Глава 1. Обзор средств катодной защиты и путей оптимизации их электропотребления
1.1 Электролитическая коррозия металлов и методы защиты от нее
Коррозия относится к электрохимическим явлениям, когда металл стремится вернуться в свое естественное состояние оксида. Электрический ток поступает из металла в окружающую среду (почву или воду).
Для возникновения коррозии необходимо наличие двух факторов, а именно:
- двух участков с разными энергетическими уровнями;
- электролитической среды.
Коррозия, например, является одной из основных причин разгерметизации подземных трубопроводов вследствие образования каверн, трещин и разрывов.
Механизм коррозии на поверхности металла иллюстрирован рис.1. Как видно в более активной области высвобождаются электроны и образуются ионы железа:
2Fe=> 2Fe++ + 4e- .
Электроны перетекают в более пассивную зону, где ионизируют атомы кислорода и при наличии воды образуют гидроксильные ионы:
O2+ 4e- + 2 H20 => 4 OH-.
Рис 1. Механизм гальванической коррозии на поверхности металла
Далее в активной области происходит реакция ионов железа и гидроксил-ионов собразованием гидроксид железа, который и представляет собой ржавчину:
Fe++ + 2OH˗ --> Fe(OH)2.
Процесс коррозии может также происходить и в других случаях, например, при наличии:
- двух разных металлов с разными энергиями;
- неоднородности в электропроводимости почвы, ее влажности или концентрации кислорода.
На подземном трубопроводе за счет неоднородности металла трубы и неоднородности грунта возникают участки с различным электродным потенциалом, предопределяющие образование гальванических коррозионных элементов (рис. 2, 3).
Рис.2 Процесс образования гальванических коррозионных элементов
Рис. 3 Процесс образования гальванических коррозионных элементов под инженерными сооружениями
Еще одной причиной коррозии подземных металлических сооружений является наличие блуждающих токов в земле, вызываемое электрифицированным рельсовым транспортом постоянного тока. Процесс возникновения блуждающих токов и их влияния на трубопровод показан на рис. 4.
Рис. 4. Схема возникновения блуждающих
токов на железной дороге с электрической
тягой на постоянном токе
Здесь: 1 - тяговая подстанция, 2 - нагрузка,
3 - контактная сеть, 4 - ходовая рельсовая
сеть, 5 – трубопровод, Iкс —
ток в контактной сети, Iрс —
ток в ходовой рельсовой сети, Iн —
натекающий ток на трубопровод, Iс —
стекающий ток с трубопровода
1.2. Управление станцией катодной защиты
Обеспечивая между поверхностью металла трубы и грунтом электрический ток, можно обеспечить снижение потенциала в дефектных местах изоляции трубы до значения ниже критерия защитного потенциала, равного — 0,85 В. В результате этого скорость коррозии снимется до 10 мкм в год, утрачивая при этом практическое значение.
Принцип катодной защиты реализуется путем передачи постоянного тока навстречу коррозионному току из электродов (анодов), установленных в почве или воде, окружающей конструкцию защиты. Коррозия приостанавливается, когда ток защиты имеет достаточную величину и правильно распределен. При этом ток защиты обеспечивается внешним источником питания.
Для определения эффективности катодной защиты трубопроводов необходимо каким-то образом определять характер и скорость электрохимических процессов. Для этого применяются электроды сравнения. С их помощью измеряется скачок потенциала на границе «защищаемый объект-электролит». Поляризационный потенциал измеряется и передается на станцию катодной защиты или просто измеряется на специально оборудованном контрольно-измерительном пункте.
Пример устройства станции катодной защиты показан на рис 5.
Рис 5. Организация станции катодной защиты
Отметим следующие особенности реализации катодной защиты:
одна установка может защищать конструкцию на протяжении большой длины;
ток можно регулировать, тем самым адаптируя систему к разным окружающим факторам;
возможность эффективной защиты объектов даже без защитных покрытий.
Таким образом, формирование тока защиты достаточной величины и соответствующего распределения является весьма важной и актуальной задачей.