Электрохимическая защита нефтепроводов от коррозии
При контакте металла с грунтами, относящимися к электролитическим средам, происходит коррозионный процесс сопровождаемый образованием электрического тока и устанавливается определенный электродный потенциал. Величину электродного потенциала нефтепровода можно определить по разности потенциалов между двумя электродами: нефтепроводом и неполяризующимся медносульфатным элементом. Таким образом, значение потенциала нефтепровода представляет собой разность его электродного потенциала и потенциала электрода сравнения по отношению к грунту. На поверхности нефтепровода протекают электродные процессы определенного направления и стационарные по характеру изменения во времени.
Стационарный потенциал принято называть естественным потенциалом, подразумевая при этом отсутствие на нефтепроводе блуждающих и других наведенных токов.
Взаимодействие корродирующего металла с электролитом разделяется на два процесса анодный и катодный, которые проходят одновременно на различных участках поверхности раздела металла и электролита.
При защите от коррозии используют территориальное разделение анодного и катодного процессов. К нефтепроводу подключают источник тока с дополнительным электродом-заземлителем, с помощью которого накладывают на нефтепровод внешний постоянный ток. В этом случае анодный процесс происходит на дополнительном электроде-заземлителе.
Катодная поляризация подземных нефтепроводов осуществляется с помощью наложения электрического поля от внешнего источника постоянного тока. Отрицательный полюс источника постоянного тока подключается к защищаемой конструкции, при этом трубопровод является катодом по отношению к грунту. Искусственно созданный анод-заземлитель - к положительному полюсу.
Принципиальная схема катодной защиты показана на рис. 1. При катодной защите отрицательный полюс источника тока 2 подключен к нетфепроводу 1, а положительный - к искусственно созданному аноду-заземлителю 3. При включении источника тока от его полюса через анодное заземление поступает в грунт и через поврежденные участки изоляции 6 на трубу. Далее через точку дренажа 4 по соединительному проводу 5 ток возвращается снова к минусу источника питания. При этом на оголенных участках нефтепровода начинается процесс катодной поляризации.
Рис. 1. Принципиальная схема катодной защиты нефтепровода нефтепровод; 2 - внешний источник постоянного тока; 3 - анодное заземление; 4 - точка дренажа; 5 - дренажный кабель; 6 - контакт катодного вывода; 7 - катодный вывод; 8 - повреждения изоляции нефтепровода
Поскольку напряжение внешнего тока, приложенного между электодом-заземлителем и нефтепроводом, значительно превышает разность потенциалов между электродами коррозионных макропар нефтепровода, стационарный потенциал анодного заземления не играет определяющей роли.
С включением электрохимической защиты (j0a доп) нарушается распределение токов коррозионных макропар, сближаются значения разности потенциалов труба - земля катодных участков (j0к) с разностью потенциалов анодных участков (j0а) обеспечиваются условия для поляризации.
Рис. 2. Коррозионная диаграмма для случая полной поляризации (а) и неполной поляризации (б)
Катодная защита регулируется путем поддержания необходимого защитного потенциала. Если наложением внешнего тока нефтепровод заполяризован до равновесного потенциала (j0к=j0а) растворения металла (рис. 2 а), то анодный ток прекращается и коррозия приостанавливается. Дальнейшее повышение защитного тока нецелесообразно. При более положительных значениях потенциала наступает явление неполной защиты (рис. 2 б). Оно может возникнуть при катодной защите нефтепровода, находящегося в зоне сильного влияния блуждающих токов или при использовании протекторов, не имеющих достаточно отрицательного электродного потенциала (цинковые, протекторы).
Критериями защиты металла от коррозии являются защитная плотность тока и защитный потенциал.
Катодная поляризация неизолированной металлической конструкции до величины защитного потенциала требует значительных токов. Наиболее вероятные величины плотностей токов, необходимых для поляризации стали в различных средах до минимального защитного потенциала (-0,85 В) по отношению к медно-сульфатному электроду сравнения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Плотность тока, необходимая для катодной защиты неизолированной стальной поверхности в различных средах
| Среда | Плотность тока, необходимая для катодной защиты, мА/м2 |
| Стерильная нейтральная почва | 4,3...16,1 |
| Хорошо аэрируемая нейтральная почва | 21,5...32,3 |
| Сухая, хорошо аэрируемая почва | 5,4...16,1 |
| Влажная почва | 16,9...64,6 |
| Высококислая | 53,8...161,4 |
| Почва, поддерживающая активность сульфатновосстанавливающих бактерий | 451,9 |
Обычно катодная защита используется совместно с изоляционными покрытиями, нанесенными на наружную поверхность нефтепровода. Поверхностное покрытие уменьшает необходимый ток на несколько порядков. Так, для катодной защиты стали с хорошим покрытием в почве требуется всего 0,01 ... 0,2 мА/м2.
Защитная плотность тока для изолированных магистральных нефтепроводов не может стать надежным критерием защиты вследствие неизвестного распределения поврежденной изоляции нефтепровода, определяющую фактическую площадь контакта металла с грунтом. Даже для неизолированной трубы (патрон на подземном переходе через железные и шоссейные дороги) защитная плотность тока, определяется по геометрическим размерам сооружения, является фиктивной, т.к. остается неизвестной доля поверхности патрона, покрытая постоянно присутствующими пассивными защитными слоями (окалиной и др.) и не участвующая в процессе деполяризации. Поэтому защитная плотность тока как критерий защиты применяется при некоторых лабораторных исследованиях, выполняемых на образцах металла.
В качестве критерия ГОСТ Р 51164-98 «Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от коррозии» принят защитный потенциал (табл. 2).
Таблица 2
Минимальные защитные потенциалы
| Условия прокладки и эксплуатации трубопровода | Минимальный защитный потенциал относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения, В | |
| Поляризационный | С омической составляющей | |
| Грунты с предельным электрическим сопротивлением не менее 10 Ом×м или содержанием водорастворимых солей не более 1 г на 1 кг грунта или при температуре транспортируемого продукта не более 293 К (20°С) | -0,85 | -0,90 |
| Грунты с предельным электрическим сопротивлением менее 10 Ом×м или содержанием водорастворимых солей более 1 г на 1 кг грунта, или опасном влиянии блуждающих токов промышленной частоты (50 Гц) и постоянных токов, или при возможной микробиологической коррозии, или при температуре транспортируемого продукта более 293 К (20°С) | -0,95 | -1,05 |
Примечания:
1. Для трубопроводов, температура транспортируемого продукта которых не более 278К (5°С), минимальный поляризационный защитный потенциал равен минус 0,80В относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения.
2. Минимальный защитный потенциал с омической составляющей при температуре транспортируемого продукта от 323К (50°С) до 343К (70°С) - минус 1,10В; от 343К (70°С) до 373К (100°С) - минус 1,15В.
3. Для грунтов с высоким удельным сопротивлением (более 100 Ом×м) значения минимального потенциала с омической составляющей должны быть определены экспериментально или расчетным путем в соответствии с НД.
Смещение разности потенциалов труба-земля в отрицательную сторону относительно минимально защитного с точки зрения защиты бесполезно и вызывает повышение расхода тока. Однако такое смещение разности потенциалов необходимо в местах подключений станций катодной защиты (СКЗ) к нефтепроводу, чтобы обеспечить минимальную защитную разность потенциалов на участках нефтепровода, удаленных от СКЗ. Как только разность потенциалов труба-земля достигнет величин, отрицательнее -1,10 В, на нефтепроводе (катоде) катодный процесс будет протекать с интенсивным выделением водорода, что может нарушить прилипаемость изоляции нефтепровода. Поэтому для изолированных нефтепроводов максимально допустимая разность потенциалов принята равной -1,10В (табл.3).
Таблица 3
Максимальные защитные потенциалы
| Условия прокладки и эксплуатации трубопровода | Максимальный защитный потенциал относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения, В | |
| Поляризационный | С омической составляющей | |
| При прокладке трубопровода с температурой транспортируемого продукта выше 333К (60°С) в грунтах с удельным электрическим сопротивлением менее 10 Ом×м или при подводной прокладке трубопровода с температурой транспортируемого продукта выше 333К (60°С) | -1,10 | -1,50 |
| При других условиях прокладки трубопроводов: | ||
| с битумной изоляцией | -1,15 | -2,50 |
| с полимерной изоляцией | -1,15 | -3,50 |
Примечания:
1. Для трубопроводов из упрочненных сталей с пределом прочности 0,6 МПа (6 кг/см2) и более не допускается поляризационные потенциалы более отрицательные, чем минус 1,10В.
2. В грунтах с высоким удельным сопротивлением (более 100 Ом×м) допускаются более отрицательные потенциалы с омической составляющей, установленные экспериментально или расчетным путем в соответствии с НД.
Наблюдениями установлено, что в определенных условиях изолирующее покрытие сохраняет прилипаемость к трубе и при более отрицательных разностях потенциалов. Это относится, прежде всего, к участкам, уложенным в хорошо аэрируемых грунтах с добросовестно выполненным покрытием. На участках нефтепровода, где при строительстве изоляция выполнена небрежно со слабой прилипаемостью, наблюдается отрыв ее от трубы в условиях перезащиты.
Проведены исследования почвенных условий, в которых эксплуатируются трубопроводы, в частности, влияние влажности грунтов и давления их на покрытие. Изучено поведение таких новых видов изоляционных материалов, как полимерные материалы и стеклоэмали в условиях катодной поляризации. Экспериментальными исследованиями установлена принципиальная возможность применения на подземных стальных трубопроводах катодной защиты с повышенным против нормы защитным потенциалом в тех случаях, когда трубопровод не находится в постоянном контакте с грунтовыми водами. Положительные результаты получены при повышении защитного потенциала в точке дренажа катодных станций при битумной изоляции до -2,5 В, при полимерной пленочной и силикатных эмалях - до -3,5 В. Такое повышение защитного потенциала обеспечивает увеличение экономической эффективности катодной защиты магистральных трубопроводов за счет сокращения числа катодных станций в 3 - 4 раза.
Для неизолированных стальных труб, не имеющих сближений и пересечений с другими металлическими сооружениями, смещение разности потенциалов в отрицательную сторону не ограничивается.
Потенциал подземного трубопровода со временем становится более отрицательным или более положительным. Это зависит от конкретных условий. На магистральном нефтепроводе непрерывно развиваются два процесса:
1. Разрушение изолирующего покрытия и включение в коррозионный процесс все новых, электрохимически активных участников стального нефтепровода. При этом стационарный потенциал смещается в отрицательную сторону. В том же направлении действует увеличение влажности и естественное уплотнение грунта в траншее.
2. Образование продуктов коррозии и их отложения на металлической поверхности снижают электрохимическую активность ее и смещают стационарный потенциал в положительную сторону. Этому способствует также высыхание грунта и дренирование грунтовых вод с трассы нефтепровода.
В зависимость от того, какой из этих процессов является доминирующим в условиях данного нефтепровода, и будет определяться характер сдвига потенциала.