Влияние потенциалов металлов на их коррозионную стойкость

Влияние потенциалов металлов на их коррозионную стойкость / Справочник / Статьи / Главная

Анодное заземление – устройство, обеспечивающее стекание защитного тока от катодного преобразователя  в землю.

Блуждающие  токи – токи в земле, возникающие вследствие работы посторонних источников постоянного или переменного тока (электрифицированный транспорт, сварочные агрегаты, устройства электрохимической защиты посторонних сооружений и пр.).

Дренажная линия – проводники, соединяющие минусовую клемму источника постоянного тока с трубопроводом (катодная дренажная линия)  и плюсовую клемму – с анодным заземлением (анодная дренажная линия).

Защитное  заземление – заземление, выполняемое в целях электробезопасности

Конец участка  нефтепровода –  удаленная точка контролируемого участка нефтепровода относительно точки дренажа поляризующего тока.

Контактное  соединение – соединение двух или более проводников.

Катодный  вывод – устройство, обеспечивающее электрический контакт металлической стенки трубопровода с измерительным прибором, расположенным на поверхности земли.

Катодная  защита – торможение коррозионного процесса посредством сдвига потенциала оголенных участков трубопровода в сторону более отрицательных значений, чем потенциал свободной коррозии этих участков.

Катодная  станция (катодный преобразователь) – источник постоянного тока или устройство, преобразующее переменный ток в постоянный и предназначенный для защиты трубопровода от коррозии.

Консольный  участок – участок нефтепровода, начало или  конец которого вварен в общую магистраль.

Контрольно-измерительный  пункт – устройство, в котором размещен катодный вывод.

Начало участка  нефтепровода –  ближний к точке дренажа поляризующего тока конец контролируемого участка нефтепровода.

Пооперационный  контроль – контроль изоляции в процессе ее нанесения и после окончания каждого цикла строительных работ.

Сопротивление заземления – сопротивление заземленного электрода (электродов), включающее в себя сопротивление растеканию токов в земле и контактное сопротивление на границе раздела электрод-грунт.

Точка дренажа – место отвода тока из трубопровода при электрохимической защите.

Электрод  сравнения – электрод, имеющий постоянный электродный потенциал в данных условиях применения.

Влияние потенциалов  металлов на их коррозионную стойкость

Равновесный потенциал

При соприкосновении металла  с электролитом происходит растворение  металла. Растворение прекращается, когда раствор становится насыщенным. Устанавливается состояние равновесия. При равновесии скорость окисления  равна скорости восстановления. В  результате перехода катионов металла  в раствор на поверхности металла  и прилегающем к ней слое раствора возникает заряд. Между этими  двумя заряженными слоями существует разность потенциалов (скачок потенциала, или просто потенциал). При наступлении  равновесия скачок потенциала примет значение, отвечающее равновесию (равновесный  потенциал). Если в силу каких-либо причин равновесный потенциал установиться не может, то металл будет либо постоянно  растворяться (окислиться), либо восстанавливаться (катионы будут оседать на поверхности и входить в состав кристаллической решетки). Такой причиной может быть внешний источник тока.

Если между двумя электродами (рис. 1) включить источник ЭДС, то потенциалы электродов немедленно изменятся. Это  сразу же нарушит равновесие, ибо  потенциалы электродов не будут равновесными. До тех пор пока будет действовать  электродвижущая сила, потенциалы обоих  электродов не смогут принять равновесного значения и, следовательно, на одном  из электродов (аноде) постоянно будет  преобладать скорость окисления  над скоростью восстановления.

Скачок потенциала на границе  электрод-раствор служит мерой окислительно-восстановительной  способности системы. Однако измерить такой скачок потенциала невозможно. Можно измерить ЭДС элементов, составленных из интересующих нас электродов и  какого-нибудь (одинакового по всех случаях) электрода, потенциал которого условно принят за нуль. Полученную таким способом величину называют собственным, или нормальным, потенциалом металла. Измерения ЭДС характеризует окислительно-восстановительного способность интересующего нас электрода относительно некоторого условного нуля.

Рис 1. Гальванический элемент  включенным источником ЭДС.

Собственный, или  нормальный, потенциал

В качестве электрода, равновесный  потенциал которого условно принят за нуль, служит стандартный водородный электрод сравнения. Для измерений  можно применять и другие электроды  сравнения, потенциал которых относительно водородного стандартного электрода  известен. Этот потенциал также находят  на основании измерения ЭДС цепи, составленной из выбранного электрода  сравнения и стандартного водородного  электрода. Если изучаемый электрод в паре со стандартным водородным электродом является отрицательным, то собственному потенциалу приписывается  знак минус, в противном случае - знак плюс.

Когда исследуемый электрод имеет отрицательный потенциал, то на нем происходит окисление. Это  характерно для магния, алюминия, цинка, железа и др. В том случае, когда  исследуемый электрод имеет положительный  потенциал, на нем происходит восстановление. Это характерно для золота, серебра, ртути.

Стационарный  потенциал

В условиях электрохимической  коррозии металлы чаще всего находятся  не в растворах их солей, а в  растворах других электролитов, поэтому  в образовании двойных электрических  слоев на границе металл - раствор  могут принимать участие также  катионы других металлов или ионы водорода. В таких случаях возникают  неравновесные слои, у которых  число катионов металла, перешедших в раствор, не равно числу его  катионов, вернувшихся на поверхность  металла. Но если баланс между числом зарядов, потерянных металлом, и числом зарядов, вновь им приобретенных, все  же устанавливается, то установившийся потенциал будет отличаться от нормального. Данный потенциал называют стационарным.

Стационарный потенциал  стали в почвах и скорость анодной  и катодной реакций зависят от влажности почвы, кислородной проницаемости, химического состава и др. Стационарный потенциал трубопроводной стали  во влажной и глинистой почве  имеет более отрицательное значение, чем в песчаной. В первом случае его значение может достигать -0,7 ¸ -0,8 В, во втором случае -0,3 ¸ -0,4 В (по отношению к медносульфатному электроду сравнения).

В результате образования  на отдельных участках трубопровода различных стационарных потенциалов  возникают макропары, образование  которых приводит к изменению  первоначальных значений этих потенциалов.  

 

Потенциал на границе  фаз

Если электролит представляет собой жидкость, то границу фаз  можно легко достичь при помощи электрода сравнения. Однако на проложенных  под землёй трубопроводах измерение  на границе фаз (например, в месте  повреждения покрытия) невозможно. При измерении на поверхности  земли целый ряд воздействующих величин искажает величину потенциала без омической составляющей. На рис. 2. показана эквивалентная схема  электрического обнаружения дефекта  покрытия на катодно-защищенном трубопроводе. С одной стороны здесь имеется  источник напряжения (он моделирует потенциал  на границе фаз), с другой стороны  – сопротивление растеканию, где  блуждающие токи, защитный ток и  уравнительный ток вызывают падение  напряжения.

Рис. 2. Схема обнаружения  дефекта покрытия. 

 

Коррозия блуждающими  токами

Источники блуждающих токов

На практике в грунте протекают  не только защитный (постоянный) ток  рассматриваемого катодно-защищенного  объекта. Пользователи других установок  постоянного тока также используют грунт в качестве проводника. Вызываемые этим токи определяются как блуждающие токи. Существенными источниками  блуждающих токов являются другие катодно-защищенные объекты, потребляющие постоянный ток.

Основными источниками являются рельсовые сети электрифицированной  железной дороги, а также линии  электропередач постоянного тока (ЛЭП  ПТ) и катодные установки.

Наиболее мощными и  распространенными из названных  источников блуждающих токов являются линии электрифицированных железных дорог. Так как электроснабжение их принципиально одинаково, то и  процессы возникновения в земле  блуждающих токов от этих источников одинаковы.

Известно, что положительный  полюс источника питания на электрических  железных дорогах постоянного тока подключается к контактному проводу, а отрицательный к ходовым  рельсам. При такой схеме тяговый  ток от положительной шины тяговой  подстанции по питающей линии поступает  в контактный провод, а оттуда через  токоприемник к двигателям электровоза  или мотор-вагонной секции и далее  через колесные пары, рельсы и землю  в отсасывающую линию к минусовой  шине. Величина стекающего в землю  тока, который и называют блуждающим, тем больше, чем меньше переходное сопротивление между рельсами и землей и чем больше продольное сопротивление рельсов. В некоторых случаях величина блуждающих токов в земле может достигать 70-80% от общей величины тягового тока.

Наиболее значительные токи утечки наблюдаются на участках станционных  путей электрифицированных железных дорог, где имеются малые переходные сопротивления между рельсами и землей и значительные величины тяговых токов. Блуждающие токи, возникающие при этом, могут распространяться на большие расстояния. Отмечены случаи, когда влияние блуждающих токов было зарегистрировано на расстоянии до 30км от линии железной дороги.

Распределение блуждающих токов  в земле зависит от потенциалов  металла рельс относительно окружающей земли. На всех источниках блуждающих токов имеются участки, где ток  стекает в землю, и участки, где  ток возвращается к источнику  тока.

Рис.3 Схема возникновения  блуждающего тока от электрифицированного транспорта и влияние их на нефтепровод

1 - контактный провод; 2 - питающая  линия; 3 – тяговая подстанция; 4 –  дренажная линия; 5 – рельсы; 6 –  нефтепровод 

 

Распределение потенциальных  зон на рельсах электрифицированной  железной дороги, трамвая и метрополитена  имеет общие закономерности (рис. 3). В районе расположения отсасывающего  пункта тяговой подстанции потенциал  рельс-земля отрицательный, т.е. рельсы находятся в катодной зоне. На перегоне, между тяговыми подстанциями или  же отсасывающими пунктами, потенциал рельс-земля знакопеременный. Максимальное значение положительного потенциала наблюдается примерно в середине перегона.

Возникновение блуждающих токов  в земле при работе линии электропередачи  постоянного тока (рис. 4) происходит по следующей схеме.

Переменный ток в выпрямителе  преобразуется в постоянный, передается на линию, в которой одним из токопроводов является земля. Заземление полюсов на выпрямительной и инверторной (преобразующей постоянный ток в переменный) подстанциях осуществляется при помощи специально оборудуемых рабочих заземлений малого сопротивления. Через эти заземления протекает весь ток нагрузки ЛЭП, который может достигать сотен и тысяч ампер. В процессе работы ЛЭП может происходить перемена полярности заземлений, поэтому следует учитывать возможность протекания тока по земле как в одном, так и в другом направлениях.

Рис. 4 Схема возникновения  и влияния блуждающих токов при  работе линии электропередачи постоянного  тока системы провод - земля

1- кабельная или воздушная  линия; 2 - выпрямитель; 3 - инвертор; 4- реакторы; 5 - рабочие заземления; б - нефтепровод.  

 

Рис. 5. Схема возникновения  и влияния блуждающих токов от установок катодной защиты

а - анодная зона вблизи точки дренирования; б – катодная зона в районе анодного заземления; 1 - теплосеть; 2 - нефтепровод.

В процессе работы катодной установки токи, стекающие с анодного заземления, распространяются по земле  и втекают в защищаемый трубопровод (рис. 5).

Работающие катодные установки  мoгyт создавать блуждающие токи значительных величин. Так, величина тока в земле может достигать десятков ампер. Блуждающие токи, протекая в земле и встречая на своем пути подземные металлические сооружения, ответвляются в них, так как сопротивление последних значительно меньше удельного сопротивления земли.

Процессы коррозии металла в поле блуждающих токов

Процесс коррозии металла  в поле блуждающих токов является процессом электролитическим. Металл подвержен действию электролиза. Скорость процесса коррозии, как это следует  из закона Фарадея, определяется количеством  электричества, протекающего между  анодами катодами уложенного в грунт  трубопровода, и зависит от электрического сопротивления грунта и природы  процессов, происходящих на анодных  и катодных участках нефтепровода. Следовательно, если кроме почвенной  коррозии трубопровод подвергается дополнительному воздействию блуждающих токов, то в местах, где складывается электролитическое действие этих токов  с токами гальванических пар, может  произойти резкое увеличение скорости коррозионных процессов.