Катодная защита от коррозии. Принцип действия, основные понятия.

Трубопровод

Больше 15 лет я разрабатываю станции катодной защиты. Требования к станциям четко формализованы. Есть определенные параметры, которые должны быть обеспечены. А знание теории защиты от коррозии совсем не обязательно. Гораздо важнее знание электроники, программирования, принципов конструирования электронной аппаратуры.

 

Создав этот сайт, я не сомневался, что когда-нибудь там появится раздел катодная защита. В нем я собираюсь писать о том, что я хорошо знаю, о станциях катодной защиты. Но как-то не поднимается рука писать о станциях, не рассказав, хотя бы коротко, о теории электрохимической защиты. Постараюсь рассказать о таком сложном понятии как можно проще, для не профессионалов.

История развития катодной защиты настолько занимательная глава, что я изложил ее в отдельной статье. Она не имеет практического значения. Просто интересно.

Для того чтобы защитится от коррозии, надо понять, что такое коррозия, природу ее происхождения.

Электрохимическая коррозия.

Коррозию можно определить как реакцию материала с окружающей средой, вызывающую в нем ощутимые изменения.

Изменения – понятие расплывчатое. Поэтому существует понятие коррозионного повреждения, основными признаками которого является нарушение функционирования объекта, например разрушение все той же металлической трубы. Не все реакции ведут к повреждению. Если труба станет коричневой или зеленой, но не будет протекать, это не будет считаться коррозионным повреждением.

Материалы и окружающая среда бывают разными. Бывают разными и реакции между ними.  В основе коррозии могут лежать чисто химические реакции. Но вряд ли кого-либо заинтересует коррозия висмута в растворе дигидрофосфата натрия. Гораздо важнее знать о коррозии железной трубы, закопанной в землю.

Так вот, практический интерес имеет коррозия металлических материалов в водных средах, т.е. электрохимическая коррозия. В основе ее лежат реакции, имеющие электрохимическую природу.

В детстве я был любознательным мальчиком. Я проводил опыты по гальваническому осаждению меди на железные предметы, чем удивлял своих одноклассников. Но еще больше я поразил их, когда принес в школу лезвие от безопасной бритвы с вырезанной на нем сквозной надписью. Эффект я усилил сказав, что сделал это лазером. Конечно, я просто покрыл лезвие лаком, иголкой выцарапал надпись, опустил в жестяную банку с раствором соли, подключил электрический ток и немного подождал. Теперь я понимаю, что мои детские опыты были иллюстрацией того, как происходит электрохимическая коррозия и как от нее защититься. (Рассказ о моих детских опытах не художественный вымысел, а чистая правда.)

Итак, объекты процесса электрохимической коррозии:

  • среда – раствор электролита (почва всегда влажная, поэтому это тоже раствор электролита);
  • граница раздела среда-металл;
  • металл.

Все перечисленные объекты способны проводить электрический ток, обладают хорошей электропроводностью. В растворе электролита содержатся анионы и катионы. Они создают электрический ток. Ток протекает через участок металл – раствор электролита. За счет этого тока на границе раздела происходит электрохимическая реакция, на которую могут влиять еще и внешние токи. Влиять они могут по-разному, как усиливать коррозию, так и замедлять ее.

Электрохимическая коррозия

За счет тока на границе образуется разность потенциалов. Ее невозможно измерить. Поэтому измеряют потенциал специального электрода сравнения. Он является своеобразным суммарным показателем электрохимической реакции.

Физическое объяснение электрохимической коррозии выглядит так. В металле присутствуют ионы железа (положительно заряженные) и электроны (с отрицательным зарядом). Оба компонента реагируют с раствором электролита.

  • При положительном токе металл переходит в раствор, что связано с  прохождения ионов и вызывает потерю массы металла (растворение металла).
  • При отрицательном токе в раствор проходят электроны, и происходит это без потери массы металла.

В первом случае происходит анодная, а во втором случае - катодная электрохимические реакции. Анодная реакция (растворение металла) вызывает коррозию. Катодная реакция является процессом обратным коррозии и используется в гальванотехнике для нанесения гальванических покрытий.

 

Принцип действия катодной защиты.

Понятно, что для защиты объекта от коррозии необходимо вызвать катодную реакцию и не допустить анодную. Сделать это можно, если искусственно создать отрицательный потенциал на защищаемом объекте.

Для этого необходимо разместить в среде (почве) анодные электроды и подключить внешний источник тока: минус к объекту защиты, а плюс – к анодным  электродам. Ток пойдет по цепи анодный электрод – почвенный электролит – объект защиты от коррозии.

Катодная защита от коррозии

С точки зрения гальванических процессов металлический объект будет катодом, а дополнительный электрод – анодом.

Таким образом, коррозия объекта прекратится. Разрушаться будет только анодный электрод. Он называются анодным заземлением. Анодные электроды делают из инертного материала и периодически меняют.

Станция катодной защиты.

Ток для катодной защиты вырабатывает специальное устройство - станция катодной защиты.

По сути это источник вторичного электропитания, специализированный блок питания. Т.е. станция подключается к питающей сети (как правило ~ 220 В) и вырабатывает электрический ток с заданными параметрами.

Вот пример схемы системы электрохимической защиты подземного газопровода с помощью станции катодной защиты ИСТ-1000.

Катодная защита газопроводов

Станция катодной защиты установлена на поверхности земли, вблизи от газопровода. Т.к. станция эксплуатируется на открытом воздухе, то она должна иметь исполнение IP34 и выше. В этом примере используется современная станция, с контроллером GSM телеметрии и функцией стабилизации потенциала.

В принципе, станции катодной защиты бывают очень разными. Они могут быть трансформаторными или инверторными. Могут быть источниками тока, напряжения, иметь различные режимы стабилизации, различные функциональные возможности.

Станции прошлых лет это громадные трансформаторы с тиристорными регуляторами. Современные станции это инверторные преобразователи с микропроцессорным управлением и GSM телемеханикой.

Выходная мощность устройств катодной защиты, как правило, находится в диапазоне 1 – 3 кВт, но может доходить и до 10 кВт. Станциям катодной защиты и их параметрам посвящена отдельная статья.

Нагрузкой для устройства катодной защиты является электрическая цепь: анодное заземление – почва – изоляция металлического объекта. Поэтому требования к выходным энергетическим параметрам станций, прежде всего, определяют:

  • состояние анодного заземления (сопротивление анод-почва);
  • почва (сопротивление грунта);
  • состояние изоляции объекта защиты от коррозии (сопротивление изоляции объекта).

Все параметры станции определяются при создании проекта катодной защиты:

  • рассчитываются параметры трубопровода;
  • определяется величина защитного потенциала;
  • рассчитывается сила защитного тока;
  • определяется длина защитной зоны;
  • выбирается место установки станции;
  • определяется тип, место расположения и параметры анодного заземления;
  • окончательно рассчитываются параметры станции катодной защиты.

 

Применение.

Катодная защита от коррозии получила широкое распространение для электрохимической защиты:

  • подземных газопроводов и нефтепроводов;
  • трубопроводов теплосетей и водоснабжения;
  • оболочек электрических кабелей;
  • крупных металлических объектов, резервуаров;
  • подземных сооружений;
  • морских судов от коррозии в воде;
  • стальной арматуры в железобетонных сваях, в фундаментах.

 

Применение катодной защиты обязательно для газопроводов низкого и среднего давления, магистральных газопроводов, нефтепроводов.

0

Автор публикации

не в сети 7 дней

Эдуард

56
Комментарии: 1319Публикации: 148Регистрация: 13-12-2015

32 комментария на «Катодная защита от коррозии. Принцип действия, основные понятия.»

  1. В китайской провинции Циньхай солнечные энергосистемы питают энергией системы контроля функционирования 500-километрового газопровода и используются для катодной защиты.

    0
    • французы давно оснастили свои трубопроводы катодной защитой, даже устанавливают в кредит.

      0
  2. Здравствуйте, я нигде не могу найти информацию по следующему вопросу: у меня на участке стоит газовый катод, можно ли строиться на этом участке или это не безопасно для жизни.

    0
    • Здравствуйте! Я только разработчик станций катодной защиты и не могу компетентно ответить на вопросы по эксплуатации систем электрохимзащиты в целом. Скорее, Вам необходимо обратиться в организацию (Горгаз или Облгаз), которая эксплуатирует Вашу установку ЭХЗ. Они хорошо знают все нормативы по этой теме.
      Что, у Вас на участке газовая труба и катодные заземлители? Тогда Вам никто не разрешит строить там что-либо. И, думаю, там опасно жить, но не с точки зрения электробезопасности, а из соображений взрывобезопасности. Уточните. Может кто-то ответит более компетентно.

      0
  3. День добрый! Всё о российских производителях оборудования для защиты от коррозии здесь: http://ehz.center/stati/proizvoditeli-oborudovaniya-dlya-elektroximzashhity/

    0
  4. здравствуйте, у меня на катодной станции три показателя:

    1) А
    2) V
    3) mv

    Какой рабочий диапазон считается норм на этих показателях???

    0
  5. Доброго времени.
    Скажите, никогда не приходилось заниматься защитой свайных фундаментов из завинчивающихся свай ? Озадачен сейчас такой проблемой , не могу пока найти вариантов расчета конструкции.
    Спасибо.

    0
    • Здравствуйте!
      Нет, мы только производим станции катодной защиты. Проекты защиты создают другие организации. Вопрос о защите таких крупных объектов нам периодически задают. Но для них нужны большие токи, очень мощные станции.

      0
  6. Эдуард, Добрый день. Тема интересная… Я занимаюся солнечными станциями, мощностью от 100Вт до 100кВт. Мне интересно производство СКЗ, современнего типа, видимо инверторные… и совместить в одно целое солнечные станции и СКЗ. Можно добавить и ветрогенераторы… и.т.д. Одним словом, сотрудничество на взаимовыгодных условиях. Что по советуете?

    0
  7. Следует подчеркнуть, что катодная электрохимическая защита не является панацеей. У неё есть свои серьёзные недостатки, одним из которых является опасность перезащиты. Перезащита наблюдается при большом смещении защитного потенциала в отрицательную сторону, а это происходит практически всегда, потому что необходимый потенциал для стали, при котором замедляется любой коррозионный процесс, должен быть не ниже – 0,85 В и не выше – 1,15 В (см. ГОСТ 9.602-2005), а у находящихся в грунте элементов трубопровода его естественное значение равно – 0,55 В. Следовательно, чтобы существенно замедлить процессы коррозионного разрушения, нужно добиться снижения катодного потенциала защищаемой детали всего на 0,3…0,6 В и поддерживать этот потенциал по всей длине трубопровода с высокой точностью, что осуществить практически нереально по технико-экономическим соображениям (потребуется установить слишком много станций катодной защиты). При перезащите выделяется водород, происходит изменение химического состава приэлектродного слоя (наводороживание стали), снижающее её прочность, а также происходит деградация изоляционного покрытия и возникают процессы стресс-коррозии металла защищаемого объекта.

    0
  8. Здравствуйте! Хотим купить участок, рядом с которым стоит табличка с надписью:Аноды на газопроводе. Не копать! Строительству дома она не мешает, но хоту у вас спросить, не вредно ли жить рядом ?

    0
    • Здравствуйте!
      Я не специалист в таких вопросах, но позвонил нашим заказчикам в Ростовгоргаз. Они сказали так. Катодная защита защищает газопровод, а все остальное разрушает. Проблемы могут быть в том, что на вашем участке появятся токи, которые будут разрушать все металлическое на участке. Т.е. металлические конструкции на участке будут коррозировать быстрее, чем обычно. По методике положено измерить в разных точках участка потенциал и по этому показателю судить об этой проблеме. Так делают, если, например, рядом с газопроводом расположены трубы теплотрассы. Для них создают совместную или дополнительную защиту.
      Все это для случая, если газопровод находится с противоположной стороны от участка. Если ваш участок расположен между газопроводом и анодными заземлителями, то, как они выразились, он будет с обременением. Будет много ограничений по постройкам и т.п.

      0
  9. Добрый день. На нашем участке без нашего согласия установили анодную защиту,проходит по всему участку. Как она может влиять на нас семью с маленькими детьми.Есть ли какие ограничения расположения от жилого дома.

    0
    • Здравствуйте!
      Все, что написано в предыдущем комментарии касается вашего случая. Я не знаю, что добавить.

      0
  10. Здравствуйте.Столкнулись с проблемами при обслуживании СКЗ трубопроводов кабельных линий высокого давления.Подскажите пожалуйста литературу по данной теме,очень интересует,какие измерения нужно производить на КИП колодцах,и переодичность этих измерений.В эксплуатации имеем станции УКЗ и ОПС (с глубинными анодами)

    0
    • Здравствуйте!
      Ничем не могу помочь. Я только разработчик СКЗ, а эксплуатацией, измерениями, установкой занимаются совсем другие специалисты. Обратитесь в ближайший Горгаз. У них есть специальная служба. В областных городах, как правило, есть организация под названием Подземметаллзащита. Это их работа.

      0
  11. Здравствуйте! Из текста понял, что…. анодное заземление – почва – изоляция металлического объекта. Теперь вопрос? Как использовать метод катодной защиты для трубопроводов ( сталь) перекачки морской воды воздушной трассировки в т. числе внутри зданий. Спасибо.

    0
  12. Здравствуйте. необходимо мнение специалиста по ПМЗ. Я сужусь с местным горгазом. суть в следующем — в 2005г, для газофикации своего объекта,согласно ТУ я вынес 500м газопровода высокого давления(ГВД), по требованию установил ЭСКЗ и проложил свой газопровод низкого давления (ГНД), установил ШРП. ЭКСЗ по проекту защищает оба газопровода. в нем есть расчет поверхностей обоих газопроводов, справки о произведенных замерах потенциалов , до установки ЭСКЗ (-0,75- -0,85), после(-2,0). согласно проекта между газопроводами установлена перемычка (ЭСКЗ подключена к газопроводу низкого давления- моему). после вводу в эксплуатацию горгаз забрал ГВД. И сложилась ситуация , что моя ЭСКЗ , которую я содержу (80т. руб в год) защищает не только мою трубу. горгаз отказывается участвовать в содержании ЭСКЗ под предлогом — она не их, снять перемычку отказывается. а суде заявляет, что согласно замеров , сделанных 2 месяца назад их газопровод , защищаем мой!!. изменений в ПМЗ за 13 лет не было. разве может такое быть ? труба , грунты, ЭСКЗ не менялись. Чудеса ? или Я что то не понимаю ? какие аргументы, кроме проекта можно предъявить в суде для подтверждения факта использования моейЭСКЗ в интересах горгаза ?

    0
  13. Возможна ли ситуация , когда один и тот же участок газопровода защищают две ЭСКЗ , соответственно с потенциалом -1,2 и -1,7 , (при раздельной работе), -2,0 при совместной работе .
    1. Разве потенциалы не складываются ?
    2. перезащиты не будет ?
    3.И есть ли смысл ставить ЭСКЗ , если при ее отключении потенциал составляет -1,4 — -1,7 ?
    4. Бывает ли такое , что в 2005г потенциал без ЭСКЗ составлял 0,7, сделали проект , смонтировали ЭСКЗ ,померили потенциал составил 2,0. Прошло 12 лет , в 2018г замеры показывают с ЭСКЭ потенциал составляет 0,8. ???
    Или это все игра с цифрами того кто мерил и такого в принципе быть не может??

    0
  14. В каких случаях (какие документы почитать?) мы имеем право не реконструировать СКЗ? Наш газопровод к домам полиэтиленовый

    0
  15. Ображусь к Вам как к разработчику станций катодной защиты. Имеется станция НГК-ИКПЗ с силовыми блоками инверторного типа следующей схемы https://a.radikal.ru/a39/1906/2e/865c0ee5ba72.jpg
    Данные блоки очень и очень ненадёжные, очень часто выгорают транзисторы, диодный мост и термистор. Я понимаю что схему разработали очень и очень не качествнно и не совсем скорее всего правильно. Можете подсказать что можно изменить или добавить в существующей схеме для повышения надежности её работы?

    0
    • Здравствуйте!
      Мне очень интересно было увидеть схему. Я не претендую сейчас на глубокий анализ. Вот что бросается в глаза в первую очередь.
      1. Старая схемотехника, простая, не очень надежная. Управление силовыми транзисторами через общий трансформатор. Все это снижает возможности управления.
      2. Самое узкое место — выходные диоды. Установлены диоды с максимальным обратным напряжением 150 В. Это очень мало для станций катодной защиты. В земле полно импульсных токов. Первые наши станции были с диодами на 200 В. Диоды часто горели. Сейчас используем диоды на 600 В. Ни один не выгорел, кроме 2 случаев прямого попадания молнии. Но там все выгорело, даже корпуса.
      3. Существует обратная связь по току, но она очень инерционная. При коротком замыкании явно возникают перегрузки силовых элементов. А к замыканиям приводят те же импульсные токи в земле обратной полярности.
      4. Устройство не имеет корректора коэффициента мощности. В принципе производство станций без корректоров мощности запрещено. Но это ведет еще к значительному снижению диапазона входного питающего напряжения. Например, наши станции (в принципе, любые с активным корректором коэффициента мощности) при входном напряжении до 270 В работают без малейших перегрузок. А в НГК-ИКПЗ любые колебания напряжения сети вызывают перегрузку силовых элементов, что усугубляется инерционностью управления. Ну а превышение напряжения питания свыше 240 В они переносят очень плохо.
      5. Совершенно не представляю, как такие станции работают на низких мощностях. У них обычно и нормируется минимальный ток не менее 5% или 3%. Но такие небольшие токи бывают непроизвольно. Малая выходная мощность может быть даже при больших выходных токах. Сопротивление нагрузки меняется от блуждающих токов. Станция переходит в какой-то полурелейный непредсказуемый режим, в котором возможны перегрузки силовой части. Наши станции переходят на низких нагрузках в синхронный релейный режим. Даже при мгновенных коротких замыканиях не возникает малейших перегрузок силовых элементов.
      6. Напоминаю, что у силовых элементов существует так называемые ударные перегрузки. Например, диод с номинальным средним током 30 А способен вынести короткий импульс тока 200 А, но при этом его надежность снижается вдвое. Т.е. большие перегрузки силовых элементов запоминаются, накапливаются и резко снижают надежность.
      7. Т.е. схемотехника станции напоминает блок питания, который работает в тепличных условиях. А станции катодной защиты очень специфичные устройства.

      0
      • Эдуард спасибо за такой развёрнутый ответ. Ненадёжность данной схемы я уже прочувствовал в полной мере. Выходные диоды выходят из строя очень и очень редко, в основном и постоянно выгорают термисторы, выпрямительный мост и ключи….
        Подскажите есть какое нибудь схемной решение (что то добавить или изменить в данной схеме) чтобы хоть как то продлить жизнь тиристоров? Я уже смотрел другие схемы и сравнивал, во всех схемах в цепи затвор-исток ставятся стабилитроны, тут же этого ничего нет…подскажите в какую сторону копать чтоб эти блоки хоть сколько то могли работать?
        Вот тут фотография платы силового блока
        https://a.radikal.ru/a05/1906/fd/5475b8105c49.jpg

        0
        • Здравствуйте!
          Диоды не горят, скорее, потому что на схеме сверху указана замена на 600 вольтовые HFA30PA60C.
          Может быть много причин, по которым выходит из строя схема. Я думаю главная — это устройство управления. Оно не успевает реагировать на резкое изменение входного напряжения или выходной нагрузки. Станции катодной защиты работают в режиме стабилизаторов тока. Это значит, что сопротивление нагрузки может меняться от максимума до 0. Если эти изменения резкие, то устройство управления не успевает реагировать на них и возникает перегрузка силовых транзисторов. Тоже самое по отношению к входному напряжению. Все это может усугубляться недостаточным запасом допустимой индукции трансформаторов (определяется сечением сердечника и количеством витков), недостаточной индуктивность или тока насыщения выходного дросселя, сквозными токами из-за некорректных сигналах на затворах транзисторов и т.п.
          Все должно исправляться в комплексе. Схема рассчитана на работу в режиме блока питания, к которому подключили стабильную нагрузку.

          0
          • Еще раз посмотрел схему. После усилителя сигнала датчика тока стоит RC-цепочка 10 мкФ, 10 кОм. Постоянная времени 100 мс. Сам усилитель тоже инерционный. В моих станциях реакция на изменения тока 5 мкс. А за 100 мс будет дикая перегрузка.
            Разработчики взяли стандартную схему источника напряжения и добавили к ней обратную связь по току. Очевидно, все пошло вразнос. Тогда они сильно заинтегрировали обратную связь.
            Скорость реакции стабилизаторов тока должна быть такой, что бы ток через выходной дроссель не превысил ток насыщения дросселя и предельные токи силовых транзисторов. Это в лучшем случае десятки микросекунд.

            0
  16. Что верно то верно, у этого блока очень большая инерционность, очень тяжело выставить точно заданный параметр, нужно буквально по долям миллиметра подкручивать переменные резисторы и ждать когда стабилизируются показания, даже применение много оборотных резисторов не улучшило ситуацию. Эдуард Вы имеете ввиду RC-цепочка уже на выходе DA3 которая R28 и C25? и подскажите какие Вы применяете номиналы в этой цепи? И все таки скажите будет толк если поставить в цепи затвор-исток транзистора стабилитрон? Не поймите меня правильно, но я хочу хоть как то оживить эти блоки и чтоб они у нас заработали и хоть часть своей работы выполнили, а не лежали как металлолом….

    0
    • Здравствуйте!
      У меня такой цепочки нет. У меня цифровой регулятор. Исходный — стабилизатор тока. А сверху над ним регуляторы напряжения и потенциала.
      Контроллер измеряет ток, напряжение и в зависимости от них меняет ШИМ. Кроме того существует аппаратный компаратор, который мгновенно выключает ШИМ при определенном превышении тока. Например, если задан ток стабилизации 10 А, то компаратор отключает ШИМ при 11 А. Таким образом медленный регулятор (время реакции 500 мкс) стабилизирует ток, еще более медленные стабилизируют напряжение и потенциал. А при резком превышении тока аппаратный компаратор ограничивает ток. При резком изменении нагрузки ток скачком превышает заданный на 10%, а затем устанавливается в заданный. Никаких перегрузок силовых элементов не возникает. На момент коммутации ток сглаживается дросселем. В схеме даже нет защиты от короткого замыкания. для стабилизатора тока короткое замыкание самый легкий режим, как для стабилизатора напряжения — обрыв. Если задать ток, например, 10 А и замкнуть выход станции, через замыкающие провода будут протекать те же 10 А с большой точностью. Станция стабилизирует ток на нагрузке от 0 Ом.
      Стабилитроны вряд ли помогут. Он убирают выбросы напряжения на затворах. Допустимо до 20 В. Проблемы станции в другом.

      0
  17. Понятно Эдуард, у Вас более совершенная схема управления и регулирования. Буду пробовать тогда и экспериментировать…выхода другого нет….
    Спасибо за подсказки.

    0
  18. Каковы, на практике, размеры расстояний от анода до защищаемого газопровода и размеры охранной зоны?

    0

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *