М. Иванов, к. х. н.

Коррозия металлов, особенно железа и нелегированной стали, наносит большой вред аппаратам и трубопроводам, эксплуатируемым в условиях контакта с водой и воздухом. Это приводит к снижению сроков службы оборудования и дополнительно создает условия для загрязнения воды продуктами коррозии.

Подписаться на статьи можно на

Как известно, коррозия является электрохимическим процессом, при котором происходит окисление металла, то есть отдача его атомами электронов. Этот процесс осуществляется в микроскопической части поверхности, называемой анодной областью. Он приводит к нарушению целостности металла, атомы которого вступают в химические реакции, особенно активно - в присутствии кислорода воздуха и влаги.

Поскольку металлы хорошо проводят электрический ток, высвобожденные электроны свободно перетекают в другую микроскопическую область, где в присутствии воды и кислорода происходят восстановительные реакции. Такую область называют катодной.

Протеканию электрохимической коррозии можно противодействовать, произведя за счет приложения напряжения от внешнего источника постоянного тока сдвиг электродного потенциала металла до значений, при которых процесс коррозии не происходит.

На основе этого построены системы катодной защиты подземных трубопроводов, резервуаров и других металлических сооружений. В случае приложения к защищаемому металлу электрического потенциала на всей поверхности металлической конструкции устанавливаются такие значения потенциала, при которых могут протекать только восстановительные катодные процессы: например, катионы металла будут принимать электроны и превращаться в ионы более низкой степени окисления или нейтральные атомы.

Технически метод катодной защиты металлов осуществляется следующим образом (рис. 1 ). К защищаемой металлической конструкции, например стальному трубопроводу, подводится провод, который соединяют с отрицательным полюсом катодной станции, в результате этого трубопровод становится катодом. На некотором расстоянии от металлической конструкции в грунте располагается электрод, который с помощью провода соединяется с положительным полюсом и становится анодом. Разность потенциалов между катодом и анодом создают таким образом, чтобы полностью исключить протекание окислительных процессов на защищаемой конструкции. В этом случае через влажную почву между катодом и анодом в толще грунта будут протекать слабые токи. Для эффективной защиты требуется размещение нескольких анодных электродов по всей длине трубопровода. Если удается снизить разность потенциалов защищаемой конструкции и грунта до 0,85-1,2 В, то скорость протекания коррозии трубопровода уменьшается до существенно малых значений.

Итак, система катодной защиты включает в себя источник постоянного электрического тока, контрольно-измерительный пункт и анодное заземление. Обычно станция катодной защиты состоит из трансформатора переменного тока и диодного выпрямителя. Как правило, ее питание осуществляется от сети напряжением 220 В; существуют также станции, питаемые от линий высокого (6-10 кВ) напряжения.

Для эффективной работы катодной станции создаваемая ею разность потенциалов катода и анода должна быть не менее 0,75 В. В некоторых случаях для успешной защиты достаточно порядка 0,3 В. В то же время в качестве технических параметров станций катодной защиты используются величины номинальных значений выходного тока и выходного напряжения. Так, обычно номинальное выходное напряжение станций составляет от 20 до 48 В. При большом расстоянии между анодом и защищаемым объектом требуемое значение выходного напряжения станции достигает 200 В.

В качестве анодов применяют вспомогательные инертные электроды. Анодные заземлители, например модели АЗМ-3Х производства ЗАО «Катодъ» (пос. Развилка, Московская обл.), представляют собой отливки из коррозионно-стойкого сплава, снабженные специальным проводом с медной жилой в усиленной изоляции, а также герметизированной муфтой для присоединения к магистральному кабелю станции катодной защиты. Рациональнее всего использовать заземлители в средах высокой и средней коррозийной активности при удельном сопротивлении грунта до 100 Ом.м. Для оптимального распределения напряженности поля и плотности тока по корпусу оборудования вокруг анодов располагают специальные экраны в виде засыпки из угля или кокса.

Для оценки эффективности работы станции катодной защиты необходима система, которая состоит из измерительного электрода и электрода сравнения и является основной частью контрольно-измерительного пункта. На основании показаний данных электродов производится регулирование разности потенциалов катодной защиты.

Измерительные электроды изготавливают из высоколегированной стали, кремнистого чугуна, платинированной латуни или бронзы, а также меди. Электроды сравнения - хлорсеребряные или сульфатно-медные. По своему конструктивному исполнению электроды сравнения могут быть погружными или выносными. Состав раствора, используемого в них, должен быть близким к составу среды, от вредного воздействия которой требуется защитить оборудование.

Можно отметить биметаллические электроды сравнения длительного действия типа ЭДБ, разработанные ВНИИГАЗом (Москва). Они предназначены для измерения разности потенциалов между подземным металлическим объектом (включая трубопровод) и землей для управления станцией катодной защиты в автоматическом режиме в условиях большой нагрузки и на значительной глубине, то есть там, где другие электроды не могут обеспечить постоянное поддержание заданного потенциала.

Оборудования для катодной защиты поставляется, в основном, отечественными производителями. Так, упомянутое ЗАО «Катодъ» предлагает станцию «Минерва-3000» (рис. 2 ), предназначенную для защиты магистральных водопроводных сетей. Ее номинальная выходную мощность - 3,0 кВт, выходное напряжение - 96 В, сила тока защиты - 30 А. Точность поддержания защитного потенциала и величины тока соответственно составляет 1 и 2 %. Величина пульсации - не более 1 %.

Другой российский производитель - ОАО «Энергомера» (Ставрополь) - поставляет модули марок МКЗ-М12, ПНКЗ-ППЧ-М10 и ПН-ОПЕ-М11, обеспечивающие эффективную катодную защиту подземных металлических сооружений в зонах высокой коррозионной опасности. Модуль МКЗ-М12 имеет номинальный ток 15 или 20 А; номинальное выходное напряжение - 24 В. Для моделей МКЗ-М12-15-24-У2 выходное напряжение составляет 30 В. Точность поддержания защитного потенциала достигает ±0,5 %, заданного тока ±1 %. Технический ресурс - 100 тыс. ч, а срок службы - не менее 20 лет.

ООО «Электронные технологии» (Тверь) предлагает станции катодной защиты «Тверца» (рис. 3 ), комплектуемые встроенным микропроцессором и телемеханической системой дистанционного управления. Контрольно-измерительные пункты оборудованы неполяризующимися электродами сравнения длительного действия с датчиками электрохимического потенциала, обеспечивающими измерение поляризационных потенциалов на трубопроводе. В состав этих станций включены также регулируемый источник катодного тока и блок датчиков электрических параметров цепи, который через контроллер соединен с устройством дистанционного доступа. Трансформатор данной станции выполнен на основе ферритовых сердечников типа Epcos. Используется также система управления преобразователем напряжения на основе микросхемы типа UCC 2808A.

Компания «Курс-ОП» (Москва) выпускает станции катодной защиты «Элкон», напряжение на выходе которых изменяется в диапазоне от 30 до 96 В, а выходной ток - в диапазоне от 20 до 60 А. Пульсации выходного напряжения - не более 2 %. Эти станции предназначены для защиты от почвенной коррозии однониточных, а с применением блока совместной защиты и многониточных трубопроводов в зонах отсутствия блуждающих токов в условиях умеренного климата (от -45 до +40 °С). В состав станций входят однофазный силовой трансформатор, преобразователь со ступенчатым регулированием выходного напряжения, высоковольтная аппаратура, двухполюсный разъединитель с ручным приводом и ограничители перенапряжений.

Можно также отметить установки катодной защиты серии НГК-ИПКЗ производства ООО «НПФ «Нефтегазкомплекс ЭХЗ» (Саратов), максимальный ток на выходе из которых составляет 20 или 100 А, а номинальное выходное напряжение - 48 В.

Один из поставщиков станций катодной защиты из стран СНГ - фирма «Гофман Электрик Технолоджис» (Харьков, Украина), предлагающая оборудование для электрохимической защиты от почвенной коррозии магистральных трубопроводов.

При укладке в траншею изолированного трубопровода и его последующей засыпке изоляционное покрытие может быть повреждено, а в процессе эксплуатации трубопровода оно постепенно стареет (теряет свои диэлектрические свойства, водоустойчивость, адгезию). Поэтому при всех способах прокладки, кроме надземной, трубопроводы подлежат комплексной защите от коррозии защитными покрытиями и средствами электрохимической защиты (ЭХЗ) независимо от коррозионной активности грунта.

К средствам ЭХЗ относятся катодная, протекторная и электродренажная защиты.

Защита от почвенной коррозии осуществляется катодной поляризацией трубопроводов. Если катодная поляризация производится с помощью внешнего источника постоянного тока, то такая защита называется катодной, если же поляризация осуществляется присоединением защищаемого трубопровода к металлу, имеющему более отрицательный потенциал, то такая защита называется протекторной.

Катодная защита

Принципиальная схема катодной защиты показана на рисунке.

Источником постоянного тока является станция катодной защиты 3, где с помощью выпрямителей переменный ток от вдольтрассовой ЛЭП 1, поступающий через трансформаторный пункт 2, преобразуется в постоянный.

Отрицательным полюсом источник с помощью соединительного провода 4 подключен к защищаемому трубопроводу 6, а положительным — к анодному заземлению 5. При включении источника тока электрическая цепь замыкается через почвенный электролит.

Принципиальная схема катодной защиты

1 — ЛЭП; 2 — трансформаторный пункт; 3 — станция катодной защиты; 4 — соединительный провод; 5 — анодное заземление; 6 — трубопровод

Принцип действия катодной защиты следующий. 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 в глубь 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.

Подземные коммуникации нефтебаз защищают катодными установками с различными типами анодных заземлений. Необходимая сила защитного тока катодной установки определяется по формуле

J др =j 3 ·F 3 ·K 0

где j 3 — необходимая величина защитной плотности тока; F 3 — суммарная поверхность контакта подземных сооружений с грунтом; К 0 — коэффициент оголенности коммуникаций, величина которого определяется в зависимости от переходного сопротивления изоляционного покрытия R nep и удельного электросопротивления грунта р г по графику, приведенному на рисунке ниже.

Необходимая величина защитной плотности тока выбирается в зависимости от характеристики грунтов площадки нефтебазы в соответствии с таблицей ниже.

Протекторная защита

Принцип действия протекторной защиты аналогичен работе гальванического элемента.

Два электрода: трубопровод 1 и протектор 2, изготовленный из более электроотрицательного металла, чем сталь, опущены в почвенный электролит и соединены проводом 3. Так как материал протектора является более электроотрицательным, то под действием разности потенциалов происходит направленное движение электронов от протектора к трубопроводу по проводнику 3. Одновременно ион-атомы материала протектора переходят в раствор, что приводит к его разрушению. Сила тока при этом контролируется с помощью контрольно-измерительной колонки 4.

Зависимость коэффициентов оголенности подземных трубопроводов от переходного сопротивления изоляционного покрытия для грунтов удельным сопротивлением, Ом-м

1 — 100; 2 — 50; 3 — 30; 4 — 10; 5 — 5

Зависимость защитной плотности тока от характеристики грунтов

Принципиальная схема протекторной защиты

1 — трубопровод; 2 — протектор; 3 — соединительный провод; 4 — контрольно-измерительная колонка

Таким образом, разрушение металла все равно имеет место. Но не трубопровода, а протектора.

Теоретически для защиты стальных сооружений от коррозии могут быть использованы все металлы, расположенные в электрохимическом ряду напряжений левее железа, так как они более электроотрицательны. Практически же протекторы изготавливаются только из материалов, удовлетворяющих следующим требованиям:

разность потенциалов материала протектора и железа (стали) должна быть как можно больше;
ток, получаемый при электрохимическом растворении единицы массы протектора (токоотдача), должен быть максимальным;
отношение массы протектора, израсходованной на создание защитного тока, к общей потере массы протектора (коэффициент использования) должно быть наибольшим.

Данным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют сплавы на основе магния, цинка и алюминия.

Протекторную защиту осуществляют сосредоточенными и протяженными протекторами. В первом случае удельное электросопротивление грунта должно быть не более 50 Ом-м, во втором — не более 500 Ом·м.

Электродренажная защита трубопроводов

Метод защиты трубопроводов от разрушения блуждающими токами, предусматривающий их отвод (дренаж) с защищаемого сооружения на сооружение — источник блуждающих токов либо специальное заземление, называется электродренажной защитой.

Применяют прямой, поляризованный и усиленный дренажи.

Принципиальные схемы электродренажной защиты

а — прямой дренаж; б —поляризованный дренаж; в — усиленный дренаж

Прямой электрический дренаж — это дренажное устройство двусторонней проводимости. Схема прямого электрического дренажа включает: реостат К, рубильник К, плавкий предохранитель Пр и сигнальное реле С. Сила тока в цепи «трубопровод — рельс* регулируется реостатом. Если величина тока превысит допустимую величину, то плавкий предохранитель сгорит, ток потечет по обмотке реле, при включении которого включается звуковой или световой сигнал.

Прямой электрический дренаж применяется в тех случаях, когда потенциал трубопровода постоянно выше потенциала рельсовой сети, куда отводятся блуждающие токи. В противном случае дренаж превратится в канал для натекания блуждающих токов на трубопровод.

Поляризованный электрический дренаж — это дренажное устройство, обладающее односторонней проводимостью. От прямого дренажа поляризованный отличается наличием элемента односторонней проводимости (вентильный элемент) ВЭ. При поляризованном дренаже ток протекает только от трубопровода к рельсу, что исключает натекание блуждающих токов на трубопровод по дренажному проводу.

Усиленный дренаж применяется в тех случаях, когда нужно не только отводить блуждающие токи с трубопровода, но и обеспечить на нем необходимую величину защитного потенциала. Усиленный дренаж представляет собой обычную катодную станцию, подключенную отрицательным полюсом к защищаемому сооружению, а положительным — не к анодному заземлению, а к рельсам электрифицированного транспорта.

За счет такой схемы подключения обеспечивается: вопервых, поляризованный дренаж (за счет работы вентильных элементов в схеме СКЗ), а во-вторых, катодная станция удерживает необходимый защитный потенциал трубопровода.

После ввода трубопровода в эксплуатацию производится регулировка параметров работы системы их защиты от коррозии. При необходимости с учетом фактического положения дел могут вводиться в эксплуатацию дополнительные станции катодной и дренажной защиты, а также протекторные установки.

СКЗ – основные сведения.

Станция катодной защиты (СКЗ) – это комплекс сооружений, предназначенных для катодной поляризации газопровода внешним током.

Основными конструктивными элементами СКЗ (рис. 12.4.1.) являются:

Ø источник постоянного (выпрямленного) тока (катодная станция) 5 ;

Ø анодное заземление 2 , зарываемое в землю на некотором расстоянии от трубопровода 1 ;

Ø соединительные электролинии 3 , соединяющие положительный полюс источника тока с анодным заземлением, а отрицательный полюс - с трубопроводом;

Ø катодный вывод газопровода 8 и точка дренажа 7 ;

Ø защитное заземление 4 .

Рисунок – 12.4.1. - Принципиально-конструктивная схема СКЗ

Потенциал трубопровода под действием входящего тока становится более электроотрицательным, оголенные участки газопровода (в местах повреждения изоляции) катодно заполяризовываются и в зависимости от величины установившегося потенциала становится полностью или частично защищенными от коррозии. Одновременно на анодном заземлении под действием стекающего тока происходит процесс анодной поляризации, сопровождающийся постепенным разрушением анодного заземления.

Источники постоянного тока СКЗ разделяются на две группы. К первой группе относятся сетевые преобразующие устройства - выпрямители, питаемые от линий электропередачи (ЛЭП) переменного тока промышленной частоты 50 Гц номинальным напряжением от 0,23 до 10 кВ. Ко второй группе относятся автономные источники – генераторы постоянного тока и электрохимические элементы, которые вырабатывают электроэнергию непосредственно на трассе газопровода вблизи места, где необходимо установить СКЗ (ветроэлектрогенераторы, электрогенераторы с приводом от газовых турбинок, от двигателя внутреннего сгорания, термоэлектрогенераторы, аккумуляторы).

На магистральных газопроводах широкое распространение получили сетевые катодные станции с выпрямителями однофазного переменного тока напряжением 127/220 В, частотой 50 Гц. При наличии линий электропередачи переменного тока с номинальным напряжением 0,23; 0,4; 6 и 10 кВ применение таких станций целесообразно и экономически оправдано. При питании от ЛЭП 6 или 10 кВ выпрямительную установку подключают к питающей линии через понижающий трансформатор.

Рисунок – 12.4.2. – Упрощенная принципиальная схема типового неавтоматического источника питания СКЗ

На рис.12.4.2. приведена упрощенная типовая схема сетевой катодной станции с выпрямителем. Сеть переменного тока подключается к клеммам 1 и 2 . Учет потребляемой электроэнергии осуществляется электросчетчиком 3 . Автомат 4 служит для включения установки, а предохранители 5 обеспечивают защиту от токов короткого замыкания и перегрузок со стороны переменного тока. Понижающий трансформатор 6 питает выпрямитель 7 , собранный из отдельных выпрямительных элементов по двухполупериодной мостовой схеме выпрямления или по двухполупериодной однофазной схеме выпрямления с нулевым выводом. Защита от короткого замыкания и перегрузки со стороны цепи выпрямленного тока обеспечивается предохранителем 9 . Режим работы установки контролируют при помощи амперметра 10 и вольтметра 12 . Соединительный кабель от трубопровода 11 подключается к клемме «-», а от анодного заземления - к клемме «+». Все элементы установки смонтированы в металлическом шкафу, запираемом на замок.

Для обеспечения безопасных условий эксплуатации все металлические части конструкции станции заземляются защитным заземлением 8 .

Выпрямительные установки имеют устройства для регулирования напряжения или силы тока. В большинстве установок применяют ступенчатое регулирование напряжения путем переключения отдельных секций обмоток трансформатора. На некоторых типах выпрямителей напряжение регулируется плавно при помощи автотрансформатора или магнитных шунтов в обмотках трансформатора. Применяют также симисторное регулирование напряжения в первичной обмотке и тиристорное – во вторичной.

При катодной защите газопроводов, находящихся в зоне действия блуждающих токов, режим работы неавтоматических выпрямителей переменного тока обычно выбирается с учетом среднего значения разности потенциала «труба – земля», которое определяется по данным измерений за определенный промежуток времени (обычно среднесуточное значение) и не исключает выбросов потенциала в анодную или катодную область. Для подавления анодных выбросов выпрямитель необходимо настраивать на режим перезащиты. Глубокая катодная поляризация приводит к перерасходу электроэнергии, отслаиванию и растрескиванию изоляционного покрытия, наводораживанию поверхности металла (за счет интенсивного выделения на катоде водорода). Такой характер изменения потенциалов газопроводов приводит к необходимости создания автоматических станций катодной защиты, которые должны поддерживать потенциал в защитном диапазоне при минимальном расходе электроэнергии и максимальном использовании защитных свойств блуждающих токов. СКЗ состоят из устройств для установки заданного значения разности потенциалов (задающих устройств), устройств для измерения фактической разности потенциалов (измерительных устройств со стационарными электродами сравнения), усилителей мощности, исполнительных органов, изменяющих силу тока в цепи СКЗ.

Станции катодной защиты (СКЗ) являются необходимым элементом системы электрохимической (или катодной) защиты (ЭХЗ) подземных трубопроводов от коррозии. При выборе СКЗ исходят чаще всего из наименьшей стоимости, удобства обслуживания и квалификации своего обслуживающего персонала. Качество приобретаемого оборудования оценить обычно трудно. Авторы предлагают рассмотреть указанные в паспортах технические параметры СКЗ, которые определяют, насколько качественно будет выполняться основная задача катодной защиты.

Авторы не преследовали цель выражаться строго научным языком в определении понятий. В процессе общения с персоналом служб ЭХЗ мы поняли, что необходимо этим людям помочь систематизировать термины и, что еще более важно, дать им представление, что же происходит и в электросети, и в самой СКЗ.

Задача ЭХЗ

Катодная защита осуществляется при протекании электрического тока от СКЗ по замкнутой электрической цепи, образованной тремя включенными последовательно сопротивлениями:

· сопротивление грунта между трубопроводом и анодом; I сопротивление растекания анода;

· сопротивление изоляции трубопровода.

Сопротивление грунта между трубой и анодом может меняться в широких пределах в зависимости от состава и внешних условий.

Анод является важной частью системы ЭХЗ, и служит тем расходным элементом, растворение которого обеспечивает саму возможность реализации ЭХЗ. Сопротивление его в процессе эксплуатации стабильно растет вследствие растворения, уменьшения эффективной площади рабочей поверхности и образования окислов.

Рассмотрим сам металлический трубопровод, который и является защищаемым элементом ЭХЗ. Металлическая труба снаружи покрыта изоляцией, в которой в процессе эксплуатации образуются трещины от воздействия механических вибраций, сезонных и суточных температурных перепадов и т.д. Через образовавшиеся трещины в гидро- и теплоизоляции трубопровода проникает влага и возникает контакт металла трубы с грунтом, так образуется гальваническая пара, способствующая выносу металла из трубы. Чем больше трещин и их размеры, тем больше металла выносится. Таким образом происходит гальваническая коррозия, в которой течет ток ионов металла, т.е. электрический ток.

Раз течет ток, то возникла замечательная идея взять внешний источник тока и включить его на встречу этому самому току, из-за которого происходит вынос металла и коррозия. Но возникает вопрос: какой величины этот самый рукотворный ток давать? Вроде бы такой, чтобы плюс на минус давал ноль тока выноса металла. А как измерить этот самый ток? Анализ показал, что напряжение между металлической трубой и грунтом, т.е. по обе стороны изоляции, должно находиться в пределах от -0,5 до -3,5 В (это напряжение называется защитным потенциалом).

Задача СКЗ

Задачей СКЗ является не только обеспечивать в цепи ЭХЗ ток, но и поддерживать его таким, чтобы защитный потенциал не выходил за принятые рамки.

Так, если изоляция новая, и она не успела получить повреждений, то ее сопротивление электрическому току высокое и нужен небольшой ток для поддержания нужного потенциала. При старении изоляции ее сопротивление падает. Следовательно, требуемый компенсирующий ток от СКЗ возрастает. Еще больше он возрастет, если в изоляции появились трещины. Станция должна уметь измерять защитный потенциал и менять свой выходной ток соответствующим образом. И ничего более, с точки зрения задачи ЭХЗ, не требуется.

Режимы работы СКЗ

Режимов работы ЭХЗ может быть четыре:

· без стабилизации выходных значений тока или напряжения;

· I стабилизации выходного напряжения;

· стабилизации выходного тока;

· I стабилизации защитного потенциала.

Скажем сразу, что в принятом диапазоне изменений всех влияющих факторов полностью обеспечивается выполнение задачи ЭХЗ только при использовании четвертого режима. Что и принято как стандарт для режима работы СКЗ.

Датчик потенциала выдает станции информацию об уровне потенциала. Станция изменяет свой ток в нужную сторону. Проблемы начинаются с момента, когда надо ставить это самый датчик потенциала. Ставить его нужно в определенном расчетном месте, нужно копать траншею для соединительного кабеля между станцией и датчиком. Тот, кто прокладывал какие-либо коммуникации в городе, знает, какая это морока. Плюс к этому датчик требует периодического обслуживания.

В условиях, когда возникают проблемы с режимом работы с обратной связью по потенциалу, поступают следующим образом. При использовании третьего режима принимают, что состояние изоляции в краткосрочном плане меняется мало и ее сопротивление остается практически стабильным. Следовательно, достаточно обеспечить протекание стабильного тока через стабильное сопротивление изоляции, и получаем стабильный защитный потенциал. В среднесрочном и долговременном плане необходимые корректировки может производить специально обученный обходчик. Первый и второй режимы не предъявляют к СКЗ высоких требований. Эти станции получаются простыми по исполнению и как следствие дешевыми, как в изготовлении, так и в эксплуатации. Видимо это обстоятельство и обуславливает применение таких СКЗ в ЭХЗ объектов, находящихся в условиях невысокой коррозионной активности среды. В случае если внешние условия (состояние изоляции, температура, влажность, блуждающие токи) изменяются до пределов, когда на защищаемом объекте образуется недопустимый режим - эти станции не могут выполнять свою задачу. Для корректировки их режима необходимо частое присутствие обслуживающего персонала, иначе задача ЭХЗ выполняется частично.

Характеристики СКЗ

В первую очередь, СКЗ необходимо выбирать исходя из требований, изложенных в нормативных документах. И, наверное, самым главным в этом случае будет ГОСТ Р 51164-98. В приложении «И» этого документа говорится, что КПД станции должен быть не ниже 70%. Уровень индустриальных помех, создаваемых СКЗ, должен быть не выше значений, указанных ГОСТ 16842, а уровень гармоник на выходе соответствовать ГОСТ 9.602.

В паспорте СКЗ обычно указываются: I номинальная выходная мощность;

КПД при номинальной выходной мощности.

Номинальная выходная мощность - мощность, которую может отдавать станция, при номинальной нагрузке. Обычно эта нагрузка составляет 1 Ом. КПД определяется как отношение номинальной выходной мощности к активной мощности, потребляемой станцией в номинальной режиме. И в этом режиме КПД самый высокий для любой станции. Однако большинство СКЗ работают далеко не в номинальном режиме. Коэффициент загрузки по мощности колеблется от 0,3 до 1,0. В этом случае реальный КПД для большинства выпускаемых сегодня станций будет заметно падать при снижении выходной мощности. Особенно это заметно для трансформаторных СКЗ с применением тиристоров в качестве регулирующего элемента. Для бестрансформаторных (высокочастотных) СКЗ падение КПД при уменьшении выходной мощности существенно меньше.

Общий вид изменения КПД для СКЗ разного исполнения можно видеть на рисунке.

Из рис. видно, что если вы используете станцию, к примеру, с номинальным КПД равным 70%, то будьте готовы к тому, что еще 30% полученной из сети электроэнергии вы истратили бесполезно. И это в самом лучшем случае номинальной выходной мощности.

При выходной мощности на уровне 0,7 от номинальной вы должны быть готовы уже к тому, что ваши потери электроэнергии сравняются с полезно затраченной энергией. Где же теряется столько энергии:

· омические (тепловые) потери в обмотках трансформаторов, дросселей и в активных элементах схемы;

· затраты энергии для работы схемы управления станцией;

· потери энергии в виде радиоизлучения; потери энергии пульсаций выходного тока станции на нагрузке.

Эта энергия излучается в грунт от анода и не производит полезной работы. Поэтому так необходимо использовать станции с низким коэффициентом пульсаций, иначе бесполезно тратится недешевая энергия. Мало, того, что при больших уровнях пульсаций и радиоизлучения растут потери электроэнергии, но кроме этого эта бесполезно рассеянная энергия создает помехи для нормальной работы большого количества электронной аппаратуры, расположенной в окрестностях. В паспорте СКЗ указывается также необходимая полная мощность, попробуем разобраться с этим параметром. СКЗ забирает из электросети энергию и делает это в каждую единицу времени с такой интенсивностью, какой мы позволили ей это делать ручкой регулировки на панели управления станции. Естественно, что из сети можно брать энергию с мощностью, не превышающей мощность этой самой сети. И если напряжение в сети меняется синусоидально, то и наша возможность брать энергию из сети меняется синусоидально 50 раз в секунду. К примеру, в момент времени, когда напряжение сети переходит через ноль, из нее нельзя взять никакой мощности. Однако же, когда синусоида напряжения достигает своего максимума, то в этот момент наша возможность забирать из сети энергию максимальна. В любой другой момент времени эта возможность меньше. Таким образом, получается, что в любой момент времени мощность сети отличается от ее мощности в соседний момент времени. Эти значения мощности называются мгновенной мощностью в данный момент времени и таким понятием трудно оперировать. Поэтому договорились о понятии так называемой действующей мощности, которая определяется из воображаемого процесса, в котором сеть с синусоидальным изменением напряжения заменяется на сеть с постоянным напряжением. Когда подсчитали величину этого постоянного напряжения для наших электросетей, то получилось 220 В - ее назвали действующим напряжением. А максимальное значение синусоиды напряжения назвали амплитудным напряжением, и равно оно 320 В. По аналогии с напряжением ввели понятие действующего значения тока. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока называют полной потребляемой мощностью, и ее значение указывают в паспорте СКЗ.

А используется полная мощность в самой СКЗ не полностью, т.к. в ней имеются различные реактивные элементы, которые не тратят энергию, а используют ее как бы для создания условий, чтобы остальная энергия прошла в нагрузку, а затем возвращают эту настроечную энергию обратно в сеть. Эту возвращаемую обратно энергию назвали реактивной энергией. Энергию, которая передается в нагрузку, - активной энергией. Параметр, который указывает отношение между активной энергией, которая должна быть передана в нагрузку, и полной энергией, подводимой к СКЗ, называется коэффициентом мощности и указывается в паспорте станции. И если мы согласуем свои возможности с возможностями питающей сети, т.е. синхронно с синусоидальным изменением напряжения сети отбираем из нее мощность, то такой случай называется идеальным и коэффициент мощности СКЗ, работающей с сетью таким способом, будет равен единице.

Активную энергию станция должна как можно эффективнее передать для создания защитного потенциала. Эффективность, с которой СКЗ это делает, и оценивается коэффициентом полезного действия. Сколько она тратит энергии, зависит от способа передачи энергии и от режима работы. Не вдаваясь в это обширное поле для обсуждения, скажем только, что трансформаторные и трансформаторнотиристорные СКЗ достигли своего предела совершенствования. У них нет ресурсов для улучшения качества своей работы. Будущее за высокочастотными СКЗ, которые с каждым годом становятся надежней и проще в обслуживании. По экономичности и качеству своей работы они уже превосходят своих предшественников и имеют большой резерв для совершенствования.

Потребительские свойства

К потребительским свойствам такого устройства как СКЗ можно отнести следующее:

1. Размеры, вес и прочность. Наверно, не нужно говорить, что чем меньше и легче станция, тем меньше затрат на ее транспортировку и установку как при монтаже, так и при ремонте.

2. Ремонтопригодность. Очень важна возможность быстрой замены станции или узла на месте. С последующим ремонтом в лаборатории, т.е. модульный принцип построения СКЗ.

3. Удобство в обслуживании. Удобство в обслуживании, кроме удобства транспортировки и ремонта, определяется, по нашему мнению, следующим:

наличие всех необходимых индикаторов и измерительных приборов, наличие возможности дистанционного управления и слежения за режимом работы СКЗ.

Исходя из вышесказанного можно сделать несколько выводов-рекомендаций:

1. Трансформаторные и тиристорно-трансформаторные станции безнадежно устарели по всем параметрам и не отвечают современным требованиям, особенно в области энергосбережения.

2. Современная станция должна иметь:

· высокий КПД во всем диапазоне нагрузок;

· коэффициент мощности (cos I) не ниже 0,75 во всем диапазоне нагрузок;

· коэффициент пульсаций выходного напряжения не более 2%;

· диапазон регулирования по току и напряжению от 0 до 100%;

· легкий, прочный и малогабаритный корпус;

· модульный принцип построения, т.е. иметь высокую ремонтопригодность;

· I энергоэкономичность.

Остальные требования к станциям катодной защиты газопровода , такие как защита от перегрузок и коротких замыканий; автоматическое поддержание заданного тока нагрузки - и прочие требования, являются общепринятыми и обязательными для всех СКЗ.

В заключении предлагаем потребителям таблицу сравнения параметров основных выпускаемых и применяемых сейчас станций катодной защиты. Для удобства в таблице представлены станции одинаковой мощности, хотя многие производители могут предложить целую гамму выпускаемых станций.

Пассивная защита подземных газопроводов изолиру-ющими покрытиями дополняется электрической защитой. Задачи электрической защиты следующие.

Отвод блуждающих электрических токов с защищаемого газо-провода и организованный возврат их к электрическим установкам и сетям постоянного тока, являющимся источником этих токов.
Подавление протекающих по газопроводу токов в местах их вы-хода в землю (анодные зоны) токами от внешнего источника, а также токов, возникающих за счет почвенной электрохимической коррозии, созданием гальванической цепи и защитного электрического потен-циала на трубах газопровода.
Предотвращение распространения электрических токов по газопроводам путем секционирования последних изолирующими фланцами.

Задача отвода блуждающих токов может быть решена путем создания:

дополнительных заземлений для отвода токов в землю. Недо-статок — возможность вредного влияния на соседние трубопроводы токов, стекающих с защищаемого газопровода;
простой или прямой дренажной защиты, т.е. электрического соединения защищаемого газопровода с рельсами трамвая или элек-трической железной дороги с целью возврата через них токов к их источнику. Простой дренаж имеет двустороннюю проводимость, т.е. может пропускать ток туда и обратно, и поэтому применяется в устойчивых анодных зонах. Недостатком этой защиты является не-обходимость выключения дренажа, если изменилась полярность тока или если потенциал на газопроводе стал меньшим, чем на рельсах;
поляризованной дренажной защиты, т.е. дренажа с односто-ронней проводимостью, исключающей обратное течение тока от рельсов к защищаемому газопроводу;
усиленной дренажной защиты, т.е. такой защиты, в цепь кото-рой для повышения эффективности включен внешний источник тока. Таким образом, усиленный дренаж — это объединение поля-ризованного дренажа с катодной защитой.

Задача подавления токов, протекающих по защищаемому газо-проводу, может быть решена с помощью:

Катодной защиты внешним током (электрозащита), т.е. при-соединением защищаемого газопровода к внешнему источнику тока — к его отрицательному полюсу в качестве катода. Положитель-ный полюс источника тока присоединяется к заземлению — аноду. Создается замкнутая цепь, в которой ток течет от анода через землю к защищаемому газопроводу и далее к отрицательному полюсу внешнего источника тока. При этом происходит постепенное разрушение анодных зазем-лений, но обеспечивается защита газопровода за счет его катодной поляризации и предотвращения стекания токов с труб в землю. В ка-честве внешнего источника могут применяться станции катодной защиты(СКЗ);
Протекторной защиты, т.е. защиты путем использования в электрической цепи протекторов из металлов, обладающих в кор-розионной среде более отрицательным потенциалом, чем металл трубопровода. Электрический ток возникает в системе протекторной защиты, так же как в гальваническом элементе, причем электроли-том служит грунт, содержащий влагу, а электродами являются газопровод и металл протектора. Возникающий защитный ток подавля-ет токи электрохимической коррозии и обеспечивает создание за-щитного электрического потенциала на газопроводе.

Принципиальная схема катодной защиты подземного газопровода

1 — анодное заземление; 2,4 — дренажные кабели; 3 — внешний источник электри-ческого тока; 5 — точка при-соединения дренажного кабеля; 6 — защищаемый газопровод

Принципиальная схема протекторной защиты подземного газопровода

1 — защищаемый газопровод; 2 — изолированные кабели; 3 — контрольный вывод; 4 — протектор; 5 — заполнитель для протектора

Задача электрического секционирования трубопроводов решается установкой изолирующих фланцев с паронитовыми или текстолито-выми прокладками, текстолитовыми втулками и шайбами. Пример конструкции изолирующих фланцев представлен на рисунке ниже.

Устройство изолирующих фланцев

1— изолирующая текстолитовая или паронитовая втулка; 2— изолирующая шайба из текстолита, резины или хлорвинила; 3 — стальная шайба; 4 — свинцовые шайбы; 5— текстолитовое кольцо-прокладка

Основными факторами, характеризующими степень коррозион-ного воздействия на подземные стальные газопроводы, являются:

величина и направление блуждающих токов в грунте;
величина и полярность потенциала газопровода относительно других металлических подземных коммуникаций и рельсов электри-фицированного транспорта;
направление и сила токов, протекающих по газопроводу;
состояние противокоррозионной защиты газопроводов;
величина удельного электрического сопротивления фунта.

Все эти факторы подлежат периодическому контролю.

Периодичность элекфических измерений такова:

в районах установок электрозащиты газопроводов и других за-щищаемых сооружений, а также около тяговых подстанций и депо элекфотранспорта, вблизи рельсов фамвая и элекфифицированных железных дорог и в местах пересечений газопроводов с ними — не реже одного раза в 3 месяца, а также при изменениях режимов уста-новок электрозащиты, защищаемых сооружений или источников блуждающих токов;
в неопасных с точки зрения электрозащиты участках — не реже одного раза в год в летнее время, а также при всяких изменениях ус-ловий, могущих вызвать электрокоррозию.

Для протекторной защиты применяют протекторы из цветных металлов — обычно магния, цинка, алюминия и их сплавов.

Контроль работы электрозащитных установок и измерение по-тенциалов на контактах производятся (не реже): на дренажных уста-новках — 4 раза в месяц; на катодных установках — 2 раза в месяц; на протекторных установках — 1 раз в месяц.