Защита магистральных трубопроводов от подземной коррозии - Глазков В.И., Дорошенко П.Г., Котик В.Г.

Автор: Глазков В.И. Дорошенко П.Г. Котик В.Г.

Теги: трубопроводы коррозия нефтегазовое производство

Год: 1960

Похожие

Защита трубопроводов от коррозии

Защита нефтегазопромыслового оборудования от коррозии

Коррозия и защита оборудования при переработке нефти и газа

Коррозия и защита от коррозии

Текст

В. И. ГЛАЗКОВ, П. Г. ДОРОШЕНКО, в. г. котик
ЗАЩИТА МАГИСТРАЛЬНЫХ
ТРУБОПРОВОДОВ
)Т ПОДЗЕМНОЙ КОРРОЗИИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
нефтяной и горно-топливнои литературы
Москва 1960
17—4
АННОТАЦИЯ
Книга посвяшена защите магистральных трубопро-
водов от подземной коррозии.
В пей освещаются процессы почвенной коррозии
и коррозии, вызываемой блуждающими токами; значи-
тельное внимание уделяется применению изолирующих
покрытий и электрических средств. Рассматриваются
также вопросы применения устройств защиты, проведе-
ния необходимых изысканий и измерений.
Книга может служить пособием при проектировании,
монтаже и эксплуатации средств защиты магистральных
трубопроводов от коррозии и рассчитана на широкий круг
инженерно-технических работников нефтяной и газовой
промышленности.
«
ПРЕДИСЛОВИЕ
Транспортирование газа, нефти и нефтепродуктов по магист-
ральным трубопроводам имеет значительные технико-экономи-
ческие преимущества перед другими видами транспорта.
Контрольными цифрами развития народного хозяйства СССР
на 1959—1965 гг., утвержденными XXI съездом КПСС, намечено
построить примерно 26 000 км магистральных газопроводов и отво-
дов от них к городам и увеличить почти в 3 раза протяженность
нефтепродуктопроводов.
Подземная коррозия магистральных трубопроводов наносит
большой ущерб народному хозяйству, приводя к преждевремен-
ному износу трубопроводов, сокращению межремонтных сроков,
потерям транспортируемых продуктов и вызывая перебои в работе
трубопроводного транспорта. Поэтому защита магистральных
трубопроводов от подземной коррозии является важной задачей
нефтяной и газовой промышленности.
Для решения этой задачи в настоящее время используются
изоляционные покрытия и средства электрозащиты.
Первые практические работы по электрозащите магистраль-
ного трубопровода от подземной коррозии были выполнены
на нефтепроводе Баку—Батуми.»Здесь начали применять средства
электрозащиты от блуждающих токов и от почвенной коррозии.
В дальнейшем электрозащита проводилась на многих магист-
ральных трубопроводах и в первую очередь на газопроводах
Саратов—Москва и Дашава—Киев, а также на нефтепроводах
Гурьевского товаротранспортного управления.
Целью настоящей книги является освещение вопросов защиты
магистральных трубопроводов от подземной коррозии.
В книге использованы материалы Всесоюзного научно-иссле-
довательского института по строительству магистральных трубо-
проводов, Укргипрогаза и др. организаций.
Главы I и III написаны инж. В. Г. Котиком, II, IV, VII —
инж. П. Г. Дорошенко, главы V и VI — инж. В. И. Глазковым..

ГЛАВА I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КОРРОЗИИ
ТРУБОПРОВОДОВ И РЕЗЕРВУАРОВ
1. КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
Коррозией называется разрушение металлов, вызываемое хими-
ческим или электрохимическим взаимодействием их с внешней
средой. Процесс этот начинается обычно с поверхности металла,
которая изменяет свой внешний вид и покрывается продуктами
коррозии. Большое влияние на коррозию металлов оказывают
внешние условия.
По характеру среды различают следующие виды коррозии:
газовую, протекающую обычно при высоких температурах;
атмосферную, возникающую под действием любого влажного
газа на металл;
подземную: а) почвенную, вызываемую электрохимическим
взаимодействием металла с окружающей средой; б) электрокор-
розию, возникающую при стекании электрических токов с металла
в грунт;
жидкостную, возникающую в неэлектролитах в результате
воздействия на металл органических веществ (например, коррозия
стали в сернистых нефтях) и в электролитах под действием вод-
ных растворов на металл.
Жидкостная коррозия подразделяется в свою очередь на
кислотную, щелочную, солевую, морскую и т. д. Процесс может
протекать при полном, частичном или переменном смачивании
металла.
При электрохимическом взаимодействии металлического
сооружения с внешней средой на его поверхности образуются
коррозионные гальванические элементы. По характеру этих эле-
ментов различаются следующие виды коррозии:
структурная, связанная со структурной неоднородностью
металла;
аэрационная, вызываемая неравномерной аэрацией поверх-
ности металла;
электрическая, протекающая в электролитах под действием
тока (от посторонних источников), стекающего с металла;
контактная, возникающая при контакте двух металлов, имею-
щих разные электрохимические потенциалы;
5
под напряжением, проходящая при одновременном воздей-
ствии на металл коррозионной среды и механического напряжения.
По характеру разрушения коррозия металлов (рис. 1) может
быть равномерной и неравномерной, т. е. распространяющейся
по поверхности металла соответственно с одинаковой или раз-
личной скоростью.
К неравномерной коррозии относятся:
местная, охватывающая лишь некоторые участки поверхности
металла (коррозия пятнами, язвами, точечная, сквозная);
Рис. 1. Виды коррозии.
а — равномерная; б — пятнами; в — язвами:
г — точечная; д — межкристаллитная; е —
подповерхностная.
межкристаллитная, рас-
пространяющаяся по грани-
цам кристаллов (зерен) ме-
талла;
избирательная, при кото-
рой разрушается преиму-
щественно один из компо-
нентов сплава;
подповерхностная, вызы-
ваемая разрушением ме-
Рис. 2. Типы кристаллических
решеток металлов.
а — кубическая объемяопентрирован-
ная; б —кубическая гранецентрирован-
ная; в — гексагональная (плотная упа-
ковка).
талла под поверхностью (вспучивание или расслаивание);
растрескивание, возникающее в результате разрушения металла
по линии наибольших растягивающих напряжений, например
от коррозионной усталости.
6
Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое
строение.
Природа кристаллической решетки (структуры) и расположе-
ние в ней атомов оказывают большое влияние на многие свойства
металла, а также на коррозионную стойкость их. При коррозии
кристаллическая решетка металла разрушается. Скорость этого
процесса зависит от структуры металла, агрессивности среды
и многих других факторов.
Пространственные решетки
встречаются чаще всего трех
типов (рис. 2).
В кубической объемно-
центрированной атомы нахо-
дятся в вершинах и центре
куба (литий, хром, молибден,
вольфрам и др.), причем каж-
дый атом окружен восемью
ближайшими соседними ато-
ма ми.
В кубической гранецент-
рированной атомы распо-
ложены по вершинам и цент-
рам граней куба (алюминий,
медь, свинец, никель и
ДР-)-
В гексагональной (шести-
угольной) атомы как бы
плотно упакованы (магний,
цинк, кадмий и др.).
Более сложные решетки
имеют марганец, висмут, бе-
лое олово и др.
В металлических кристал-
лах нет нейтральных атомов,
а пространственные решетки
®0©®©®®е©
® е е ® ®
© © © © ©
® е s ® е
© © © © ©
® ® © ®
©®@ © ©е®
ФЗлек- @Иоиы-атомьг
/пронь/ металла
в
Рис. 3. Схемы химических связей в
веществе.
а — образование молекулы; б — образование
молекулы (внешняя оболочка); в—металли-
ческая связь.
составлены из катионов.
Каждый атом металла может терять одну или несколько
частиц отрицательного электричества — электронов — и стано-
вится ионом. Ионы закреплены в узлах решетки, а электроны
беспорядочно блуждают между ними.
Между основными частицами, образующими металл, — ионами,
атомами и молекулами, — существуют различные внутренние
связи. Коррозия металлов есть результат перестройки этих свя-
зей. Одни связи разрушаются, другие возникают. Характерными
являются ионная (полярная), атомная (гомеополярная), металли-
ческая и молекулярная связи (рис. 3).
Ионная связь, называемая также валентной, характеризуется
переходом электронейтральных атомов вещества в ионное состоя-
7
ние и установлением связи между ними. Это объясняется стремле-
нием атомов довести число электронов на внешней оболочке
до восьми, что обеспечивает наибольшую ее устойчивость. Внеш-
няя оболочка теряет все электроны (переход атома в катион)
или присоединяет к себе новые электроны (переход атома в анион),
доводя их число до восьми. Так, в кристаллах каменной соли
(NaCl) катион натрия и анион хлора получаются вследствие
того, что атом натрия передает свой последний электрон атому
хлора, образуя при этом свои восьмиэлектронные внешние обо-
лочки. Заряженные атомы создают ионную решетку кристалла,
основанную на силах электростатического взаимодействия. Такая
схема связи характерна для большинства солей металлов и их
окислов.
Атомная связь, называемая ковалентной, также обусловлена
образованием восьмиэлектронных оболочек, но не за счет потери
или приобретения электронов в оболочке атома, а за счет совмест-
ного использования их двумя соседними атомами. Примером
подобной связи является молекула хлора (С12).
Металлическая связь возможна при числе электронов, которое
недостаточно для построения ковалентной связи. При этом один
электрон взаимодействует более чем с двумя определенными
соседними атомами. Металлическая связь возможна при условии
свободного перемещения электрона в твердом теле. В узлах
решетки находятся ион-атомы (валентные атомы), электроны
которых взаимодействуют не только с данным атомом, но и со
всеми остальными ион-атомами металла.
Присутствие свободных электронов (электронного газа) опре-
деляет такие свойства металла, как электропроводность, тепло-
проводность, пластичность и т. д.
Молекулярная связь возникает вследствие взаимодействия
диполей, образуемых молекулами Она менее прочна по сравнению
с перечисленными и характерна для кристаллов органических
веществ.
Соли, кислоты, основания при растворении в воде расще-
пляются (электролитическая диссоциация) на свободные, неза-
висимо перемещающиеся ионы.
Сила взаимодействия F между зарядами ионов di и d-г под-
чиняется закону Кулона:
F =
я г2 *
где г — расстояние между ионами;
е — диэлектрическая постоянная среды.
Диэлектрическая постоянная воды выше, чем у многих дру-
гих веществ, поэтому она оказывает сильное диссоциирующее
и растворяющее действие на ионные кристаллы. Электролитами
могут также быть алкогольные растворы солей.
8
Вещества, полностью распадающиеся на ионы при растворе-
нии, дают сильные электролиты, а диссоциирующие частично —
слабые электролиты.
Логарифм концентрации водородных ионов (Н), взятый
с обратным знаком, получил название водородного показателя pH.
Следовательно,
рН= — !g(H+).
Произведение концентрации ионов водорода (Н+) и ионов
гпдроокисла (ОН-) для воды и водных растворов есть величина
постоянная, т. е.
(Н+) • (ОН-) = const = 10-14.
G+) »
@ 2
Рис. 4. Схемы строения молекулы воды (а) и гид-
ратированного катиона металла (б).
1 — полярная молекула воды; 2 — катион металла.
Для чистой воды и для нейтральных растворов солен
(Н+) = (ОН-) 10-7
и значение pH = 7.
В кислых растворах резко увеличивается концентрация водо-
родных ионов (Нт), значение pH < 7.
В щелочных растворах концентрация гидроксильных ионов
возрастает, а водородных убывает, поэтому показатель pH щелоч-
ных растворов больше 7.
В молекуле воды катионы водорода по отношению к аниону
кислорода расположены под углом 110° (рис. 4). Такая молекула
ведет себя как диполь и является электрически нейтральной. Под
влиянием электростатического притяжения вокруг каждого иона
растворенной соли образуется оболочка из диполей воды. Такое
явление, при котором эффективный радиус иона как бы увели-
чивается, называется гидратацией. При этом подвижность гидра-
тированных ионов уменьшается. Гидратация сопровождается
выделением энергии, а дегидратация — поглощением ее.
9
Ионы могут покрываться также и оболочкой из других дипо-
лей (кроме диполей воды); это явление называется сольвата-
цией.
Электропроводность электролитов имеет большое значение
в процессах коррозии. Прохождение тока в электролитах или
ионных кристаллах (ионных проводниках) сопровождается пере-
носом вещества. Различие в прохождении электрического тока
через ионные и электронные проводники вызывает на границе
их соприкосновения нейтрализацию или образование ионов.
На электродах при отсутствии заметной конвекции в растворе
они могут иногда частично выделяться. Ионы, не участвующие
в электродном процессе, будут накапливаться в приэлектродном
электролите.
Движение ионов в электрическом поле (миграция) отличается
от движения тех же ионов при тепловом воздействии на элек-
тролит (диффузии).
Коррозия металлов по характеру самого процесса делится
па химическую и электрохимическую. При химической коррозии
продукты ее (окисная пленка) образуются непосредственно на
тех участках металла, которые вступают в реакцию. Процесс
этот не сопровождается появлением электрического тока.
При действии кислорода на металл на его Поверхности выде-
ляются продукты коррозии — окислы. Если они не растворяются
и образуют сплошную пленку, то коррозия металла замедляется.
При достаточно!! плотности, эластичности и прочном сцеплении
пленки с металлом коррозия прекращается. Увеличение толщины
окисной пленки обусловлено проникновение'м через нее корро-
зионной среды. Торможение процесса окисления металла плен-
кой зависит от ее сплошности. Скорость окисления пропорцио-
нальна концентрации раствора и обратнопропорциональна тол-
щине окисной пленки.
Для электрохимической коррозии характерно перетекание
электронов (электрического тока) от одних участков металла
к другим. Общая реакция взаимодействия реагента с металлом
состоит в основном из анодного и катодного процессов. В первом
случае металл переходит в раствор в виде гидратированных ионов,
эквивалентное количество электронов остается в металле. Во вто-
ром — избыточные электроны ассимилируются каким-либо депо-
ляризатором раствора, т. е. атомом или ионом, способным вос-
станавливаться (поглощать электрон) на катоде,
Так как металлу свойственна электронная проводимость,
а раствору — ионная, анодный и катодный процессы независимы
и могут протекать на разных участках металла.
Неоднородность условий на поверхности соприкосновения
металл—электролит ведет к нарушению равновесия потенциалов
растворения по отношению к ионам электролита. Образовавшиеся
коррозионные элементы создают электрический ток, обусловли-
вающий электрохимическое растворение металла.
10
Атомы металла при переходе в электролит образуют катионы,
оставляя в металле электроны. На участках интенсивного рас-
творения металла количество свободных электронов увеличи-
вается, оттуда они переходят по металлу на участки, где проис-
ходит соединение этих свободных электронов с молекулами кисло-
рода, растворенного в электролите. Первые участки называются
анодными, а вторые — катодными.
Протекание тока в металле определяется движением электро-
нов от анода к катоду, а в растворе — движением катионов (Кт)
от анода к катоду и анионов (Ан) от катода к аноду. Растворение
металла в водном растворе NaCl показано на рис. 5.
Рис. 5. Растворение металла в электролите.
На аноде ионы металла переходят в раствор, при этом в металле
остаются электроны. В электролите возникает избыток катио-
нов, а в металле — избыток электронов:
G (GМе+)п н’-° ->Ме^ • п Н2О,
где GMe~—нейтральная молекула металла;
G — электрон;
Ме+ — катион;
п — валентность металла.
На катоде происходит ассимиляция электронов деполяриза-
тором (D) раствора, т. е. атомом или ионом, способным восста-
навливаться:
Э + D-^Q'D).
При замыкании между собой стального и цинкового электро-
дов, помещенных в подкисленную воду, в цепи будет протекать
электрический ток от стали к цинку (рис. 6), который обладает
более низким потенциалом. Цинк является анодом, разрушаю-
щимся под действием стекающего с него тока, а стальной элект-
род — катодом, который не растворяется.
При размыкании цепи сталь—цинк стальной электрод по-
кроется ржавчиной и начнет разрушаться, а на цинковом
электроде образуются коррозионные элементы, и часть поверх-
11
пости его станет катодной; цинковый электрод будет растворяться
медленнее.
Процесс коррозии цинка можно представить в следующем
виде:
Zn — 2 0->Zn++ + 2 0.
Ион-атомы цинка (Zn++), взаимодействуя с полярными
молекулами воды, образуют химические соединения с выделением
на аноде гидратированных ионов цинка:
Zn — 2 © + п Н20 ->Zn++n Н20.
Рис. 6. Гальвани-
ческая парацинк—
железо.
Цинк образует с водой гидратированный
окисел Zn (ОН)г, который остается в рас-
творе.
Избыточные электроны разряжаются на
катоде положительными ионами раствора,
чаще водородными ионами Н + «НгО, кото-
рые, потеряв свои заряды, превращаются в
нейтральные атомы водорода:
2 0 + 2 (Н+ • п Н20) ->Н2 + 2Н2О.
Атомы водорода соединяются в молекулы Нг и выделяются
на катоде в виде пузырьков газа.
При замыкании пары цинк—сталь ион-атомы цинка перехо-
дят в раствор, оставляя в металле избыток электронов, которые
передают ему отрицательный заряд. Электроны притягивают
избыточные катионы металла в растворе, удерживая их на поверх-
ности цинкового электрода; разность потенциалов металл—элект-
ролит уменьшается, переход ионов металла в раствор тормозится,
а коррозионный процесс замедляется под влиянием анодной
поляризации. На катоде же происходит восстановление катионов
раствора, в данном случае водорода.
Электрохимическая коррозия может быть с водородной, кисло-
родной или металлической деполяризацией.
При растворении цинка в кислоте на поверхности стального
электрода выделяются пузырьки водорода (водородная деполя-
ризация).
В солевом или щелочном растворе процесс может протекать
с кислородной деполяризацией по формуле
02 + 4 0 + 2Н2О ->40Н~.
При этом скорость процесса зависит от скорости движения
кислорода через электролит к катоду и от скорости ионизации
кислорода на поверхности катода.
12
Ионы ОН-, взаимодействуя с гидратированными ионами
металла, образуют на катоде нерастворимые гидроокислы железа.
Выделение их на катоде является вторичным процессом, возни-
кающим при диффузии продуктов анодной и катодной реак-
ций.
Скорость электрохимической коррозии может изменяться
вследствие поляризации (анодной и катодной), диффузионных
и концентрационных процессов, а также влияния омического
сопротивления цепи.
В зависимости от размера электродов коррозионные гальва-
нические элементы подразделяются: на макроэлементы
(электроды хорошо различаются невооруженным глазом), на
микроэлементы (электроды обнаруживаются лишь при
помощи микроскопа) и суб микроэлементы (величина
электродов лежит за пределами разрешающей способности опти-
ческого микроскопа).
Коррозионные элементы классифицируют также по числу
электродов: двухэлектродные (по одному аноду и катоду) и много-
электродные (более двух электродов).
Разность потенциалов коррозионного элемента зависит от вели-
чин электрохимических потенциалов анода и катода. Однако
с момента замыкания электрической цепи под влиянием поляри-
зации электродов эти потенциалы изменяются. Потенциал катода
становится более отрицательным, а потенциал анода — более
положительным. Разность потенциалов между анодом и катодом
понижается. Следовательно, ток в цепи коррозионного элемента
также уменьшается, п соответственно замедляется скорость кор-
розии.
Ток коррозионного элемента вычисляется по формуле
, (Рк-^а)-(А^к+Лг/а)
где UK — электрохимический потенциал катода;
UA — электрохимический потенциал анода;
A —смещение потенциала катода;
A UA—смещение потенциала анода;
Ro — общее сопротивление цепи.
На рис. 7 представлены упрощенные диаграммы поляризации
электродов в зависимости от плотности тока на аноде и катоде
и от условий поляризации. Точки пересечения линцй катодной
и анодной поляризации отражают величину максимального тока
гальванопары. При одинаковой первоначальной разности потен-
циалов у различных гальванопар ток будет больше в цепи той
гальванопары, у которой поляризация электродов меньше.
Коррозионная стойкость металлов определяется по табл. 1.
13
Рис. 7. Упрощенные диаграммы поляризации электродов.
а и б — катодная и анодная поляризация; в — изменение оазности потенциалов за счет
поляризации обоих электродов; г — диаграмма, поясняющая получение одинакового
максимального коррозионного тока у двух пар с различными разностями потенциалов:
д — диаграмма поляризации при высоком сопротивлении среды.
Таблица 1
Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов
Группа стойкости Скорость коррозии (глубин- ный показатель), мм/год Балл
1. Совершенно стойкие Менее 0,001 0
2. Весьма стойкие Свыше 0,001 до 0,005 1
» 0,005 » 0,01 2
3. Стойкие Свыше 0,1 до 0,05 3
» 0,05 » 0,1 4
4. Пониженно-стойкие Свыше 0,1 до 0,5 5
» 0,5 » 1,0 6
5. Малостойкие Свыше 1,0 до 5,0 7
» 5,0 » 10,0 8
6. Нестойкие Свыше 10,0 9
Глубинный показатель коррозии определяется по формуле
П= V ’
где — глубина проникновения коррозии в металл в мм;
t — время в годах,
14
или по формуле
8,76 К
Y
П =
где П — глубинный показатель в мм^год',
К — весовой показатель (потеря в весе) в г/ж2 час;
у—удельный вес металла.
При межкристаллитной коррозии шкалой пользоваться нельзя.
При грубой оценке коррозионной стойкости можно руковод-
ствоваться «группами стойкости», при более точной оценке —
«баллами».
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
Электрические свойства грунтов имеют важное значение в'про-
цессах коррозии и защиты от нее подземных металлических
сооружений.
Рис. 8. Кривые зависимости удельного
сопротивления грунта.
а — от влажности; б — содержания солей;
е — температуры в %.
Коррозионность грунтов часто определяют величиной их удель-
ного электрического сопротивления или его обратной величиной—
электропроводностью. При прочих равных условиях в грунтах
с меньшим удельным сопротивлением коррозия сооружения более
интенсивна.
Удельное сопротивление грунтов зависит от удельного сопро-
тивления минералов, процентного содержания водных растворов
и минералов в единице объема грунта, от химического состава
и концентрации водных растворов, от температуры, а также формы
и размера частиц грунтов и их структуры.
Электропроводимость грунтов может быть по своей природе
электронной и ионной. Первой обладают твердые (монолитные)
частицы грунта, а второй — влага, насыщающая поровое про-
странство, причем ионная проводимость является доминирующей.
15
Для иллюстрации влияния описанных выше факторов на рис. 8
приведены графики, изображающие зависимость удельного сопро-
тивления грунта от влажности, содержания солей и от темпе-
ратуры.
Грунтовые воды содержат в растворенном состоянии хло-
ристые, сернокислые и двууглекислые соли преимущественно
щелочных и щелочноземельных металлов, а также соли других
металлов в малых количествах.
Удельное сопротивление растворов зависит от их химического
состава. Так как скорости различных ионов незначительно отли-
чаются друг от друга, влияние химического состава насыщающих
вод на удельное сопротивление грунтов относительно невелико.
Удельное сопротивление пластовых вод можно определить
по той соли (в количестве, эквивалентном количеству всех солей
в грунте), содержание которой в растворе наиболее велико.
Обычно такой солью является хлористый натрий.
С возрастанием концентрации растворов подвижность ионов
уменьшается, так как повышается вязкость растворов. При малых
концентрациях подвижность ионов практически постоянная,
а удельное сопротивление вод, насыщающих поровое простран-
ство, можно принимать обратно пропорциональным концентрации
растворенных солей.
Так как в природных условиях концентрация солей, раство-
ренных в водах, колеблется в широких пределах — от долей
млг!л (поверхностные пресные воды) до сотни млг!л и более (соле-
ные пластовые воды), то и удельные сопротивления вод и грунтов
меняются также в широких пределах. Удельное сопротивление
вод изменяется от сотых долей ом м до сотен ом м и выше.
Насыщенность растворов солей определяется пористостью
грунтов.
Проводимость электролитов (к которым относятся воды, насы-
щающие поры грунтов) находится в линейной зависимости от тем-
пературы.
Земля по своим электрическим свойствам приближается к про-
водникам второго рода и имеет отрицательный коэффициент,
поэтому с повышением температуры удельное сопротивление
грунта уменьшается. Однако это возможно лишь при условии,
что влажность грунта не будет уменьшаться.
Увеличение электропроводимости водных растворов с повы-
шением температуры объясняется тем, что возрастает подвиж-
ность ионов и уменьшается вязкость растворителя. Однако при
температурах ниже нуля сопротивление грунтов, возрастая весьма
значительно, оказывается все же относительно небольшим, так
как вымерзание поровых вод при понижении температуры проис-
ходит постепенно. Концентрация солей в пих повышается, так
как растворенные в этих водах ионы солей остаются в незамерз-
шей части поровых вод; одновременно понижаются удельное
сопротивление и точка замерзания.
*
16
Удельное сопротивление слоистых (анизотропных) грунтов
зависит от направления, в котором определяется этот параметр
(по отношению к плоскостям напластования). Анизотропные
грунты состоят из частого чередования тонких слоев (пластинок),
в которых прослои характеризуются повышенными пористостью,
влажностью и содержанием менее дисперсного материала (напри-
мер, присыпками). Удельное сопротивление анизотропных грун-
тов в направлении, перпендикулярном напластованию, всегда
выше сопротивления тех же грунтов вдоль напластования. Под
макроанпзотропией понимают анизотропию толщи слоев, состоя-
щих из литологически разных и порознь однородных грунтов,
например, прослоев известняков и гипса среди глин, глин среди
песков и песчаников и т. п.
Повышение сопротивления тонкозернистых грунтов при насы-
щении их пор водами высокой минерализации объясняется про-
цессами адсорбции. Часть ионов, содержащихся в растворе,
удерживаясь силами электростатического притяжения, не уча-
ствует в механизме электропроводимости.
Повышение удельного сопротивления грунтов в связи с адсорб-
цией ионов наблюдается в глинах. При насыщении их водами
высокой минерализации удельное сопротивление глин обычно
выше, чем песков той же пористости, насыщенных теми же водами.
В течение года по мере изменения атмосферных условий
^меняются содержание влаги в грунтах, температура землп и физи-
(. четкое состояние влаги, а следовательно, и удельное сопроти-
вление грунта. Поэтому усложняется учет этих факторов, тем
^5олее что количество осадков и распределение их по месяцам,
также температурные колебания зависят от географического
^положения и непостоянны для каждого года.
Удельное сопротивление грунтов, залегающих на разной глу-
бине, также неодинаково изменяется в течение года. Атмосфер-
ные условия не в равной степени влияют на содержание влаги
и температуру различных слоев грунта. Близкие к поверхности
слои земли меняют свое удельное сопротивление более резко,
чем глубоко лежащие грунты.
3. КОРРОЗИЯ СТАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ И РЕЗЕРВУАРОВ
Стальные трубопроводы и резервуары нефтяной и газовой
промышленности подвергаются коррозии различных видов. На не-
защищенную наружную поверхность резервуаров и открытых
трубопроводов воздействует атмосферная коррозия. Внутренняя
поверхность резервуаров испытывает воздействие жидкостной
коррозии при полном п переменном смачивании нефтепродуктами
днищ и стенок. Иногда на подземных трубопроводах наблю-
дается бактериологическая коррозия, которую связывают с прежде-
временным разрушением покрытий и проржавлением труб, нахо-
дящихся в илистых и болотистых грунтах и в местах свалок,
F С ФС> !
Ва ш с о р х оэ j
Уфимские «ммаавод
(Техжмчесии (ЩВВЮте
2 Заказ 31.
17
а также в солончаках, содержащих гипс. Сочетание различных
факторов создает условия, необходимые для развития бактерий,
ускоряющих разрушение покрытий и, следовательно, коррозии
трубопроводов.
Среди различных видов коррозии на трубопроводах встре-
чается также коррозия под напряжением. Однако подземные
металлические сооружения подвергаются главным образом почвен-
ной и электрической коррозии.
Присутствие в грунтах влаги, солей, кислот, щелочей и гете-
рогенность металла обусловливают возникновение гальваниче-
ских коррозионных элементов на трубопроводах. Электрохими-
ческое взаимодействие металлического сооружения с электро-
литом грунта создает разность потенциалов на границе сопри-
косновения сооружение — грунт. Величина ее определяется соста-
вом металла сооружения и грунта, степенью доступа к соору-
жению кислорода и другими факторами. Так как соприкасаю-
щийся с сооружением грунт неоднороден, разность потенциалов
между отдельными точками металлической поверхности соору-
жения и грунтом неодинакова. В результате появляется электри-
ческий ток, протекающий через грунт от участка сооружения
с более отрицательным потенциалом к участку сооружения с менее
отрицательным потенциалом.
Коррозия концентрируется в основном на участках соору-
жения, соприкасающихся с грунтом меньшего удельного сопро-
тивления. Такие участки являются анодными по отношению
к окружающему грунту. Тогда соседние участки сооружения, .
соприкасающиеся с грунтом большего удельного сопротивления,
будут катодными по отношению к грунту.
Подземная коррозия может вызвать серьезные повреждения^
незащищенных магистральных трубопроводов. На рис. 9 пока-
заны разрушения подземного трубопровода, обусловленные поч-
венной коррозией.
Почвенная коррозия стального сооружения протекает с кисло-
родной деполяризацией. В присутствии воды образуются гидрат
закиси Fe(OH)2 и гидрат окиси Fe(OH)s. Реакция окисления
в коррозионном процессе идет по следующему направлению:
Fe — 2 0 + 2ОН —>Fe (ОН)2,
4Fe (ОН)2 4- О3 + 2Н2О -> 4Fe (ОН)3,
т. е. ионы закиси железа, соединяясь с растворенными в воде
кислородом и ионами ОН, образуют малорастворимый гидрат
окиси железа.
При возникновении на поверхности металла пленки гидро-
окисей следовало бы ждать замедления или прекращения кор-
розии. Однако находящиеся в грунте растворимые соли, кислоты
или щелочи и ионы закисного железа, переходящие в раствор,
связываются с ионами Cl, SO4, НСОз, СОе. В результате полу-
*
18
чаются растворимые в воде соединения железа FeCh, FeSO4,
и пленка гидроокисей уже не защищает металл, так как она
становится растворимой. Примером является разъедание тру-
бопроводов, находящихся в засолоненной почве или в морской
а
Рис. 9. Повреждения трубопровода почвенной
коррозией.
а — язвами; б — пятнами.
воде. В некоторых грунтах (торфяных, болотистых и раститель-
ных) содержатся гуминовые кислоты, в грунтах производственных
площадок — неорганические и органические кислоты. Присут-
ствие в воде других газов, кроме кислорода, способствует рас-
творению пленки на поверхности металлического сооружения.
Из-за неоднородности металла трубопровода составные части
его в условиях влажного грунта образуют гальванические пары,
2* . 19
в которых анодом является феррит, растворяющийся в почвен-
ном электролите.
Почвенная коррозия может протекать на границе сварной
шов — основной металл (рис. 10).
Неоднородность контакта металла сооружения с грунтом
приводит к различной аэрации его и образованию коррозионных
гальваноэлементов. Катодами являются участки поверхности
с неразрушенной первоначальной оксидной пленкой, а анодами —
участки, лишившиеся ее. Кислород служит деполяризатором
на катодных участках. При деполяризации ионами водорода
образующиеся атомы воды соединяются с кислородом воздуха.
На катоде возможно выделение свободного водорода (в кислой
Рис. 10. Повреждение сварного шва трубопро-
вода почвенной коррозией.
среде). Выделяющиеся продукты коррозии препятствуют доступу
кислорода к металлу.
При изменении температуры влажности и воздухопроницае-
мости грунта появляются новые коррозионные участки и меняется
расположение анодных и катодных зон.
Если в покрытии металлического сооружения есть трещины,
проколы и другие повреждения, то эти участки металла хорошо
аэрируются, и в результате образуются коррозионные элементы.
Выделяющиеся при этом продукты коррозии приподнимают
покрытие, в котором возникают новые трещины. Условия аэрации
поверхности металла изменяются, вызывая иное расположение
анодных и катодных зон и увеличивая площадь металла, пора-
жаемого коррозией.
Приток кислорода к металлу связан со строением, пористостью
и влажностью грунта. В тяжелых глинах доступ кислорода к соору-
жению ограничен. В сыпучих, хорошо осушаемых грунтах соору-
жение находится в постоянном контакте с кислородом воздуха.
20
Влажность грунтов имеет большое значение для их воздухопро-
ницаемости.
Вследствие дифференциальном аэрации в нижней части под-
земного горизонтального трубопровода коррозионных поврежде-
ний больше, и они более интенсивны, чем в верхней части. Верхняя
часть трубы является в этом случае катодом, а нижняя — ано-
дом и подвергается интенсивной коррозии (рис. 11).
Дифференциальная аэрация возникает также вдоль трубо-
провода (рис. 12), если грунты имеют различную воздухопро-
ницаемость («распределенная неоднородность»).
На интенсивность почвеппой коррозии могут оказать влияние
и оксидные пленки. На анодных участках ионы закисного железа,
Рис. 11. Коррозия трубопровода, залегающего в грунте с различной аэра-
цией и влажностью.
переходящие в раствор, связываются с кислородом и ОН-ионами,
образуя малорастворимые гидраты окиси железа Fe (ОН)з, кото-
рые осаждаются на анодах и замедляют процесс коррозии.
При недостатке кислорода пли высокой концентрации рас-
творимых солей поны закисного железа связываются с Cl, SO4,
СО2 и другими ионами, образуя растворимые соли железа, кото-
рые могут диффундировать в грунте.
Срок службы металлического сооружения зависит во многом
от качества покрытия, т. е. скорости потери им защитных свойств.
При дефектах и повреждениях изоляционного покрытия на трубо-
проводе могут возникнуть проржавленпя, иногда сквозные, если
обнаженное место соприкасается с коррозионным грунтом.
Иногда сквозные проржавления появляются в первые годы
после укладки трубопроводов в грунт. На одном из участков
нефтепровода диаметром 200 мм, пролегающего в коррозионных
21
грунтах, после 8 лет эксплуатации был произведен ремонт —
заварка проржавлений с наложением нового изоляционного
покрытия, а через 4 года этот же участок оказался сплошь покры-
тым глубокими проржавлениямп и на протяжении 10 км трубо-
провод заменили новым.
Глина (плотныйгрунпГ'~^^^^
Рис. 12. Образование коррозии трубопровода, залегающего
в грунтах различных.
Значительное воздействие на подземные металлические соору-
жения оказывают токи заземленных источников постоянного
тока, называемые блуждающими. Встречая на своем пути под-
+
К ат одна я Анодная
зона зона
Рис. 13. Коррозия трубопровода блуждающими токами.
1 — воздушный провод; 2 — рель”— почва; i — труба.
— Д' станции
земные металлические сооружения, проводимость которых выше
проводимости грунта, блуждающие токи ответвляются и проте-
кают по ним (рис. 13). В местах стекания блуждающих токов
с сооружения (анодная зона) происходит процесс электрокор-
розии.
22
h источникам блуждающих, токов относится электрифици-
рованный рельсовый транспорт.
Электрифицированные железные дороги являются мощным
источником блуждающих токов, которые разрушительно дей-
ствуют на трубопроводы, вызывая нередко коррозию со сквоз-
ными проржавлениями (рис. 14).
Стальные резервуары в местах соприкосновения металла
с грунтом (рис. 15) также подвержены подземной коррозии.
Иногда сквозные проржавления
днищ наземных резервуаров, вы-
званные подземной коррозией,
обнаруживались через 8 — 10 лет.
Чаще эти проржавления возникали
в среднем через 15 лет.
Резервуары для хранения неф-
тепродуктов подвергаются дей-
ствию жидкостной коррозии.
У резервуаров с сырой нефтью
корродируют преимущественно
кровля, фермы и верхний пояс,
т. е. внутренняя поверхность
резервуара, находящаяся в зоне
действия паров продукта; кор-
розия носит характер равномер-
ного разрушения.
В этом случае, как показы-
вает опыт, листовая сталь кровли
толщиной 3 мм служит 4—5 лет,
такая же кровля бензиновых ре-
зервуаров — 6'—8 лет.
Внутренняя коррозия днища
и нижнего пояса характеризуется
глубокими проржавлениями. При
толщине листа 8 мм глубина
проржавления через 15 лет экс-
плуатации достигала 5,5 мм.
повреждений по площади днища
Рис. 14. Участок трубопровода
после заварки сквозных кор-
розионных повреждений, вызван-
ных блуждающими токами.
Распределение коррозионных
неравномерное. Интенсивной
коррозии подвергаются только отдельные листы днища, на ос-
тальных возникают редкие, но глубокие проржавления.
Стальные незащищенные трубы при транспортировании или
хранении их на складах подвержены действию атмосферной
коррозии.
Наружная поверхность стальных наземных резервуаров также
разрушается под влиянием атмосферной коррозии (см. рис. 15).
На металл воздействуют кислород и влага, присутствующие
в воздухе. Если температура воздуха понижается и содержание
паров в нем достигает предела насыщения, то на охлажденном
металле появляются капли влаги, которые при длительном
23
осаждении водяного пара сливаются и образуют сплошную
пленку.
Поверхность металла обычно покрыта частицами пыли, ржав-
чины и влаги. При содержании в воздухе газовых примесей
SO2, NO2 и паров НС1, H2SO4 оседающая на металле влага будет
вызывать коррозию. Поэтому в городах коррозия металлов более
интенсивна, чем в сельской местности.
Рис. 15. Зоны коррозии резервуара.
а — почвенная; б — атмосферная; в — внутренняя.
Присутствие влаги на металле вызывает электрохимический
процесс коррозии. Сквозь капли или пленку воды кислород
воздуха проникает к поверхности металла и образует корро-
зионные элементы. Под каплей воды в центре образуются точки
коррозии, затем возникает пятно ржавчины, но вокруг послед-
него металл не корродирует. Объясняется это неравномерным
доступом кислорода к смоченному металлу под каплей.
ГЛАВА II
ПРИМЕНЕНИЕ ПОКРЫТИИ ДЛЯ ЗАЩИТЫ
ТРУБОПРОВОДОВ ОТ КОРРОЗИИ
Основной причиной, вызывающей коррозию подземных метал-
лических трубопроводов, является среда (электролит), в которой
находится трубопровод. При хорошей изоляции срок службы
трубопроводов значительно увеличивается.
Рис. 16. Труба с нормаль-
ной изоляцией.
1 — труба; 2 — грунтовка; з—
первый слой мастики; 4 —
второй слой мастики.
Рис. 17. Труба с усиленной изоля-
цией.
I — труба: 2 — грунтовка; 3,4 — 1-й и
2-й слои мастики; 5 — обмотка; 6,7 —
3-й и 4-й слои мастики.
Материалы, применяемые для изоляции трубопроводов, не
должны пропускать влагу и проводить электрический ток. Этим
требованиям отвечают нефтяные битумы, получившие широкое
распространение при строительстве трубопроводов.
При выборе типа покрытия учитывают прежде всего величину
электрического сопротивления грунта, окружающего трубопро-
вод. В грунтах, обладающих низким удельным сопротивлением
(свыше 20 ом м), применяется изоляция нормального типа, в грун-
тах средней коррозионности (10—20 ом м) — усиленная и в грун-
тах высокой коррозионности (до 10 ом м) — весьма усиленная.
При нормальной изоляции (рис. 16) на наружную поверх-
ность трубопровода наносят грунтовку (праймер) и два слоя
битумной мастики. Усиленное покрытие (рис. 17) состоит из грун-
товки (праймера), двух слоев мастики, обмотки и сверху еще
двух слоев мастики.
Весьма усиленная изоляция отличается от усиленной проме-
жуточной (усиливающей) обмоткой, покрытой двумя слоями
битумной мастики.
Для повышения механической прочности покрытия в битум
добавляют специальный заполнитель. Битумное покрытие состоит
из 85% весовых единиц нефтяного битума марки IV и 15% напол-
нителя, например каолина. При отсутствии нефтяного битума
марки IV можно использовать смесь нефтяных битумов марок III
и V в соотношении 2 : 3. В качестве растворителя битумов при-
меняют бензин второго сорта.
Каолин (наполнитель) добавляют в смесь в количестве 15—
2096 от общего веса массы или 17—24% от веса смеси битумов.
Как наполнитель может быть использован также асбест № 6
пли № 7 — 5% от веса битума. Каолин применяется сухим в виде
порошка, просеянного через сито с 900 отверстиями на 1 см2.
При усиленной и весьма усиленной изоляции труб их обматы-
вают гидроизолом (прессованной асбестовой «бумагой», пропи-
танной битумом).
Для защиты изолированного трубопровода от действия сол-
нечных лучей и случайных повреждений в процессе укладки
и засыпки снаружи его обматывают крафт-бумагой.
1. ОЧИСТКА ТРУБОПРОВОДОВ
Важнейшим процессом непосредственно перед изоляцией тру-
бопровода является очистка его от загрязнений.
Трубы очищают па поверхности после сварки их в плети.
При этом они должны находиться на лежнях диаметром 12—
20 см, расположенных на
расстоянии 12—15 м друг
от друга.
Очистка выполняется
специальными машинами,
которые перемещаются по
трубе при помощи меха-
нического привода.
На рис. 18 показана
трубоочистительная маши-
на ОМЛ-1 для труб диа-
метром от 200 до 700 мм.
Опа очищает трубы от
ржавчины, окалины и гря-
Рис. 18. Общий вид трубоочистительной зи металлического бле-
машпны ОМЛ-1. ска) и наносит грунтовку.
Грязь и налипший грунт
удаляют с трубы скребком (лопатой) криволинейной формы
соответственно диаметру трубы. Масляные, нефтяные пятна
и остатки битума смывают бензином.
Сразу же после очистки на трубу наносят грунтовку. Трубы,
оставленные на ночь без грунтовки, очищают повторно.
26
2. ИЗОЛЯЦИОННЫЕ РАБОТЫ
В настоящее время все процессы изоляции труб механизи-
рованы. Однако при малых объемах работ изоляция выполняется
вручную. Перед нанесением на трубопровод битумного покрытия
вначале наносят грунтовку (праймер).
Если процесс нанесения грунтовки механизирован, ее расти-
рают по поверхности трубы фибровыми щетками или брезенто-
выми полотенцами.
Трубы больших диаметров (800—1200 лг.ч) рекомендуется
покрывать грунтовкой по способу распыления. Желательная
толщина грунтовки 0,1—0,2 мм. При превышении этой толщины
снижается качество покрытия.
Степень твердения грунтовки проверяется легким нажатием
руки. Если грунтовка затвердела, то па ладони не остается следов
битума.
Обычно на строительство трубопровода поступает готовая
битумная мастика. Ее разогревают до температуры 160—200° С
в котле емкостью 0,5 м3. Для уменьшения опасности перегрева
толщина днища котла должна быть не менее 5 мм. Не рекомен-
дуется добавлять мастику в разогретый котел. Когда битумную
мастику приготовляют непосредственно на трассе, котел на 3/4
объема загружают битумом марки IV или смесью битумов марок
III и V. После этого разогревают битум до 160—180° С и доба-
вляют в котел остальную часть битума. В расплавленный битум
после предварительного просушивания и просеивания засыпают
небольшими порциями (при непрерывном перемешивании) напол-
нитель.
Готовая битумная мастика разогревается в чистых котлах.
После каждого опорожнения котлы тщательно очищают от грязи
и закоксовавшегося битума. Температура разогреваемой в котле
мастики определяется техническим термометром с градуировкой
до 250-300° С.
Расстояние от котла до места нанесения покрытия на трубы
не должно превышать 50 м. Если невозможно выполнить это
условие, материал подвозят к месту работ в передвижных кот-
лах (с подогревом). Слой покрытия должен быть не менее 1,5 дм».
Чтобы придать покрытию механическую прочность, трубу
обертывают крафт-бумагоп, гидроизолом, бризолом или другими
усиливающими материалами. Ширина оберточных полос для
труб диаметром 100—350 мм составляет 30 см, а для труб диа-
метром более 400 мм — 50 см. Трубы обертывают лентой по спи-
рали с перекрытием («нахлесткой») предыдущего слоя на 1,5—
2 см. Лента-обертка должна ложиться на трубу плотно, без скла-
док.
Изоляционные работы выполняются машиной ИМЛ-1 (рис. 19).
Она наносит на трубопровод слой изоляционного покрытия и одно-
временно обертывает его крафт-бумагой или гидроизолом.
27
Машина смонтирована на раме, на которой установлены бен-
зиновый двигатель мощностью 30 л. с., цилиндрический редуктор,
регулирующий работу двух насосов — ходового и обертываю-
щего механизмов. Под рамой на стойках подвешен резервуар
емкостью 500 л, в который вмонтированы два шестеренчатых насоса
производительностью 400 л/мин. Один насос закачивает горячее
битумное покрытие из котла в резервуар, а другой подает это
покрытие из резервуара в башмак.
Количество подаваемой мастики регулируется редуктором
насоса.
Башмак представляет собой металлическую коробку, состоя-
щую из нескольких секций, с горловиной в верхней части. Внутри
его находятся пружинные опоры,
регулируемые снаружи винтами,
при помощи которых изменяется
зазор между башмаком и наруж-
ной поверхностью трубопровода и
тем самым достигается необходи-
мая толщина изоляции. Конст-
рукция башмака обеспечивает
возможность перемещения маши-
ны через сварные стыки
труб.
Позади машины находится
обертывающий механизм, пред-
ставляющий собой обод, вращаю-
щийся при помощи двигателя.
На ободе установлены две шпули
с рулонами оберточного материа-
ла, снабженные тормозными уст-
ройствами для регулирования
Рис. 19. Общий вид трубоизоля- натяжения крафт-бумаги или гид-
ционной машины ИМЛ-I. роизола
Машина перемещается по тру-
бопроводу посредством пары зубчатых колес, которые нахо-
дятся под рамой.
Прижимное устройство, прикрепленное к переднему борту
резервуара, служит для устойчивости машины при движении.
Центр тяжести ее расположен низко, и когда резервуар наполнен
мастикой, машина достаточно устойчива на трубопро-
воде.
Машина снабжена баками для бензина (емкость 75 л), керо-
сина (емкость 30 л), горелкой для разогревания застывшего
в трубопроводах и насосах битумного покрытия и тормозным
устройством для работы на спусках.
В условиях эксплуатации за машиной передвигают котел
емкостью 2000 л с горячей мастикой, которую выкачивают в резер-
вуар через шланг. При временных паузах в работе мастику про-
28
должают непрерывно перекачивать из котла в резервуар и ооратно,
чтобы опа не затвердела.
Трубоизоляционную машину, так же как и трубоочиститель-
ную, обслуживает трубоукладчик, который, двигаясь впереди
машины, поддерживает трубу приподнятой над землей. К трубо-
укладчику прицепляют котел с битумной мастикой. Для работы
на трубах большого диаметра требуются два трубоукладчика.
Оба они располагаются впереди машины.
Скорость движения машины ИМЛ-1 по трубопроводу 0,15—
2,5 км/час. Производительность ее обусловлена производитель-
ностью трубоочистительной машины, пересеченностью местности,
временем простоя (заправочные работы) и другими факторами.
Агрегат выполняет работы по нанесению нормальной изоляции,
состоящей из одного слоя мастики толщиной 3 мм и обертки
из крафт-бумаги.
Технология приготовления грунтовки при нанесении ее на
трубопровод вручную заключается в следующем.
Битум марки IV кусками весом 1—2 кг загружают в котел
и подогревают до тех пор, пока битум не перейдет в жидкое состоя-
ние. Расплавленный битум переливают в металлический бак.
После этого охлажденный до 40° С битум растворяют бензином
(при энергичном перемешивании). Полученную грунтовку сли-
вают в герметически закрывающуюся тару через проволочную
сетку с ячейками размером 0,25 мм. На поверхность трубы грун-
товку наносят в холодном состоянии ровным слоем, без пропусков
и подтеков. На нижней части трубы грунтовку растирают бре-
зентовым полотенцем шириной 0,4—0,5 м и длиной 1,2—2 м.
К концам его прикреплены деревянные ручки длиной 0,6—0,8 м.
Квач изготовляют из мешковины, ширина его 0,3 м, а длина
должна быть достаточной для охвата половины окружности трубы.
Мешковину складывают по длине 5—6 раз и прикрепляют к кон-
цам двух держаков длиной по 0,7 м.
Усиленная изоляция наносится на трубопровод вручную
(после нанесения машиной нормального покрытия).
Для обеспечения высокого качества изоляции мастику завод-
ского изготовления следует доставлять на строительство в закры-
той таре.
В зимних условиях выполнение изоляционных работ значи-
тельно усложняется. Трудность состоит в том, что при отрица-
тельных температурах битум становится очень хрупким, сцепле-
ние его с поверхностью металла значительно снижается. Быстрое
остывание битумной мастики при нанесении на холодный металл
уменьшает прилипание ее к трубе и оберткам. Поэтому зимой
покрытие рекомендуется наносить в закрытом и утепленном
помещении. Однако при перевозке и укладке труб изоляция
может быть повреждена. В этом случае дефекты устраняют на месте
и одновременно изолируют сварные стыки. Когда покрытие
наносят на трубопровод в траншее, его тщательно очищают от
29
снега, льда и примерзшего грунта. Перед нанесением грунтовки
и мастики на трубу последнюю подогревают до полного испарения
влаги. Изоляцию следует наносить на теплую поверхность.
Трубы обогревают временными печами или специальными
трубообогревателями. Укладывать плеть в траншею рекомен-
дуется на талый грунт при полном отсутствии снега. Засыпать
траншею следует талым грунтом слоем 20—25 см от верха трубы.
Помимо битумной изоляции, для защиты трубопроводов от кор-
розии можно использовать покрытия из красок и эмалей. Но на
практике ошфючти не применяются, так как срок их службы очень
ограничен. Для откры-
тых трубопроводов, Под-
вергающихся только ат-
мосферным воздействиям,
он не превышает одного
года. Масляные краски
поглощают воду. Если при
этом они наносятся на
плохо очищенную поверх-
ность, то под слоем по-
крытия образуются про-
дукты коррозии,и краска
отделяется от металла.
Для торможения корро-
зионных продуктов иног-
да применяют краски, со-
держащие ингибиторы. Ме-
таллические сооружения,
Рис. 20. Влияние гидрофобизируютцей до-
бавки к грунту иа скорость капиллярного
подсоса.
соприкасающиеся с морской водой, защищают покрытиями из хло-
рированной резины, обладающей хорошей защитной стойкостью.
Дальнейшие исследования позволят проверить пригодность хло-
рированной резины как защитного покрытия для подземных
трубопроводов.
Опытами было установлено, что если в грунтовую смесь,
состоящую из 60% мелкого песка и 40% суглинка, ввести торфя-
ной деготь, то резко снизится капиллярное поднятие воды в смеси.
Если содержание дегтя составит 2,5% от веса грунта, капилляр-
ный подсос совсем прекратится (рис. 20).
Эти свойства обработанного грунта могут быть использованы
при защите трубопроводов от коррозии. Опыты ВНИИСТ пока-
зали, что трубопроводы, покрытые обработанным грунтом (тол-
щиной 10 см), не корродировали в течение года.
Образцы грунтов в виде кубиков размерами 4x4x4 см3
(влажность 2,5%) имели следующее сопротивление (в олг):
песок мелкий............................. 3 500
то же с добавлением 5% дегтя.......... 120 000
суглинок .............................. 100 000
то же с добавлением 9% дегтя .......... 500 000
30
Среди различных грунтов лучшие результаты дают песок,,
супесь и тощие суглинки. Можно использовать грунт, вынутый
из траншеи.
Для обработки песка требуется 6—8% вяжущего материала
(торфяной деготь), для супеси — 8'—10% и суглинка — 12—14%
от объема грунта.
Грунт сначала просушивают (перелопачиванием), а затем
смешивают с вяжущим материалом. Естественная влажность
грунта допускается от 3 до 8%; содержание растворимых солей
в обрабатываемом грунте не должно превышать 0,2—0,3% от
веса грунта. Изоляция из обработанного грунта имеет толщину
не менее 10 см.
В практике строительства трубопроводов этот метод не полу-
чил широкого применения, так как он связан с большим расхо-
дом обработанного грунта.
3. СРОК СЛУЖБЫ И РЕМОНТ ПОКРЫТИЙ
Эксплуатация подземных металлических трубопроводов пока-
зала, что с течением времени покрытия стареют и подлежат капи-
тальному ремонту На некоторых трубопроводах, проложенных
в солончаковых грунтах, покрытие полностью изнашивалось
за 2—3 года.
Сроком службы покрытий принято считать период от укладки
трубопровода в землю до первого капитального ремонта изоля-
ции. Срок службы трубопровода значительно больше, чем его
покрытия. Однако иногда наблюдались факты сквозного про-
ржавления трубопровода при общем хорошем качестве изоляции.
Объясняется это случайными повреждениями покрытия при
укладке трубопровода в траншею.
Процесс разрушения битумов еще мало изучен. Проведенными
во ВНИИСТ опытами установлено, что защитные свойства биту-
мов разных заводов значительно колеблются и что наиболее
стойкими в условиях катодной защиты являются покрытия из мало-
зернистых битумов.
Известно, что электрозащита ускоряет процесс «старения»
битумных изоляционных покрытий. Главная причина этого —
электроосмос, который способствует проникновению электролита
(влаги) через слой покрытия к металлу. Поэтому на поверхности
защищаемого металла возможны процессы деполяризации.
Опыты показали, что верхний предел защитного потенциала
нормальных битумных покрытий колеблется от 1,0 до 1,2 в. Для
более стойких покрытий, например битумно-резиновых и из ка-
менноугольных пеков, защитный потенциал не может превысить
1,5 в (эти значения отнесены к медносульфатпому электроду).
Добавка каолина в битумы в условиях катодной защиты
снижает их защитные свойства в большей или меньшей степени
в зависимости от свойств основного битума. Наоборот, добавка
31
размолотого известняка и дробленой резины повышает защитные
свойства битумов тем больше, чем хуже качество исходного
битума.
При введении 1—3% (от веса битума) полистирола значительно
повышается стойкость покрытий по отношению к щелочам и пони-
жается возможность отслаивания покрытий вследствие катодной
защиты.
Как показали опыты, покрытия из каменноугольных пеков
в условиях катодной защиты более стойки, чем битумы, получен-
ные из нефти. Так, у покрытий из каменноугольных пеков при
различных значениях отрицательных потенциалов (от 0,85 до 2 в)
после 8 месяцев не наблюдалось изменений прилипаемости,
а у битумных покрытий прплипаемость уменьшилась после 3'—
4 месяцев.
Применяемые для покрытий материалы разнообразны по своим
качествам; различны структура и коррозионность грунтов, в кото-
рые укладывают изолированные трубопроводы. Поэтому опре-
делить практически приемлемые межремонтные сроки изоляции
не представляется возможным. Как показывает практика, на тру-
бопроводе, уложенном в солончаках, битумную изоляцию ремон-
тировали через 2—3 года, в грунтах повышенной коррозионности—
через 5—7 лет и средней коррозионности — через 10—15 лет.
Средние практические сроки службы нормальной изоляции для
грунтов средней коррозионности 10—15 лет, повышенной — 5—
10, высокой — 3—5 и весьма высокой — 1—3 года. По мере того
как покрытие изнашивается, возникает необходимость капиталь-
ного ремонта. Так как объем и стоимость работ по переизоляции
уложенных в землю трубопроводов очень велики, покрытие
восстанавливают выборочно. При отсутствии электрозащиты
участки, подлежащие капитальному ремонту, выбирают на осно-
вании измерений анодных и катодных зон. Эти места шурфуют,
определяют состояние покрытия и ремонтируют его.
Одновременно с выявлением катодных и анодпых зон изме-
ряют удельное сопротивление грунта и места, где оно невысоко,
также шурфуют. При плохом состоянии покрытия трубопровод
вновь изолируют. Если есть электрозащита, изоляцию ремонти-
руют в первую очередь там, где резко снижена протяженность
зоны защиты.
Прп вскрытии грунта ремонтируют не только изоляцию, но
и сам трубопровод: наваривают заплаты, заваривают раковины
и, если это необходимо, заменяют отдельные звенья труб.
При механизированной откопке трубопроводов основную часть
грунта вынимают экскаватором, а оставшийся слой толщиной
20— 30 см — вручную, чтобы пе повредить трубы. Если трубо-
провод поврежден на большом протяжении, то грунт вскрывают
на участках по 300—400 м, а между ними оставляют перемычки
длиной 50—100 м. После засыпки основных участков вскрывают
промежуточные и ремонтируют изоляцию на них. В траншее
32
трубопровод при помощи скребков и стальных щеток очищают
от старой изоляции и ржавчины. Затем, удалив с него влагу,
приступают к грунтовке.
Если трубопровод поднимают на бровку траншеи, то для его
очистки используют трубоочистительную машину. Изоляцию нано-
сят после проверки качества очистки.
При перекачке по трубопроводу продукта во время выполне-
ния ремонтных работ необходимо соблюдение особых мер пре-
досторожности. Иногда приходится прекращать транспортиро-
вание продукта.
4. ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ЗА РУБЕЖОМ
Номенклатура изоляционных материалов в США включает
до 3000 наименований. Широко распространены здесь изоляцион-
ные мастики. Получаемые на основе каменноугольных пеков
и смол они применяются только в сочетании с высококачествен-
ными обмоточными материалами, так как в холодном состоянии
отличаются хрупкостью и текучестью.
Среди разнообразных обмоточных материалов в последние
годы все большее развитие получают покрытия на основе синте-
тических смол.
По литературным данным, 67% строительных фирм применяют
изоляцию из каменноугольных смол, а остальные — из битума
и пластмасс.
Обмоточные стеклопластики используются в виде стеклотка-
ней и тонкого войлока (0,5 мм).
Большое значение придают в США сохранности покрытий
при перевозке изолированных труб и опускании их в траншею.
Для наружной защиты применяют иногда рубероид, а также
арнирование изоляции проволочной сеткой.
Разнообразные покрытия из синтетических смол и пластмасс
наносятся на трубы путем окраски, горячим напылением и в виде
ленточных обмоток. Основой для изготовления этих покрытий
служат полихлорвинил, хлоркаучук, полиэтилен, саран, фури-
ловые, эпоксидные и акриловые смолы, тиоколы, нейлон и дру-
гие материалы.
Наибольший интерес представляют патентованные покрытия
следующих типов.
1. Аритемп — однокомпонентная эпоксидная смола (в виде
порошка), наносимая горячим распылением.
2. Семпрен — покрытие из синтетического каучука, прочное,
самоприлипающее.
3. Лента из стекловолокна, пропитанная составом денсо (пла-
стифицированный битум).
4. Лента из стеклянного войлока толщиной 0,5 мм, наносимая
на трубу в заводских условиях. Лента пропитывается пеком
с пластифицированным битумом. В результате образуется плот-
3 заказ 31.
33
ное покрытие, отличающееся водостопкостью, прочностью и тер-
мостойкостью.
5. Паркопласт — перхлорвинил с пластификатором.
6. Искусственный каучук из хлорсульфированного полиэти-
лена, выпускаемый в виде ленты и защитных красок.
7. Лактикрит — покрытие из бетона с примесью каучука,
характеризуемое стойкостью против трещин, ударов, непрони-
цаемостью для воды, обладающее хорошей прилипаемостью к ме-
таллу.
8. Поликен 900 — полиэтиленовая лента толщиной 0,2 мм
с клеящей адгезивной массой толщиной 0,1 мм. Наносится на трубу
без грунтовки специальной машиной, имеющей две пары обмоточ-
ных катушек: с полиэтиленовой лентой и с лентой из асбестового
или стеклянного войлока, пропитанного каменноугольной смо-
лой. Покрытие обладает высокими диэлектрическими свойствами,
механически прочно и не подвержено быстрому старению.
9. Смола эпикот, на основе которой создается большое коли-
чество разнообразных покрытий, твердых, гибких и стойких
в агрессивных средах.
10. Пликоплекс 340 — многослойная лента из полихлорви-
нила и бутилового каучука, накладываемая в холодном виде.
11. Дуратеп — обмоточная лента для изоляции стыков трубо-
провода (стекловолокнистый материал в сочетании с каменно-
угольной смолой).
12. Тимокат — асфальтовое покрытие для морских трубопро-
водов. Состоит из смеси битума с утяжелителем — баритом и корот-
ким стекловолокном.
13. Николет — асбестовый войлок, пропитанный неопреном
и армированный стекловолокном.
В Англии наиболее широко применяются покрытия на основе
каменноугольных смол и битумов с усилением стеклотканью.
Качеству ее придается большое значение, для изготовления стекло-
ткани применяется боросиликатное, щелочестойкое стекловолокно.
В Канаде для изоляции трубопроводов используются те же
материалы, что и в США, например, на трансканадском газо-
проводе — битумное покрытие с обмоткой рулонными материа-
лами, эпоксидные смолы и мастика на основе озокерита, усилен-
ная прочной обмоткой.
В Германской Демократической Республике в настоящее время
применяют битумную мастику или мастику на основе каменно-
угольной смолы, усиленную стеклотканью, а также липкую
полихлорвиниловую ленту.
В Чехословакии используют битумные покрытия четырех
видов: простую, двойную, тройную и четырехкратную. Трубы
изолируют непосредственно на трубопрокатных заводах. На трассе
только изолируют вручную сварные швы и ремонтируют повре-
ждения (при транспорте) заводских покрытий. С 1953 г. изоля-
ционные покрытия изготовляют в Чехословакии на заводах
34
с применением стеклянных тканей или стеклянного войлока.
В 1957 г. начато производство пластических изоляционных бин-
тов, значительно повышающих срок службы трубопроводов и эко-
номящих время и рабочую силу.
Опыт эксплуатации изолированных трубопроводов показы-
вает, что применяемые в настоящее время покрытия во многом
несовершенны. Поэтому в СССР и за рубежом ведутся работы
по изысканию экономичных и долговечных материалов.
5. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОКРЫТИЙ
Срок службы изоляции зависит от многих причин и в первую
очередь от того, как нанесено покрытие на трубу. Небольшие
дефекты изоляции, возникающие из-за плохого качества работ
по нанесению покрытия на металл, быстро увеличиваются в усло-
виях эксплуатации, значительно сокращая срок службы соору-
жения.
Выше уже отмечалось, что для изоляции трубопроводов широко
применялись битумные покрытия. До укладки трубопровода
в траншею покрытие тщательно контролируется и устраняются
обнаруженные дефекты.
При контроле битумных покрытий проверяют: степень прили-
пания покрытия к степке трубопровода (адгезия); толщину изоля-
ции как по периметру, так и по длине трубопровода; сплошность
покрытия.
При контроле адгезии из покрытия вырезают полоску шири-
ной 10—12 мм. Для этого кончиком лезвия на покрытии проводят
две прямые линии под углом 40—50° и отрывают полоску изоля-
ции от трубопровода.
При плохом сцеплении изоляции с металлом полоска легко
отделяется от трубопровода. При хорошем сцеплении сделать это
очень трудно. Недостатком такого метода контроля является
нарушение сплошности изоляции. Поэтому адгезию (прилипае-
мость) покрытия проверяют выборочно.
Для измерения толщины изоляции применяют микрометри-
ческие и рычажные глубиномеры. Первые изготовляются из обыч-
ного микрометра, погрешность их измерения 0,01 мм. Вторые
(рис. 21) имеют погрешность измерения 0,1 мм и состоят из метал-
лической пластинки и поворотного рычага с острием. Показания
прибора отсчитываются по шкале.
При этих методах контроля адгезии и толщины покрытия
нарушается сплошность покрытия. Поэтому уменьшается воз-
можность широкого применения глубиномеров для контроля
толщины покрытия. Обычно после измерений толщины изоляции
последнюю приходится восстанавливать в местах нарушения.
Кроме того, измерения посредством глубиномеров требуют
сравнительно больших затрат времени, что ограничивает исполь-
зование этих приборов.
3*
35
Во ВНИИСТ разработаны новые приборы — магнитоэлектри-
ческие толщиномеры, применение которых не вызывает наруше-
ний сплошности покрытия.
На рис. 22 показан общий вид опытного образца толщиномера
Т-55. Принцип его работы заключается в изменении магнитного
поля прибора при приближении его к металлу, на который нане-
сено покрытие.
На рис. 23 представлена принципиальная схема толщиномера
Т-55. Он состоит из двух постоянных магнитов 5, между которыми
помещена подвижная рамка 3 с обмот-
кой 4. При нажатии кнопки 6 ток от
батареи 7 проходит по обмотке по-
движной рамки, которая не будет
отклоняться, так как находится в
плоскости, в которой магнитное по-
ле равно нулю. Если около нижних
концов магнитов поместить железо,
вблизи рамки прибора возникает
Рис. 21. Рычажный глубиномер. Рис. 22. Общий вид опытного толщи-
номера Т-55.
магнитное поле. Но мере приближения металла к магнитам оно уве-
личивается. Находясь в магнитном поле, рамка, при прохождении
через нее тока отклоняется вправо. Магнитное поле зависит
от расстояния между концами магнитов п металлом, поэтому
отклонение подвижной рамки прибора пропорционально этому
расстоянию. Оно фиксируется на шкале 1 стрелкой 2, которая
связана с рамкой. Так как для покрытий применяются немаг-
нитные материалы, то при установке прибора на изолированный
трубопровод стрелка указывает толщину изоляции.
Реостат 8, находящийся в цепи обмотки рамки, служит для
регулирования тока при установке стрелки толщиномера на нуль,
а также для перестройки прибора, если меняются магнитные
свойства металла, на который нанесено покрытие.
36
Все детали толщиномера заключены в небольшой круглый
корпус из пластмассы. На передней его стенке находятся шкала
и корректор для возвращения стрелки прибора в начальное
положение; на задней стенке — кнопка включения тока и регу-
лировочный винт реостата.
В связи с высоким электрическим сопротивлением обмотки
подвижной рамки толщиномера и непродолжительностью одного
измерения (10—15 сек.) расход тока на каждое измерение незна-
чителен. Толщиномер имеет следующую техническую характе-
ристику:
тип ................................................. Т-55
диаметр корпуса прибора, мм .........................70X43
вес, г................................................ 200
пределы измерения (толщины покрытия), мм .... 0—12
погрешность измерений, % .......................... 3—5
продолжительность одного измерения, сек...........10—15
число измерений (без смены сухого элемента), тыс. . . 35—40
Толщиномер Т-55 пригоден для измерений в полевых условиях.
Он позволяет определять толщину покрытия без дополнительной
регулировки на трубопро-
водах диаметром 4" и
выше. Всесторонние ла-
бораторные и производ-
ственные испытания опыт-
ного образца толщиномера
Т-55 показали его высокие
эксплуатационные каче-
ства.
Магнитный толщино-
мер МТ-57 предназначен
для измерения покрытий
толщиной до 10 мм на
стальных трубопроводах.
Принцип его действия за-
ключается в изменении
магнитного поля постоян-
ного магнита толщиномера
Рис. 23. Принципиальная схема магнито-
электрического толщиномера Т-55.
под влиянием металла тру-
бы. Сила взаимодействия магнита со стальной стенкой трубопровода
тем больше, чем ближе находится магнит, т. е. чем меньше тол-
щина изоляции. Под влиянием этой силы взаимодействия магнит
поворачивается. Угол его поворота зависит от толщины слоя
покрытия.
Принципиальная схема магнитного толщиномера МТ-57 пока-
зана на рис. 24. Прибор состоит из призматического постоянного'
магнита 1, спиральной пружины 2, балансиров 4, укрепленных
на оси 3. С подвижной системой связана стрелка прибора 5,
конец которой перемещается по шкале 6. Спиральная пружина 2
37
создает противодействующий момент на оси стрелки 5. При помощи
этой пружины подвижная система прибора устанавливается пер-
воначально в исходное положение.
Для повышения чувствительности толщиномера используется
дополнительный постоянный магнит. Как и магнит подвижной
системы, он изготовлен из специальных сплавов «магнико» или
«альнико» и намагничен с силой 2—2,5 тыс. ав/см.
Толщиномер снабжен фиксатором, который в процессе изме-
рения позволяет закреплять стрелку в заданном положении.
Благодаря этому измерения можно проводить в различных точ-
ках трубопровода (по окружности) с фиксацией стрелки толщи-
номера для последующего отсчета показаний.
Магнитный толщиномер МТ-57 характеризуется следующими
техническими данными:
габариты, мм ....................... 54X50X30
вес, г................................. 67
длина шкалы, мм........................ 45
погрешность измерения, мм........... 3—15
время успокоения стрелки, сек. ... 1,5
Сплошность покрытий при пользовании толщиномерами МТ-57
не нарушается. Отсутствие источников питания в толщиномере
Рис. 24. Принципиальная схема маг-
нитного толщиномера типа МТ-57.
F — сила взаимодействия; 1 — подвижной
магнит; 2 — спиральная пружина; з — ось
вращения; 4 — противовесы; 5 — стрелка;
6 — шкала; 7 — стенка трубы.
МТ-57 делает его более про-
стым и удобным в обращении.
Для контроля сплошности
покрытий применяют искровые
и низковольтные дефектоскопы.
Искровые основаны на контроле
покрытий высоким напряже-
нием. Если в изоляции есть
сквозное отверстие, то между
щупом дефектоскопа и трубо-
проводом проскакивает элект-
рическая искра. Напряжение
при контроле битумного покры-
тия зависит от толщины изоля-
ции. Для нормального покры-
тия оно должно быть 10—15 кв,
для усиленной изоляции — 24—
30 кв и весьма усиленной —
30—40 кв. Искровые дефекто-
скопы, работающие при напря-
жении до 50 кв, позволяют обнаруживать лишь сквозные де-
фекты в изоляции, так как чистый битум является хорошим
диэлектриком (пробивное напряжение битума 50—80 кв/мм).
Примеси каолина в битуме значительно снижают пробивное
напряжение. Так, при 20% этих примесей оно уменьшается до
40—45 кв/мм.
38
На рис. 25 показана принципиальная электрическая схема
искрового дефектоскопа конструкции Е. Д. Овчинникова. Прибор
состоит из аккумулятора ЗМТ-7 напряжением 6 в, выключателя,
высоковольтного индуктора и искателя с сигнальной неоновой
лампочкой, загорающейся при проскакивании искры между сер-
повидной проволочной щеткой и трубопроводом в месте повре-
ждения покрытия. Прибор переносный, размеры его
360 х 125 х 150 мм, вес 7,5 кг.
Для выполнения значительного объема работ применяется
передвижной (на роликах) дефектоскоп. Впереди него расположен
электроискатель — круглая стальная пружина, которая охва-
Рис. 25. Принципиальная электрическая схема искрового дефектоскопа
Е. Д. Овчинникова.
1 — аккумуляторная батарея; 2 — выключатель; з — высоковольтный индуктор; 4 —
токопрерыватель; 5,6 — провод высокого напряжения; 7 — ручка искателя; 8 — иска-
тель; 9 — изолированная труба; 10 — трубопровод; 11 — воздушный зазор, 50 лсм:
1-2 — конденсатор; 13 — неоновая лампочка; 14 — воздушный зазор 2 л<,и.
тывает трубу по всему периметру и перекатывается по ней при
передвижении дефектоскопа. Когда на его пути оказывается
повреждение, включается световой или звуковой сигнал.
При работе с искровыми дефектоскопами следует пользоваться
перчатками, чтобы избежать довольно чувствительных ударов.
Выпускаемые промышленностью искровые дефектоскопы раз-
вивают напряжение до 12—15 кв, поэтому их можно использовать
для контроля сплошности нормальной битумной изоляции тол-
щиной 3 мм. Применяемые механические (релейные) прерыватели
быстро изнашиваются в процессе эксплуатации и их приходится
часто регулировать и менять.
ВНИИСТ разработал универсальный искровой дефектоскоп
УДИП-59, развивающий напряжение (40 кв), достаточное для
контроля сплошности битумной изоляции всех видов толщиной
до 9 мм. Питание дефектоскопа осуществляется от аккумулятор-
ной батареи напряжением 6 в, расход тока при этом незначителен.
39
Преобразование постоянного напряжения в переменное проис-
ходит в генераторе, собранном на германиевых триодах.
На рис. 26 показана принципиальная схема универсального
искрового дефектоскопа УДИП-59. Он состоит из преобразова-
теля, блока высокого напряжения и источника питания. Преобра-
зователь предназначен для получения переменного тока частотой
до 16—18 кгц и выполнен на германиевых триодах П-201 с зазе-
мленным эммитером.
Трансформатор генератора имеет шесть обмоток: коллектор-
ную 1, базовую 2 и четыре повышающие 3. Сердечник трансфор-
Рис. 26. Схема универсального искрового дефектоскопа УДИП-59.
матора изготовлен из специального сплава феррит-600. Для
регулирования режима работы генератора и получения более
высокого к. п. д. в цепь средних точек обмоток коллектора и базы
включается сопротивление 4, заблокированное конденсатором 5.
Чтобы уменьшить межвитковую емкость, повышающие обмотки 3
выполнены из отдельных секций.
Блок высокого напряжения, состоящий из выпрямителя 6
и конденсаторов 7, собирают по однополупериодной схеме: на
каждую секцию устанавливают по пять германиевых диодов
ДГЦ-27.
Носителями напряжения являются конденсаторы 7 емкостью
0,5 мкф, которые заряжаются до 2—3 кв через выпрямитель.
Постоянное напряжение подается с конденсаторов на искровой
промежуток 8 через первичные обмотки 9 индукционных катушек.
При напряжении 2—3 кв искровой промежуток 8 пробивается,
и происходит разрядка конденсаторов 7. При этом разрядный
ток проходит через первичные обмотки индукционных катушек
(ИК). На вторичных обмотках ИК 10 при разряде конденсаторов
развивается напряжение 40—50 кв. Для контроля напряжения
40
на дефектоскопе установлен второй искровой промежуток 11,
через который проскакивает искра. ~
Параллельно второму искровому промежутку подключают спи-
раль искателя и провод, подсоединяемый к стенке трубы.
Если при работе дефектоскопа искра проскакивает между
щупом и стенкой трубы, а во втором искровом промежутке ее нет,,.
Рис. 27. Общий вид дефектоскопа УДИП-59.
то это свидетельствует о повреждении покрытия. На рис. 27
искровой дефектоскоп показан в процессе работы.
Дефектоскоп УДПП-59 имеет следующую характеристику:
вес, кг ................................. 15
емкость шестпвольтового аккумулятора для питания
дефектоскопа, а-ч ................. 7—14
напряжение для изоляции толщиной 3 мм, кв .. . 15
» » » » 9 мм, » . . . 36
величина тока для З-.и.и покрытия, ма.... 400
» » для покрытия 6—9 мм........... 1600
Для выборочного контроля изолированных трубопроводов
ВНИИСТ разработан инспекторский дефектоскоп. При значи-
тельно меньшем весе он позволяет контролировать сплошность
до укладки труб в грунт.
Низковольтные дефектоскопы основаны на измерении сопро-
тивления покрытия. При повреждениях изоляции сопротивление
ее резко снижается, что отмечается измерительным прибором.
Низковольтными дефектоскопами можно определять лишь сквоз-
ные повреждения сухих покрытий.
Низковольтный дефектоскоп предложен Никулиным, имеет
влажный искатель — насаженную на латунную трубку волося-
ную щетку, которая периодически смачивается мыльной водой.
41
На рис. 28 показана электрическая схема низковольтного
дефектоскопа. В пей используется электронная лампа, анодным
токТкоторой зависит от сопротивления изоляционного покрытия
(между анодом и экранирующей сеткой). При большом сопро-
Рис. 28. Электрическая схема низковольтного дефектоскопа.
1 — миллиамперметр; 2 — электронная лампа; 3 — влажный искатель; 4 — трубопровод;
ъ — изоляция; 6 — сопротивление; 7 — сеточная батарея; 8 — накальная батарея;
9 — анодная батарея.
тпвлении и отсутствии дефектов ток в анодной цепи лампы невелик,
а стрелка прибора не отклоняется. Если же искатель оказывается
над сквозным отверстием в покрытии, то сопротивление цепи
резко уменьшается, ток в анодной цепи лампы увеличивается
гл стрелка смещается от начального положения.
ГЛАВА III
КАТОДНАЯ ЗАЩИТА
МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
ОТ ПОЧВЕННОЙ коррозии
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Катодная защита от почвенной коррозии распространяется все
шире, так как она обеспечивает длительный срок службы маги-
стральных трубопроводов. На рис. 29 показано, как резко сни-
жается число проржав-
лений на участке маги-
стрального трубопровода
после ввода в действие
установки катодной защи-
ты (УКЗ).
Катодная защита под-
земного трубопровода за-
ключается в создании раз-
ности потенциалов между
трубопроводом и окру-
жающим его грунтом, при
которой трубопровод яв-
ляется катодом. Возник-
/545 1945 1947 1949 1951 1953
Годы
Рис. 29. Количество проржавлений тру-
бопровода до и после осуществления ка-
тодной защиты.
новения разности потенциалов можно достигнуть при помощи
источника постоянного тока. Для этого отрицательный
его полюс соединяют непосредственно с трубопроводом, а поло-
жительный — через электроды-заземлители (анодное заземление)
с грунтом. Они устанавливаются в стороне от участка, подле-
жащего катодной защите.
Магистральные трубопроводы являются обычно металличе-
скими, поэтому при соприкосновении их с грунтом возникает
разность потенциалов труба — земля, обусловленная тем, что
каждый металл в электролите имеет свой электродный потенциал.
Этот электрохимический потенциал называется естественным потен-
циалом труба — земля.
Катодную защиту трубопровода можно выполнить при помощи
гальванических анодов (протекторов), электрохимический потен-
циал которых ниже, чем у трубопровода. Протекторы устана-
вливают в грунт и подключают к защищаемому трубопроводу.
43
В возникающей при этом гальванической паре трубопровод
является катодом, а протекторы — анодами.
При защите трубопровода катодными установками применяют
распределенные и протяженные (протекторная защита), а также
сосредоточенные аноды (защита катодными станциями и протек-
торами). На рис. 30 изображены принципиальные схемы катодной
защиты трубопровода с различными анодами. Разность потен-
циалов труба — земля, вызванная катодной установкой, распре-
деляется вдоль трубопровода неравномерно. При расположении
Рис. 30. Распределение потенциалов труба—земля при защите трубопровода
катодными установками с различными анодами.
а — с сосредоточенным анодом; б — с протяженным анодом; в — с раснреяеленнымп
анодами,
1 — анод; 2 — трубопровод; з — распределение потенциалов вдоль трубопровода.
анода против точки дренажа УКЗ здесь находится максимальная
(абсолютная) величина этой разности потенциалов (<7Д. 0). По мере
удаления от точки дренажа в обе стороны вдоль трубопровода
наложенная разность потенциалов труба — земля уменьшается:
наиболее неравномерно она распределяется при сосредоточенных
анодах, наиболее равномерно — при протяженных. Основным
параметром, характеризующим защиту трубопровода от почвен-
ной коррозии, является величина минимальной (общей) разности
потенциалов труба — земля (С7М. 0). Она принимается равной —0,85 в-
по медносульфатному электроду сравнения. Чрезмерное завы-
шение разности потенциалов труба — земля вредно влияет на
связь (адгезию) изоляции с трубой.
Максимальная величина общей разности потенциалов труба —
земля (С7д. 0) для трубопровода с битумной изоляцией не должна
превышать —1,2 вис противокоррозионным покрытием, имею-
44
щим частичное разрушение, —1,5 в (по медносульфатному элек-
троду). Каждая из перечисленных выше величин Un. 0 и Uu. 9
представляет собой сумму естественной (t/e) и наложенной раз-
ностей потенциалов труба — земля:
Ид. о “ -f- UД,
им. о = U, + им,
где ил—-величина наложенной разности потенциалов труба —
земля в точке дренажа в в;
L'M— величина минимальной наложенной разности потен-
циалов труба — земля в в.
Протяженность защитной зоны УКЗ определяется длиной
участка трубопровода, на границах которого обеспечивается
защитная разность потенциалов труба — земля —0,85 в (по мед-
носульфатному электроду). При неизменной наложенной раз-
ности потенциалов труба — земля в точке дренажа протяженность
зоны катодной защиты зависит в основном от качества изоля-
ционного покрытия трубопровода, расстояния между трубопро-
водом и анодом, диаметра и толщины стенки трубопровода и удель-
ного сопротивления грунта.
Ток в цепи УКЗ создает более положительный потенциал
грунта и более отрицательный потенциал трубопровода. При
малом расстоянии между трубопроводом и анодом на величину
наложенной разности потенциалов труба — земля основное влия-
ние оказывает создаваемый потенциал грунта. При большем
удалении анода от трубопровода более интенсивным может быть
влияние создаваемого потенциала трубопровода.
Для защиты магистральных трубопроводов одиночной катод-
ной установки недостаточно, нужно несколько совместно дей-
ствующих УКЗ. При этом необходимо учитывать их взаимное
влияние, выражающееся в некотором повышении наложенной
разности потенциалов труба — земля и позволяющее увеличивать
защитную зону каждой установки.
Для защиты участка трубопровода иногда применяют катод-
ную станцию и протекторы или два различных источника тока
(комбинированные катодные установки). В зависимости от харак-
тера участка трубопровода плечи защиты могут быть конечной
пли бесконечной длины. Количество их (одно или два) опреде-
ляется местом подключения катодной установки к трубопроводу.
Обычно при наличии двух плеч защиты участок трубопровода,
расположенный от точки дренажа к началу трассы, называют
левым плечом, а по другую сторону от точки дренажа УКЗ —
правым.
45
2. ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДА КАТОДНЫМИ СТАНЦИЯМИ
Катодной станцией называется устройство, предназначенное-
для защиты магистральных трубопроводов от коррозии и состоя-
щее из источника постоянного тока (преобразователя тока),
контрольно-измерительных, защитных, коммутирующих и регу-
лирующих элементов, а также приборов.
Схема защиты трубопровода катодной станцией показана
на рис. 31. Основными элементами УКЗ по этой схеме являются
источник (или преобразователь) постоянного тока и анодное-
заземление.
—U-; М < * _L( * * 1J. > 1J LU U 1 LI 1 UL1-* '-'-MJ j
—г I I ) I I ♦ I I ♦ t/l I f I I f I I I I 4 I I * 1 I I l J I ri I T
Рис. 31. Схема защиты трубопровода катодной станцией.
1 — трубопровод; 2 — катодная станция; а — заземление.
В зависимости от местных условий применяемые в катодных
станциях источники постоянного тока можно разделить на две-
основные группы. К первой группе относятся различные преобра-
зующие устройства: выпрямители, двигатель-генераторы и одно-
якорные преобразователи; ко второй — генерирующие устройства:
ветроэлектростанции, электростанции с двигателями, работаю-
щими на топливе из трубопровода или на привозном топливе,
термоэлектрогенераторы, агрегаты с турбинками и химические
источники тока (последние не получили широкого распростра-
нения, так как их можно использовать только при незначитель-
ных токах в цепи УКЗ).
Электрические двигатели — генераторы и одноякорные пре-
образователи — сложны в эксплуатации и имеют низкий к. п. д.,
поэтому они применяются лишь там, где есть электросети посто-
янного тока. Термоэлектрогенераторы и агрегаты с турбинками
используются только как опытные УКЗ. Катодные станции с дви-
гателями внутреннего сгорания из-за сложности эксплуатации
и необходимости частого ремонта их применяются ограниченно.
Более широко распространены ветроэлектростанции. Однако наи-
46
большее применение нашли катодные станции с выпрямителями;
это наивыгоднейший вариант катодной защиты трубопроводов
для районов, где есть электросети.
КАТОДНЫЕ СТАНЦИИ С ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ
Для катодной защиты магистральных трубопроводов приме-
няют УКЗ с полупроводниковыми выпрямителями, отличающи-
мися простым устройством, отсутствием вращающихся частей,
высокой механической прочностью, постоянной! готовностью к дей-
ствию, длительным сроком службы, надежностью в эксплуатации
и высоким к. п. д.
Основой всякого выпрямителя является выпрямительный эле-
мент (диод, вентиль). Он характеризуется зависимостью между
приложенным к элементу напряжением и протекающим через
него током (вольтамперная характеристика). Лучше всего каче-
ство выпрямительного элемента определяется зависимостью между
мгновенными значениями тока и напряжения при приложении
к элементу переменного напряжения (динамическая характе-
ристика).
Переменным напряжением называется эффективное значение
синусоидального переменного напряжения, подаваемого на вход
выпрямителя, а выпрямленными напряжением и током — средние
за период значения на выходе выпрямителя.
Зависимость напряжения от тока в пропускном направлении
определяет падение напряжения в элементе и, следовательно,
потери в нем. Зависимость обратного тока от обратного напря-
жения обусловливает допускаемое обратное напряжение, вен-
тильную прочность элемента, а также потери от обратного тока
(обратные потери).
Номинальным эксплуатационным называется режим работы
выпрямителя в предусмотренной для него схеме при номинальных
значениях переменного напряжения и выпрямленного тока, актив-
ной нагрузке и в нормальных климатических условиях.
Сроком службы выпрямителя называется время, в течение
которого выпрямленное напряжение не эксплуатировавшегося
ранее выпрямителя при работе его в номинальном эксплуатацион-
ном режиме (в однофазной мостовой схеме) снижается не более
чем на 10% по сравнению с поминальным значением.
Вольтамперная характеристика у полупроводниковых выпря-
мителей имеет нелинейный характер. Из нелинейного характера
зависимости I = / (£7) вытекает нелинейный характер зависи-
мости г = / (U), которая может быть получена как в средней
так 11 в Дифференциальной форме При различном со-
четании выпрямителей могут быть образованы разные схемы выпря-
мления, например: мостовая, схема удвоения напряжения и т. д.
Каждая схема обеспечивает получение выпрямления определен-
47
ного вида: однополупериодное или двухполупериодное, одно-
фазное или многофазное.
Из известных полупроводниковых выпрямителей большое зна-
чение приобрели к настоящему времени купроксные, селеновые,
германиевые и кремниевые выпрямители. Естественно, что выпря-
'Рис- 32. Вольтамперные харак-
теристики меднозакисного выпря-
мительного элемента.
al—длнУтока; б — для плотности тока.
митель каждого вида имеет спе-
цифические особенности, которые
определяют целесообразность его
использования для решения кон-
кретных задач.
Меднозакисный выпрямитель-
ный элемент представляет собой
медную пластину, покрытую с од-
ной стороны полупроводником —
слоем закиси меди, к которому
прижат свинцовый диск. Между
медью и ее закисью находится
тонкий плохо проводящий запи-
рающий слой. Слой чистой меди
является катодом, а слой закисп
меди — анодом. Проводящее на-
правление — от свинца к меди,
а запирающее — обратное.
Для лучшего контакта на по-
верхности закиси меди имеется
слой водного раствора графита.
От силы прижатия свинцовой
пластинки к поверхности заки-
си меди зависит проводимость
выпрямителя, поэтому давление
здесь довольно значительно —
50—60 кПсм2. Для улучшения
отвода тепла от выпрямителя
нередко между отдельными вы-
прямляющими элементами расположены радиаторные пластины
и дистанционные шайбы.
Для предохранения меднозакисных выпрямителей от проник-
новения влаги они покрыты водостойкими лаками.
^На рис. 32 приведены вольтамперные характеристики в про-
пускном и непропускном направлениях выпрямительного эле-
мента и коэффициент выпрямления к (отношение прямого тока
к обратному, измеряемое при одном и том же напряже-
нии),^
Сопротивление выпрямителя как в прямом, так и в обратном
направлениях в большой степени зависит от температуры и при-
ложенного напряжения (рис. 33). Прямое сопротивление очень
велико при небольшом значении приложенного напряжения
(порог напряжения 0,1—0,2 в на элемент).
48
Характерно для меднозакисного выпрямителя явление пол-
зучести: при неизменном обратном напряжении обратный ток
самопроизвольно растет сначала быстро, а затем медленно уста-
навливаясь (рпс. 34). Допускаемые плотности тока в пропускном
направлении зависят от способа охлаждения и температуры
окружающего воздуха.
Для меднозакисных элементов дисковой конструкции с ради-
аторными пластинами при температуре воздуха 20° С допускаемая
плотность тока в условиях естественного охлаждения составляет
0,04—0,06 п ел2 (действующее значение). При искусственной вен-
тиляции пли масляном охлаждении плотность тока может быть
доведена до 0,1—0,2 а е.м2. Кратковременно можно допустить
б
Рис. 33.
а — зависимость прямого и обратного сопротивлений меднозакисного напряжения;
б — зависимость прямого падения напряжения и удельного прямого сопротивления медно-
закисного выпрямительного элемента от плотности тока.
значительно большие плотности тока. Меднозакисные выпрями-
тели допускают относительно небольшое обратное напряжение
на один элемент — около 5 в действующего значения.
Селеновый выпрямительный элемент (рис. 35) на стальной
основе состоит из никелированного стального диска, покрытого
с одной стороны слоем селена, тонкого слоя катодного сплава,
нанесенного на селен, и контактной токосъемной шайбы, прижи-
маемой к поверхности катодного сплава. Между селеном и катод-
ным сплавом образован запирающий слой. Катодом служит
тонкий слои сплава олова, кадмия и висмута пли кадмия и олова.
Пружинящая контактная шайба осуществляет внешний кон-
такт в катоднОхМ сплаве с давлением 2—3 кГ!см~ контактной пло-
щади элемента. Во избежание порчи запирающего слоя более
высокие давления не применяются.
При последовательном и параллельном соединениях сравни-
тельно большого числа элементов можно получать выпрямители
на различные напряжения и токи.
4 Заказ 31.
49
|НаТрис. 36 показаны статические вольтамперные характери-
стики селеновых выпрямительных элементов и приведена кривая
отношения прямого тока к обратному. При одном и том же^напря-
жении коэффициент выпрямления селенового элемента очень
мал. С увеличением напряжения он повышается сначала очень
резко, а затем более полого.
Рис. 34. Явление ползучести в мед-
нозакисном элементе.
а — переменное напряжение; б — постоян-
ное напряжение.
Рис. 35. Схематический разрез се-
ленового выпрямительного столбика.
а — продольный разрез: б—детали се-
ленового выпрямительного элемента. 1
1 — диск; 2 — слой селена; з — катодный
сплав; 4 — контактная шайба; 5 — изоля-
ционная шайба: 6 — вывод; 7 — шпилька.
К достоинствам селеновых выпрямителей следует отнести то,
что в непроводящем направлении их сопротивление растет при
длительном воздействии обратного напряжения (выпрямитель фор-
муется).
Среднее значение пробивного напряжения тем меньше, чем
продолжительнее воздействие напряжения (рис. 37). При дли-
тельном действии напряжения в обратном направлении основную
роль в разрушении элемента играет его нагрев, обусловленный
50
потерями от обратного тока. В результате совместного действия
тепловых и электрических процессов сопротивление полупровод-
никового слоя элемента быстро снижается, ток резко возрастает
и наступает пробой. У селено-
вых выпрямительных элементов
размером 100 х 100 мм при про-
должительно приложенном напря-
жении пробой наступает при по-
стоянном напряжении 40—50 в.
Для селеновых элементов пре-
дельное допустимое обратное на-
пряжение составляет в однофазной
схеме 18 в, а в трехфазной — 16 в.
При импульсном режиме работы
с большими интервалами обратное
напряжение можно повысить.
Допустимое значение плотности
тока селенового элемента зави-
сит от условий охлаждения. Если
используется естественное воздуш-
Рис. 36. Статические вольтампер-
ные характеристики селеновых
выпрямительных элементов с до-
полнительным запирающим сло-
ем (7) и без него (2).
К — коэффициент выпрямления.
ное охлаждение, температура окружающего воздуха не пре-
вышает -|-35о С и столбик не располагается вместе с другой
аппаратурой в кожухе, где возможно ухудшение условий охла-
ждения или его обогрев, допускаемая плотность выпрямленного
тока составляет 22—25 макм? активной поверхности элемента.
Рис. 37. Зависимость пробивного напряжения селе-
нового выпрямительного элемента в цепи постоянно-
го тока от времени приложения напряжения.
При искусственном воздушном охлаждении нагрузка может быть
увеличена в 2'—2,5 раза. Масляное охлаждение позволяет поднять
нагрузку на 50—80%.
На практике при искусственном охлаждении для селеновых
элементов можно допустить двукратную перегрузку по сравнению
с номинальным классификационным током.
4*
51
Выпускаемые промышленностью селеновые выпрямители соби-
рают из круглых или квадратных селеновых элементов па сталь-
ной или алюминиевой основе. Выпрямители могут работать
в условиях низких температур — до —60° С, при этом выпрямлен-
ное напряжение при номинальном переменном напряжении и на-
грузке может быть понижено до 10% по сравнению с его номи-
нальным значением. При температуре —60° С выпрямленное
напряжение непосредственно при включении выпрямителя может
быть понижено до 15% против поминального значения.
Выпрямители работают при положительных температурах
до 4-60° С, если подводимое переменное напряжение и выпрямлен-
ный ток не превышают значений, указанных в табл. 2.
Таблица 2
Допустимые значения переменного напряжения и выпрямленного тока
в зависимости от температуры окружающего воздуха
Температура окружающего воздуха Переменное на- пряжение в % от номинального Выпрямленный ток в % от номинального
для выпрямите- лей из элемен- тов на стальной основе для выпрямите- лей из элементов на алюминиевой основе
До 4-35° С 100 100 100
» 4-50° с 100 80 50 70 80 100
80 30 60
» 4-60° с 60 45 —
Для трехфазных схем
65 45
Температурой окружающего воздуха считается температура,
измеренная ниже выпрямителя на расстоянии, равном:
а) 1,5 диаметра селеновых элементов, из которых выпря-
мители собраны при диаметре элементов от 18 до 35 мм включи-
тельно;
б) 60 мм для выпрямителей, собранных из селеновых эле-
ментов диаметром 45 мм и больше.
В выпрямительных устройствах температура окружающего
воздуха измеряется прп тех же условиях и при уменьшенных
конструктивных расстояниях в середине между выпрямителем
и ближайшей конструктивной частью прибора, расположенного
ниже выпрямителя.
Срок службы выпрямителей в номинальном эксплуатацион-
ном режиме составляет для выпрямителей, собранных из эле-
ментов на стальной основе, не менее 5000 час., а па алюминиевой
основе — не менее 10 000 час.
52
I ерманиевые выпрямители выгодно отличаются от выпрями-
телей других видов высокой амплитудой допустимого обратного
напряжения при сравнительно
не изменяющемся в широком
и высокой плотностью рабо-
чего тока, достигающей мно-
гих десятков alcM1 при не
очень больших значениях па-
дения напряжения. Эти свой-
ства позволяют получить зна-
чительные мощности в малых
габаритах.
Все диоды классифици-
руются по амплитуде допусти-
мого обратного напряжения,
при которой обратный ток
не превышает определенного
малом обратном токе, практически
интервале напряжений (рис. 38),
Рис. 38. Вольтамперная характеристи-
значения, и по величине
Рис. 39. Вольтамперные характеристики
германиевого выпрямителя при различных
температурах.
падения напряжения при ка германиевого диода,
классификационном токе.
Параметры диодов изменяются при различных температурах
(рис. 39). С ростом температуры обратный ток значительно уве-
личивается. В связи с этим работа диодов без снижения нагрузки
допускается при температуре окружающей среды до -Д 50° С.
Верхним пределом рабо-
чей температуры является
4-70° С, нижним —60° С.
Почти все германиевые
диоды герметичны и могут
работать при относитель-
ной влажности воздуха
98% и температуре
4-40°С.
Срок службы германие-
вых диодов — много тысяч
часов. При соблюдении
определенных мер предо-
сторожности германиевые
диоды можно включать на
последовательную и парал-
лельную работы. Для этого необходимы диоды с близкими вольтам-
пернымп характеристиками. Чтобы избежать неравномерного
распределения токов и напряжений в сборке, токи нагрузки и
рабочее напряжение на каждый диод должны быть снижены.
Иногда при последовательном соединении диодов для равномер-
ного распределения напряжения между ними применяется шун-
тирование диодов омическими сопротивлениями.
В зависимости от нагрузки катодной станции применяются
53
выпрямительные устройства различных мощностей. При катодной
защите магистральных трубопроводов используются выпрямители
для зарядки аккумуляторов ВСА-Ш и аналогичные им ВСА-Зм,
ВСА-5 и ВСА-6.
Схема выпрямителя ВСА-Ш, (ВСА-Зм), часто применяемого
в катодных станциях, показана на рис. 40.
Селеновый выпрямитель ВСА-Ш (ВСА-Зм) предназначен для
питания нагрузки напряжением до 80 в и током до 8 а. Он рас-
Рис. 40. Схема селенового выпрямителя
ВСА-Ш.
1 — клеммы сети переменного тока; 2 — выклю-
чатель переменного тока; з — предохранители
сети переменного тока напряжением сети 127 «;
4 — предохранители сети переменного тока на-
пряжением 220 в; 5 — регулятор напряжения:
а — секции первичной обмотки; б — секции вто-
ричной обмотки; б —селеновый выпрямитель; 7—
выключатель зарядной цепи; 8—предохранитель
зарядной цепи; 9 —клеммы зарядной цепи; ю—
переключатель ступеней заряда; п — предохра-
нитель дополнительной обмотки; 12 — сигналь-
ная лампа; А — амперметр постоянного тока, V—
вольтметр постоянного тока.
считан на питание от сети
переменного тока напря-
жением 127—220 в и ча-
стотой 50 гц и потребляет
при максимальной нагруз-
ке до 2 кет. Прибор рабо-
тает при температуре окру-
жающего воздуха от —40°
до 35° С и при влаж-
ности воздуха до 80%.
Выпрямитель ВСА-Ш со-
стоит из селеновых выпря-
мительных столбов, ре-
гулятора напряжения,
контрольно-измерительных
приборов и выключающих
и защитных устройств.
Преобразование пере-
менного тока в постоян-
ный происходит при по-
мощи селеновых элемен-
тов, собранных в столбики
и соединенных по мостовой
схеме, позволяющей ис-
пользовать оба полуперио-
да питающего переменно-
го тока.
Для регулирования вы-
прямленного напряжения
применен регулятор с магнитным шунтом, изменяющий напряжение,
подаваемое к селеновым элементам. Он представляет собой транс-
форматор, в котором магнитный поток сердечника разветвляется
на часть, пересекающую вторичную обмотку, и часть, отводимую
через передвижной магнитный шунт. При перемещении шунта
посредством винтовой передачи соотношение между этими пото-
ками изменяется, при выдвинутом полностью шунте во вторичной
обмотке будет индуктироваться наибольшее напряжение (до
130 в).
Регулятор имеет дополнительную обмотку, включаемую в цепь
вторичной обмотки, которая используется для накала сигналь-
54
ной лампы. Последняя указывает на включение выпрямителя
в сеть переменного тока.
Переключение на напряжение 127 или 220 в осуществляется
параллельным или последовательным соединением секций пер-
вичной обмотки и установкой плавких вставок в соответствующие
предохранители.
Для измерения тока выпрямитель снабжен амперметром,
а для контроля напряжения — вольтметром. Последний присоеди-
нен к клеммам нагрузки для проверки полярности.
Подключение к сети переменного тока и включение нагрузки
осуществляются одним пакетным выключателем. Для переклю-
чения на ток 1,5 или 8 а служит специальный переключатель.
Цепи выпрямителя защищены плавкими предохранителями,
причем в цепи переменного тока они используются для переклю-
чения выпрямителя на 127—220 в. Выпрямитель выполнен в виде
металлического ящика размерами 440 х 352 х 470 мм, вес около
52 кг.
Часто для катодной защиты магистральных трубопроводов
необходимы меньшее напряжение и больший ток при той же мощ-
ности выпрямителей ВСА-Ш или ВСА-Зм. Поэтому выпрями-
тели ВСА-Ш и ВСА-Зм переделывают под требуемые электри-
ческие параметры, изменяя схемы включения селеновых стол-
бов с соответствующей переделкой трансформатора.
На рис. 41 показаны заводская и измененная схемы выпрями-
теля ВСА-Зм, на рис. 42 — схема выпрямителя ВСА-бм, приме-
няющегося иногда в катодных станциях для защиты магистраль-
ных трубопроводов.
Выпрямитель ВСА-6 предназначен для питания нагрузки
от сети однофазного переменного тока напряжением 220, 127 или
НО в при частоте 50 гц. Он имеет четыре режима работы: I — для
питания с номинальным напряжением 24 в и током на первой
ступени 24 а; II — соответственно 24 в и 12 й; III — 12 в и 24 й;
IV — 12 в и 12 й.
Выпрямитель состоит из селеновых столбиков, понижающего
однофазного трансформатора, вольтметра и амперметра постоян-
ного тока, пакетных выключателя и переключателя, предохра-
нителей и сигнальной лампы.
Селеновые столбики собраны из селеновых выпрямительных
элементов диаметром 100 мм по мостовой схеме.
Для подключения выпрямителя к сети переменного тока
служит соединительный провод, уложенный в отверстие задней
стенки. Размеры выпрямителя 350 X 560 х 550 мм, вес 58 кг.
Выпрямитель ВСА-5 — однофазный, двухполупериодный, с
плавной регулировкой выпрямленного напряжения от 0 до 64 в
в диапазоне нагрузок от 0 до 12 а. Работает от сети 110, 127 или
220 в переменного тока. Преобразование переменного тока в по-
стоянный осуществляется селеновыми выпрямительными элемен-
тами диаметром 100 мм, допускающими нагрузку до 4 а.
55
Выпрямитель состоит из понижающего трансформатора, двух
селеновых столбиков и регулировочного автотрансформатора
(рис. 43), пусковой и защитной аппаратур и измерительных
приборов. Вторичная обмотка трансформатора разделена на две
части, каждая из которых соединена в зигзаг для уменьшения
посадки напряжения в транс-
форматоре при работе на
первой ступени регули-
ровки. Напряжение от од-
ной части вторичной об-
Рис. 41. Схема селенового выпрямителя ВСА-Зм.
а — заводская; б — измененная применительно к катодной защите; 1 — выключатель;
2 — селеновый столбик; з — переключатеть; 4 — сигнальная лампа; 5 регулятор
напряжения.
мотки через автотрансформатор и переключатель 4 подается
на селеновые столбики. В этом случае выпрямитель дает выпря-
мленное напряжение с плавной регулировкой от нуля до 25—
27 в. Когда включаются последовательно обе половины вторич-
ной обмотки, выпрямитель дает выпрямленное напряжение от 25—
27 до 64 в.
Включение выпрямителя в сеть отмечается сигнальной лам-
почкой, питаемой от отпайки первичной обмотки трансформатора.
56
Столбики выпрямителя укреплены на металлических боковых
стенках по одному с каждой стороны и закрываются кожухами,
имеющими сверху и снизу вентиляционные отверстия. На перед-
ней стенке установлены выключатель, измерительные приборы.
Рис. 42. Схема селенового выпрямителя
ВСА-бм.
1 — вольтметр; 2 — постоянный ток; 3 — ампер-
метр; 4 — селеновые столбики; 5 — пакетный
переключатель; 6 — пакетный выключатель; ? —
сигнальная лампа; 8 — трансформатор.
предохранители, переклю-
чатель, сигнальная лам-
па и клеммы выпрямлен-
ного тока.
Для подключения вы-
прямителя к сети пе-
ременного тока служит
Рис. 43. Схема селенового
выпрямителя ВСА-5.
1 — вольтметр; 2 — амперметр; з—
предохранитель; 4—переключатель;
5 — селеновые столбики; в — ва-
риак; 7 — трансформатор; 8 —
сигнальная лампа; 9 — сеть; 10 —
выключатель.
соединительный провод, уложенный в отверстие задней стенки.
Клеммы выпрямленного тока имеют обозначение поляр-
ности « 4-» и « — ». Отдельная клемма предназначена для
заземления.
Трансформатор стержневого типа укреплен между боковыми
стенками при помощи полосовых накладок. На передней стенке
крепится автотрансформатор. Гнезда предохранителей укреплены
в углублении передней стенки и защищаются откидной крышкой.
В выпрямителях устанавливают две предохранительные плавкие
вставки по 20 а.
57
Измерительные приборы выпрямителя: амперметр на 20 а
и вольтметр на 150 в в цепи постоянного тока. Размеры выпрями-
теля 350 х 560 х 500 мм, вес 53 кг.
Выпрямители ВСА-Ш, ВСА-Зм, ВСА-5 или ВСА-6 рассчитаны
на установку их внутри помещений. Поскольку катодные станции
магистральных трубопроводов часто находятся на открытом воз-
духе, для названных выпрямителей предусматриваются специаль-
ные шкафы. В шкафах, кроме выпрямителей, монтируют комму-
тирующие устройства и при необходимости счетчик электроэнергии.
Шкаф с оборудованием уста-
навливают на опорах. Общий
вид катодной станции с вы-
прямителем и питанием от се-
ти низкого напряжения пока-
зан на рис. 44.
Рис. 44. Установка с катодной стан-
цией, питаемой от сети низкого на-
пряжения.
1 — ограждение; 2 — провод к заземле-
нию; з — шкаф с выпрямителем; 4 —
опора.
Рис. 45. Установка с катодной стан-
цией, питаемой от сетв высокого
напряжения.
Питание катодных станций с выпрямителями осуществляется
при необходимости и от электролиний высокого напряжения.
В этом случае дополнительно устанавливают понижающие транс-
форматоры (рис. 45).
Иногда питание катодных станций с выпрямителями осуще-
ствляется от общей электролинии, проходящей параллельно тру-
бопроводу.
58
Заводами Моснефтекип и Нефтеприбор изготовляются разра-
ботанные ВНИИ специальные катодные станции с выпрямителями,
отличающиеся способностью регулировать напряжение на выходе
катодной станции, высоким к. п. д., комплектностью, незначи-
тельным весом, простотой и удобством монтажа и обслуживания.
Эти катодные станции предусмотрены однофазными, трех типов,
Рис. 46. Схема катодной станции
КСС-1-
1 — клеммы; 2 — выключатель; 3 — пре-
дохранители; 4 — клеммник; 5 — транс-
форматор; 6 (А, В) — переключатели; 7—
селеновые столбики; з — вольтметр; 9 —
амперметр, ю — клеммы соединения;
11 — трубопровод; 12 — заземление.
Рис. 47. Схема катодной станции
КСС-2.
1 — счетчик; г — разъемное соединение;
з — выключатель; 4 — предохранители;
5 — клеммник; в — трансформатор; 7 (А,
Б) — переключатели; s — селеновые стол-
бики; 9 — вольтметр; ю — амперметр;
11 — трубопровод; 12— заземление.
номинальной мощностью при напряжении 110 или 220 в до 150 еш
(КСС-1), 300 вт (КСС-2) и 600 вт (КСС-3).
На рис. 46, 47 и 48 изображены схемы катодных станций
КСС-1, КСС-2, КСС-3.
Преобразование переменного тока от сети в постоянный ток
для катодной защиты осуществляется путем предварительного
понижения напряжения переменного тока через трансформатор
59
Рис. 48. Схема катодной стан-
ции КСС-3.
Z — электросчетчик; 2 — разъемной
соединение; з — выключатель; 4—
предохранитель; 5 — клеммник пе-
ременного тока; 6 — трансформа-
тор; 7 (А, Б) — переключатели;
5 — селеновые столбики; 9—клем-
мник; ю — вольтметр; и — ам-
перметр; 12 — трубопровод: 13 —
анодное заземление.
Рис. 49. Катодная станция КСС-1.
60
с последующим выпрямлением тока селеновыми выпрямителями,
собранными из элементов на алюминиевой основе.
Первичная обмотка трансформатора разделена на две одина-
ковые секции, что позволяет осуществлять питание катодной
станции от сети напряжением до 127 в или до 23(1 в. Вторичная
обмотка трансформатора также состоит из двух одинаковых сек-
ций, каждая из которых имеет ио восемь отводов (шесть проме-
Рпс. 50. Катодная станция КСС-2.
Рис. 51. Катодная станция КСС-3.
61
жуточных и по одному от начала и конца секции), подключаемых
через переключатели к выпрямительным столбикам.
Селеновые выпрямители собраны по мостовой схеме. При раз-
личных положениях переключателей и перемычек на клеммнике
постоянного тока можно получить различные напряжения на вы-
ходе катодной станции — до 24 в.
Каждая катодная станция состоит из выключателя, предохра-
нителей, клеммника переменного тока, силового однофазного
понижающего трансформатора, переключателей напряжения, селе-
новых выпрямительных столбиков, клеммника постоянного тока,
вольтметра, амперметра, клемм и разъемного соединения.
Кроме того, катодные станции КСС-2 и КСС-3 включают в себя
счетчик электроэнергии. Все перечисленные устройства разме-
щены в металлическом шкафу. Счетчик электроэнергии и клеммы
для присоединения внешних проводов (от питающей электросети,
трубопровода и анодного заземления) установлены непосред-
ственно на задней стенке шкафа; остальные устройства смонти-
рованы на каркасе, который может вставляться в шкаф и выни-
маться из него. Электрическая связь между блоком и шкафом
с электросчетчиком осуществляется при помощи разъемного соеди-
нения.
При повреждении узлов, требующих ремонта в мастерской,
каркас с поврежденным узлом можно вынуть из шкафа и заменить
резервным. Обеспечивается также возможность замены в полевых
условиях селеновых столбиков.
Катодные станции могут работать при температуре окружаю-
щего воздуха от —40° до 4-40° С, а также в условиях с относи-
тельной влажностью до 95±3% при температуре -(-20 ± 5° С.
Катодные станции КСС-1, КСС-2 и КСС-3 показаны на рис. 49,
50 и 51. Они могут устанавливаться на опорах, на стенах и дру-
гих конструкциях.
КАТОДНЫЕ СТАНЦИИ С ВЕТРОДВИГАТЕЛЯМИ
Задача использования энергии ветра весьма сложна. Основ-
ная трудность заключается в непостоянном характере и преры-
вистости действия ветра. Эти недостатки можно в значительной
степени компенсировать применением регулирующих устройств,
аккумуляторов и соответствующего резерва.
Рациональное использование ветра обеспечивает получение
с каждого квадратного километра от 500 тыс. до 5 млн. квт-ч
энергии в год в зависимости от средней скорости ветра.
Магистральные трубопроводы часто пролегают в местах, где
отсутствуют электросети. При благоприятных условиях в таких
районах можно использовать энергию ветра при катодной защите
трубопровода. Для этой цели применяют ветродвигатели. По схеме
расположения их элементов конструкции ветродвигателей раз-
деляются на барабанные (с горизонтальной осью), карусельные
62
и роторные (с вертикальной осью), а также крыльчатые, в которых
плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра.
Практическое использование для катодной защиты маги-
стральных трубопроводов нашел ветроэлектрогенератор ВДУ-3,5
Рис. 52. Ветроэлектрогенератор ВДУ-3,5.
1 — растяжка; 2 — трос остановки; з — лебедка остановки; 4 —
кабель; б — кабельная коробка; 6 — буферная; 7 — пружина регу-
лирования.
(рис. 52). Двухлопастный винт пропеллерного типа диаметром
3,5 м, вращаясь от ветра, приводит в движение генератор постоян-
ного тока мощностью 1000 ст с шунтовым возбуждением.
Головка ветродвигателя, состоящая из генератора с редук-
тором и кронштейна с роликами, помещается на поворотной
63
колонне; автоматическая установка ветродвигателя на ветер
достигается при помощи хвостового оперения.
При буревых скоростях ветра двигатель автоматически скла-
дывается, устанавливая винт ребром к потоку ветра и предупре-
ждая чрезмерное увеличение числа оборотов.
Ветродвигатель предназначен для работы с буферной акку-
муляторной батареей. Запуск ветродвигателя при скорости ветра
меньше 5—6 м/сек производится стартерной кнопкой. В этом
случае генератор переходит на моторный режим работы с пита-
нием от буферной батареи. Запуск от стартерной кнопки возможен
только при рабочем (развернутом) положении ветродвигателя.
При скорости ветра свыше 5—6 м/сек ветродвигатель запускается
непосредственно от ветра.
Для обеспечения постоянного напряжения в сети при раз-
личных скоростях ветра в схему включен быстродействующий
вибрационный реле-регулятор автоматического действия. Он удер-
живает напряжение в пределах 26—28 в. Когда напряжение гене-
ратора становится ниже напряжения аккумуляторной батареи,
минимальное реле отключает генератор от батареи и тем самым
предохраняет ее от ненужной разрядки па вращение генератора.
Реле минимального напряжения замыкает свои контакты при
«обратном» токе 5 а, а при достижении генератором напряжения
24—26 в оно вновь включается.
По сравнению с ветроэлектрогенератором ВДУ-3,5 зна-
чительно более совершенны ветроэлектрогенераторы ВЭ-2,
ВЭ-3 и ВЭ-5.
Общий вид ветроэлектроагрегата ВЭ-2 показан на рис. 53.
Ветровинт диаметром 2 м смонтирован непосредственно на
валу генератора. Лопасти винта стальные, пустотелые, хорошей
аэродинамической формы. Скорость вращения вала агрегата от
280 до 750 об/мин. Винт снабжен центробежным регулятором,
который управляет поворотом лопастей и ограничивает число
оборотов в минуту до 600—700. Благодаря этому предупре-
ждается поломка агрегата во время бури.
В корпусе генератора помещен тормоз, служащий для оста-
новки агрегата. Тормоз управляется при помощи рычага, укре-
пленного на опоре, на которой монтируется ветродвигатель. Гене-
ратор ГПМ-130 — трехфазного тока, с возбуждением постоян-
ными магнитами, изготовленными из магнитного сплава
альни.
Отдаваемое напряжение (переменного тока) при скорости
вращения ротора 280 об/мин составляет 10 в. Номинальная мощ-
ность генератора 130 ва при напряжении 12—14 в. Агрегат начи-
нает отдавать мощность при скорости ветра от 3,5 м/сек.
Вал генератора вращается на двух шарикоподшипниках.
В табл. 3 приводятся данные отдаваемой агрегатом ВЭ-2
мощности при различных скоростях ветра.
64
Таблица 3
Мощность ветроэлектрогенератора ВЭ-2 при различной скорости ветра
Скорость ветра, м/егк 3.5 4 5 6 7 8
Число оборотов, об/мин Мощность на клеммах генератора 290 310 370 435 500 570
(переменный ток), вт 16 31 55 90 125 150
Генератор с ветровинтом и хвостовое
на кронштейне с вертикальной опорой.
Два подшипника в вертикальной опоре
устанавливаться по направле-
оперепие укреплены
позволяют агрегату
нпю ветра.
Рис. 53. Ветроэлектроагрегат ВЭ-2. Рис. 54. Ветроэлсктроагрегат ВЭ-3.
ними растяжками. Вес агрегата без щитка и опоры около 50 кг.
Наружные его части покрыты влагоустойчивой краской.
Общий вид ветроэлектроагрегата ВЭ-3 показан на рис. 54.
Ветровинт имеет диаметр 3 м. Центробежный регулятор ограни-
чивает число оборотов винта в минуту до 380—400. Пуск и оста-
новка винта осуществляются поворотом лопастей при помощи
5 Заказ 31.
65
лебедки управления. Генератор постоянного тока, с дополни-
тельными полюсами мощностью 300 вт, напряжением 24 в. Воз-
буждение генератора шунтовое.
Кронштейн с вертикальной опорой поддерживает генератор
и хвост, служащий для автоматической установки на ветер.
Рис. 55. Ветроэлектроагрегат ВЭ-5.
Для установки ветроэлектрогенератора применяется опора
высотой 10—12 м с растяжками. Вес ветроэлектрогенератора
(без опоры) около 100 кг.
В табл. 4 приведены данные отдаваемой агрегатом ВЭ-3 мощ-
ности при различных скоростях ветра.
66
Таблица 4
Мощность ветроэлектрогенератора ВЭ-3 при различных скоростях ветра
Скорость ветра, м/сек 4 5 6 7 8 15 25
Мощность, ет 10 70 160 250 280 325 360
Общий вид ветроэлектрогенератора ВЭ-5 представлен на рис. 55,
Ветровинт имеет диаметр 5 м. Центробежный регулятор винта
ограничивает число его оборотов до 240—250 об/мин. Пуск и оста-
новка ветровинта осущест-
вляются поворотом лопастей
при помощи находящейся на
башне лебедки управления.
Редуктор имеет одну пару
зубчатых колес, работающих
в масляной ванне. Переда-
точное число — 4,04.
Генератор трехфазного то-
ка ГП-1600 с постоянными
магнитами не содержит тру-
щихся контактов, весьма
прост, надежен в работе и
не вызывает радиопомех.
Для установки ветроэлек-
трогенератора применяется
опора высотой 10 м.
В табл. 5 приводятся дан-
ные отдаваемой мощности
при различных скоростях
ветра.
Вес ветроэлектростанции
около 400 кг.
Лопасти ветроэлектроге-
нераторов ВЭ-2, ВЭ-3 и ВЭ-5
Рис. 56. Установка катодной защиты
с ветродвигателями.
1 — ветродвигатель; 2 — преобразующее ус-
тройство; <5 — колодец с аккумуляторами; 4 —
провод к заземлению; 5 — анодное заземле-
ние; 6 — провод н трубопроводу; 7 — кон-
трольно-измерительная колонка; 8 — трубо-
провод.
Таблица б
Мощность ветроэлектрогенератора ВЭ-5 при различных скоростях ветра
Скорость ветра, м/сек 3,5 4 5 6 7 8 15 25
Распрямленная мощ- ность, вт .... 80 100 300 550 790 1070 1300 1350
стальные, пустотелые, хорошей аэродинамической формы.
Общий вид установки катодной защиты с ветроэлектрогенера-
тором показан на рис. 56.
5*
67
Ветроэлектрогенератор устанавливают около домов обходчи-
ков, что позволяет вести надзор за ветродвигателями и использо-
вать часть энергии для электроосвещения домов обходчиков.
Катодные станции должны обеспечивать бесперебойное полу-
чение постоянного тока и разных напряжений на выходе катод-
ной станции для защиты трубопроводов, имеющих различные
электрические параметры. Это условие требует применения со-
вместно с ветроэлектрогенератором аккумуляторных батарей,
Рис. 57. схема катодной установки с ветродвигателем ВДУ-3,5.
а также специальных электрических преобразующих и автомати-
ческих устройств.
Схемы электрических соединений катодных станций с ветро-
двигателями различны; выбор их производится в основном в зави-
симости от типа применяемого ветродвигателя.
На рис. 57 представлена схема катодной станции с ветродви-
гателями ВДУ-3,5 или ВЭ-3.
На рис. 58 изображена принципиальная схема катодной стан-
ции КВС-2 с ветроэлектрогенератором ВЭ-2. Как видно из этой
схемы, в одной катодной установке может быть один пли несколько
ветроэлектрогенераторов. Количество их определяется мощностью
нагрузки катодной защиты. Переменный ток, получаемый от вет-
роэлектрогенератора, преобразуется в постоянный ток посред-
ством трехфазного выпрямителя. Параллельное включение несколь-
68
ких ветроэлектростанций осуществляется на стороне постоянного
тока.
К ветроэлектрогенератору ВЭ-5 разработан электрощит
(рис. 59), в котором размещено необходимое электрооборудование.
Для защиты приборов от пыли и воды электрощит заключен
в специальный металлический ящик. В нем смонтированы:
автотрансформатор, составленный из трех автотрансформаторов
типа Латр-1, специальный трехфазный трансформатор, два селено-
вых выпрямителя, составленные из столбиков ВС-251, и др.
Рис. 58. Принципиальная схема катодной установки с вет-
родвигателем ВЭ-2.
На рис. 60 показана электрическая схема катодной станции
КСВ-5, имеющая ветроэлектрогенератор ВЭ-5 и специальное
преобразующее устройство с автоматикой.
Напряжение, снимаемое с генератора, через коммутационные
устройства подается к трансформатору, который необходим для
снижения напряжения, получаемого от генератора. Переменный
ток, снимаемый со вторичных обмоток трансформатора, преобра-
зуется в постоянный посредством трехфазного выпрямителя.
Выбор необходимой емкости батареи зависит от ветровых усло-
вий в районе намечаемого расположения ветродвигателя и вели-
чиной нагрузки. Эти ветровые условия определяются по данным
местных метеорологических станций или по табл. 6, 7 и 8.
69
5
Рис. 59. Преобразующее устройство для катодной
установки с ветродвигателем ВЭ-5.
а — конструкция; б — схема.
70
Таблица 6
Среднегодовые скорости ветра на территории СССР
№ груп- пы райо- нов Средне- годовые скоро- сти, mJ сек Наименование республик, краев, областей и районов СССР, имеющих одну и ту же среднегодовую скорость ветра
1 От 1,0 до 3,40 Армянская ССР, Грузинская ССР, Туркменская ССР, южные районы Узбекской ССР, Тувинская Автономная область, Кара-Калпакская Автономная область, Читин- ская область, Коми АССР, Якутская АССР, Красноярский край, западные районы Хабаровского края, Иркутская, Калининская, Новгородская, Свердловская, Вологодская, Ярославская, Пензенская, Пермская области, южные районы Кзыл-Ординской области, северо-восточные районы Карагандинской области
2 3,45 Киргизская ССР, северные районы Узбекской ССР, восточные районы Хабаровского края, центральные районы Челябинской области
3 3.95 Белорусская ССР, Татарская, Башкирская, Чувашская, Марийская, Удмуртская АССР, Архангельская, Москов- ская, Смоленская, Костромская, Псковская, Рязанская, Ульяновская, Тюменская, Владимирская, Горьковская, Барнаульская области, северные районы Тульской и Калужской областей, северо-западные районы Новоси- бирской области
4 4,25 Бурятская АССР
О 4,35 Карельская АССР, Кировская область
6 4,45 Алмаатинская область
7 4,55 Латвийская ССР, Литовская ССР, Эстонская ССР, северо-западные районы Ленинградской области, Курган- ская и Челябинская области, за исключением ее цен- тральных районов
8 4,65 Орловская, Брянская, Великолукская, Ставропольская, Кемеровская области
9 4,75 Киевская, Харьковская области, южные районы Ка- лужской и Тульской областей
10 4,95 Курская, Воронежская, Тамбовская, Саратовская, Куйбышевская, Оренбургская, Актюбинская, Кустанай- ская, Днепропетровская, Северо-Казахстанская области, северные районы Сталинградской области, о-в Сахалин, за исключением его южного побережья, побережья Охотского и Берингова морей, Таймырский националь- ный округ, юго-западные районы Мурманской области
И 5,05 Южные районы Сталинградской области, северные районы Кзыл-Ординской области
12 5,15 Алтайский край, Омская область
13 5,25 Ростовская, Павлодарская области
14 5,35 Астраханская область
15 5,45 Дагестанская АССР, Кабардино-Балкарская АССР, Чечено-Ингушская АССР, Николаевская область
16 5,55 Гурьевская, Крымская, Одесская области
17 5,85 Северо-Осетинская АССР
18 5,95 Азербайджанская ССР, северо-восточные районы Мурманской области, восточные районы Чукотского полуострова, п-в Мангышлак
71
Продолжение табл. 6
№ груп- пы райо- нов Средне- годовые скоро- сти, м/сек Наименование республик, краев, областей и районов СССР, имеющих одну и ту же среднегодовую скорость ветра
19 7,05 Районы Арктики и Крайнего Севера, побережье Белого моря, районы устьев рек Енисея и Оби, южное побережье о-ва Сахалина, район Морхотского перевала под Новорос- сийском, Апшеронский полуостров Таблица 7
Повторяемость скоростей ветра (по Поморцеву), % в зависимости
от средней скорости, м/сек
Среднегодовая скорость ветра, м/сек 3 и менее 4 5 6 7 8 и более
1,0 99,0 1,0 0,9 . —
1,5 87,8 5,0 1,0 — — —
2,0 85,8 10,0 3£ 0,6 — —
2,5 72.5 16,0 8,0 3,0 0,5 —
3,0 64,7 19,5 . 12,0 6,0 2,2 —
3,5 45,5 19,0 15,0 9,5 5,0 2,5
4,0 39,4 18,4 16,5 12,2 7,3 6,2
4,5 32,0 17,0 16,5 14,0 10,0 8,1
5,0 25,4 15,0 16,5 15,0 12,0 14,8
5,5 20,3 13,0 15,0 15,5 13,5 23,0
6,0 16,4 11,0 13,8 15,0 14,0 29,9
6,5 13,4 9,0 12,0 14,0 14,0 35,3
7,0 10,7 8,0 10,6 12,6 13,5 44,1
7,5 8,6 6,8 9,0 11,4 12,8 51,4
8,0 7,4 5,6 7,8 10,0 11,8 56,5
8,5 5,3 1,8 3,0 4,8 6,8 141,4
9,0 3,2 1,6 2,6 4,9 5,7 64,6
9,5 2,4 1,2 2.2 3,5 5,0 69,9
10,0 1,2 1,8 2,0 3,2 4,5 72,5
Таблица 8
Повторяемость скоростей ветра (по Гуллену) в часах за год
м/сек Среднегодовая скорость ветра, м/сек
4 5 6 7 8 9 10
Менее 3.5 422 3430 2702 2185 1813 1516 11
3,5-4,5 1223 1139 1010 887 775 682 6
4,5-5,5 953 979 933 854 771 694 622
5.5—6,5 698 803 819 787 735 679 622
6,5-7.5 490 634 696 701 678 643 605
7,5—8.5 336 485 576 611 612 599 575
Более 8.5 634 1290 2024 2735 3366 3955 4247
72
Рис. 60. Катодная установка КСВ-5 с ветродвигателем ВЭ-5.
1 — клеммы; 2 — выключатель; з — предохранитель; 4 — трансформатор; 5 (А, Б) —
переключатель; 6 — селеновый столбик; 7 — клеммник; 8 — амперметр; 9 — вольтметр;
10 — переключатель; 11 — клемма; 12 — сопротивление; 13 — аккумуляторы.
КАТОДНЫЕ СТАНЦИИ С ДВИГАТЕЛЯМИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ,
ТУРБИНКАМИ, ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРАМИ
И ХИМИЧЕСКИМИ ИСТОЧНИКАМИ ТОКА
Если нет возможности получать электроэнергию от сети или
от ветроэлектростанции, иногда применяют катодные станции
с двигателями внутреннего сгорания. Для этого используется агре-
гат из двигателя внутреннего сгорания Л-6/3 (6 л. с. 2200 об/мин)
с генератором Г-52А (мощность 1 кет, напряжение 12 в, ток 80 а).
Для регулирования напряжения служит реле-регулятор РР-52.
Эти агрегаты устанавливают преимущественно у домов обход-
чиков. Агрегаты работают совместно с аккумуляторной батареей.
Для удлинения межремонтного пробега агрегата режим работы
последнего предусматривается периодическим па время заряда
аккумуляторной батареи. При катодной защите газопроводов
в качестве горючего для двигателя Л-6/3 используется газ, отби-
раемый на месте пз трубопровода; при защите трубопроводов,
служащих для перекачки жидких продуктов, в качестве топлива
используется привозное топливо, а иногда топливо, отбираемое
на месте из трубопровода.
Для катодных станций с двигателями внутреннего сгорания
предусматривается специальное помещение, что требует зпачи-
73
тельных первоначальных затрат. Кроме того, станции сложны
в эксплуатации, нуждаются в частом ремонте, поэтому они не
получили значительного распространения.
Институтом Гипротрубопровод разработана опытная катодная
станция с турбинкой для нефтепроводов, а институтом Укргипро-
газ и Киевским управлением магистральных газопроводов создана
а
Рис. 61. Турбинка с генератором в газопроводе для катодной станции.
а — общий вид; б — внутренняя часть.
(по предложению А. А. Алек-
сандрова) опытная катодная
станция с турбинкой для газо-
проводов (рис. 61, а, б).
6
За последние годы появилась возможность использовать полу-
проводники в термоэлектрогенераторах. При защите трубопро-
водов, транспортирующих топливо, применение катодных стан-
ций с термоэлектрогенераторами позволяет применять их в райо-
нах, где отсутствуют электросети и хорошие ветры.
Действие термоэлектрогенератора основано на использовании
термоэлектрического эффекта. Сущность его заключается в том,
что при нагревании места соединения (спая) двух разных метал-
лов между их свободными концами, имеющими более низкую тем-
пературу (чем место спая), возникает разность потенциалов или
так называемая термоэлектродвижущая сила (т. э. д. с.). При
замыкании свободных концов на какое-либо сопротивление в цепи
возникает электрический ток. Таким образом, при термоэлектри-
ческих явлениях происходит прямое преобразование тепловой
энергии в электрическую.
Величина т. э. д. с. (Е) определяется приближенно по формуле
Е = е(Г1-7’2),
74
где в— коэффициент т. э. д. с., зависящий от природы обоих
металлов, образующих данную термопару (он выра-
жается в мв на 1°);
7\ — температура горячего спая термопары;
Т2 — температура холодных спаев термопары.
Одним из современных типов термоэлектрического генератора
является выпускаемый нашей промышленностью генератор ТГК-3
(термоэлектрический генератор керосиновый, трехваттный). Одно-
временно он служит и осветительным прибором.
Нагревателем является 20-линейная керосиновая лампа с уко-
роченным стеклом. Внутрь этого стекла, непосредственно над
пламенем лампы, входит нижняя часть тепл one редатчика, имею-
щего форму многогранной призмы, на боковой поверхности кото-
рой там, где она выступает над стеклом, расположены блоки
термопар. Расход керосина в час 60—70 г. Общий к. п. д. генера-
тора, принимая теплотворную способность керосина 11000—
12000 em-час/кг, равен 0,6—0,75%.
Более мощными термоэлектрогенераторами являются термо-
генераторы ТГК-9 и ТГУ-1, внешне совершенно не отличающиеся
друг от друга. Различие состоит лишь в конструкции термоэле-
ментов и технологии их изготовления. В ТГК-9 те же термоэле-
менты, что и в генераторе ТГК-3, но других размеров. В ТГУ-1
конструктивные особенности термоэлементов позволили получить
более высокое значение к. п. д.
Отдаваемая мощность .термоэлектрогенератора ТГУ-1 14 вт,
тогда как мощность, отдаваемая ТГК-9, всего 9,6 вт. В качестве
источника тепла для обоих термоэлектрогенераторов применен
обычный керогаз.
В 1955 г. за рубежом были разработаны термоэлектрические
генераторы двух типов с подогревом от газовой горелки. Каждый
генератор снабжается небольшим сменным баллоном весом 4 кг
со сжатым газом (бутан), количество которого достаточно для
непрерывной работы генератора на полную мощность в течение
100 час.
Особенностью термобатарей этих генераторов является при-
менение жаропрочных сплавов, из которых собраны термопары.
В каждой термопаре в качестве положительного электрода
используется сплав типа ВТЕ (шифр фирмы), температура плавле-
ния которого около 1400° С.
Отрицательный электрод термопары выполняется в трех вари-
антах. В первом варианте он изготовлен из чистого никеля (тип
сплава ТЕ). Во втором варианте он составлен из сплава типа GTE
с температурой плавления 1300* С; этот сплав при температуре
красного каления (900—1000° С) начинает окисляться, поэтому
рабочая температура термоэлемента не должна превышать 700—
750* С. В третьем варианте отрицательный электрод выполнен
из сплава типа АТЕ, который по своим механическим и физическим
75
свойствам близок к сплаву ВТЕ. Термопара ВТЕ-АТЕ может
работать, не окисляясь и не теряя своей механической прочности
при наиболее высоких температурах.
Т. э. д. с. термопар, составленных из этих сплавов, колеблется
от 40 до 700 Л46. на 1°. Значения т. э. д. с. этих термопар для раз-
личных температур приведены в табл. 9.
Таблица 9
Термоэлектродвижущая сила термоэлементов при различных
температурах
Тип термопары — * —- - — Температура, °C
100 300 500 700 900 1000
т. э. д с., Мв
ВТЕ-ТЕ 4,15 12,65 21,05 29,52 38,10
ВТЕ-СТЕ 6,05 20,46 35,65 51,97 — —
ВТЕ-АТЕ 4,10 12,21 20.64 29,14 33,31 41,30
Достижения в области разработки эффективных материалов
для термопар расширили возможности применения термоэлектри-
ческих генераторов и позво-
лили на основе уже суще-
ствующих материалов созда-
вать термоэлектрические ге-
нераторы для различных
целей.
НИИ городской и сель-
ской телефонной связи Ми-
нистерства связи СССР со-
здал термоэлектрогенераторы
ТГ-10 (10 вт, 10 в, 1 а) и
ТГ-16 (16 вт, 12 в, 1,4 а)
для питания радиоузлов.
В Киевском управлении
магистральных газопроводов
с 1958 г. термоэлектрогенера-
гт-z^ ТГ 1 И /ТТГЧ^ГЭГГ^ТТ«ТТ,ГТТГт
дир 1j.-j.v7 ^ucpv/i,evjcxiiniM.iA
работы на природном газе)
используется как катодная
станция на газопроводе
Киев—Москва с внутренней
установкой его в доме об-
ходчика (рис. 62). Эта уста-
Рпс. 62. Катодная станция с тер-
моэлектрогенератором ТГ-16 (ус-
тановка внутри помещения).
76
новка проработала болей 12000 час. при нагрузке 60%
от номинальной (отдаваемая мощность 9,6 вт). Термоэлектро-
генераторы типа ТГ-10 (переделанные для работы на природном
газе) работают как катодные станции на газопроводе Дашава —
Киев. Пх устанавливают у домов обходчиков — наружная уста-
новка (рис. 63) пли внутри здания (внутренняя). На рис. 64 и 65
приведены конструкция и схема созданной во ВНИИСТ опытной
катодной станции с термоэлектрогенератором типа КСТ-1 мощ-
Рис. 63. Катодная станция с термоэлектрогенератором ТГ-10 (наружная
установка^.
ностью 200 вт. В катодных станциях с термоэлектрогенераторами
использованы термоэлементы из сурьмы, цинка и константана.
Допустимая температура горячих спаев этих термоэлементов
400° С, ориентировочный срок службы около 5000 час. С пони-
жением температуры горячих спаев срок службы термоэлементов
увеличивается. Все указанные термоэлектрогенераторы выпол-
нены с газовым теплоносителем и воздушным охлаждением. При
использовании жидкостных теплоносителей, увеличении тепло-
вых потоков через термоэлементы габариты термоэлектрогенера-
торов могут быть уменьшены. Дальнейшее повышение к. п. д.
термопар за счет разработки эффективных материалов должно
привести к еще более широкому внедрению термоэлектрических
генераторов.
Иногда отсутствие благоприятных условий при осуществлении
трубопровода приводит к необходимости применять катодные
станции с химическими источниками тока.
Необходимо отметить, что такие катодные станции оправды-
ваются только при условии работы с незначительными защитными
77
токами. В подобных случаях в качестве источника тока катодной
станции могут быть использованы гальванические элементы,
медноокисные, типа МОЭ-1000 или щелочные с воздушным деполя-
ризатором ВДС-1000.
ЗАЗЕМЛЕНИЯ КАТОДНЫХ УСТАНОВОК
Заземления электрических установок (в том числе и предназна-
чаемых для катодной защиты) в зависимости от назначения под-
разделяются на защитные и рабочие. Защитное заземление устраи-
вают для защиты людей от опасных напряжений на металлических
частях установки, нормально не находящихся под напряжением.
Рабочее заземление устраивают при использовании земли в ка-
честве проводника.
Заземление может применяться как для переменного, так
и для постоянного тока. В последнем случае в зависимости от поляр-
ности заземления оно именуется анодным (-(-) или катодным (—).
78
Рабочее заземление в установках катодной защиты, служащее
для соединения положительного полюса катодной станции с зем-
лей, является анодным.
Защитное и рабочее заземления характеризуются сопротивле-
нием растеканию, стабильностью его в течение года, длитель-
ностью службы, первоначальной стоимостью при сооружении
и эксплуатационными расходами.
Чем меньше величина сопротивления заземления, тем оно
считается лучше. Однако значительное снижение сопротивления
растеканию заземления связано с увеличением затрат на его
устройство. Поэтому при устройстве заземлений необходимо учи-
тывать технико-экономические показатели.
Заземление состоит из заземляющих электродов (заземлите-
лей), соприкасающихся с землей, и из проводов, соединяющих
установку с заземлителями.
Величина сопротивления заземления имеет существенное зна-
чение для надежной и безопасной работы установки. Превышение
расчетной величины сопротивления заземления может нарушить
нормальную работу установки или безопасность ее эксплуатации.
Защитное действие заземления зависит от характера распре-
деления потенциалов земли вокруг заземления. Если сопротивле-
ние заземления окажется больше допустимой величины, человек,
прикасающийся к заземленным частям установки, может быть
поражен током.
Сопротивление заземления состоит из сопротивления металли-
ческих частей самих заземлителей, сопротивления соединитель-
ных проводников, переходного сопротивления между заземлите-
лями и землей и сопротивления, которое земля оказывает расте-
канию тока.
Сопротивление самих заземлителей обычно мало (по сравнению
с сопротивлением растеканию) и' им практически пренебрегают.
Переходное сопротивление между заземлителями и землей при
нормальной установке их в землю также не играет заметной роли.
Таким образом, сопротивление заземления в основном опреде-
ляется сопротивлением, которое оказывает току земля, окружаю-
щая заземлители, т. е. сопротивлением растеканию и сопротивле-
нием соединительных проводов.
Ток в земле растекается во всех направлениях от заземляющего
электрода (рис. 66), причем вблизи заземлителей плотность тока
в земле будет наибольшей.
По мере удаления от заземлителя (рис. 67) плотность тока
уменьшается, поскольку ток протекает сначала по малому, а затем
по большему сечению земли, и наступает момент, когда земля
практически не оказывает заметного сопротивления прохожде-
нию в ней тока.
Следовательно, под сопротивлением растеканию нужно пони-
мать сопротивление, которое земля оказывает току на участке
между заземлителем и зоной, где ток растекается по столь боль-
79
тому объему, что его плотность условно равна нулю. Сопро-
тивление, оказываемое землей, зависит от удельного сопроти-
влепия грунта, размеров и формы заземлителей и их местополо-
Рис. 66. Прохождения тока в Рис. 67. Распределение потенциалов, вы-
земле между двумя заземлите- званных током заземлителей.
лями А и В.
По мере заглубления заземлителей значительно снижаются
потенциалы в точках поверхности земли, расположенных непо-
средственно над заземлителем, и кривая распределения потен-
Рис. 68. Распределение потен-
циалов, вызванных током, при
различном их залегании.
циалов вокруг заземлителя стано-
вится более плавной (рис. 68).
Для заземления, состоящего из
нескольких соединенных вместе элек-
тродов, кривая спада потенциалов
более пологая. Поэтому в больших
заземляющих устройствах даже на
расстоянии нескольких сот метров от
Рис. 69. Определение напряжения при-
косновений по кривой распределения
потенциалов.
80
земле падение напряжения и соот-
Рис. 70. Определение шагового напря-
жения по кривой распределения
потенциалов.
, когда по последнему про-
заземления потенциалы могут быть намного больше нулевого зна-
чения.
От распределения потенциалов на поверхности земли зависит
защитное действие заземления (рис. 69).
Пока изоляция устройства в исправности, прикосновение к кор-
пусу неопасно, но при повреждении изоляции между токоне-
сущими частями и корпусом (например, вследствие пробоя) через
корпус, заземляющий провод и заземлитель, аварийный ток поте-
чет в землю. При заземленной нейтрали — это будет ток одно-
полюсного короткого замыкания, а при изолированной нейтрали —
емкостный ток. Он создает в
ветствующие потенциалы во-
круг заземления.
Напряжение прикоснове-
ния особенно велико в том
случае, когда человек, ка-
сающийся заземленного пред-
мета, находится в точке с
нулевым потенциалом.
Помимо понятия «напря-
жение прикосновения», су-
ществует понятие «напряже-
ние шага», или «шаговое на-
пряжение». Это напряжение,
нод которым может оказаться
человек, идущий около зазе
ходит ток (рис. 70).
Шаговое напряжение зависит от величины протекающего через
заземление тока, от сопротивления заземления, от характера
кривой распределения потенциалов на поверхности земли, от
длины шага и положения человека относительно заземли-
теля.
При достаточно длительном пропускании через заземлители
больших токов сопротивление их сначала несколько падает,
затем стабилизируется, а но истечении некоторого промежутка
времени начинает резко возрастать в результате бурного испарения
из земли влаги и образования вокруг заземлителей слоя высушен-
ного плохо проводящего грунта.
В особо неблагоприятных случаях сопротивление заземлите-
лей может возрасти в десятки и даже в сотни раз, что расцени-
вается как выход заземления из строя. Чтобы заземляющее
устройство было термически устойчивым, заземлители должны
иметь поверхность тем большую, чем больший ток будет прохо-
дить через них и чем больше длительность прохождения этого
тока.
Кроме того, с понижением температуры грунта до температуры
замерзания, находящейся в грунте влаги, удельное сопротивле-
ние грунта резко возрастает. При этом необходимо иметь в виду.
6 Заказ 31.
81
что температура замерзания влаги будет тем ниже, чем больше
содержится в ней солей и кислот.
Одиночные заземляющие электроды, имеющие форму трубы,
уголка отрезка металлической полосы, пластины и т. д., назы-
ваются простыми.
На рис. 71 приведены графики зависимости сопротивления
заземлителя от его длины и от наружного диаметра.
С увеличением длины заземлителя сопротивление растеканию
его значительно снижается, но медленнее, чем при повышении
диаметра трубы. Когда более глубокие слои грунта имеют мень-
шее удельное сопротивление (например, вследствие большей влаж-
ности), трубы забивают на большую глубину (глубинные заземли-
Рис. 71. Кривые зависимости сопротивления трубы.
а — от длины; б — от диаметра.
тели), так как относительно небольшое удлинение заземлителя
может значительно снизить сопротивление.
При больших токах необходимо, чтобы сопротивление заземли-
телей было весьма мало; для этого применяют сложные заземли-
тели, состоящие из нескольких параллельно соединенных простых
заземлителей.
В сложном заземлителе происходит наложение полей отдель-
ных заземлителей (рис. 72), поэтому потенциал заземлителя воз-
растает при той же нагрузке его током, т. е. сопротивление элек-
трода, находящегося в системе многократного заземлителя, уве~
личивается (рис. 72, б).
Заземлители, уложенные в поверхностных слоях земли, меняют
сопротивление более резко, чем заземлители, расположенные
на большей глубине. Протяженные заземлители, укладываемые
на глубине не более 1 м от поверхности земли, должны быть
отнесены к категории малоустойчивых к атмосферным влияниям.
Если удельное сопротивление грунта настолько велико, что
достичь необходимой проводимости растекания заземления трудно,
то прибегают к искусственному повышению проводимости земли.
Увлажняя землю водой, можно увеличить проводимость расте-
кания электрода, однако длительность пребывания электродов
82
в таком состоянии исчисляется часами, в лучшем случае сутками,
в зависимости от свойств земли удерживать в той или иной мере
влагу. Зимой, когда желательно сохранить проводимость земли,
увлажнение не может помочь.
Лучшие результаты достигаются при увлажнении земли рас-
творами солей NaCl, СаС12, содой, медным купоросом и т. п.
Снижение сопротивления растеканию возможно также при
окружении электродов гигроскопическими веществами, например:
шлаком, сажей, размельченным древесным углем и др.
Землю обрабатывают несколькими способами. Можно засы-
пать увлажнители в специально вырытые вокруг заземлителей
шурфы, пропитывать землю растворами при помощи насосной
R
б
Рис. 72. Влияние параллельно включенных заземлителей
на величину их сопротивления растеканию.
а — распределение линии тока; б — зависимость сопротивления
заземлителей от расстояния между ними.
установки или заполнять трубчатые электроды изнутри раство-
рами, откуда они поступают в землю через дыры в стенках труб.
Стабильность сопротивления растеканию с обработкой изнутри
электрода зависит от соотношения количества соли и влаги. При
одном и том же количестве соли, но большем количестве влаги
сопротивление растеканию заземлителя в меньший промежуток
времени восстанавливается до первоначального значения, а ампли-
туда колебания сопротивления растеканию — в течение года
и больше.
При обработке земли шлаком и сажей по сравнению с увлаж-
нением при помощи соляных растворов стабильность сопроти-
вления грунта оказывается значительно меньшей. Заземлители,
обработанные таким способом, более подвержены воздействию
атмосферных условий, чем обработанные солью. Процесс работы
анодных и катодных заземлений различен. Катодное заземление
не подвергается электролизу и при устройстве его руководствуются
теми же соображениями, что и для заземлений, работающих
в цепях переменного тока.
Анодные заземления со стальными электродами подвергаются
электролизу, так как ток стекает с пих в окружающий грунт.
6* ’ 83
Каждый ампер уносит в течение года
около 10 кг металла. Анодные зазем-
ления можно выполнять из малорас-
творимых материалов, например из
графита или угля. Заземления с гра-
фитированными электродами при
правильном их использовании бо-
лее долговечны, а потому и более
экономичны,чем заземления со сталь-
Рис. 73. Заземление с графитированными электродами.
а — электроды вавемлителя ГЗ, б — установка электрода завемли-
теля в скважине с активатором; в — многиэлектродние ваземление.
1 — электрод; 2 — активатор.
84
ными электродами. При использовании графитированных элек-
тродов (рис. 73, а) необходима пропитка их. В качестве активатора
для графитированного электрода-заземлителя можно применить
плотную (с утрамбовкой) засыпку коксовой мелочью. Для уста-
новки графитированных электродов в землю бурят шурфы диа-
метром от 250мм и более в зависимости от удельного сопротивления
грунта. В скважину помещают слой активатора и утрамбовывают
его. Затем по центру скважины (рис. 73, б) устанавливают элек-
трод и снова заполняют скважину активатором и трамбуют
его.
Сложное (многоэлектродное) заземление выполняется путем
соединения одиночных электродов в группу, как показано на
рис. 73, в.
Защита трубопровода катодными станциями выполняется, как
правило, с применением сосредоточенных сложных анодных
заземлений. Протяженные аноды из-за сложности их устройства
и высокой стоимости не распространились, не считая редких
случаев, когда в качестве анода используются бросовые подзем-
ные металлические сооружения.
При выборе расположения анодного заземления необходимо
учитывать, что ток, стекающий с анода в грунт, вызывает элек-
троосмотический перенос воды от анода по направлению к трубо-
проводу, в результате чего сопротивление растеканию анода
может увеличиваться.
Поэтому для анодного заземления следует выбирать наиболее
влажное место.
3. ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ ГАЛЬВАНИЧЕСКИМИ АНОДАМИ
Одна из особенностей протекторных установок — их автоном-
ность, имеющая большое значение для трасс магистральных
трубопроводов, часто пересекающих населенные районы без элек-
троснабжения.
К преимуществам протекторных установок относится также
простота их обслуживания, что снижает эксплуатационные рас-
ходы. Кроме того, гальванические аноды обеспечивают взрыво-
безопасность.
Однако при протекторной защите значителен расход цветных
металлов и мала протяженность защищаемого участка трубо-
провода.
С течением времени протекторы под действием электролиза
растворяются и их необходимо менять. На трассах с грунтами
повышенного и высокого удельного сопротивления эффективность
протекторной защиты снижается, что ограничивает применение
гальванических анодов на магистральных трубопроводах.
Катодная защита металлического сооружения при помощи
гальванических анодов обеспечивается гальваническими парами
трубопровод (сталь) — анод (магний, цинк и др.).
85
В табл. 10 приведен перечень металлов возможных гальвани-
ческих пар и их электрохимические потенциалы, а также даны
потенциалы (в в) металлов, погруженных в растворы, содержащие
1 г-экв ионов соответственно того же металла в 1 л, измеренных
при комнатной температуре.
Таблица 10
Нормальные потенциалы металлов (ряд напряжений)
Металл Ионы Нормаль- ные потен- циалы Металл Ионы Нормаль- ные потен- циалы
Литий Li’ —3,02 Водород н- —0,000
Калий к- —2,92 Олово Sn"" +0,05
Барий Ва" —2,96 Сурьма Sb- +0,2
Натрий Na' —2,71 Висмут Bi" --0,28
Стронций Sr" —2,95 Мышьяк As’” --0,3
Кальций Са - —2,8 Медь Си" --0,345
Магний Mg" —2,35 Кобальт Co"’ +0,4
Алюминий АГ" —1,28 Медь Си’ +0,522
Цинк Zn" —0,76 Таллий ТГ" +0.72
Хром Ст" —0,557 Ртуть Hg" +0,793
Железо Fe" —0,44 Серебро Ag’ --0,808
Никель Ni" —0,250 Палладий Pd" --0,82
Свинец Pb" -0,130 Ртуть Hg" --0,86
Олово Sn" —0,14 Золото Au’ +1,5
В любой из перечисленных в таблице гальванических пар
разнородных металлов металл, указанный ближе к началу перечня,
будет анодом, к концу перечня — катодом.
Зависимость между током гальванопары и потерей веса анодом
выражается законом Фарадея:
_ tMI
FnT\ ’
где G — вес растворенного металла анода гальванопары;
t— время протекания тока в цепи гальванопары;
М — атомный вес металла анода;
I — ток в а;
F — число Фарадея (96500 кулонов);
п—валентность металла;
т] — к. п. д. анода.
К. п. д. анода есть отношение теоретической потери веса
анода к действительным потерям. Превышение практических
потерь веса анода по сравнению с теоретическим объясняется
самокоррозией анода, токи которой не протекают в цепи галь-
ванопары.
86
МАТЕРИАЛЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ АНОДОВ И ИХ СВОЙСТВА
Гальванические аноды, предназначаемые для катодной защиты
стальных трубопроводов от коррозии, могут изготовляться из
сплавов па основе магния, цинка или из чистого цинка.
Для обеспечения стабильной и эффективной работы протектор
помещают в специально приготовленную смесь солей, глины
и воды (активатор). При работе протектора в активаторе повы-
шается его к. п. д., т. е. уменьшается скорость самокоррозии
протектора, увеличивается отрицательное значение потенциала
и ослабляется процесс образования плотных пленок продуктов
коррозии, препятствующих нормальной работе протектора.
Электрохимический потенциал цинка по отношению к водо-
родному электроду равен — 0,76 в.
Отливка из чистого цинка состоит из столбчатых зерен, ширина
которых изменяется со скоростью охлаждения. В этом виде цинк
сравнительно слабый и хрупкий. Измельчение зерна повышает
прочность и пластичность цинка.
Растворение цинка в воде зависит от многих факторов, как,
например, состава воды, показателя концентрации водородных
ионов, температуры и концентрации кислорода.
В то время как количество воды незначительно, а площадь
цинка сравнительно велика, при нейтрализации кислотности
в растворе цинка значение pH достигает 8,5; при этом значении pH
растворимость продуктов коррозии, представляющих собой окись
и гидроокись, равна 4 мг/л.
Применение сернокислого кальция в активаторах цинковых
анодов позволяет продолжительное время пропускать значитель-
ное количество тока, в то время как отсутствие сернокислого
кальция вызывает высокое электрическое сопротивление.
Кроме основного карбоната, продукты растворения содержат
большой процент более благородных элементов, например, свинца
и кадмия, которые не растворяются до тех пор, пока находятся
в контакте с цинком.
Обычно продолжительная работа протекторов при токе, близ-
ком к первоначальному значению, достигается только при чистом
цинке.
Цинковые аноды различных сортов имеют неодинаковый к. п. д.
Средний к. п. д. цинковых анодов составляет около 90%, электро-
химический эквивалент цинка — около 820 а-ч/кг, электрохими-
ческий эквивалент алюминия — около 3000 а-ч/кг.
Нормальный потенциал алюминия — 1,30 в по отношению
к водородному электроду. Алюминиевые сплавы, содержащие
небольшие количества цинка, являются анодами по отношению
к чистому алюминию.
Магний и сплавы на его основе являются сильно выраженными
анодными металлами. Чистый или технический магний подвер-
гается интенсивному воздействию кислот. В отличие от цинка
87
и алюминия растворение магния в водной среде в присутствии
щелочей замедляется. При обычной температуре магний вступает
в реакцию с водой очень медленно, но скорость растворения уве-
личивается с повышением концентрации растворенных солей.
В водных электролитах основная реакция растворения заклю-
чается в непосредственном вытеснении водородных ионов магнием:
Mg-h 2Н+—>Mg++ + H2
Разряжение ионов Н+ и выделение Н2 происходят большей
частью в тех точках, в которых имеются включения тяжелых
металлов, характеризующихся низким перенапряжением водо-
рода.
В отличие от черных металлов растворенный кислород не влия-
ет на скорость растворения магния. Продуктом растворения,
возникшим при нормальных условиях, является гидроокись маг-
ния. В растворах кислоты могут образовываться растворимые
магниевые соли.
К наиболее растворимым солям магния относятся хлорид,
бромид, иодид, сульфат, хромат и нитрат; к умеренно раствори-
мым и нерастворимым солям — сульфит, карбонат, фтор, борат,
фосфат и гидроокисел.
Магний имеет обратный потенциал, значительно повышающий
его водородное перенапряжение. Усиленный разряд ионов Н+
сдвигает наблюдаемый потенциал в область более положительных
значений, чем величина равновесного потенциала металла. Это
основная причина необратимости потенциалов для таких метал-
лов, как барий, стронций и кальций, образующих сравнительно
растворимые гидроокислы.
Чистый магний, погруженный в разбавленный раствор NaCl;
имеет анодный потенциал —1,4 в по отношению к стандартному
водородному электроду. Это примерно эквивалентно потен-
циалу—1,7 в, измеренному по отношению к медносульфатному
электроду, который обычно используется для полевых измерений.
Электрохимический эквивалент магния составляет теорети-
чески около 2200 а-ч/кг. Для анодов, установленных в грунт,
электрохимический эквивалент практически равен 1100—1350 а^ч/кг
(при плотности тока выше 0,02 ма/см2).
Защитные окисные и гидроокисные пленки, которые обра-
зуются на аноде, подверженном действию воды или влаги, легко
разрушаются хлоридными и сульфатными ионами. Прохождение
электрического тока через продукты растворения магниевого
анода сопровождается незначительной поляризацией, пока при-
лежащая среда содержит достаточное количество анионов.
После двух или трех лет эксплуатации магниевые аноды обра-
зуют сравнительно толстый слой продуктов растворения, хотя
это и не препятствует прохождению электрического тока, пока
доступ влаги достаточен.
88
В результате перемещения анионов продукты коррозии через
некоторое время приобретают тенденцию обогащаться по отно-
шению к основным анионам прилегающей среды, так что концен-
трация активных электролитов (ионизированных солей) в про-
дуктах растворения может увеличиться.
Гидроокись является обычно конечным продуктом анодной
реакции. В нейтральных пли умеренно щелочных растворах ионы
хлора и сульфата имеют высокую концентрацию по сравнению
с концентрацией гидроксильных ионов и первичным продуктом
анодной реакции.
С увеличением плотности тока на аноде растворение его ста-
новится более равномерным. При очень низкой плотности тока
растворение характеризуется точечной коррозией.
Плотность тока на аноде мало влияет на его потенциал в рас-
творах, содержащих достаточное количество хлоридных или суль-
фитных ионов. В растворах, лишенных этих ионов, но содержащих
значительное количество ионов сульфата, карбоната, бората
и фосфата, рабочий потенциал анода быстро уменьшается с уве-
личением плотности тока.
Обычно активатор магниевых анодов состоит из смеси серно-
кислого магния, глины и сернокислого кальция или из глины,
сернокислого натрия и сернокислого кальция.
Сернокислый кальций (CaSO42H2O) является растворимым
химикалием, который обеспечивает большой запас ионов суль-
фата.
Глина используется для замедления выщелачивания раствори-
мых солей грунтовой водой и, следовательно, для повышения
срока службы химического слоя.
Сернокислый магний или сернокислый натрий увеличивает
рабочий потенциал . анода и повышает проводимость среды.
ПРОТЕКТОРНЫЕ УСТАНОВКИ
На рис. 74 показана принципиальная схема защиты участка
трубопровода от коррозии при помощи гальванического анода
(протектора).
При подключении протектора к трубопроводу вследствие раз-
ности потенциалов протектор — трубопровод в цепи протектор-
ной установки возникает электрический ток. С протектора ток
стекает в активатор, а затем в грунт и далее входит в трубопровод.
По проводнику ток возвращается к протектору. При этом трубо-
провод является катодом, а протектор анодом по отношению
к окружающему грунту. Протектор под действием стекающих
с него токов разрушается.
Довольно широко применяются протекторы из магниевого
сплава МЛ-4 или МЛ-5. Необходимо, чтобы сумма посторонних
примесей в магниевом сплаве была не более 0,6%, в том числе
железа — не более 0,15%.
89
На рис. 75 показан общий вид магниевых протекторов типа
МГА. Они изготовляются отливкой в металлические кокили.
В центре протектора по его продольной оси расположен стальной
сердечник в виде спирали или стержня. Через сердечник осу-
ществляется электрический контакт протектора с проводником,
служащим для подключения к защищаемому трубопроводу. Во-
ронки в протекторах обеспечивают качественную изоляцию вывода
сердечника, что необходимо для предупреждения образования
паразитных гальванопар сердечник — сплав. Необходимо, чтобы
Рис. 74. Схема защиты при помощи протектора.
1 — трубопровод; 2 — протектор; 3 — проводник.
стальной сердечник, устанавливаемый в кокиль, имел чистую
поверхность, без следов коррозии. Плотное прилегание стального
сердечника к сплаву должно составлять не менее 80%, что можно
определить визуально при рассмотрении шлифов.
В отливках не должно быть трещин и флюсовых включений.
При длительном хранении протекторов последние подвергаются
консервации. Иногда протекторы изготовляют с выводами сер-
дечника по обе стороны. Это упрощает монтаж при вертикальной
установке нескольких протекторов в одном шурфе.
В табл. 11 приведены составы заполнителей для протекторов
из разных сплавов.
Сернокислый магний и сернокислый натрий дают легко раство-
римые соединения с продуктами коррозии протектора, что обеспе-
чивает постоянство его потенциала и уменьшает сопротивление
растеканию протектора. Сернокислый магний и сернокислый
натрий представляют собой белые кристаллы, хорошо растворимые
в воде.
Сернокислый кальций — белый мелкокристаллический поро-
шок, употребляется в виде строительного гипса (алебастра)
90
и менее растворим в во-
де. Благодаря этому он
поддерживает в заполни-
теле постоянную концен-
трацию сульфат-ионов.
При изменении состава
активатора необходимо
учитывать, что снижение
содержания сернокислого
кальция вызывает сокра-
щение срока эффективного
действия протектора, что
объясняется значительной
вымываемостью остальных
солей. Добавка в акти-
ватор мелко измельченной
глины замедляет выщела-
чивание солей грунтовыми
водами, сохраняет по-
стоянную проводимость и
удлиняет срок службы
активатора. Следует при-
менять глину с возможно
меньшим содержанием пе-
ска и других механиче-
ских примесей.
Рис. 75. Протекторы из магниевого сплава
весом (слева направо): 2.5; 5; 2,5; 10 кг.
Таблица 11
Составы заполнителей для протекторов из разных сплавов
№ рецеп- тов акти- ватора Материал протектора Состав заполнителя, % по весу Условия примене- ния
серно- кислый маг- ний * серно- кислый натрий серно- кислый каль- ций глина
1 Магниевый сплав МЛ-4 или МЛ-5 35 — 15 50 В грунтах с удель- ным сопротивле- нием выше 20 ом м
2 То же 20 15 15 50 То же
3 » 25 — 25 50 В грунтах с удель- ным сопротивле- нием ниже 20 ом м
4 Цинки Л-0 25 25 50 В грунтах с удель- ным сопротивле- нием не больше 40 ом м
• По рецепту Д'» 2 активатор применяют при отсутствии необходимого количества
сернокислого магния. При полном отсутствии его сернокислый магний заменяют
сернокислым натрием.
91
Таблица 12
Примерное количество материалов в размельченном виде для приготовления заполнителя из расчета на один
протектор диаметром 11 см и длиной 60 см
Материал протектора Сернокислый магний (сухой) Сернокислый натрий (сухой) Сернокислый кальций (сухой) Глина (сухая) Вода Условия применения
вес, кг объем, л вес, кг объем, л вес, кг объем, л вес, кг объем, л объем, л
Магниевый сплав МЛ-4 или МЛ-5 . . 18—19 14-15 — — 7-8 4-5 26-28 11—12 13-14 В грунтах с удель- ным сопротивле- нием выше 20 ом м
То же .... 10-12 7-8 7-8 5-6 7-8 4—5 26-28 11-12 13—-14 То же
» .... 13—14 11-12 — 13-14 7-8 26—28 11-12 13-14 В грунтах с удель- ным сопротивле- нием ниже 20 омм
Цинк марки Ц-0 .... __ — 13-14 11-12 13—14 7-8 26—28 11—12 13-14 В грунтах с удель- ным сопротивле- нием не больше 40 ом м
Слой заполнителя между стенками шурфа и протектором (раз-
мером 60 х 11 см) должен быть не менее 7 см, а между грунтом
и верхним и нижним торцами протектора — 10 см. Для одного
протектора высотой 60 и диаметром 11 см расход заполнителя
составляет 40 л, или около 66 кг.
В табл. 12 приведены весовые и объемные количества мате-
риала, необходимые для приготовления активаторов из расчета
на один протектор.
Для приготовления заполнителя в деревянном ящике или
бочке смешивают сернокислый магний или сернокислый натрий
Для подключения
измерительных приборов
Рис. 76. Участок трубопровода, защищенный индивидуальными протек-
торными установками.
с водой, затем небольшими порциями засыпают гипс и деревян-
ными лопатами тщательно и непрерывно размешивают смесь.
Необходимо учитывать, что гипс при попадании в воду быстро
затвердевает. Поэтому в смесь надо сразу же прибавить хорошо
измельченную и просеянную через сито (с диаметром отверстий
0,5 см) сухую глину. Готовая смесь не должна содержать камней,
комков глины или солей. Активатор считается готовым, когда
смесь доведена до тестообразного состояния.
На рис. 76 показаны схемы защиты трубопровода протектор-
ными установками. Для этой цели применяют также протяженные
гальванические аноды (рис. 77).
Так как протекторы изготовляются из цветных металлов,
необходимо стремиться к увеличению срока их службы, а следо-
вательно, к максимальному ограничению излишнего тока в цепи
протекторной установки. Йоэтому большое значение имеет пра-
вильный выбор размеров протекторов и оптимальных условий
размещения их на защищаемом участке трубопровода, а также
возможность регулирования тока протекторных установок.
На рис. 78 приведена схема протекторной установки, позволяю-
щей регулировать ее параметры при помощи переменного сопро-
тивления. Хотя при данной схеме необходим проводник, соеди-
няющий протекторы между собой, но этот недостаток полностью
93
возмещается тем, что отпадает необходимость в рытье шурфов
над трубопроводом, а также большим сроком службы протек-
торов и изоляционного покрытия.
В качестве проводника, соединяющего группу протекторов,
может быть использован провод с перхлорвиниловой изоляцией
марки ПВ, укладываемый в грунт кабелеукладчиком. Так как
скорость укладки провода кабелеукладчиком обычно высокая
(2—3 км/час), стоимость этой работы незначительна.
Рис. 77. Участок трубопровода,
защищенный протяженным галь-
ваническим анодом.
При попутной линии связи на
трассе трубопровода вместо под-
земного провода можно приме-
нить подвеску голого провода на
опорах связи (рис. 79).
При протекании тока трубопро-
вод и протектор поляризуются; в
результате их начальные элек-
трохимические потенциалы сбли-
жаются и при установившемся
токе принимают новые значения
и'т и U'A. Изменение электрохи-
мических потенциалов трубопро-
вода и протектора от начальных
значений до эффективных зависит
от катодной (на поверхности тру-
бопровода) и анодной (на поверх-
ности протектора) плотностей то-
ка.
Так как эти плотности у и
у из-за разных поверхностей тру-
бопровода и протектора и F^
обычно неравны, а величина тока
одинакова, то
/т ~ Frr ’ 7 A F\
Тогда эффективные потенциалы трубопровода и протектора
будут определяться выражениями
где константа
тх т М
Здесь т — время прохождения тока в сек.;
М — атомный вес металла;
F — число Фарадея;
п — валентность металла в данном процессе.

Рис. 78. Схема групповых протекторных установок с подземным про-
водником.
Рис. 79. Схема групповых протекторных установок с проводом па опорах
сгязи.
95.
Величины и — являются характеристиками поляриза-
•''т * А
ции трубопровода и протектора на единицу тока (удельная
поляризация) и измеряются в омах.
4. ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДА КОМБИНИРОВАННЫМИ КАТОДНЫМИ
УСТАНОВКАМИ
Рассматривая катодную защиту магистральных трубопрово-
дов, можно отметить присущие им достоинства и недостатки
(табл. 13).
Таблица 13
Характеристика средств катодной защиты
‘ Средства катодной защиты Основные преимуще- ства Основные недостатки
Протекторные установки Автономность. Простота монтажа и эксплуата- ции Значительный расход цветного металла и меньшая эффектив- ность в грунтах с по- вышенным и высоким удельным сопротивле- нием
Катодные станции с хи- мическими источника- ми тока Автономность Высокая стоимость, сложность эксплуата- ции
Катодные станции с вы- прямителями Экономичность Необходимость внешн их источников электро- энергии
Катодные станции с Возможность использо- Непостоянство и преры-
ветродвигателями вания энергии ветра вистость действия
Катодные станции с двигателями внутрен- него сгорания Автономность Значительная стоимость. Сложность экплуата- ции
Для улучшения работы средств катодной защиты на практике
применяют комбинированные установки — катодные станции с вет-
родвигателями и аккумуляторами, с выпрямителями и аккуму-
ляторами, с двигателями внутреннего сгорания и аккумуляторами.
Однако применение аккумуляторов в катодных станциях
усложняет эксплуатацию установок и нередко повышает стои-
мость их сооружения и эксплуатации. Это особенно относится
к катодным станциям с ветродвигателями и аккумуляторами.
При длительном безветрии возникает необходимость в аккуму-
ляторных батареях большой емкости, а в период, предшествующий
перерыву в работе ветроэлектростанции, требуются мощные вет-
роэлектрогенераторы.
96
На период работы основного источника питания протекторные
установки отключаются. При этом обязательны автоматические
включение и отключение протекторных установок в зависимости
от работы источника питания.
Обычную коммутацию протекторных установок нельзя было
применить в комбинированной катодной станции. Поэтому наи-
более рациональной оказалась предложенная ВНИИСТ новая
схема коммутации протекторных установок. Электрическая связь
протекторов с защищаемым трубопроводом осуществляется по-
средством нормально закрытых контактов реле, срабатывающих
при включении источника питания (рис. 80).
Рис. 80. Схема комбинированной катодной установки КУВП-1.
1 — анодное заземление; 2 — трубопровод; 3 — катодная станция с ветродвйгателем;
4 — контрольно-измерительные колонки; 5 — провод; 6 — протектор; 7 — активатор.
Для групповой протекторной установки, располагаемой против
основного источника питания и имеющей с ним общую точка7
дренажа, к основному источнику питания подключают реле. При
напряжении на клеммах трубопровод — анодное заземление оно
срабатывает. Последовательно с обмоткой реле включено пере-
менное сопротивление, что позволяет использовать реле при раз-
личных напряжениях источников питания.
Применение этих же реле на остальных участках протектор-
ных установок требует наличия специального проводника вдоль
трубопровода для подключения к нему плюса источника питания.
Чтобы исключить необходимость в таком проводнике, для осталь-
ных протекторных установок используются поляризованные реле.
Их подключают к трубопроводу и к заземленному электроду,
7 Заказ 31..
97
располагаемому около контрольно-измерительной колонки. При
превышении наложенной разности потенциалов труба — земля
более 0,28—0,3 в контакты реле размыкаются, а при уменьшении
ниже 0,28 в — замыкаются.
В комбинированной катодной установке применяют протекторы
из сплава на основе магния и цинковые. Преимущество цинковых
протекторов заключается в том, что они меньше подвержены
растворению (в отключенном состоянии). Чтобы повысить их
а б
Рис. 81. Автоматические устройства в колонках,
устанавливаемые около точки дренажа (а) и через
каждый километр трассы в зоне защиты комбини-
рованной катодной установкой (б).
эффективность, используют удлиненные протекторы с мень-
шим диаметром. При этом сопротивление протектор — грунт
снижается, и ток в цепи протектор — трубопровод увеличи-
вается.
При использовании комбинированных установок применяют
реле типа РСМ. Эти реле могут работать в полевых
условиях при обеспечении герметизации его контактов. Незна-
чительные габариты реле позволяют размещать его в конт-
рольно-измерительных колонках, располагаемых, как правило,
па каждом километре трассы трубопровода. Поляризован-
ные реле РП-С>4 также имеют малые габариты и размещаются
в контрольно-измерительных колонках.
98
Реле PCM и РП-64 с сопротивлениями и клеммами монти-
руются па щитках, которые укрепляют в верхней части контроль-
но-измерительной колонки (рис. 81), под ее крышкой.
При работе источника питания в местах, где наложенный
потенциал труба — земля превышает защитную величину —0,85 в,
протекторные установки отключаются от трубопровода. Там где
эта величина меньше —0,85 в, протекторные установки не отклю-
чаются.
5. КАТОДНАЯ ЗАЩИТА ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ МАГИСТРАЛЬНЫХ
ТРУБОПРОВОДОВ
Параллельные трубопроводы часто различаются геометри-
ческими размерами, качественным состоянием изоляционных по-
крытии и характером грунтов. Поэтому электрические параметры
параллельных трубопроводов — естественный потенциал труба —
земля, переходное сопротивление между трубопроводом и грун-
том и омическое сопротивление трубопроводов — также различны.
И расход тока при катодной защите на каждый из параллельных
трубопроводов практически неодинаков. Различны также и про-
тяженности защитных зон при одинаковой величине разности
потенциалов труба — земля в точках дренажа.
Защита параллельных трубопроводов отдельными катодными
установками может привести к образованию коррозионноопасных
зон на трубопроводах. Включение катодной установки одного
из трубопроводов вызывает на соседнем наложение потенциала
труба — земля, величина которого против анодного заземления
имеет наибольшее значение.
Образование анодных зон исключается, если применить общую
катодную установку для защиты параллельных трубопроводов.
При этом протяженности защитных зон на всех параллельных
трубопроводах должны быть одинаковы. С этой целью между
близко расположенными параллельными трубопроводами уста-
навливают перемычки. Количество и размещение их определяется
задачей — обеспечить уравнивание потенциалов труба — земля на
параллельных нитках в данной точке. Иногда при отсутствии
перемычек в электрической цепи катодной установки (рис. 82)
предусматривают сопротивления для регулирования разности
потенциалов труба—земля в точке дренажа и установления протя-
женности защитных зон.
При отсутствии катодной защиты, если величина естественных
потенциалов параллельных трубопроводов неодинакова, то при
существовании электрической связи между ними может возник-
нуть гальванопара (рис. 83). Анодом в ней является трубопровод
с более отрицательным естественным потенциалом. Скорость раз-
рушения анода зависит от величины тока, протекающего между
трубопроводами, и от площади анодной поверхности. Величина;
тока обусловлена разностью потенциалов между трубопроводами,
7* 99
сопротивлением металлической части электрической цепи, а также
сопротивлениями между каждым трубопроводом и грунтом.
Пусть трубопровод I имеет потенциал иъ а трубопровод II —
потенциал U2.
Рис. 82. Принципиальная схема защиты параллель-
ных трубопроводов от общей катодной станции.
I — катодная станция; г — трубопровод; I — сопроти-
вление; 4 — заземление.
Если теперь соединить трубопроводы перемычкой, то между
ними возникнет ток:
г _ Ux-Uj
Ro
где Ro — общее сопротивление замкнутой цепи.
О 50 100 150 200 К, он
Рис. 83. Зависимость величины тока от сопроти-
вления замкнутой цепи трубопроводов.
1 — нефтепровод; * — перемычка; а — водопровод.
Плотность анодного тока на 1 м длины трубопровода:
• _ / иг-и2
I 1ДО' ’
где I — длина участка трубопровода, с которого стекает ток,
в м.
Яо = ~,
где R'—сопротивление на 1 м длины трубопровода.
100
Тогда
; U1— U г
7 A R' •
Плотность тока на 1 м2 трубопровода будет
• = /а == U1-U2 = U1-U2
‘8 л £>т л .DT R' л DTIRO '
В условиях катодной защиты параллельных трубопроводов,
даже при электрической связи между ними (технологические
перемычки и т. п.), токи протекают только в цепи катодной уста-
новки (рис. 84) в направле-
нии, указанном на схеме
сплошными стрелками. Тока
между трубопроводами не
возникнет, поэтому, несмотря
на существование перемычек,
исключается возможность об-
Рис. 84. Схема возникновения тока
между параллельными трубопроводами
(сплошными стрелками указаны токи
катодной станции, пунктирными —
уравнительные токи).
разования коррозионноопас-
ных зон во время работы
катодной установки.
Однако при катодной за-
щите трубопроводы обычно
в разной степени поляри-
зуются. При перерыве дей-
ствия катодной защиты по-
1 — анодное заземление; 2 — трубопроводы;
3 — катодная станция; 4 — выключатель.
ляризация трубопровода сразу не исчезает, а уменьшается
постепенно. Поэтому между параллельными трубопроводами также
протекают уравнительные токи, вызванные различной поляри-
зацией трубопроводов.
Величина уравнительных токов поляризации меняется во вре-
мени (рис. 85) от максимального значения (в момент прекраще-
ния действия катодной защиты) и до нуля. После исчезновения
токов поляризации между трубопроводами будут течь только
естественные токи.
Токи поляризации вызывают коррозию одного из параллель-
ных трубопроводов — анода. Причина этого явления — электри-
ческая связь между трубопроводами. Так как она необходима
только во время действия катодной защиты, последняя возможна
без электрической связи между трубопроводами. На рис. 86 пока-
заны схемы катодной защиты параллельных трубопроводов при
отдельных катодных станциях, но при общем анодном заземле-
нии. В схеме с общей катодной станцией могут быть применены
германиевые диоды, обладающие малым сопротивлением при
прямом токе через них и большим сопротивлением при обратном
токе. Благодаря использованию диодов токи могут течь только
от трубопровода к катодной станции и практически отсутствуют
101
Рис. 85. Зависимость тока между параллельными трубо-
проводами от времени.
1 — нефтепровод; 2 — катодная станция; з — водопровод.
Рис. 86. Схема катодной защиты параллельных магистральных трубопро-
водов.
а — с отдельными выпрямителями; б — с одним источником тока (вариант с вентилями);
в — с одним источником тока (вариант с реле).
1 — анодное заземление; 2 — трубопроводы; з — катодная станция; 4 — вентили;
5 — сопротивления; б — реле.
<02
между трубопроводами при прекращении действия катодной
защиты.
На рис. 86 показана также схема защиты параллельных трубо-
проводов от общей катодной установки с применением реле. При
отсутствии напряжения на выходе катодной станции реле раз-
мыкает свои контакты в цепи между трубопроводами, а при нали-
чии напряжения — замыкает контакты.
Как уже отмечалось выше, катодную защиту параллельных
трубопроводов следует осуществлять при общем анодном заземле-
нии. В этом случае величина стекающего с него тока I достигает
больших значений, чем при одиночных трубопроводах, особенно
если изоляция их невысокого качества. Расстояние между тру-
бопроводом и анодным заземлением находится в прямой зави-
симости от I q, поэтому при катодной защите параллельных тру-
бопроводов величина I имеет большее значение при выборе рас-
стояния между трубопроводом и анодным заземлением, чем при
защите одиночных трубопроводов. Максимально возможный ток,
стекающий с анодного заземления, определяется с учетом ка-
чественного состояния изоляционных покрытий на всех парал-
лельных трубопроводах на расчетный период.
Если изоляционные покрытия трубопроводов были выпол-
нены одновременно на всех защищаемых трубопроводах, то рас-
четный ток принимается как сумма всех рабочих токов каждого
трубопровода на момент, предшествующий ремонту изоляционных
покрытий. Если изоляционные покрытия нанесены на трубопро-
воды в разное время, то расчетный ток принимается меньше суммы
всех рабочих токов отдельных трубопроводов.
6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ МАГИСТРАЛЬНЫХ
ТРУБОПРОВОДОВ
Катодная защита предусматривается для всех стальных (под-
земных) магистральных трубопроводов, кроме пролегающих
в грунтах с низкой коррозионной активностью. В последнем
случае необходимость применения катодной защиты определяется
в процессе эксплуатации.
При использовании катодной защиты очень важно исключить
вредное влияние ее на соседние подземные металлические соору-
жения. Оно заключается в уменьшении (по абсолютной величине)
минимального или увеличении (по абсолютной величине) макси-
мально допустимого защитного потенциала на соседних металли-
ческих сооружениях, имеющих электрическую защиту более
чем на 0,10 в, и в появлении опасности электрохимической корро-
зии на соседних подземных металлических сооружениях.
Основными средствами катодной защиты магистральных трубо-
проводов являются катодные станции и протекторы. При выборе
средств катодной защиты и размещении их по трассе магистраль-
ного трубопровода важное значение имеют технико-экономические
обоснования и учет местных условий.
103
При катодной защите протяженного изолированного трубо-
провода распределение вдоль него потенциала выражается урав-
нением
^т.ь^т.д^’ (1)
где С/’т L — наложенный потенциал трубопровода, вызываемый
током (катодной установки) в трубопроводе (отно-
сительно земли с нулевым потенциалом) в точке,
расположенной на расстоянии L (м) от точки дре-
нажа. в в;
UT д — наложенный потенциал трубопровода, вызываемый
током (катодной установки) в трубопроводе (относи-
тельно земли с нулевым потенциалом) в точке дре-
нажа, в е;
а — постоянная распространения тока вдоль трубопро-
1
вода в - ;
L — протяженность участка трубопровода от точки с по-
тенциалом д до точки с потенциалом L в м.
В действительности величина потенциала трубопровода, защи-
щаемого катодной установкой, зависит не только от тока в трубо-
проводе, но и от влияния поля анодного заземления.
Величина потенциала трубопровода в точке х, зависящая
от влияния тока, стекающего с анодного заземления, может быть
вычислена из выражения
?7Т ж = А^АЙ(аЛаУ),
где /3— величина тока, стекающего с анодного заземления, в а;
Qr. з — удельное сопротивление грунта в зоне протекания то-
ков катодной установки в ом м;
Q — специальная функция для определения величин L и Y,
зависящая от функции Бесселя;
У — расстояние между трубопроводом и анодным заземле-
нием в м.
Однако при обычно наблюдаемых на практике значениях /,
а, Qr. 3! L и У величина UT х в любой точке мала и ею для упро-
щения расчетов пренебрегаем.
Задаваясь значениями UT и UT L, определим протяженность
участка трубопровода от точки с потенциалом д до точки
с потенциалом U,r L, преобразуя выражение (1):
L = ±]П
а
ит. Л
^Т. L
(2)
104
Однако критериями катодной защиты изолированного тру-
бопровода являются общая максимально допустимая (по абсо-
лютной величине) разность потенциалов труба — земля У7Д. 0, кото-
рая обычно у точки дренажа равна (—1,2) 4- (—1,5) в по мед-
носульфатному электроду, и общая максимальная (по абсолют-
ной величине) защитная разность потенциалов труба — земля —
UM. о, равная —0,85 в по медносульфатному электроду.
Задаваясь Un. 0 и UM. 0, а также величиной естественной раз-
ности потенциалов труба — земля Uc, получим наложенную раз-
ность потенциалов труба — земля:
в точке дренажа
ия = ия.0-ие,
в конце плеча защиты
Um = UM. о — Uc.
Тогда выражение (2) можно записать в следующем виде:
L = —In
а
иЛ—из. д
--U3 L
(3)
Это выражение действительно для определения протяженности
плеча защиты от одиночно работающей катодной установки. При
работе катодной установки совместно с соседними из-за взаимного
их влияния величина UT L от каждой установки соответственно
может быть уменьшена (по абсолютной величине), а протяжен-
ность плеча защиты благодаря этому увеличивается.
Поэтому выражение (3) в общей форме приобретает вид:
Г 1 ,
а (?7м—’
(4)
где Кв — коэффициент, учитывающий взаимовлияние соседних
катодных установок.
При одиночно работающей катодной установке Кв = 1.
При защите трубопровода катодными станциями заметно ска-
зывается взаимовлияние только двух соседних катодных устано-
вок. В этом случае Кв = 0,5.
Потенциал земли, вызываемый током от точечного заземления
(Уз), в точке х равен
U — /8 6г 3
Ua-X 2л х 1
где х — расстояние между рассматриваемой точкой и заземле-
нием в м.
105
Принимая х = у L2 У2, получим
<5>
Практически L2 У2, поэтому для упрощения дальнейших
расчетов выражение (5) принимает следующий вид:
тт 6г. 3
°з. L — 2л £
Величина потенциала земли у точки дренажа (L = 0)
ТТ 6г. 3
,7я-Д- 2л£ •
Величина тока в точке дренажа определяется по формуле
где Zo — характеристическое сопротивление трубопровода в обе
стороны от точки дренажа в ом.
Преобразуя выражение (6), получим
Г7 — ТТ /з 6г- 3
------2лУ~
/Z»+
При катодной защите одного трубопровода I = /3.
Тогда
^=/(г»+!И'
откуда
(7)
В уравнении (4) величины Ua_ я и Ua L заменим выражением
L = — In
а
тт /з 6г- 3
Лд 2л У
iu JsQr-
Vм 2^Y
106
Подставив в это уравнение выражение (7), получим
= —In
а
/ 2л YZ0 \
(7д^2лУго+ег J
г UaQr.3Y
Ы £(2лУ20+6г 3)
1 2л UjiYZ0L (2л YZo -f- gr3)
а Кв [U(2л 1 Z04- Qr 3) — Qr. 3 У] (2л yZ04- Qr 3)
2л YZ0L
____1,_____________________________________
а Кв [?7МЛ (2л YZ0-}~ Qr 3) - ?Уд Qr 3 У]
ИЛИ
L= - In —
а
Хв
2л Уг0
(2л yZp-f-Qr. з)
(8)
Электрические параметры трубопровода определяются по фор-
мулам
а = ]/
где 7?т—сопротивление трубопровода в омм;
7?т — переходное сопротивление труба — грунт в ом м.
107
Таблица 14
Продольное сопротивление стальных трубопроводов
(в ом м) gT = 0,135 ом мм2/м
Наружный диаметр Толщина стенки трубопровода, мм
6 7 8 9 10 И 12
0,146 51,16-10“® 44,16 • 10“6 38,92 • 10“6 34,84 • 10“6 31,59 • 10“6 28,93 • 10“6 26,72 • 10“6
0,152 49,06 10“ь 42,33 • 10“6 . 37,30 • 10“6 33,38 • 10“6 30,26 • 10“6 27,70 • 10—6 25,57 • 10“6
0,159 46,81 • 10“® 40,38 • 10“6 35,57 • 10“6 31,82 • 10“6 28,83 • 10“6 26,39 10“6 24,36 • 10“6
0,168 44,20 • 10“() 38,12 • 10“6 33,57 • 10“6 30,03-10“6 27,20 IO-6 24,88 • 10“6 22,95 • 10“6
0,180 41,16 • 10-(’ 35,48 -10“6 31,23-10“6 27,92 • Ю“6 25,28 • 10“6 23,11 • 10“6 21,31 • 10“6
0,194 38,09 • 10“® 32,82 • 10“® 28,88 • 10“6 25,80 • 10“6 23.35 • 10“6 21,34-10“6 19,67 • 10“6
0,219 33.62 • 10“ь 28,95 • 10“ 6 25,45 • 10“6 22,73 • 10“6 20,56 • 10“6 18,78 • 10“6 17,30 • 10—6
0,245 29,97 • 10“® 25,79 10“6 22,66 • 10“6 20,23 • 10“6 18,28 • 10—6 16,69- 10“ 6 15,37 • 10“6
0,273 26,82 • 10“® 23,07 10“6 20,27 • 10“6 18,08 • 10“6 16,34 • 10“6 14,91 • 10“6 13,72 • Ю“6
0,299 24,44 • 10“® 21,02 10“6 18,46 • 10“6 16,46 • 10“6 14,87 10—6 13,56 • 10“6 12,48-10“ 6
0,325 22,46 10“® 19,30 10“6 16,94 10~6 15,11 • 10~6 13,64-10“6 12.44 -10—6 11,44 • IO-6
0,351 20,76 10“® 17,84 10~6 15,65 • 10“6 13,95 • 10“6 12,61 • 10“6 11,49 • 10~6 10,56 • 10“ 6
0,377 19,30 • 10~6 16,58 10“6 14,56 • Ю“6 12,98 • 10“6 11,71 • 10“6 10,67 • 10“6 98,11 • 10“6
0,426 17,05 10“е 14,65 • 10“6 12,86 • 10“6 11,45- 10“6 10,33 • 10“6 9,414- 10“6 8,648 -10“6
0,477 15,20 -10~6 13,06- 10“6 . 11,45 • 10“6 10,20 • 10“6 9,202 • 10“6 8,385 • 10“6 7,701 • 10“6
0,529 13,69 • 10“® 11,76 - 10“6 10,31 • 10“6 9,177 • 10“6 8,277 • 10“6 7,538 • 10“6 6,927 • 10“6
0,620 11,67-10“® 10,01 • 10“6 8,778 Ю“6 7,813 • 10“6 7,042 • 10“6 6,416 10“6 5,890 • 10“6
0,720 10,03-10“® 8,610- 10“6 7,542 • 10“6 6,713-10“6 6,051 • 10“6 5,508 • 10“6 5,056 • 10“6
0,820 8,795 • 10“®' 7,550 10“6 6,614 • 10“6 5,887 • 10“6 5,305 • 10“6 4,828 • 10“6 4,431 • 10“6
0,920 7,835 • 10“®' 6,723 10“6 5,887 • 10“6 5,241 • 10“6 4,722 • 10“6 4,297 • 10“6 3,943 • 10“6
1,020 7,061 • 10“®' 6,059-10“6 5,307 • 10“6 4,722 • 10~6 4,255 • 10“6 3,872 • 10“6 3,553 • 10“6
Сопротивление трубопровода вычисляем по формуле
о___________________________6т______
Лт- л (£>т • ю3-д) 6 ’
где рт— удельное сопротивление трубопровода в оммм2/м;
DT — наружный диаметр трубопровода в мм;
6 — толщина стенки трубопровода в мм,
В табл. 14 приводятся значения 7?т для наиболее часто приме
няемых трубопроводов.
Переходное сопротивление труба — грунт определяется по фор-
муле
Лт.г = *,.. + V to •" (л.,. + ^ Ь. 2>Л).
где 7?и. п— сопротивление изоляционного покрытия в ом м
(с учетом поляризационного сопротивления);
6г т — Удельное сопротивление грунта, окружающего трубо-
провод, в омм.
Обозначая т = М и Rn п + Мг т In D„R„ = N, имеем
^т. г = N т In N, R^ п = ,
где Rn. п — сопротивление изоляционного покрытия с учетом
поляризационного сопротивления в данных грунтах на 1 м2
поверхности трубопровода в ом м2.
В настоящее время отсутствуют нормативные данные 7?и. п.
Для битумных покрытий величину 7?и. п можно ориентировочно
определить по номограмме (рис. 87).
При одинаковых электрических параметрах левого и правого
плеч трубопровода
г
Zo~ 2
При различных электрических параметрах левого и правого
плеч трубопровода
7 Х-Л.
0 + ’
где Zn и Zn—характеристическое сопротивление соответственно
левого и правого плеч трубопровода в ом:
ZjI = V -^т (л) ^Т. Г (л) ’
RT (л) RT г (л) •
109
Величины a, Zo являются взаимосвязанными, сложными функ-
циями, зависящими от и последняя из них в свою оче-
редь зависит от йи. п и Qr , которые могут иметь различные
значения.
При большом количестве расчетов электрических параметров
трубопроводов целесообразно пользоваться специально соста-
Рис. 8/. Зависимость
крытия от
// п битумного изоляционного по-
2г т (ориентировочно).
I — удовлетворительное состояние изоляционного покрытия при
комплексной защите трубопровода; 2 — отличное.
вленпоп номограммой (рис. 88). Задаваясь значениями J7?T, От?
рг т и п, можно определить а и Zo.
Уравнение (8) решается методом последовательного прибли-
жения. При большом количестве расчетов ускорить их можно
при помощи специально составленной номограммы (рис. 89).
ПО
3-ю64 5679121520-ю6
Задаваясь значениями рг и £7Д, по ней можно определить a L
и YZ0, а затем уже, зная а и Zo, найти L и У.
Величина тока в точке дренажа при защите одного трубопро-
вода вычисляется по формуле
у ия
Qr. з z
2Л Y + Z°
Величина тока является сложной функцией, зависящей от рг. 3,
У и Zo. При большом количестве расчетов I целесообразно опре-
Рис. 89. Номограмма для определения aL и YZ0.
делить по номограмме (рис. 90). Величину тока находят, зада-
ваясь значениями £7Д, рг 3, У и Zo.
Расчет заземления проводится по следующим формулам.
Сопротивление растеканию электрода, находящегося верти-
кально в грунте:
7?в = fin 4- + ~in
Ля а 2 4£—4 /
7 XX d t. хх 1
пни и
"2 " 4 '
где р—удельное сопротивление грунта, окружающего элек®
трод, в омм;
I — длина электрода в м;
d — диаметр. электрода в м;
t — расстояние от поверхности земли до середины элек-
трода в м.
Сопротивление растеканию электрода, находящегося гори-
зонтально в грунте:
7?г= fin KI + In
112
при
v 2
где л = -----при круглом электроде;
Л = —----при ленточном электроде;
Ъ — ширина ленты в м.
Рис. 90. Номограмма для определения I.
Сопротивление растеканию электрода в
активаторе, находя-
щегося вертикально в грунте:
R =___________§-- (In 2*акт
в’акт 2nJaKT ( йакт
1 4г + 1акт
2-1п4^с;
(9)
0 “ /
8 Заказ 31.
ИЗ
7 ' d * акт
ири 1акт z;' —И ь z/ 7
где /акт—высота активатора в м\
Лакт — диаметр активатора в м;
бакт — удельное сопротивление активатора в ом м.
Сопротивление растеканию электрода в активаторе, находя-
щегося горизонтально в грунте:
п Q /1„ VI I ^акт , бакт 1 ^акт
Rr акт ~ 2л гакт (1п К1акт + 1п ~2Г + ИГ1
при /акт/ ^aKTj t < -у1 .
При подсаливании грунта, окружающего электрозаземлитель,
сопротивление растеканию последнего определяется по формуле
Ra = -у-,
где р — коэффициент подсаливания, определяелшй jio табл/ 15.
[Таблица 15
Значения коэффициента р (с ориентировочным учетом сезона)
при смачиваннн грунта раствором NaCl (1 кг соли на 1—1,5 л воды)
(о— удельное сопротивление грунта после введения электролита)
О, Ом/м 0 е' II Р (расчета.) Грунт
20 2, Q Глина
0,5 1,5 40 2,7 1,5 »
1 2 60 3,2 1,5 Суглинок
2 2,5 100 4 2 »
3 3,4 150 5 2 Супесок
X л 2ОО 6 2 »
5 4,4 250 6,5 2,5
6 5 300 7,5 2,5 Песок
10 8 — — 2,5 »
Общее сопротивление растеканию нескольких электродов опре-
деляется по формуле
R — Дв
Лв о м ’
где п — количество электродов;
114
ц— коэффициент использования электрода, работающего
совместно с соседними:
1 Я
в. э
Здесь йв. в — сопротивление растеканию электрода, работаю-
щего совместно с соседними.
Значения ц см. на рис. 91 и 92.
дят по формуле
Яв. э = Яв + , (10)
где а — расстояние между электродами в м.
Общее сопротивление заземления, состоящего из вертикальных
электродов-заземлителей, соединенных горизонтальной магист-
ралью-заземлителем, определяется по формуле
। __________лвлг______
в’ г иЛв т)в ~г~-Кг Лг *
(И)
где RB — сопротивление вертикального электрода-заземлителя;
7?г — сопротивление растеканию горизонтальной магистрали;
цг — коэффициент использования горизонтальной маги-
страли;
цв— коэффициент использования вертикальных заземлите-
лей;
п — количество вертикальных электродов.
8*
115
Значения RB г приводятся на рис. 93.
Срок службы (в годах) анодного заземления вычисляют по фор-
муле
гр____ G
(ср)
(12)
где G — вес материала заземления в кг;
К — коэффициент запаса для обеспечения нормальной ра-
боты анодного заземления на проектируемый срок его
Рис. 93. Зависимость 7?в от п (стальной
заземлитель, I = 3 м, d = 0,15 м, или уго-
лок 80 X 80 .и.и).
При одинаковом изоляционном
трубопроводах
эксплуатации; мож-
но принимать К =
= 1,1 -? 1,3;
13 (ср) — средняя величина
тока, стекающего с
анодного заземле-
ния, в а;
g— вес растворяемого
материала заземле-
ния в кг/а-год.
Для стальных заземлите-
лей без активатора g =
= 10 кг!а-год, для графити-
рованных заземлителей в
коксовой мелочи g =
= 1 кг!а-год. При катодной
защите параллельных трубо-
проводов величина тока для
расчета срока службы общего
анодного заземления опре-
деляется в зависимости от
числа параллельных трубо-
проводов и состояния изо-
ляционного покрытия,
покрытии на параллельных
п
Лз (ср) = Л + ^2 +• • -Ч" 1п ~ 2
1
(13)
где 13 (ср) — средняя величина общего тока в цепи анодного
заземления за период его работы в а;
— средняя величина тока в цепи катодной защиты
каждого трубопровода за время работы анодного
заземления:
/. — (где 1В, /к — величины тока в точке дренажа каж-
дого отдельного трубопровода соответственно в первый и по-
следний периоды работы анодного заземления в а).
116
Когда изоляционное покрытие на параллельных трубопрово-
дах различно по качеству и ремонтируется неодновременно,
_ ________________ Г п
13 (ср) = l' Лк + Лк +• • •+ In к = |/ 2 Лк- (14)
Напряжение на выходе катодной станции находят по фор-
муле
U = I(Z0 + rn + R3), (15)
где гп — сопротивление проводов, соединяющих катодную стан-
цию с трубопроводом и с анодным заземлением, в ом;
7?3 — сопротивление растеканию анодного заземления в ом.
Мощность на выходе катодной станции
W—IU. (16)
Потребляемая мощность сетевой катодной станции
И7' = — , (17)
где р — к. п. д. катодной станции.
При расчете параметров установок с катодными станциями
проектируемого трубопровода можно задаваться следующими
величинами.
При отличном состоянии изоляционного покрытия (новое)
ия = UR.0-Ue^ —1,2 - (-0,65) = —0,55 в.
При удовлетворительном состоянии изоляционного покрытия
(период, предшествующий ремонту)
ил =ия.0 — ие^ -1,5 — (—0,55) = —0,95 в.
Полное необходимое количество катодных станций, их мощ-
ность и напряжение (на выходе) определяются на период, пред-
шествующий ремонту изоляционного покрытия. Однако очеред-
ность монтажа и пуска в эксплуатацию катодных станций наме-
чают исходя из возможности обеспечить их электропитание.
При этом в первую очередь монтажу и пуску в эксплуатацию
подлежат все катодные станции, при помощи которых обеспе-
чивается защита трубопровода с новым изоляционным покрытием.
Остальные катодные станции монтируются и сдаются в эксплуата-
цию по мере необходимости.
Расчет параметров протекторных установок можно вести по ве-
личине защитной плотности тока, соответствующей данному состоя-
нию изоляционного покрытия трубопровода. Ее находят на осно-
вании расчета параметров установки с катодной станцией. Опре-
117
(19)
данного
делив по изложенной выше методике расчетные протяженность
защищаемого участка данного трубопровода и величину тока
в точке дренажа, вычисляют расчетную защитную плотность
тока на 1 л длины трубопровода:
<18>
Расчетную величину тока протекторной установки определяют
по формуле
. = Уп-Ут
п 204-гпр+-Япр ’
где Ua — величина электрохимического потенциала
протектора в <?;
U? — величина потенциала трубопровода в <?;
гПр — сопротивление проводника, соединяющего протектор
с трубопроводом, в ом;
Пар — переходное сопротивление протектор — грунт в ом:
/?пр = Нп + Нп. п- (20)
Здесь Нп — сопротивление растеканию протектора, опреде-
ляемое по формуле (9), в ом;
Rn. п — сопротивление поляризационное протектора в ом:
О ____ -^п. П
“п. П Л >
□п
где Ra п — удельное поляризационное сопротивление протектора
в ом №;
*$п — рабочая поверхность протектора в м\
При равномерном распределении протекторов по трассе защи-
щаемого трубопровода расстояние между ними определяется
из следующего выражения:
При защите трубопровода групповыми протекторными уста-
новками протекторы распределяют по трассе трубопровода рав-
номерно (если используется проводник; подвешиваемый на попут-
ных опорах связи) и сосредоточенно (если применяется подземный
проводник). При протекторах, сосредоточенных в группе, рас-
стояние между ними выбирают так, чтобы влияние взаимоэкра-
нирования было практически незначительным, и проверяют по
формуле (10). Принимаемое расстояние между протекторами
(группой протекторов) и трубопроводом — Уп — влияет на рас-
пределение наложенной разности потенциалов труба — земля.
118
Располагать протекторы ближе 3 м к трубопроводу не реко-
мендуется, так как выщелачиваемые соли активатора могут
попасть на трубопровод. Кроме того, при приближении протек-
торов к трубопроводу разность потенциалов труба — земля рас-
пределяется по трассе более неравномерно, чем при удалении
их от трубопровода. Однако в последнем случае при неизменном
сечении проводника, соединяющего протекторы с трубопроводом,
сопротивление провода увеличивается, и, следовательно, вели-
чина тока протекторной установки уменьшается.
Учитывая, что расстояние между контрольно-измерительными
пунктами по трассе трубопровода не более 1 км, целесообразно
для каждого километра защищаемого участка трубопровода при-
менять отдельную групповую установку протекторов. При этом
середина участка между контрольно-измерительными пунктами
будет в основном обеспечиваться защитой от двух смежных груп-
повых протекторных установок. Тогда за расстояние между
протекторами и трубопроводом можно принять около половины
протяженности плеча защищаемого участка, а именно: Уп ~
~ 200-4-250 м.
Необходимое количество протекторов в группе определяется
из выражения
где Ln — длина участка трубопровода, подлежащего защите
данной групповой протекторной установкой, в м.
При Ln = 1000 м
Расчет параметров протекторных установок и количества про-
текторов проводится на первый период работы их при данном
состоянии изоляционного покрытия и на последний период,
предшествующий ремонту изоляционного покрытия. Вначале уста-
навливают только протекторы, предусмотренные для первого
периода работы, а остальные по мере необходимости, выявляемой
при наладке установок электрозащиты во время эксплуатации
трубопровода.
Срок службы протектора вычисляется по формуле
у__ ЦпРи /р! \
~ 8760in(cp) ’
где G — вес протектора в кг;
g — электрохимический эквивалент материала протектора
в а-ч/кг;
Цп — к- п- Д. протектора, зависящий от анодной плотности
и состава активатора (для магниевых протекторов
типа МГА, устанавливаемых в активаторе из
119
MgSO4 (35%), CaSO4 (15%), глины (50%), смешанных
с водой при анодной плотности тока /п > 0,02
т]п ~ 0,5 -т- 0,6);
т|и — коэффициент использования материала протектора, он
зависит от размеров и конструкции протектора; для
протекторов МГА-1, 2, 3, 4 т]и = 0,95 и МГА-5, 6, 7, 8
т]и = 0,98;
in (ср)—среднее значение величины тока, стекающего с про-
тектора за период его работы, в а:
1п(н) + ‘п(к)
*п (ср) — 2 '
(где in (н) — величина тока в начальный период работы протек-
тора в а; гп (К) — величина тока в последний период
работы протектора в а).
7. СПЕЦИАЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
И СТРОИТЕЛЬНО-МОНТАЖНЫЕ РАБОТЫ
При осуществлении катодной защиты трубопроводов от кор-
розии применяются специальные устройства, как, например,
контрольно-измерительные колонки, шунтирующие перемычки
и изолирующие фланцы.
Контрольно-измерительная колонка (рис. 94) позволяет про-
водить электрические измерения на трассе, когда необходимо
подключение приборов к трубопроводу. Колонку такой конст-
рукции можно изготовить из стандартных материалов. Она может
служить и в качестве стального измерительного электрода-за-
землителя.
Колонкой пользуются при измерении потенциалов труба —
земля, сопротивления труба — грунт или при определении место-
положения подземного трубопровода (индуктивным методом посред-
ством трубоискателя).
Кроме того, колонка применяется для подключения к погру-
жению протекторов и для измерения или определения направле-
ния токов в трубопроводе.
Назначение изолирующих фланцев — ограничивать токи в тру-
бопроводе путем увеличения продольного сопротивления трубо-
провода. Одна из конструкций изолирующего фланца, разра-
ботанная Укргипрогазом, показана на рис. 95. Такие фланцы
применяются на трубопроводах в местах, где необходимо огра-
ничение тока в трубопроводе.
Шунтирующие перемычки служат для уменьшения сопро-
тивления трубопровода и применяются при фланцевом соеди-
нении трубопровода на участках с задвижками и т. д.
120
При монтаже элементов электрозащиты трубопроводов и резер-
вуаров от коррозии приходится осуществлять электрические
контакты между отдельными элементами. Выполнение этих работ
в полевых условиях затруднено из-за необходимости иметь на
месте соответствующее оборудование.
Всесоюзным научно-исследовательским институтом железно-
дорожного транспорта (ВНИИЖТ) разработан термитный способ
приварки стержней на газопроводах, практика
применения которого позволила ВНИИСТ
iuflM усовершенствовать разработанные ВНИИЖТ
ИИ тигель-формы и создать новые, позволяющие
Я/яф производить термитную сварку других видов
1 специальных контактов.
Рис. 94. Контрольно-измерительная колонка.
а — общий вид; б — щиток в колонне, служащий для измерения потенциалов; в — щиток
в колонке, используемый для измерения параметров протекторной установки.
При осуществлении электрозащиты сооружений от коррозии
выполняют следующие виды постоянных контактов:
1) проводников с трубопроводом;
2) проводников с протекторами;
3) стержней протекторов при групповой вертикальной уста-
новке их.
При этом возможно соединение стали со сталью, стали с медью,
меди с медью.
Соединения «сталь со сталью» выполняются с применением
быстрогорягцей термитной смеси — термита; металл этой смеси
и металл трубопровода (сталь) обладают примерно равными
121
электрохимическими потенциалами, что затрудняет образование
гальванокоррозии в месте сварки.
|ВНИИЖТ рекомендует следующий состав термита: окись-за-
кись железа — 72,5%, алюминий — 18%, магний — 4,5%, ферро-
марганец (40%-ный) — 5%. При изготовлении термита необхо-
димо соблюдать все требования, предъявляемые к производству
пиротехнических материалов.
Соединения стали с медью или меди с медью выполняются
с применением разработанного в ЦНИИ МПС термита следующего
состава: окись меди л~ химическое соединение меди и алюми-
Рис. 95. Конструкция изолирующего фланца.
ния малоуглеродистый (80%-ный) ферромарганец, взятый в 20—
25%-ном отношении от окиси меди. Процентное содержание этих
веществ таково: СнО — 64%, сплава — 20%, FeMn — 16%.
Восстановленный термитный металл (получаемый при сварке
термитом) представляет собой прочную беспористую марганце-
вистую бронзу, надежно сваривающую контакт при минимальной
порции термитного заряда.
При контактных соединениях с медью необходимо учитывать,
что свариваемые провода подвергаются отжигу и прочность их
после сварки снижается (по сравнению с цельным проводником)
на 40—60%.
Для быстрого и удобного воспламенения термитных смесей
применяют разработанные ЦНИИ МПС специальные термо-
спички. Каждая такая спичка представляет собой обычную дре-
весную спичечную соломку, на один конец которой нанесен спе-
122
циальный термитоподобный состав, а поверх него воспламени-
тельная головка.
Зажженные термоспички развивают температуру до 2000—
2500’, достаточную для безотказного воспламенения не только
рассыпных, но и некоторых сор-
тов прессованных термитов. Тер-
мит и термитные спички должны
храниться раздельно в металличе-
ских ящиках в сухом виде.
Вскрытие термитных пакетов и
коробок с термитными спичками
осуществляется только согласно
инструкции. Оставлять термит и
термоспички у места сварки вос-
прещается.
Термитная сварка контактных
соединений выполняется при по-
мощи специальных тигель-форм.
Для каждого вида контактного
соединения применяется соответ-
ствующая тигель-форма. На
рис. 96 показана тигель-форма
для сварки проводников друг с
другом, а на рис. 97 — тигель-
Рис. 96. Тигель-форма для сварки
проводников.
форма с магниевыми держателями для приварки проводников
к трубопроводу.
Места контактных соединений (концы проводов или стержней,
поверхность трубопровода и т. д.) зачищаются при термитной
сварке до металлического блеска.
Рис. 97. Тигель-форма для приварки провод-
ников к трубопроводу.
123
Для сварки проводников друг с другом они вставляются
в тигель-форму, а для приварки проводника к трубопроводу на
нем устанавливают тигель-форму, а под ней помещают провод-
Рис. 98. Виды изолированных контактов.
а — присоединение провода к трубопроводу; б — присоединение провода к протектору;
в — соединение протекторов между собой.
1 — провод ПВ; 2 — стержень; з — трубопровод; 4 — изоляционное покрытие; S —
изоляция; 6 — крафт-бумага; 7 — сварка (термитная железная); s — сварка (термитная
медная); 9 — изоляция лентой; Ю — стержень стальной; 11 — протектор.
Рис. 99. Специально оборудованная машина для
земляных работ при катодной защите.
ник. В тигель-форму кладут тонкий металлический диск, засы-
пают порцию термита и закрывают крышку.
Затем трением о боковую поверхность коробки воспламеняют
термитную спичку и, пока тлеет ее головка, опускают спичку
в отверстие тигель-формы, быстро выходят из шурфа и ждут
124
полного сгорания термита. Если термоспичка не воспламенила
термит, надо подождать, пока продукты горения спички остынут
(до черного цвета), и только после этого повторить воспламенение.
Наблюдение за горением термита следует вести только сквозь
защитные очки. Расходование термита и термоспички разре-
шается только для прямого
назначения. Термитную
сварку можно вести лишь
в местах, где гарантиро-
вана безопасность от по- .— ———
______________________.............1ЩЩ.1И11 .....И»»111 г-ттт
жара или взрыва. Для
большей безопасности тер-
моспичку можно опускать , .
в тигель-форму через труб-
ку (один конец которой
вставляется в крышку ти-
гель-формы), не входя в
шурф.
Спустя 3 мин. после
сгорания термита тигель-
форму снимают и посту-
киванием контакта уда-
ляют шлак, осматривая
место сварки. Места сварки
проводников или приварки
проводников изолируют.
На рис. 98 показаны
изолированные соедине-
ния, применяемые при I
электрозащите трубопро-
водов. 45
При строительно-мон- ©
тажных работах по элек- S
трозащите трубопроводов V
и резервуаров необходимо
устройство шурфов, а так-
же установка вертикаль- Рис. 100 Ручной б
ных анодов в скважины
с укладкой протяженных
проводов в грунт. Эти работы выполняются не только вруч-
ную, но и при помощи механизмов.
Шурфы над трубопроводом с соответствующей предосторож-
ностью можно рыть при помощи ковшовых экскаваторов или
буров большого диаметра (рис. 99), а также ручным спосо-
бом.
Траншеи для заземления роют как ковшовыми, так и ротор-
ными экскаваторами, применяемыми при строительстве маги-
стральных трубопроводов.
125
Для бурения скважин под вертикальные аноды применяют
ручные буры (рис. 100). Буровые работы выполняются также
бурильной машиной БГКМ-АН (рис. 101) или БМ-2.
Шнековая бурильная установка УШБ-1, приспособленная
для рытья шурфов под аноды (необходимого диаметра), с успехом
Рис. 101. Бурильная машина БГКМ-АН.
применяется на трассах трубопроводов Гурьевского товаро-транс-
портного управления (рис. 102). Диаметр шнеков в установке
увеличен до 250 мм, долота имеют диаметр 250 мм. Общая произ-
водительность установки — 5 шурфов в час.
Для более правильного монтажа вертикальных анодов в сква-
жинах (по центру) пользуются специальными клещами (рис. 103).
126
Для укладки протяженных проводов в грунт, например при
протекторной защите, применяют кабелеукладчики. На рис. 104
показан выпускаемый отечественной промышленностью кабеле-
укладчик КУН-2, позволяющий укладывать кабель на глубину
0,7—0,8 м. Кабелеукладчик работает как прицепное устройство
к трактору.
Рис. 102. Шнековая бурильная
установка УП1Б-1.
Рис. 103. Установка электрода
в скважине.
7793 -
Рис. 104. Кабелеукладчик типа
КУН-2.
192 6
I — нож; 2 — направляющая труба; 3 — решетки; t — сидение; 5 — блок; е — демп-
фер; 7 — шестерня; 8 — катушка; 9 — тамбур; 10 — замок; 11 — ящик для инструмента;
12 — серьга; 13 — цепь; 14 — колесо; 15 — основание; 16 — место для товарного знака.
ГЛАВА IV
ЗАЩИТА ТРУБОПРОВОДОВ ОТ КОРРОЗИИ,
вызываемой блуждающими токами
Коррозия трубопроводов, вызываемая блуждающими токами
электрических установок постоянного тока, наиболее разруши-
тельна. Появление токов в земле объясняется неполной изоляцией
рельсов электрифицированных железных дорог и трамваев от
земли, нарушением стыковых соединений рельсов, а следовательно,
недостаточной их продольной проводимостью.
На участках трубопровода, где блуждающие токи входят
из земли в трубопровод, образуются катодные зоны, на участках,
где блуждающие токи выходят из него в землю, возникают анод-
ные зоны. В анодной зоне потенциал трубопровода по отношению
к земле положителен, и он подвергается разрушению.
Если при почвенной коррозии трубопроводов разрушение
проходит сравнительно медленно, то при воздействии на них
блуждающих токов металлические сооружения повреждаются
за короткое время. Сквозные проржавления, вызванные блу-
ждающими токами на магистральных трубопроводах, приводят
к большим потерям дорогостоящего продукта, а иногда и к вре-
менным отключениям этих сооружений. Поэтому защита маги-
стральных трубопроводов от коррозии, вызываемой блуждающими
токами, имеет большое народнохозяйственное значение.
1. ИСТОЧНИКИ БЛУЖДАЮЩИХ токов
К основным источникам блуждающих постоянных токов отно-
сятся: электрифицированные железные дороги, трамваи, метро-
политен, установки с рабочими заземлениями (электросварочные
аппараты и т. д.). Среди этих источников наиболее опасны для
магистральных трубопроводов электрифицированные дороги.
Ходовые рельсы на таких дорогах используются, как известно,
в качестве второго (обратного) провода. Напряжение между
контактными проводами пригородных электрифицированных же-
лезных дорог и рельсами 1650 в, а в контактной сети магистраль-
ных электрифицированных железных дорог 3300 в.
На рис. 105 показана схема образования анодной зоны на тру-
бопроводе при подключении отрицательного полюса источника
питания электрифицированной железной дороги к контактному
128
проводу и положительного полюса к рельсам. Устойчивая катод-
ная зона образуется в этом случае непосредственно у пункта
присоединения отрицательного полюса тяговой подстанции к
контактному проводу.
При прохождении моторного вагона блуждающие токи вы-
ходят из трубопровода, образуя анодную зону. С передвижением
электропоезда анодная зона также перемещается.
На магистральных электрифицированных железных дорогах
и трамвайных сетях с подсоединенным к рельсам отрицательным
Рис. 105. Схема образования зоны разрушения на трубопроводе, проло-
женном параллельно рельсам.
полюсом источника питания анодные зоны на трубопроводах
неизменно находятся на одних и тех же местах.
В отличие от пригородных электрифицированных железных
дорог в трамваях положительный полюс источника питания под-
ключается к контактному проводу. Отсюда ток поступает в элек-
тродвигатели моторного вагона и по рельсам возвращается к отри-
цательному полюсу источника. Напряжение между контактными
проводами и рельсами 600 в.
Электрическая цепь питания поездов метрополитена состоит
из контактного рельса, подключенного к плюсовой шипе тяговой
подстанции, и ходовых рельсов, присоединенных к минусовой
шине (изолированной от земли). Напряжение между контактным
и ходовыми рельсами на метрополитене 825 в.
Утечка тяговых токов метрополитена неизменна в течение года,
так как не зависит от условий промерзания грунта. Поэтому
по сравнению с электрифицированными железными дорогами
и трамваями метрополитен создает значительно более опасные
блуждающие токи.
9 Заказ 31.
129
Установки с рабочими заземлениями, как, например, линии
электропередачи постоянного тока системы провод— земля, также
создают значительные по величине блуждающие токи. В таких
установках ток идет к потребителю по проводу и возвращается
по земле через специальные рабочие заземления. Находящиеся
в зоне действия этих токов трубопроводы подвергаются быстрому
разрушению.
Блуждающие токи в земле возникают и от установок постоян-
ного тока, использующих трехпроводную систему, т. е. землю
в качестве одного проводника.
2. МЕРЫ ЗАЩИТЫ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ КОРРОЗИИ, ВЫЗЫВАЕМОЙ
БЛУЖДАЮЩИМИ ТОКАМИ
Борьба с блуждающими токами ведется по двум направлениям:
уменьшению токов в земле и непосредственной защите от них
металлических сооружений.
Для уменьшения блуждающих токов в земле стремятся прежде
всего улучшить проводимость рельсового пути. Величина утечки
тягового тока в землю зависит от разности потенциалов между
отдельными точками рельсовой сети и землей. Чем эта разность
меньше, т. е. падение напряжения в рельсовой сети, тем меньше
величина токов утечки. Разность потенциалов можно уменьшить
также снижением величины тока нагрузки или сопротивления
рельсовой сети. Но величина тока нагрузки определяется числом
пар поездов, график движения которых нельзя произвольно
менять. Поэтому меры снижения утечки сводятся к уменьшению
продольного сопротивления рельсовой сети и повышению пере-
ходного сопротивления между рельсами и землей.
Уменьшение продольного сопротивления рельсовой сети дости-
гается применением электрической или термитной сварки рель-
сов, приварных электрических рельсовых соединителей, между-
рельсовых и междупутных соединителей, а также увеличением
числа тяговых подстанций и отсасывающих пунктов.
При проведении этих мер падение напряжения в рельсовой
сети несколько уменьшается, но полностью утечка токов не пре-
кращается. Поэтому необходимо повышение переходного сопро-
тивления между рельсами и землей. Для этой цели можно при-
менить дренаж воды с верхнего строения пути, использовать
шпалы, пропитанные электроизолирующими составами, щебеноч-
ный балласт, прочистить просвет между подошвой рельса и бал-
ластом.
Утечка тяговых токов снижается также при уменьшении коли-
чества заземленных металлических сооружений и устройств, свя-
занных с рельсами. При этом не следует допускать: заземления
отрицательной шины отсасывающего кабеля и ходовых рельсов;
соединения тяговых рельсов с рельсами неэлектрифпцпрованных
путей и металлических сооружений различного назначения; зазе-
130
мления на тяговые рельсы аппаратов централизованной сигнали-
зации и устройств связи.
Меры защиты магистральных трубопроводов от блуждающих
токов заключаются: 1) в ограничении проникновения блуждаю-
щих токов на трубопровод и 2) в отводе проникших па трубопровод
блуждающих токов в источник их распространения.
Первое достигается удалением трассы строящегося трубопро-
вода от источников блуждающих токов, а также увеличением
переходного сопротивления между трубопроводом и землей.
Однако перенос трассы не всегда возможен, поэтому основная
мера борьбы с блуждающими токами — это увеличение переход-
ного сопротивления «труба — земля», что осуществляется нане-
сением покрытий на трубопроводы.
Рис. 106. Схема электрического дренажа, подключенного к от-
сасывающему кабелю.
1 — рельс: 2 — отсасывающпт! кабель; 3 — предохранитель; 4 — шунт к
амперметру; 5 — регулировочный реостат; 6 — рубильнпн; 7 — трубо-
провод.
Наиболее широко применяемые в практике битумные усилен-
ные или весьма усиленные покрытия не лишены обычно дефектов.
Блуждающие токи проникают по таким местам на трубопровод,
вызывая в местах стекания в грунт электрокоррозию металла.
Однако все эти меры недостаточно эффективны, поэтому тре-
буется дополнительная защита путем отвода блуждающих токов
с трубопровода в их источник, т. е. электрическое дренирование.
Для отвода токов служит изолированный дренажный кабель
или провод, соединяющий трубопровод с тяговым рельсом, со сред-
ней точкой путевых дросселей, с отсасывающим фидером или
с отрицательной шиной тяговой подстанции.
Специальные устройства регулируют ток в электрических
дренажах и пропускают его в одном направлении от трубопровода
к источнику тока. Ликвидация анодных зон на подземном соору-
жении приводит к устранению или значительному уменьшению
коррозии трубопровода.
В настоящее время применяют прямые, поляризованные и уси-
ленные дренажи.
9* 131
Если потенциал защищаемого трубопровода всегда выше, чем
отсасывающего пункта, то пользуются прямым дренажем (рис. 106):
трубопроводы непосредственно соединяются с минусовой шиной
тяговой подстанции, отсасывающим фидером или рельсами элек-
трифицированных дорог. Существенный недостаток такого дре-
нажа заключается в том, что при отключении тяговой подстанции
в дренажной установке может появиться обратный ток, который
создаст интенсивную зону утечки с трубопровода в землю.
Если направление блуждающих токов изменяется во времени,
то применяют поляризованный электрический дренаж. Широко
Рис. 107. Принципиальная схема поляризованной дренажной установки
(первый вариант).
1 — рельс; 2 — рубильник; 3 — предохранитель; 4 — реостат; 5—предохранитель на 2 а;
в — селеновый выпрямитель; 7 — ртутные контакты; 8 — выключающая обмотка; 9 —
дренажная обмотка; 10 — шунт амперметра; 11 — трубопровод; 12 — амперметр.
используемые для защиты городских и междугородных кабелей
поляризованные дренажные установки РПД-42 (рассчитана на сред-
ний ток 15 а, максимально допустимый 25 а, чувствительность
по напряжению 0,4 в, по току 110 ма, допустимое обратное напря-
жение 50 г?) и ПЭД-45 (рассчитана на максимальный ток 100 а,
чувствительность по напряжению 0,5 в, по току 250 ма) непри-
годны для магистральных трубопроводов. Как установлено
ВНИИСТ, величина тока в дренажах при подключении их к тру-
бопроводам достигала 500—600 а, а обратное напряжение 90 в.
На рис. 107 показана схема поляризованной дренажной уста-
новки ПДУ-54, разработанной ВНИИСТ и предназначенной для
защиты магистральных трубопроводов.
Основной элемент установки — это дренажное реле с двумя
обмотками — включающей и дренажной, расположенными на ме-
таллическом сердечнике из стали марки «Армко». Включающая
обмотка представляет собой круглую катушку, надетую на стер-
132
жень и выполненную из провода марки ПЭ. Дренажная состоит
из двух параллельно соединенных катушек, намотанных из лен-
точной красной меди.
Селеновый (вентильный) элемент предотвращает проникно-
вение тока из рельса в трубопровод (при изменении полярности).
В качестве вентиля используются 1—3 селеновые шайбы. Для
регулирования величины тока служит реостат, состоящий из
отдельных секций стальной проволоки. В дренажной цепи приме-
нены ртутные контакты. Максимальная величина тока в дренаже
150 а.
При замыкании рубильника, когда потенциал трубы выше
потенциала рельса, ток из трубопровода течет через включающую
обмотку реле, селеновый вентиль, предохранитель и далее в рельс.
Электромагнитное реле втягивает сердечник и замыкает через
ртутные контакты дренажную цепь. Теперь ток из трубопровода
в рельс пойдет по цепи: трубопровод, дренажная обмотка реле,
ртутные контакты, реостат, предохранитель и рельс.
При изменении полярности (в момент отсутствия тока) элек-
тромагнитное реле обесточится, а пружина реле разорвет дренаж-
ную цепь. Установка будет отключена, так как селеновый вен-
тиль не пропустит в обратном направлении ток через включающую
обмотку. При прохождении тока в прямом направлении дренаж-
ная установка снова включится в работу.
Установку с одной шайбой во включающей цепи можно исполь-
зовать там, где разность потенциалов между рельсом и сооруже-
нием не превышает 20 в. Если включить последовательно две
(или больше) селеновые шайбы, дренаж сможет работать при
повышенных напряжениях, однако чувствительность его сни-
зится. Так как разность потенциалов между рельсом и трубой
может достигать в отдельных случаях 50—60 в, то применение
поляризованных дренажных установок с • селеновыми шайбами
во включающей цепи нецелесообразно.
В процессе усовершенствования установки для завышения
чувствительности дренажа в цепь включающей обмотки вместо
селеновых вентилей были включены в одном варианте — гер-
маниевые, а во втором — поляризованное реле. Схема поляри-
зованной дренажной установки (второй вариант) показана на
рис. 108.
Когда рубильник замкнется и между трубопроводом и рельсом
появится разность потенциалов 0,3—0,4 в, поляризованное реле
возбудится, замкнет параллельно открытым своим контактом
цепь включающей катушки и введет дренажную установку в дей-
ствие.
При изменении полярности дренаж отключается, поляризо-
ванное реле обесточивается и не пропускает ток через включающую
обмотку. При движении тока в прямом направлении — от трубо-
провода к рельсу — дренажная установка снова включится в ра-
боту.
133
Однако рассмотренные выше установки ПДУ-54 не рассчитаны
на токи до 500—600 а, нередко возникающие в магистральных
трубопроводах. Поэтому появилась необходимость в разработке
более мощной установки.
На рис. 109 представлена схема дренажа типа ПДУ-54 с кон-
тактором, включенным в цепь трубопровод — рельс. Катушка кон-
тактора (12) включена последовательно, а нормально открытый
контакт его (13) — параллельно. Катушка рассчитана так, что
Рис. 108. Принципиальная схема поляризованной дренажной установки
(второй вариант).
1 — рельс; 2 — предохранитель на 200 а; з — катушка поляризованного реле ПР; 4 —
контакт поляризованного реле 1-пр; 5 — ртутные контакты; 6 — дренажная обмотка;
7 — включающая обмотка; S — реостат; 9 — предохранитель на 2 а; 10 — рубильник;
11 — трубопровод.
при прохождении по цепи тока до 150 а работает дренаж ПДУ-54.
Когда ток достигает величины 150 а, срабатывает контактор.
Он замыкает свой нормально открытый контакт и создает парал-
лельную цепь, по которой и проходит основной ток дренажа.
В параллельных цепях дренажа токи распределяются примерно
в отношении 1:10 — одна десятая общего тока проходит через
дренаж ПДУ-54 и девять десятых через контактор. Следовательно,
применяя приставку к установке ПДУ-54, можно дренировать
значительные токи. При этом параметры приставки в каждом
частном случае подбираются в соответствии с величиной дрени-
руемого тока.
Для изготовления приставки можно использовать стандартные
контакторы или пускатели с незначительным изменением электро-
134
магнита и внутреннего монтажа. Необходимое число витков кон-
тактора выбирается из расчета максимального тока в дренаже
(по допускаемой нагрузке на 1 мм2 обмотки):
W = -4иср
150 ’
где -НУср — ампер-витки контактора или
150 — максимальный ток в дренаже
магнитного пускателя;
типа ПДУ-54.
Рис. 109. Принципиальная схема установки с использованием ПДУ-54
и контактора.
1 — рельс: 2 — предохранитель на 150 а; 3 — германиевый вентиль ДГЦ-24; 4 — ампер-
метр на 300 а; 5 — ртутные контакты; 6 — дренажная обмотка; 7 — включающая обмотка;
8 — реостат; 9 — предохранитель на 2 а; 10 — рубильник; 11 — трубопровод; 12 — ка-
тушка контактора; 13 — нормально открытый контакт контактора.
Таким образом, когда токи достигают 500 а, может быть исполь-
зован комбинированный поляризованный дренаж — установка
ПДУ-54 с приставкой.
На рис. 110 показана схема дренажной установки промышлен-
ного образца, разработанной ВНИИСТ на токи 500—700 а.
Основными элементами установки являются германиевый вен-
тиль, пропускающий ток до 10 а в одном заданном направлении
и выдерживающий обратное напряжение до 80 в, и контактор,
допускающий кратковременное прохождение тока до 700 а.
При появлении разности потенциалов между трубопроводом
и рельсом и замыкании рубильника ток из трубопровода 1 течет
через предохранитель 2, реостат 3, предохранитель 4, германие-
вый вентиль 6, включающую обмотку 9, шунт 10, рубильник 12
и поступает в рельс 13.
135
По величине тока 10 включающая обмотка 9 притянет якорь
и замкнет нормально открытый контакт 7 контактора; при этом
блок-контакты 5, замкнувшись, зашунтируют германиевый вен-
тиль.
Основная часть тока пойдет в этом случае по цепи — трубо-
провод 1, предохранитель 2, реостат 3, контакт 7, дренажная
обмотка 8, шунт 10, рубильник 12, рельс 13, меньшая часть
тока (2%) потечет по описанной выше цепи с той лишь разницей,
что вместо германиевого вентиля она пройдет через блок-кон-
такты 5. При изменении полярности, а также в момент, когда ток
в цепи равен нулю и обмотки контактора обесточиваются, контакт
отпадает и дренажная цепь разрывается. Германиевый вентиль
не пропускает ток в обратном направлении, дренажная установка
Рис. 110. Принципиальная схема электродренажной установки типа
УПДУ-57.
1 — трубопровод; 2 — предохранитель ПР-2 на 350 а, 320 в; 3 — ящик сопротивлений;
4 — предохранитель типа ПР на 15 а, 220 в; 5 — блок-контакты контактора; 6 — герма-
ниевый вентиль на 10 а; 7 — контакт (нормально открытый) контактора; 8 — дренажная
обмотка; 9 — включающая обмотка; 10 — шунт 75 ШС на 500 а; 11 — амперметр типа
ПМ-70 (0—500 а); 12 — рубильник однополюсный типа РО-3 на 400 а; 13 — рельс.
не действует. Она снова включится в работу, когда изменится
полярность, т. е. потенциал трубы будет выше потенциала рельсов.
В настоящее время налажен серийный выпуск установок
УПДУ-57, широко применяющихся в промышленности.
Вентильные дренажи с селеновыми шайбами (рис. 111), исполь-
зуемые для защиты кабелей, в практике защиты трубопроводов
не получили широкого применения. Опыт показал, что 50% вре-
мени токи (от 1 до 6 а) протекали через вентиль в обратном напра-
влении (от рельсов электрифицированной железной дороги к тру-
бопроводу); это вызывало коррозию трубопровода.
В некоторых случаях для получения отрицательного потен-
циала применяют усиленные дренажи— совмещенные катодные
и дренажные установки, причем ходовые рельсы используются
в качестве анодного заземления (рис. 112). Это ведет к более
интенсивному их разрушению, чем при обычной утечке блуждаю-
щих токов (в анодных зонах). С трубопроводом и рельсом дре-
нажи соединяются, как правило, проложенным в земле кабелем.
К трубопроводу методом термитной сварки приваривают специ-
136
альную скобу; к ней при помощи болта и гайки подсоединяют
кабель. Место контактов тщательно изолируют битумом. Для
присоединения кабеля к рельсу применяют специальное приспо-
собление (рис. 113). Аналогичное крепление кабеля к рельсу
приваркой скобы показано на рис. 114.
При отсутствии на электрифицированной железной дороге
устройств связи, централизации и автоблокировки (СЦБ) дре-
нажи могут подключаться в любой
точке тяговых рельсов. В осталь-
ных случаях дренажи присоеди-
няются к рельсам железной дороги
в средней точке путевых дроссе-
лей. Иногда для защиты трубо-
Рис. 112. Схема усиленного дренажа-
1 — трубопровод; 2—амперметр с шун-
том; а — рубильник; 4 — предохрани-
тель; 5 — рельс; в — двухполюсный ру-
бильник; 7 — трансформатор; 8 — селено-
вый выпрямитель.
Рис. 111. Схема поляризованного
вентильного дренажа.
1 — трубопровод; 2 — рубильник; з —
регулировочный реостат; 4 — вентильный
элемент; 5 — амперметр с шунтом; 6 —
предохранитель; 7 — рельс.
проводов от блуждающих токов применяют катодную за-
щиту.
Установки катодной защиты служат для локализации неболь-
ших по величине положительных потенциалов на трубопроводе,
а также для защиты трубопроводов от почвенной коррозии при
отсутствии блуждающих токов. На изолированных трубопроводах
максимальный защитный потенциал труба — земля (в точке дре-
137
нажа) не должен превышать — 1,2 в. Повышение этой величины
приводит к разрушению покрытия (вблизи точки дренажа).
Если при защите трубопроводов от почвенной коррозии уста-
новками катодной защиты разность потенциалов между трубопро-
водом и землей (в точке дренажа) постоянна, то при защите от
блуждающих токов она меняется. Поэтому установки катодной
Рис. 113. Конструкция приспособления для присоеди-
нения дренажной установки к рельсу.
1 — скоба; 2 — кабель; з — рельс.
защиты У КЗ, работающие в зоне действия блуждающих токов,
должны реагировать на изменение разности потенциалов между
трубопроводом и землей. Использование в этих случаях обыч-
ных УКЗ может вызвать разрушение покрытия. Так, на одном
из трубопроводов в зоне действия блуждающих токов было вве-
дено в эксплуатацию более десяти УКЗ. При проверке их работы
выяснилось, что в течение большей части суток на трубопроводе
наблюдались отрицательные потенциалы, вызванные блуждаю-
138
щими токами и токами катодной защиты, максимальный отри-
цательный потенциал превышал допустимые значения. В резуль-
тате разрушалась изоляция трубопровода.
С целью ограничения величины защитных отрицательных
потенциалов на трубопроводах ВНИИСТ разработаны два вари-
анта автоматически отключающихся установок катодной защиты
(АУКЗ): в виде приставки к
станции катодной защиты и
специальной автоматической ка-
тодной станции (рис. 115).
Автоматическая приставка
представляет собой отдельный
блок, состоящий из поляризо-
ванного реле и реле перемен-
ного тока. При необходимости
приставку можно подключить
к любой действующей станции
Рис. 115. Принципиальная схема
АУКЗ.
1 — вспомогательный заземлитель; 2 —
трубопровод; 3 — катушка поляризован-
ного реле ПР; 4 — контакт (нормально
открытый) поляризованного реле I-IIP;
5 — амперметр с шунтом; 6 — селеновый
выпрямитель; 7 — трансформатор; 8 —
катушка реле переменного тока; 9 — кон-
такт (нормально закрытый) реле перемен-
ного тока; 10 — предохранители; 11 —
рубильник; 12 — анодное заземление.
Рис. 114. Конструкция скобы для
подсоединения дренажного кабеля к
рельсу.
1 — рельс; 2 — кабель; з — скоба.
катодной защиты. На схеме (рис. 115) приставка ограничена
пунктирными линиями.
Основным элементом, включающим и отключающим АУКЗ,
является поляризованное реле. Оно включается в цепь между
трубопроводом и вспомогательным заземлителем, который уста-
навливают на расстоянии 1—2 м от трубопровода. Питание УКЗ
осуществляется через нормально закрытый контакт реле пере-
менного тока.
139
При устройстве дренажной или катодной установки необхо-
димо учитывать возможность вредного воздействия их на сосед-
ние незащищенные трубопроводы или кабели, которые могут
оказаться в более худшем коррозионном состоянии, чем до вве-
дения защиты. Поэтому при включении катодной или дренажной
защиты необходимо учитывать характер их влияния на соседние
сооружения. В практике отмечались случаи, когда токи значи-
тельной величины появлялись на трубопроводах, расположенных
на расстоянии 10—15 км от источников распространения блу-
ждающих токов. При этом нейтрализация высоких разностей
потенциалов труба — земля (3,5—7 в) при помощи катодных стан-
ций неэкономична. Неэкономичен также дренаж с прокладкой
проводов или кабеля на большое расстояние. В подобных случаях
целесообразно применять комбинированную защиту, позволяю-
щую снизить ток, протекающий по трубопроводу, а также ней-
трализовать его вредное действие при помощи катодных станций.
Для снижения тока в трубопроводе можно применить изоли-
рующие фланцы. При установке их трубопровод разделяют на от-
дельные, электрически изолированные друг от друга участки
(секции).
Если предположить, что трубопровод, уложенный в грунт
одинаковой проводимости, находится в плоско-параллельном
поле блуждающих токов, то максимальная величина тока в тру-
бопроводе
где U —напряженность электрического поля в земле;
а — коэффициент затухания трубы а = ;
г — продольное сопротивление трубопровода;
I — длина трубопровода (секций).
Из этого выражения следует, что снижение величины проте-
кающего тока в тт^бопроводе, а следовательно, и его коррозии
может быть достигнуто:
а) уменьшением напряженности поля блуждающих токов
в земле (путем удаления трубопроводов от источников блуждаю-
щих токов или ограничения последних на самих источниках);
б) увеличением продольного омического сопротивления тру-
бопровода;
в) уменьшением произведения а I (т. е. повышением переход-
ного сопротивления R или сокращением длины участка соору-
жения Z).
Таким образом, разделяя трубопровод на отдельные изоли-
рованные участки и устанавливая изолирующие фланцы, т. е.
140
повышая продольное сопротивление трубопровода, можно резко
сократить величину блуждающего тока.
Интенсивность коррозии зависит в основном от плотности
анодных токов. Приведенное выше выражение показывает, что
с уменьшением величины тока при повышении продольного сопро-
тивления трубопровода снижается и плотность тока в анодных
зонах сооружения, т. е. уменьшается коррозия сооруже-
ния.
В настоящее время нет апробированной методики для расчета
необходимого количества изолирующих фланцев и определения
их влияния на перераспределение блуждающих токов. Экспери-
ментальные исследования в лабораторных и полевых условиях
были выполнены во ВНИИСТ. В качестве лабораторной модели
использовали заполненную водой ванну размером 1 X 1,4 х 0,5 м3.
В нее погрузили модели электрифицированной железной дороги
и трубопроводов. Источником блуждающих токов (электрифици-
рованной железной дорогой) служило шесть трубок диаметром
6 мм, длиной 15 см, соединенных проводниками. Сопротивление
всех трубок составляло 4 ом; концы их были подключены к источ-
нику постоянного тока (U = 24 в и I = 6 а).
Секционированный «трубопровод» состоял из 20 трубок диа-
метром 6 мм и длиной 4 см со вставленными в них Деревянными
пробками, т. е. «изолирующими фланцами». К концам трубок
были припаяны изолированные проводники, при соединении кото-
рых можно было зашунтировать «изолирующий фланец».
Для случая параллельной прокладки трубопровода исполь-
зовали три трубки диаметром 6 мм и длиной 35 см с припаянными
к их концам изолированными проводниками, выведенными на
поверхность и соединенными между собой.
Модели электрифицированной железной дороги и трубопро-
водов подвешивались на проводниках к планкам, уложенным
на борта ванны (рис. 116).
При испытаниях в полевых условиях использовали трубки
диаметром 50 мм. Моделью «электрифицированной железной
дороги» служил трубопровод, составленный из 90 трубок диа-
метром 50 мм и длиной 200 мм с приваренными к их концам
Штырями. К последним были припаяны соединяющие провод-
ники, являвшиеся одновременно сопротивлениями по 0,05 ом.
Проводники крайних трубок присоединялись к клеммам источ-
ника постоянного тока.
Модель секционированного трубопровода была составлена
из трубок диаметром 40 мм и длиной 2000 мм. К концам их прива-
ривали штыри, к которым присоединяли проводники, выводи-
вшиеся из грунта на поверхность.
Между трубками вставляли деревянные пробки, имитиро-
вавшие «изолирующие фланцы». Через выведенные на поверх-
ность концы проводников трубки могли соединяться между собой,
образуя сплошной трубопровод длиной 20 м.
141
Для случая параллельной прокладки секционированного тру-
бопровода использовали трубки диаметром 50 мм, которые соеди-
нялись проводниками, выведенными на поверхность земли.
Модели электрифицированной железной дороги, секциони-
рованного и параллельно проложенного трубопровода были уло-
Рис. 116. Схема лабораторной модели для исследования изолирующих
фланцев.
1 — секционированный «трубопровод»; 2 — «электрифицированная железная дорога»;
3 — параллельно проложенный «трубопровод»; 4 — «изолирующие фланцы»; 5 — элек-
тролит; 6 — модели трубопроводов; 7 — деревянная пленка.
жены на глубину 0,5 м на расстоянии 2 м друг от друга (рис. 117).
Питание модели постоянным током осуществлялось от выпря-
мителя ВСА-бм, установленного на станции катодной защиты
на расстоянии 300 м от модели. Питающие провода были под-
вешены на столбах. Для регулирования величины тока в цепи
использовали реостат.
142
Испытания позволили определить зависимость между током
в трубопроводе и числом изолирующих фланцев. Снижение тока
в трубопроводе происходило в основном за счет первого фланца
(рис. 118 и 119). При включении последующих фланцев ток в тру-
бопроводе уменьшается незначительно. Максимальное снижение
Рис. 117. Схема производственной модели для исследования изолирующих
фланцев.
1 — реостат; 2 — источник питания; 3 — «электрифицированная железная дорога» ;
4 — секционированный «трубопровод»; 5 — параллельно проложенный «трубопровод»;
в — «изолирующие фланцы».
его наблюдается при установке фланца в средней части трубо-
провода.
В трубопроводах, проложенных параллельно электрифици-
рованной железной дороге, токи распределяются неравномерно.
Максимальное значение величина тока имеет в средней части
трубопровода (рис. 120 и 121). В этих случаях изолирующий
фланец устанавливают в нейтральной зоне — между анодной
и катодной зонами (рис. 122).
Электрический ток, стекающий из секционированного трубо-
провода (в анодной зоне), будет проникать через электролит
в параллельный трубопровод и вызывать его разрушение. Однако
143
если трубопроводы уложены в грунтах с большим омическим
сопротивлением, то несекционированный трубопровод практи-
чески_не будет разрушаться.
Рис. 118. Зависимость тока в трубопроводе от числа изолирую-
щих фланцев (лабораторная модель).
Рис. 119. Зависимость тока в трубопроводе от числа изолирую-
щих фланцев (производственная модель).
Из экспериментов следует, что изолирующие фланцы на тру-
бопроводах надо устанавливать в местах протекания максималь-
ного тока. Если поблизости находятся незащищенные трубопро-
воды или кабели, необходимо проверить комплексную защиту.
144
Место для изолирующего фланца выбирают только на основании
электрических измерений.
Установка на трубопроводах изолирующих фланцев приводит
к образованию дополнительных анодных зон. Так, например,
Рис. 120. Распределение токов в трубопроводе, проложенном
параллельно электрифицированной железной дороге (лабора-
торная модель).
один пз трубопроводов подвергся в результате этого сильной
коррозии, во многих местах были отмечены сквозные проржавле-
ния. Изолирующие фланцы были зашунтированы и как защитное
средство отключены.
Рис. 121. Распределение токов в трубопроводе, проложенном
параллельно электрифицированной железной дороге (произ-
водственная модель).
10 Заказ 31
145
Поэтому ВНИИСТ исследовал возможность применения комби-
нированной защиты (при секционировании) путем установки
изолирующего фланца совместно с токоотводами, шунтирующим
сопротивлением и протектором.
После установки трех амперметров в цепи труба — токоотвод
в цепи трубопровода и в шунтирующей цепи измеряли разность
потенциалов труба — грунт (в анодной зоне). В дальнейшем,
уменьшая сопротивление в шунтирующей цепи и регистрируя
показания всех включенных приборов, устанавливали разность
потенциалов труба — грунт, равной нулю или отрицательной.
В результате устранялась анодная зона.
Рис. 122. Влияние места расположения изолирующего
фланца на величину тока в трубопроводе (лабораторная
модель).
Таким образом, метод секционирования как защитное сред-
ство от блуждающих токов (при использовании только изоли-
рующих фланцев) не рекомендуется. В каждом случае после
установки изолирующего фланца измеряют разность потенциа-
лов труба — земля и определяют анодную и катодную зоны. Затем
в последней на расстоянии 1—2 м устанавливают токоотвод
и соединяют его с трубопроводом в анодной зоне. Через реостат
шунтируют изолирующий фланец и вновь измеряют разность
потенциалов труба — земля (в анодной зоне). Меняя сопроти-
вление в шунтирующей цепи фланца, добиваются, чтобы пока-
зание вольтметра было равно нулю.
Изолирующий фланец в комбинации с токоотводом и шунти-
рующим сопротивлением работает эффективно.
Значительно лучшие результаты достигаются при установке
в созданной изолирующим фланцем катодной зоне протектора,
146
присоединенного к трубопроводу в анодной зоне. Место для про-
тектора выбирают так, чтобы полностью нейтрализовать анодную
зону. После установки изолирующих фланцев при образовании
на трубопроводах анодных зон значительной величины (по про-
тяженности и разности потенциалов) вместо протекторов можно
применить установки катодной защиты.
Описанные эксперименты подтвердили существующее в прак-
тике мнение о целесообразности использования изолирующих
фланцев в местах максимальных значений токов, текущих по тру-
бопроводам.
Изолирующие фланцы, помимо применения в качестве средства,
снижающего величину тока в трубопроводе, устанавливаются
в местах разделения защищаемого трубопровода и коммуникаций
перекачивающих и компрессорных станций, а также на отводах
от магистрали, расположенных вблизи источников блуждающих
токов.
3. ЗАЩИТА МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ ОТ КОРРОЗИИ,
ВЫЗЫВАЕМОЙ ТОКАМИ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ СИСТЕМЫ
ПРОВОД — ЗЕМЛЯ
В настоящее время передача электроэнергии на большие
расстояния осуществляется в основном переменным током. Однако
в опытном порядке применяются и электропередачи на постоянном
токе. Линии электропередач постоянного тока (ЛЭП ПТ) в ка-
честве обратного провода используют землю. Это дает экономию
металла, а также уменьшает непроизводительные потери электро-
энергии .
Однако токи в земле, измеряемые сотнями ампер, могут частично
проникать в подземные металлические сооружения. В местах
стекания токов в землю трубопроводы подвергаются коррозии.
При значительных токах ЛЭП ПТ коррозионные разрушения
могут быть значительными.
ВНИИСТ исследовал коррозионное влияние ЛЭП ПТ на ма-
гистральные трубопроводы и разработал меры защиты их от кор-
розии.
Оценка коррозионного состояния трубопровода, находящегося
в электрическом поле ЛЭП ПТ, производится по разности потен-
циалов труба — земля и величине тока в трубопроводе. Электри-
ческое поле токов ЛЭП ПТ в земле рассматривается как поле,
созданное двумя точечными заземлителями (рис. 123).
На рис. 124 представлен план взаимного расположения зазе-
млителей ЛЭП и трубопровода.
Выделим на трубопроводе три участка:
I — на оси, совпадающей с осью трубопровода и началом
координат в точке, лежащей в зоне первого заземлителя (31),
от х = 0 до х = — оо;
II — от х = 0 до х = L cos а;
10*
147
Ill — от x = L cos а до x = co,
где L — расстояние между заземлителями (31 и 32);
a — угол между трубопроводом и прямой, проходящей через
заземлители.
Тогда потенциал трубопровода (в) относительно земли, создан-
ный током ЛЭП, определяют по следующим формулам.
_______________
Рис. 123. Схема образования в земле токов ЛЭП ПТ
системы провод — земля.
1 — генератор; 2 — земля; а — нагрузка.
Для I участка —со <2^0:
Рис. 124. Схема взаимного расположения трубопро-
вода и заземлителей ЛЭП.
Для II участка 0<a?^cosa:
м2 (с) — ^ах’ (£ cos a — х), ah^}.
Для III участка L cos a < а; < со:
мз (х) — — £2 [а (х — L cos а), а/г2]].
148
Ток в трубопроводе определяется в амперах по следующим
формулам.
Для I участка —оо<ж^0:
Б (*) = -у- —--------j-v (Ф (ах, afh) — ф [a (L cos а + х), ah2]}.
- АДиз + х0(а
Для II участка 0 <; х < L cos а:
i2 U) = 4r —:----,—д— !ф (ах, аЬг) — ф [a(L cos а — х), ah2]}
|ям-}Л(« А)
Для III участка Lcosa < r ^co:
i3 (х) = ------^—7—cf—- !ф (ах, ahj + ф [a (L cos а — .т), ah2]}
^из + \а j
где 10 — ток, протекающий через заземлители ЛЭП, в а;
о — удельное сопротивление грунта в ом л»;
/?из — сопротивление изоляции трубопровода в ом м;
d0 — диаметр трубопровода в м;
Z/t — кратчайшее расстояние от первого заземлителя (31)
до трубопровода в .и;
Л2 — то же, но для заземлителя (32);
а — постоянная распространения тока вдоль трубопро-
вода А;
Ко — видоизмененная функция Бесселя от мнимого аргу-
мента, значение которой приведено в табл. 16;
Q, ф—специальные функции, зависящие от функции Бесселя,
значения которых приведены на рис. 125 и 126.
Таблица 16
Значения функции
и KV(U) и K0(U) и К AW
0,0 0,00 0,6 0,778 2 0,1139
0,1 2,427 0,7 0,661 2,5 0,0624
0,2 1,753 0,8 0,565 3 0,0347
0,3 1,373 0,9 0,487 4 0,0112
0,4 0,115 1,0 0,421 5 0,0037
0,5 0,024 1,5 0,214 6 0,0012
Из приведенных формул следует, что влияние ЛЭП тем силь-
нее, чем больше ток нагрузки (/0) и величина удельного сопро-
тивления (о), т. е. чем больше произведение р/0.
149
Ток нагрузки ЛЭП не является постоянной величиной, поэтому
в формулах необходимо брать среднее ее значение, определяемое
из выражения
7° = 4* f ^dl'
Рис. 125. Зависимость (ах; ah) от ах при
различных значениях ah-
где 70 — расчетный ток нагрузки в а;
Т — время прохождения тока через заземлители в час;
/т— действительное значение тока в а.
В приведенных выше формулах предполагались два заземли-
теля ЛЭП; при нескольких заземлителях или нескольких системах
Рис. 126. Зависимость Q (ах; ah) от ах при раз-
личных значениях ah-
150
ЛЭП расчетную величину необходимо определять как алгебраи-
ческую сумму величин от каждого заземлителя в отдельности, т.е.
п
П(х) = Sni (Д
1
где т](Я) — суммарное значение расчетной величины в точке х;
тр (х) — частное значение расчетной величины от заземли-
теля (i) в точке ж;
п — число заземлителей.
Значение постоянной распространения тока вдоль трубопро-
вода определяется из формулы
ч/ ~ 1
а = I/ -------,
г -“изо м
где г — сопротивление трубопровода в ом м;
Нвзо — переходное сопротивление трубопровода, зависящее от
сопротивления изоляции, в ом м.
Для определения влияния ЛЭП ПТ на трубопровод были
рассчитаны величины разностей потенциалов трубопровод—земля
и тока в трубопроводе. Расчеты выполнялись применительно
к опытному участку первого района газопровода Саратов —
Москва. Разность потенциалов между трубопроводом и землей
(для одиночного заземлителя ЛЭП) определяется лишь в сторону
возрастания х, так как картина распределения разности потен-
циалов относительно точки О трубопровода симметрична.
Расчет производился по формулам (1—6), в которые подста-
влялись следующие значения: ток 10 = 100 а и 20 а (20 а — при
исследованиях на опытном участке). Постоянная распростра-
нения (а = 0,2 • 10~3 1/л) и удельное сопротивление (р = 100 ом м)
грунта определены измерениями (в 1953—1954 гг.).
Значения функций Q (ах, ау) и ф (ах, ау) определялись
по графикам (см. рис. 115 и 116). Было также рассчитано изме-
нение разности потенциалов трубопровод — земля и тока в трубо-
проводе в зависимости от удельного сопротивления грунта р
и от постоянной распространения а.
На основании расчетов были установлены: зависимости раз-
ности потенциалов трубопровод — земля от расстояния У между
трубопроводом и заземлением ЛЭП ПТ (рис. 127), тока в трубо-
проводе от расстояния при различных значениях (рис. 128),
а также разности потенциалов трубопровод — земля и тока в тру-
бопроводе от удельного сопротивления грунта (рис. 129).
На участке газопровода установили контрольно-измеритель-
ные колонки с двумя проводами, подсоединяемые к трубопроводу
на расстоянии 1 м. По прямой, перпендикулярной оси трубопро-
вода, устроили заземлители. Использовались также заземлители
станций катодной защиты. Для испытаний была применена суще-
151
Рис. 127. Зависимость £7(о) от у.
Рис. 128. Зависимость тока 7(г) от (х).
Рис. 129. Зависимость U(o) и / от g при Zo = const.
152
ствующая ЛЭП ПТ на 6 кв, которую на время опытов отключили
от электростанции. Ток в цепи ЛЭП создавался передвижной
электроустановкой (напряжение до 1000 в). Величина тока во время
измерений поддерживалась постоянной 20 а. Разность потенциа-
лов трубопровод — земля измерялась компенсационным методом
приборами П-6, таким же способом определялась величина тока.
В результате полевых исследований были установлены зави-
симости распределения разности потенциалов труба — земля вдоль
трубопровода от расстояния между заземлителями ЛЭП ПТ
(рис. 130) и тока в трубопроводе от расстояния между трубопро-
водом и заземлителем ЛЭП ПТ (рис. 131).
I
Если заземлители ЛЭП ПТ располагаются на прямой, парал-
лельной оси трубопровода, то влияние каждого из них на трубо-
провод можно рассматривать независимо от другого только при
условии, что соотношение
4 >50,
где I — расстояние между заземлителями ЛЭП ПТ;
Y — расстояние между заземлителями ЛЭП ПТ и трубопро-
водом.
При изменении направления тока в цепи ЛЭП ПТ изменяются
катодные и анодные зоны на трубопроводе. С удалением заземли-
телей величина тока в трубопроводе уменьшается (резко при
У<500 м и плавно при У>500 .и).
Максимальная разность потенциалов труба — земля наблю-
дается на трубопроводе в точке, лежащей непосредственно против
153.
заземлителя. В районе заземлителя, там,где ток входит в грунт,
на трубопроводе образуется катодная зона (ток входит в трубо-
провод). Непосредственно за ней находится анодная зона (выход
тока из трубопровода). Максимальное значение тока в трубопро-
воде отмечено вблизи нулевой точки. С повышением удельного
сопротивления грунта возрастает и ток в трубопроводе. При
увеличении постоянной распространения разность потенциалов
трубопровод — земля возрастает, а ток в трубопроводе умень-
шается. По мере удаления заземлителя ЛЭП от трубопровода
разность потенциалов трубопровод •— земля и величина тока сни-
жаются.
С нема эксперимента
Рис. 131. Изменение тока I в трубе в зависимости
от расстояния у между трубой и заземлителем.
Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало,
что расчетные значения разности потенциалов трубопровод —
земля и токов в трубопроводе в 1,5—2 раза выше, чем экспери-
ментальные. Поэтому в расчетах среднее значение q необходимо
принимать не по всей трассе трубопровода, а только на участке,
лежащем против заземлителей. Тогда на отрезке длиной 34—
38 kjh оно будет равно 70 ом м, и расчетные данные превысят
экспериментальные всего на 1—2,5%.
Основным направлением борьбы с коррозией является удале-
ние трубопровода от заземлителей ЛЭП ЙТ с последующей элек-
трозащитой его.
Расстояние между трубопроводом и заземлителями ЛЭП опре-
деляется из максимально допустимых значений разности потен-
циалов труба — земля, равной —1,2 в (по медносульфатному
электроду сравнения). Минимально допускаемые расстояния
между трубопроводом и заземлителем (вводящим ток в землю)
находят по кривым (рис. 132). По оси абсцисс откладывают про-
изведение тока нагрузки ЛЭЙ ПТ на величину удельного сопро-
тивления грунта и восстанавливают перпендикуляр до пересе-
154
ченпя с кривой (соответствующей данному диаметру трубопро-
вода). По оси ординат определяют минимально допустимое рас-
стояние Y. В этом случае на трубопроводе в точке, лежащей
против заземлителя, возникает катодная зона с разностью потен-
Рис. 132. Кривые зависимости минимально допускаемых рас-
стояний у от величины I g для трубопроводов 0 320, 520, 720 мм-
циалов труба—земля 1,2 в. Для защиты участка трубопровода,
лежащего против заземлителя, в который ток ЛЭП поступает
из земли, применяют дренажи, установки катодной защиты и изо-
лирующие фланцы. Остальную часть трубопровода можно защи-
щать от почвенной коррозии при помощи установок катодной
защиты.
Рис. 133. Принципиальная схема защиты магистрального трубопровода
от коррозии токами ЛЭП системы провод — земля.
1 — анодное заземление ЛЭП; 2 — трубопровод; 3 — анодная зона; 4 — катодная зона;
>5 — катодное заземление.
Если ЛЭП используется для связи между энергетическими
системами, то ток нагрузки ЛЭП может течь как в одну, так
и в другую сторону; кроме того, ЛЭП способна работать периоди-
чески. При этом расстояние между трубопроводом и каждым
заземлителем выбирают с учетом максимально допустимых защит-
155
ных потенциалов (1,2 в) по кривым рис. 132. Для защиты трубо-
провода устанавливают по две параллельно работающие АУКЗ,
как это показано на рис. 133. При отсутствии тока нагрузки ЛЭП
включается в работу одна АУКЗ, защищая трубопровод от поч-
венной коррозии, а при наличии тока в цепи ЛЭП на участке
трубопровода (где создается анодная зона) включаются сразу две
АУКЗ. Таким образом создается необходимый защитный потен-
циал. На катодных участках трубопровода, где током ЛЭП будет
создана защитная разность потенциалов труба—земля (—1,2 в),
обе АУКЗ будут отключены.
4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОЗАЩИТЫ
Проектирование защиты трубопроводов от коррозии, вызывае-
мой блуждающими токами, не представляет трудностей при
наличии исходных данных. Но обычно эти данные отсутствуют,
что усложняет решение задачи. Основные принципы проектиро-
вания заключаются в совместной защите различных подземных
металлических сооружений, находящихся в непосредственной
близости. Проектирование ведется так, чтобы исключить вредное
влияние защищенных сооружений на незащищенные. Все защит-
ные мероприятия на сооружениях выполняются комплексно.
Защита от коррозии отдельного или нескольких подземных'метал-
лических сооружений осуществляется одновременно различными
средствами.
Если трубопроводы не уложены в землю и поблизости нахо-
дятся электрифицированные железные дороги, то при отсутствии
соседних подземных сооружений к основным работам по проекти-
рованию относятся: проведение изысканий, определяющих опас-
ные в коррозионном отношении участки (на основании измерения
удельного сопротивления и химического анализа грунта); про-
верка состояния рельсовой сети электрифицированной железной
дороги; сбор данных об источниках постоянного тока, располо-
женных вдоль трассы проектируемого трубопровода; сбор све-
дений о схеме питания контактной сети с указанием ее напряже-
ния, расположения тяговых подстанций, мест подключения отса-
сывающих фидеров и режима работы тяговых подстанций.
Непосредственно в разработку проекта входят: составление
планов рельсовой сети электрифицированной железной дороги
и сети подземных трубопроводов; выбор и обоснование защитных
мероприятий; составление схемы размещения защитных устройств
на прокладываемом подземном трубопроводе; обоснование мер,
ограничивающих утечку токов с рельсов электрифицированной
железной дороги.
Если укладываемые в землю трубопроводы находятся побли-
зости от других подземных сооружений, то, помимо названных
выше работ, необходимо: составить план существующих подзем-
ных сооружений и рельсовых путей электрифицированной желез-
156
ной дороги, графики распределения потенциалов на рельсовой
сети и подземных сооружениях; определить величины блуждаю-
щих токов и токов, стекающих с трубопроводов, в районе про-
кладки проектируемого трубопровода; получить данные о защит-
ных мероприятиях на существующих подземных сооружениях,
о коррозионных разрушениях до защиты и после ее применения;
составить схемы расположения дренажных и катодных устано-
вок на существующих подземных сооружениях в районе трассы
проектируемого трубопровода и определить величины токов в це-
пях этих установок, а также протяженность защищаемых участ-
ков; выяснить влияние дренированных сооружений на недре-
нировапные, а также существование поперечных соединений между
отдельными подземными сооружениями.
Общими исходными данными для разработки проектного зада-
ния (при проектировании в три стадии) являются сведения о трассе
трубопровода — план, характеристика местности, сближение
с электрическими железными дорогами, а также данные о грун-
тах и о трубопроводе (временный или постоянный, проектируемый
или существующий, диаметр и толщина стенки).
При проектировании в две стадии и при разработке техни-
ческого проекта исходными данными для составления проектного
задания являются: отчет об изысканиях, план трассы трубопро-
вода, сведения о трубопроводе (диаметр, толщина стенки, глу-
бина залегания) и при составлении технического проекта — проект-
ное задание и решение эксперта.
В проектном задании при проектировании в две стадии или
в техническом проекте рассматриваются: исходные данные, выбор
основных видов защиты, расчет и выбор средств защиты и выбор
специальных элементов защиты.
Для разработки рабочих чертежей необходимы: проектное
задание (при проектировании в две стадии) или технический
проект (при проектировании в три стадии) и решение экспертизы
по нему. В рабочих чертежах даются краткие пояснения принци-
пиальных отступлений от технического проекта (обоснование
и характер отступлений).
Чертежи трассы трубопровода являются общими для всех
видов защиты. В них указываются (при проектировании в три
стадии) тип выбранной изоляции и размещение основных средств
электрозащиты.
В проектном задании (при проектировании в две стадии)
или в техническом проекте приводятся сведения об удельном
сопротивлении грунтов по трассе, коррозии трубопровода (для
существующих сооружений), о распределении видов выбранной
изоляции по длине трубопровода, размещении установок электро-
защиты и специальных элементов защиты, о полярности питания
контактной сети; дается график распределения потенциалов
по отношению к земле по рельсовой сети, а также соседних соору-
жений; сообщается о количестве повреждений существующих
157
подземных сооружений, об электрической защите трубопроводов
или кабелей, уже уложенных в землю, о взаимных пересечениях
рельсов уложенными или проектируемыми трубопроводами, о рас-
пределении потенциалов и токов в этих сооружениях; приводятся
схемы защитных установок, места их подключения и данные
об эффективности защиты, а также о контрольных пунктах на
трассе.
Для разработки рабочих чертежей необходимы планы пло-
щадок под установки электрозащиты от блуждающих то-
ков.
В проектном задании (при проектировании в две стадии) или
в техническом проекте на общем сводном чертеже дается схема
размещения устройств защиты от блуждающих токов.
В проектном задании (при проектировании в три стадии) на
общем сводном чертеже приводятся предварительные сведения
об источниках блуждающих токов.
В виде отдельных чертежей (в проектном задании при проек-
тировании в две стадии или в техническом проекте) представляют:
все чертежи (кроме общего чертежа трассы), которые составляются
раздельно на участке трубопровода соответственно видам защиты
(по построению пояснительной записки); спецификацию на обору-
дование и материалы, которая составляется общей, но подразде-
ляется по видам защиты, и смету — общую, но подразделяющуюся
на части по видам защиты.
Пояснительная записка к проекту содержит общую часть,
характеризующую трассу и трубопровод, и несколько глав:
защита покрытиями, катодная защита от почвенной коррозии
и защита от блуждающих токов.
Кроме общих исходных данных, в проектном задании (при
проектировании в три стадии) необходимы схема расположения
тяговых подстанций, указание мест подключения отсасывающих
фидеров и полярности контактной сети.
При проектировании в две стадии или для составления тех-
нического проекта проектное задание должно включать: планы
расположения коммуникаций электрифицированных железных
дорог и подземных сооружений; данные о техническом состоянии
рельсовой сети на участках прокладки трубопровода; схемы
расположения тяговых подстанций и мест подключения отсасы-
вающих фидеров; принципиальные схемы устройств защиты
от блуждающих токов; общие виды дренажных установок и дру-
гих устройств электрозащиты.
В рабочих чертежах должны быть установочно-монтажные
чертежи средств электрозащиты, чертежи устройств электроза-
щиты от блуждающих токов и планы площадок с нанесением
и привязкой к местности установок и элементов защиты от блу-
ждающих токов.
Выбор различных устройств защиты трубопроводов от кор-
розии, вызываемой блуждающими токами, основывается на опре-
158
делении анодных, катодных и знакопеременных зон на трубо-
проводах.
Электрические дренажи устанавливают преимущественно
в местах сближения железных дорог с трубопроводами, так как
при значительных расстояниях увеличиваются сечение и длина
дренажного кабеля, что экономически нецелесообразно. Место
подключения электрического дренажа выбирают так, чтобы обес-
печить наиболее высокую эффективность его действия.
При расположении трубопроводов вблизи тяговых подстан-
ций (если контактный провод электрифицированной железной
дороги соединен с плюсовой шиной тяговой подстанции) в проекте
предусматривается установка универсальных поляризованных дре-
нажей с подключением к минусовой шине тяговой подстан-
ции.
Катодные установки применяются: при наличии остаточных
положительных потенциалов на трубопроводе после введения
в эксплуатацию дренажей; при удалении трубопроводов от рель-
совой сети и пунктов отсасывания, когда применение электри-
ческого дренажа экономически нецелесообразно; на участках,
где дренажи работают с перерывами (для защиты от почвенной
коррозии).
Количество установок катодной защиты (УКЗ) и их пара-
метры намечаются в проекте ориентировочно (уточнение произ-
водится после укладки трубопровода).
Опытные УКЗ монтируются в местах установки постоянных
УКЗ (намеченных проектом). Если при включении опытных УКЗ
выяснится, что постоянные УКЗ. не обеспечат полной защиты
трубопровода, то устанавливают дополнительные УКЗ. При нали-
чии небольших по протяженности незащищенных зон используют
протекторы. Они применяются в том случае, если на трубопроводе
наблюдаются небольшие положительные потенциалы (+0,2 4-
0,5 а).
Изолирующие фланцы устанавливают там, где необходимо
электрически разъединить защищаемый трубопровод и комму-
никации перекачивающих станций и компрессорных, на ответ-
влениях, вблизи источников блуждающих токов, а также в местах
максимальных значений блуждающих токов, текущих по трубо-
проводу.
Окончательно места установки изолирующих фланцев выби-
рают после электрических измерений (определения разности
потенциалов между трубопроводом и землей и распределения
токов в трубопроводе).
При трассировке трубопроводов необходимо учитывать в плане
их диаметры, ширину и глубину траншеи, габариты колодцев
и камер, взаимосвязь их с соседними подземными сооружениями,
а также с зелеными насаждениями. Помимо этого, следует руко-
водствоваться диаграммами распределения потенциалов на рель-
совой сети по отношению к земле, распределения потенциалов
159
на соседних подземных сооружениях и данными о коррозионности
грунтов.
Подземные металлические сооружения рекомендуется по воз-
можности строить в отдалении от рельсов электрифицированных
железных дорог и трамваев, избегать резких приближений к ним.
При пересечении рельсов электрифицированных железных дорог
подземные сооружения необходимо прокладывать на глубине
не менее 1 м под подошвой рельса. Не допускается пересечение
подземных сооружений с рельсовыми путями под стрелками
и крестовинами, а также в местах присоединения к рельсам
отсасывающих кабелей. Место пересечения должно находиться
на ближе 3 м от отсасывающего пункта.
Подземные сооружения, прокладываемые вдоль трамвайных
путей, необходимо располагать на таком расстоянии от них,
чтобы бровка траншеи была не ближе 1,75 м от оси ближайшего
пути. При пересечении с трамвайными путями подземные метал-
лические сооружения должны находиться на глубине не менее
0,7 м от подошвы рельса и прокладываться под углом 75—90°
к оси пути.
Расстояние по горизонтали от подземных сетей трубопрово-
дов (прп их траншейной прокладке) до параллельно располо-
женных зданий, сооружений, а также других сетей коммуника-
ций следует определять в зависимости от конструкции фунда-
ментов здания, глубины заложения трубопровода, его диаметра,
давления продукта, конструкции колодцев, интенсивности блу-
ждающих токов, а также других местных условий.
При параллельной укладке газопроводов в одной траншее
желательно обеспечить электрический контакт между ними, чтобы
выравнить их потенциалы.
В местах пересечения газопроводов с рельсами трамвая необ-
ходимо укладывать в футлярах п на диэлектрических проклад-
ках (центрирующих положение трубы и футляра). При этом
независимо от коррозионной активности грунта трубопровод
должен иметь весьма усиленную изоляцию протяженностью
по 3 м от крайних ниток рельсов. Торцы футляра следует уплот-
нять.
При пересечении путей электрифицированных железных дорог
газопровод следует также укладывать в футлярах на диэлектри-
ческих прокладках. Концы футляров нужно уплотнять и выво-
дить за подошву насыпи не менее чем на 5 м от крайних рельсов.
При пересечении с коллектором любого назначения газопро-
вод должен находиться в стальном футляре, концы которого
выводят не менее чем на 0,5 м от наружной поверхности стен
коллектора и уплотняют. Места пересечения футляром стенок
коллектора также тщательно уплотняют. Внутри футляров газо-
проводы покрывают весьма усиленной изоляцией.
160
5. РАСЧЕТ ДРЕНАЖНЫХ УСТАНОВОК
При проектировании защиты магистральных трубопроводов
от коррозии, вызываемой блуждающими токами электрифици-
рованных железных дорог, возникает необходимость в расчете
основных параметров и элементов дренажных установок. Обычно
проектирование защиты для магистральных трубопроводов осу-
ществляется опытным путем, для чего выявляют анодные зоны,
определяют сечение дренажного кабеля и величину тока электро-
дренажа. Подобная практика проектирования объяснялась отсут-
ствием теоретического метода выбора типов и расстановки защит-
ных устройств, а также методики расчета сечений дренажного
кабеля (без предварительных исследований блуждающих токов).
Опытом установлено, что если контактный провод электрифи-
цированной железной дороги подключен к плюсовой шине тяго-
вой подстанции, то анодные зоны на трубопроводе располагаются
против тяговых подстанций. При этом проходящие поезда создают
на трубопроводе (между тяговыми подстанциями), как правило,
катодные зоны. Если контактный провод подключен к минусовой
шине тяговой подстанции, а рельс к плюсовой, то анодные зоны
на трубопроводе образуются против движущегося поезда и посто-
янно следуют за ним.
Применение описываемой ниже методики расчета позволяет
проектировать электрозащиту одновременно с трубопроводами,
что обеспечивает ввод в действие электрозащиты одновременно
пуском в эксплуатацию трубопроводов. Кроме того, отпадает
необходимость проведения дальнейших изысканий на трубопро-
водах (после их укладки) при последующем проектировании
средств электрозащиты.
Для выбора защитных устройств от блуждающих токов и их
расстановки устанавливают против тяговых подстанций универ-
сальные поляризованные дренажи УПДУ-57 (в случае подклю-
чения контактного провода к плюсовой шине). В промежутках
между тяговыми подстанциями в анодных или знакопеременных
зонах па трубопроводе устанавливают электрические дренажи
ПДУ-54. Место подключения электрического дренажа выбирают
так, чтобы обеспечить наибольшую эффективность его действия.
Автоматические станции катодой защиты АСКЗ-55 устанавливают
в знакопеременных зонах, положительные потенциалы которых
не снимаются дренажами.
Мощность электродренажей определяется из расчета, что ток
утечки от рельсов в трубопровод составляет не более 20 % от токо-
вой нагрузки тяговой подстанции, т. е.
7д = 0,27п,
где 7д—расчетный ток дренажной установки в а;
/п— максимальная расчетная токовая нагрузка тяговой
подстанции в а.
11 Заказ 31 .
161
При этом учитывается, что чем больше удален трубопровод
от рельсов, тем меньше протекает тока по трубопроводу. В дан-
ном случае максимальная величина тока в трубопроводе опреде-
ляется по формуле
/д = 0,21вк,
где к— коэффициент, учитывающий расстояние между трубо-
проводом и электрифицированной железной дорогой (табл. 17).
Таблица П
Значения коэффициента к в зависимости от расстояния между
трубопроводом и рельсами электрифицированной железной дороги
Расстояние, м До 100 200 300 500 800 1000 1500 2000 3000
Коэффициент к 1 0,95 0,90 0,75 0,6 0,5 0,40 0,35 0,3
Эти значения коэффициента к приняты на основании работ
ВНИИСТ и Гипротрубопровода в области электрозащиты.
При пересечении трубопроводом рельсов коэффициент к при-
нимают в зависимости от расстояния между местом пересечения
и ближайшей тяговой подстанцией (табл. 18).
Таблица 18
Значения коэффициента к в зависимости от расстояния между местом
пересечения трубопроводом рельсов электрифицированной железной
дороги и тяговой подстанцией
Расстояние от трубопровода до тяговой подстанции, м . . . До 100 500 1000 2000 3000 | 5000
Коэффициент к 1 0,75 0,5 0,3 0,25 0,15
Выше уже отмечалось, что при осуществлении дренажной
защиты дренажный кабель подключается либо к рельсам (через
путевые дроссели), либо непосредственно к минусовой шине
тяговой подстанции.
При подключении дренажного кабеля к рельсам через среднюю
точку путевых дросселей сечение кабеля определяется по формуле
5 = -/Д о L мм2,
где A — допустимое падение напряжения в дренажном кабеле,
равное 2 в;
о — удельное сопротивление кабеля в ом мм2/м;
S — необходимое сечение кабеля в .1(.и2:
Л — длина дренажного кабеля в м.
162
Если дренажный кабель подключают непосредственно к мину-
совой шине тяговой подстанции, то его сеченпе подсчитывают
по приведенной выше формуле, в которой величина допустимого
падения напряжения кабеля определяется из выражения
Л ил = Л 17ф 2,
где А £7ф— падение напряжения в отсасывающем фидере при его
расчетной токовой нагрузке.
Ввод в эксплуатацию выбранных на основании расчета дре-
нажных установок вызывает необходимость их наладки с учетом
местных условий. При наладке дренажной установки измеряется
разность потенциалов труба — земля в точке дренажа при
отключенном и включенном дренажном устройстве с одновремен-
ным измерением тока в дренаже.
Величина дренажного тока, обеспечивающего защиту трубо-
провода, определяется по формуле
т т f/r + 0,6
д
где — расчетный ток в дренаже;
/ — измеренный ток во включенном дренаже:
L\— разность потенциалов труба — земля в точке дренажа
при отключенном дренаже;
U2 — то же при включенном дренаже.
11*
ГЛАВА V
КОРРОЗИОННЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Для защиты подземных металлических сооружений от корро-
зии большое значение имеют специальные полевые изыскания.
Так, для выбора типа покрытия магистрального трубопровода
необходимо знать коррозионные свойства грунта, в котором бу-
дет находиться трубопровод. Обычно они весьма разнообразны.
Поэтому изыскания проводятся вдоль всей трассы, а по их резуль-
татам выбирают тип покрытия.
Большую роль в изысканиях играют измерения. От правиль-
ности методики измерений и класса точности аппаратуры зависят
результаты изысканий, а следовательно, эффективность защитных
мероприятий.
При разработке защиты подземных металлических сооруже-
ний от коррозии, вызываемой блуждающими токами, важно знать
расположение анодных и катодных зон, а также другие данные.
Все это может быть получено лишь в результате изысканий.
Учитывая сложность процесса коррозии, многообразие влияющих
на нее факторов, необходимо, чтобы материалы изысканий содер-
жали достаточно точные сведения для разработки противокорро-
зионной защиты.
В настоящее время не все эксплуатируемые подземные метал-
лические сооружения защищены от коррозии, поэтому коррозион-
ные изыскания выполняются не только на проектируемых, но и
на действующих сооружениях, а также на трубопроводах, уже
имеющих защитные устройства, — при изменении коррозионных
условий (например, появлении блуждающих токов).
Изыскательские работы на магистральных трубопроводах про-
водятся специальными партиями или отрядами, имеющими
в своем составе квалифицированных работников и оснащенными
измерительной аппаратурой, инструментами и приспособлениями.
На некоторых объектах, например магистральных трубопрово-
дах, иногда одновременно работает несколько изыскательских
партий или отрядов. В полевых условиях изыскания ведутся
обычно в летний период.
164
При работе на одном объекте методы и средства изысканий
должны быть одинаковы. Так, если коррозионность грунта на
двух участках трубопровода измерить различными способами,
то трудно будет сопоставить результаты и дать общую оценку кор-
розионности грунта. Аналогичные условия необходимо соблюдать
и при измерении разности потенциалов сооружение — земля.
Задачи изыскательских партий состоят в том, чтобы собрать
сведения о проектируемых и действующих подземных сооруже-
ниях, подлежащих защите, а также данные о соседних сооруже-
ниях; согласовать с соответствующими организациями вопрос о
местах подключения установок электрозащиты, например элек-
трических дренажей; осуществить камеральную обработку ре-
зультатов изысканий п составить отчет.
Отчет о коррозионных изысканиях на проектируемых объек-
тах должен содержать следующее.
1. Описание объекта, подлежащего защите.
2. Описание местных условий, в которых будут находиться
подземные сооружения.
3. Результаты измерений:
а) по определению коррозионности грунта;
б) по обследованию источников блуждающих токов.
4. Общие соображения и предложения по защите данного со-
оружения от коррозии.
5. Результаты согласования мест подключения установок
электрозащиты, прокладки дренажных кабелей и линий электро-
снабжения.
Для действующих объектов отчет должен, кроме того, содер-
жать сведения о коррозионном состоянии объекта и данные опре-
деления исходных параметров защитных устройств.
При описании подлежащего защите объекта — как проекти-
руемого, так и действующего — необходимо указать его назна-
чение (магистральный нефте- или газопровод, сооружение нефте-
базы и т. д.), технические характеристики, год постройки, а также
технологическую схему.
Так, если объектом является магистральный трубопровод, то
необходимо привести следующие данные: вид транспортируемого
продукта, протяженность трубопровода (его начальные и конеч-
ные пункты), диаметр трубопровода и толщину его стенки, марку
стали, способ соединения труб (например, сварка), глубину за-
ложения трубопровода, расположение перекачивающих или ком-
прессорных станций. Для действующих магистральных трубопро-
водов необходимо дополнительно указать: тип покрытия, год его
нанесения, места, где трубопровод был переизолирован, харак-
терные коррозионные повреждения (сюда относятся: виды по-
вреждений, места и время их возникновения, предполагаемые
причины коррозионного повреждения). Кроме того, следует опи-
сать устройства для борьбы с коррозией, указав их технические
характеристики и защитный эффект.
165
Для сооружений нефтебаз сообщают их технические характе-
ристики, описывают технологическую схему, перечисляют корро-
зионные повреждения, их характер и причины.
Описание условий, в которых будут находиться или находятся
защищаемые объекты, включает в себя описание генерального
плана подземных сооружений, климатических и метеорологиче-
ских условий, характеристику грунта, сведения о его коррозион-
ности.
Генеральный план сооружений представляют в виде чертежа
в масштабе 1 : 500 для сосредоточенных объектов (нефтебазы,
перекачивающие и компрессорные станции и т. п.) или в мас-
штабе 1 : t0 ООО для протяженных объектов (магистральные трубо-
проводы). На генеральном плане должны быть указаны все су-
ществующие и проектируемые подземные сооружения, источники
блуждающих токов, железные дороги, населенные пункты, реки,
озера, болота и т. д.; отмечены все подземные металлические со-
оружения, их назначение, тип, способ и время укладки, принад-
лежность, а также коррозионное состояние.
На генеральном плане необходимо указать возможность ис-
пользования высоко- и низковольтных линий электропередач как
источников электроэнергии для питания установок.
При оценке коррозионных условий важное значение имеют
сведения о климатических условиях местности: о максимальной
и минимальной температурах, среднегодовой температуре, глу-
бине промерзания грунта, температуре грунта на глубине залега-
ния подземного сооружения.
При выборе средств защиты от коррозии подземных металли-
ческих сооружений в местах, где нет источников электрической
энергии, большое значение приобретает среднегодовая скорость
ветра. Поэтому должно быть указано количество дней в году,
в которых скорость ветра выше 3—8 м'ср.к, а также количество
штормовых дней.
Важное значение имеют геологическая структура грунта, его
гранулометрический состав, наличие и уровень грунтовых вод
и их солевой состав.
При оценке коррозионности грунта большую роль играют све-
дения о коррозионных повреждениях. Эти сведения могут быть
получены от организаций, эксплуатирующих подземные метал-
лические сооружения, находящиеся в районе расположения про-
ектируемого или действующего объекта.
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОРРОЗИОННОСТИ ГРУНТА
На трассах магистральных трубопроводов коррозионность
грунта определяют через каждые 100 м. При большой разнород-
ности грунтов нужны дополнительные измерения в характерных
точках. Если грунт однороден, определение коррозионности до-
пускается через 200—300 м.
166
Коррозионность грунта определяют в точках, привязанных
к пикетным столбикам или к опорам линии связи. Расстояние
между отдельными точками должно быть выдержано с точностью
до +5% от принятого «шага» измерений.
На трассах параллельных трубопроводов, если расстояние
между ними равно или больше 100 м, коррозионность грунта опре-
деляют отдельно для каждого трубопровода. При расстоянии ме-
нее 100 м коррозионность грунта определяют вблизи одного из
трубопроводов, а в случае параллельных трубопроводов — пе-
риодически через отрезки, в 5—10 раз большие, чем основной шаг
измерений.
На площадках нефтебаз коррозионность грунта измеряют в
центре квадратов со сторонами 100 или 50 м (в зависимости от
состава грунта).
Методы определения коррозионности грунта можно разделить
на полевые и лабораторные. К первым относится измерение корро-
зионности грунта по потере веса специально уложенных в него
металлических образцов и по величине удельного сопротивления
грунта, ко вторым — электролиз, метод поляризационных кри-
вых и химический анализ.
При выборе способов определения коррозионности грунта не-
обходимо руководствоваться прежде всего требованиями быстрого
получения результатов и достаточной точностью их.
ПОЛЕВЫЕ МЕТОДЫ
При определении коррозионности грунта по потере веса уло-
женных в него металлических образцов необходимо примерно
6 месяцев. При этом в одном месте закладывают не менее трех
образцов. На больших объектах требуется большое количество
металла, приходится выполнять большой объем земляных работ
(при закладке и выемке образцов), а также взвешивать образцы
до укладки в грунт и после извлечения их из земли. Таким об-
разом, этот метод не может быть рекомендован для использования.
Определение коррозионности грунта по удельному электросо-
противлению широко применяется различными организациями.
Этот метод не менее трудоемок, не требует сложной аппаратуры,
позволяет быстро проводить измерения и дает хорошие резуль-
таты.
Оценка коррозионности грунта методом измерения его удель-
ного сопротивления проводится по табл. 19.
К грунтам с высокой и особо высокой коррозионной активно-
стью можно отнести чернозем, солончак и глины; со средней ак-
тивностью — чернозем и суглинок и с низкой — супесь, песок,
каменистые породы.
Незащищенный металлический трубопровод в различных грун-
тах подвергается большему или меньшему разрушению, что ска-
зывается на продолжительности срока службы трубопровода.
167
Таблица 19
Степень коррозионности грунта
Удельное сопротивление
грунта Q, ом м
Степень коррозионной
активности
> 100
100—20
20—10
10—5
< 5
Низкая
Средняя
Повышенная
Высокая
Особо высокая
В. А. Притула приводит следующую зависимость между степенью
коррозионности грунта и ожидаемым сроком появления первого
сквозного проржавления стенки стального трубопровода (табл. 20).
Таблица 20
Зависимость между степенью коррозионности грунта и
ожидаемым сроком появления проржавления
Степень коррозионности
грунта
Ожидаемый срок
появления сквозного
проржавления, годы
Низкая . .
Средняя . .
Повышенная
Высокая . .
25
10—25
5-10
3-5
1-3
Особо высокая
Необходимо учитывать, что удельное сопротивление грунта
в данной точке не остается неизменным в течение года. Например,
для Европейской части Союза минимальная его величина наблю-
дается в марте, а максимальная — в июне. Эти изменения удель-
ного сопротивления связаны с влажностью.
При окончательной оценке коррозионности грунта производят
пересчет измерений удельного сопротивления в данном месяце
к его минимальному годовому значению.
Пересчет выполняется по формуле
Qk = Qk' & ом м,
где Qk — приведенная минимальная годовая величина удельного
сопротивления грунта в ом ж;
qk'—измеренная величина удельного сопротивления грунта
в данном месяце в ом м;
к — коэффициент пересчета.
168
Значения коэффициентов пересчета (А) выбирают по табл. 21
или кривым рис. 134 в зависимости от месяца, в котором были
проведены измерения.
Таблица 21
Значения коэффициента к *
* Данные таблицы не относятся к районам вечной мерзлоты.
Рис. 134. Значения коэффициента к в зависимости от времени года.
1 — для южных областей СССР; 2 — для Европейской части СССР и Сибири.
Такой пересчет необходим, когда удельное сопротивление
грунта определяют в разные времена года.
При определении сопротивлений растеканию анодных зазем-
лений и протекторов нужно учитывать не измеренные величины
удельного сопротивления, а пересчитанные максимально годовые
значения по формуле
бо = Пбк',
169
где q0 — приведенная максимальная годовая величина удель-
ного сопротивления грунта в ом м\
ц— коэффициент пересчета.
Значение коэффициента пересчета принимается по табл. 22
в зависимости от того, в какое время года проводились измерения.
Удельное сопротивление грунта измеряют четырех- или двух-
электродной установкой. Большое преимущество четырехэлек-
тродной установки заключается в том, что она позволяет произ-
водить измерение с поверхности земли без дополнительных зем-
ляных работ, быстро и на больших глубинах определять сопроти-
вление, что необходимо при расчете анодных заземлений катодной
защиты. Однако при густой сети подземных металлических со-
оружений применение этого метода приводит к большим погреш-
ностям в измерениях. Поэтому в таких случаях следует исполь-
зовать двухэлектродную установку. Недостаток этого метода за-
ключается в необходимости рыть шурфы до отметки, на которой
требуется определить значение рк.
Если в грунте есть блуждающие токи, то его удельное сопро-
тивление определяют четырехэлектродным методом с применением
прибора МС-07 или двухэлектродным.
Результаты определения коррозионности грунта представляют
в виде графиков или картограмм.
Для магистральных трубопроводов строят графики распреде-
ления удельного сопротивления грунта вдоль трассы. По оси абс-
цисс откладывают длину трубопровода в масштабе 1 см = 100 м
и отмечают точки, в которых измерялось удельное сопротивление
грунта. По осп ординат в логарифмическом масштабе отклады-
вают значения удельного сопротивления грунта. Затем получен-
ные точки соединяют прямыми отрезками и делят участки по сте-
пени коррозионности.
Для этой цели находят участки, удельные сопротивления ко-
торых соответствуют данным табл. 19 (стр. 168). Протяженность
170
отрезков трассы одинаковой коррозионности определяется точ-
ками, имеющими равные удельные сопротивления. Минимальная
протяженность участка должна быть не менее шага измерений.
Так, если при шаге измерений 100 м величина о,; в какой-либо
точке равна 4 ом м, а в соседних точках измерения о|; = 10 ом м,
то протяженность участка с особо высокой коррозионностью
должна быть 100 м.
Участки различной коррозионности представляют в виде пря-
моугольников, заштрихованных в соответствии с условными
обозначениями. На график наносят также ориентиры, местные
сооружения, реки, озера, леса.
Рис. 135. Примерный график распределения удельного сопротивления
грунта вдоль трассы трубопровода^между пикетами 2—21.
1 — средняя коррозионность грунта, 2 — низкая; з — повышенная; 4 — особо высокая;
5 — высокая.
На рис. 135 изображен примерный график результатов изме-
рения коррозионности грунта на участке трассы магистрального
трубопровода. Частые и значительные изменения (колебания)
удельного сопротивления грунта служат показателем его высокой
коррозионности. Из графика видно, что наиболее частые колеба-
ния удельного сопротивления наблюдаются на отрезке трассы
между пикетами 15 и 20. Это участок высокой коррозионности,
хотя величина удельного сопротивления 50 < о|; < 20.
Среднее значение удельного сопротивления грунта определяют
п о формуле
г = л
2
i = 1
Qcp =------ °М М,
где о ср — среднее значение удельного сопротивления грунта
в ОМ М]
171
Qi — значение г-го измерения в ом м'.
п—число измерений на данном участке.
Это выражение пригодно для определения среднего значения
удельного сопротивления грунта в случае, если измерения ве-
личины q£ ведутся с равным шагом. Если же шаг измерений раз-
личен, то среднее значение Q. = определяется по формуле
г = п
i -= 1
OCn •— —:---- ОМ M,
г = 1
где Ц-—расстояние между i и г —1 замерами.
Рис. 136. Картограмма коррозионности грунта на площадке.
1 — особо высокая; 2 — средняя; 3 — высокая; 4 — низкая.
При коррозионных изысканиях на площадках нефтепромысло-
вых районов, нефтебаз и перекачивающих станций данные о кор-
розионности грунта наносят на специальные карты. Построение
выполняется по измерениям удельного сопротивления грунта,
произведенным через одинаковые расстояния (100 или 200 м) по
всей площадке. Участки с определенной коррозионностью
штрихуются, как это показано па рис. 136.
172
На коррозионных картах должны быть нанесены реки, озера,
дороги и т. д. Коррозионность грунта измеряют на глубине 0,5;
1 и 1,5 м в каждой точке, а затем находят среднее значение.
Как уже говорилось, лабораторные методы служат дополне-
нием к основным способам определения коррозионности грунта.
Взятие проб грунта, доставка их в лабораторию и последую-
щая обработка — все это трудоемкие операции. Поэтому лабора-
торные методы применяют и тогда, когда невозможно воспользо-
ваться основными, а также для контроля результатов полевых
методов.
Среди множества лабораторных методов наибольший интерес
представляют электролиз (метод банки и трубы или способ Кор-
фильда), метод поляризационных кривых и химический анализ
грунта. Первый основан па определении потери веса металличе-
ского образца, находящегося в испытуемом грунте под заданным
напряжением и током, второй — на изучении коррозионности
грунта по поляризуемости образцов в нем и третий — на химиче-
ском анализе состава грунта.
Для отбора пробы роют шурф или бурят скважину на глубину
залегания трубопровода. В каждой точке берут 2 дм3 грунта и
помещают в стеклянный или металлический сосуд с плотно за-
крывающейся крышкой и заливают парафином пли сургучом.
При определении коррозионности грунта методом электролиза
грунт размельчают и просушивают в сушильном шкафу при тем-
пературе 105° С, затем снова размельчают в ступе и просеивают
через сито 0,5—1 мм. После этого пробу грунта увлажняют аэри-
рованной дистиллированной водой до видимого насыщения (в пре-
делах 25% для песчаных почв и 45—50% для илистых). Аэрация
воды производится многократным встряхиванием ее в цилиндре
пли пропусканием через воду воздуха при помощи резиновой
трубки и груши.
В качестве испытуемого образца применяется стальная трубка
(рис. 137) диаметром 8 мм и длиной 10 см, которую до опыта тща-
тельно очищают, промывают и взвешивают на лабораторных ве-
сах с точностью до 0,01 г. К верхнему концу трубки посредством
клеммы присоединяют провод, а в нижний торец ее вставляют
резиновую пробку. Трубку устанавливают в центре банки диа-
метром 8 и высотой 12 см и заполняют банку испытуемой почвой.
К банке при помощи клеммы присоединяется провод. Концы про-
водов присоединены к батарее напряжением 6 в.
Одновременно можно установить несколько банок (до 5—6)
с различными пробами грунта. Тогда емкость батареи должна
быть не менее 80 а-ч. Образцы трубок находятся под напряжением
24 час. В течение этого времени ток в цепи может меняться, но
напряжение батареи должно быть стабильным.
Через 24 часа трубку вынимают из банки, очищают металли-
ческой щеткой от продуктов коррозии, промывают спиртом, про-
сушивают и затем взвешивают. Результаты испытания записы-
173
вают в журнал. По результатам взвешивания трубки до и после
испытания определяют потерю веса, а по табл. 23 — коррозион-
ность грунта.
Таблица 23
Коррозионность грунта по потере веса
Степень коррозионной
активности грунта
Потеря веса трубки
за 24 часа, г
Низкая .............
Средняя ............
Повышенная .........
Высокая ............
Особо высокая . . . .
До 1
От 1—2
2-3
До 6
6 и выше
Рис. 137. Схема определения коррозионности грунта методом
электролиза.
1 — жестяная банка; 2 — стальная трубка; 3 — клемма; 4 — испытуемый
грунт; Л — батарея; 6 — клемма; z—вольтметр; 8—миллиамперметр; $—
резиновая пробка.
По полученным данным строят график распределения корро-
зионности грунта вдоль трассы или картограмму исследуемой
площадки.
МЕТОД ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ КРИВЫХ
Поляризация анода и катода влияет на процесс коррозии.
Чем степень поляризации металла в данном грунте выше, т. е.
чем больше смещение электродного потенциала металла при про-
хождении тока, тем меньше коррозия. Таким образом, по сте-
пени поляризации металла в исследуемом грунте можно опреде-
лить его коррозионность.
Для этого в испытуемый грунт помещают два электрода из
того же металла, что и подземное сооружение. При пропускании
постоянного тока один электрод поляризуется анодно, а вто-
174
рой.катодно. Коррозионность грунта характеризуется поляри-
зационной кривой, устанавливающей зависимость между смеще-
нием потенциалов электродов и плотностью тока. На рис. 138
показана принципиальная схема для снятия поляризационных
кривых. Установка состоит из аккумуляторной батареи, реостата,
Рис. 138. Принципиальная схема установки
для снятия поляризационных кривых.
1 — батарея; 2 — реостат; з — миллиамперметр; 4 —
переключатель; 5 — ячейка с испытуемым грунтом;
6 — потенциометр.
миллиамперметра, потенциометра и переключателя. При помощи
реостата в цепи электродов устанавливают различную плотность
тока и после каждого ее значения измеряют разность потенциалов,
вызванную поляризацией анода и катода. При прохождении тока
через электроды смещение потенциала катода соответствует
— кривая потенциала катода, Уд — кривая потенциала анода.
кривой F , а смещение потенциала анода — кривой (рис. 139).
Потенциометром измеряют разность потенциалов анода и катода
при различной плотности тока. По полученным значениям плот-
ности тока и разности потенциалов А V строят поляризационную
диаграмму (рис. 140).
175
По наклону кривой А И к оси абсцисс судят о коррозионной
активности грунта. Чем больше этот наклон, тем выше коррозион-
ность грунта, и, наоборот, чем наклон меньше, тем коррозион-
Рис. 140. Поляризационная диаграмма.
ная активность исследуемого грунта ниже. На рис. 141 приведены
кривые поляризации для грунтов различной коррозионной ак-
тивности. В. Ф. Негреев и Г. А. Аллахвердиев предложили сле-
дующую ориентировочную классификацию коррозионности грун-
тов по параметрам поляризационных кривых.
Рис. 141. Поляризационные диаграммы электродов в различных грунтах.
Г— поляризационная диаграмма электродов в грунте с низкой коррозионностью; 2 — со
средней коррозионностью; з — с повышенной коррозионностью; 4 — с высокой корро-
зионностью.
176
Грунты, в которых разность потенциалов между электродами
в 500 мв достигается при плотности поляризующего тока
0,05 ма!см2 и менее, считаются неопасными.
Грунты, в которых разность потенциалов между электродами
достигается при плотности тока от 0,3 ма/см? и более, считаются
коррозионно опасными. При плотностях тока в интервале от
0,05 до 0,3 ма/см2 коррозионность грунта считается опасной или
умеренно опасной.
Метод определения коррозионности по поляризационным кри-
вым хорошо согласуется с результатами, получаемыми при из-
мерении удельного сопротивления грунта.
ХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
В настоящее время нет точной методики определения корро-
зионной активности грунта по его химическому анализу. Однако
можно ориентировочно судить о коррозионности грунта по кон-
центрации водородных ионов (pH), по количеству ионов серной
кислоты, хлора, кальция, а также по влагосодержанию.
Концентрацию водородных ионов (pH) определяют электро-
метрическим или колориметрическим методом.
Для определения концентрации ионов серной кислоты осушают
грунт хлористым барием, затем отфильтровывают осадок сер-
нокислого бария, промывают, прокаливают и взвешивают его.
Сера встречается в грунте в виде сульфатов, щелочей и щелочных
земель, сернистых соединений железа, а также органоминераль-
ных соединений.
Концентрацию ионов кальция в грунте определяют объемным
методом, дающим точные результаты.
Определение коррозионной активности грунта по результатам
химического анализа может быть рекомендовано в качестве вспо-
могательного метода.
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОРРОЗИОННОГО СОСТОЯНИЯ ПОДЗЕМНЫХ
СООРУЖЕНИЙ
Коррозионное состояние подземного сооружения устанавли-
вают электрическими измерениями и тщательным его осмот-
ром.
В первом случае определяют анодные и катодные зоны на под-
земном сооружении, во втором — выясняют качество покрытия
и коррозионное состояние поверхности металла.
На металлических сооружениях, находящихся в зоне действия
блуждающих токов, анодные и катодные зоны определяют измере-
нием разности потенциалов сооружение — земля. По результатам
измерения находят среднее значение разности потенциалов соору-
12 Заказ 31.
177
жение — земля как для положительных, так и для отрицательных
значений по формуле
п
где V — среднее значение разности потенциалов сооружение —
земля в в;
Vi — значение i-ro измерения в в;
п — число измерений.
Измерение разности потенциалов сооружение — грунт прово-
дится в характерных точках. На магистральных трубопроводах
разность потенциалов трубопровод — земля определяют при-
мерно через 500 м.
В зоне действия блуждающих токов измеряется также раз-
ность потенциалов сооружение — рельс (там, где сооружение
расположено близко от электрифицированной железной дороги).
Эти измерения позволяют определить места для установки элек-
трических дренажей.
Направление и величину блуждающих токов в трубопроводах
определяют по методу падения напряжения.
По средним величинам разности потенциалов сооружение —
грунт и сооружение — рельс строят кривые. На плане подзем-
ного сооружения в точках, где проводились измерения, вверх
откладываются положительные (средние) значения измеренных
величин, а вниз отрицательные. Соседние точки соединяются
прямыми линиями. Иногда измеряется также разность потенциа-
лов между различными сооружениями, расположенными вблизи
друг от друга.
Анодные и катодные зоны на трубопроводе и их протяженность
определяются по величине и направленности градиента потен-
циалов ДУ, измеренного на поверхности земли, над трубопрово-
дом. Положительные значения поперечного градиента потенциа-
лов соответствуют анодным участкам трубопровода, отрицатель-
ные — катодным. Поперечный градиент потенциалов измеряется
вдоль трубопровода с шагом 25 м. Иногда для уточнения протя-
женности и границ анодных зон трубопровода шаг измерений
мажет быть сокращен до 5—10 м. Для определения поперечного
градиента потенциалов необходима установка измерительного
электрода в 15 м от трубопровода, поэтому при отсутствии такой
возможности коррозионно опасные зоны находят измерением
продольного градиента потенциала.
По результатам измерений поперечного градиента потенциа-
лов строят график (рис. 142). По оси абсцисс откладывают рас-
стояние между точками измерений (обычно в масштабе 1 см =
= 100 м), а по оси ординат — значение поперечного градиента
потенциалов с соблюдением знака, причем положительные зна-
178
чения градиентов откладываются вверх, а отрицательные — вниз
от нуля (в масштабе 1 мм = 1 мв). :
По результатам измерений продольным методом строят гра-
фик (рис. 143) распределения градиента вдоль трубопровода пу-
тем приведения к условному нулю. За условный нуль может быть
принят потенциал первого измерительного электрода. Значения
потенциалов отдельных точек получают суммированием измерен-
ных величин. При суммировании значений отдельных измерений
Рис. 143. График распределения потенциалов, измерен-
ных продольным методом.
необходимо учитывать знак электрода, установленного впереди
по ходу измерений по трассе.
К коррозионно опасным участкам относятся участки с анод-
ными зонами и частым чередованием полярности градиента по-
тенциалов.
12*
179
Интенсивность коррозионного процесса в анодных зонах тру-
бопровода характеризуется условной величиной линейной плот-
ности тока, которая определяется по формуле
7 = 1,36 а/м,
где /—линейная плотность тока в а/м;
АЙ — градиент потенциала в мв;
Q — удельное сопротивление грунта в ом м.
Градиент потенциалов на параллельных трубопроводах изме-
ряется на каждом из них отдельно. При этом необходимо, чтобы
измерительный электрод находился как можно дальше от сосед-
него трубопровода.
После измерений градиента потенциалов и удельного сопро-
тивления грунта намечают места вскрытия трубопровода. Это
обычно участок с максимальным градиентом потенциалов и мини-
мальным удельным сопротивлением грунта. В этих местах об-
следуют изоляционное покрытие и поверхность металла и выяс-
няют коррозионное состояние подземных трубопроводов. Осмотр
производится в шурфах. Шурфование осуществляется по всей
трассе трубопровода через определенные промежутки. Землю при
шурфовании удаляют осторожно, так чтобы не повредить покры-
тия трубопровода. Трубопровод отрывают (по длине) не менее
1 м.
Результаты осмотра каждого шурфа записывают в протокол.
Сохранившееся покрытие характеризуется отсутствием мор-
щин, вздутий, трещин, разрывов, отверстий и хорошей прили-
паемостью к металлу. Все дефекты изоляции необходимо учиты-
вать и измерять площадь повреждений.
При осмотре трубопровода следует указывать цвет, структуру,
плотность и толщину продуктов коррозии. Необходимо тщательно
осматривать поверхность трубопровода, так как каверны могут
быть заполнены продуктами коррозии. При обнаружении следов
коррозии специальными глубиномерами определяют глубину раз-
рушений и при помощи прозрачного трафарета их площадь.
4. КОРРОЗИОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
Определение параметров защитных устройств
При изысканиях на трассах магистральных трубопроводов
определяют исходные параметры для электрозащиты: протяжен-
ность защитной зоны, мощность и величину тока в цепи защиты,
естественный потенциал трубопровода, сопротивление растеканию
трубопровода и сопротивление покрытия; для определения этих
параметров при помощи опытной установки электрозащиты про-
водятся измерения на трубопроводе.
180
Основой опытной установки катодной защиты (ОУ КЗ)
является обычно передвижной мотор-генератор, позволяющий по-
лучить на выходе регулируемое напряжение от нуля до 200 в и
постоянный ток до 20 а.
В какой-либо точке к трубопроводу присоединяют отрицатель-
ный полюс электрического генератора, а положительный полюс
к временному заземлению, которое представляет собой одиночный
трубчатый заземлитель, забитый в землю.
До включения генератора при помощи ОУКЗ измеряют есте-
ственную разность потенциалов труба — земля в точке дренажа.
Рис. 144. График распределения разности потенциалов труба—земля.
Затем в цепь ОУКЗ включают ток. Величину его устанавливают
такой, чтобы разность потенциалов труба — земля в точке дре-
нажа была 1,2 в (по медносульфатному электроду). Затем в обе
стороны от точки дренажа измеряется разность потенциалов
труба — земля.
На первом километре разность потенциалов труба — земля
измеряется через 100 или 200 м, на втором и третьем километ-
рах через 500 м, а затем через каждый километр.
Измерение разности потенциалов труба — земля продолжается
до тех пор, пока она не приблизится к естественной разности по-
тенциалов. Точки, в которых проводятся измерения, распола-
гаются у пикетных столбиков (или привязываются к опорам связи).
Результаты измерений записываются в полевые журналы. По дан-
ным измерений строится график (рис. 144) распределения раз-
ности потенциалов труба — земля (для линейных размеров рекомен-
дуется масштаб 1 см = 100 м, для разности потенциалов 1 см =
= 100 мв). По графику находят точки (справа и слева от точки
дренажа), в которых разность потенциалов труба — земля со-
ставляет —0,85 в (по медносульфатному электроду), и определяют
расстояние между этими точками и точкой дренажа (£п и £л).
18
Протяженность защитной зоны ОУКЗ (L0o)
Lqq Ln Lji км.
Для данной ОУКЗ определяют ток в цепи, напряжение
источника питания и мощность, затрачиваемую на защиту трубо-
провода.
Величины тока и напряжения находят по показаниям изме-
рительных приборов. Мощность, затрачиваемую на защиту тру-
бопровода, определяют по формуле
W=[IU вт,
где’/ — общий ток в цепи ОУКЗ в а;
U — напряжение на клеммах ОУКЗ (с нагрузкой) в в.
Анодное заземление (ОУКЗ) бывает обычно одиночным с высо-
ким сопротивлением растеканию. Поэтому большая часть мощ-
ности тратится на анодном заземлителе.
Мощность, затрачиваемую на анодном заземлителе, опреде-
ляют по формуле
W3 = I*R3,
где Wa— мощность, затрачиваемая на заземлителе, в вт;
Ra — сопротивление растеканию заземлителя в ом.
Такая мощность, затрачиваемая на защиту трубопровода, бу»
дет равна
И’т = W — W3 вт.
В общем случае плечи защитной зоны справа и слева от точки
дренажа неодинаковы (см. рис. 140). Так, если плечо Лп<^л.
можно сделать вывод, что на участке трубопровода влево от точки
дренажа состояние изоляции лучше, чем на участке вправо.
Часто при большом токе в цепи ОУКЗ не удается получить
необходимую величину разности потенциалов (—1,2 в) в точке
дренажа. Это свидетельствует о плохом состоянии изоляции тру-
бопровода.
Из кривых распределения разности потенциалов можно найти
и сопротивление изоляции трубопровода:
, 103Ь3Лт
ЯИЗ = , иа-Е\^ 0М м'
где /?из — сопротивление 1 пог. м изоляции трубопровода в ом м;
L — расстояние от точки дренажа до точки, в которой
разность потенциалов труба — земля Ux — 0,85 в, в км;
ия — разность потенциалов труба — земля в точке дре-
нажа в в;
182
Е — естественная разность потенциалов труба—земля в в;
7?т — сопротивление трубопровода в ом м.
Величина сопротивления изоляции трубопровода, отнесенная
к 1 м2 поверхности трубы, определяется по формуле
•Виз = 7?из я ,
где DT — диаметр трубопровода в м.
Необходимо отметить, что пользоваться формулой для 7?Из
можно при условии, что
6 j
У ’
где Q — удельное сопротивление грунта в омм\
1Я — ток в дренажной цепи в а;
у — расстояние между анодным заземлением ОУКЗ и трубо-
проводом в м.
Если отношение ^—<.1, то в выражении для 7?из' вместо
U1 необходимо подставить значение разности потенциалов труба —
земля, измеренной в точке, которая расположена на расстоянии
1 км от точки дренажа, а вместо значения L принять L — 1. По-
следнее объясняется тем, что при больших значениях удельного
сопротивления грунта q и тока в дренаже /д и при малых расстоя-
ниях между трубопроводом и анодным заземлителем (у) ток, сте-
кающий с анодного заземлителя, влияет на распределение раз-
ности потенциалов трубопровод — земля и в результате величины
2?из могут быть получены с большим искажением.
Зная среднее переходное сопротивление изоляции трубопро-
вода, можно определить и ее состояние.
Ориентировочно качество изоляции трубопровода оценивают
по протяженности защитной зоны, созданной при помощи ОУКЗ
(при Ua = —1,2 в и у = 100 м).
При определении состояния изоляции трубопровода можно
пользоваться данными табл. 24.
Таблица 24
Состояние изоляции Величина сопротивления, ом м2 Протяженность плеча защитной зоны, км
Отличное >500 7
Хорошее 200—500 5—7
Удовлетворительное 100—200 3—5
Плохое 20—100 1-3
Изоляция отсутствует 20 1
183
При помощи опытных установок катодной защиты обычно ис-
следуется весь трубопровод. Расстояние между соседними уста-
новками 8—10 км. На каждом из параллельных магистральных
трубопроводов ОУКЗ устанавливаются отдельно.
При отсутствии электроэнергии для питания ОУКЗ приме-
няются опытные установки протекторной защиты. Для этой цели
на выбранном участке трубопровода оборудуют протекторную
установку, измеряют естественную разность потенциалов трубо-
провод — земля и затем включают протектор. После этого опре-
деляют разность потенциалов труба — земля вправо и влево от
точки присоединения протектора к трубопроводу. Вблизи этой
точки измерения ведутся сначала через 2—4 м, а затем через
5—8 м.
Измерения на трубопроводе проводятся до того места, в ко-
тором разность потенциалов оказывается близкой к естественной
(на концах защищаемого участка). По результатам измерений
строят график для определения протяженности защитной зоны.
Одновременно измеряют ток в цепи протекторной установки
и разность потенциалов между трубопроводом и протектором при
разомкнутой протекторной установке.
Для определения эксплуатационных параметров дренажной
защиты применяют опытную дренажную установку. Она состоит
из соединительного кабеля сечением 90 мм2 (длина его опреде-
ляется максимальным расстоянием между трубопроводом и рель-
совой сетью), рубильника на 500 а и амперметра до 500 а.
После включения опытной дренажной установки измеряют ток
в цепи дренажа и разность потенциалов труба — земля в точке
дренирования. Отсчет показаний амперметра и вольтметра ве-
дется одновременно. Измерения проводятся через 3—5 сек. в те-
чение 10—20 мин., а при необходимости и в продолжение суток.
5. ИЗЫСКАНИЯ НА ИСТОЧНИКАХ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ
Величина блуждающих токов, ответвляющихся с рельсов
в землю, зависит от графика движения поездов на линии, техни-
ческого состояния рельсовой, отсасывающей кабельной сетей
и других факторов.
С увеличением нагрузки, уменьшением переходного сопроти-
вления рельсы — земля и повышением сопротивления стыков рель-
сов блуждающие токи возрастают.
При проведении изысканий на источниках блуждающих токов
необходимо составить план рельсовых путей электрифицирован-
ного транспорта в районе прокладки трубопроводов; собрать све-
дения о всех источниках постоянного тока; измерить сопротивле-
ния рельсовых стыков, продольного сопротивления 1 км рельсов
и переходного сопротивления между рельсами и землей; выяс-
нить расположение путевых дросселей; составить схему питания
контактной сети с указанием ее напряжения, расположения тя-
184
говых подстанций и точек подключения фидеров; уточнить воз-
можные изменения режима тяговых подстанций, а также суточ-
ные графики их работы; измерить разность потенциалов между
рельсом и землей для определения зон интенсивной утечки токов
в землю на рельсовой сети; собрать данные о величинах блуждаю-
щих токов на ближайших от проектируемого трубопровода со-
оружениях и указать, каким источником создаются эти токи.
Кроме того, необходимо измерить разность потенциалов ме-
жду отсасывающими пунктами одной тяговой подстанции, паде-
ние напряжения в отсасывающих кабелях, разность потенциалов
между отрицательными шинами различных тяговых подстанций,
потенциалы рельсового пути относительно земли, нагрузку от-
сасывающих кабелей и их сопротивление.
Эти изыскания позволяют составить полную картину распреде-
ления блуждающих токов и выявить опасные для подземных со-
оружений зоны.
6. ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА
Как уже говорилось ранее, для разработки эффективных
средств защиты подземных сооружений от коррозии необходимы-
исходпые данные, получаемые при помощи электрических изме-
рений.
Удельное сопротивление грунта измеряется в полевых усло-
виях симметричной четырехэлектродной установкой AMNB или
двухэлектродной установ-
кой.
Симметричная четырех-
электродная установка
(рис. 145) состоит из двух
цепей: АВ — питающей и
MN — измерительной, т. е.
из четырех электродов,
установленных по прямой
на поверхности земли. К
питающим электродам А В
подключен источник то-
ка Б, а к измерительным—
Рис. 145. Принципиальная схема четы-
рехэлектродной установки AMNB.
измерительный прибор П.
Ток от источника Б, протекая по земле, создает на участке изме-
рительных электродов MN некоторое падение напряжения, про-
порциональное удельному сопротивлению грунта.
Расстояние между питающими и измерительными электродами
выбирают в зависимости от глубины, на которой необходимо опре-
делить удельное сопротивление грунта. На глубине залегания
трубопровода (обычно до 2—3 л) эти расстояния могут быть:
АВ = 6—7,5 м, MN — 1,5—2 м.
85
После включения установки измеряют разность потенциалов
"(Л V) между измерительными электродами MN и ток (7) в цепи
питающих электродов АВ.
Удельное сопротивление грунта определяют по формуле
, Д V л
Q — К ОМ М,
«где к — коэффициент установки, зависящий от взаимного рас-
шоложения электродов и определяемый из выражения
1 — потенциометр; 2 — компенсатор поляризации; з — выключа-
тель; 4 — питающая батарея; гиб — вилки.
В качестве измерительных приборов при определении удель-
ного сопротивления грунта четырехэлектродным методом широкое
.применение нашли потенциометр ЭП-1м и прибор МС-07.
Электроразведочный потенциометр ЭП-1м (рис. 146) состоит
из собственно потенциометра 1, компенсатора поляризации 2
и. выключателя 3 с тягой и тросом. Потенциометр устанавливают
на планшетке и треноге в горизонтальном положении. На верхней
эбонитовой панели потенциометра находятся кнопка управления
и окошко, через которое видна шкала гальванометра. На перед-
ней стенке потенциометра расположены корректор нуля Н, галь-
ванометр и его арретир А, а также панель с клеммами MN для
подключения измерительной цепи непосредственно или через ко-
лодку MN. Когда находящаяся между знаками «плюс» и «минус»
точка на лимбе переключателя полярности П совмещена со стрел-
кой в центре панели, измерительная цепь разомкнута. Для ее
включения переключатель П поворачивают до совмещения стрелки
со знаком «плюс» или «минус». Компенсирующий элемент вклю-
чается в потенциометр при помощи кнопки Э.
186
Величину компенсирующего напряжения изменяют поворотом
декадных реостатов соответственно включенному пределу изме-
рений и цифре, совпадающей со стрелкой, расположенной около
декадных реостатов. Для измерения пределов компенсирующего
напряжения и цены деления декадных реостатов поворачивают
переключатель чувствительности П потенциометра. В табл. 25
приведены пределы измерений компенсирующего напряжения.
Таблица 25
Пределы измерений компенсирующего напряжении
Показатель пределов Пределы компенсирующего напряжения, .мв Цена деления реостатов в единицах, Цена деления реостата в десятках, мв
5 495 50
1 99 1 10
0,2 19,8 0.2 2
0,05 4,95 0,05 0,5
Компенсирующий элемент помещают в специальном гнезде
под крышкой в нижней панели потенциометра. Измеряемое на-
пряжение компенсируется при помощи этого элемента и отра-
жается показаниями декадных реостатов на панели потенцио-
метра при нулевом положении стрелки гальванометра.
Компенсатор поляризации является дополнением к потенцио-
метру и служит для компенсации естественных потенциалов и
электродной поляризации при измерении удельного сопротивле-
ния грунта или для расширения предела компенсации собственно
потенциометра.
Компенсатор поляризации имеет гальванический элемент
(1,5 в), включенный в цепь с постоянным и переменным сопроти-
влениями. Этот элемент помещен в алюминиевый корпус с эбони-
товой крышкой и привинчен к потенциометру со стороны гальва-
нометра. На панели компенсатора расположены ручка перемен-
ного сопротивления и три пары гнезд. В одну из крайних пар
включают вилку соединения MN, а в другую — короткозамкну-
тую вилку. Средняя пара служит для увеличения предела компен-
сирующего напряжения при включении в гнезда второй коротко-
замкнутой вилки. При полном отключении реостата поляризации
предел подаваемого напряжения составляет 250—300 мв. При
разомкнутых средних гнездах он уменьшается до 50—80 мв.
Выключатель 3 служит для кратковременного замыкания пи-
тающей цепи при измерении. Он состоит из контактной системы
и двух шунтов 0,1 и 0,01 для измерения тока в питающей цепи.
Алюминиевая коробка с эбонитовой панелью крепится на потен-
187
циометре с левой стороны. Цепь замыкается при опускании ключа
одновременного замыкания К посредством гибкой тяги (см.
рис. 142). Ключ нажимает на кнопку Э потенциометра, включая
одновременно питающую линию и компенсационное напряжение.
Клеммы выключателя служат для подключения цепи АВ и пи-
тающей батареи Б. В два ближних гнезда при измерениях тока
включают вилку соединения MN, которая отключается от изме-
рительной цепи.
При определении удельного сопротивления грунта потенцио-
метром ЭП-1м прибор подключается по схеме рис. 146.
В качестве источника питания применяется батарея БАС-60
на 90 в, питающих электродов АВ — стальные стержни, а изме-
рительных MN — неполяризующиеся электроды. Расстояние ме-
жду электродами АВ = 7,5 м и MN = 1,5 м. В этом случае ве-
личина коэффициента к = 28,2.
Сначала определяют разность потенциалов Д V в измеритель-
ной цепи MN, а затем ток I в питающей цепи АВ. Обычно разность
потенциалов ДУ измеряется в мв, ток I — в ма. Измерение и под-
счет удельного сопротивления грунта выполняются в полевых
условиях. Результаты измерений записываются в полевой журнал.
Прибор МС-07 (08)
При помощи прибора МС-07 (08) (рис. 147) можно измерять
удельное сопротивление грунта переменным током и отсчитывать
д у
отношение —j—непосредственно по шкале прибора. Это позволяет
Рис. 147. Общий вид МС-07.
188
определять удельное сопротивление грунта в зонах действия блуж-
дающих токов и исключать погрешности, вызываемые поляриза-
цией измерительных электродов. Питающие электроды АВ под-
ключаются к клеммам Ji и Jo, а измерительные MN — к клем-
мам Ei и Ег (рис. 148). Переключатель регулировка — измерение
устанавливают в положение регулировка, затем, вращая ручку
генератора, поворотом головки реостата добиваются совмещения
стрелки прибора с красной чертой шкалы. В этом положении
ручка реостата должна оставаться до конца измерений.
Закончив регулировку прибора, переключатель регулировка —
измерение необходимо поставить в положение измерение. Вращая
ручку генератора, по шкале прибора отсчитывают сопротивление.
Запрещается вращать ручку прибора, когда переключатель на-
Рис. 148. Схема подключения прибора МС-07 для измерения
удельного сопротивления грунта.
ходится в положении регулировка, а к зажимам прибора не под-
ключены соответствующие цепи.
Начинать измерения рекомендуется при положении переклю-
чателя пределов «делить на единицу». Если результат окажется
меньше 100, то следует переходить на предел измерений «делить
на 10» и т. д.
Измерения проводятся при вращении ручки генератора со
скоростью 135 об/мин. Записывая результаты измерений, пока-
зание стрелки на шкале надо делить на коэффициент, указывае-
мый риской переключателя предела измерений.
При определении удельного сопротивления грунта прибором
МС-07 расстояние между электродами АВ принимают 2 л, тогда
коэффициент к = 12,56.
Величину отношения определяют по показаниям прибора
и обычно обозначают через В:
р = 2паВ = 12,56 В ом м,
где а — данные измерений, которые записывают в полевой
журнал.
189
Принципиальная схема двухэлектродной установки для из4-
мерения удельного сопротивления грунта представлена на рис. 14$).
Основой ее служат два электрода, забиваемые в грунт на опре-
деленную глубину и определенном небольшом расстоянии друг
от друга.
Деревянные (дубовые) стержни-электроды имеют стальные на-
конечники, один из которых является анодом, а другой — като-
дом. К этим электродам подключают источник тока — два сухих
элемента общим напряжением
3 в. Величина тока опреде-
ляется сопротивлением за-
ключенного между электро-
дами участка цепи, которое-
пропорционально удельному
сопротивлению грунта.
Измеряя ток в цепи элек-
тродов, можно определить,
удельное сопротивление грун-
та:
Е
р = р -у омм,
где Q — удельное сопротив-
Рис. 149. Схема двухэлектродной ус-
тановки для измерения удельного
сопротивления грунта.
1 — источник питания; 2 — миллиамперметр;
3 и -t — дубовые стержни со стальными сер-
дечниками и наконечниками; К — катод;
А — анод.
ление грунта в ом л;
Е — э. д. с. батареи в в;
1 — величина тока в
р — коэффициент, зави-
сящий от конструк-
ции прибора.
Так как расстояние между электродами небольшое (примерно
15см), удельное сопротивление зависит главным образом от грунта,,
окружающего измерительные электроды. Поэтому при измерениях,
на большей глубине необходимо для забивки электродов рыть
шурфы. Удельное сопротивление грунта целесообразно измерять
в траншеях перед укладкой в нее трубопровода.
Для каждого прибора необходимо определять величину ко-
эффициента р. С этой целью производят градуировку прибора
в растворах электролитов, удельное сопротивление которых из-
вестно. Затем строят кривые зависимости показаний миллиам-
перметра от удельного сопротивления грунта и определяют по-
стоянную прибора:
где Qp — удельное сопротивление раствора в омм;
а — показание миллиамперметра в делениях.
190
При этом величина измеренного удельного сопротивлениям
грунта определяется выражением
Q = р а ом м.
При работе с подобным прибором очень важно, чтобы напря-
жение батареи не изменялось. Стальные , наконечники должным
быть хорошо защищены перед измерениями. ,
7. ИЗМЕРЕНИЕ ГРАДИЕНТА ПОТЕНЦИАЛА
Градиентом потенциала электрического поля называется раз-
ность потенциалов на каком-либо участке, отнесенная к единицё
длины. Градиент потенциала измеряют для того, чтобы выяснить
наличие и определить направление блуждающих токов на пло-
щадке или трассе проектируемого подземного сооружения или
чтобы выделить коррозионно опасные зоны на уложенном в землю
подземном сооружении.
Как показала практика, блуждающие токи обнаруживаются
на значительном удалении от их источников (до нескольких де-
сятков км). Поэтому важно знать не только характер блуждаю-
щих токов, но и их относительную величину и направление. Для
этого двумя взаимно-перпендикулярными установками измеряют
градиент потенциала электрического поля блуждающих токов.
Каждая установка состоит из двух неполяризующихся электро-
дов НЭ, измерительного прибора V и соединительных проводни-
ков. Установки располагают так (рис. 150), чтобы оба измеритель-
ных прибора находились близко друг от друга.
На площадках проектируемых объектов измерительные уста-
новки расстанавливают в центрах квадратов параллельно их сто-
ронам.
На трассах проектируемых трубопроводов одну из установок
располагают параллельно, а вторую — перпендикулярно оси
трассы. Расстояние между неполяризующимися электродами вы-
бирают в зависимости от интенсивности блуждающих токов
(в среднем 100 ж). В качестве измерительных приборов применяют
высокоомные вольтметры (с внутренним сопротивлением 25—
30 тыс. см на 1 в шкалы) с нулем посередине и пределами измере-
ний 0—0,1; 0,1; 0—10 в.
Если при больших расстояниях между неполяризующимися
электродами оба прибора долго не отклоняются, следовательно,
на данном участке нет электрического поля блуждающих токов.
Отклонения стрелок приборов, имеющие характер колебаний
блуждающих токов, говорят о том, что электрическое поле на
данном участке вызвано влиянием электрифицированных желез-
ных дорог. В этом случае одновременно записывают показания
обоих измерительных приборов, причем отмечают и знаки изме-
ряемых величин. Запись проводится через каждые 5—10 сек.
в продолжение 15—20 мин.
191
По результатам измерений определяют средние значения как
положительных, так и отрицательных показаний каждого прибора:
где Ui — показание измерения в в;
п — число измерений.
Так получают средние значения положительных и отрицатель-
ных показаний первого прибора СЛщ, U—i и второго прибора
Рис. 150. Измерение градиента потен- Рис. 151. Построение вектора
циалов поля блуждающих токов. блуждающих токов.
I—I и II—II — направления расстановки
измерительных поляризующих электродов.
Н& — неполяризующиеся электроды; V —
измерительный прибор.
По этим величинам на плане строят в масштабе вектор блу-
ждающих токов. В точке О по направлениям измерительных уста-
новок откладывают величины U+l, U+2, U_2 (рис. 151).
Затем по правилам параллелограмма определяют результирую-
щий вектор положительных значений градиента U+ и отрицатель-
ных — U___
Абсолютную величину этих векторов определяют по формулам
= Г(^+1)а + (^+2)2,
U_ - 1 (^_f)2+(^_2)2.
Целесообразно величины U относить к единице длины, напри-
мер к 1 м, для чего полученное значение U делят на расстояние
между неполяризующимися электродами (для обеих измеритель-
ных установок оно должно быть одинаковым).
Если показания приборов не изменяются со временем, значит,
блуждающие токи вызваны не электрифицированными железными
дорогами. В этом случае необходимо проверить неполяризую-
щиеся электроды и убедиться в отсутствии вблизи них посторон-
192
них подземных металлических сооружений, могущих вызвать
ложные показания.
Измерения проводятся на всем участке или вдоль трассы под-
земного сооружения через определенные расстояния, величина
которых определяется в каждом отдельном случае. По результатам
измерений строят векторы блуждающих токов. По направлению
векторов иногда можно определить месторасположение источни-
ков блуждающих токов. На действующих подземных сооруже-
ниях присутствие блуждающих токов определяется измерением
разности потенциалов этих сооружений относительно земли.
Электрическое поле на поверхности земли создается также
коррозионными макроэлементами. Для измерения этого поля
Рис. 152. Измерение градиента потенциала попе-
речным методом.
1 — трубопровод; 2 — неполяризующиеся электроды; 3 —
потенциометр; 4 — соединительные провода.
двухэлектродной установкой, расположенной перпендикулярно
(поперечный метод) или параллельно оси трубопровода (продоль-
ный метод), определяют градиент потенциала. В обоих случаях
установка состоит из двух неполяризующихся электродов и из-
мерительного прибора — потенциометра.
При измерении градиента потенциала поперечным методом один
из измерительных электродов помещают на поверхности земли не-
посредственно над трубопроводом, а второй — в стороне от него
(рис. 152). Расстояние между электродами обычно 15 м. Градиент
потенциала может колебаться практически от нескольких мв до
нескольких десятков мв, поэтому наиболее пригодным из выпу-
скаемых промышленностью измерительных приборов является
потенциометр типа ЭП-1м.
В анодных зонах коррозионный ток стекает с трубопровода
в землю и потенциал находящегося над ним неполяризующегося
электрода выше потенциала второго электрода, а градиент потен-
циала положительный. В катодных зонах, где коррозионные токи
входят в трубопровод, градиент потенциала отрицательный. Та-
ким образом, по знаку поперечного градиента потенциала опре-
деляют коррозионно опасные (анодные) зоны на трубопроводах.
13 Заказ 31.
193
На рис. 153 показана схема измерения градиента потенциала
поперечным методом (потенциометром ЭП-1м). Неполяризующиеся
электроды подключают к клеммам MN потенциометра, а сам по-
тенциометр закрепляют на треноге и устанавливают в горизон-
тальном положении у электрода М. Электрод М помещают над
трубопроводом в лунке глубиной 10—15 см, а электрод N — на
расстоянии 15 м от трубопровода перпендикулярно к его оси
(рис. 153).
Результаты измерений заносят в полевой журнал.
При записи результатов измерений необходимо указать по-
лярность (знак) установленного над трубопроводом электрода.
Для этого приводят знак переключателя П. Когда потенциал элек-
Рис. 153. Положение измерительной
установки при измерении градиен-
та потенциала поперечным методом
над трубопроводом.
трода м. выше потенциала элек-
трода N, переключатель при
скомпенсированной внешней
э. д. с. стоит на знаке «плюс».
Шаг измерений поперечного
градиента потенциала прини-
мают обычно 25 м, а иногда
10—5 м.
В процессе измерений необ-
ходимо выполнить не менее 5%
контрольных замеров, особенно
важных при высоких значениях
1 — потенциометр; 2 — трубопровод; 3—
положение электродов при контрольном
замере; MN — клеммы потенциометра.
градиента поперечного потен-
циала, резком чередовании по-
лярности градиента и при из-
менении условий залегания трубопровода (посторонние подземные
сооружения, пересеченная местность и т. и.). Электрод при
контрольных измерениях необходимо переносить на противо-
положную сторону трассы трубопровода.
Рис. 154. Положение измерительной установки при опре-
делении градиента потенциалов продольным методом.
При измерениях градиента потенциала продольным методом
оба неполяризующихся электрода М и N помещают над трубопро-
водом. Схема последовательного перемещения электродов по
трассе показана на рис. 154.
Полученные результаты записывают в полевой журнал с ука-
занием характера чередования электродов и знака полярности
измеренной величины.
194
Продольный метод можно применять как исключение в тех слу-
чаях, когда условия местности не позволяют использовать попе-
речный метод. При этих измерениях необходимо проверять не-
поляризующиеся электроды и следить за тем, чтобы удаленный
от трубопровода электрод не находился близко от постороннего
сооружения, вызывающего значительные погрешности в изме-
рениях.
Относительную интенсивность коррозионного процесса на тру-
бопроводе можно определить по величине условной линейной
плотности коррозионного тока:
/= 1,36^ а)м,
1 Q
где j — условная линейная плотность тока в а;
АЙ — измеренный поперечный градиент потенциала в в;
Q — удельное сопротивление грунта (в точке измерения)
в омм.
Рис. 155. Измерение градиента потенциала корро-
зионных макроэлементов днища резервуара.
1 — деполяризующийся электрод; 2 — потенциометр; з —
переносный неполяризующийся электрод; 4 — резервуар.
Необходимо отметить, что градиент потенциала коррозионных
элементов на трубопроводах измеряется лишь при отсутствии
блуждающих токов.
По полученным результатам строят в масштабе кривую рас-
пределения поперечного градиента потенциала вдоль обследуе-
мого трубопровода. Коррозионно опасными зонами считаются
также участки трубопровода, в которых имеющие анодные и ка-
тодные зоны чередуются.
Методом измерения градиента потенциала могут быть обсле-
дованы расположенные на поверхности земли днища резервуаров.
Для этого один из электродов (например, электрод N) устана-
вливают в некотором удалении от резервуара (20—25 м) и других
металлических сооружений, а второй электрод М — в полуметре
от резервуара. Этим электродом измеряют градиент по периметру
резервуара через каждые 2—3 м (рис. 155). На основе полученных
13*
195
данных строят кривую распределения градиента потенциала по
периметру резервуара. Для определения анодных и катодных
зон вычисляют сначала среднее значение измеренных величин
где ДУ — измеренная величина в в;
п — число измерений;
ДУср — среднее значение измеренных величин в в.
Рис. 156. График распределения градиента потенциала по
периметру резервуара.
1 — анодная зона; 2 — катодная зона.
Полученную среднюю величину Д Уср откладывают в масштабе
и проводят прямую, параллельную горизонтальной оси, как это
показано на рис. 156. Все точки, расположенные выше оси абсцисс,
будут соответствовать анодным зонам, ниже — катодным зонам.
Следует подчеркнуть, что описываемым методом можно вы-
явить анодные и катодные зоны, вызванные лишь коррозионными
макроэлементами, в то время как деятельность микроэлементов
обнаруживается только внешним осмотром металла.
8. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ
Разность потенциалов сооружение — земля измеряют при вы-
явлении анодных и катодных зон, вызываемых блуждающими
токами: определении собственного потенциала подземного метал-
лического сооружения (если отсутствуют блуждающие токи); уста-
новлении величины наложенного потенциала в процессе защиты
сооружения от коррозии электрическими средствами. Разность
потенциалов между отдельными металлическими сооружениями
измеряют с целью выяснить возможность образования на соору-
жениях зон коррозии.
196
Для измерения разности потенциалов сооружение — земля при-
меняют высокоомный вольтметр или потенциометр, подключен-
ный к сооружению и неполяризующемуся электроду. На подзем-
ных металлических трубопроводах измерения проводятся в ко-
лодцах, в контрольных выводах или в шурфах, которые роют
на расстоянии примерно 500 м друг от друга (шурфы необходимы
в том случае, если на подземном сооружении не установлены кон-
трольно-измерительные выводы). Измерительный неполяризую-
щийся электрод помещают в лунку (глубиной 10—15 см), которую
для лучшего контакта увлажняют.
Если в земле присутствуют блуждающие токи, разность по-
тенциалов сооружение — земля измеряется высокоомным вольт-
метром. Его устанавливают в горизонтальное положение и при
помощи арретира приводят стрелку в нулевое положение (нуль
находится посередине шкалы). Затем к вольтметру подсоединяют
провода от неполяризующегося электрода к клемме «плюс», а
от сооружения к клемме «минус». Перед включением вольтметра
в измерительную цепь переключатель пределов устанавливают
на наибольший предел измерений. Если стрелка прибора откло-
нилась на небольшой угол, переключатель поворачивают на сле-
дующий предел измерений — меньший, чем предыдущий, и т. д.
Отсчеты показаний вольтметра проводятся в течение 5—10 мин.,
а иногда и через каждые 15—20 сек. (при частом движении поез-
дов электрифицированной железной дороги через 3—10 сек.).
Результаты измерений записываются в журнал. При заполне-
нии его нужно отмечать положение переключателя пределов из-
мерений, а также знаки измеренных величин.
По данным измерений определяют средние значения положи-
тельных и отрицательных потенциалов. Затем строят график рас-
пределения разности потенциалов по всему сооружению. Па боль-
ших объектах целесообразно проводить измерения одновременно
в нескольких пунктах.
Когда разность потенциалов превышает 3 в, неполяризую-
щийся электрод можно заменить стальным. При отсутствии блу-
ждающих токов разность потенциалов сооружение — земля опреде-
ляется по аналогичной схеме, но с применением в качестве изме-
рительного прибора потенциометра. Так как разность потенциа-
лов в этом случае меньше 3 в, применение неполяризующегося
электрода обязательно. При этом в величину показания прибора
входит и собственный потенциал неполяризующегося электрода.
Истинное значение разности потенциалов сооружение — земля
определяют по формуле
U — Uиз Uh. э,
где Uns — измеренное значение разности потенциалов сооруже-
ние — земля в а;
Uh. э — потенциал неполяризующегося электрода в в.
197
Собственный потенциал медносульфатного неполяризующегося
электрода Ua, 8 = —(-0,34 в. На рис. 157 показаны схемы подклю-
чения измерительных приборов к различным сооружениям при
определении разности потенциа-
лов сооружение — земля.
Разность потенциалов соору-
жение — сооружение измеряется
по схеме сооружение — земля, с
той лишь разницей, что клемму
«плюс» прибора вместо непо-
ляризующегося электрода под-
ключают ко второму сооруже-
нию.
Наиболее часто разность по-
6
Рис. 157. Схема измерения разности
потенциалов сооружение— земля.
а —'трубопровод — земля; б — рельс —
земля.
--------------------- тенциалов сооружение — соору-
| ЦЖ, жение измеряется между тру-
бопроводами и рельсами элек-
трифицированной железной до-
роги. Эти измерения проводят-
ся для выявления устойчивых
анодных и катодных зон на
трубопроводе при сравнительно
небольших (20—50 .и) расстояниях между трубопроводом и рель-
сом.
Для измерений применяют высокоомный вольтметр, включен-
ный по схеме на рис. 158, причем клемму «минус» вольтметра при-
Рис. 158. Схема измерения разности потенциалов тру-
бопровод — рельс.
1 — рельс; 2 — магнитный контакт; 3 —вольтметр, <—контрольная
колонка; 5 — трубопровод.
соединяют к трубопроводу, а клемму «плюс» — к рельсу (при по-
мощи зажимного устройства или магнитного контакта).
Запись результатов измерений и определение средних значе-
ний проводят в описанном выше порядке.
198
9, ИЗМЕРЕНИЕ ТОКОВ В ТРУБОПРОВОДЕ
Токи в трубопроводе измеряются для определения мест их
поступления и утечки в землю, а также для контроля работы за-
щитных устройств. Величину и направление тока в трубопроводе
определяют методом падения напряжения или методом компен-
сации.
Падение напряжения пропорционально сопротивлению уча-
стка трубопровода и величине протекающего по нему тока.
Поэтому, если известно сопротивление участка трубопровода и
измерено падение напряжения на нем, можно определить проте-
кающий по трубопроводу ток. При помощи этого метода легко
Рис. 159. Схема измерения тока в трубопроводе методом па-
дения напряжения.
1 — контрольно-измерительная колонка; 2 — трубопровод.
установить и направление тока в трубопроводе. На рис. 159
показана принципиальная схема измерения тока в трубопроводе
методом падения напряжения.
Падение напряжения измеряют высокоомным вольтметром или
гальванометром, причем клеммы прибора подключают к трубопро-
воду в шурфах или через контрольные выводы. Положительное
направление тока выбирают в сторону возрастания номеров пи-
кетов или километража трассы трубопровода. В этом случае из-
меряющий прибор клеммой «плюс» должен подключаться в сто-
рону убывающих номеров пикетов, а клеммой «минус» — в сто-
рону возрастающих.
Если при минимальном пределе измерений стрелка прибора
отклоняется недостаточно (для отсчета), следовательно, выбран-
ное расстояние между точками присоединения измерительного
прибора к трубопроводу мало и необходимо увеличить это рас-
стояние. Практически оно может быть равно 100—200 м.
Величина тока, протекающего по трубопроводу, определяется
по формуле
где I — искомая величина тока в трубопроводе в а;
Л U — измеренное значение падения напряжения на участке
трубопровода длиной L в в;
199
I — расстояние между точками присоединения измеритель-
ного прибора к трубопроводу в
— омическое сопротивление 1 м трубопровода в ом ли
Результаты измерений записывают в журнал с указанием знака
измеренной величины. Направление тока, при котором стрелка
измерительного прибора отклоняется в правую сторону, прини-
мается положительным, а в левую — отрицательным.
Пользуясь методом падения напряжения, необходимо следить
за состоянием контакта в местах присоединения измерительного
прибора к трубопроводу. При ненадежном контакте и в присут-
ствии влаги может возникнуть так называемая контактная разность
потенциалов, которая исказит результаты измерений. Если в тру-
Рис. 160. Измерение тока в трубопроводе методом ком-
пенсации.
1Х — измеренный ток, Г» — компенсационный ток. 1 — амперметр;
2 — реостат; 3 — батарея; 4 — контрольно-измерительная колонка;
5 — гальванометр; в — трубопровод.
бопроводе есть блуждающие токи, показания прибора записы-
вают через определенные промежутки времени.
Для измерения тока в трубопроводе применяется также метод
компенсации (рис. 160). Ток на участке а — б компенсируется то-
ком от отдельной батареи 3. Если токи равны, но противоположны
ио направлению, то падение напряжения на участке а — б равно
нулю. При отсутствии падения напряжения на участке а — б ток,
протекающий через амперметр 1 компенсационной цепи, будет
равен току в трубопроводе.
Если проводники, в которых измеряется ток, небольших диа-
метров, то расстояние между токовыми и измерительными электро-
дами большой роли не играет. Однако при больших диаметрах
трубопроводов эти расстояния приобретают значение и должны
регламентироваться.
Протекающий по трубопроводу ток равномерно распростра-
няется по сечению трубопровода. Ток, вводимый в трубопровод
токоподводящими контактами, распространяется вблизи них не-
равномерно. Как показали расчет п опыты, равномерное распро-
странение тока по трубопроводу наблюдается на расстоянии, ко-
200
торое равно 3 диаметрам трубопровода. Поэтому при компенса-
ционном методе расстояние между токоподводящими и измери-
тельными электродами должно быть не менее 3 диаметров трубо-
провода.
Нарушение этого расстояния ведет к искажению, уменьшению
действительного значения тока. Расстояние между измеритель-
ными электродами выбирают из тех же соображений, что и при ме-
тоде падения напряжения.
К недостаткам компенсационного метода относятся невозмож-
ность измерения блуждающих токов и необходимость автономного
источника тока.
10. ИЗМЕРЕНИЕ ТОКОВ УТЕЧКИ
Коррозионный процесс подземных металлических сооружений
характеризуется в конечном счете плотностью тока, стекающего
с сооружения в землю. Поэтому для определения интенсивности
коррозии на неизолированных подъемных сооружениях изме-
ряют плотность стекающего тока. Для этой цели существует не-
сколько способов: метод вспомогательного электрода, токособи-
рающей рамки и расчетный метод.
Рпс. 161. Схема измерения плотности сте-
кающего с трубопровода тока методом вспо-
могательного электрода.
1 — трубопровод; 2 — контрольно-измерительная ко-
лонка; з — миллиамперметр; 4 —вспомогательный
электрод.
При методе вспомогательного электрода плотность сходящего
с трубопровода тока измеряется миллиамперметром и вспомога-
тельным электродом, зарываемым в землю рядом с трубопрово-
дом (рис. 161). В качестве вспомогательного электрода приме-
няется отрезок трубы того же диаметра, что и основной трубо-
провод.
Плотность стекающего с трубопровода тока определяется по
формуле
7 = -£ ма/дм2,
О
201
тде’/j—измеренный ток в цепи дополнительного электрода вма;
j — плотность стекающего с трубопровода тока в ма/дм2;
S — площадь соприкосновения вспомогательного электрода
с землей; она подсчитывается по формуле
л Г>„-1
S = 1бб~ дм“'
Здесь Z>T — внешний диаметр трубопровода в см;
I — длина электрода в см.

Рис. 162. Схема измерения плотности сходящего с
трубопровода тока методом токособирающей рамки.
1 — трубопровод; 2 — миллиамперметр; з — рамка. Пт —
наружный диаметр трубопровода.
Метод токособирающей рамки (рис. 162) заключается в том,
'что на некотором удалении от трубопровода помещают в земле
рамку, состоящую из двух изолированных одна от другой медных
пластин, к которым подключают миллиамперметр. Стекающий
с трубопровода ток частично попадет в токособирающую рамку
(рис. 162), пройдет через измерительный прибор и снова вернется
в землю через расположенную параллельно пластинку рамки.
Величина тока, попадающего в рамку, зависит от ее размеров и
расстояния до трубопровода.
Плотность тока, стекающего с трубопровода, находят по фор-
муле
/ = -4- к ма/дм2,
О
где /—плотность сходящего с трубопровода тока в ма/дм2;
S — площадь соприкосновения пластин токособирающей
рамки с землей в дм2:
202
к— коэффициент, подсчитываемый по формуле
j 2а .
Здесь а — расстояние между трубопроводом и токособираю-
щей рамкой (обычно 15—20 с.и);
Z>T—наружный диаметр трубопровода.
Методы вспомогательного электрода и токособирающей рамки
применимы для измерения плотности стекающего с трубопровода
тока только на трубопроводах без покрытий.
Если изоляция имеет повреждения разных размеров, то можно
измерить лишь средние плотности стекающих с трубопровода то-
ков. Но по средним их значениям нельзя оценить коррозионное
состояние трубопровода. На
изолированных трубопрово-
дах при одной и той же ве-
личине стекающего тока об-
разуются участки с различ-
ной плотностью тока (в зави-
симости от площади повре-
ждения изоляции). При
небольших площадях обна-
жения металла плотность
тока может быть значитель-
Рис. 163. Расчетный метод определения
токов утечки.
1 — пункт измерения в начале участка; 2 —
пункт измерения в конце участка; з — тру-
бопровод.
НОЙ.
Для измерения токов утечки применяют два высокоомных
вольтметра или гальванометра. Приборы подключают к трубопро-
воду на концах участка и методом падения напряжения опреде-
ляют величины токов в этих местах трубопровода. Показания
приборов отсчитываются одновременно через 15—20 сек. в тече-
ние 5—10 мин.
Пункт измерения 1 выбирают в начале участка — в сторону
уменьшения номеров пикетов, а пункт 2 в конце участка — в сто-
рону увеличения номеров пикетов (рис. 163). Направление тока
в сторону увеличения номеров пикетов считают положительным.
В этом случае величину тока утечки определяют по формуле
а/=;л-/2,
где Л — измеренная величина тока в трубопроводе в пункте 1 в а;
[2 —измеренная величина тока в трубопроводе в пункте 2 в а.
При положительном значении Д7 ток выходит из трубопро-
вода в землю, а при отрицательных — входит в трубопровод.
Определяя величину тока утечки по этой формуле, величины
h и Г> необходимо подставлять со знаками, полученными в соот-
ветствии с условно выбранными направлениями.
203
И. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИИ РАСТЕКАНИЮ
При разработке и осуществлении противокоррозионной за-
щиты иногда необходимо определять сопротивления растеканию
ряда заземленных металлических сооружений. Они могут быть
как сосредоточенными, так и протяженными. К сосредоточенным
сооружениям можно отнести анодные заземления установок ка-
тодной защиты, протекторы, резервуары и т. д.; к протяженным —
рельсовые сети железных дорог и трубопроводы.
Сопротивления растеканию сосредоточенных и протяженных
заземленных устройств определяются обычно измерителем зазем-
лений МС-07 или амперметром и вольтметром.
Рис. 164. Схема измерения сопротивления растеканию группы заземлителей
или протекторов прибором МС-07.
1 — заземлители или протекторы; 2—прибор МС-07; а — измерительный электрод;
4 — вспомогательный электрод.
£1, Ег — клеммы напряжения; Ц, 7» — токовые клеммы.
Принципиальная схема измерения сопротивления растеканию
сосредоточенных заземлителей показана на рис. 164. Для .изме-
рения используются два электрода: зонд 3 и вспомогательный
электрод 4. Следует указать, что сопротивление вспомогательных
электродов должно быть не больше 1000 ом. Для всех мелкозер-
нистых грунтов в качестве вспомогательных заземлителей могут
быть рекомендованы стальные стержни длиной 50 см и диаметром
0,5 см. Их обычно забивают в песок, который увлажняют водой
(лучше подсоленой) для уменьшения его сопротивления.
Сопротивление соединительных проводов входит в результат
измерений, поэтому прибор необходимо располагать ближе к ис-
пытуемому заземлению. Для соединения следует применять воз-
можно более короткие проводники большого сечения. При изме-
рении малых сопротивлений растеканию (соизмеримых с сопро-
тивлением соединительных проводов) перемычкой пользоваться
не рекомендуется. В анализируемом случае проводниками соеди-
нены клеммы Еу и 1Х с испытуемым заземлителем. Расстояния ме-
204
жду дополнительными электродами и испытуемым заземлителем
принимают по схеме (см. рис. 160).
При протяженных заземленных сооружениях схема измере-
ния такая же, но расстояние между измерительными и дополни-
тельными электродами несколько иное.
Рис. 166. Схема прибора для
измерения сопротивления рельсо-
вых стыков по величине падения
напряжения в рельсе.
Рис. 165. Принципиальная схема измерения сопро-
тивления растеканию вольтметром и амперметром.
1 — измеряемое заземление; 2 — вольтметр; з — ампер-
метр; 4 — трансформатор; 5 — вспомогательные электроды.
Измерения начинают при положении переключателя пределов
измерений «делить на 1». Если результат меньше 100, переходят
на другой предел «делить на 10», а затем на следующий (при ре-
зультате меньшем 10). Измерения проводят при вращении ручки
генератора прибора со скоростью
135 об/мин.
Сопротивления растеканию из-
меряют также при помощи вольт-
метра и амперметра. Этим методом
определяют падение напряжения
между контролируемым заземле-
нием и вспомогательным электро-
дом, а также величину тока, про-
текающего через заземление.
Измерения можно проводить па
постоянном токе (при использо-
вании аккумуляторной батареи в
качестве источника тока) или
на переменном — для объектов, расположенных в зонах действия
блуждающих токов. Принципиальная схема этого метода пока-
зана на рис. 165.
После включения источника тока записывают показания вольт-
метра и амперметра и затем находят искомое сопротивление
о Л F V
Н = -у- = — ом,
А И — полное падение напряжения между измеряемым и
измерительным заземлителями в в;
205
V — показание вольтметра в в;
I — величина тока, протекающего через измеряемый за-
землитель, в а.
Обычно вольтметр вносит некоторую погрешность в результате
измерений, которая будет тем больше, чем меньше внутреннее
сопротивление вольтметра. В этих случаях величину Д V можно
выразить через V:
Д v = Vx fl + JO в,
\ ‘*71/
где Ri — сопротивление вспомогательного заземлителя в ом\
Rn — внутреннее сопротивление вольтметра в ом.
Для определения сопротивления рельсовых стыков приме-
няется специальный прибор, выполненный по мостиковой схеме
(рис. 166). При помощи этого прибора можно измерять падения
напряжения на рельсовом стыке и определять величину протекаю-
щего в рельсе тока. Шкала потенциометра прибора отградуиро-
вана непосредственно в метрах сплошного рельса. Сопротивление
рельсового стыка считается нормальным, если оно не превышает
сопротивления 2,5 м сплошного рельса.
12. АППАРАТУРА ДЛЯ КОРРОЗИОННЫХ ИЗЫСКАНИЙ
В настоящее время существует разнообразная измерительная
аппаратура для коррозионных изысканий. Некоторые приборы
могут быть изготовлены на местах, а другие выпускаются в раз-
личных отраслях промышленности и также могут быть использо-
ваны для коррозионных измерений.
Высокоомные вольтметр и амперметр
Высокоомный вольтметр применяется при электрических из-
мерениях почти всех видов, например: при определении разностей
потенциалов труба — земля, труба — рельс, рельс — земля,
а также величины и направления тока в трубопроводе.
Хорошие результаты дает вольтметр магнитоэлектрической
системы, имеющий внутреннее сопротивление не менее 5000 ом,
на 1 в шкалы с пределами измерений:
50 мв — 0 — 50 мв
1 в — 0 — 1 в
10 » — о — 10 »
100 » — 0 — 100 »
Предел измерений устанавливают при помощи переключателя.
206
Прибор снабжен арретиром, корректором и зеркальной шка-
лой не менее чем на 100 делений. Так как прибор применяется,
в полевых условиях, его корпус герметизируется. «
Для измерений токов в цепи дренажа применяется амперметр-
постоянного тока магнитоэлектрической системы с наружными
шунтами па пределы измерений:
0 — 10 а
0 - 50 »
0 — 100 »
0 — 500 »
Для измерения напряжения и токов может быть использован’
универсальный прибор типа ПБТ, изготовляемый заводом
Управления производственных предприятий Министерства связи
СССР.
Прибор типа АБТ представляет собой многопредельный вольт-
метр магнитоэлектрической системы с внутренним сопротивле-
нием 10 тыс. ом на 1 в и с нулем посередине. Прибор имеет четыре-
предела измерений по напряжению и два по току.
Пределы измерений по напряжению:
10 мв — 0 — 10 мв
1 в - 0 — 1 в
10 » - 0 — 10 »
100 » - 0 — 100 »
Пределы измерений по току:
Ю а — 0 — 10 а
100 » - 0 - 100 »
ВНИИСТ разработал универсальный измерительный прпбор'-
УКИП-56 с нулем посередине шкалы (рис. 167). Прибор состоит
из микроамперметра на 50 ма, переключателя П типа МПК-10
на 10 положений, клемм, дополнительных сопротивлений и шунтов.
При повороте переключателя П из нулевого положения в 7,
2, 3, 4, 5 измеряют напряжение (постоянного тока) соответственно
в 50, 10, 5, 1 и 0,1 в. При повороте переключателя в положения
10, 9, 8, 7 измеряется ток.
В табл. 26 приводятся данные о шкалах прибора и соответ-
ствующих им положениях переключателя II.
Применение микроамперметра позволяет измерять напряже-
ния вольтметром с внутренним сопротивлением 40 тыс. ом на 1 в
шкалы.
207-
Таблица 26
Положение переключа- теля П Предел измерения, в Цена деления, в Положение переклю- чателя П Предел измерения, а Цена деления, а
1 0—50 1,00 10 0—100 9
2 0—10 0,20 9 0—10 0.2
3 0—5 0,10 8 0-1 0.02
4 0-1 0,02 7 0-0-1 0,002
5 0—0,1 0,002
Рис. 167, Схема прибора УКИП-56.
Все детали прибора УКИП-56 (микроамперметр, переключа-
тель, дополнительные сопротивления, шунты и клеммы) смонтиро-
ваны на эбонитовой панели. Монтаж выполнен с внутренней сто-
роны. Панель помещена в деревянный ящик. Вес прибора 3,5 кг.
Корректор стрелки прибора находится на лицевой стороне
миллиамперметра, а арретир выведен на переднюю стенку ящика.
Общий вид прибора показан на рис. 168.
При помощи УКИП-56 можно определять разность потенциалов
металлическое сооружение — земля и между металлическими со-
оружениями; измерять ток в трубопроводе методом компенсации
и методом падения напряжения, а также измерять величину по-
стоянного тока.
208
Эксплуатация опытных серий измерительных приборов
УКИП-56 показала их высокие качества.
Ампервольтметр АВО-5 предназначен для измерения напряже-
ний постоянного и переменного токов и сопротивлений (рис. 169).
Рис. 168. Внешний вид прибора УКИП-55.
Прибор переносный, универсальный, выпускается отечественной
промышленностью.
Приборами АВО-5 измеряют: напряжение постоянного тока
в пределах 0—3, 0—12, 0—30, 0—300 в; переменное напряжение
в пределах 0—3, 0—12, 0—30, 0—300 в; переменный ток от 0—1,2
до 0—12 а; сопротивление методом омметра в пределах 0—3000 ом,
О—30 мгом.
Рис. 169. Общий вид прибора АВО-5.
14 заказ 31.
209
Прибор АВО-5 можно рекомендовать при измерениях напряже-
ния переменного тока для питания установок катодной защиты
(УКЗ); напряжения постоянного тока на выходе УКЗ; тока до
12 а в цепи УКЗ; сопротивления проводов и отдельных элементов
УКЗ.
Потенциометры
Потенциометры позволяют измерять небольшие напряжения
компенсационным методом (без потребления тока в измерительной
цепи). Промышленность выпускает ряд потенциометров, пригод-
ных в некоторых случаях для коррозионных измерений.
Рис. 170. Общий вид потенциометра ЭП-1 м.
Рис. 171. Общий вид потенциометра 11-6.
210
Потенциометр ЭП-1м показан на рис. 170. На объектах, где
отсутствуют блуждающие токи, потенциометр ЭП-1м применяют
для измерения удельного сопротивления грунта (при определе-
нии коррозионности грунта); разности потенциала сооружение —
земля; тока в трубопроводе методом падения напряжения; токов
и потенциалов протекторов и т. д.
Потенциометр ЭП-1м позволяет измерять напряжения компен-
сационным методом лишь до 495 мв, но при коррозионных изы-
сканиях встречаются значительно большие напряжения. Поэтому
в подобных случаях необходимо применять делитель напряжения,
увеличивающий пределы измерений.
Потенциометр другою типа (П-6) предназначен для определе-
ния концентрации водородных попов (pH) в растворах (рис. 171).
Рис. 172. Общий вид потенциометра П-4.
Диапазон измерении прибора 0—1300 мв, погрешность его не пре-
вышает 0,1 °6 (5 ле), габариты 354 х 240 х 160 мм3, вес 6 кг.
Потенциометр заключен в деревянный футляр со съемной крыш-
кой, закрывающейся замками. Все детали прибора, кроме нор-
мального и сухого элементов, смонтированы на эбонитовой па-
нели.
Потенциометры П-6 изготовляют серийно и могут быть исполь-
зованы в полевых условиях для измерения разности потенциалов
сооружение — земля (при отсутствии блуждающих токов). Если
разность потенциалов выше 1,3 в, необходимо использовать де-
литель напряжений.
Потенциометр П-4 (рис. 172) также выпускается промышлен-
ностью. Это лабораторный прибор для определения концентрации
водородных ионов растворов хингидронным и водородным спосо-
бами, он может быть использован и для электрометрического тит-
рования.
Пределы измерения концентрации водородных ионов 1 — 13рН.
Диапазон определения э. д. с. 1 — 1100 мв. Общая погреш-
ность при измерении не более 0,1 °6, для значений до 500 мв до-
14*
211
пускаемая погрешность 0,5%. Габариты потенциометра 284 х
X 198 х 141 мм, вес 4,2 кг. Если измеряется разность потенциа-
лов выше 1,1 в, необходим делитель напряжения.
ВНИИСТ разработал универсальный измерительный прибор
УКИП-56, позволяющий измерять удельное сопротивление грунта
Рис. 173. Общий вид прибора УКПП-56.
методом четырехэлектрод-
ной установки; разность
потенциалов в пределах
0—0,1, 0—1, 0—5 в мето-
дом компенсации; напря-
жение постоянного тока
до 100 в и переменного
до 500 в; ток в трубопро-
воде как методом падения
напряжения, так и мето-
Рис. 174. Схема делителя на-
пряжения.
а — схема делителя; б — панель
делителя.
дом компенсации; постоянный ток до 30 а; сопротивление провод-
ников, рельсов и трубопроводов.
Прибор можно применять при защите сооружений от почвенной
коррозии, а также коррозии, вызываемой блуждающими токами.
Потенциометр смонтирован на эбонитовой панели и находится в де-
ревянном ящике. Источник питания УКИП-56 (состоящий из одного
элемента) размещается в том же ящике. Общий вес прибора около
7 кг. На рис. 173 показан общий вид прибора УКИП-56. Дели-
тель напряжения потенциометров ЭП-1 пли ЭП-1м служит для
увеличения пределов измерений потенциометра до 3960 мв.
Схема делителя напряжения приведена на рис. 174. Он состоит
из трех катушек: двух с сопротивлением по 12 500 ом (т\ и г2) и
одной (,3) 75 000 ом.
212
Измеряемое напряжение подается на клеммы 7 и 2, а с клемм
3—4 и 5—6 оно снимается на потенциометр. Делитель напряже-
ния помещен в алюминиевую коробку с эбонитовой панелью, на
внутренней стороне которой смонтированы сопротивления, а на
наружной — клеммы. Обозначение клемм на наружной стороне
эбонитовой панели делителя показано на рис. 170, б: клемма
Т (7) служит для присоединения проводника от трубопровода;
НЭ (2) — для присоединения проводника от неполяризуютцегося
электрода; А (3), Б (4) — для подключения колодки потенцио-
метра; этой же цели служат клеммы А (6) и СА (5).
Измерительные электроды
При проведении измерений электрический контакт между из-
мерительным прибором и металлическим сооружением и землей
осуществляется при помощи стальных и неполяризующихся элек-
тродов. Для этой цели применяют и магнитные контакты.
Стальные электроды (рис. 175) изготовляются из стальной
трубки или стержня длиной 500 мм и диаметром 16—20 мм. Один
конец стержня заостряют, а другой снабжают клеммой для при-
соединения проводника.
Иногда электрод приходится держать, прижимая его рукой
к сооружению, что может повлиять на результаты измерения.
Поэтому часть поверхности электрода необходимо изолировать.
При продолжительных измерениях рука быстро устает, а кон-
такт получается ненадежным; в подобных случаях целесообразно
использовать магнитные контакты.
Стальные измерительные электроды применяют в основном для
электрического контакта с землей (их забивают в грунт). Однако
в земле они поляризуются, причем величина их поляризации не
является постоянной. Поэтому применять электроды рекомен-
дуется лишь тогда, когда измеряемая разность потенциалов во
много раз превышает э. д. с. поляризации. Стальными электро-
дами можно пользоваться без больших погрешностей при изме-
рении разности потенциалов выше 3 в. Если она ниже 3 в, рекомен-
дуется применять неполяризующиеся электроды: медносульфат-
ные, каламелевые и свинцовохлоридные. Они обладают способ-
ностью сохранять постоянным свой потенциал при нормальной
концентрации раствора.
Контакт с почвой осуществляется через пористое донышко
электрода, помещенного в насыщенный раствор соли металла.
При прохождении через неполяризующиеся электроды тока в за-
висимости от его величины изменяется электродный потенциал-
Когда ток отключают, электродный потенциал сравнительно бы.
стро восстанавливается. Поэтому при пользовании неполяризую-
щимися электродами необходимы измерительные приборы, по-
требляющие небольшие токи (со значительным внутренним сопро-
21Я
тивлением), или, что еще лучше, потенциометры, которые не по-
требляют тока при измерениях.
В табл. 27 приведены сравнительные значения электродных
потенциалов по отношению к нормальному водородному элек-
троду, а также значения температурных коэффициентов.
Таблица 2~
Тип электрода Электродный потенциал при 25° С Температурный коэф- фициент на 10°С
Медносульфатный . . . 4-0.3448 —0,0096
Свинцовохлоридный . . —0,126 —0,0076
Водородный —0,000 —
Каломельный 4-0,24 —0,007
Рпс. 175. Измери-
тельный стальной
электрод.
Рис. 176. Неполяри-
зующийся электрод.
1 — предохранительный
колпачок; 2 — чашечка;
3 — стержень из чи-
стой меди; 4 — корпус;
i — предохранительная
крышка; в — пробка;
7 — гайка.
Для измерений в поле-
вых условиях большое рас-
пространение получили
медносульфатные электро-
ды. На рис. 176 представ-
лена схема медносуль-
фатного электрода конст-
рукции ВНИИСТ. В цп-
Рис. 177. Общий вид маг-
нитного контакта.
линдрпческий сосуд 4, изготовленный из органического стекла,
вставляется стержень из красной меди 3, в верхней части кото-
рого находится клемма для присоединения измерительного про-
вода. Медная трубка закрепляется в цилиндре либо резиновой
пробкой 6‘, либо втулкой с резьбой. В нижней части цилиндра
2 14
находится донышко из пористого материала 2. Для удобства транс-
портирования электрода нижняя часть цилиндра завинчивается
колпачком 1. Цилиндр заполняется насыщенным раствором мед-
ного купороса.
При эксплуатации неполяризующихся электродов для сохра-
нения небольшой и устойчивой разности потенциалов между ними
необходимо:
перед заливкой раствора медные трубки электродов очистить
от окислов и плотно укрепить в цилиндре; залить электроды на-
сыщенным раствором химически чистого медного купороса в ди-
стиллированной или кипяченой воде; систематически контроли-
ровать путем сравнения э. д. с. двух неполяризующихся электро-
дов, разность потенциалов которых не должна превышать 1—2мв.
Магнитный контакт конструкции ВНИИСТ (рис. 177) состоит
из сильного постоянного магнита, в центре которого находится
стальная игла с рукояткой. Игла нужна для прокола изоляции
и осуществления контакта с сооружением. Под действием магнит-
ного поля контакт притягивается к стальному трубопроводу,
создавая надежное (в электрическом отношении) соединение, не-
обходимое при измерениях. Магнитный контакт имеет небольшие
размеры и вес и удобен при измерениях.
Г.7 AB A V7
ЭКОНОМИКА ЗАЩИТЫ
При выборе средств защиты магистральных трубопроводов
от коррозии большое значение имеют экономические соображе-
ния. Очень важно, чтобы защита трубопроводов от коррозии
была надежной и в то же время наиболее дешевой, максимально
выгодной. При проектировании средств защиты определяют
удельные затраты для каждого из вариантов (при данных кон-
кретных условиях) с последующим их сравнением и выбором
наиболее экономичного.
Удельные затраты Q на защиту 1 км трубопровода, отнесен-
ные к одному году, можно подсчитать по формуле
р
Q = — + <7 руб/км год,
где Р — капитальные затраты на защиту 1 км трубопровода;
t — срок службы средств защиты в годах;
q — годовые затраты на эксплуатацию средств защиты,
отнесенные к 1 км трубопровода.
При отношении ~ > 1 (где — удельные затраты на одно
V2
из средств защиты, a Q2 — на другое) Q2 меньше Qv, следова-
тельно, второе средство защиты более экономично.
Выбор типа покрытия трубопровода зависит от коррозионной
активности грунта, присутствия блуждающих тков и других
местных условий. Применяемые битумные покрытия не являются
совершенными и с течением времени теряют своп изоляционные
свойства. Поэтому наступает момент, когда покрытие уже не выпол-
няет защитных функций и появляется необходимость в замене
изношенного покрытия новым. Чем агрессивность грунта выше,
тем быстрее происходит старение покрытия и тем чаще прихо-
дится менять его.
Очевидно, что срок службы покрытия трубопровода опреде-
ляется главным образом типом покрытия и коррозионной актив-
ностью грунта.
216
Удельные затраты на переизоляцию 1 км трубопровода, отне-
сенные к одному году, определяются из выражения
руб/км год,
‘ИЗ
где <2из — капитальные затраты на переизоляцию 1 км трубо-
провода в тыс. руб. (руб/км)-,
Р„а — стоимость переизоляцип 1 км трубопровода в тыс. руб.
(руб; км);
гиз — срок службы покрытия в годах.
Капитальные затраты па переизоляцию трубопровода опре-
деляются прежде всего типом покрытия и работами по извлече-
нию и последующей укладке трубопровода. Ясно, что в зависи-
мости от диаметра трубопроводов, глубины заложения и категории
грунта затраты на переизоляцию будут различными и стоимость
земляных работ, как правило, значительно выше, чем стоимость
нанесения новой изоляции на трубопровод. Поэтому в дальней-
шем при сравнении различных средств защиты будем полагать,
что все виды защиты применяются на одном и том же трубопро-
воде, т. е. при одних и тех же условиях.
Из приведенного выше выражения для Qa3 видно, что с умень-
шением срока службы изоляции /из ежегодные (удельные) затраты
на переизоляцию трубопровода увеличиваются. Следовательно,
по ежегодным затратам можно сравнивать изоляционные покры-
тия различных типов. Для этого надо определить отношение
ежегодных затрат к переизоляцип трубопровода при различных
типах изоляции, т. е.
где (?из — ежегодные затраты на переизоляцию 1 км трубопро-
вода при изоляции одного типа в тыс. руб.;
<2из — т0 же, но при изоляции другого типа.
Если это отношение больше единицы, то целесообразнее при-
менять изоляцию второго типа, а если оно меньше единицы, то
более целесообразно использовать изоляцию первого типа. При
этом необходимо учитывать дефицитность материалов, идущих
па покрытие, их транспортирование и т. д.
Сравним для примера применение нормальной и усиленной
битумной изоляции трубопровода диаметром 325 мм, уложенного
в грунт с повышенной коррозионной активностью. Положим, что
срок службы нормальной битумной изоляции в этом грунте
5 лет, а усиленной — 8 лет. Тогда ежегодные затраты на переизо-
ляцию 1 км трубопровода будут равны:
217
при нормальной изоляции
()из = ~ = 10 тыс. руб км год,
при усиленной изоляции
,, ________________ 5g
Сиз — -g- = 7 тыс. руб 1км год,
где РИз = 50 тыс. рубкм., а Риз =56 тыс. руб/км.
Отношение
= .10,0 = 1 ,2
q" 7,0
<ИЗ
Отсюда следует, что при данных условиях целесообразно
применить усиленную битумную изоляцию.
Как показала практика, покрытия не обеспечивают полной
защиты трубопровода от коррозии. Они подвергаются процессу
старения. Покрытие разрушается неравномерно по длине трубо-
провода, поэтому на нем появляются отдельные обнажения,
не защищенные от коррозии. Применяя средства электрозащиты,
можно предупредить коррозию обнаженных мест трубопровода.
Однако по мере старения покрытия площадь обнажения трубо-
провода возрастает и приходится увеличивать мощность и число
установок катодной защиты. '
Так, для катодной защиты 1 км трубопровода диаметром
820 мм при средней защитной плотности тока / = 25,0 ма!мг
потребовался бы ток величиной
I = л Dmj 103 = л 0,82 • 25,0 = 64,5 а)км.
При общем сопротивлении в цепи катодной защиты R =
= 0,5 ом и к. и. д. установки ц = 0,7 для катодной защиты 1 км
трубопровода необходима мощность
т„ PR (64,5)2 -0,5 „ п ,
W = -----=-----—-----3,0 квткм,.
Ц 0,7 ’ -
Если катодная установка работает в течение года при стои-
мости 1 квт-ч С = 0,2 руб., для защиты 1 км трубопровода потре-
буется
Рв = 8760 • WC 1СГ3 = 8,76 • 3 • 0,2 = 5,25 тыс. руб!год.
Для защиты магистрального трубопровода от коррозии при
помощи только УКЗ потребовалось бы строительство специаль-
ных подстанций, линий электропередачи и т. д. В этом случае
стоимость электрозащиты оказалась бы значительно выше стои-
мости покрытий, поэтому применение одной только катодной
защиты экономически невыгодно.
218
Удельные затраты на катодную защиту 1 км трубопровода,
отнесенные к одному году, можно выразить формулой
гДе Qk. з — удельные затраты на катодную защиту трубопро-
вода, отнесенные к 1 км трубопровода и одному
году эксплуатации, в тыс. руб.;
Рк з — капитальные затраты (стоимость оборудования и мон-
тажа) на УКЗ в тыс. руб.;
tK 3 — срок службы УКЗ в годах:
?к, з — эксплуатационные расходы на одну УКЗ в течение
года в тыс. руб.;
LK з — расстояние между УКЗ (протяженность защитной
зоны) в км.
В качестве УКЗ применяют установки с выпрямителями
(с питанием от посторонних источников тока), установки с ветро-
электрогенераторами, протекторные и др. При использовании
посторонних источников переменного тока в капитальные затраты
входит стоимость оборудования, заземления (анодного), а также
монтажа. Эксплуатационные расходы складываются из затрат
на содержание обслуживающего персонала и на электроэнергию.
Расходы на электроэнергию для питания УКЗ зависят от состоя-
ния покрытия. Чем более разрушено покрытие, тем выше расход
электроэнергии и меньше протяженность защитной зоны одной
катодной станции (меньше расстояние между УКЗ). На рис. 178
представлена примерная зависимость удельной (т. е. отнесенной
к 1 км защищаемого участка трубопровода) мощности УКЗ от
протяженности защитной зоны. Из графика видно, что с умень-
шением протяженности защитной зоны удельная мощность УКЗ
возрастает. Повышается она и при увеличении диаметра трубопро-
вода. Очевидно, что и годовые расходы на электроэнергию воз-
растают с уменьшением протяженности защитной зоны.
Большой интерес представляет экономика катодных станций
с выпрямителями (с питанием от специально построенной линии
электропередачи). Трассы магистральных трубопроводов про-
ходят по таким районам, где не всегда можно питать УКЗ от ли-
ний передач электрической энергии. Тогда выражение для затрат
на катодную защиту с учетом стоимости линии электропередачи
может быть представлено так:
Qk. з = ( ,К' 3 1- Як. з) + (у5 + 9л) ~г ,
\ ‘к. 3 / ' гл 1 ьк. 3
где Рл—стоимость 1 км линии электропередачи в тыс, руб.;
tji — срок службы линии электропередачи в годах;
219
q,i — годовые расходы по эксплуатации 1 км линии элек-
тропередачи в тыс. руб.;
Ьл — протяженность линии электропередачи в км.
На практике иногда приходится проводить электрозащиту
нескольких параллельных магистральных трубопроводов. В этом
случае целесообразно строить специальную линию электропере-
дачи для питания УКЗ. Удельные затраты на электрозащиту
километра одного из параллельных трубопроводов определяются
выражением
Рис. 178. Зависимость мощности УКЗ Рис. 179. Зависимость удельных
(отнесенной к 1 км трубопровода) от затрат на электрозащиту 1 км
протяженности защитной зоны и от диа- трубопровода от числа параллель-
метра трубопровода. ных трубопроводов (га) при строи-
тельстве специальной линии
электропередачи.
На рис. 179 показана зависимость удельных затрат на элек-
трозащиту 1 км трубопровода от числа параллельных трубопро-
водов (и) при длине линии электропередачи 10 км. Из этой кри-
вой видно, что уже при четырех параллельных трубопроводах
удельные затраты сокращаются в 3 раза.
Аналогично определяются удельные затраты на электрозащиту
с питанием от ветроэлектростанций.
Применение для питания УКЗ двигателей внутреннего сгора-
ния экономически нецелесообразно из-за сравнительно непро-
должительного срока их работы, необходимости в аккумулятор-
ных батареях и повседневном обслуживании квалифицированным
персоналом.
220
Удельные затраты в этом случае можно определить из выра-
жения
ек.зЧ>+<7дв + -Ит^’
' 'д« 'ак / ьк з
где РЯв — стоимость оборудования и монтажа двигателя;
^дв — срок службы двигателя в годах;
7дв — эксплуатационные расходы за год в тыс. руб.;
7J3K — стоимость оборудования и монтажа аккумуляторной
батареи в тыс. руб.;
tan — СРОК Службы ЭККумуЛЯТОрОВ В ГОДЭХ.
Сюда не вошли затраты на сооружения и оборудование поме-
щения для таких УКЗ.
Применение ветроэлектрогенераторов для питания УКЗ воз-
можно там, где благоприятны ветровые условия, т. е. достаточно
дней в году с необходимой средней скоростью ветра. Такие УКЗ
должны иметь аккумуляторные батареи для питания защиты при
отсутствии ветра (в штилевые дни). Емкость аккумуляторных
батарей выбирают в зависимости от величины тока для электро-
защиты и максимального времени перерыва в действии ветро-
электрогенератора:
С = Iк. 3 ^в,
где С — емкость батарей в а-ч',
I — ток в цепи электрозащиты в а;
tB — время перерыва в действии ветра в часах.
Отсюда следует, что при большом токе /к. 3 и длительном
отсутствии ветра емкость аккумуляторной батареи может дости-
гнуть значительной величины. Это приводит к большим капита-
ловложениям и эксплуатационным расходам, что ограничивает
применение УКЗ с питанием их от ветроэлектрогенераторов.
Удельные затраты на защиту при помощи протекторов опре-
деляются пз выражения
/ Рп | \ 1
Qn “ + ?ц) тг ’
где Рп — стоимость оборудования и монтажа одной протектор-
ной установки в тыс. руб.;
in — срок службы протектора в годах;
7п — эксплуатационные расходы одной протекторной уста-
новки в тыс. руб. в год;
Ln — расстояние между протекторами в км.
Для защиты трубопроводов, находящихся в зоне действия
блуждающих токов электрифицированных железных дорог, при-
меняются, как известно, электрические дренажи, автоматические
станции катодной защиты, изолирующие фланцы и т. д. Затраты
221
на электродренажную установку определяются расходами на дре-
наж, соединительный кабель и монтажные работы. Стоимость
дренажного (соединительного) кабеля зависит от расстояния
между трубопроводом и рельсами электрифицированной железной
дороги, причем сечение кабеля находится в следующей зави-
симости:
S = q L .ил«2,
где Q — удельное сопротивление кабеля в оммм2'м;
АС — допустимое падение напряжения в дренажном ка-
беле в в;
Jq — максимальное значение тока в дренажной цепи в а;
S — необходимое сечение кабеля в мм2;
L—длина дренажного кабеля в м.
Однако уже при сравнительно небольших расстояниях (L)
между трубопроводом и местом подсоединения дренажного кабеля
к рельсам стоимость дренажного кабеля при больших дрени-
руемых токах достигает большого значения. Чтобы снизить
затраты на дренажный кабель, иногда целесообразно подключать
его к сборке тяговой подстанции.
В этом случае сечение кабеля подсчитывают по формуле
s — "г ;Гг'\ v6л<л<2’
С/фЧ-Д и «
где С/ф — падение напряжения в отсасывающем фидере подстан-
ции в в.
Отсюда видно, что с увеличением расстояния между трубо-
проводом и рельсом сечение кабеля также возрастает и в резуль-
тате повышается стоимость кабеля, достигающая нередко очень
высоких значений.
Сравнительная оценка отдельных видов защиты по различ-
ным показателям, в том числе и по стоимости, приводится в табл. 28.
Из таблицы видно, что применение электрозащиты снижает
удельные расходы на битумные покрытия. Наиболее экономичны
УКЗ с выпрямителями. Удельные расходы при работе протектор-
ной защиты почти вдвое ниже, чем при эксплуатации УКЗ, питаю-
щихся от специально построенных линий электропередач протя-
женностью до 10 км. В таблице не учтены дополнительные
расходы, связанные с дефицитностью и транспортированием
материалов к месту строительства трубопровода, и др.
Выше уже говорилось, что электрическим средствам защиты
соответствуют защитные зоны определенной длины и что по мере
старения покрытий протяженность этих зон из года в год сокра-
щается. Возникает вопрос, при какой минимальной протяжен-
ности защитной зоны целесообразно менять покрытие трубопро-
222
Таблица 28
Сравнительная характеристика различных видов защиты
Вид защиты
руб/год
1 2 Покрытия Битумное без катодной защиты . . » с » защитой 50 50 10 20 — 1 1 5,5 3,0
Й Установки катодной защиты С выпрямителями 20 10 0,3 15 0,15
4 » выпрямителями и ЛЭП 40 10 1,0 15 0,40
5 » ВВС 20 10 1.0 15 0,2
6 Протекторная защита 0.20 10 0,2 0.1 0,4
7 Дренаж и (при одном и том же дренажном токе) Поляризованные 5 15 0.3 0,13
8 » с кабелем длиной 100 м 8.1 15 0,4 5 0,19
9 Поляризованные с кабелем длиной до 10 ».и 98 15 1,0 5 11,6
вода. Для различных средств электрозащиты это предельное
расстояние неодинаково. В дальнейшем будем называть его кри-
тическим расстоянием.
Критическое расстояние между УКЗ определяется из условия,
что
(?из = Qk . з?
где QU3—удельные затраты на переизоляцию трубопровода;
<2к. з—удельные затраты на катодную защиту этого же тру-
бопровода.
Так как удельные затраты на катодную защиту зависят от
протяженности защитной зоны, то из этого соотношения всегда
можно определить критическое расстояние.
Для УКЗ с выпрямителями можно написать
Риз , „ / ^укэ
. -f Чиз — Г/
сиз \ 'УКЗ
5-Dm
Л2
где Dm — диаметр трубопровода в м.
223
Отсюда можно определить критическое расстояние
Рукз , п
Г 9укз
Г _ ‘УКЗ
ьк —------------
Ру’КЗ , \2
~?укз/
УКЗ
3 “Ь ?изу
-------------- КМ.
Риз
‘из
При специальных линиях электропередач для питания
можно написать
Риз , „ / РУКЗ
. Д- уиз - - .
‘из \ ‘укз
УКЗ
УКЗ
5Dr
L2
Р
где Ра — стоимость 1 км линии электропередачи в тыс.
£л — срок службы линии электропередачи в годах;
7л—годовые эксплуатационные расходы в тыс. руб.
Критическое расстояние в этом случае определяется по
муле
•Рукз
Т _ гукз
-К к-----
РуКЗ \2
7 ~ т-?укз/
руб.;
фор-
ИЗ I „ Pl „ \ л
; г-?из ----------?л ДА
из ‘л /
Риз , „ Рц „ \
+ 7из---' — ?л I
‘из 'л /
При УКЗ с ветроэлектростанциями равенство QBS
принимает вид:
•Риз । _ ( рукз । \ _J_
Г уиз — I . Т чукз/ Т •
‘из \ 'УКЗ L
км.
Отсюда можно найти и критическое расстояние
LK =
•'УКЗ , _
7 г?уКЗ
‘УКЗ________
Риз ,
I ?ИЗ
‘из
КМ.
При протекторной защите
Риз | „ __ / Рп I „ \ 1
и критическое расстояние
Рп ,
"7— + ?п
‘п________
Риз г -
— "Г <7из
‘из
КМ.
Для примера рассчитаем ориентировочно критическое рас-
стояние для различных видов электрозащиты трубопровода диа-
метром 325 мм.
224
Для УКЗ с выпрямителями критическое расстояние
-дЯ + О,6 + |/ (+ 0.6? + 20 ( -/-4-0,5 ) 0,325
LK = ----------------------------------- = * 1 *
2(++“)
Для УКЗ с линиями электропередачи (протяженностью до 1 к.и)
Ьк
~+0,6 4-1/(~+0,6f + 20 {/-+0,5 ^--0,4) 0.325
5 г \ а ) '14 10 '
= 2,8 км.
Для УКЗ с ветроэлектростанциями
i. = -5?-------= 1,23
4 + 0.5
Для УКЗ с протекторами
—4—+0,02
LK = -----= 0,02 км = 20 м.
.4) ~
—+ 0.э
Примерный расчет показывает, что для разных видов защиты
критические расстояния различны, и если расстояния между
УКЗ получаются на практике меньше критических, то экономи-
чески целесообразно менять изоляцию трубопровода.
Рассмотрим теперь методику выбора величины сопротивления
растеканию анодного заземлителя УКЗ с точки зрения экономики.
Известно, что значительная часть мощности УКЗ теряется на анод-
ном заземлении
W = PR вт,
где W — мощность, теряющаяся на анодном заземлении, в в/тг;
/ — ток в цепи УКЗ в о;
R—сопротивление растеканию анодного заземлителя в ом.
Стоимость электроэнергии
Р = 8760 WC 10~3 тыс. руб;год,
где Р — стоимость электроэнергии за год работы УКЗ в тыс. руб.;
8760 — число часов в году;
С — стоимость электроэнергии в тыс. руб.
15 Заказ 31
225
Отсюда видно, что с Повышением сопротивления растеканию
анодного заземления пропорционально возрастают затраты на
электроэнергию.
Будем полагать, что необходимое сопротивление растеканию
анодного заземления достигается за счет параллельного соеди-
нения одиночных заземлителей, обладающих сопротивлением рас-
теканию г ом. Тогда число одиночных заземлителей
tv = А,
т] Л
Рис. 180. Зависимость затрат на
электроэнергию (Р) и на со-
оружение заземления (7?) от ве-
личины сопротивления растека- где
нию заземления.
здесь R — общее сопротивление
анодного заземления в
ОМ',
г — сопротивление растека-
нию одиночного за-
землителя в ом;
ц — коэффициент использо-
вания заземления.
Стоимость анодного заземле-
ния, отнесенная к одному году
его эксплуатации:
<?з = ^з4-.
N — число одиночных заземли-
телей;
д3 — стоимость
одиночного
заземлителя в тыс.
руб.;
оборудования
Р — срок службы анодного заземления в годах.
Подставляя сюда значение N из ранее полученного выраже-
ния, найдем зависимость стоимости анодного заземления от вели-
чины его сопротивления растеканию:
— Т]Л
<7з
На рис. 180 показана зависимость стоимости электроэнергии
Р анодного заземления Qs от величины сопротивления расте-
канию R. Кривые на графике показывают, что с повышением R
расходы на электроэнергию возрастают, а стоимость анодного
заземления уменьшается. Пересечение этих кривых определяет
такое значение сопротивления 7?0 растеканию анодного заземле-
ния, при котором расходы на электроэнергию и на сооружение
заземления становятся одинаковыми. Эта величина сопротивле-
226
ния растеканию и является экономически целесообразной. Ее
можно получить, полагая, что
р = <?в = 8760-тс-io-3 = -Ц- I®.,
Т) л
откуда
р_________________________L1/ 'ga
I Y 8,76 Cta т] ’
при г = 10, q3 = 0,1 тыс, руб., С — 0,2- 1СГ3, /3 — 5 лет и / =
= 20 аЛт] — 0,5;
D 1 . f 10-0.1 ,, .
R = 1 / ----------3-----= 0,76 ом
20 ]/ 8,76 • 0,2 10~3 -5-0,5
N = 26 шт.
Отсюда следует, что сопротивление растеканию анодного
заземления обратно пропорционально величине тока в цепи
защиты.
При расчете анодного заземления величина тока катодной
защиты принимается максимальной (предшествующей переизоля-
ции трубопровода).
15*
Г.7 AB A VII
НАЛАДКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ
1. ВКЛЮЧЕНИЕ И НАЛАДКА
Установки катодной защиты (УКЗ) включаются при помощи
рубильника пли выключателя, установленных на стороне пере-
менного тока. Перед включением необходимо тщательно прове-
рить монтаж, а после включения измерить разность потенциалов
трубопровод — земля в точке дренажа. Разность потенциалов
устанавливают согласно проекту или утвержденной инструкции.
Максимальное значение ее в точке дренажа не должно превышать
—1,2 в по отношению к медносульфатному электроду. Более
высокое значение может вызвать усиленное выделение водорода
на поверхности трубопровода, а затем отслаивание защитного
покрытия от тела трубы. Однако при наладке УКЗ необходимо
в каждом конкретном случае учитывать местные условия (место
укладки трубопровода, коррозионность почвы, тпп покры-
тия и т. д.).
Так, например, при плохой изоляции разность потенциалов
между трубопроводом п землей в точке дренажа допускают до
—1,5 4 2,0 в, чтобы увеличить зону защитного действия. Мини-
мальное значение потенциала в конце защищаемого участка
принимают равным —0,85 в по отношению к медносульфатному
электроду.
Установив при помощи регулирующего устройства допусти-
мую разность потенциалов между трубопроводом и землей в точке
Дренажа, измеряют напряжение по длине трубопровода и опре-
деляют длину защитной зоны, равную расстоянию между точками
с потенциалами 0,85 в. Если защитная зона включаемой УКЗ
перекрывает такую же зону смежной УКЗ, потенциал в точке
дренажа понижают (по абсолютной величине). Результаты изме-
рений заносят в протокол и по ппм строят график распределения
разности потенциалов между трубопроводом и землей по его длине.
Наладка УКЗ, действующих в зоне блуждающих токов, про-
изводится в часы, когда эти токи отсутствуют.
228
Перед включением дренажных установок необходимо измерить
разность потенциалов трубопровод — земля и тщательно проверить
монтаж. После этого проводится пробное включение дренажной
установки.
Вначале при помощи регулирующего устройства устанавливают
небольшой ток в дренаже и определяют разность потенциалов
трубопровод — земля во всех точках защищаемого трубопровода,
в которых измерения проводились до включения дренажной
установки.
Если потенциал на трубопроводе остается все же положи-
тельным, ток в дренаже повышают. Однако повышение это (при
защите дренажными установками изолированных трубопроводов)
должно согласоваться с разностью потенциалов между трубопро-
водом и землей в точке подключения дренажного кабеля к тру-
бопроводу, т. е. максимальное значение напряжения устана-
вливается —1,2 в, и хотя на трубопроводе остаются еще поло-
жительные потенциалы (небольшие по абсолютной величине), ток
в цепи дренажной установки не повышают.
Оставшиеся положительные потенциалы устраняют при помощи
дополнительного дренажа, установленного на данном трубопро-
воде или посредством УКЗ. Чтобы исключить воздействие на
устройства сигнализации централизации и автоблокировки связи,
дренажи подключаются к рельсам железной дороги в средней точке
путевых дросселей по согласованию с управлениями железных
дорог.
Перед включением протекторных установок тщательно про-
веряют их монтаж. В предполагаемой зоне защиты трубопровода
протекторными установками измеряют разности потенциалов
между трубопроводом и землей. По результатам измерений
строят график, соответствующий определению естественной раз-
ности потенциалов между трубопроводом и землей.
После включения протекторных установок измеряют разности
потенциалов труба — земля. Напряжение вдоль трубопровода ха-
рактеризует защитное действие протекторных установок. Кроме
того, необходимо измерить ток и сопротивление в цепи протек-
тор — труба.
Измерения проводятся в определенном порядке: вначале
сразу же после подключения протекторов, затем через 2—3 дня
и в дальнейшем не реже 3 раз в год — весной, летом и осенью.
При использовании в качестве метода защиты изолирующих
фланцев необходимо, чтобы каждый из них был смонтирован
в комплексе с токоотводом, протектором и шунтирующими сопро-
тивлениями. Вначале подключают токоотвод и измеряют рас-
пределение потенциалов на трубопроводе до фланца и после
него. Оставшиеся положительные потенциалы сглаживаются при
помощи регулируемого шунтирующего сопротивления, которое
вводится постепенно после проведения измерений. Чтобы устра-
нить еще не снятые анодные зоны, к трубопроводу подключают
229
протектор и повторно измеряют распределение потенциалов на
трубопроводе. После устранения анодных зон на трубопроводе
фланец оставляют включенным в работу.
2. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ
Необходимо, чтобы все защитные устройства работали ком-
плексно и защита всех сооружений проводилась совместно.
Поэтому после включения в работу установок электрозащиты
следует проверить воздействие их на соседние сооружения, не
включенные в данную систему защиты. При обнаружении вред-
ных воздействий надо принять меры к их ликвидации.
Эксплуатацией совместной защиты подземных металлических
сооружений занимаются организации, которым принадлежат эти
сооружения.
На все введенные в эксплуатацию защитные устройства должны
быть составлены паспорта.
При расширении сети трубопроводов в районе действия блу-
ждающих токов необходимо следить за тем, чтобы дополнительно
проложенные трубопроводы также были защищены.
На трубопроводах, проложенных параллельно электрическим
железным дорогам, все измерения блуждающих токов и защита
трубопроводов должны быть увязаны с режимом работ тяговых
подстанций; для этого перед измерениями необходимо выяснить
эксплуатационную нагрузку железной дороги и ее отклонения
от средней величины на каждом обследуемом участке.
В зависимости от принципов эксплуатационного обслужи-
вания все защитные устройства можно разделить на три группы.
К первой следует отнести устройства, не требующие специаль-
ных эксплуатационных работ и предназначенные для защиты
трубопроводов и кабелей от блуждающих токов. Наблюдение
за этими устройствами ведется эксплуатационным персоналом
электрифицированных железных дорог и кабелей связи.
Ко второй группе относятся несложные защитные устройства
(протекторная защита), требующие специфического эксплуата-
ционного обслуживания. Так как в процессе работы протекторы
разрушаются, то во время эксплуатации необходим контроль за
степенью их разрушения.
Примерный срок службы протекторных-установок 1 —10 лет.
Необходимо периодически проверять эффективность протекторной
установки, а также исправность цепи протектор — трубопровод.
Для этого измеряют разность потенциалов трубопровод — земля,
величину тока в цепи протектора, а также сопротивление в цепи
протектор — трубопровод. Если измерения свидетельствуют о не-
удовлетворительной работе протекторной установки (потенциал
в точке дренажа резко снизился), то протектор извлекают из
шурфа и после очистки от продуктов коррозии и смены запол-
нителя вновь помещают в тот же шурф или на расстоянии 1 м
230
(вдоль трубопровода) от прежнего шурфа роют другой шурф
и устанавливают в него новый протектор. Факты значительного
снижения разности потенциалов труба — земля на отдельных
участках трубопровода свидетельствуют о плохом состоянии
покрытия. В этих случаях необходимо отремонтировать покрытие
или установить дополнительные протекторы. При уменьшении
величины тока в цепи протекторной установки или значительном
повышении сопротивления, что объясняется образованием плохо
проводящей пленки на протекторе или вымыванием солей из
заполнителя грунтовыми водами, протектор извлекают из грунта
и очищают от продуктов коррозии.
Электрические измерения проводятся по инструкциям не реже
3 раз в год (весной, летом и осенью). Результаты проведенных
измерений заносят в журнал (см. приложение, формы 1 и 2).
Защитные устройства третьей группы требуют специального
эксплуатационного обслуживания. В первую очередь необходим
систематический и периодический осмотр установки — проверка
состояния и работы устройств. При этом сроки осмотра зависят
от местных условий. Обычно осмотры следует проводить не реже
2—4 раз в месяц.
Кроме внешних осмотров, защитные устройства третьей группы
подвергаются периодическим ревизиям. Сюда входят тщатель-
ный осмотр с очисткой и окраской отдельных частей устройства
(контакты, реостаты, рукоятки, ящики, замки и пр.), проверка
и регулировка приборов, мелкие ремонтные работы, текущий
ремонт, переделка и замена отдельных частей. По результатам
осмотров и ревизий намечаются капитальные ремонты устройств.
Они проводятся не на месте установки, а в мастерских. В местных
условиях производят замену старого оборудования новым. Старое
оборудование отправляют для ремонта в мастерские или в лабо-
раторию. Во время ремонтных работ, связанных с разрывом
основных цепей защитной установки, следует предусматривать
организацию временных перемычек.
При эксплуатации катодной защиты необходимо следить за
тем, чтобы не было перебоев в питании установок. Перерывы
в снабжении током установок не должны превышать 1,5 часа.
При использовании выпрямителей в качестве источников питания
необходимо предохранять УКЗ от коротких замыканий и не пере-
гружать их током выше допустимого. Чрезмерная нагрузка ведет
к быстрой порче вентильных элементов. Не следует закрывать
вентиляционные отверстия выпрямителя, так как ухудшается
охлаждение вентильных элементов.
Допустимая нагрузка выпрямителя (селенового) определяется
нагревом селеновых элементов (не выше 75° С). При включении
выпрямителя после долгих перерывов в работе на поверхности
селеновых элементов могут появляться отдельные искры, разда-
ваться потрескивания. Но все это не является признаком неисправ-
ности выпрямителя. Если после длительного пребывания на
231
морозе выпрямитель устанавливают в теплом помещении, то необ-
ходимо перед включением выпрямителя хорошо просушить его
(не менее 30—40 мин.). При включенном выпрямителе не допу-
скаются ремонтные работы, а также замена предохранителей,
отключение заземляющей проводки выпрямителя и соприкосно-
вение с контактами, находящимися под током. Если выпрямитель
эксплуатируется в закрытом помещении, то он не должен нахо-
диться поблизости от отопительных устройств и в помещениях
с температурой воздуха выше +35О С, там, где есть влага и кислот-
ные пары. Не рекомендуется включать выпрямители на парал-
лельную работу. При эксплуатации их может создаться такое
положение, что на клеммах выпрямленного тока не будет напря-
жения. Это объясняется или отсутствием в сети напряжения, пли
перегоранием плавкой вставки, или неисправностью выключателя
переменного тока.
Нарушение нормальной работы УКЗ может быть вызвано
также повреждением источника питания или электролинии, пита-
ющей УКЗ. Во всех этих случаях замеченные неисправности
и повреждения необходимо устранить. При использовании в ка-
честве питания УКЗ ветроэлектростанций для обеспечения их
непрерывной работы устанавливаются аккумуляторные батареи,
которые работают по методу заряд — разряд или по методу постоян-
ного подзаряда. Во время эксплуатации один раз в месяц произ-
водят наружный осмотр для определения состояния аккумуля-
торных банок и уровня электролита.
Проверяют также напряжение элемента и плотность электро-
лита в каждой банке, осматривают контакты, очищают окислив-
шиеся поверхности и смазывают их вазелином. Не реже одного
раза в 3 месяца проводится усиленная перезарядка кислотных
аккумуляторов. В местах установки щелочных аккумуляторов
необходимо поддерживать температуру, рекомендованную техни-
ческими условиями, так как изменение ее против нормы приводит
к понижению емкости аккумуляторов.
Для нормального функционирования ветроэлектростанций не-
обходимо ежедневно осматривать болтовые соединения, подтя-
гивать ослабевшие гайки, шпильки и шурупы, смазывать все
трущиеся части; если есть автоматическая смазка, необходимо
один раз в 6 месяцев менять масло, причем не следует пользо-
ваться загрязненным и отработанным маслом.
При эксплуатации УКЗ необходим постоянный контроль за
состоянием анодного заземления. Так как основным сопротивле-
нием в цепи УКЗ является сопротивление растеканию анодного
заземления, то о состоянии последнего судят по величине тока
УКЗ. Резкое снижение его свидетельствует о возрастании сопро-
тивления из-за высыхания грунта у заземлителей или отключения
отдельных заземлителей.
Независимо от показаний приборов о наличии тока в цепи
УКЗ и потенциала в точке дренажа необходимо не реже одного
232
раза в квартал осматривать и проверять соединения цепи УКЗ.
В зимнее время из-за промерзания грунта величина тока в цепи
УКЗ может снизиться. В этом случае необходимо регулировать
напряжение УКЗ. При измерении потенциала труба — земля
в зимних условиях следует предохранять неполяризующийся
электрод от замерзания.
Кроме описанных выше работ, при эксплуатации катодной
защиты ведется журнал электрических параметров станции и ра-
боты источника тока; периодически проверяется сопротивление
анодного заземления; производится мелкий текущий ремонт;
регистрируются коррозионные разрушения и производится перио-
дическое вскрытие защищаемых трубопроводов для определения
эффективности действия защиты и состояния изоляционного
покрытия.
При эксплуатации дренажных установок периодически изме-
ряются токи в цепи дренажа, разность потенциалов трубопро-
вод— земля в дренажных точках, а также регулярно проверяется
состояние дренажных устройств, реле и их контактов, дренажного
провода или кабеля, мест присоединения кабеля к трубопроводу
и рельсу и т. п. Особое внимание обращают на токонесущие части
оборудования: необходимо проверить, нет ли перегрева отдель-
ных элементов, плотно ли поджаты контакты и т. д. Все замечен-
ные дефекты отмечаются на обороте протокола и заносятся в спе-
циальный журнал дефектов (см. форму № 3).
Не реже одного раза в квартал необходимо осматривать
и проверять контакты дренажной цепи, начиная от места под-
ключения к рельсу до места подключения к трубопроводу. Ток
в каждом дренаже измеряют один раз в неделю по специально
составленному расписанию. Одновременно синхронно измеряется
разность потенциалов дренажной точки трубопровода относительно
земли.
В процессе эксплуатации необходимо соблюдать два основных
условия:
1) защита должна обеспечивать достаточный защитный отри-
цательный потенциал на защищенном сооружении;
2) следует исключить опасное влияние дренажной защиты
на соседние подземные сооружения.
При несоблюдении этих условий на отдельных участках соору-
жений могут появиться положительные потенциалы вместо отри-
цательных и повыситься небольшие положительные потенциалы.
3. КОНТРОЛЬ ДЕЙСТВИЯ ЗАЩИТЫ
Независимо от типа защитных устройств и даже наличия или
отсутствия их необходимо периодически проводить контрольные
измерения и обследования. Результаты контрольных измерений
позволяют характеризовать работу защиты.
233
Контрольные измерения и обследования следует проводить
не реже 2 раз в год. В крупных трубопроводных сетях, а также
на участках большой плотности периодичность контрольных
измерений следует увеличить до 4 раз в год.
Контроль эффективности защитных устройств заключается
в периодическом измерении разности потенциалов между соору-
жением (трубопроводом и землей), напряжения и тока в цепи
защитных установок, сопротивления в цепи установок, сопро-
тивления растеканию анодного заземления катодных установок.
Напряжение и величина тока катодной установки независимо
от времени года регистрируются не реже 2 раз в неделю. Изме-
Протяженность трубопровода
Рис. 181. График распределения потенциалов вдоль
трубопровода при плохой изоляции.
рение тока в дренажах производится не реже одного раза в не-
делю. Сопротивление цепи установок и сопротивление растека-
нию анодного заземления выполняются не реже одного раза
в квартал.
Измерение разности потенциалов на защищенном участке
проводят с целью контроля защитного действия УКЗ и дренажей.
Резкое падение потенциала около точки дренажа обусловлено
плохим состоянием изоляции трубопровода или утечкой тока
на другие подземные сооружения, расположенные около трубо-
провода.
Данные измерений записывают в журнал и строят по ним гра-
фики (рис. 181 и 182). При резком снижении потенциала или
сокращении защитной зоны УКЗ отключают на несколько дней
и при помощи описанных выше электрических измерений опреде-
ляют места на трубопроводе с нарушенной изоляцией для про-
ведения ремонта. После этого УКЗ снова включают в ра-
боту.
234
При защите трубопроводов электрическими дренажами сни-
жение защитных потенциалов на трубопроводе и уменьшение
протяженности защитной зоны свидетельствуют о нарушении
режима работы дренажных установок или о дополнительном
включении в систему защиты соседних сооружений. В этих слу-
чаях увеличивают ток в дренаже, устанавливают допустимый
потенциал в точке дренажа и определяют снова участок защиты.
Если полная защита не будет обеспечена, в эксплуатацию вводят
(опытным путем) дополнительные защитные устройства.
Кроме электрического метода (измерение разности потенциалов
сооружение — земля), контроль действия защиты осуществляется
Рис. 182. График распределения потенциалов вдоль трубо-
провода при удовлетворительной изоляции.
иногда весовым методом — применением контрольных образцов.
Сущность этого способа заключается в том, что в определенных
точках защищаемого трубопровода или кабеля помещают пары
контрольных образцов, из которых один присоединяется к тру-
бопроводу или кабелю и также защищается от коррозии, а дру-
гой помещают отдельно недалеко от первого. Перед закладкой
образцов в землю их предварительно взвешивают; через 1—2 года
образцы извлекают из земли, очищают от продуктов коррозии
и вновь взвешивают. Сравнивая вес защищенного и незащищен-
ного образцов, судят о степени защиты. Недостаток этого метода
заключается в том, что для получения результатов требуются дли-
тельные сроки. Поэтому описанный способ может быть рекомен-
дован лишь как дополнительный к электрическому методу.
На магистральных трубопроводах контроль за работой уста-
новок электрозащиты возлагается на специальные службы экс-
плуатации защиты. В их состав входят один инженер и два тех-
ника. Служба подчинена начальнику района, но в решении тех-
235
нических вопросов принимает участие и производственный отдел
управлений трубопровода. Обязанности службы заключаются
в наблюдении за работой УКЗ, ведении журналов (по произ-
водству ремонта, регистрации показаний приборов установок,
проведению электрических измерений, наблюдению за корро-
зионным состоянием подземных сооружений) и проверке выпол-
нения противокоррозионных мероприятий другими организациями.
При подходах магистральных трубопроводов к городам, где
есть сложные сети подземных сооружений, а также действуют
блуждающие токи, службы эксплуатации выполняют измерения
на всех сооружениях, находящихся в зоне действия электроза-
щиты, и выявляют взаимное влияние их друг на друга. При нали-
чии подземных коммуникаций, принадлежащих другим ведом-
ствам, работы по эксплуатации защитных устройств проводятся
совместно. Причем после проведения совместных электрических
измерений обсуждаются результаты и принимается совместное
решение по наладке установок электрозащиты.
Для выявления эффективности существующей противокорро-
зионной защиты трубопровода и разработки дополнительных
защитных мероприятий необходимо организовать точный учет
всех сквозных проржавлений на трубопроводе.
При наблюдении за трубопроводами необходимы:
а) систематические осмотры в доступных местах без разрытий;
б) использование аварийного вскрытия трубопровода для
выявления его коррозионного состояния;
в) проведение периодических контрольных измерений.
Годовой объем профилактических и аварийных обследований
должен составлять: для подземных сооружений, обследуемых
без разрытий, 100% их протяженности, а для сооружений, обсле-
дуемых с разрытиями, не менее 5% их протяженности. При этом
расстояние между обследуемыми местами трассы не должно
превышать 1 км.
Осмотр и оценка состояния металла подземного сооружения
в месте вскрытия производятся согласно инструкции. Все случаи
повреждения сооружения подземной коррозией заносятся в спе-
циальный акт.
4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
К обслуживанию установок электрозащиты допускается пер-
сонал, сдавший экзамены по технике безопасности. Однако при
эксплуатации электрических установок необходимо помнить, что
самый действительный способ защиты от поражения электри-
ческим током — это применение безопасных напряжений.
Необходимость устройства защитного заземления отпадает
в том случае, если установка включена в сеть напряжением не
выше 65 в.
Поражение электрическим током возможно при прикосновении
к частям установки, оказавшимся под напряжением при повре-
236
ждении изоляции. Для защиты от поражения в подобных слу-
чаях применяют заземления и защитные отключения.
В установках с напряжением 65 в и ниже, а также в сухих
конторских и жилых помещениях с деревянными или асфальто-
выми полами при напряжении 380/220 в и ниже устройства зазе-
мления или зануления не требуются. Для установок до 1000 в
норма сопротивления заземления приблизительно 4 ом при 10 а
'среднего значения тока утечки.
Находящиеся в эксплуатации защитные заземления проверяют
путем измерения их сопротивления. Если при этом сопротивление
окажется больше расчетных данных, увеличивают количество
заземлителей.
Все работы на электрических установках, находящихся под
напряжением, выполняются по письменному распоряжению, в ко-
тором содержатся указания о необходимых мерах предосторож-
ности. В наряде на работу указаны условия ее выполнения, места
установки заземлений и ограждений, части электрических уста-
новок, с которых снято напряжение, и меры безопасности.
При работе на линиях воздушных передач последние должны
быть заземлены. При этом все работы выполняются бригадами
из двух электромонтеров, с тем чтобы один из них работал, а дру-
гой был готов к оказанию помощи работающему.
Во время грозы пли при ее приближении все работы на линии
прекраща'ются. Для защиты от поражения током применяются
также индивидуальные средства, к которым относятся:
1) специальный эксплуатационный инструмент (шланг, клещи);
2) изолирующие средства (перчатки, галоши, боты из резины,
резиновые перчатки);
3) указатели (индикаторы) напряжения;
4) приспособления при работе на высоте (защитный пояс
с цепью);
5) переносные заземления;
6) защитные приспособления для газа (очки и пр.).
При эксплуатации совместной защиты кабелей связи и кабе-
лей сильного тока независимо от того, имеют ли последние изоли-
рованную или заземленную нейтраль, производить измерения
п работать на кабеле связи разрешается только в диэлектри-
ческих перчатках или с инструментами, снабженными изолирую-
щими ручками. Необходимо также подстилать под ноги резиновые
коврики пли надевать галоши либо боты.
Во время кенотронированпя кабеля сильного тока, когда
в последний подается напряжение, в несколько раз превышающее
рабочее, перемычка между кабелями связи и сильного тока сни-
мается выключением предохранителя.
Сведения о предстоящем кенотронировании необходимо пере-
давать в организации, эксплуатирующие кабели слабого и силь-
ного токов.
237
5. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
Техническая документация по контролю за работой установок
электрозащиты, регистрации показаний приборов при источнике
тока и проведению измерений разности потенциалов, регистрации
времени простоя, а также учету ремонтных и наладочных работ
ведется в специальном полевом журнале службой эксплуатации
установок электрозащиты.
Ниже приводятся формы бланков технической документации.
полевой журнал
по учету работы, ремонта
и эффективности действия
защитных устройств в эксплуатации

I. ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ,
НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАБОТ
1. Высокоомный вольтметр ................................... 1
2. Гальванометр ............................................ 1
3. Амперметр................................................ 1
4. Отвертка 2,5 мм.......................................... 1
5. Пассатижи ............................................... 1
6. Нож перочинный........................................... 1
7. Зажимное приспособление к рельсу ........................ 1
8. Электроды неполяризующиеся............................... 4
9. Контактирующие стержни (стальные) ....................... 6
10. Провод ПРГ сечением 2,5—4 -и.и2, м .....................25
11. Изоляционная лента, кг.................................0,5
12. Раствор медного купороса (на день), л..................0,5
13. Лопаты штыковые......................................... 1
14. Плащ-палатка............................................ 1
15. Медный купорос химически чистый, кг..................... 3
II. ПРАВИЛА ВЕДЕНИЯ ПОЛЕВОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
1. Все записи в полевом журнале ведутся простым черным карандашом.
Категорически воспрещаются всякого рода подчистки, исправления и сти-
рание резинкой сделанных записей. Вычеркивание записи разрешается
одной чертой с указанием причины.
2. На основании полученных данных выполненных измерений строится
график (в том же журнале).
3. Результаты работ, занесенные в журнал, скрепляются подписью испол-
нители.
4. Страницы полевого журнала должны быть пронумерованы.
III. ОПРЕДЕЛЕНИЕ БРАКА В РАБОТЕ
Полевые работы являются браком в следующих-
случаях:
1) при необоснованном изменении методики, техники работ, идущем в раз-
рез с заданием;
2) при работе с неисправной аппаратурой;
3) при недостаточно точных замерах (погрешность более 5%);
4) при отсутствии привязки точек к профилю трассы.
16 Заказ 31.
Регистрация рабочих параметров установок электрозащиты
Место установки защитного
устройства,
Форма № 1
Примечание
Измерение произвел -------------
Форма № 2
Регистрация измерений схемы, режима работы и ремонта установки катодной защиты или дренажной установки
Дата Наименование работ и описание вызвавших их причин Подпись произво- дившего работу Заключение и подпись контролирующих лиц

Форма № 3
Запись измерений разности потенциалов -----------------------------
-------------------------------------- относительно ---------------
Пункт измерений № ------------------------------------------------- Температура воздуха -
Погода—------------------------------------------------------------
Дата измерения -----------------------------------------—- --------
Время измерения от ----------------------- до----------------------
Точка измерения, км-^-м Время измерения от — до в каждой точке Предел измерения Значение разностей потенциалов и знак Примечание
Измерение произвел ---------------
Наименование населенных пунктов или их трассы--------------------
Начало ----------------------------------------------------------
Конец------------------------------------------------------------
Наблюдения за работой по установке
Измерения производились -----------------------------------------
Электрозащиты Я» (дренаж, УКЗ или протекторы)--------------------
Вольтметром №—------------------ Амперметром №-------------------
Высокоомным вольтметром №-------------------
Работу выполнил ------------------
Работу проверил-------------------
Работу принял---------------------
16*
243
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Предисловие ...................................................... 3
Глава I. Общие сведения о коррозии трубопроводов и резервуаров ;
1. Коррозия металлов ....................................... 5
2. Электрические свойства грунтов ........................ 15
3. Коррозия стальных трубопроводов и резервуаров .... 17
Глава П. Применение покрытий для защиты трубопроводов от кор-
розии ...................................................... 25
1. Очистка трубопроводов................................... 26
2. Изоляционные работы ............................ 27
3. Срок службы и ремонт покрытий........................ 31
4. Применение изоляционных покрытий за рубежом .... 33
5. Контроль качества покрытий . ........................... 35
Глава III. Катоднан защита магистральных трубопроводов от поч-
венной коррозии ............................................ 43
1. Общие сведения ....................................... 43
2. Защита трубопровода катодными станциями ................ 46
Катодные станции с выпрямителями ..................... 47
Катодные станции с ветродвигателями ................... 62
Катодные станции с двигателями внутреннего сгорания, тур-
бинками, термоэлектрогенераторами и химическими источ-
никами тока ........................................... 73
Заземления катодных установок........................... 78
3. Защита трубопроводов гальваническими анодами .... 85
Материалы гальванических анодов и их свойства .... 87
Протекторные установки ................................. 89
4. Защита трубопровода комбинированными катодными установ-
ками ..................................................... 96
5. Катодная защита параллельных магистральных трубопроводов 99
6. Проектирование катодной защиты магистральных трубопро-
водов .................................................... ЮЗ
7. Специальные устройства и строительно-монтажные работы . 120
Глава IV. Защита трубопроводов от коррозии, вызываемой блу-
ждающими токами............................................ 128
1. Источники блуждающих токов .......................... 128
2. Меры защиты трубопроводов от коррозии, вызываемой блу-
ждающими токами.......................................... 130
244
Стр
3. Защита магистральных трубопроводов от коррозии, вызы-
ваемой токами линий электропередач системы провод —
земля .................................................... 147
4. Проектирование электрозащиты ......................... 156
5. Расчет дренажных установок ........................... 161
Глава V. Коррозионные изыскания и измерения.................... 164
1. Общие сведения ...................................... 164
2. Определение коррозионности грунта ................... 166
3. Определение коррозионного состояния подземных сооруже-
ний ..................................................... 177
4. Коррозионные измерения .............................. 180
5. Изыскания на источниках блуждающих токов............. 184
6. Измерения удельного сопротивления грунта ............ 185
7. Измерение градиента потенциала ...................... 191
8. Измерение разности потенциалов ...................... 196
9. Измерение токов в трубопроводе ...................... 199
10. Измерение токов утечки .............................. 201
И. Измерение сопротивлений растеканию .................. 204
12. Аппаратура для коррозионных изысканий................ 206
Глава VI. Экономика защиты..................................... 216
Глава VII. Наладка и эксплуатация защитных устройств . . . 228
1. Включение и наладка .................................. 228
2. Эксплуатация защитных устройств ...................... 230
3. Контроль действия защиты.............................. 233
4. Техника безопасности ................................. 236
5. Техническая документация ............................. 238
Литература..................................................... 246
ЛИТЕРАТУРА
1. Томашов Н. Д. Теория коррозии металлов. Металлургиздат,
1952.
2. ВНИИСтройнефть. Руководство по защите магистральных трубо-
проводов от коррозии, вызываемой блуждающими токами. Гостоптехиздат,
1956.
3. Глазков В. И., Котик В. Г., Дорошенко П. Г. Опыт
применения электрозащиты на магистральных трубопроводах. Труды
ВНИИСтройнефть, 1956.
4. Дахнов В. Н. Электрическая разведка. Гостоптехиздат, 1959.
5. Жуков В. И., ХрамихинФ. Г. Битумная изоляция подземных
трубопроводов. Государственное издательство литературы по строительству
и архитектуре, 1954.
6. Коррозия металлов. Перевод с английского Е. И. Гуревича. Гос-
химиздат, 1952.
7. Коррозия металлов. Сборник переводных статей. ИЛ, 1953.
8. Котик В. Г., Глазков В. И. Протекторная защита магистраль-
ных трубопроводов. Новая нефтяная техника № 3, 1958.
9. Котик В. Г., Глазков В. И., Дорошенко П. Г. Защита
магистральных трубопроводов от коррозии. БТИ ЦИМТнефть, 1956.
10. Михайлов М. И., Акуленок В. Н., Марченко А. Ф. За-
щита междугородных кабелей связи от коррозии. Связьиздат, 1953.
И. Приту л а В. А. Катодная защита трубопроводов и резервуаров.
Гостоптехиздат, 1950.
12. Справочник по транспорту газов. Гостоптехиздат, 1954.
13. С п и р и н А. А. и др. Методика электрических исследований кор-
розионного состояния трубопроводов и кабелей. Азнефтеиздат, 1954.
14. Спирин А. А., Цекун Н. А., Салам-Заде М. М. Электри-
ческая зашита подземных металлических сооружений от коррозии. Азнефте-
издат, 1954.
15. ВНИИСтройнефть. Инструкция по определению коррозионно-опас-
ных зон на трассе подземного трубопровода. БТЭИ ЦИМТнефть, Гостоп-
техиздат, 1954.
16. Францевич Н. Н., Хрущева Е. В., Ф р а нц е в ич-3 а б л у-
довская Т. Ф. Катодная защита магистральных трубопроводов. Госу-
дарственное издательство литературы по строительству и архитектуре,
1951.
Авторы
Г лазков Всеволод Иванович,
Дорошенко Петр Григорьевич,
Котик Виктор Герасимович
Защита магистральных трубопроводов
от подземной коррозии
Редактор Л. Я. Цикерман
Ведущий редактор Г- Я. Солганик
Корректор И. М. Анисимова
Технический редактор Э. А. Мухина
Подписано к набору 11/1 1960 г. Подписано к пе-
чати 4/IV 1960 г. Формат 60x921,Це- Печ. л. 15,5.
Уч.-изд. л. 14,98. Т-04703. Тираж 3100 эка.
Зак. 31/232. Цена 9 руб.
Гостоптехиздат. Москва, К-12,
Третьяковский проезд, 1/19.
Типография «Красный Печатник».
Ленинград, Московский проспект, 91
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ »
|1 Ы|]П1ПППТЕХИЗДА1А
Периодитностпь журналов ~12 номеров в гоЪ
Подписка принимается без ограничения
в городских отделах Союзпечати , конторах и
отделениях связи и пунктах подписки.