроводы с защитными покрытиями трубопроводы без покрытия	—0,55 —0,8	—0,85 -1.1

0,32 В. Для реализации второго метода оценки необходимо измерение естественного потенциала трубопровода в различных точках при выключенной катодной защите.

Понятие о переходном сопротивлении и плотности поляризующего тока

Сопротивление токопроводящей системы по контакту труба — грунт называют переходным. Для изолированных подземных трубопроводов переходное сопротивление определяется в основном сопротивлением в местах повреждений изоляции, обеспечивающих доступ электролита к металлической поверхности. Сопротивление изоляции настолько велико по сравнению с сопро­тивлением поврежденных участков, что практически весь защитный ток входит из грунта в трубопровод через них. При идеальном состоянии изоляционного покрытия переходное сопротивление равно R_пер переходному сопротивлению R₀ при отсутствии электрохимической поляризации. При наличии повреждений изоляции переходное сопротивление складывается из поляризационного сопротивления, сопротивления электролита в порах - грунта и сопротивления скелета грунта. Поляризационное сопротивление зависит от плотности поляризующего тока. Аналитически эту зависимость можно представить в виде

R_n = b/(l + aj), (20.8)

где a, b — постоянные, характеризующие нелинейность катодной поляризации; / — плотность катодного (поляризующего) тока.

Плотность поляризующего тока является характеристикой, позволяющей оценивать коррозионные свойства грунтов наряду с электрической проводимостью.

Учитывая (20.8), в общем случае переходное сопротивление системы труба — грунт определим как

R_пер = R₀ + b/(1 + аj). (20.9)

Эта формула не может использоваться в расчетах для любых сечений трубопроводов. Дело в том, что при катодной защите образуются три характерных участка: первый — вблизи места подключения катодного провода (дренажа), на котором плотность тока максимальная и катодный процесс контролируется водородной деполяризацией; второй (граничит с первым) — катодный процесс контролируется скоростью притока кислорода к поверхности металла; третий — за пределом защитной зоны. Для первых двух участков R_mp можно определять по (20.9), для третьего нельзя. Однако наиболее достоверным можно счи­тать /?_пер, определенное по данным натурных измерений. Это обосновано тем, что размеры повреждений изоляции и свойства грунта непрерывно меняются. Поэтому измерение переходного сопротивления в период эксплуатации является необходимым для корректировки основных параметров катодной защиты. Переходное сопротивление для изолированного трубопровода

Яп.р = ДЛ1.«//яП'₁/У1, (20.10) где rt — продольное сопротивление трубопровода;

Я_т = 4р_т/я(гЈ-0²_вн), (20.11)

рт — удельное электрическое сопротивление трубопровода (для стали р_т = 0,135 Ом-мм²/м); D_H, d™ — наружный и внутренний диаметры трубы; V\ и V% — разности потенциалов труба — земля в точках /, 2 (рис. 20.4):

V\ и W — разности потенциалов труба — земля по электроду «сравнения (медносульфатному — МСЭ) в точках 1 и 2; У_еь Vez — естественные разности потенциалов соответственно в точках 1 и 2.

Если в местах измерений накладываются токи других СК.З, то определение /?_пер усложняется; в (20.12) и (20.13) вводятся члены, учитывающие влияние соседних С КЗ.

Переходное сопротивление неизолированных участков трубопровода определяется по формуле

(20.14)

где ргр — удельное электрическое сопротивление грунта; /_н.и — длина неизолированного участка; h — глубина заложения труб; /?_п — поляризационное сопротивление 1 м трубопровода. Входя­щее в (20.14) удельное сопротивление р_гр определяют в соот-

Рис. 20.4. Кривая изменения разно- Рис. 20.5. Схема определения удель- сти потенциалов труба — земля него сопротивления грунта

ветствии с ГОСТ 9.015—74 с помощью симметричной четырех-электродной установки (рис. 20.5) по формуле

p_rp = KV//, (20.15)

где V — разность потенциалов, измеряемая между приемными электродами М, N, В; I — сила тока, протекающего через цепь питающих электродов А, В,

К = 2л

/1/3 (/1 + /2) (It + to

/iM(/i +to+ *»('» +to]