Расчет катодной защиты трубопроводов

Катодная защита (рис. 1) — защита подземного металлического трубопровода при наложении электрического поля от внешнего источника тока, создающего катодную поляризацию на трубопроводе. При этом коррозионному разрушению подвергается анодное заземление из металлических или неметаллических электропроводных материалов. Такая защита осуществляется при создании защитной разности потенциалов между трубопроводом и окружающим его грунтом от источника постоянного (или выпрямленного) тока. Разность потенциалов создается станцией катодной защиты (СКЗ).

Рис. 1. Принципиальная схема катодной защиты магистрального трубопровода: 1 — трубопровод; 2 — анодное заземление (анод); 3 — соединительная электролиния постоянного или выпрямленного тока; 4 — защитное заземление; 5 — источник постоянного или выпрямленного тока; 6 — катодный вывод; 7,8 — точки соответственно подключения катодного вывода и дренажа; I₃ — ток катодной защиты

Как следует из схемы катодной защиты, электрический ток, растекающийся с анодного заземления (2) в почву, распространяется по ней и поступает на защищаемый объект (1) — трубопровод, поляризуя его катодно. Поступивший на защищаемый объект ток собирается в точке дренажа (8) и возвращается к своему источнику (5). Максимальный ток в цепи катодной защиты находится в точке подключения источника питания СКЗ (в точке дренажа).

Устройство, включающее СКЗ, анодное заземление и соединительные провода называют катодной установкой с внешним источником тока. СКЗ бывают двух типов: сетевые, питающиеся от действующих или специально сооружаемых ЛЭП, и с местными источниками тока, в качестве которых используют моторы-генераторы, электродвигатели различных типов термогенераторы и др. СКЗ состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя тока, устройств регулировки напряжения и контрольно-измерительных приборов.

Принцип действия катодной защиты аналогичен процессу электролиза. Под воздействием приложенного электрического поля источника начинается движение полусвободных валентных электронов в направлении анодное заземление — источник тока — защищаемое сооружение. Теряя электроны, атомы металла анодного заземления переходят в виде ион-атомов в раствор электролита, т. е. анодное заземление разрушается. Ион-атомы подвергаются гидратации и отводятся вглубь раствора. У защищаемого же сооружения вследствие работы источника постоянного тока наблюдается избыток свободных электронов, т. е. создаются условия для протекания реакций кислородной и водородной деполяризации, характерных для катода.

При осуществлении электрохимической защиты участка трубопровода, стенка которого более чем на 10% толщины повреждена коррозией, минимальный защитный потенциал должен быть на 0,05 В отрицательнее.

Минимальный защитный потенциал должен поддерживаться на границе зоны действия станции катодной защиты (СКЗ). Так как значение защитного потенциала убывает с удалением от точки подключения СКЗ (точка дренажа), то максимальный защитный потенциал имеет место в точке дренажа. Чтобы предотвратить разрушение и отслаивание изоляционного покрытия вследствие выделения газообразного водорода, максимальное значение защитного потенциала ограничено. Так, для стального сооружения с битумной или полимерной изоляцией это значение составляет-1,15 В по МСЭ. Когда сооружение не имеет защитного покрытия, максимальное значение защитного потенциала не регламентируется.

В установках катодной защиты используют сосредоточенные, распределенные, глубинные и протяженные анодные заземления. Для уменьшения скорости их растворения электроды анодного заземления устанавливают в коксовую мелочь. Срок службы анодного заземления должен составлять не менее 15 лет.