Защита наружных газопроводов от электрохимической коррозии

     
ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ ОТ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ  КОРРОЗИИ      

 
      
     Защищая внутреннюю поверхность  металлического трубопровода в период его восстановления (санации), внешняя  поверхность трубы остается подверженной электрохимической коррозии. Данное обстоятельство вызывает необходимость  решения вопросов восстановления и  защиты трубопроводов комплексно, т.е. с учетом всех возможных обстоятельств  и ожидаемых последствий. 
      
     Различают следующие виды коррозии внешней поверхности подземных металлических трубопроводов: 
      
     почвенная коррозия - наблюдается в коррозионно-активных почвах и грунтах; 
      
     биокоррозия - возникает под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов; 
      
     коррозия блуждающими токами - возникает при наличии и воздействии на трубопровод блуждающих токов. 
      
     Основным способом противокоррозионной защиты комплекса подземных инженерных коммуникаций города является изоляция трубопроводов в сочетании с защитой от электрохимической коррозии. 
      
     В соответствии с требованиями нормативных документов электрохимической защите подлежат все магистральные трубопроводы, а также городские подземные сооружения, расположенные в зоне опасного воздействия блуждающих токов и повышенной коррозионной активности грунтов. 
      
     В арсенале методов электрохимической защиты трубопроводов ведущее место занимает защита трубопроводов от коррозии блуждающими токами. 
      
     Основными источниками блуждающих токов в городских условиях являются токи электрифицированного рельсового транспорта, работающего на постоянном токе (трамвай, метрополитен, электрифицированные железные дороги). Несовершенная изоляция рельсов от земляного дорожного полотна вызывает утечку тока в землю. Часть блуждающего тока протекает по подземным трубопроводам, удельное сопротивление которых значительно ниже удельного сопротивления окружающего их грунта. Так как рельсы не полностью изолированы от земли, то часть тягового тока стекает с них в землю. Величина стекающего тока обратно пропорциональна переходному сопротивлению между рельсами и грунтом и прямо пропорциональна продольному сопротивлению рельсов. 
      
     При неблагоприятных условиях, способствующих утечке тока в землю, величина блуждающего тока может достигать 70-80% от общей величины тягового тока. Блуждающие токи, протекая в земле и встречая на своем пути подземные металлические сооружения, ответвляются в них, так как сопротивление последних значительно меньше сопротивления грунта. В местах входа блуждающих токов в трубопровод и выхода из него в грунт протекают электрохимические реакции. Участок, где блуждающие токи входят в подземный трубопровод, является катодным, а участок, где они выходят в грунт, - анодным. В анодных зонах подземных сооружений происходит интенсивное разрушение металла, характерным признаком которого является язвенный характер повреждений: сначала появляются каверны, а впоследствии сквозные отверстия (свищи). 
          

Критерием коррозионной опасности  трубопроводов, вызываемой блуждающими  токами, является наличие положительной  или знакопеременной разности потенциалов  между трубопроводом и грунтом (анодные или знакопеременные  зоны). 
      
     Защита подземных стальных трубопроводов от почвенной коррозии и коррозии, вызываемой блуждающими токами, регламентирована нормативными документами. Согласно последним должна осуществляться наружная изоляция трубопровода и ограничение проникновения блуждающих токов в трубопроводы из окружающей среды путем катодной поляризации металла трубопровода. 
      
     На сегодняшний день в отечественной и зарубежной практике электрохимической защиты трубопроводов применяются три вида активной защиты подземных металлических сооружений от коррозии: протекторы, электродренажи (поляризованные или усиленные) и станции катодной защиты. 
      
     Протекторы используются для защиты небольших подземных металлических емкостей или участков трубопроводов, а дренажи - при пересечении или сближении трубопроводов с электрифицированными рельсами железной дороги или трамвая при условии преобладания отрицательных потенциалов на последних. 
      
     Наиболее эффективным методом электрохимической защиты трубопроводов систем водоснабжения является их защита путем устройства станций катодной защиты (СКЗ). 
      
     Катодная поляризация подземных трубопроводов с помощью СКЗ осуществляется постоянным током от внешнего источника. Основными компонентами являются выпрямители (катодные станции) и анодные заземлители, служащие для соединения положительного полюса катодной станции с землей. К защищаемому участку трубопровода подключают отрицательный полюс источника тока, а к анодному заземлению - положительный. К одной станции катодной защиты может быть подключено несколько защищаемых сооружений. При необходимости защитная установка может иметь несколько анодных заземлений. В качестве источников постоянного тока на СКЗ коммунальных систем водоснабжения городов РФ применяются серийно выпускаемые отечественной промышленностью преобразователи с неавтоматическим и автоматическим управлением режимом работы. 
      
     Анализ практики эксплуатации СКЗ показывает, что наиболее эффективны станции, оборудованные устройством для стабилизации заданной разности потенциалов между защищаемым сооружением и землей. В настоящее время в качестве выпрямителей используются отечественные преобразователи типа "ПСК" и "ОПС" Гайского завода "Преобразователь", "ПТА" Рязанского завода и "В-ОПЕ" Ставропольского завода "Сигнал", которые соответствуют уровню мировых стандартов и характеризуются высоким КПД и надежностью в эксплуатации. 
          

За рубежом в настоящее  время производятся и эксплуатируются  высокочастотные катодные станции, характерными особенностями которых  являются высокий КПД и небольшая  масса. Необходимо отметить, что благодаря  высокому качеству изоляции и материала  трубопроводов в странах Западной Европы не выпускаются катодные станции  большой мощности (3 кВт и более), которые характерны для защиты от коррозии отечественных трубопроводов  больших диаметров. 
      
     При строительстве СКЗ около 70% затрат приходится на анодное заземление, которое является одним из важнейших элементов станций. От правильного его выбора и расположения относительно защищаемого сооружения зависят эффективность и надежность катодной защиты. 
      
     Конструкция заземления должна обеспечивать как необходимое сопротивление растеканию тока и его стабильность, так и долговечность заземления. Расчетный срок службы анодных заземлителей должен составлять не менее 10 лет. Основными материалами для изготовления электродов анодного заземления в нашей стране являются стальной лом, стальные трубы, уголки, магнетит, чугун с высоким содержанием кремния и хрома, графит и некоторые другие материалы. 
      
     Для крупных городов, имеющих разветвленную сеть подземных коммуникаций, применяются глубинные заземления, занимающие в плане минимальную площадь и обеспечивающие наиболее благоприятное расположение тока на защищаемых сооружениях. Наиболее распространенными анодными заземлениями на сегодняшний день в РФ являются глубинные заземлители из стальных труб диаметром 273 мм с центральным электродом из угловой стали 100x100x16 в коксовой обсыпке. Такие заземлители эффективны в работе только при тщательном техническом контроле за монтажом заземлителя со стороны эксплуатационной организации. 
      
     Анодные заземлители могут также изготавливаться из чугунных труб марки ЧВ диаметром 150 мм. Однако они недостаточно надежны в эксплуатации и преждевременно разрушаются в местах с высоким уровнем грунтовых вод и низким удельным сопротивлением грунта. 
      
     В целях повышения эффективности электрохимической защиты трубопроводов целесообразно применение распределенных заземлений, каждое из которых приближено к участку непосредственной коррозионной опасности на трубопроводе. 
      
     С 1990 г. в России успешно применяется новый вид электродов анодного заземления - электроды из электропроводной резины типа ЭР-1, ЭР-2, ЭР-5, которые выпускаются предприятием "Антикор-Анод" г.Пенза. По данным испытаний, выполненных в АКХ им. К.Д.Памфилова, протяженные гибкие аноды типа ЭР-2 позволяют реализовать принципиально новую технологию катодной защиты за счет создания электрического поля тока защиты, которое замыкается практически полностью только между анодом и защищаемым сооружением. Такая технология исключает опасность вредного влияния анодов на соседние объекты, предотвращает утечку блуждающих токов с СКЗ и повышает их КПД за счет более равномерного распределения тока вдоль защищаемых сооружений. 
          

Экономически целесообразно  использовать протяженные гибкие аноды  типа "Анодофлекс", которые прокладываются в одной траншее с защищаемым трубопроводом одновременно с его строительством. Основным элементом данного изделия является центральный медный провод, покрытый токопроводящим полимером. Уникальная конструкция позволяет защитному току воздействовать вдоль анодного кабеля на длине до 4 км. При этом пропускается необходимое его количество через токопроводящий полимер к защищаемым металлическим сооружениям. Данная конструкция помогает избежать трудоемкой операции по ручной засыпке кокса и упрощает прокладку в полевых условиях. 
      
     Кроме катодной защиты трубопроводов от электрохимической коррозии, в настоящее время в практике электрохимической защиты подземных металлических трубопроводов используют их электросекционирование с помощью электроизолирующих фланцев (ИФ), которые значительно увеличивают продольное сопротивление трубопроводов. 
      
     Разрез электроизолирующего фланцевого соединения для водопроводных труб показан на рис.1. 
      
     

     
Рис.1. Электроизолирующее фланцевое  соединение для водопроводных труб:     

 
1 - диэлектрическая прокладка; 2 - противокоррозионное покрытие      

 
      
     Установкой ИФ достигается электроизоляция трубопроводов от подземных сооружений с низким качеством защитных покрытий, различного рода сосредоточенных заземлений в зданиях и сооружениях. Однако не во всех случаях установка ИФ на подземных трубопроводах дает положительный эффект, поскольку на одной из сторон фланца может возникать анодная зона, т.е. с одного из участков трубы ток может стекать в землю, разрушая трубу. Анодная зона может возникнуть и на внутренней поверхности трубы, причем плотность тока и характер распределения потенциалов и токов в этой зоне определяются главным образом сопротивлением слоя воды в зоне установки, изолирующей прокладки на фланцевом соединении. Электросопротивление изолирующего фланцевого соединения на трубопроводах, транспортирующих воду, зависит от внутреннего диаметра трубопровода, длины (толщины) изолирующей прокладки и удельного сопротивления транспортируемой воды. При увеличении диаметра трубопровода сопротивление ИФ резко падает. Может наблюдаться и падение напряжения на фланцевом соединении (до 10 В и более), обусловленное полем блуждающих токов или воздействием на трубопроводах средств электрохимической защиты. Поэтому при отсутствии защитных покрытий на внутренней поверхности трубопроводов возможны значительные утечки тока с анодного участка фланцевого соединения. 
      
     Внутренняя поверхность участков трубопроводов, примыкающих к ИФ, должна быть надежно изолирована защитным покрытием на расстоянии до 100 мм. При этом необходимо отметить, что качественное выполнение изоляции трубы на участке установки фланца на сегодняшний день проблематично. Поэтому вместо защитного покрытия целесообразно использовать электрохимическую защиту трубопровода на участке установки ИФ. 
      
     При проектировании электрохимической защиты учитывают исходные материалы: 
      
     техническое задание на проектирование; 
      
     геоподоснову с нанесенными подземными коммуникациями; 
      
     сведения по потенциальному состоянию подземных газопроводов и коррозионной активности грунтов; 
      
     эксплуатационные данные по техническому состоянию подземных трубопроводов и их изоляции; 
      
     сведения по имеющимся источникам блуждающих токов (местоположение и потенциальное состояние относительно земли), а также сведения о наличии действующих средств защиты от коррозии и их состоянии. 
      
     При выборе метода защиты трубопроводов от электрохимической коррозии и определении первоочередных объектов защиты прежде всего выявляется степень опасности коррозии. Это требует выполнения большого количества разнообразных электроизмерительных работ на всех стадиях осуществления защиты сооружений от коррозии. 
      
     Согласно существующим нормативным документам коррозионные измерения должны выполняться одновременно с проектированием и эксплуатацией трубопроводов, а также при проектировании, строительстве, наладке и эксплуатации средств электрохимической защиты. 
      
     Конструктивные и эксплуатационные особенности водоводов и водопроводных сетей системы водоснабжения обусловливают определенную специфику коррозионных измерений на трубопроводах. Цель измерений - определение участков трасс, проходящих в коррозионно активных грунтах и в поле блуждающих токов, а также получение данных для проектирования электрохимической защиты. В отечественной практике электрозащиты наиболее эффективно измерение удельного сопротивления грунта с помощью специальных измерительных приборов М-416, ЭП-1М, МС-08 и некоторых других. 
      
     Для измерения разности потенциалов между подземными сооружением и грунтом используют вольтметры с внутренним сопротивлением не менее 20 кОм на 1 В (типа М-231, Н-399 и др.). 
      
     Особое значение для повышения эффективности электрозащиты имеет диагностика технического состояния трубопроводов и их коррозионное обследование, а также использование современных теле- и коммуникационных средств для контроля и управления эксплуатацией системы электрозащиты трубопроводов. 
      
     Диагностика подземных трубопроводов производится в процессе профилактического ремонта, который включает техническое обследование трасс трубопроводов с помощью высокочувствительных приборов-течеискателей, обнаруживающих повреждения труб и изоляции. Диагностика включает также анализ эксплуатационных сведений по техническому состоянию подземных трубопроводов за прошедшие годы (повреждение тела трубы и ее изоляционных покрытий), уровень и эффективность защиты трубы от коррозии. Как правило, обследование подземных трубопроводов заключается в осмотре трубы и ее изоляционных покрытий в местах вскрытий трубопровода, отборе проб грунта с последующим определением степени коррозионной активности в местах повреждений, периодических измерений потенциалов блуждающих токов. 
      
     Практика эксплуатации систем электрохимической защиты показывает, что наибольшая интенсивность отказов работы устройств СКЗ наблюдается в результате вывода из строя отдельных узлов и деталей преобразователей катодной защиты, а также повреждений питающих кабелей и анодных заземлителей [19, 20]. Отказом в работе следует считать любое нарушение режима работы СКЗ, приводящее к снижению потенциалов трубопровода в зоне защиты ниже уровня минимального защитного потенциала. При этом критерием защищенности стальных подземных сооружений является поляризационный потенциал, допустимые (минимальные и максимальные) значения которого регламентированы ГОСТ 9.015-74. 
      
     Контроль эффективности электрохимической защиты, осуществляемый путем измерения потенциалов в заданной проектом зоне защиты трубопроводов, согласно требованиям "Инструкции по защите городских подземных трубопроводов от электрохимической коррозии" должен производиться не реже двух раз в год. 
      
     Для трубопроводов Московского водопровода проблема их защиты от электрохимической коррозии является весьма актуальной, что связано со спецификой их устройства и эксплуатации. Значительная часть трубопроводов городской водопроводной сети г.Москвы уложена в промышленных зонах, вблизи железных дорог, трамвайных путей, линий метрополитена, т.е. находится в зоне действия блуждающих токов, вызывающих интенсивный процесс электрохимической коррозии. В свою очередь грунтовые условия прокладки трубопроводов во многих районах города характеризуются высокой коррозионной активностью грунтов. В МГП "Мосводоканал" для защиты трубопроводов от электрохимической коррозии в основном используют защиту с помощью СКЗ. 
      
     Для эффективного управления эксплуатацией системы электрозащиты трубопроводов внедрена автоматизированная система оперативного контроля электрозащиты "АИТО-Антикор", позволяющая: 
      
     получать и анализировать информацию по эксплуатационным параметрам участков трубопроводов и станций катодной защиты; 
      
     проводить оценку и анализ надежности трубопроводов как находящихся в зоне действия СКЗ, так и планируемых к устройству электрозащиты; 
      
     осуществлять подконтрольную эксплуатацию и оценку эффективности работы СКЗ с анализом причины возникновения аварий трубопроводов. 
      
     Отмеченная в начале настоящего раздела необходимость в установке средств электрохимической защиты металлических трубопроводов требует разработки и внедрения современных методов их бестраншейного монтажа на защищаемых участках сети. 
      
     Ряд европейских фирм, среди которых Mercol Producted Limited и Severn Trent Water Limited (Великобритания), объединяют в одном технологическом процессе катодную защиту трубопроводов с микроразработкой грунта. В частности, в 1994 г. фирма Mercol Producted Limited разработала комбинированную систему катодной защиты Retrocat, в основе которой лежит бестраншейный метод разработки скважин и установки анодного устройства. 
      
     Система Retrocat включает следующий порядок операций на стройплощадке: 
      
     обнаружение трубопровода и границ (длин) его отдельных секций; 
      
     удаление грунта посредством бурения компактных круглых скважин диаметром 400 мм в асфальте на глубину до 600 мм с удалением грунта в виде цилиндра (извлечению подлежит любой грунт, включая железобетонные включения); 
      
     микроразработка грунта устройством Retrovac (вакуумный экскаватор с системой гидроразмыва) до места расположения трубопровода (извлеченный грунт собирается в бункере транспортного средства); 
      
     обнажение наружной поверхности трубопровода с ее зачисткой для подготовки к твердой пайке с помощью дистанционного устройства; 
      
     установка анода согласно проектным данным с последующей засыпкой скважины. 
      
     С помощью системы Retrocat бригада из 6 человек может установить до 50 анодов в сутки на участке в 250 м. Система относительно дешева и применялась в Великобритании для защиты водопроводных труб диаметром 75-1200 мм от коррозии на участках суммарной длиной свыше 100 км. 
      
     Система Retrocat также успешно прошла испытания в Швеции (г.Тронхейм), где климатические условия таковы, что трубы прокладываются на глубине 2 м. Система использовалась для катодной защиты трубопроводов из ковкого железа диаметром 250 мм и из чугуна диаметром 225 мм, проложенных в 1957-1968 гг. Предварительные исследования проб грунта показали, что они содержат глину, насыщенную морской солью, способствующей быстрому процессу коррозии (скорость коррозии в таких грунтах составляет порядка 0,3-1,3 мм/год). Относительно большая глубина прокладки трубопроводов вызвала необходимость адаптации установки Retrovac для соответствующих условий. В результате была увеличена мощность вакуумной системы и расширены возможности дистанционного устройства пайки. В данной сложной геологической ситуации бестраншейная технология Retrocat позволила устанавливать 6-8 анодов в сутки. 
     

Общие подходы  к разработке стратегии восстановления городских водопроводных сетей  и выбора приоритетного объекта  восстановления      

 
     Практика эксплуатации городских  водопроводных сетей как в РФ, так и за рубежом показывает, что нарушения нормального уровня водообеспечения различных потребителей связаны в основном с авариями (отказами) на участках трубопроводов, которые являются наиболее функционально значимыми и уязвимыми элементами системы водоснабжения города. 
      
     Отказы трубопроводов возникают из-за ряда причин: 
      
     неправильного выбора материала труб для конкретных условий строительства, класса их прочности, отвечающего фактическим внешним и внутренним нагрузкам, воздействующим на трубопровод; 
      
     несоблюдения технологии производства работ по укладке и монтажу трубопроводов; 
      
     отсутствия необходимых мер по их защите от агрессивного воздействия внешней и внутренней среды; 
      
     неправильного выбора типа трубопроводной арматуры и других факторов. 
      
     Существовавшая долгие годы в бывшем СССР практика строительства инженерных коммуникаций была основана на нормативной базе, основным принципом которой было требование минимизации капитальных затрат и стоимости строительно-монтажных работ. При этом не учитывались требования надежности по применяемым материалам, условиям эксплуатации трубопроводов и организационно-технические возможности эксплуатационных организаций. По этим причинам большинство трубопроводов городских водопроводных сетей в РФ проложено из стальных труб, изготовленных из наиболее дешевых марок сталей, к которым следует отнести кипящую углеродную сталь обыкновенного качества. 
      
     В качестве примера приведем некоторые цифровые данные. Так, до 1990 г. в стране потреблялось ежегодно до 24 млн. т стальных труб, что соответствовало уровню потребления таких стран, как США, Великобритания, Германия, Франция, Япония и Италия вместе взятые. Примерно половина огромного числа стальных труб использовалась для замены вышедших из строя тех же стальных труб. 
      
     Практически декретированный выбор марки стали труб без учета специфики условий работы систем водоснабжения, а также отсутствие необходимой защиты внутренней и внешней поверхности труб от коррозии привели к снижению их срока службы по сравнению с нормативными и повышению интенсивности отказов. Это и привело к современному неудовлетворительному состоянию инженерных коммуникаций в большинстве крупных городов РФ. В этой связи очевидно, что необходимость ремонта городских водопроводных сетей в РФ в ближайшем будущем приведет к значительным затратам, величину которых необходимо прогнозировать. 
      
     В условиях проведения в последние годы в РФ ряда реформ материальные ресурсы на реновацию сети оцениваются как крайне ограниченные. В данной ситуации очевидна актуальность проблемы выявления приоритетов в выборе участков трубопроводов из весьма значительного количества труб с истекшим сроком службы для ежегодного их восстановления или замены. Для этого эксплуатирующему сети предприятию необходимо руководствоваться обоснованной для данного региона долговременной стратегией восстановления (санации) и обновления трубопроводов, а не следовать политике "пожарных команд" и "латания дыр".