Строительные материалы и технологии
Выпуск от 24.11.2005

Новая технология защиты тепловых сетей от наружной коррозии

Авторы: Матвей СУРИС
ведущий научный сотрудник Академии коммунального
хозяйства им. К.Д. Памфилова, к. т. н
Игорь НИКОЛЬСКИЙ
доцент кафедры градостроительства МГСУ, к.т.н.

Критерии опасности наружной коррозии теплопроводов. Способы защиты трубопроводов тепловых сетей. Катодная защита. Анодное заземление. Варианты размещения

Защита подземных стальных трубопроводов от коррозии – одна из актуальных научных и экономических проблем в промышленно развитых странах: прямые потери от коррозии подземных коммуникаций достигают 20% от мирового объема ежегодного производства стальных труб.

Опыт эксплуатации тепловых сетей различных конструкций показывает, что срок их службы в первую очередь определяется коррозионной стойкостью стальных теплопроводов. Главной причиной перекладки тепловых сетей является наружная коррозия стальных труб. Доля повреждений теплопроводов от внутренней коррозии не превышает 25% и связана с некачественной подготовкой теплоносителя. По статистике наружной коррозии больше подвержены подающие трубы теплосетей, работающие до 70% рабочего времени в опасном температурном режиме (70–80°С). Наибольшая удельная повреждаемость приходится на тепловые сети малого диаметра 50–150 мм, прокладываемые, как правило, в непроходных каналах (рис. 1).

Рис. 1. Удельная повреждаемость от наружной коррозии Пу в зависимости от диаметра трубопроводов по данным тепловых сетей ОАО «Мосэнерго» за 1999 г.

Одним из доступных решений проблемы повышения коррозионной стойкости подземных тепловых сетей может стать применение полносборных строительно-изоляционых конструкций теплопроводов полной заводской готовности, сертифицированных заводом-изготовителем на расчетный срок службы подземных коммуникаций. В тепловых сетях Московской теплосетевой компании и некоторых регионов России освоено применение таких полносборных индустриальных конструкций типа «труба в трубе» с теплоизоляцией на основе теплостойкого пенополиуретана в оболочке из полиэтиленовых труб. Пионерами в разработке и применении новых конструкций стали российско-американское предприятие «Мосфлоулайн» и НПО «Стройполимер» /1/.

В этих конструкциях применена система оперативного дистанционного контроля состояния подземных коммуникаций (ОДК), позволяющая принимать неотложные меры до наступления аварийной ситуации.

Но остается нерешенной проблема защиты от коррозии десятков тысяч километров старых конструкций теплопроводов, находящихся в эксплуатации и нуждающихся в защите (рис. 2).

Рис. 2. Схема электрохимической коррозии

Критерии опасности наружной коррозии теплопроводов

Критерии опасности наружной коррозии теплопроводов зависят от способа их прокладки, конструктивных особенностей и условий эксплуатации /2, 3/.

Главной причиной коррозионных повреждений теплопроводов, с нашей точки зрения, является недооценка роли противокоррозионной защиты тепловых сетей при их проектировании, строительстве и эксплуатации.

Например, применение средств электрохимической защиты (ЭХЗ) в системах газоснабжения снизило их удельную повреждаемость в несколько раз. В Москве под ЭХЗ находится 75% или около 3000 км городских газопроводов.

Подземные теплопроводы являются наиболее слабым и уязвимым звеном систем централизованного теплоснабжения. Особенно велика удельная повреждаемость (Пу) теплопроводов малого диаметра, срок службы которых во многих случаях не превышает 8–10 лет. Интенсивность наружной коррозии подземных тепловых сетей в первую очередь объясняется неблагоприятными температурно-влажностными условиями их эксплуатации (в отличие от «холодных» трубопроводов), низкими защитными свойствами строительно-изоляционных конструкций и отсутствием надежной электрохимической защиты тепловых сетей.

Для теплопроводов бесканальной прокладки критерии опасности определяются главным образом коррозионной агрессивностью грунта, а также опасностью воздействия блуждающего постоянного тока и опасным воздействием переменного тока. На трубопроводы с пенополиуретановой изоляцией, снабженные системой оперативного дистанционного контроля ОДК состояния изоляции, указанные критерии не распространяются /3/.

Для теплопроводов канальной прокладки критерии опасности коррозии определяются наличием воды в канале и заносом канала грунтом, когда вода или грунт достигают изоляционной конструкции или поверхности трубопровода. Увлажнение теплоизоляционной конструкции теплопровода капельной влагой, достигающей поверхности трубы, также является критерием опасности коррозии. Для участков теплопроводов, находящихся в теплофикационных камерах, критерии опасности коррозии те же, что и для теплопроводов канальной прокладки.

Опасное воздействие блуждающего постоянного и переменного тока при наличии воды или наноса грунта в канале, которые достигают изоляционной конструкции или поверхности трубопровода, существенно увеличивают скорость наружной коррозии теплопровода.

Способы защиты трубопроводов тепловых сетей

Способы защиты трубопроводов тепловых сетей подразделяются на две основные группы: первая объединяет мероприятия, направленные на создание условий, при которых прекращается или существенно снижается интенсивность воздействия на металл трубопровода внешних факторов (агрессивность среды, увлажнение изоляции, интенсивность поля блуждающих токов и пр.), вторая группа мероприятий предусматривает создание условий для протекания таких электрохимических процессов, при реализации которых подавляется или существенно снижается скорость коррозионных процессов на защищаемой поверхности металлического трубопровода.

Электрохимическая защита (ЭХЗ) трубопроводов относится ко второй группе мероприятий, направленных на защиту от коррозии подземных металлических сооружений методом катодной поляризации.

Коррозия наружной поверхности подземных трубопроводов имеет электрохимическую природу, протекает на границе двух фаз – металла и водной фазы и сопровождается протеканием через эту границу электрического тока.

Электрохимический механизм растворения (коррозии) металла является результатом одновременного протекания двух сопряженных реакций – анодной и катодной.

Анодная реакция представляет собой ионизацию атомов металла за счет потери ими отрицательно заряженных электронов и сопровождается переходом металла в раствор в виде гидратированных ионов с последующим образованием малорастворимых продуктов коррозии:

Катодная реакция представляет собой ассимиляцию отрицательно заряженных электронов, освободившихся в результате анодной реакции, каким-либо деполяризатором, содержащимся в водной среде. В роли такого деполяризатора чаще всего выступает кислород, рис. 2:

Участки анодных и катодных реакций на поверхности металла пространственно разделены, но для протекания коррозионного процесса необходим переток электронов в металле от анода к катоду. Материальный эффект коррозионного разрушения металла проявляется на аноде.

Электрохимическая коррозия напоминает работу гальванического элемента, на электродах которого происходят окислительно-восстановительные процессы.

На скорость коррозии оказывают влияние множество различных факторов: рН-среды, химический состав металла и водной среды, температура металла и среды и т. д. Среди причин проявления системы «анод–катод» могут быть микро- и макроэлементы (микро- и макропары), металлы одного типа, но различные по химическому составу или структуре, один и тот же металл, но разные среды.

Классическая зависимость скорости коррозии (реакции ионизации растворения металла) от его потенциала (рис. 3) описывает главные области растворения (коррозии) металла по различным механизмам: АВ – активная область коррозии, ВС – переходная область, СД – пассивная область, ДЕ – область нарушения состояния пассивности. Под влиянием различных факторов (природы металла, состава электролита, температуры) параметры этой зависимости могут изменяться. Так, с увеличением концентрации хлора (хлорид-ионов) в водном растворе и связанным с этим уменьшением щелочности (показатель рН) может исчезнуть пассивная область СД.

Рис. 3. Зависимость скорости реакции ионизации металла от потенциала.

Защита от коррозии необходима, когда скорость ионизации (растворения) металла превышает допустимое для данной системы значение iдоп. Если потенциал коррозии металла подземного трубопровода находится в активной зоне φкор.(1) и коррозия протекает с кислородной деполяризацией, можно уменьшить скорость коррозии до приемлемого значения I < iдоп., сместив потенциал к более отрицательному значению в активной области, например, кφкор.(3).

Катодная защита

Итак, электрохимическая защита методом катодной поляризации (катодная защита) основана на закономерном снижении скорости растворения металлов по мере смещения их потенциалов в сторону отрицательных значений относительно опасного потенциала коррозии. Этот метод предусматривает смещение потенциала ионов металла трубопровода с помощью внешнего источника постоянного тока или путем соединения трубопровода с металлом – гальваническим анодом (протектором), имеющим больший отрицательный потенциал, до значений, соответствующих защитному потенциалу.

До начала 90-х годов преобладала тенденция к применению совместной электрохимической защиты всех подземных металлических сооружений в заданной зоне с применением мощных защитных установок. Исследования, проведенные АКХ им. К.Д. Памфилова, показали, что в этих зонах, как правило, протяженность защищенных теплопроводов оказывается минимальной, особенно при канальной прокладке тепловых сетей. Это объясняется значительно меньшим переходным электрическим сопротивлением в сравнении с другими металлическими трубопроводами и связано с отсутствием на теплопроводах электрической изоляции от опорных конструкций (неподвижных и скользящих опор), низким качеством противокоррозионных покрытий или полным их отсутствием и малой «долей» тока защиты тепловых сетей от его общего значения.
Поэтому при проектировании ЭХЗ для тепловых сетей канальной прокладки наиболее целесообразным является применение не совместной, а индивидуальной электрохимической защиты, обеспечивающей необходимые защитные параметры теплопроводов в границах известных или предполагаемых опасных зон.

Анодное заземление.

Варианты размещения

Одним из основных элементов установок катодной ЭХЗ является конструкция анодного заземления (АЗ), с которого стекает в землю ток защиты, и способ его размещения относительно защищаемого теплопровода. Применявшиеся ранее сосредоточенные анодные заземления (АЗ) в виде забиваемых в землю стальных отрезков труб имели небольшие размеры, значительно меньшие в сравнении с протяженностью защищаемого теплопровода, и низкую эффективность защиты.
Максимальный защитный потенциал имели участки теплопроводов, наиболее приближенные к АЗ (в городских условиях это зоны 20–30 м). На периферийных участках теплопроводов защитный потенциал снижался по экспоненциальному закону (рис. 4) При этом, чем ниже переходное электрическое сопротивление R сооружения, обусловленное конструкцией канала и изоляции, тем больше падение защитного потенциала.

Рис. 4. Схема распределения потенциалов вдоль трубопровода при катодной защите с использованием сосредоточенных АЗ: 1 – трубопровод; 2 – катодная станция; 3 – АЗ; 4 – стационарный потенциал трубопровода; 5 – поляризационный потенциал трубопровода

Как показали натурные исследования, зона защиты теплопроводов одной установкой ЭХЗ в таких условиях составляла всего несколько десятков метров при значительных расходах электроэнергии, в то время как защитные зоны подземных газопроводов измеряются сотнями метров.

Анализ работы действующих установок ЭХЗ тепловых сетей канальной прокладки показал, что применение традиционных сосредоточенных анодных заземлителей в городских условиях во многих случаях не обеспечивает их эффективную работу. Неоправданно увеличиваются затраты электроэнергии, неравномерно распределяется ток защиты. При выборе конструкции и расположения АЗ следует учитывать участки возможного подтопления каналов грунтовой водой или заиливания каналов до уровня контактов с поверхностью теплопровода.

В этих условиях более предпочтительным оказывается применение распределенных (протяженных) анодных заземлителей, позволяющих обеспечить более равномерное распределение тока защиты вдоль опасного участка тепловых сетей, экономию электроэнергии и возможность применения катодных установок малой мощности, локализацию дополнительных полей блуждающих токов и экономию площади земельных участков. Эффективность работы протяженных АЗ значительно возрастает при использовании устройств автоматического включения ЭХЗ.

Конструкции протяженных анодных заземлителей подробно описаны в монографии /2/. Здесь приводятся рекомендации по их устройству, применению, выбору экономичных режимов работы, экономической эффективности применения станций катодной защиты (СКЗ).

Преимущества протяженных АЗ вполне удовлетворяют требованиям защиты подземных теплопроводов на локальных участках. При этом могут применяться протяженные аноды кабельного или стержневого типа из материала на основе каучука с углеродсодержащими наполнителями (токопроводящие эластомеры), стержневые аноды из низколегированных сплавов, пластинчатые титановые аноды с активным покрытием оксиданами железа.

На рис. 5 показана схема размещения в теплофикационном канале протяженных АЗ кабельного типа из токопроводящих эластомеров. Определение параметров ЭХЗ с использованием протяженных АЗ проводится расчетным методом /3/.

Рис. 5а. Схема размещения в теплофикационном канале распределенных АЗ кабельного типа из токопроводящих эластомеров или стальных трубопроводов: 1 – электрод АЗ; 2 – измерительный электрод; 3 – трубопровод; 4 – распределительный кабель; 5 – КИП у СКЗ; 6 – электроперемычка; 7 – СКЗ; 8 – КИП; 9 – уровень затопления канала; 10 – диэлектрическая опора; 11 – перемычка между электродами АЗ

Для действующих трубопроводов тепловых сетей диаметром менее 300 мм размещение электродов АЗ в каналах при их затоплении или заиливании представляет определенные трудности. В этих случаях целесообразно размещать АЗ за пределами каналов и камер, четко определяя границы опасных зон.

Рис. 5б. Схема размещения в теплофикационном канале распределенных АЗ стержневого типа, расположенных перпендикулярно оси трубопроводов: 1 – электрод АЗ стержневого типа; 2 – измерительный электрод; 3 – трубопровод; 4 – распределительный кабель; 5 – КИП у СКЗ; 6 – электроперемычка; 7 – СКЗ; 8 – КИП; 9 – уровень затопления канала; 10 – диэлектрическая опора

Для обеспечения защиты теплопроводов на таких участках необходимы локальные источники катодной поляризации малой мощности. Одно выносное АЗ рекомендуется применять для участка длиной 50–60 м. Возможны другие варианты схем защиты, обусловленные иным взаимным расположением теплопроводов. Например, на участках теплопроводов канальной прокладки небольшой длины диаметром более 200 мм, подверженных сезонному подтоплению, применяются протекторы из магниевых сплавов ПМ-5 или ПМ-5у (с активатором). Протекторы устанавливают на дне или стенках каналов (рис. 6).

Рис. 6. Примерные расчетные схемы размещения и количества магниевых протекторов стержневого типа ПМ-2,7 в сечении трубопровода

В конце 90-х годов в тепловых сетях ОАО «Мосэнерго» было начато применение протекторов стержневого типа из магниевых сплавов для ЭХЗ теплопроводов на участках их прокладки в футлярах. На вновь прокладываемых или реконструируемых теплопроводах протекторы устанавливают внутри изоляционной конструкции, на действующих теплопроводах – на их поверхности. На рис. 6 приведены примерные расчетные схемы размещения магниевых протекторов стержневого типа на теплопроводах Д = 530 мм непосредственно на их поверхности или на поверхности изоляционной конструкции.

Одна из главных особенностей эксплуатации ЭХЗ теплопроводов канальной прокладки при расположении АЗ непосредственно в канале – периодическое отсутствие электролитического контакта между АЗ и поверхностью трубопровода при осушении канала. В этом случае могут возникнуть узкополосные или точечные контакты АЗ с водой, где плотность тока утечки будет многократно превышать допустимую плотность тока АЗ, что особенно опасно для АЗ из токопроводящих эластомеров.

С целью уменьшения числа локальных участков возможного преждевременного разрушения АЗ и экономии электроэнергии целесообразно применение устройств автоматического включения и выключения станций катодной защиты (СКЗ) в зависимости от уровня подтопления канала. В ОАО «Московская теплосетевая компания» уже начато применение таких устройств, позволяющих автоматически включать или выключать одно или два плеча в зоне действия защиты от СКЗ.

Для контроля эффективности действия ЭХЗ теплопроводов при расположении АЗ в каналах применяются вспомогательные электроды (ВЭ), устанавливаемые у поверхности трубопроводов.

С помощью ВЭ определяется также присутствие грунтовой воды в канале. Начато также применение специальных блоков-пластин индикаторов (БПИ-1 И БПИ-2) для непосредственного контроля опасности коррозии и эффективности действий электрохимической защиты теплопроводов

Литература, использованная при подготовке материала:

1. Никольский И.С. Индустриальные полносборные конструкции тепловых сетей. // Строительная инженерия № 8, 9, 2005 г.
2. Сурис М.А., Липовских В.М. Защита трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии.–М.: Энергоатомиздат, 2003.–216 с.
3. РД 153-34.0-20.518-2003. Типовая инструкция по защите трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии.–М.: Новости теплоснабжения, 2003.
4. Фрейман Л.И., Макаров В.А., Брыскин И.Б. Потенциостатические методы в коррозионных исследованиях и электрохимической защите.–М.: Химия, 1972.
5. Зуев А.В., Ягмур И.Д., Пристула В.В. и др. Новые технологические системы.–М.: Газовая промышленность № 9, 1998.

Cтатья основана на материалах сайта http://www.stroing.ru/