Коррозия блуждающими токами

Коррозия  блуждающими токами

Источники блуждающих токов

На практике в грунте протекают не только защитный (постоянный) ток рассматриваемого катодно-защищенного объекта. Пользователи других установок постоянного тока также используют грунт в качестве проводника. Вызываемые этим токи определяются как блуждающие токи. Существенными источниками блуждающих токов являются другие катодно-защищенные объекты, потребляющие постоянный ток.

Основными источниками  являются рельсовые сети электрифицированной  железной дороги, а также линии электропередач постоянного тока (ЛЭП ПТ) и катодные установки.

Наиболее мощными  и распространенными из названных  источников блуждающих токов являются линии электрифицированных железных дорог. Так как электроснабжение их принципиально одинаково, то и процессы возникновения в земле блуждающих токов от этих источников одинаковы.

Известно, что  положительный полюс источника  питания на электрических железных дорогах постоянного тока подключается к контактному проводу, а отрицательный  к ходовым рельсам. При такой схеме тяговый ток от положительной шины тяговой подстанции по питающей линии поступает в контактный провод, а оттуда через токоприемник к двигателям электровоза или мотор-вагонной секции и далее через колесные пары, рельсы и землю в отсасывающую линию к минусовой шине. Величина стекающего в землю тока, который и называют блуждающим, тем больше, чем меньше переходное сопротивление между рельсами и землей и чем больше продольное сопротивление рельсов. В некоторых случаях величина блуждающих токов в земле может достигать 70-80% от общей величины тягового тока.

Наиболее значительные токи утечки наблюдаются на участках станционных путей электрифицированных  железных дорог, где имеются малые  переходные сопротивления между  рельсами и землей и значительные величины тяговых токов. Блуждающие токи, возникающие при этом, могут распространяться на большие расстояния. Отмечены случаи, когда влияние блуждающих токов было зарегистрировано на расстоянии до 30км от линии железной дороги.

Распределение блуждающих токов в земле зависит от потенциалов металла рельс относительно окружающей земли. На всех источниках блуждающих токов имеются участки, где ток стекает в землю, и участки, где ток возвращается к источнику тока.

   

Рис.3 Схема  возникновения блуждающего тока от электрифицированного транспорта и  влияние их на нефтепровод

1 - контактный  провод; 2 - питающая линия; 3 – тяговая  подстанция; 4 – дренажная линия; 5 – рельсы; 6 – нефтепровод  

Распределение потенциальных зон на рельсах  электрифицированной железной дороги, трамвая и метрополитена имеет  общие закономерности (рис. 3). В районе расположения отсасывающего пункта тяговой подстанции потенциал рельс-земля  отрицательный, т.е. рельсы находятся в катодной зоне. На перегоне, между тяговыми подстанциями или же отсасывающими пунктами, потенциал рельс-земля знакопеременный. Максимальное значение положительного потенциала наблюдается примерно в середине перегона.

Возникновение блуждающих токов в земле при работе линии электропередачи постоянного тока (рис. 4) происходит по следующей схеме.

Переменный ток  в выпрямителе преобразуется  в постоянный, передается на линию, в которой одним из токопроводов является земля. Заземление полюсов  на выпрямительной и инверторной (преобразующей постоянный ток в переменный) подстанциях осуществляется при помощи специально оборудуемых рабочих заземлений малого сопротивления. Через эти заземления протекает весь ток нагрузки ЛЭП, который может достигать сотен и тысяч ампер. В процессе работы ЛЭП может происходить перемена полярности заземлений, поэтому следует учитывать возможность протекания тока по земле как в одном, так и в другом направлениях.    

  

Рис. 4 Схема  возникновения и влияния блуждающих токов при работе линии электропередачи  постоянного тока системы провод - земля

1- кабельная  или воздушная линия; 2 - выпрямитель; 3 - инвертор; 4- реакторы; 5 - рабочие заземления; б - нефтепровод.     
 
 
 

Рис. 5. Схема  возникновения и влияния блуждающих токов от установок катодной защиты

а - анодная зона вблизи точки дренирования; б – катодная зона в районе анодного заземления; 1 - теплосеть; 2 - нефтепровод.

В процессе работы катодной установки токи, стекающие с анодного заземления, распространяются по земле и втекают в защищаемый трубопровод (рис. 5).

Работающие катодные установки мoгyт создавать блуждающие токи значительных величин. Так, величина тока в земле может достигать  десятков ампер. Блуждающие токи, протекая в земле и встречая на своем пути подземные металлические сооружения, ответвляются в них, так как сопротивление последних значительно меньше удельного сопротивления земли.

Процессы  коррозии металла  в поле блуждающих токов

Процесс коррозии металла в поле блуждающих токов является процессом электролитическим. Металл подвержен действию электролиза. Скорость процесса коррозии, как это следует из закона Фарадея, определяется количеством электричества, протекающего между анодами катодами уложенного в грунт трубопровода, и зависит от электрического сопротивления грунта и природы процессов, происходящих на анодных и катодных участках нефтепровода. Следовательно, если кроме почвенной коррозии трубопровод подвергается дополнительному воздействию блуждающих токов, то в местах, где складывается электролитическое действие этих токов с токами гальванических пар, может произойти резкое увеличение скорости коррозионных процессов.

Для всех металлических  сооружений такими местами являются зоны стекания блуждающих токов в окружающую среду. При достаточно больших потенциалах блуждающих токов последние подавляют ток катодной цепи микропар, возникающих в процессе почвенной коррозии, распространяя разрушение на все микро участки сооружения в анодной зоне блуждающих токов.

Рабочий ток  электрифицированных дорог, работающих на постоянном токе, имеет временную  зависимость. Колеблющиеся при этом блуждающие токи искажают результаты измерений потенциалов, так как  они являются причиной падения напряжения в грунте. Периодичность этих колебаний составляет от нескольких секунд (начало движения и торможение на железной дороге) до 24 часов (расписание движения). По этой причине при измерении потенциала труба/земля целесообразно регистрировать значения в периоде от 0,5 до 24 часов самопишущими измерительными приборами. Для этого используются обычные самописцы. Однако сегодня на рынке представлены измерительные приборы на базе микрокомпьютера, которые наряду с записью результатов измерений допускают и их обработку, такую как определение среднего значения и выявление минимальных и максимальных значений.

Недостаточно  определять значение потенциалов труба/земля  исключительно в период отсутствия блуждающего тока, так как их величина в этом случае часто значительно  отличается от значений при наличии блуждающего тока. Эти отклонения обосновываются тем, что во время эксплуатации на протяжении всего периода для тока имеются преимущественные направления.

Различия в  солнечной активности воздействуют на магнитное поле Земли. Результатом этого является индукция электрического поля в грунте. Сила поля составляет несколько мВ/км. То есть, она в течение долгого времени была нерелевантна для катодной защиты. С улучшением качества покрытий она, однако, приобрела значение.

Так, например, на трубопроводе длиной около 100 км с удельным сопротивлением покрытия r_u=200 kWm² вблизи от концов трубопровода проявляются колебания значений потенциалов до 3 В (0 В >U_Cu/CuSO4 > -3 В). Эти колебания происходят с нерегулярным интервалом и имеют различную продолжительность, что делает невозможным получение достоверных значений потенциалов труба/земля во время появления колебаний. В отличие от блуждающих токов от электрифицированных железных дорог на постоянном токе, здесь нет направления ориентированной структуры для тока на входе и выходе. Поэтому в результате геомагнитных колебаний не может возникнуть коррозионная опасность.

Методы  защиты магистральных  трубопроводов от подземной коррозии   

 Защита подземных  трубопроводов от коррозии осуществляется как изоляционным покрытием (пассивная защита), так и средствами электрохимической защиты (активная защита).

Изоляционные  покрытия трубопроводов     

  Изоляционные покрытия, применяемые на подземных магистральных трубопроводах, должны удовлетворять следующим требованиям:

-         высокие диэлектрические свойства;

-         хорошая адгезия;

-         высокая механическая прочность и эластичность;

-         высокая биостойкасть;

-         термостойкость;

-         простота конструкции покрытий;

-         недефицитность материалов;

-         долговечность    

 Противокоррозионную  защиту подземных трубопроводов  осуществляют покрытиями на основе:

-         полимерных материалов наносимых в заводских или базовых условиях;

-         термоусаживающихся материалов наносимых в базовых или трассовых условиях

   В период эксплуатации под воздействием различных  факторов изоляционное покрытие, а  также при опуске и засыпке  их грунтом возможны сквозные дефекты  в покрытиях. В период эксплуатации под воздействием различных факторов изоляционное покрытие стареет, ранее образовавшиеся дефекты расширяются и возникают новые. Скорость коррозии при этом в местах дефектов может достигать значительной величины.

   При наличии  в изоляционном покрытии сквозных дефектов диаметром более 1 мм защищенность сооружения не будет равна 100%. Так как на стальных подземных магистральных трубопроводах изоляционные покрытия всегда имеют сквозные дефекты, возникшие в периоды строительства и эксплуатации, наряду с изоляционными покрытиями при защите трубопроводов от коррозии применяются средства электрохимзащиты.   

Катодная  защита  трубопроводов      

 Электрохимическая  защита от коррозии подземного  трубопровода заключается в катодной  поляризации трубопровода, при степени  поляризации МН равной – 0,85 mВ, скорость коррозии составляет 0,01 мм в год, что позволяет безаварийно эксплуатировать МН в течении всего срока службы МН. Создание разности потенциалов между трубопроводом и окружающим его грунтом осуществляется с помощью внешнего источника тока (УКЗ) при подключении отрицательного полюса к трубопроводу, а положительного полюса к заземлению (анод), расположенного в стороне от трубопровода (рис.1).                                                                      

 Ток в цепи  установки катодной защиты двояким образом влияет на разность потенциалов «труба–земля»: создает положительный потенциал грунта, окружающего трубопровод, и отрицательный потенциал трубопровода.    

 Разность  потенциалов «труба-земля», вызываемая  катодной установкой, распределяется вдоль трубопровода неравномерно. Максимальная величина этой разности находится около точки дренажа, лежащей обычно напротив анода. По мере удаления от точки дренажа в обе стороны вдоль трубопровода величина наложенной разности потенциалов «труба-земля» уменьшается.

Протекторная  защита

Электрохимическая  защита трубопровода осуществляется также с помощью гальванических анодов (протекторов), имеющих электрохимический потенциал более отрицательный, чем  электрохимический потенциал трубопровода.

Протекторы должны изготавливаться из сплавов на основе магния, алюминия или 
цинка, обладающих стабильным во время эксплуатации электродным потенциалом более отрицательным, чем потенциал защищаемого трубопровода.

Электродный потенциал  протектора не должен облагораживаться во время эксплуатации более чем на:

100 мВ — для  сплавов на основе магния;

50 мВ —для  сплавов на основе алюминия;

30 мВ — для  сплавов на основе цинка.

При отключении от трубопровода протектор не должен самопассивироваться и при подключении должен восстанавливать прежнюю силу защитного тока.        

 Сосредоточенные  протекторы следует применять  в грунтах с удельным электрическим 
сопротивлением не более 50 Ом м.

Допускается использовать искусственное снижение удельного  электрического сопротивления грунта в местах установки протекторов при исключении вредного воздействия на окружающую среду и технико-экономическом обоснований.