2. Катодная защита с помощью протектора.

В данном случае к защищаемой металлоконструкции присоединяется жертвенный анод – протектор, расположенный в непосредственной близости от защищаемой металлоконструкции. Он, как более электроотрицательный металл, посылает в коррозионную систему электроны, которые способствуют катодной поляризации.

Защиту с помощью протектора прежде всего используют в системах с повышенной экологической опасностью; в труднодоступных районах, где можно быстро определить и устранить причину аварии; в районах, где экономически не целесообразно вести линию электропередач; для трубопроводов высокой коррозионной ответственности в зонах опасного воздействия блуждающих токов и на участках, где уже отмечено повреждение изоляции.

Из-за малой разности потенциалов протектор/защищаемый металл (не более 2В), вследствие минимальной взрыво- и пожароопасности, протекторную защиту используют внутри предприятий.

Минимальные требования по технике безопасности для рабочих в плане поражения электрическим током. Протекторы дополнительно устанавливают в местах прохода трубопровода под транспортными системами, а также при переходах трубопровода через русла рек или озёр.

Достоинства протекторной защиты:

1. Простая и надёжная конструкция

2. Не требует капитальных затрат при длительном сроке защиты

3. Однажды смонтированная система длительно работает без обслуживания (замена через 5 – 10 лет)

4. Защита автономна (не нуждается во внешнем электрическом токе)

5. Не создает электрических помех для окружающих объектов

6. В большинстве случаев, протектора устанавливается в непосредственной близости ещё при монтаже металлоконструкции (в ту же траншею).

Недостатки:

1. Из-за маленькой разности потенциалов, применимость ограничена в плохо проводящих электричество грунтах даже при наличии КМА

2. Гораздо меньший радиус действия защиты

3. Безвозвратные потери металла протектора могут загрязнять окружающую среду

Основные требования к выбору металла протектора:

1. Максимальный отрицательный потенциал анодной электрохимической реакции на протекторе, чтобы обеспечить максимальную ЭДС в гальванопаре протектор – защищаемый металл.

2. В данной агрессивной среде, анодная реакция окисления металла протектора должна протекать максимально легко, обеспечивая минимальную поляризацию (поверхность не должна пассивироваться). …

Уменьшение склонности к пассивации будет обеспечивать тот же КМА.

3. Материал протектора должен иметь максимальную поляризуемость катодной электрохимической реакции, обеспечивая минимальную скорость саморастворения. В многоэлектродной системе протектор сохраняет и катодные функции.

4. Протекторный материал должен иметь высокую эффективность – максимальный КПД и коэффициент использования, а также максимальную токоотдачу.

Под токоотдачей подразумевается количество электричества, которое можно получить с единицы масса протекторного металла.

Для магниевых сплавов КПД в пределах 0,65 – 0,7 из-за высокой скорости саморастворения; для цинкового протектора КПД достигает 95 – 98 %.

Коэффициент использования показывает, какая доля металла протектора участвует в анодной электрохимической реакции. Уменьшения обусловлены неравномерным растворением металла, частично – выкрашиванием и потерей контакта частиц с токоотводом.

Таким образом, срок службы протектора лет. Как правило, в качестве протекторных материалов используются сплавы в виде порошков, напрессованные на гибкий медный токоотвод. Основу таких сплавов составляет магний.

Сплав	Mg	Al	Zn	Mn	Fe не более	Cu не более	Ni не более	Si не более
МП-1	Основа	5 – 7	2 – 4	0,5	0,003	0,004	0,009	0,04
МП-2	Основа	5 – 7	2 – 4	0,5	0,03	0,15	0,008	0,25
МП-3	Основа	5 – 7	2 – 4	0,15	0,003	0,1	0,003	0,3

Константа “а” в уравнении Тафеля:

Al – 1,0; Mn – 0,9; Zn – 1,24; Fe – 0,7; Cu – 0,87; Ni – 0,63;

Компоненты сплава должны обеспечивать максимально равномерное расходование металла протектора и максимальный КПД через поляризуемость для катодной электрохимической реакции.

При использовании протектора МП-10У: основной материал – 10 кг. Магниевый, , . При сопротивлении грунта меньше 50 Ом*м, способен защищать участок трубопровода длиной 1 – 2 км в течение 5 лет.

Мировая практика показывает, что стоимость плановых затрат на замену протектора составляет от 4 до 9 евро на один километр трубопровода в год.

Лекция 13.

Распределение тока и потенциала по поверхности защищаемой металлоконструкции. Радиус действия катодной электрохимической защиты.

– удельная электропроводность

Стальной трубопровод, покрытый слоем изоляции.

ИПТ – источник постоянного тока, Аз – анодные заземлители, ЭС – электроды сравнения.

В данной агрессивной среде трубопровод имеет наиболее положительное значение компромиссного потенциала , установившееся на нём под током коррозии. Для защиты трубопровода используют катодную электрохимическую защиту, т.е. подключают к нему с помощью кабеля либо протекторы (например Zn, – обратимый потенциал анодной реакции протектора; либо Mg, имеющий ещё более отрицательный потенциал).

Также защиту можно осуществить подключением металлоконструкции к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Точка О – точка подключения кабеля к металлоконструкции, «точка дренажа»; в ней будет самое отрицательное значение потенциала. Полная электрохимическая защита будет создана в том случае, если потенциал металлоконструкции будет сдвинут от Ех до обратимого .

При использовании станций катодной защиты, участок трубопровода будет находиться под полной электрохимической защитой. За пределами этого отрезка потенциал на поверхности металлоконструкции будет положительнее обратимого потенциала, а значит, будет идти коррозия.

Радиусом действия катодной электрохимической защиты называется .

Распределение потенциала по поверхности металлоконструкции, в зависимости от расстояния от точки дренажа (x = 0; x -> E⁰), описывается уравнением

– коэффициент пропорциональности (электропроводности).

R_Ме – сопротивление трубы длиной 1 метр.

R_{изоляции­} включает в себя не только сопротивление изоляционной плёнки на поверхности трубопровода, но и сопротивление грунта.

– сдвиг потенциала для полной защиты.

Из выражения следует, что радиус действия катодной защиты наибольший, если мы обеспечим наиболее отрицательный потенциал E⁰ в точке дренажа. Более отрицательный, чем может обеспечить металл протектора; поэтому защита внешним током будет иметь больший радиус. Чем больше сопротивление плёнки изолятора, тем больше будет радиус действия катодной защиты при одной и той же плотности катодного тока.

При хорошей изоляции, радиус действия магниевого протектора может достигать 0,5 – 1 км, а станции катодной защиты – 10 – 20 километров.

Чем большей электропроводность обладает агрессивная среда (грунт), тем более равномерно будет распределяться ток и потенциал по поверхности металлоконструкции.

Так как в точке дренажа устанавливается самое отрицательное значение потенциала (гораздо отрицательнее необходимого E^защ), возникает опасность значительного выделения водорода. Такое явление называется перезащитой (смещение потенциала значительно отрицательнее защитного). Выделение водорода, которое может приводить к наводораживанию самой металлоконструкции, что может вызывать водородную хрупкость (значительное ухудшение прочностных свойств металла), а также способствовать разрушению слоя изоляции.

Чтобы уменьшить область перезащиты, анодные заземлители станций катодной защиты устанавливаются на значительном удалении (250 – 380 м и далее) от защищаемой конструкции; чтобы отвести потенциал дальше от точки дренажа, в грунт закапывают изолирующие экраны.

Наилучшее распределение потенциала будет достигаться, когда анодные заземлители будут располагаться на небольшом расстоянии друг от друга, либо при использовании сплошного ленточного анодного заземлителя.