Системы теплоснабжения
Вызвать МАстера

Защита от коррозии трубопроводов тепловых сетей, почвенная коррозия, блуждающие токи и пр…

13.12.2017

Электрохимическая (почвенная) коррозия трубопроводов  теплоснабжения
Трубы тепловых сетей изготавливают из специальных сортов сталей, которые состоят в основном из железа с различными легирующими добавками, с помощью которых сталь приобретает требуемые для теплосетей качества. К сожалению, в процессе плавки стали в ней оказываются и добавки (назовем их примеси), которые вредны, но избавиться от них сложно и дорого. Примеси и добавки равномерно распределены в металле труб. Примеси образуют с железом трубы гальванические пары – крошечные микробатарейки.
В области отрицательного вывода этой батарейки скапливаются электроны, а в области положительного вывода положительные ионы железа.
Если в области микробатарейки на  поверхности трубы возникнет контакт с водой, содержащей отрицательно заряженные ионы растворенных веществ, то положительные ионы железа могут соединиться с ними и образуются соединения железа в виде ржавчины.
Если бы удалось изготовить  железную  трубу, не содержащую примесей и добавок, то она бы не ржавела, т.к. микробатарейки не образовывались бы. Например, в Индии в Калькутте на одной из площадей стоит столб из чистого железа. Этому столбу несколько тысяч лет и следов ржавчины на нем не наблюдается.
Электрохимическая коррозия происходит, так- же, в местах контакта металла трубы с болтами крепления, различными приваренными к трубам элементами креплений, проводов и т.п., поскольку в  месте  контакта  образуется  большое  количество микробатареек. При попадании в место контакта воды, пара, влажного грунта происходит образование ржавчины одного из металлов, находящихся в контакте. В местах сварки труб механизм коррозии такой же, т.к. при сварке используют электроды с со- ставом, отличным от состава трубы.
Вывод состоит в том, что трубы сетей теплоснабжения не должны иметь контакта с влажной средой (пар, капель), влажной землей или водой, содержа- щей растворяющиеся в ней вещества или соединения веществ. Электрохимическая  коррозия (электрокоррозия) при протекании токов утечки (блуждающих токов)
Коррозия под влиянием блуждающих токов происходит в местах контакта металла трубы с влажным грунтом, водой с примесями, а также в местах контакта с другими металлами. Как правило, блуждающие токи достигают больших значений, значительно превосходящие значение токов при естественных процессах электрохимической коррозии. Блуждающий ток, протекая в месте контакта, во много раз увеличивает скорость коррозии.
Можно принять, что механизм коррозии труб теплоснабжения для всех видов коррозии – это вынос из тела трубы ее основного элемента – железа при контакте с влажной средой. Блуждающие токи существенно ускоряют процесс коррозии. Защита от коррозии заключается в  воспрепятствовании процессам выноса железа.

Защита от коррозии
Защита от почвенной коррозии. В целях продления безаварийной службы подземного трубопровода необходимо знать места возможного затопления и организовать отвод или откачку воды.
В случаях, когда откачку или отвод грунтовых вод в местах затопления не представляется возможным, необходимо организовывать локальную активную защиты от коррозии с помощью протекторной или катодной защит. Защита от электрохимической коррозии блуждающими токами заключается в следующем.

  1. В устранении причин возникновения токов утечки и блуждающих токов.
  2. В отводе, блуждающего тока из защищаемого трубопровода в грунт или обратно в источник тока, не допуская к месту повреждения.
  3. В создания экрана на предполагаемом пути протекания тока до трубопровода.

Рис.1. Общая схема электроснабжения здания.
Схема электроснабженияИсточники токов утечки
Системы электроснабжения зданий и сооружений. Одним из источников этих токов являются системы электроснабжения жилых, административных  и  производственных  зданий.
В системах электроснабжения в зданиях используется пятипроводная и трехпроводная схемы подключения электрооборудования (рис. 1). Кроме фазного L и нулевого N рабочих проводников име- ется нулевой защитный проводник PE.
Защитный проводник подключает корпуса потребительских электроприборов,  ванн, бойлеров, насосов и пр., к общей шине защитного заземления здания. Вводы в здания труб водоснабжения, теплоснабжения и газоснабжения также подключают к общей шине защитного заземления здания.
Ошибка в подключении электрооборудования в этих схемах – подключение нулевого проводника к
клемме защитного или наоборот, приводит к неконтролируемому растеканию токов утечки по металлоконструкциям и трубопроводам систем водоснабжения и отопления зданий (рис. 2, 3).
Как следствие  неправильного включения происходит ускоренная  коррозия   мест   сварных и резьбовых соединений труб в самом здании и коррозия труб распределительных сетей водо- снабжения и теплоснабжения.
Помимо ошибок подключения существует ряд других причин возникновения токов утечки:

  • повреждение изоляции ну- левых рабочих проводников, которое может происходить либо из-за перегрева последних, либо в результате механических повреждений;
  • ухудшение состояния контактных соединений в цепях нулевых рабочих проводников;
  • повреждение изоляции электроприборов;
  • преднамеренное подключение электроприборов потребителей к фазному про- воду и к трубам водоснабжения или отопления, тем самым обходя счетчик учета электроэнергии.ПРАВИЛЬНАЯ СХЕМА

Рис.2. Правильная схема подключения электроприбора.

НЕВЕРНОЕ ПОДКЛЮЧЕНИЕ

Рис.3. Пример неверного подключения электроприбора.

В целях предотвращения возможного коррозионного повреждения трубопроводов теплоснабжения, проложенных в земле, протекающими по ним токами утечки желательно изолировать ввод в здание от подводящего трубопровода теплоснабжения изолирующей вставкой.
Если ток утечки проник в грунт, то он распространяется по случайному пути наименьшего со- противления – как бы блуждает. Поэтому его называют блуждающим.
На своем пути в грунте блуждающие токи частично заходят в металлические подземные сооружения. При   отсутствии   возможности   избежать   попадания на трубопровод блуждающих токов, решить проблему их коррозионного влияния можно путем устройства заземлений вдоль трубопровода во всех возможных местах выхода токов в грунт.
Необходимо препятствовать блуждающим токам, проникшим в подземное сооружение, выходить из него в землю через его поверхность.
Нужно, либо отводить их по изолированному проводу прямо к источнику тока (электрический дренаж), либо от- водить в землю через специальный про- межуточный электрод (анодное заземление) в виде закопанного в грунт негодного листа стали или трубы, раз- рушение которых вызовет ничтожный эксплуатационный расход.
Процесс выхода блуждающего тока из подземного сооружения должен быть контролируемым.
Промежуточные электроды применяются в случаях, когда участок подземного сооружения с анодной зоной находится на большом расстоянии от источника блуждающих токов и прокладка дренажного кабеля становится трудным и дорогим удовольствием, или источник блуждающих токов трудно определим.
Для более надежного вывода блуждающих токов из сооружения в землю между ним и промежуточным электродом включают вспомогательный источник постоянного тока (выпрямитель) с направлением ЭДС от сооружения к электроду. Такое устройство называют станцией катодной защиты (СКЗ), так как защищаемое сооружение при катодная защитаобретает отрицательный потенциал относительно земли (рис. 4).
В случаях умеренной интенсивности полей блуждающих токов катодную защиту можно осуществить простейшими устройствами – протекторами.
Протекторы представляют собой сплошной цилиндр, отлитый из магниевого сплава, с заделанным в него стальным стержнем для присоединения к нему изолированного провода от подземного сооружения.

Рис.4. Схема включения катодной станции.
ПРОТЕКТОР

Рис. 5. Схема включения протектора.
ПОТЕНЦИАЛ ЗАЩИТЫ

Рис. 6. Распределение потенциала защиты сосредоточенного анодного заземления. 1- трубопровод. 2- СКЗ. 3 – АЗ. 4 – грунт. 5 – график распределения потенциала.
При устройстве защиты от блуждающих токов задачу можно решить использованием имеющихся  контуров рабочих и защитных заземлений зданий и промышленных сооружений.

Тенденции в развитии ЭХЗ подземных сооружений
В настоящий момент, в городских условиях, преобладает, тенденция к сов- местной ЭХЗ всех подземных сооружений с применением сосредоточенных глубинных анодных заземлителей (АЗ) и мощных станций катодной защиты (СКЗ) с целью охвата максимально возможной зоны защиты.
Геометрические размеры сосредоточенных анодных заземлителей, как правило, много меньше, чем заданная зона защиты.
При этом максимальный потенциал имеет точка сооружения, наиболее близ- кая к анодному заземлению, в периферийных же точках потенциал  снижается по экспоненциальному закону (рис. 6).
В связи с этим, для обеспечения необходимого  уровня  защитных  потенциалов на концевых участках зоны защиты, смещение потенциала в пункте подключения к  трубопроводу  катодной  станции  в  2-3 раза должно превышать минимально допустимое его значение в 0,85 В для стали. Это  положение  наиболее  четко  про- слеживается при ЭХЗ теплопроводов, где зона защиты от одной установки ЭХЗ составляет всего несколько десятков метров
Выполняющий ту же роль, что и катодная станция в катодной защите (рис. 5).
При наличии в земле нескольких сооружений необходимо решать задачу защиты с учетом всех объектов,  так  как  установка  защитных  устройств
и тепловые сети оказываются наименее защищенными в связи с присущими им особенностями:

  • отсутствием на  теплопроводах  электроизоляции опорных конструкций;
  • низким качеством антикоррозионного покрытия;
  • недостаточной «долей» защитного тока от его общего значения в связи с большим количеством неучтенных точек заземлений;
  • разбросанность участков  теплопроводов.

Из этого следует, что для ЭХЗ тепловых сетей, наиболее целесообразно применение локальной защиты в границах известных опасных зон:

  • участков тепловых сетей с заносом каналов грунтом или затопленные водой;
  • участков с отсутствующей или поврежденной изоляцией;
  • участков вблизи известных источников блуждающих токов.

Оборудование ЭХЗ
Основными факторами эффективности системы ЭХЗ с помощью СКЗ, являются конструкция анодно- го заземлителя и способ его размещения.
Практика показала, что применение традиционных сосредоточенных АЗ в городских условиях во многих случаях не обеспечивает необходимую эффективность ЭХЗ на участках теплопроводов, требующих защиты, приводя, кроме того, к неоправданному увеличению затрат электроэнергии как вследствие неравномерного распределения тока защиты, так и из-за растекания тока по участкам, не требующим защиты.
Выход состоит в том, что при выборе конструкции и расположения АЗ следует учитывать локальный характер затопления или заносов каналов грунтом магистральных теплопроводов, т.е. АЗ должны быть приближены к защищаемым участкам и установлены вдоль них для обеспечения равномерного и целенаправленного распределения тока защиты, что позволит получить:

  • равномерное распределение тока защиты вдоль требующего защиты участка теплопровода;
  • снижение потребления электроэнергии на единицу длины защищаемой теплосети и возможность использования катодных станций малой мощности;
  • локализацию образования дополнительных полей блуждающих токов и вредного влияния
  • исключение необходимости в отводе земель- ной площади для установки АЗ.

Перечисленные преимущества вполне удовлетворяют требованиям защиты подземных сооружений от опасности коррозии на локальных участках.
При этом могут применяться:

  • гибкие протяженные АЗ (протекторные гальванические аноды – ПГА) кабельного или стержневого типа из материала на основе каучука с углеродосодержащи- ми наполнителями (токопроводящие эластомеры);
  • стальные трубопроводы вышедшие из употребления диаметром 100-150 мм;
  • стержневые аноды из железокремнистых сплавов.
  • ПГА являются на данный момент самым перспективным вариантом для реализации защиты от коррозии как протяженных, так и локальных зон (рис. 7).

По исполнению ПГА делятся на:

  • ПГА с центральной токоведущей жилой;
  • ПГА рукавного типа, в которых, ток протекает по тоководу выполненному в виде оплетки, что позволяет существенно увеличить допустимую плотность тока защиты, по сравнению с ПГА с централь ной токоведущей жилой.

Допустимая рабочая температура ПГА обычно достигает +60 градусов, однако для защиты сетей теплоснабжения были разработаны ПГА с допустимой рабочей температурой до 90-100 градусов Цельсия. АЗ создают в грунте защитное электрическое поле, энергия для которого поступает от выпрямителей постоянного тока особой конструкции – станций катодной защиты (СКЗ).
Конструктивное исполнение СКЗ  предполагает ее эксплуатацию в холодном, умеренно-холодном или тропическом климате.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛАРис. 7. Распределение потенциала протяженного АЗ.

Режим эксплуатации – круглосуточный, без перерывов в течение многих лет подвергаясь воздействию дождей, солнечной радиации, пыли, снега и перепадов температуры от -40 до +45 градусов Цельсия.

Необходимую мощность СКЗ, определяют при проектировании системы ЭХЗ исходя из:

  • параметров защищаемого объекта;
  • характеристик грунтов;
  • наличия других подземных металлических сооружений;
  • наличия ЭХЗ сторонних организаций;
  • схемы расположения АЗ. Различают два режима работы СКЗ.
  • Режим стабилизации защитного потенциала;
  • Режим стабилизации тока защиты; Электрическое поле, создаваемое АЗ, может непредсказуемо изменяется под влиянием множества внешних факторов. Меняются и потенциалы вблизи защищаемого оборудования.

Для поддержания значения потенциала защиты на заданном уровне в СКЗ предусматривают возможность слежения за величиной защитных потенциалов с помощью датчика, установленного в в бранной точке, рядом с защищаемым объектом.

В случаях, когда влияние внешних факторов не приводит к отклонению значений потенциалов за- щиты за рамки допустимых значений, возможно отказаться от применения датчика потенциала и использовать режим стабилизации защитного тока. Эффективность использования СКЗ потребляемой из сети электроэнергии характеризуется коэффициентом полезного действия – КПД.
Чем больше значение КПД, тем меньше бесполезных затрат электроэнергии в виде тепла в силовых элементах схемы СКЗ.
Высокий КПД способствует, при прочих равных с другими СКЗ условиях, большему сроку  службы СКЗ т.к. срок службы ее элементов сильно зависит от температуры.
Переменный ток в электрической сети пульсирует, меняя свою полярность 50 раз в секунду. Для ЭХЗ нужен однополярный ток и желательно как можно менее пульсирующий ток, который получают в СКЗ путем выпрямления переменного тока и последую- щей компенсации его пульсаций. Хотя полностью компенсировать пульсации тока не удается.
Отношение величины остаточных пульсаций к величине выходного тока СКЗ называют величиной уровня пульсаций, и характеризует качество выходного тока СКЗ.
Высокий уровень пульсаций выходного тока СКЗ приводит пульсации электрического поля, значения защитных потенциалов также пульсируют и их значения могут  отклоняться  с  частотой  пульсаций за допустимые рамки.
Пульсирующий ток при своем распространении в грунте создает помехи работе коммуникационного, медицинского и другого чувствительного к помехам оборудования.

По схемотехническому исполнению СКЗ различаются на трансформаторные, низкочастотные СКЗ и инверторные высокочастотные СКЗ.
Трансформаторные СКЗ уступают инверторным по КПД  и по  значению  минимально достижимого уровня пульсаций. Имеют в несколько раз больший вес и размеры. Однако они, в большинстве своем, надежны и просты в эксплуатации. В случаях, когда условия эксплуатации позволяют не предъявлять высоких требований к уровню пульсаций и создаваемых ими помех, использование таких СКЗ оправданно, несмотря на более низкий КПД.
Растущие требования к экономичности и допустимому уровню пульсаций и помех заставляют применять в целях ЭХЗ высокочастотные станции катодной защиты.
Непрерывный режим работы и часто в сложных условиях эксплуатации, делают задачу обеспечения высокой надежности высокочастотных СКЗ, построенных с использованием распространенных принципов, сложной задачей, а применение специальных быстрых узлов защиты от аварийных режимов не решают проблему надежности в полной мере.
Получить  высокую  надежность  высокочастотных СКЗ стало возможным при использовании схем с ограничением выходной мощности в аварийных режимах. При таком построении отпадает необходимость в применении сложных схем управления и узлов быстрых защит. Эти СКЗ совмещают в себе все достоинства высокочастотных СКЗ, надежны, просты в изготовлении и обслуживании.

Поделиться:

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомить о