Назначения и устройства ГРП

В зависимости от состава газа, материала трубопровода, условий про­кладки и физико-механических свойств грунта газопроводы подвер­жены в той или иной степени внут­ренней и внешней коррозии. Коррозия внутренних поверхностей труб в ос­новном зависит от свойств газа. Она обусловлена повышенным содержа­нием в газе кислорода, влаги, серово­дорода и других агрессивных соеди­нений. Борьба с внутренней корро­зией сводится к удалению из газа агрессивных соединений, т. е. к хоро­шей его очистке. Значительно большие трудности представляет борьба с кор­розией внешних поверхностей труб, уложенных в грунт, т. е. с почвен­ной коррозией. Почвенную коррозию по своей природе разделяют на хими­ческую, электрохимическую и электри­ческую (коррозию блуждающими то­ками).

Химическая коррозия возникает от действия на металл различных газов и жидких неэлектролитов. Она не сопровождается превращением хими­ческой энергии в электрическую. При действии на металл химических соеди­нений на его поверхности образуется пленка, состоящая из продуктов кор­розии. Если образующаяся пленка не растворяется, имеет достаточную плотность и эластичность, а также хорошо сцеплена с металлом, то кор­розия будет замедляться и при опре­деленной толщине пленки может прекратиться. Химическая коррозия является сплошной коррозией, при которой толщина стенки трубы умень­шается равномерно. Такой процесс является менее опасным с точки зре­ния сквозного повреждения труб.

Коррозия металла в грунте имеет преимущественно электрохимическую природу. Электрохимическая кор­розия является результатом взаимо­действия металла, который выполняет роль электродов, с агрессивными раст­ворами грунта, выполняющими роль электролита. Процесс электрохими­ческой коррозии схематично показан на рис. 4.13.

Металл, обладая опреде­ленной упругостью растворения, при соприкосновении с грунтом посылает в него свои положительно заряженные ионы. Электроны остаются в металле, и он приобретает отрицательный по­тенциал, а грунт (электролит) заря­жается положительно, так как в нем накапливаются положительные ионы. В силу физико-химической неоднородности металла и грунта вблизи участ­ков, где протекает процесс растворения металла (т. е. обладающих большей упругостью растворения), распола­гаются участки, характеризующиеся меньшей упругостью растворения. Первые становятся анодными зонами, а вторые — катодными. Катодный уча­сток газопровода приобретает поло­жительный потенциал по отношению к аноду. Электроны перетекают от анода к катоду по металлу трубо­провода. В грунте происходит пе­ремещение ионов: катионов (заряжен­ных положительно) — к катоду, анио­нов (заряженных отрицательно) — к аноду.

Электрохимическая неоднород­ность расположенных рядом участков газопровода вызывает разность их электродных потенциалов. Нормаль­ным электродным потенциалом назы­вают разность потенциалов, которая возникает между металлом, погру­женным в нормальный раствор (при концентрации 1 г∙экв на 1 л) соли этого металла, и потенциалом нор­мального водородного электрода, ус­ловно принятым равным нулю. Все металлы можно расположить в элек­трохимический ряд напряжений по возрастанию их нормальных электрод­ных потенциалов (в вольтах):

Участки металла, обладающие более отрицательными электродными потен­циалами, будут становиться анодами. Металл подвергается коррозии в анод­ных зонах и участках, так как в них ионы металла выходят в грунт.

Рассмотренный процесс электрохи­мической коррозии представляет собой работу гальванической пары. В реаль­ных условиях, коррозия протекает значительно сложнее, так как на ос­новной процесс накладывается ряд других физико-химических процессов. Потенциал металла по отношению к грунту зависит не только от его физико-химических свойств, но и от свойств грунта. Вследствие неоднород­ности грунта также возникают гальва­нические пары. Физико-химическая не­однородность близко расположенных участков металла приводит к образо­ванию микропар. Если газопровод проходит через участки грунта, резко отличающиеся по своим свойствам друг от друга, то возникают галь­ванические элементы очень большой в сотни и даже тысячи мет­ров (макропары). Электрохимическая коррозия име­ет характер местной коррозии, т. е. такой, когда на газопроводах возника­ют местные язвы и каверны большой глубины, которые могут, развиваясь, превратиться в сквозные отверстия в стенке трубы. Местная коррозия значительно опаснее сплошной кор­розии.

Электрохимическая коррозия воз­никает также при воздействии на га­зопровод электрического тока, кото­рый движется в грунте. В грунт токи попадают в результате утечек из рель­сов электрифицированного транспор­та — их называют блуждающими. Коррозию, возникающую под действи­ем блуждающих токов, называют эле­ктрической в отличие от электро­химической—гальванокоррозии.

Блуждающие токи, стекая с рель­сов в грунт, движутся по направ­лению к отрицательному полюсу тяго­вой подстанции. В местах, где повреж­дена изоляция, они попадают на газо­провод. Вблизи тяговой подстанции токи выходят из газопровода в грунт в виде положительных ионов металла. Начинается электролиз металла. Учас­тки выхода тока из газопровода пред­ставляют собой анодные зоны, в кото­рых протекает активный процесс элек­трокоррозии. Зоны входа постоянного тока в газопровод называют катод­ными. Электрическая коррозия блуж­дающими токами во много раз опаснее электрохимической коррозии. В го­родских условиях это наиболее рас­пространенный вид коррозии.

Коррозионная активность грунта зависит от структуры, влажности, воздухопроницаемости, наличия солей и кислот, а также от электропро­водности. Сухие грунты менее активно воздействуют на металл, чем влажные. С увеличением влажности грунта первоначально увеличивается и его коррозионная активность. Наиболь­шую активность имеет грунт при влаж­ности 11...13 %. Увеличение влажнос­ти свыше 20...24 % приводит к сниже­нию интенсивности коррозии. В водо­насыщенных грунтах интенсивность коррозии будет минимальной, если во­да, насыщающая грунт, сама не яв­ляется агрессивной по отношению к металлу. При переменной влажности, когда возникают условия совместного воздействия влаги и кислорода, созда­ется наиболее благоприятная среда для коррозии металла.

Городские грунты, засоренные сточными водами, имеющие разнород­ную структуру и включения различных предметов, являются коррозионно-ак­тивными. Заболоченные участки, тор­фянистые влажные почвы, участки грунта, находившиеся под отвалами шлаков, засоленные почвы также являются коррозионно-активным и. Чи­стые пески менее опасны в корро­зионном отношении.

При исследовании грунта учесть все указанные факторы весьма слож­но, поэтому выбирают такую характе­ристику, которая в основном отражала бы основные факторы. Наиболее важ­ным свойством грунта, поддающимся быстрому и относительно точному определению, является его у тельное электрическое сопротивление, которое и рассматривают как основную харак­теристику его коррозионной активности. Электрическое сопротивление является функцией ряда других ха­рактеристик грунта: состава, концен­трации растворенных веществ, влаж­ности и др., поэтому оно связывает воедино ряд главнейших факторов, определяющих коррозионную актив­ность грунта. Как показывает опыт, сопоставление электрометрических ха­рактеристик грунта с его коррози­онной активностью, установленной ос­мотром стальных трубопроводов, дает хорошее совпадение результатов (око­ло 80...90 %).

Для выявления коррозионного со­стояния подземного газопровода про­водят электрические измерения, основ­ными из которых являются опреде­ление потенциала газопровода по от­ношению к земле, а также направле­ния и величины блуждающего тока, текущего по газопроводу. Потенциал газопровода по отношению к земле измеряют высокоомным вольтметром, который присоединяют к газопроводу и заземляющему электроду. При боль­шой разности потенциалов используют стальной электрод, а при разности потенциалов меньше 1 В — неполяризующийся электрод. Участки газопро­вода, имеющие положительный потен­циал по отношению к земле, являются опасными в коррозионном отношении.

Если среднее значение положи­тельного потенциала газопровода по отношению к земле превышает 0,1 В, но не более 0,5 В, тогда электри­ческая защита газопровода должна быть введена в эксплуатацию в первый год после окончания строительства газопровода. Если среднее значение положительного потенциала превыша­ет 0,5 В, то защита газопровода должна быть сооружена до его сдачи в эксплуатацию, но не позднее чем через 6 мес после окончания строи­тельства газопровода.

Измерение потенциалов газопро­вода относительно земли производят через каждые 200...300 м. Для изме­рений используют специальные кон­трольные пункты (рис. 4.14)

а также места, где возможен доступ к газо­проводу (задвижки, сборники конден­сата, гидравлические затворы и др.). Контрольно-измерительные пункты ус­танавливают в местах пересечения газопроводов с рельсовыми путями электрифицированного транспорта и в местах перехода газопроводов через водные преграды шириной более 50 м.

Существующие методы защиты га­зопроводов от коррозии можно разде­лить на две группы: пассивные и активные. Пассивные методы, защиты заключаются в изоляции газопровода. К изоляционным материалам, исполь­зуемым для защиты газопроводов, предъявляют ряд требований, основ­ные из которых следующие: монолит­ность покрытия, водонепроницае­мость, хорошее прилипание к металлу, химическая стойкость в грунтах, высо­кая механическая прочность (при пе­ременных температурах), наличие ди­электрических свойств. Изоляционные материалы не должны быть дефицит­ными.

Наиболее распространенными изо­ляционными материалами являются битумно-минеральные и битумно-рези­новые мастики. В первом случае в качестве заполнителя к битуму добав­ляют хорошо измельченные доломи-тизированные или асфальтовые из­вестняки, асбест или обогащенный каолин, во втором — резиновую крош­ку, изготовленную из амортизиро­ванных покрышек. Битумно-резиновая мастика обладает несколько большей прочностью, эластичностью и долго­вечностью. Для усиления изоляции применяют армирующие обертки из гидроизола, бризола или стекловолокнистого материала. Гидроизол пред­ставляет собой толстый лист из ас­беста с добавлением 15...20 % целлю­лозы, пропитанной нефтяным битумом. Бризол готовят на основе битума и дробленой старой вулканизирован­ной резины.

Изоляцию газопровода производят в такой последовательности. Трубу очищают стальными щетками до ме­таллического блеска и протирают. После этого на нее накладывают грун­товку толщиной 0,1...0,15 мм. Грун­товка представляет собой нефтяной битум, разведенный в бензине в отношении 1:2 или 1:3. Когда грун­товка высохнет, на трубопровод на­кладывают горячую (160...180° С) битумную эмаль. Эмаль накладывают в несколько слоев в зависимости от требований, предъявляемых к изоля­ции. Снаружи трубу обертывают крафт-бумагой. В современных усло­виях все работы по изоляции труб механизируют.

В зависимости от числа нанесен­ных слоев эмали и усиливающих оберток изоляция бывает следующих типов: нормальная, усиленная и весь­ма усиленная. Нормальную изоляцию применяют при низкой коррозионной активности грунта, усиленную—при средней, в остальных случаях исполь­зуют весьма усиленную изоляцию. Для защиты газопроводов применяют также пластмассовые пленочные мате­риалы (ленты), покрытые подклеиваю­щим слоем. Поливинилхлоридные и полиэтиленовые ленты выпускают тол­щиной 0,3...0,4 мм, шириной 100... 500 мм и длиной 100... 150 м, намотан­ные в рулоны. Трубы очищают, по­крывают грунтовкой, представляющей собой клей, растворенный в бензине, после чего обертывают изоляционной лентой. Для обертки труб используют специальные машины.

К активным методам защиты от­носят катодную и протекторную защи­ту и электрический дренаж. Основным методом защиты газопроводов от блуждающих токов является элек­трический дренаж. Он за­ключается в отводе токов, попавших на газопровод, обратно к источнику. Отвод осуществляют через изоли­рованный проводник, соединяющий газопровод с рельсом электрифици­рованного транспорта или минусовой шиной тяговой подстанции. При отво­де тока из газопровода по провод­нику прекращается выход ионов ме­талла в грунт и тем самым прекра­щается электрическая коррозия газо­провода. Для отвода тока, как пра­вило, используют поляризованный электродренаж. Он обладает односторонней проводимостью от газопровода к рельсам (минусовой шине). При по­явлении положительного потенциала на рельсах электрическая цепь дрена­жа автоматически разрывается.

Схема универсальной поляризо­ванной дренажной установки показа­на на рис. 4.15.

Если газопровод имеет положительный потенциал по отношению к рельсу, то элек­трический ток пойдет через предохра­нитель (на 350 А), сопротивление , предохранитель (на 15 А) , диод , включающую обмотку, шунт, рубильник и попадает на рельс. Если разность потен­циалов достигает 1... 1,2 В, то контак­тор замкнет контакты и электрический ток потечет по основной дренажной цепи через обмотку, а по ответвлению к диоду — через шунтирующие контакты. При сниже­нии разности потенциалов до 0,1 В контакты разомкнутся и дренажная цепь разорвется. При отрицательной разности потенциалов (потенциал рельса больше потенциала трубы) диод тока не пропустит. Все узлы дренажной установки размещают в металлическом шкафу. Одна дренаж­ная установка может защитить газо­провод большой протяженности, изме­ряемой несколькими километрами.

Для защиты газопроводов от почвенной коррозии применяют ка­тодную защит. При катодной защите на газопровод накладывают отрицательный потенциал, т. е. пере­водят весь защищаемый участок газо­провода в катодную зону (рис. 4.16).

В качестве анодов применяют мало­растворимые материалы (чугунные, железокремниевые, графитовые), а также отходы черного металла, кото­рые помещают в грунт вблизи газо­провода. Отрицательный полюс источ­ника постоянного тока соединяют с газопроводом, а положительный — с анодом. Таким образом, при катодной защите возникает замкнутый кон­тур электрического тока, который те­чет от положительного полюса источника питания по изолированному ка­белю к анодному заземлению’ от анод­ного заземления ток растёкается по грунту и попадает на защищаемый газопровод, далее он течет по газо­проводу, а от него по изолированному кабелю возвращается к отрицательно­му полюсу источника питания. Элект­рический ток выходит из анода в виде положительных ионов металла, поэ­тому вследствие растворения металла анод постепенно разрушается. Элек­трический потенциал, накладываемый на газопровод, составляет 1,2...1,5 В. В зависимости от качества изоляции одна установка может защищать участок газопровода от 1 до 20 км.

При протекторной защи­те участок газопровода превращают в катод без постороннего источника тока, а в качестве анода исполь­зуют металлический стержень, поме­щенный в грунт рядом с газопроводом. Между газопроводом и ано­дом устанавливается электрический контакт. В качестве анода исполь­зуют металл с более отрицательным потенциалом, чем железо (например, цинк, магний, алюминий и их сплавы). В образованной таким образом галь­ванической паре корродирует протек­тор (анод), а газопровод защищает­ся от коррозии. На рис. 4.17 показана принципиальная схема про­текторной защиты.

Для исключения возможности эле­ктрического контакта газопровода с заземленными конструкциями и ком­муникациями потребителей на стоя­ках вводов газопроводов уста­навливают изолирующие фланцевые соединения. Их также устанавливают на надземных и надводных перехо­дах газопроводов через препятствия и на вводах (и выводах) газопро­водов в ГРС, ГРП и ГРУ. Фланцевые соединения на подземных газопрово­дах (в колодцах) должны быть зашунтированы постоянными электро­перемычками. На изолирующих фланцах электроперемычки должны быть разъемными с размещением контакт­ных соединений вне колодцев. Для защиты надземных газопроводов от атмосферной коррозии на них наносят лакокрасочные покрытия.

Коррозией называется постепенное разрушение металла вслед­ствие химического или электрического воздействия.

В зависимости от состава газа, материала трубопровода, условий прокладки и физико-механических свойств грунта газопроводы подвержены в той или иной степени внутренней коррозии. Коррозия внутренней поверхности труб в основном зависит от свойств газа. Борьба с внутренней коррозией сводится к удалению из газа агрессивных соединений, т.е. к хорошей его очистке.

Значительно большие трудности представляет борьба с коррозией внешних поверхностей труб, уложенных в грунт, т.е. с почвенной коррозией. Почвенную коррозию по своей природе разделяют на химическую, электрохимическую, электрическую.

Коррозия металла в грунте имеет электрохимическую природу. Электрохимическая коррозия является результатом взаимодействия металла, который выполняет роль электродов, с агрессивными растворами грунта, выполняющими роль электролита. Электрохимическая коррозия имеет характер местной коррозии. Электрическая коррозия возникает при воздействии на газопровод блуждающих токов, которые движутся в грунте.

Химическая коррозия — взаимодействие металла с коррозион­ной средой. При этом металл взаимодействует со средой, не про­водящей электрический ток. Протекающие окислительно-восста­новительные реакции осуществляются путем непосредственного перехода электронов с атома металла на частицу (молекулу, атом) окислителя, входящего в состав среды.

Электрохимическая коррозия — взаимодействие металла с коррозионной средой, компонента коррозионной сре­ды протекают не одновременно и их скорости зависят от элект­родного потенциала.

При электрохимической коррозии металл соприкасается с ра­створами, проводящими электрический ток, — электролитами.

Вследствие неоднородности строения металла, наличия при­месей и различного состава раствора при соприкосновении ме­талла с электролитом образуются микроскопические гальваничес­кие элементы, у которых катодом служат посторонние примеси, а анодом — сам металл. Ионы металла переходят в раствор, ос­вобожденные электроны перемещаются к катодным участкам.

Процесс коррозии зависит от электродных потенциалов анод­ных и катодных участков.

При электрохимической коррозии протекают два самостоя­тельных процесса: анодный — переход металла в раствор в виде гидратированных ионов с оставлением эквивалентного числа электронов в металле, и катодный — ассимиляция находящихся в металле избыточных электронов.

Анодные и катодные процессы происходят на различных уча­стках, однако могут протекать и на одной поверхности, череду­ясь по времени.

Рис. 3 Схема возникновения и распределения блуждающих токов:
1 – контактный провод;
2 - пути движения блуждающих токов;
3 - газопровод;
4 - рельс;
5 - тяговая подстанция.

Основными источниками блуждающих токов являются рель­совые сети трамвая, метрополитена и электрофицированной же­лезной дороги (рис. 3). Положительный полюс источника по­стоянного тока электрофицированного транспорта подключает­ся к контактному проводу, а отрицательный — к ходовым рель­сам. Ток от положительной шины тяговой подстанции по пита­ющей линии поступает в контактный провод, а оттуда через то­коприемник — к двигателям электровоза и далее через колесные пары, рельсы и землю в отсасывающую линию к минусовой шине. Стекающий в землю ток, который называется блуждаю­щим, тем больше, чем меньше переходное сопротивление между рельсами и землей и чем больше предельное сопротивление рель­сов.

Наиболее значительные токи утечки наблюдаются на участках путей электрифицированных железных дорог, где имеются малые переходные сопротивления между рельсами и землей и большие тяговые токи. Блуждающие токи, возникающие при этом, могут распространяться на большие расстояния. Блуждающие токи, проникая в подземный газопровод, создают три потенциальные зоны:

Заключение.

Литература.

1. Баланчевадзе В. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.

2. Более чем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира/ Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1994. – 215 с.

3. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника, 1997. – 110 с.

4. Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1997. – 128 с.

5. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г./ Пер. с англ. под ред. Ю. Н. Старшикова. – М.: Энергия, 1990. – 256 с.

6. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982. – 120 с.

7. Подгорный А. Н. Водородная энергетика. – М.: Наука, 1988.– 96 с.

8. Энергетические ресурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 232 с.

9. Юдасин Л. С.. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990. – 207с.