Протекторная защита металлов от коррозии — особенности

Протекторная защита от коррозии металлических изделий

Протекторная защита — это один из возможных вариантов защиты конструкционных материалов трубопроводов от коррозии. Применяется, прежде всего, на газопроводах и других магистралях.

Сущность протекторной защиты

Протекторная защита представляет собой использование специального вещества — ингибитора, который является металлом с повышенными электроотрицательными качествами.

Под воздействием воздуха протектор растворяется, в результате чего основной металл сохраняется, несмотря на воздействие коррозийных факторов.

Протекторная защита — одна из разновидностей катодного электрохимического метода.

Данный вариант антикоррозийных покрытий особенно часто применяется, когда предприятие стеснено в своих возможностях по организации катодной защиты от коррозийных процессов электрохимического характера. Например, если финансовые или технологические возможности предприятия не позволяют построить линии электропередач.

Протектор-ингибитор эффективен, когда показатель переходного сопротивления между защищаемым объектом, и средой вокруг него, не является значительной.

Высокая результативность протектора возможна лишь на определенной дистанции. Чтобы выявить это расстояние, применяется определение радиуса антикоррозийного действия применяемого протектора.

Данное понятие показывает максимальное удаление защищающего металла от охраняемой поверхности.

Суть коррозийных процессов сводится к тому, что наименее активный метал в период взаимодействия, привлекает к собственным ионам электроны более активного металла. Таким образом, в одно и то же время осуществляется сразу два процесса:

• восстановительные процессы в металле с меньшей активностью (в катоде);
• окислительные процессы металла анода с минимальной активностью, за счет чего и обеспечивается защита трубопровода (или другой стальной конструкции) от коррозии.

Спустя некоторое время эффективность протектора падает (в связи с потерей контакта с защищаемым металлом или же из-за растворения защищающего компонента). По этой причине возникает потребность в замене протектора.

О защите трубопроводов

По мере эксплуатации металлические трубы изнутри и снаружи подвергаются воздействию коррозии. Налет появляется вследствие того, что по трубам текут агрессивные вещества, которые вступают в реакцию с материалами. На внутреннее состояние металлических изделий влияет высокий уровень влажности почвы. Если не будет продумана качественная защита строительных конструкций от коррозии, произойдет следующее:

• трубопровод начнет разрушаться изнутри;
• потребуется чаще проводить профилактические осмотры магистралей;
• потребуется более частый ремонт, что скажется на дополнительных тратах;
• потребуется полностью или частично остановить нефтеперерабатывающий или иной другой промышленный комплекс.

Существует несколько способов защиты трубопроводов – пассивные, активные. Также как средство защиты может выступать снижение агрессивности среды. Чтобы защита была комплексной, учитывается тип трубопровода, способ его монтажа и взаимодействие с окружающей средой.

3 Совместное применение лакокрасочных составов и протекторов

Нередко защита нефте- либо газопровода, той или иной конструкции из металла от коррозионных проявлений выполняется комбинацией протекторной и лакокрасочной защиты. Последняя по своей сути причисляется к пассивному методу предохранения от коррозии. По-настоящему высоких результатов она не обеспечивает, но зато позволяет в сочетании с протектором:

• нивелировать возможные изъяны покрытия трубопроводов и металлических конструкций, которые возникают по естественным причинам (отслаивание металла, его вспучивание, набухание, появление трещин и так далее), а также при их использовании (нет такого газопровода или танкера, покрытие которого в процессе эксплуатации не претерпевает определенных изменений);
• снизить (иногда весьма существенно) расход достаточно дорогостоящих протекторных материалов, повысив при этом их эксплуатационный срок;
• обеспечить распределение по металлической поверхности трубопроводов защитного тока максимально однородно (равномерно).

Добавим, что лакокрасочные слои во многих случаях довольно-таки сложно нанести на некоторые участки уже функционирующего резервуара, газопровода или водного судна. Тогда лучше, конечно же, не усложнять процесс и применять исключительно протекторы.

Особенности катодной защиты трубопроводов

Коррозия – основная причина разгерметизации всех типов трубопроводов. Из-за повреждения металла ржавчиной на нем образуются разрывы, каверны и трещины, приводящие к разрушению стальной конструкции. Данная проблема особенно критична для подземных трубопроводов, которые постоянно пребывают в постоянном контакте с грунтовыми водами.

Катодная защита газопроводов от коррозии выполняется одним из вышеуказанных способов (посредством внешнего выпрямителя либо гальваническим методом). Технология в, данном случае, позволяет уменьшить скорость окисления и растворения металла, из которого изготовлен трубопровод, что достигается за счет смещения его естественного коррозийного потенциала в отрицательную сторону.

Посредством практический испытаний было выяснено, что потенциал катодной поляризации металлов, при котором замедляются все коррозийные процессы, равен -0.85 В, тогда как у подземных трубопроводов в естественном режиме он составляет -0.55 В.

Чтобы противокоррозионная защита было эффективной, необходимо посредством постоянного тока снизить катодный потенциал металла, из которого изготовлен трубопровод, на -0.3 В. В таком случае скорость корродирования стали не превышает 10 микрометров в течении года.

Схема катодной защиты трубопровода

Катодная защита – наиболее эффективный метод защиты подземных трубопроводов от блуждающих токов. Под понятием блуждающих токов подразумевается электрический заряд, который попадает в землю в результате работы точек заземления ЛЭП, громоотводов либо движения поездов по железнодорожным магистралям. Точное время и место появления блуждающих токов выяснить невозможно.

Коррозийное воздействие блуждающих токов на металл происходит в случае, если металлическая конструкция имеет позитивный потенциал относительно электролита( для подземных трубопроводов электролитом выступает грунт). Катодная защита же делает потенциал металла подземных трубопроводов отрицательным, что устраняет риск их окисления под воздействием блуждающих токов.

Технология применения внешнего источника тока для катодной защиты подземных трубопроводов предпочтительна. Ее преимущества – неограниченный энергоресурс, способный преодолевать удельное сопротивление грунта.

В качестве источника тока противокоррозионная защита используется воздушные линии электропередач мощностью 6 и 10 кВт, если же на территории ЛЭП отсутствуют, могут применяться мобильные генераторы, работающие на газу и дизтопливе.

Оборудование для катодной защиты

Для противокоррозионной защиты подземных трубопроводов применяется специальное оборудование – станции катодной защиты (СКЗ), состоящие из следующих узлов:

• заземление (анод);
• источник постоянного тока;
• пункт управления, контроля и измерений;
• соединительные кабели и провода.

Одна СКЗ, подключенная к электросети либо к автономному генератору, может выполнять катодную защиту сразу нескольких рядом расположенных магистралей подземных трубопроводов. Регулировка тока может выполняться вручную (посредством замены обмотки на трансформаторе) либо в автоматическом режиме (если система укомплектована тиристорами).

Среди станций катодной защиты, применяемых в отечественной промышленности, наиболее технологичной установкой считается Минерва-3000 (спроектированная инженерами из Франции по заказу Газпрома). Мощности данной СКЗ достаточно для эффективной защиты 30 км подземного трубопровода.

Схема станции катодной защиты

К преимуществам установки относится:

• повышенная мощность;
• функция восстановления после перегрузок (обновление происходит за 15 секунд);
• наличие систем цифрового регулирования для контроля за рабочими режимами;
• полная герметичность ответственных узлов;
• возможность подключения оборудования для удаленного контроля.

Также широко востребованными в отечественном строительстве являются установки АСКГ-ТМ, в сравнении с Минервой-3000 они имеют уменьшенную мощность (1-5 кВт), однако в стоковой комплектации система оборудована телеметрическим комплексом, который в автоматическом режиме контролирует работу СКЗ и имеет возможность дистанционного управления.

Станции катодной защиты Минерва-3000 и АСКГ-ТМ требуют питания от электросети мощностью 220 В. Удаленное управление оборудованием выполняется посредством встроенных GPRS модулей. СКЗ имеют достаточно больше габариты – 50*40*90 см. и вес – 50 кг. Минимальный срок службы устройств составляет 20 лет.

Протекторная защита трубопроводов от коррозии — принцип действия и схема

Существует две основные группы методик предотвращения разрушения (или снижения его интенсивности) металлов под воздействием внешних факторов (в первую очередь, влаги) – активная и пассивная.

К первой относится защита электрохимическая. С одним из таких способов борьбы с коррозией – протекторным (гальваническим) – читатель сможет ознакомиться в данной статье.

Принцип функционирования

Цель протекторной защиты – максимальное снижение потенциала основного материала, чем и обеспечивается предохранение его от разрушения корозией. Это осуществляется присоединением к нему специального электрода, который нередко именуется «жертвенным анодом».

Он подбирается из металла более активного по отношению к базовому. Таким образом, коррозии в первую очередь подвергается протектор, следовательно, повышается долговечность того или иного конструкционного элемента, с которым он соединяется (читайте о катодной защите).

Эффективность протекторной защиты

Считается очень высокой. При том, что эн/затраты на реализацию протекторной защиты от коррозии сравнительно небольшие. Если использование магниевого анода с соответствующими параметрами предохраняет разрушение металла трубопровода на протяжении, к примеру, порядка 7,5 км, то без него – всего лишь на 25 – 30 м.

Когда следует использовать протекторную защиту

Способов борьбы с коррозией достаточно, и выбор всегда есть. Применение «жертвенного анода» целесообразно:

• если у предприятия нет необходимых мощностей для реализации иных, более эн/затратных методик;
• при необходимости защиты малогабаритных конструкций;
• для предохранения от коррозии металлоизделий (объектов) с поверхностным покрытием (изоляцией). Те же трубопроводные магистрали.

Максимальная эффективность протекторной защиты достигается, если она используется в средах, называемых электролитическими. Например, морская вода.

Какие металлы используются в качестве протекторов

Как правило, в основном подразумевается протекторная защита изделий из железа и его сплавов (стали). По сравнению с ними более активными являются такие металлы, как цинк, хром, алюминий, кадмий, магний. Хотя это и не единственно возможные варианты.

Например, если цинковый электрод поместить в сухой грунт, то эффективность его действия будет практически нулевой. Поэтому выбор того или иного протектора определяется местными условиями.

Установки гальванической электрохимзащиты

Использование протекторных установок гальванической защиты трубопровода оправданно, если вблизи объекта отсутствует источник напряжения – ЛЭП, или участок газопровода недостаточно внушителен по размерам.

Гальваническое оборудование служит для защиты от коррозии:

Гальваническая электрохимзащита

• подземных металлических сооружений, не подсоединенных электрической цепью к внешним источникам тока;
• отдельных незащищенных частей газопроводов;
• частей газопроводов, которые изолированы от источника тока;
• строящихся трубопроводов, временно не подключенных к станциям защиты от коррозии;
• прочих подземных металлических сооружений (сваи, патроны, резервуары, опоры и др.).

Гальваническая защита сработает наилучшим образом в почвах с удельным электрическим сопротивлением, находящимся в пределах 50 Ом.

Нанесение антикоррозийного покрытия

Способ нанесения антикоррозийного покрытия зависит от выбранного материала покрытия и требует индивидуального подхода. Однако существуют единые нормы, которые применяются в любом случае:

1. Поверхность подготавливают: очищают от окалин, ржавчины, старого защитного покрытия, краски;
2. Зачищают очищенную поверхность;
3. Поверхность обезжиривают с помощью специальных составов;
4. Очищают с помощью песко- или дробеструйной машины с мелким песком;
5. Обрабатывают моющими средствами для очищения глубоких слоев изделия;
6. Промывают поверхность;
7. Высушивают поверхность перед нанесением основного защитного покрытия;
8. Каждый слой наносимого защитного покрытия тщательно высушивается.

Чаще всего применяется антикоррозийная покраска труб, так как этот материал имеет широкое распространение, демократичную цену, легок в нанесении (распыление или нанесение валиком) и долговечен.

Применяемое оборудование для антикоррозийной обработки труб

В зависимости от вида защитного покрытия, применяется специальное оборудование, например, установка электродуговой металлизации (позволяет наносить металлические покрытия), установки для плазменного напыления, установки для «холодного» цинкования стальных изделий (для лакокрасочных изделий), установки для напыления (грунтовые и лакокрасочные вещества), валик.

Пассивные и активные методы защиты

Все основные способы защиты трубопроводов от коррозии сводятся к выполнению целого ряда работ. Если говорить о пассивных методах, они выражаются в следующем:

• особом способе укладки, когда сопротивляемость к коррозии продумывается еще на стадии монтажа трубопровода. Для этого между землей и трубой оставляется воздушный зазор, благодаря которому внутрь трубопровода не попадут ни грунтовые воды, ни соли, ни щелочи;
• нанесении специальных покрытий на трубы, которые будут защищать поверхность от почвенных воздействий;
• обработке специальной химией, например, фосфатами, образующими на поверхности защитную пленку.

Схема защиты на основе активных методов предполагает использование электрического тока и электрохимических реакций ионного обмена:

• электродренажной защиты для борьбы с блуждающими токами;
• анодной защиты, которая замедляет процесс разрушения металла;
• катодной защиты, когда постоянный ток повышает сопротивляемость металлов.

О видах коррозии

Всего существует несколько разновидностей коррозии металлических труб:

• поверхностная, распространяющаяся по всей площади трубы;
• местная, расположенная на отдельных участках;
• щелевая, образовавшаяся в небольшой трещине.

Наиболее настораживает местная коррозия, так как основная масса повреждений происходит в результате ее появления. Развитие щелевой тоже распространено, но к существенным повреждениям материала она не приводит.

Процент вероятности возникновения коррозии в большую сторону отдается участкам труб, продолженных под железнодорожными переездами или под опорами линий воздушных электропередач. Скорость развития процесса коррозии колеблется от 3 до 30 мм в год.

Что такое химическая коррозия

Этот процесс возникает в неэлектропроводных средах. Ими могут оказаться газы, нефтепродукты и спиртовые соединения. При повышении температурных показателей скорость развития коррозии возрастает. Ржавчина может образовываться на цветных или черных металлах. Алюминиевые изделия под влиянием коррозионных факторов покрываются тонкой пленкой, которая после обеспечивает систему защиты и создает препятствие развитию окислительного процесса.

Сплавы могут быть восприимчивы к иному виду ржавчины, то есть присутствуют элементы, не подверженные окислению, а напротив, они восстановленные. К примеру, при повышенных температурных характеристиках и повышенном давлении восстанавливаются карбиды, но, опять же, утрачиваются нужные качества.

Об электрохимической коррозии

Утверждение о том, что электрохимическая коррозия достигается только при контактировании металлической поверхности с электролитом, ошибочно. Хватает тонкой пленки на основании материала, чтобы образовалась коррозия. Причиной этого вида ржавчины является использование поваренной или технической солей. К, примеру, если производится посыпка снега на дорогах, то страдают машины и проложенные под землей трубопроводы.

Процесс этого происхождения заключается в следующем:

• В соединениях металлических конструкций теряются отчасти атомы, осуществляется их переход в электролитический раствор, то есть происходит образование ионов. Замещают электроны атомы, они заряжают материал отрицательными зарядами, при этом накапливаются положительные заряды в электролите.
• Электрохимическую коррозию также вызывают блуждающие токи, которые при утечке из электроцепи уходят в растворы воды или в грунт, а после в саму структуру металла. Конкретными местами проявления ржавчины являются те участки, откуда в воду попадают блуждающие токи.

Статья по теме: Как предотвратить коррозию бетона и защитить материал от разрушения?

На видео: электрохимическая коррозия металлов и способы защиты.

Как создать такую защиту?

Как обеспечивать протекторную защиту

Покрытие труб посредством специальных составов является задачей не только производителя, и в процессе применения конструкции обеспечение защитных свойств тоже должно быть выполнено. Всего есть несколько методов защиты металлической поверхности от воздействия агрессивной среды:

• Обработка химического типа.
• Покрытие стенок особенными составами.
• Защита от токов блуждающего типа.
• Подведение анода или катода.

Интересно, что способ протекторной защиты трубопроводов от коррозии будет пользоваться популярностью в организации, осуществляющих установку и эксплуатирующих трубопроводный вид транспорта.

Пассивные и активные методы

Активные методы защиты предусматривают применение тока и ионный обмен на базе химических реакций, за счет чего применяется:

• Защита подземных трубопроводов от коррозии изготовлением электродренажной системы для изоляции трубопроводного транспорта от токов блуждающего типа.
• Защита анодом от разрушений поверхностей из металла.
• Катодная защита для того, чтобы увеличивать сопротивление оснований из металла.

Только с учетом всех методов, которые препятствуют образование ржавчины на металле, и будет увеличен срок эксплуатации конструкций. Антикоррозионная защита трубопровода должна быть выполнена комплексно.

Плюсы применения протекторов

Сущность протекторной защиты металлов от коррозии в том, что способ дает множество плюсов. Защита труб таким способом проводится при добавлении ингибитора. Такой материал с отрицательным электрическим зарядом. Под воздействием масс воздуха он растворится, а конструкция останется целой и не подвергнется ржавлению. Протекторная антикоррозионная защита используется, чтобы продлить срок эксплуатации строительных конструкций, отопительных систем и водоснабжения, а еще магистрального и промыслового транспорта трубопровода. Использование электрохимического типа защиты позволяет устранять причины большого количества видов коррозии. Такая антикоррозийная защита является неплохим решением даже для тех предприятий, у которых нет финансовых возможностей по обеспечению 100%-ной защиты от неконтролируемого процесса.

Для обеспечения грамотности подхода нужно:

1. Протекторы, сделанные из алюминия, применять в средах морских вод и шельфах около берега.
2. В средах с малой электропроводимостью применять магниевые протекторы. Но все же они не подойдут для обработки внутреннего покрытия резервуаров, отстойников нефти в связи с тем, что они имеют достаточно низкий уровень взрывоопасности.
3. Применять протекторы для защиты среды от сред с пресной водой.
4. Протекторы, сделанные на базе цинка, являются безопасными, и их можно использовать для взрывоопасных и пожароопасных производств.

Антикоррозионной протекторной защите можно добавить следующий ряд преимуществ:

• Недостаточно денег и производственной мощности у предприятия не будет препятствием для ее выполнения.
• Возможность защищать конструкцию малого размера.
• Если трубы покрыты материалами для тепловой изоляции, то эта защита будет приемлемой.

Общие сведения

Причины образования коррозии

Появление и разрастание коррозии трубопроводов происходит при окислении металла от постоянно влияния влажной среды. Изменяется металлический состав на ионном уровне. На такой процесс может оказывает воздействие состав жидкости, которая протекает внутри трубопровода.

Обратите внимание, что для выполнения антикоррозийной защиты, следует оценивать характеристики, которые воздействуют на поверхность металла

О разновидностях

Всего есть несколько видов коррозии труб из металла:

• Поверхностная, которая распространяется по всей площади труб.
• Местная, которая расположена на отдельных участках.
• Щелевая, которая появляется в малых трещинах.

Больше всего настораживает местная коррозия, потому что основная масса повреждений бывает именно из-за ее появления. Развитие щелевой тоже популярно, но к существенным повреждениям материала она не приведет. Вероятность появления коррозии в большую сторону отдается трубным участкам, которые продолженные под железнодорожные переезды или под опоры линий воздушных электрических передач. Скорость развития процесса колеблется от 0.3 до 3 см в год.

6 Информация об известных станциях катодной защиты

Среди популярных отечественных СКЗ можно выделить несколько установок. Очень востребованной является станция Минерва–3000 – мощная система, разработанная французскими и российскими инженерами для объектов Газпрома. Достаточно одной Минервы, чтобы надежно защитить от ржавления до 30 километров трубопроводов. Станция обладает такими основными достоинствами:

• уникальная технологичность выпуска всех ее комплектующих;
• повышенная мощность СКЗ (можно предохранять коммуникации с очень плохим защитным покрытием);
• самовосстановление (после аварийных перегрузок) режимов работы станции на протяжении 15 секунд;
• наличие высокоточного цифрового оборудования для контроля рабочих режимов и системы терморегулирования;
• наличие защитных схем от перенапряжения измерительных и входных цепей;
• отсутствие подвижных узлов и герметичность электрошкафа.

Кроме того, к Минерва–3000 можно подключать установки для удаленного контроля над работой станции и дистанционного управления ее оборудованием.

Современная СКЗ с дистанционным управлением

Отличными техническими показателями обладают и системы АСКГ-ТМ – современные телемеханизированные адаптивные станции для защиты электрокабелей, городских и магистральных трубопроводов, а также емкостей, в которых хранят газ и нефтепродукты. Такие устройства выпускаются с разными показателями (от 1 до 5 киловатт) выходной мощности. Они располагают многофункциональным телеметрическим комплексом, позволяющим выбирать конкретный рабочий режим СКЗ, мониторить и изменять параметры станции, а также обрабатывать поступающую информацию и отправлять ее оператору.

Преимущества использования АСКГ-ТМ:

• возможность встраивания в SCADA-комплексы за счет поддержки ОРС-технологии;
• резервный и главный канал связи;
• выбор значения мощности (выходной);
• повышенная отказоустойчивость;
• большой интервал рабочих температур;
• уникальная точность настройки выходных параметров;
• предохранение от напряжения силовых выходов системы.

Имеются СКЗ и других типов, сведения о которых несложно найти на специализированных сайтах в интернете.

Протекторная защита

Вид катодной защиты, в процессе которого к защищаемому объекту подсоединяют металл с более высоким электроотрицательным потенциалом. При этом разрушается не металлоконструкция, а протектор. Через определенный промежуток времени протектор корродирует и его потребуется заменить на новый.

• Эффект от протекторной защиты будет заметен только в том случае, если переходное сопротивление между протектором и окружающей средой незначительно.
• У каждого протектора есть свой радиус защитного действия – предельно возможное расстояние, на которое можно удалить протектор без утраты защитного эффекта. Протекторную защиту применяют, когда ток к объекту подвести трудно, дорого или просто невозможно.
• С помощью протекторов защищают объекты, находящиеся в нейтральных средах (море, реке, воздухе, почве и т.д.).
• Материалом для изготовления протекторов служит магний, цинк, железо, алюминий. Металлы в чистом виде не смогут стать эффективной защитой для конструкций, поэтому, изготавливая протекторы, их дополнительно легируют.

Для изготовления железных протекторов используют углеродистые стали или чистое железо.

Электрохимическая коррозия: примеры

Ее разделяют на:

Необходимые защитные действия и проблемы совместимости должны быть проверены вместе с производителем. Электрохимическая защита от коррозии, метод активной антикоррозионной защиты металлов, в котором электрооборудования, подлежащего защите, обеспечивается прямым электрическим током, который преобразует или оборудования в катод, или в анод. Если достигается необходимый потенциал защиты, ток коррозии становится меньше, чем при другом потенциале. В случае метода внешнего тока постоянный ток подается с помощью управляемого потенциалом выпрямителя.

• Атмосферную, которая возникает при наличии на поверхности металла жидкостной пленки, в которой газы, содержащиеся в атмосфере (например, О2, СО 2, SO 2), способны растворяться с образованием электролитных систем.
• Жидкостную, которая протекает в токопроводящей жидкой среде.
• Грунтовую, протекающий под влиянием грунтовых вод.

В гальваническом процессе защитный ток подается гальваническими элементами, которые образуются при катодной защиты с помощью тратятся анодов и анодной защиты локальными катодами. Катодную защиту, в которой металл имеет более отрицательный потенциал, чем металл, подлежащей защите, может быть практически применен для защиты сталей, меди, свинца и алюминия во всех почвах и водах. Чаще всего оказывается катодную защиту в подземных трубопроводах, подземных резервуарах, гидротехнических сооружениях и судах.

В защищенных энергетических системах с внешним питанием защитные аноды обычно состоят из железа, графита или легированного платиной титана. Отрицательный полюс источника питания постоянного тока должен быть подключен к защищаемому компонента. Если используемым материалом анода является цинк или магний, которые менее благородные в серии напряжений, чем, например, железо, подлежащей защите, то можно отказаться от внешнего тока, а защитный анод становится активным анодом. Если металл, подлежащей защите, анодно поляризованный внешним током, он помещается в пассивное состояние.