Катодная защита — это способ защиты стальных трубопроводов и других подземных сооружений от коррозии постоянным током. Ток подают на трубу от станции катодной защиты через анодное заземление, потенциал металла смещается в отрицательную сторону, и растворение стали практически прекращается. Вместе с изоляционным покрытием катодная защита составляет систему электрохимической защиты (ЭХЗ), которую ГОСТ 9.602 предусматривает для подземных стальных трубопроводов. Ниже разбираем, как это работает на практике, какой потенциал считается защитным и что нужно для проекта.
Почему стальная труба в грунте корродирует
Грунт с влагой и растворёнными солями работает как электролит. На поверхности трубы всегда есть участки с немного разным потенциалом: где-то повреждено изоляционное покрытие, где-то меняется влажность или состав грунта, где-то рядом проходит другой трубопровод или кабель. Между такими участками по металлу и через грунт течёт ток. Там, где ток выходит из стали в грунт, металл растворяется. Это анодная зона, и именно в ней образуются каверны и сквозные повреждения.
Отдельная беда — блуждающие токи. Рядом с электрифицированной железной дорогой, трамвайными путями или чужой установкой катодной защиты часть тока идёт в землю, находит трубу как удобный проводник, а потом выходит из неё обратно в грунт. В точке выхода коррозия идёт в разы быстрее, чем от почвенных причин.
Покрытие защищает трубу, пока оно целое. На новом трубопроводе дефектов мало, через годы их становится больше: механические повреждения при укладке, отслаивание, старение материала. Поэтому покрытие считают первой линией защиты, а катодную защиту второй. Работают они только вместе: у трубы без покрытия ток защиты уходит впустую, а покрытие без ЭХЗ рано или поздно пропускает коррозию в местах дефектов.
Как работает катодная защита
Если подать на трубопровод постоянный ток от внешнего источника так, чтобы ток входил в металл по всей поверхности, анодных участков на трубе не останется. Вся труба становится катодом. Анодом делают специальное анодное заземление: его закапывают в стороне от трубы, и растворяется оно, а не трубопровод.
Источник тока — станция катодной защиты (СКЗ). Её отрицательный вывод подключают к трубе в точке дренажа, положительный — к анодному заземлению. Станция питается от сети переменного тока и выдаёт регулируемый постоянный ток. Сколько тока нужно, зависит от площади оголённого металла, сопротивления грунта и длины защищаемого участка. На старом трубопроводе с изношенной изоляцией тока требуется заметно больше, чем на новом.
Катодная, протекторная и дренажная защита
У катодной защиты с внешним источником есть два родственника.
Протекторная защита обходится без станции. К трубе подключают протекторы, аноды из более активного металла, обычно магниевого или цинкового сплава. Между протектором и сталью возникает гальваническая пара, и протектор растворяется вместо трубы. Вариант удобный там, где нет электросети, и подходит для коротких участков или сооружений с хорошим покрытием. Для магистральных трубопроводов, компрессорных станций и разветвлённых промышленных коммуникаций протекторов не хватает: ток у них небольшой, а управлять им нельзя.
Дренажная защита нужна там, где вредят блуждающие токи. Трубу соединяют с рельсами или отсасывающим пунктом через дренаж, и ток уходит с трубы по проводу, а не через грунт. Дренажную защиту часто совмещают с катодной.
Из чего состоит установка катодной защиты
- станция катодной защиты, которая выдаёт и регулирует ток;
- анодное заземление: глубинное или протяжённое, в зависимости от грунта и места;
- дренажная линия от станции к трубе и точка дренажа;
- электрод сравнения, по которому измеряют потенциал;
- контрольно-измерительные пункты (КИП) вдоль трассы;
- каналы связи с системой телемеханики, если станцией управляют дистанционно.
На разветвлённом объекте, например на компрессорной станции, одна СКЗ часто защищает несколько сооружений сразу. Для этого нужна многоканальная станция, у которой каждый канал регулируется отдельно.
Какой потенциал считается защитным по ГОСТ 9.602
Качество защиты оценивают по потенциалу трубы относительно электрода сравнения. В полевой практике это чаще всего медно-сульфатный электрод (МСЭ). Требования к защитным потенциалам подземных сооружений задаёт ГОСТ 9.602. Широко применяемый критерий: поляризационный потенциал стали должен быть не положительнее минус 0,85 В по медно-сульфатному электроду. При повышенной температуре трубы и в грунтах с сульфатредуцирующими бактериями стандарт требует более отрицательных значений.
Есть и верхняя граница. Слишком отрицательный потенциал, перезащита, тоже вредит: на поверхности металла выделяется водород, который отслаивает изоляционное покрытие и может снижать пластичность стали. Конкретные пределы зависят от типа покрытия и условий эксплуатации, их берут из ГОСТ 9.602 и отраслевых норм. Проектировщику важно держать потенциал в коридоре, а не просто «чем отрицательнее, тем лучше».
Суммарный и поляризационный потенциал: в чём разница
Прибор, подключённый к трубе и электроду сравнения на поверхности земли, показывает суммарный потенциал. В нём сидит омическая составляющая: падение напряжения в грунте от протекающего тока защиты. Чем больше ток и выше сопротивление грунта, тем сильнее суммарный потенциал отличается от того, что происходит на металле.
Состояние самой стали отражает поляризационный потенциал, то есть суммарный без омической части. Его измеряют двумя способами: методом вспомогательного электрода, когда рядом с трубой закладывают пластину из той же стали и измеряют её потенциал в момент отключения, или методом отключения тока на станции. Если ориентироваться только на суммарный потенциал, легко посчитать трубу защищённой там, где защиты не хватает. И наоборот, загнать станцию в перезащиту, глядя на суммарные минус 2 В.
Режимы работы станции катодной защиты
Станция может держать постоянным один из четырёх параметров.
- Выходной ток. Самый простой режим, подходит для участков со стабильными условиями.
- Выходное напряжение. Применяют при наладке и в отдельных схемах.
- Суммарный потенциал сооружения. Станция сама подстраивает ток по сигналу электрода сравнения.
- Поляризационный потенциал. Самый точный режим, для него нужен КИП с вспомогательным электродом и блоком, который передаёт измерения в станцию.
Стабилизация потенциала выручает там, где условия плавают: грунт промерзает зимой и оттаивает весной, рядом появилась электрифицированная дорога, стареет изоляция. Станция удерживает заданный потенциал без выезда персонала. В станциях СКЗ-ВЕКТРУМ® каждый силовой модуль МРС работает в любом из четырёх режимов, а поляризационный потенциал стабилизируется в диапазоне от минус 0,8 до минус 1,2 В по данным контрольно-измерительного пункта КИП-ВЕКТРУМ® с блоком коррозионного мониторинга БКМ.
Что нужно для проекта катодной защиты
По таблице катодную защиту не спроектировать. Нужны данные с трассы, их дают электрометрические обследования. Обычно измеряют:
- удельное электрическое сопротивление грунта по трассе и в месте будущего анодного заземления;
- потенциалы трубы и состояние изоляционного покрытия, если трубопровод уже построен;
- наличие и величину блуждающих токов от железных дорог, трамвая и соседних систем ЭХЗ;
- пересечения и сближения с другими металлическими сооружениями.
Дальше рассчитывают ток защиты и зону действия каждой станции, выбирают места установки СКЗ и анодных заземлений, мощность и число каналов. Полученные параметры записывают в карту заказа станции: мощность в ваттах, количество каналов, климатическое исполнение, состав модулей, каналы связи. У СКЗ-ВЕКТРУМ® обозначение так и строится: СКЗ-ВЕКТРУМ®-ХХХХ/NN, где ХХХХ обозначает мощность в ваттах, а NN количество каналов от 01 до 12.
Резервирование и питание станции
Защита должна работать без перерывов. Если станция простояла несколько недель, коррозия на дефектах изоляции успевает начаться, а отключение никто может и не заметить. На ответственных объектах закладывают резерв:
- резервный силовой модуль с автоматическим включением при отказе основного;
- питание от двух сетей с автоматическим переключением на резервную;
- резервное питание контроллера, чтобы при пропадании сети станция успела передать аварийный сигнал.
Схему резервирования проще заложить при заказе станции, чем дорабатывать её на объекте. У модульных станций это вопрос состава модулей: например, в СКЗ-ВЕКТРУМ® за это отвечают модули ВРП, ВРМ и БП.
Контроль работы: КИП и телемеханика
Станция, которую проверяют раз в квартал, может месяцами работать с неправильными уставками. Поэтому станцию подключают к системе телемеханики: диспетчер видит ток, напряжение и потенциалы, получает аварийные сигналы и меняет уставки дистанционно. Связь строят по проводной линии RS-485 с протоколом Modbus, через SHDSL-модем, по радиоканалу УКВ или через GSM, смотря что есть на объекте.
Вторая часть контроля — измерения на самой трубе. Их собирают контрольно-измерительные пункты вдоль трассы: вручную при обходах или автоматически, если пункт оснащён блоком коррозионного мониторинга. Что именно измеряют в КИП и как строится мониторинг, мы разобрали в статье про контрольно-измерительные пункты и коррозионный мониторинг.
Частые вопросы о катодной защите
Нужна ли катодная защита, если у трубы хорошее покрытие?
Как правило, да. ГОСТ 9.602 предусматривает для подземных стальных трубопроводов совместную защиту покрытием и средствами ЭХЗ, исключения оговорены в самом стандарте. Покрытие со временем получает дефекты, и без тока защиты именно в них начинается коррозия.
Что такое перезащита и чем она опасна?
Перезащита — это слишком отрицательный потенциал трубы. На металле выделяется водород, покрытие отслаивается, у стали может снижаться пластичность. Поэтому у защитного потенциала две границы: нижняя и верхняя.
Можно ли одной станцией защитить несколько сооружений?
Да, если станция многоканальная и у каждого канала своя регулировка. На узлах, где несколько сооружений защищают вместе, ставят КИП с блоком совместной защиты, чтобы распределять ток между ними.
Как часто проверять потенциалы?
Периодичность задают правила эксплуатации и регламент владельца трубопровода. При ручных обходах это единичные замеры несколько раз в год. Коррозионный мониторинг с передачей данных в станцию даёт измерения постоянно, и отклонения видны сразу, а не на следующем обходе.
