СКЗ – основные сведения.

Станция катодной защиты (СКЗ) – это комплекс сооружений, предназначенных для катодной поляризации газопровода внешним током.

Основными конструктивными элементами СКЗ (рис. 12.4.1.) являются:

Ø источник постоянного (выпрямленного) тока (катодная станция) 5 ;

Ø анодное заземление 2 , зарываемое в землю на некотором расстоянии от трубопровода 1 ;

Ø соединительные электролинии 3 , соединяющие положительный полюс источника тока с анодным заземлением, а отрицательный полюс - с трубопроводом;

Ø катодный вывод газопровода 8 и точка дренажа 7 ;

Ø защитное заземление 4 .

Рисунок – 12.4.1. - Принципиально-конструктивная схема СКЗ

Потенциал трубопровода под действием входящего тока становится более электроотрицательным, оголенные участки газопровода (в местах повреждения изоляции) катодно заполяризовываются и в зависимости от величины установившегося потенциала становится полностью или частично защищенными от коррозии. Одновременно на анодном заземлении под действием стекающего тока происходит процесс анодной поляризации, сопровождающийся постепенным разрушением анодного заземления.

Источники постоянного тока СКЗ разделяются на две группы. К первой группе относятся сетевые преобразующие устройства - выпрямители, питаемые от линий электропередачи (ЛЭП) переменного тока промышленной частоты 50 Гц номинальным напряжением от 0,23 до 10 кВ. Ко второй группе относятся автономные источники – генераторы постоянного тока и электрохимические элементы, которые вырабатывают электроэнергию непосредственно на трассе газопровода вблизи места, где необходимо установить СКЗ (ветроэлектрогенераторы, электрогенераторы с приводом от газовых турбинок, от двигателя внутреннего сгорания, термоэлектрогенераторы, аккумуляторы).

На магистральных газопроводах широкое распространение получили сетевые катодные станции с выпрямителями однофазного переменного тока напряжением 127/220 В, частотой 50 Гц. При наличии линий электропередачи переменного тока с номинальным напряжением 0,23; 0,4; 6 и 10 кВ применение таких станций целесообразно и экономически оправдано. При питании от ЛЭП 6 или 10 кВ выпрямительную установку подключают к питающей линии через понижающий трансформатор.

Рисунок – 12.4.2. – Упрощенная принципиальная схема типового неавтоматического источника питания СКЗ

На рис.12.4.2. приведена упрощенная типовая схема сетевой катодной станции с выпрямителем. Сеть переменного тока подключается к клеммам 1 и 2 . Учет потребляемой электроэнергии осуществляется электросчетчиком 3 . Автомат 4 служит для включения установки, а предохранители 5 обеспечивают защиту от токов короткого замыкания и перегрузок со стороны переменного тока. Понижающий трансформатор 6 питает выпрямитель 7 , собранный из отдельных выпрямительных элементов по двухполупериодной мостовой схеме выпрямления или по двухполупериодной однофазной схеме выпрямления с нулевым выводом. Защита от короткого замыкания и перегрузки со стороны цепи выпрямленного тока обеспечивается предохранителем 9 . Режим работы установки контролируют при помощи амперметра 10 и вольтметра 12 . Соединительный кабель от трубопровода 11 подключается к клемме «-», а от анодного заземления - к клемме «+». Все элементы установки смонтированы в металлическом шкафу, запираемом на замок.

Для обеспечения безопасных условий эксплуатации все металлические части конструкции станции заземляются защитным заземлением 8 .

Выпрямительные установки имеют устройства для регулирования напряжения или силы тока. В большинстве установок применяют ступенчатое регулирование напряжения путем переключения отдельных секций обмоток трансформатора. На некоторых типах выпрямителей напряжение регулируется плавно при помощи автотрансформатора или магнитных шунтов в обмотках трансформатора. Применяют также симисторное регулирование напряжения в первичной обмотке и тиристорное – во вторичной.

При катодной защите газопроводов, находящихся в зоне действия блуждающих токов, режим работы неавтоматических выпрямителей переменного тока обычно выбирается с учетом среднего значения разности потенциала «труба – земля», которое определяется по данным измерений за определенный промежуток времени (обычно среднесуточное значение) и не исключает выбросов потенциала в анодную или катодную область. Для подавления анодных выбросов выпрямитель необходимо настраивать на режим перезащиты. Глубокая катодная поляризация приводит к перерасходу электроэнергии, отслаиванию и растрескиванию изоляционного покрытия, наводораживанию поверхности металла (за счет интенсивного выделения на катоде водорода). Такой характер изменения потенциалов газопроводов приводит к необходимости создания автоматических станций катодной защиты, которые должны поддерживать потенциал в защитном диапазоне при минимальном расходе электроэнергии и максимальном использовании защитных свойств блуждающих токов. СКЗ состоят из устройств для установки заданного значения разности потенциалов (задающих устройств), устройств для измерения фактической разности потенциалов (измерительных устройств со стационарными электродами сравнения), усилителей мощности, исполнительных органов, изменяющих силу тока в цепи СКЗ.

Трубопроводы, пролегающие под землёй, подвергаются разрушающему действию коррозии. Коррозия трубопровода поражает металлические трубы, если возникают условия, когда атомы металла могут перейти в состояние иона.

Чтобы нейтральный атом стал, ионом, необходимо отдать электрон, а это возможно если есть анод, который его примет. Такая ситуация возможна при возникновении разности потенциалов между отдельными участками трубы: один участок анод, другой катод.

Причины протекания электролитических реакций

Причин образования разности потенциалов (величина его значения) на отдельных участках трубы несколько:

• различные составы грунта по физическим и химическим свойствам;
• неоднородность металла;
• влажность почвы;
• значение рабочей температуры, транспортируемого вещества;
• показатель кислотности грунтового электролита;
• прохождение линии электротранспорта, который создаёт блуждающие токи.

Важно! Участки, которые требуют установления защиты, определяются на стадии проектирования объекта. Все необходимые сооружения строятся параллельно с прокладкой труб.

В результате могут возникнуть два вида коррозийного повреждения:

• поверхностное, которое к разрушению трубопровода не приводит;
• местное, в результате которого образуются раковины, щели, растрескивания.

Виды предохранения от коррозии

Чтобы уберечь трубы от разрушения, применяют защиту трубопроводов от коррозии.

Существует два основных способа защиты:

• пассивный, при котором вокруг труб создаётся защитная оболочка полностью отделяющая их от грунта. Обычно это покрытие из битума, эпоксидной смолы, полимерной ленты;
• активный, позволяющий управлять электрохимическими процессами, которые протекают в местах соприкосновения трубы и грунтового электролита.

Активный метод разделяется на три вида предохранения:

• катодный;
• протекторный;
• дренажный.

Дренажный осуществляет защиту трубопроводов от коррозии производимой блуждающими токами. Такие токи отводят в направлении создающего их источника или напрямую в почвенный слой. Дренаж может быть земляным (заземление анодных зон трубопровода), прямым (отсоединение от отрицательного полюса источника блуждающего тока). Реже используют дренаж поляризованный и усиленный.

Способы организации катодной защиты

Катодная защита трубопровода от коррозии образуется, если использовать внешнее электрическое поле для организации катодной поляризации трубопровода, а повреждение перевести на внешний анод, который подвергнется разрушению.

Катодная разделяется на два вида:

• гальваническая с использованием анодов-протекторов, для изготовления которых используют сплавы магния, алюминия, цинка;
• электрическая, в которой применяется внешний источник постоянного тока с схемой подключения: минус на трубу, плюс - на заземлённый анод.

Основа гальванического способа катодной защиты: использование свойства металла иметь отличные по величине потенциалы, когда их применяют в виде электрода. Если в электролите находятся две металла с разным значением потенциала, то разрушаться будет тот, который имеет меньшее значение.

Материал для протектора подбирается такой, чтобы выполнялись определённые требования:

• отрицательный потенциал с большим значение в сравнении с потенциалом трубопровода;
• значительный КПД;
• высокий показатель удельной токоотдачи;
• малая анодная поляризуемость, чтобы не образовывались окисные плёнки.

Обратить внимание! Наиболее высокий КПД у анодов из сплава цинка и алюминия, наименьший - у магниевых.

Чтобы повысить КПД и действенность защиты, протекторы погружают в активатор, который снижает собственную коррозию протектор и величину сопротивления растеканию тока с протектора, уменьшает анодную поляризуемость.

Протекторная защитная установка состоит из протектора, активатора, проводника, соединяющего протектор и трубопровод, пункта для контроля и проведения замера электрических параметров.

Эффективность протекторной защиты от коррозии трубопроводов зависит от величины удельного сопротивления грунта. Она хорошо действует, если этот показатель не превышает 50 Ом*м, при большем значении защита будет частичной. Для повышения действенности используют ленточные протекторы.

Ограничением для использования протекторной защиты является электрический контакт трубопровода и смежной протяжённой коммуникацией.

Станции катодной защиты

Более сложный в организации, но самый эффективный - это электрический. Для его организации сооружают внешний источник постоянного тока - станцию катодной защиты. В электрической станции преобразуется переменный ток в постоянный.

Элементы катодной защиты:

• анодное заземление;
• линия соединения постоянного тока;
• защитное заземление;
• источник постоянного тока;
• катодный вывод.

Электрический метод является аналогом процесса электролиза.

Под действием внешнего поля источника тока валентные электроны двигаются в сторону от анодного заземления к источнику тока и трубе. Заземленный анод постепенно разрушается. А у трубопровода от источника постоянного тока поступающий переизбыток свободных электронов приводит к деполяризации (как у катода при электролизе).

Чтобы предотвратить коррозийное разрушение нескольких труб, сооружают несколько станций и устанавливают соответствующее количество анодов.

Электрохимическая защита от коррозии состоит из катодной и дренажной защиты. Катодная защита трубопроводов осуществляется двумя основными методами: применением металлических анодов-протекторов (гальванический протекторный метод) и применением внешних источников постоянного тока, минус которых соединяется с трубой, а плюс - с анодным заземлением (электрический метод).

Рис. 1. Принцип работы катодной защиты

Гальваническая протекторная защита от коррозии

Наиболее очевидным способом осуществления электрохимической защиты металлического сооружения, имеющего непосредственный контакт с электролитической средой, является метод гальванической защиты, в основу которого положен тот факт, что различные металлы в электролите имеют различные электродные потенциалы. Таким образом, если образовать гальванопару из двух металлов и поместить их в электролит, то металл с более отрицательным потенциалом станет анодом-протектором и будет разрушаться, защищая металл с менее отрицательным потенциалом. Протекторы, по существу, служат портативными источниками электроэнергии.

В качестве основных материалов для изготовления протекторов используются магний, алюминий и цинк. Из сопоставления свойств магния, алюминия и цинка видно, что из рассматриваемых элементов магний обладает наибольшей электродвижущей силой. В то же время одной из наиболее важных практических характеристик протекторов является коэффициент полезного действия, показывающий долю массы протектора, использованной на получение полезной электрической энергии в цепи. К.П.Д. протекторов, изготовленных из магния и магниевых сплавов, редко превышают 50 % в, в отличие от протекторов на основе Zn и Al с К.П.Д. 90 % и более.

Рис. 2. Примеры магниевых протекторов

Обычно протекторные установки применяются для катодной защиты трубопроводов, не имеющих электрических контактов со смежными протяженными коммуникациями, отдельных участков трубопроводов, а также резервуаров, стальных защитных кожухов (патронов), подземных резервуаров и емкостей, стальных опор и свай, и других сосредоточенных объектов.

В то же время протекторные установки очень чувствительны к ошибкам в их размещении и комплектации. Неправильный выбор или размещение протекторных установок приводит к резкому снижению их эффективности.

Катодная защита от коррозии

Наиболее распространенный метод электрохимической защиты от коррозии подземных металлических сооружений - это катодная защита, осуществляемая путем катодной поляризации защищаемой металлической поверхности. На практике это реализуется путем подключения защищаемого трубопровода к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока, называемого станцией катодной защиты. Положительный полюс источника соединяют кабелем с внешним дополнительным электродом, сделанным из металла, графита или проводящей резины. Этот внешний электрод размещается в той же коррозионной среде, что и защищаемый объект, в случае подземных промысловых трубопроводов, в почве. Таким образом, образуется замкнутая электрическая цепь: дополнительный внешний электрод - почвенный электролит - трубопровод - катодный кабель - источник постоянного тока - анодный кабель. В составе данной электрической цепи трубопровод является катодом, а дополнительный внешний электрод, присоединенный к положительному полюсу источника постоянного тока, становится анодом. Данный электрод называется анодным заземлением. Отрицательно заряженный полюс источника тока, присоединенный к трубопроводу, при наличии внешнего анодного заземления катодно поляризует трубопровод, при этом потенциал анодных и катодных участков практически выравнивается.

Таким образом, система катодной защиты состоит из защищаемого сооружения, источника постоянного тока (станции катодной защиты), анодного заземления, соединительных анодной и катодной линий, окружающей их электропроводной среды (почвы), а также элементов системы мониторинга - контрольно-измерительных пунктов.

Дренажная защита от коррозии

Дренажная защита трубопроводов от коррозии блуждающими токами осуществляется путем направленного отвода этих токов к источнику или в землю. Установка дренажной защиты может быть нескольких видов: земляной, прямой, поляризованный и усиленный дренажи.

Рис. 3. Станция дренажной защиты

Земляной дренаж осуществляется заземлением трубопроводов дополнительными электродами в местах их анодных зон, прямой дренаж - созданием электрической перемычки между трубопроводом и отрицательным полюсом источника блуждающих токов, например рельсовой сетью электрифицированной железной дороги. Поляризованный дренаж в отличие от прямого обладает только односторонней проводимостью, поэтому при появлении положительного потенциала на рельсах дренаж автоматически отключается. В усиленном дренаже дополнительно в цепь включается преобразователь тока, позволяющий увеличивать дренажный ток.

Катодная защи та - наиболее распространенный вид электрохимической защиты. Она применяется в тех случаях, когда металл не склонен к пассивации, то есть имеет протяжненную область активного растворения, узкую пассивную область, высокие значения тока пассивации (i п) и потенциала пассивации (ц п).

Катодную поляризацию можно осуществлять путем присоединœения защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника тока, Катодная защита осуществляется внешним током. .

Схема катодной защиты представлена на рис. 4. Отрицательный полюс внешнего источника тока 4 присоединœен к защищаемой металлической конструкции 1, а положительный полюс – к вспомогательному электроду 2, работающему как анод. В процессе защиты анод активно разрушается и подлежит периодическому восстановлению.

В качестве материала анода применяют чугун, сталь, уголь, графит, металлический лом (старые трубы, рельсы и др.). Источниками внешнего тока при катодной защите служат станции катодной защиты, обязательными элементами которых являются: преобразователь (выпрямитель), вырабатывающий ток; токоподвод к защищаемой конструкции, электрод сравнения, анодные заземлители, анодный кабель.

Катодную защиту заводской аппаратуры (холодильников, теплообменников, конденсаторов и др.), подвергающейся воздействию агрессивной среды, осуществляют путем подсоединœения к отрицательному полюсу внешнего источника тока и погружения анода в эту среду.

Катодная защита внешним током нецелœесообразна в условиях атмосферной коррозии, в парообразной среде, в органических растворителях, так как в данном случае коррозионная среда не обладает достаточной электропроводностью.

Протекторная защита . Протекторная защита является разновидностью катодной защиты. Схема протекторной защиты трубопровода показана на рис. 5. К защищаемой конструкции 2 присоединяют более электроотрицательный металл - протектор 3, который, растворяясь в окружающей среде, защищает от разрушения основную конструкцию.

После полного растворения протектора или потери контакта его с защищаемой конструкцией протектор крайне важно заменить.

Рисунок 5 Схема протекторной защиты трубопровода

Протектор работает эффективно, в случае если переходное сопротивление между ним и окружающей средой невелико. В процессе работы протектор, к примеру цинковый, может покрываться слоем нерастворимых продуктов коррозии, которые изолируют его от окружающей среды и резко увеличивают переходное сопротивление. Для борьбы с этим протектор помещают в наполнитель 4 - смесь солей, которая создает вокруг него определœенную среду, облегчающую растворение продуктов коррозии и повышающую эффективность и стабильность работы протектора в грунте.

Протекторную защиту по сравнению с катодной защитой внешним током целœесообразно использовать в тех случаях, когда получение энергии извне связано с трудностями или если сооружение специальных электролиний экономически невыгодно.

Сегодня протекторную защиту применяют для борьбы с коррозией металлических конструкций в морской и речной воде, грунте и других нейтральных средах. Использование протекторной защиты в кислых средах ограничивается высокой скоростью саморастворения протектора.

В качестве протекторов можно применять металлы: Al, Fe, Mg, Zn. При этом использовать чистые металлы в качестве протекторов не всœегда целœесообразно.. Для придания протекторам требуемых эксплуатационных свойств в их состав вводят легирующие элементы.

Катодная защита - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Катодная защита" 2017, 2018.

М. Иванов, к. х. н.

Коррозия металлов, особенно железа и нелегированной стали, наносит большой вред аппаратам и трубопроводам, эксплуатируемым в условиях контакта с водой и воздухом. Это приводит к снижению сроков службы оборудования и дополнительно создает условия для загрязнения воды продуктами коррозии.

Подписаться на статьи можно на

Как известно, коррозия является электрохимическим процессом, при котором происходит окисление металла, то есть отдача его атомами электронов. Этот процесс осуществляется в микроскопической части поверхности, называемой анодной областью. Он приводит к нарушению целостности металла, атомы которого вступают в химические реакции, особенно активно - в присутствии кислорода воздуха и влаги.

Поскольку металлы хорошо проводят электрический ток, высвобожденные электроны свободно перетекают в другую микроскопическую область, где в присутствии воды и кислорода происходят восстановительные реакции. Такую область называют катодной.

Протеканию электрохимической коррозии можно противодействовать, произведя за счет приложения напряжения от внешнего источника постоянного тока сдвиг электродного потенциала металла до значений, при которых процесс коррозии не происходит.

На основе этого построены системы катодной защиты подземных трубопроводов, резервуаров и других металлических сооружений. В случае приложения к защищаемому металлу электрического потенциала на всей поверхности металлической конструкции устанавливаются такие значения потенциала, при которых могут протекать только восстановительные катодные процессы: например, катионы металла будут принимать электроны и превращаться в ионы более низкой степени окисления или нейтральные атомы.

Технически метод катодной защиты металлов осуществляется следующим образом (рис. 1 ). К защищаемой металлической конструкции, например стальному трубопроводу, подводится провод, который соединяют с отрицательным полюсом катодной станции, в результате этого трубопровод становится катодом. На некотором расстоянии от металлической конструкции в грунте располагается электрод, который с помощью провода соединяется с положительным полюсом и становится анодом. Разность потенциалов между катодом и анодом создают таким образом, чтобы полностью исключить протекание окислительных процессов на защищаемой конструкции. В этом случае через влажную почву между катодом и анодом в толще грунта будут протекать слабые токи. Для эффективной защиты требуется размещение нескольких анодных электродов по всей длине трубопровода. Если удается снизить разность потенциалов защищаемой конструкции и грунта до 0,85-1,2 В, то скорость протекания коррозии трубопровода уменьшается до существенно малых значений.

Итак, система катодной защиты включает в себя источник постоянного электрического тока, контрольно-измерительный пункт и анодное заземление. Обычно станция катодной защиты состоит из трансформатора переменного тока и диодного выпрямителя. Как правило, ее питание осуществляется от сети напряжением 220 В; существуют также станции, питаемые от линий высокого (6-10 кВ) напряжения.

Для эффективной работы катодной станции создаваемая ею разность потенциалов катода и анода должна быть не менее 0,75 В. В некоторых случаях для успешной защиты достаточно порядка 0,3 В. В то же время в качестве технических параметров станций катодной защиты используются величины номинальных значений выходного тока и выходного напряжения. Так, обычно номинальное выходное напряжение станций составляет от 20 до 48 В. При большом расстоянии между анодом и защищаемым объектом требуемое значение выходного напряжения станции достигает 200 В.

В качестве анодов применяют вспомогательные инертные электроды. Анодные заземлители, например модели АЗМ-3Х производства ЗАО «Катодъ» (пос. Развилка, Московская обл.), представляют собой отливки из коррозионно-стойкого сплава, снабженные специальным проводом с медной жилой в усиленной изоляции, а также герметизированной муфтой для присоединения к магистральному кабелю станции катодной защиты. Рациональнее всего использовать заземлители в средах высокой и средней коррозийной активности при удельном сопротивлении грунта до 100 Ом.м. Для оптимального распределения напряженности поля и плотности тока по корпусу оборудования вокруг анодов располагают специальные экраны в виде засыпки из угля или кокса.

Для оценки эффективности работы станции катодной защиты необходима система, которая состоит из измерительного электрода и электрода сравнения и является основной частью контрольно-измерительного пункта. На основании показаний данных электродов производится регулирование разности потенциалов катодной защиты.

Измерительные электроды изготавливают из высоколегированной стали, кремнистого чугуна, платинированной латуни или бронзы, а также меди. Электроды сравнения - хлорсеребряные или сульфатно-медные. По своему конструктивному исполнению электроды сравнения могут быть погружными или выносными. Состав раствора, используемого в них, должен быть близким к составу среды, от вредного воздействия которой требуется защитить оборудование.

Можно отметить биметаллические электроды сравнения длительного действия типа ЭДБ, разработанные ВНИИГАЗом (Москва). Они предназначены для измерения разности потенциалов между подземным металлическим объектом (включая трубопровод) и землей для управления станцией катодной защиты в автоматическом режиме в условиях большой нагрузки и на значительной глубине, то есть там, где другие электроды не могут обеспечить постоянное поддержание заданного потенциала.

Оборудования для катодной защиты поставляется, в основном, отечественными производителями. Так, упомянутое ЗАО «Катодъ» предлагает станцию «Минерва-3000» (рис. 2 ), предназначенную для защиты магистральных водопроводных сетей. Ее номинальная выходную мощность - 3,0 кВт, выходное напряжение - 96 В, сила тока защиты - 30 А. Точность поддержания защитного потенциала и величины тока соответственно составляет 1 и 2 %. Величина пульсации - не более 1 %.

Другой российский производитель - ОАО «Энергомера» (Ставрополь) - поставляет модули марок МКЗ-М12, ПНКЗ-ППЧ-М10 и ПН-ОПЕ-М11, обеспечивающие эффективную катодную защиту подземных металлических сооружений в зонах высокой коррозионной опасности. Модуль МКЗ-М12 имеет номинальный ток 15 или 20 А; номинальное выходное напряжение - 24 В. Для моделей МКЗ-М12-15-24-У2 выходное напряжение составляет 30 В. Точность поддержания защитного потенциала достигает ±0,5 %, заданного тока ±1 %. Технический ресурс - 100 тыс. ч, а срок службы - не менее 20 лет.

ООО «Электронные технологии» (Тверь) предлагает станции катодной защиты «Тверца» (рис. 3 ), комплектуемые встроенным микропроцессором и телемеханической системой дистанционного управления. Контрольно-измерительные пункты оборудованы неполяризующимися электродами сравнения длительного действия с датчиками электрохимического потенциала, обеспечивающими измерение поляризационных потенциалов на трубопроводе. В состав этих станций включены также регулируемый источник катодного тока и блок датчиков электрических параметров цепи, который через контроллер соединен с устройством дистанционного доступа. Трансформатор данной станции выполнен на основе ферритовых сердечников типа Epcos. Используется также система управления преобразователем напряжения на основе микросхемы типа UCC 2808A.

Компания «Курс-ОП» (Москва) выпускает станции катодной защиты «Элкон», напряжение на выходе которых изменяется в диапазоне от 30 до 96 В, а выходной ток - в диапазоне от 20 до 60 А. Пульсации выходного напряжения - не более 2 %. Эти станции предназначены для защиты от почвенной коррозии однониточных, а с применением блока совместной защиты и многониточных трубопроводов в зонах отсутствия блуждающих токов в условиях умеренного климата (от -45 до +40 °С). В состав станций входят однофазный силовой трансформатор, преобразователь со ступенчатым регулированием выходного напряжения, высоковольтная аппаратура, двухполюсный разъединитель с ручным приводом и ограничители перенапряжений.

Можно также отметить установки катодной защиты серии НГК-ИПКЗ производства ООО «НПФ «Нефтегазкомплекс ЭХЗ» (Саратов), максимальный ток на выходе из которых составляет 20 или 100 А, а номинальное выходное напряжение - 48 В.

Один из поставщиков станций катодной защиты из стран СНГ - фирма «Гофман Электрик Технолоджис» (Харьков, Украина), предлагающая оборудование для электрохимической защиты от почвенной коррозии магистральных трубопроводов.