Противокоррозионная защита

Трубопроводы и оборудование в процессе эксплуатации подвергаются процессу коррозии. Под коррозией (от позднелат. corrosio – разъединение) металла понимают процесс самопроизвольного окисления, приводящий к разрушению металла под воздействием окружающей среды. Коррозия металла труб происходит как снаружи под воздействием почвенного электролита (в почве всегда находится влага и растворённые в ней соли), так и внутри, вследствие примесей влаги, сероводорода и солей, содержащихся в транспортируемом углеводородном сырье. Коррозия металлических сооружений наносит большой материальный и экономический ущерб народному хозяйству. Она приводит к преждевременному износу агрегатов, установок, линейной части трубопроводов, сокращает межремонтные сроки оборудования, вызывает дополнительные потери транспортируемого продукта. Коррозия в зависимости от механизма реакций, протекающих на поверхности металла, подразделяются на химическую и электрохимическую.

Химическая коррозия представляет собой процесс разрушения металла при взаимодействии с сухими газами (газовая коррозия) или жидкими не электролитами (коррозия в не электролитах) по законам химических реакций и не сопровождается возникновением электрического тока. Продукты коррозии в этом случае, образуются непосредственно на всём участке контакта металла с агрессивной средой.

	Рис. 9.15. Виды коррозии: а – пятнами; б – язвенная; в – точечная; г –подповерхностная; д – структурно-избирательная; е –межкристаллитная; ж –коррозионное растрескивание

Электрохимическая коррозия является гетерогенной электрохимической реакцией. Она подразделяется на коррозию в электролитах, почвенную, электрокоррозию, атмосферную, биокоррозию, контактную. Во всех случаях окисление металлов происходит за счёт возникновения электрического тока, протекают анодные и катодные процессы на различных участках поверхности и продукты коррозии образуются на анодных участках.

Существующие виды коррозии металла представлены на рис. 9.15.

При электрохимической коррозии одновременно протекают два процесса – окислительный (анодный), вызывающий растворение металла на одном участке, и восстановительный (катодный), связанный с выделением катиона из раствора, восстановлением кислорода и других окислителей на другом. В результате возникают микрогальванические элементы, и появляется электрический ток, обусловленный электронной проводимостью металла и ионной проводимостью раствора электролита. Анодные и катодные процессы локализуются на тех участках, где их протекание облегчено. Причины, вызывающие электрохимическую неоднородность поверхности, весьма многочисленны: макро- и микронеоднородности металла; фазовая и структурная неоднородность сплавов; неоднородность и несплошность поверхностных плёнок; неоднородность деформаций и напряжений. Кроме того, неоднородны и жидкие фазы, контактирующие с поверхностью.

Продлить срок службы трубопроводов можно, применяя следующие способы защиты:

· изоляцию поверхности Ме изделий от агрессивной среды (пассивная защита), т.е. нанесение на поверхность Ме слоя химически инертного, относительно Ме и агрессивной среды, вещества с высокими диэлектрическими свойствами;

· воздействие на Ме с целью повышения его коррозионной устойчивости, т.е. обработка его окислителями, вследствие чего на его поверхности образуется плёнка из продуктов коррозии, например, травление стали персульфатом аммония (NН₄SО₈) при этом на поверхности стали образуется продукт коррозии – магнетит, что увеличивает сопротивление высокопрочных сталей коррозионному растрескиванию (в щёлочных средах);

· нанесение на металл конструкции из малостойкого металлического тонкого слоя другого металла, которые обладают меньшей скоростью коррозии в данной среде, например, горячее алюминирование, оцинкование, хромирование;

· воздействие на ОС с целью снижения её агрессивности, т.е. введение в среду ингибитора (замедлителей) коррозии. К этому способу можно отнести очистку воздуха от примесей и осушку его, обработку почвы ядохимикатами, снижают интенсивность жизнедеятельности микроорганизмов, что уменьшает опасность биокоррозии и т.д.

· активная защита, которая включает следующие методы: катодную поляризацию металлической конструкции (катодная защита трубопроводов) за счёт сообщения отрицательного потенциала от источника постоянного тока; катодную поляризацию, вызванную контактом изделия с металлом, обладающим более отрицательным электродным потенциалом (протекторная защита трубопроводов и резервуаров). Катодная поляризация является методом защиты от блуждающих токов.

На практике применяется сочетание пассивных и активных методов защиты.

9.9.1. Расчет основных параметров катодной защиты

Защита магистральных трубопроводов от почвенной коррозии осуществляется катодной поляризацией поверхности трубы уста­новками катодной защиты (автоматическими и неавтоматически­ми).

Для расчета установок катодной защиты необходимо при про­ведении электрометрических работ получить данные об удельном электрическом сопротивлении грунта в поле токов катодной за­щиты, а также в месте установки анодного заземления, иметь данные по характеристике трубопровода, ввиду изоляционного покрытия и наличию источников электроснабжения.

Основными параметрами установки катодной защиты являются сила тока и длина защитной зоны, в зависимости от которых принимаются мощность установки, тип и число анодных заземлителей, длина дренажных линий.

Принципиальная схема катодной защиты изображена на рис. 9.16.

Порядок расчета основных параметров катодной защиты сле­дующий [2].

1.Среднее значение удельного сопротивления грунтов

, (9.29)

где – удельные сопротивления грунтов на отдельных участках, Ом×м; - протяженность участков; – общая протяженность проектируемого трубопровода.

2. Переходное сопротивление трубопровод-грунт к концу нормативного срока эксплуатации установок катодной защиты

, (9.30)

где – начальное переходное сопротивление трубопровод-грунт, принимается равным 10 000 Ом×м²; – показатель скорости старения покрытия, принимает значения 0,116¸0,133 1/год, для ориентировочных расчетов b следует принимать рав­ным 0,125 1/год; t_н.с – нормативный срок эксплуатации ус­тройств катодной защиты,

t_н.с = 100/s₁,(9.31)

здесь s₁ – норма амортизационных отчислений, идущая на пол­ное восстановление основных фондов, принимается равной 10,5 % /год.

3. Среднее значение переходного сопротивления трубопро­вод-грунт

. (9.32)

Рис. 9.16. Принципиальная схема катодной защиты:

1 – трубопровод; 2 – катодная станция;

3 – анодное заземле­ние; 4 – соединительные провода

4. Сопротивление изоляции трубопровода на единице длины к концу нормативного срока эксплуатации устройств катодной за­щиты

; (9.33)

среднее сопротивление изоляции трубопровода на единице длины

, (9.34)

где D_н – наружный диаметр трубопровода, м.

5. Продольное сопротивление единицы длины трубопровода

, (9.35)

где d_н – толщина стенки трубопровода, м; r_ст – удельное электрическое сопротивление трубной стали; если марка неиз­вестна, то r_ст = 0,245 Ом×мм²/м:

Марка трубной стали……. 17ГС 17Г2СФ 09Г2СФ Ст3

r_ст, Ом×мм²/м………………. 0,247 0,245 0,243 0,218

6. Входное сопротивление трубопровода, среднее за нор­мативный срок эксплуатации катодной установки

; (9.36)

к концу нормативного срока

. (9.37)

7. Постоянная распределения потенциалов и токов вдоль трубопровода к концу нормативного срока эксплуатации катод­ных установок

. (9.38)

8. Максимальный E_max и минимальный E_min наложенные защит­ные потенциалы

E_max= E_maxp – E_ест;(9.39)

E_min= E_minp – E_ест;(9.40)

где E_max и E_min – максимальный и минимальный расчетные защитные потенциалы, равные соответственно -1,1 и -0,85 В; Е_ест – естественный потенциал трубопровода по отношению к медносульфатному электроду сравнения, равный - 0,55 В.

9. Задавшись удалением анодного заземления у от маги­стрального трубопровода, определяем:

а) коэффициент, учитывающий влияние смежной станции ка­тодной защиты (СКЗ)

; (9.41)

б) протяженность зоны защиты трубопровода одной СКЗ к концу нормативного срока эксплуатации катодных установок

; (9.42)

в) среднее значение силы тока в цепи катодной станции при R_вх = R_вх.ср

; (9.43)

Таблица 9.14

Удельное сопротивление грунта r_гр, Ом×м

Вид грунта	При атмосферных осадках до
250 мм/год	500 мм/год
Почва	20¸50	2¸10
Глина	10¸10	5¸20
Песок		30¸300
Известняк пористый		30¸300
Гравий		100¸1000

значение силы тока в конце расчетного периода при R_вх = R_вх.к

; (9.44)

г) сопротивление растеканию тока с одиночного вертикаль­ного анода

, (9.45)

где r_гр – удельное сопротивление грунта (табл. 9.14); l_а , d_а – длина и диаметр анода.

Вертикальные анодные заземлители устанавливают в скважи­нах в один или два ряда на глубину 1,4¸1,5 м от земной по­верхности до оголовка.

д) сопротивление растеканию тока с одиночного горизон­тального анода

, (9.46)

где h_a – глубина заложения анода.

е) оптимальное число анодов в конструкции анодного зазем­ления

, (9.47)

где w_э , w_а – соответственно стоимость 1 кВт×ч электроэнергии и стоимость одного анода с установкой; h_с – коэффициент по­лезного действия станции, определяемый как отношение номи­нальной мощности к потребляемой, ориентировочно значение h_с можно принять в пределах 0,57¸0,63; h_э – коэффициент экрани­рования, определяемый для вертикальных анодов в зависимости от расстояния а между анодами в ряду и длины l_а анода; h_и – коэффициент использования анода, h_и = 0,75¸0,95.

ж) сопротивление растеканию тока с анодного заземления

; (9.48)

з) оптимальная плотность тока в дренажной линии

, (9.49)

где e – норма амортизационных отчислений; w_л – стоимость прокладки дренажной линии, руб/м×мм²; r_пр – удельное сопротивление материала проводов, принимаемое равным 0,029 Ом×мм²/м; t – время работы станции в году, час, принимаемое равным 8760 час.

и) оптимальное сечение дренажного провода

; (9.50)

к) сопротивление дренажного провода

, (9.51)

где l_пp – длина провода, принимается равной удалению анодно­го заземления у от магистрального трубопровода.

л) среднее значение напряжения на выходных контактах СКЗ

DЕ = DЕ_а+DЕ_пр+DЕ_к, (9.52)

где DЕ_а = I_срR_а.з; DE_пр = I_срR_пр; DE_к = ½ E_max - E_min ½;

м) среднее значение потребляемой мощности СКЗ

Р = I_срDЕ (9.53)

в зависимости от которой, а также с учетом величины R_а.з подбирается в первом приближении марка станции катодной за­щиты.

н) экономические показатели катодной защиты:

стоимость анодного заземления

К_а = w_аn; (9.54)

стоимость опор воздушной дренажной линии

, (9.55)

где w_к.о – стоимость одной концевой опоры с установкой; w_п.о – стоимость одной промежуточной опоры с установкой; – показатель, округляемый до ближайшего целого числа;

стоимость провода воздушной дренажной линии

, (9.56)

где w_м – стоимость монтажа одного метра дренажного провода;

капитальные затраты на одну станцию катодной защиты

, (9.57)

где К_о – стоимость катодной станции, включая стоимость строительных и монтажных работ;

стоимость электроэнергии при работе одной станции

; (9.58)

приведенные затраты

П = К_э+eК_з;(9.59)

удельные приведенные затраты

. (9.60)

Задаваясь рядом значений у, рассчитываем для каждого из них величину удельных приведенных затрат П_уд, строим график зависимости П_уд = f(у), по которому определяем оптимальное удаление анодного заземления от трубопровода у_оп, соответ­ствующее минимальным удельным приведенным затратам. Далее по формулам (9.44) и (9.51) определяются максимальное значение силы тока в конце расчетного периода I_к при у = у_опт, соответствующее значение DE_шах при силе тока I_к. По ним уточняется выбор типа станции катодной защиты.

9. Срок службы анодного заземления

, (9.61)

где М_a, – масса одного анодного заземлителя (см. табл. 9.14); q_a – электрохимический эквивалент материала анодов; для железокремнистых анодов q_a = 0,3¸0,6 кг/(А×год), для железокремнистых анодов в коксовой засыпке q_a = 0,12¸0,2 кг/(А×год), для стальных анодов q_a = 0,9¸1,0 кг/(А×год).

10. Общее число станций катодной защиты

. (9.62)

Пример. Определить оптимальные параметры катодной защиты магистраль­ного нефтепровода диаметром D_н = 0,72 м с толщиной стенки d_н = 9×10 ^-3 м, протяженностью L_общ = 800 км. Трубная сталь марки 17Г2СФ. Нефтепровод проектируется проложить по местности, характеризующейся следующим значе­нием удельного электросопротивления грунта по участкам:

L_i/L_общ …………………………0,1 0,3 0,4 0,1 0,1

r_гр, Ом×м …………….………..150 70 50 20 10

Анодное заземление станций катодной защиты планируется выполнить из вертикальных железокремниевых анодов АКО-3 в коксовой засыпке, установленных в глине с удельным сопротивлением r_гр = 42 Ом×м (табл. 9.14). Дренажную линию проложить из алюминиевого провода.

Экономические показатели: средняя стоимость электроэнергии w_э = 40 руб/(кВт×ч); стоимость одного анода с установкой w_а = 50000 руб; стоимость дренажной линии w_л = 20 руб/(м×мм²); норма амортизационных от­числений e = 0,268 1/год; стоимость одной концевой опоры с установкой w_о.к = 170000 руб; стоимость одной промежуточной опоры с установкой w_о.п = 50000 руб; стоимость монтажа воздушной дренажной линии w_м = 2600 руб/м; ориентировочная стоимость станции катодной защиты КСС-150600000 руб, КСС-300640000 руб, КСС-600760000 руб; КСС-12001060000 руб.

Расчет ведем для семи вариантов значений у: 100, 150, 200, 250, 300, 400, 550 м.

По формуле (9.29)

r_ср.гр = 150×0,1 + 70×0,3 + 0,4×50 + 0,1×20+ 0,1×10 = 59 Ом×м.

По формуле (9.31)

t_н.с = 100/10,5 = 9,5 лет.

По формуле (9.30)

R_п.к = 10000 ехр (-0,125×9,5) = 3050 Ом×м².

По формуле (9.32)

Ом×м².

По формуле (9.33)

Ом×м.

По формуле (9.34)

Ом×м.

По формуле (9.35)

Ом/м.

По формуле (9.36)

Ом.

По формуле (9.37)

Ом.

По формуле (9.38)

1/м.

По формулам (9.39) и (9.40)

Е_max = -1,1 + 0,55 = -0,55 B;

Е_min = -0,85 + 0,55 = -0,30 B.

Для варианта у = 100 м по формуле (9.41)

.

По формуле (9.42)

.

По формуле (9.43)

.

По формуле (9.44)

.

По формуле (9.45), принимая h_а = 1,5 м,

^.

По формуле (9.47) методом последовательного приближения вычисляем n, определяя коэффициент h_э, исходя из принятого ориентировочно числа анодов и отношения a/l_a.

Пусть число анодов равно пяти, отношение a/l_a = 1, тогда h_э = 0,7. Принимаем h_с = 0,6, h_и = 0,85, откуда по формуле

^.

Принимаем n = 5.

По формуле (9.48)

По формуле (9.49)

^.

По формуле (9.50)

Учитывая увеличение S_пр с удалением анодного заземления от трубопровода у, принимаем с запасом сечение дренажного провода S_пр = 10 мм² (алюминиевый провод А 1´10).

По формуле (9.51)

.

По формуле (9.52)

.

По формуле (9.53)

.

По потребной мощности СКЗ и напряжению на выходных контактах выбираем катодную станцию типа КСС – 150.

По формуле (9.54)

По формуле (9.55)

По формуле (9.56)

По формуле (9.57)

По формуле (9.58)

.

По формуле (9.59)

.

Рис. 9.17. Зависимость удельных приведенных затрат П_уд от уда­ления

анодного заземления от трубопровода у

По формуле (9.60)

.

Результаты расчета по остальным вариантам сведены в табл. 9.15. Зависи­мость П_уд = f(у) изображена на рис. 9.17, по которому определяется опти­мальное удаление анодного заземления от трубопровода у = 300 м.

Руководствуясь полученными значениями DЕ и Р, окончательно останавли­ваемся на станции типа КСС -150.

По формуле (9.61), принимая q_a = 0,2 кг/(А×год),

.

По формуле (9.62)

,

принимаем N = 50.

Таблица 9.15

Результаты расчета параметров катодной защиты магистрального

трубопровода

Параметр	Номер варианта
у, м
kв	0,66	0,61	0,594	0,58	0,574	0,566	0,559
L, км	2,38	8,7	12,1	14,4	16,1
Iср, А	3,0	3,61	4,0	4,32	4,54	4,86	5,15
Iк, А	3,48	4,34	4,96	5,4	5,77	6,29	6,78
n (округленное)
Rа.з, Ом	5,5	4,23	3,82	3,82	3,45	3,45	3,2
Sпр, мм2	5,34	6,42	7,12	7,69	8,08	8,65	9,16
Rпр, Ом	0,29	0,44	0,58	0,73	0,87	1,16	1,6
DE, В	17,62	17,1	17,85	19,9	19,86	22,65	24,97
Р, Вт	52,86	61,73	71,4	85,97	90,16	110,08	128,6
Ка, тыс. руб.
Коп, тыс. руб.
Кпр, тыс. руб.
К3, тыс. руб.
Кэ, тыс. руб. /год	18,5	21,6	25,0	30,1	31,6	38,5	45,1
П, тыс. руб. /год
Пуд, тыс.руб./(км×год)

9.9.2. Расчет основных параметров протекторной защиты

Протекторная защита относится к электрохимическому виду защиты трубопровода от коррозии и основана на принципе рабо­ты гальванического элемента. Она автономна, благодаря чему может использоваться в районах, где отсутствуют источники электроэнергии.

Принципиальная схема протекторной защиты изображена на рис. 9.18. Наиболее распространенными протекторами являются магниевые, потенциал которых Е_пр до подключения их к трубо­проводу составляет - 1,6 В. Минимальный расчетный защитный потенциал E_{min p} составляет, так же, как и для катодной за­щиты - 0,85 В, естественный потенциал трубопровода по отноше­нию к медносульфатному электроду сравнения Е_ест = - 0,55 В. Для повышения эффективности работы протектора его погружают в специальную смесь солей, называемую активатором.

Рис. 9.18. Принципиальная схема протекторной защиты:

1 – трубопровод; 2 – дренажный провод; 3 – контрольно-измерительная

колонка; 4 – активатор; 5 – протектор

Таблица 9.16

Техническая характеристика протекторов

Показатели	Тип протектора	Тип комплектного протек­тора
ПМ5	ПМ10	ПМ20	ПМ5У	ПМ10У	ПМ20У
Размеры, мм:
в плане	75´100	100´130	155´175	-	-	-
Условный диаметр				-	-	-
Диаметр	-	-	-
Длина
Рабочая поверхность, м2	0,16	0,23	0,35	-	-	-
Масса, кг

Такая конструкция называется комплектным протектором. Техническая характеристика магниевых протекторов представлена в табл. 9.16.

При расчете протекторной установки задаются числом про­текторов в ней п и определяют следующие параметры: сопротив­ление растеканию тока и силу тока протекторной установки, протяженность защитной зоны, срок службы.