Катодную защиту подземных трубопроводов от почвенной коррозии осуществляют путем образования на защищаемом металле отрицательного защитного потенциала по отношению к окружающей коррозионной среде (катодная поляризация).
Для этого трубопровод соединяют с отрицательным полюсом внешнего источника постоянного тока, т.к. он действует в качестве катода, а положительный полюс источника тока соединяют с анодным заземлением. Под действием приложенной разности потенциалов «труба-земля» ток из грунта втекает в трубопровод, защищая его от коррозии.
Обычно катодную защиту используют совместно с наружным изоляционным покрытием, что уменьшает необходимый ток на несколько порядков. По мере разрушения покрытия в процессе эксплуатации и оголения металла катодный ток должен возрастать для обеспечения защиты трубопровода.
Максимальное (по абсолютной величине) значение защитной разности потенциалов находится у точки дренажа, лежащей против анода.
По мере удаления от точки дренажа вдоль трубопровода значение наложенной разности потенциалов уменьшается. Следует помнить, что для изолированных трубопроводов значительное завышение наложенной разности потенциалов оказывают вредное влияние на адгезию покрытия к металлу.
Схема катодной защиты трубопровода.
|
1. катодная станция; |
3. анодное заземление; |
|
|
2. защищаемый трубопровод; |
4. дренажные линии. |
|
Работа катодной станции заключается в том, что отрицательный полюс катодной станции соединен с трубопроводом и трубопровод поляризуется отрицательными относительно стационарного потенциала — ц стац. Величину отрицательного потенциала нельзя увеличивать до бесконечности, т.к. начинает происходить разрушение защитного покрытия трубопровода.
2. РАСЧЕТ УСТАНОВКИ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ
Основными элементами установки катодной защиты (УКЗ) являются: катодная станция (источник постоянного тока), анодное заземление и дренажная электролиния.
Для расчета УКЗ последовательно определяют:
- ѕ первичные параметры (продольное сопротивление трубопровода и переходное сопротивление «труба — земля»), а затем и вторичные параметры (входное сопротивление трубопровода и постоянная распространения вдоль трубопровода);
- ѕ расстояние между трубопроводом и анодным заземлением;
- ѕ силу тока катодной установки;
- ѕ параметры дренажной электролинии;
- ѕ параметры катодной станции. Для определения этих параметров необходимы следующие исходные данные:
- ѕ размеры трубопровода (l=37 000 м, d=377 мм и =25 мм);
- ѕ удельное сопротивление грунта по трассе трубопровода (;
- ѕ вид и толщина изоляционного покрытия (полиэтилен экстродированный, толщина 2,5 мм), а также переходное сопротивление «труба-земля» для этого покрытия (;
- ѕ вид, форма и материал электрода анодного заземления — вертикальный стальной.
2.1 Электрические параметры трубопровода
2.1.1 Электрические параметры трубопровода объединяют в себе вышеупомянутые первичные и вторичные параметры.
2.1.2 Продольное сопротивление трубопровода находим по формуле:
p T — удельное электрическое сопротивление металла трубопровода, pT =0,098 Ом•мм2 /м;
Д Т — наружный диаметр трубопровода, мм;
д Т — толщина стенки трубопровода, мм.
2.1.3 Постоянная распространения тока вдоль трубопровода, характеризующая протяженность зоны катодной защиты:
Приближенно длина катодной защиты обратно пропорциональна постоянной распространения тока.
2.1.4 Входное сопротивление трубопровода в точке дренажа при одинаковых электрических параметрах левого и правого плеча защищаемого трубопровода:
2.2 Основные параметры установки катодной защиты
2.2.1 При проектировании УКЗ основными параметрами являются сила защитного тока и протяженность защитной зоны. В нашем упрощенном случае протяженность защитной зоны равна заданной длине трубопровода.
2.2.2 Минимальная наложенная разность потенциалов «труба-земля»:
1,22 — (- 0,67) = 0,55 В где U max — максимальный защитный потенциал, В;
U n — усредненное значение естественного потенциала «труба-земля», В;
При новом изоляционном покрытии U n принимается равным -0,67 В по отношению к неполяризующемуся медно-сульфатному электроду (МСЭ) сравнения, а величина Umax составляет -1,22 В по МСЭ.
2.2.3 Максимально допустимую наложенную разность потенциалов «труба — земля»:
1,52 — (- 0,67) = 0,95 В При изоляционном покрытии, имеющем частичное сооружение, усредненная величина естественного потенциала принимается -0,57 В по МСЭ, а максимальный защитный потенциал составляет -1,52 В по МСЭ [8, «https:// «].
2.2.4. Кратчайшее расстояние от трубопровода до анодного заземления:
где К В — коэффициент, учитывающий взаимодействие соседних катодных установок КВ = 1;
р з — удельное сопротивление земли в поле токов катодной установки, Ом•м;
- L — протяженность плеча защиты (в нашем случае равна половине длины трубопровода), м.
2.2.5 Силу тока в цепи катодной установки в начальный расчетный период эксплуатации:
2.2.6 Силу тока в цепи катодной установки в конечный расчетный период эксплуатации:
За конечный период обычно принимают амортизационный срок катодной станции, равный 10 годам. За это время переходное сопротивление «труба — земля» обычно значительно снижается и требуемая УКЗ возрастает.
2.3 Параметры анодного заземления
2.3.1 Анодное заземление характеризуется сопротивлением растеканию, стабильностью этого сопротивления в течении года, длительностью срока службы, стоимостью сооружения заземления и его срока службы. Для уменьшения непроизводительных потерь электроэнергии на заземлении необходимо максимально уменьшить сопротивление растеканию. Сопротивление, оказываемое землей, зависит от ее удельного сопротивления и от характера распределения тока в ней. В свою очередь характер распределения тока, стекающего с заземлителей, определяется их размером и формой, а также месторасположением, по отношению к земной поверхности.
2.3.2 Сопротивление растеканию электрода, расположенного вертикально:
где, р 3 — удельное электрическое сопротивление грунта, Ом•м;
l э — длина электрода, принимаем равной 5 м;
d э — диаметр электрода, м, принимаем 0,1 м;
H э — глубина установки электрода (расстояние от уровня земли до уровня электрода), принимаем 1,5 м.
2.3.3 Число электродов в заземлении при заданном расстоянии между ними:
где — I к — сила тока катодной установки в конце расчетного периода, А;
R 3 — сопротивление растеканию одиночного электрода, Ом;
С э — сопротивление 1кВт/ч электроэнергии, принимаем равной 0,25 грн/кВт;
С а — стоимость одного электрода, принимаем равной 900 грн.;
- КПД катодной установки (0,7 — 0,8);
э — коэффициент экранирования электродов (0,7);
м — коэффициент использования электродов (0,8 — 0,9).
2.3.4 Общее сопротивление растеканию анодного заземления состоящего из N параллельно включенных отдельных электродов:
R 3 = F•(RГ /N)=0,91•(8,43/1)=7,67 Ом где F — коэффициент сопротивления для группы электродов:
2.3.5 Срок службы анодного заземления определяется по формуле:
где, m 3 — масса металла заземления;
К н — коэффициент неравномерности растворения заземления, равный 1,1 — 1,3;
g з — потеря массы материала заземления вследствие анодного растворения (электрохимический эквивалент), кг/А•год (для стальных электродов без активатора равна 10 кг/А•год);
I 3.ср -среднее значение тока, стекающее с заземления,
2.4 Параметры дренажной электроники
2.4.1 Дренажные провода соединяют катодную станцию с защищаемым трубопроводом и анодным заземлением. В зависимости от местных условий, дренажные электролинии может быть выполненными подземными или воздушными: допустимая длительная токовая нагрузка для голых медных проводов марки М4 (вне помещений) — 50; наименьшее сечение проводов, допустимое по механической прочности для воздушной линии на напряжение до 1000 В при расстоянии между опорами до 25 м — 6 мм 2 .
2. Для определения потерь напряжения и мощности в дренажной электролинии, которые естественно стремиться усилить, нужно знать электрическое сопротивление дренажных проводов:
- где р — удельное электрическое сопротивление материала проводника, Ом•м/м;
l ПР — длина дренажной электролинии (для упрощения принимаем lПР =У), м;
- r — сопротивление проводника, равное 0,019 Ом/м.
катодная защита трубопровод
2.5 Параметры катодной станции
2.5.1 Мощность катодной станции и напряжение на входе определяют для начального и конечного периода. За конечный период принимаем амортизационный срок службы катодной станции, равный 10 годам.
2.5.2 Напряжение на выходе катодной станции в начальный период эксплуатации:
2.5.3 Напряжение на выходе катодной станции в конечный период эксплуатации:
2.5.4 Мощность на выходе катодной станции в начальный период эксплуатации:
2.5.5 Мощность на выходе катодной станции в конечный период эксплуатации:
2.5.6 На основе электрических параметров на выходе катодной станции определяем условную величину катодной станции — 2, с максимальной силой защитного тока 2,5 — 3,5 А, верхний предел регулируемого напряжения = 48 В.
Наибольшее распространение получили сетевые катодные станции с выпрямителями. При отсутствии электросети применяют катодные станции с теплоэлектрогенераторами или генераторами, работающими на топливе, отбираемом из трубопровода.
Катодные станции работают в основном «на земле» (без постоянного обслуживания) с периодической профилактикой. Разработаны автоматические катодные станции, следящие за колебаниями потенциала на подземном трубопроводе и постоянно поддерживающие заданный результирующий потенциал трубопровода относительно окружающей среды. В качестве регулирующих элементов в автоматических катодных станциях используют магнитные усилители, выходной каскад которых служит переменным сопротивлением в цепи катодной станции.
3. ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ КУРСОВОЙ РАБОТЫ
Схема катодной защиты подземного трубопровода и диаграмма распределения разности потенциалов «труба-земля»
1-трубопровод;
2-катодная станция;
3-дренажная электролиния;
4-анодные заземления.
