Зависимость коэффициента полезного использования тока катодной защиты от превышения плотности тока катодной защиты над плотностью предельного тока по кислороду

Для учета электрической энергии, затрачиваемой на подавление собственно коррозионного процесса и протекание на КЗП трубопровода электрохимических реакций, не связанных с подавлением коррозионного процесса, в практику катодной защиты впервые введено понятие «коэффициент полезного использования тока катодной защиты» (/7), который был рассчитан как

где К_тт — максимальная скорость коррозии трубной стали без катодной защиты;

К_осг — остаточная скорость коррозии при заданном режиме катодной защиты;

g — электрохимический эквивалент Fe¹*.

Зависимость коэффициента полезного использования тока катодной защиты от соотношения между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока кислорода представлена на рис. 2.10.

Рис. 2.10. Зависимость коэффициента полезного использования тока катодной защиты и защитного эффекта (а) и остаточной скорости коррозии и объема выделившегося на КЗП водорода (б) от безразмерного

критерия j_K J j_np

Величину защитного эффекта на рис. 2.10 рассчитывали по формуле С применением коэффициента полезного использования тока катодной защиты становится ясно, что при превышении плотности тока катодной защиты над предельным по кислороду в 8… 10 раз защитный эффект достигает 80…90%, а коэффициент полезного использования тока катодной защиты снижается при этом с 82 до 5%. Это означает, что остальные 95% электрической энергии расходуются на протекание электродных процессов на КЗП, не связанных с подавлением коррозионного процесса, что подтверждают результаты, представленные на рис 2.10, а.

Выделение водорода на КЗП становится заметным, когда плотность тока катодной защиты превышает плотность предельного тока по кислороду в 7…10 раз, тогда как на подавление коррозионного процесса превышение плотности тока катодной защиты над предельным по кислороду в 10 и более раз практически влияния не оказывает.

Совокупность экспериментальных результатов, представленных на рис. 2.10 а и б, свидетельствуют о том, что отношение плотности тока катодной защиты к плотности предельного тока по кислороду К_{к %} = /_{к ч} / у'_пр может служить объективным безразмерным критерием для количественного определения остаточной скорости коррозии, с одной стороны, и степени электролитического наводороживания — с другой, при различных потенциалах катодной защиты. Предложенный безразмерный критерий катодной защиты (К_к3) характеризует степень подавления коррозии подземного трубопровода в дефекте изоляции и характеризует полезный расход тока катодной защиты на собственно подавление коррозионного разрушения трубопровода и долю бесполезного расходования тока катодной защиты на наводороживание стенки трубопровода. В процессе эксплуатации стальных подземных трубопроводов режимы их катодной защиты изменяются в широких пределах и, несмотря на существенные различия в плотностях защитного тока (рис. 2.8), остаточная скорость коррозии остается практически неизменной, не превышающей 0,01…0,02 мм/год. Наблюдаемое явление связано с тем, что несмотря на то, что плотность тока катодной защиты в дефектах изоляции у верхней образующей превышает таковую у нижней образующей при неизменном режиме катодной защиты более чем в пять раз, отношение плотности тока катодной защиты к плотности предельного тока кислорода в различных дефектах изоляционного покрытия, находящихся в различных пространственных положениях относительно периметра трубопровода, остается величиной постоянной, что обусловливает подавление коррозии в различных дефектах изоляции до постоянной величины. Совокупность экспериментальных результатов, представленных в табл. 2.5, свидетельствует о том, что отношение плотности тока катодной защиты к плотности предельного тока по кислороду не зависит от пространственного расположения дефекта относительно трубопровода большого диаметра (условий доставки кислорода). Это дает основание полагать, что отношение j_{K з} / у'_пр с достаточной для практики точностью может служить безразмерным критерием для количественного определения степени подавления течения коррозионного процесса в различных дефектах изоляционного покрытия подземного трубопровода при различных режимах катодной защиты, с одной стороны, и степени электролитического наводороживания — с другой.

Таблица 2.5.

Распределение отношения плотности тока катодной защиты к предельной

по кислороду по периметру трубопровода Д_у 1220 мм при различных режимах катодной защиты

Для решения проблемы о степени подавления внешней коррозии трубопровода в различных дефектах изоляции, находящихся в различных пространственных положениях относительно трубопровода большого диаметра, необходимо получить картину распределения защитного тока и степени подавления коррозии при заданном режиме катодной защиты.

Картину распределения необходимо получить в самом широком диапазоне для того, чтобы выбрать оптимальный режим катодной защиты. При каком значении критерия катодной защиты подземных трубопроводов (отношения /_{к з} / j) будет достигнута достаточная для практики остаточная скорость коррозии подземных трубопроводов и наибольшая экономия электрической энергии. При каком соотношении между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного тока кислорода наводороживание стенки трубопровода будет наименьшим как непосредственно в сквозном дефекте изоляции, так и под отслоившейся изоляцией в зоне контакта защищаемой поверхности с электролитом на различном расстоянии от края сквозного дефекта.

Для определения и выбора оптимального значения критерия катодной защиты подземных трубопроводов (К_к.,) определим величину этого критерия в различных дефектах изоляции, находящихся в различных условиях доставки кислорода, в зависимости от их пространственного положения относительно трубопровода Д_у 1220 мм. Предлагаемый безразмерный критерий, выступая в качестве реальной величины, объективно отображая реальное течение коррозионного процесса в дефектах изоляции трубопровода, позволяет количественно определить скорость остаточной коррозии трубопровода при заданном режиме катодной защиты, оценить эффективность катодной защиты и выбрать режим катодной защиты, исключающий наводороживание стенки трубопровода, обеспечивая максимальную экономию электрической энергии. В табл. 2.6 представлены результаты гравиметрических коррозионных испытаний образцов из трубной стали в 0,05%-м растворе NaCl при различных режимах катодной защиты. Выбор 0,05%-го раствора NaCl для коррозионных испытаний обусловлен тем фактом, что основу минерализации грунтов составляют ионы СГ и Na%.

Экспериментально установлено, что при достижении плотности тока катодной защиты значений плотности предельного тока по кислороду j_K J j , скорость коррозии испытуемых образцов уменьшилась в четыре раза и в условиях эксперимента не превышала 0,01 мм/год. При этом величина защитного эффекта достигала 70%. Данные табл. 2.6 свидетельствуют о том, что увеличение тока катодной защиты сверх предельного по кислороду практически не приводит к увеличению защитного эффекта, однако КПД тока катодной защиты при этом уменьшается практически со 100 до 17,5%, что свидетельствует о том, что остальные 82,5% электрической энергии затрачены на протекание электрохимических процессов, не оказывающих влияние на течение коррозионного процесса.

Эта электрическая энергия расходуется на электролиз почвенного электролита с выделением кислорода на анодном заземлении, что сопровождается увеличением сопротивления растеканию тока анодного заземления и водорода на КЗП, что способствует электролитическому наводороживанию стенки трубы и отслаиванию изоляции.

Таблица 2.6.

Результаты гравиметрических коррозионных испытаний образцов из трубной стали в 0,05%-м растворе NaCI при различных режимах

катодной защиты

В процессе катодной защиты трубопровода из почвенного электролита в слой катодных отложений и оксидов на защищаемой поверхности диффундируют носители заряда, в качестве которых наиболее часто выступают ионы водорода, кальция, магния, а также нейтральные молекулы кислорода. Процесс переноса регулируется свойствами границы раздела «труба-земля». Отсутствие математических зависимостей между режимами катодной защиты подземных трубопроводов и условиями доставки электрохимически активных компонентов грунта к защищаемой поверхности, где происходит их электровосстановление, сдерживает создание и разработку новых критериев определения эффективности катодной защиты подземных нефтегазопроводов.