Текст
В. А. ПРИТУЛА
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Г ОС ЭНЕРГОИЗД AT
В. А. ПРИГУЛА
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
МОСКВА 1958 ЛЕНИНГРАД
В книге изложены условия и методы выполнения электрической защиты подземных сооружений от коррозии. Подробно рассмотрены катодная, протекторная и электродренажная защиты, а также приведены примерные расчеты катодной защиты.
Книга предназначена для инженеров и техников, работающих в области проектирования и эксплуатации подземных трубопроводов силовых кабельных линий и линий связи.
Автор— Всеволод Александрович Прит ила
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
Редактор Д. В. Яблочкин Техн, редактор И. И. Бору нов
Сдано в набор 7/1V 195Я г. Подписано к печати 12/VII 1958 г*
Т-07121. Бумага 84Х108>/м. 12,3 печ. л. Уч.-изд л. 14.6
Тираж 8 (ХЮ экз. Цена 8 р. 30 к. Заказ 1191
Типография Госэнсргоизда. Москва, Шлюзовая наб.. 10.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Большое развитие промышленного и коммунального строительства в нашей стране сильно увеличило размеры и протяженность подземных металлических сооружений. К числу таких сооружений главным образом относятся городские линии водопроводов, теплофикационных трубопроводов, газопроводов, которые выполняются почти исключительно из черных металлов. Из стали также выполняются магистральные трубопроводы, которыми считаются линии дальнего снабжения водой, нефтью, нефтяными продуктами, газом и т. п. К подземным сооружениям относятся энергетические силовые кабели высокого напряжения и телефонные кабели. Эти кабели обычно имеют свинцовую оболочку, а силовые также часто стальную броню. В последнее время начали применять для линий связи кабели с алюминиевой оболочкой.
Вследствие того, что подземные трубопроводы и кабели прокладываются в земле, они оказываются подверженными действию подземной коррозии. Без специальных мер защиты такие сооружения будут быстро разрушаться под действием коррозии, что повлечет за собой не только большие экономические и материальные потери, но также нарушения снабжения и связи, а в некоторых случаях возможны опасные аварии с большими разрушениями.
Существуют методы, при помощи которых можно успешно предупредить коррозию подземных металлических сооружений или во всяком случае снизить скорость протекания коррозийных процессов до таких размеров, при которых они будут работать безаварийно и достаточно продолжительно. Эти методы могут быть применимы как при сооружении подземных трубопроводов и кабелей, так и на существующих линиях этих сооружений, требующих защиты их от действия подземной коррр-
зии. Экономика защитных мероприятий при этом играет достаточно большую роль, определяя во многих случаях возможность применения того или иного защитного мероприятия.
До сравнительно недавнего времени основным способом защиты подземных сооружений было нанесение защитной изоляции различного типа. Однако за последние 20—30 лет для защиты подземных сооружений все шире начинают применяться новые, электрические методы защиты. Электрическая защита может применяться как на новых подземных сооружениях, так и уже на бывших в эксплуатации и даже имеющих заметные коррозионные повреждения. Хотя во многих случаях оказывается более экономичным применение электрической защиты в комбинации с изоляционными покрытиями, однако возможно ее применение и на линиях, не защищенных покрытием.
В настоящее время при помощи изоляционных покрытий и электрических методов защиты оказывается возможным надежно защищать подземные трубопроводы, кабели и другие сооружения, предупреждая их разрушения и возможные остановки их работы.
Необходимо отметить, что электрическая защита, несмотря на простоту и экономичность, при осуществлении требует большого внимания. При неправильном применении электрическая защита может оказаться недостаточно эффективной, а в некоторых случаях даже опасной, особенно для соседних подземных сооружений. Поэтому осуществление электрической защиты должно производиться достаточно квалифицированно и с учетом возможности влияния ее на соседние трубопроводы и кабели. Настоящая работа и посвящена описанию необходимых условий и методов выполнения электрической защиты подземных сооружений.
В. ПРИГУЛА
содержание
Предисловие
Глава первая. Коррозия, ее возникновение и течение 7
1. Определение термина................................ 7
2. Электрохимическая теория коррозии ... 7
3. Основные условия возникновения коррозии 10
4. Скорость коррозии................ 10
5. Условия протекания процессов коррозии 11
6. Электрохимический ряд напряжений 14
7. Коррозионные разрушения . 15
8. Законы электролиза . 16
9. Катодная коррозия свинца и алюмин 18
10. Различные виды коррозии . 19
Глава вторая. Подземная коррозия 20
11. Особенности подземных сооружен 20
12. Почва как коррозийная среда . 26
13. Влажность почвы . 29
14. Аэрация почвы.................................. ^32
15. Химические составляющие почвы 34
16. Размеры коррозионных элементов . 36
17. Биокоррозия..................................... 37
18. Скорость почвенной коррозии . 38
19. Коррозия свинца и его сплавов . 40
20. Коррозия алюминия и его сплавов 41
21. Определение коррозийной активности почвы 42
22. Блуждающие токи................................. 49
23. Измерение блуждающих токов 60
Глава третья. Методы борьбы с подземной коррозией. 64
24. Существующие методы .... 64
25. Организационные мероприятия 65
26. Конструктивные мероприятия . 67
27. Защитные покрытия............................... 68
28. Электрические методы защиты подземных трубопроводов и кабелей.......................... 70
29. Особенности защиты силовых кабелей .... 74
30. Особенности защиты чугунных трубопроводов . . 76
31. Общие условия применения защитных мероприятий 76
Глава четвертая. Катодная защита . 77
32. Основной принцип .
33. Системы защиты...................
34. Электрическая схема катодной защиты
35. Эффективность катодной защиты
36. Критерии защиты
37. Защитный потенциал...............
38. Минимальная защитная плотность тока .
39. Максимальный потенциал................
40. Общая система применения катодной защиты .
41. Изыскания для проекта катодной защиты .
42. Определение проводимости покрытия
43. Расчет станции катодной защиты .
44. Общий порядок расчета катодной защиты
Глава пятая. Протекторная защита
45. Основные характеристики системы защиты
46. Материал анодов
47. Магниевые аноды .
48. Цинковые аноды . .
49. Алюминиевые аноды . ...
50. Засыпка гальванических анодов .
51. Установка гальванических анодов .
Глава шестая. Электродренажная защита .
52. Общие сведения...........
53. Схемы электрического дренажа ....
54. Условия выполнения дренажной защиты
55. Комплексная дренажная защита .
56. Экранирование
Глава седьмая. Эксплуатация станций катодной защиты и дренажа .
57. Эксплуатация катодной защиты .
58. Контроль действия защиты......................
59. Эквивалентная схема измерения защитного потенциала .
60. Положение электрода сравнения
61. Контрольные образцы . .
62. Колориметрический метод .
63. Электрохимический метод......
64. Эксплуатация дренажных установок .
Литература . . .
Приложение
§ salsss 8888828 8 5588888888834
ГЛАВА ПЕРВАЯ
КОРРОЗИЯ, ЕЕ ВОЗНИКНОВЕНИЕ И ТЕЧЕНИЕ
I. Определение т е р м и н а. * Коррозией металлов называется разрушение их поверхности в результате химической? или электрохимического воздействия окружающей среды,1 Иногда этим же термином называют и самые результаты действия коррозии, т. е. разрушения металла. Поэтому для разграничения обоих понятий рекомендуется согласно ГОСТ 5272-50 [Л. 1] на терминологию по коррозии металлов применять для самого процесса термин «коррозийный процесс», а для результата процесса термин «коррозионное разрушение». Иногда под этим термином неправильно подразумевают продукты коррозии.
Теория коррозийных процессов и разрушений достаточно хорошо изучена и с успехом применяется для выбора и использования различных методов защиты. Общепризнанной и хорошо подтвержденной в настоящее время является электрохимическая теория, основанная на законах электрохимии и наиболее подробно разработанная чл.-корр. АН СССР Г. В. Акимовым, доктором техн, наук Н. Д. Томашевым и др. Теории коррозии посвящен ряд специальных трудов [Л. 2, 3, 4, 5 и 6], к которым мы и отсылаем читателей, желающих подробно ознакомиться с условиями возникновения и течения коррозии и образования коррозионных разрушений. Здесь же напоминаем вкратце самые основные положения электрохимической теории, на основании которой разработаны и применяются электрические методы защиты.
2. Электрохимическая теория коррозии основана на положении, что во всех условиях работы металлических сооружений, соприкасающихся с электролитом, на поверхности металла вследствие ряда причин
возникает большое количество мелких коррозийных гальванических элементов, аналогичных обычным гальваническим элементам. Возникновение таких коррозийных элементов обусловлено прежде всего тем, что отдельные участки поверхности металла имеют самые различные величины потенциалов. Это различие потенциалов на поверхности металла обусловливается как внутренними, так и внешними причинами. К числу внутренних причин относятся: природа металла, его кристаллическое строение, наличие внутренних напряжений, температура, различный характер обработки поверхности металла, наличие
Рис. 1. Схема локального элемента (стрелками показан путь тока).
загрязнений в металле (сегрегации,, шлак и т. д.)';. К числу внешних факторов, влияющих на возникновение различных потенциалов на поверхности металла, относятся: природа и концентрация электролита, его температура, скорость движения, доступ воздуха к поверхности металла. В результате наличия разных потенциалов на поверхности металла образуется коррозионный электрический элемент (называемый также локальным элементом, гальванической парой, местным элементом), в цепи которого возникает движение электрического тока. Схема работы такого элемента показана на рис. 1. Как видно из рис. 1, часть поверхности имеет более отрицательный потенциал, чем включение в металле с более положительным потенциалом. Так как обе части соприкасаются с электролитом, то в результате на поверхности металла создается коррозийный элемент, в котором возникает ток, движение которого показано стрелками. В создавшейся цепи ток будет выходить из металла в окружающий электролит на участке с более положительным потенциалом, называемым анодом, и переходить из электролита на металл на более отрицательных участках, называемых катодом. В результате движения тока на анодных поверхностях 8
будет происходить разрушение металла с переносом его ионов в раствор электролита. Этот анодный процесс может быть характеризован следующим образом (Л. 2]:
м.+е+лн2о—м .+лн2о+е. (i)
На катоде протекает другой процесс, сводящийся к ассимиляции избыточных электронов каким-либо деполяризатором раствора D, т. е. атомом или ионом, способным восстанавливаться (поглощать электрон):
e4-D-.[D-ei (2)
Катодный процесс протекает одновременно и парал-
лельно с анодным процессом, ность непрерывного протекания процесса коррозии.
Практически наиболее важными процессами катодной деполяризующей реакции будут: катодная реакция восстановления иона водорода в газообразный водород, носящая название водородной деполяризации, имеющая следующую схему:
>Н и затем
н+н-.Н„ (3)
что и обеспечивает возмож-
Рис. 2. Принципиальная схема коррозийного элемента (по Томашеву).
и катодная реакция восстановления кислорода с превращением его в ион гидроксила, носящая название кислородной деполяризации:
О2 4-2Н2О4-4е->4ОН. (4)
Схематически оба эти процесса изображены на рис. 2. Как можно видеть, кроме анодного и катодного процессов важным явлением при коррозии будет протекание тока между анодом и катодом. Это протекание будет осуществляться в металлическом соединении анода с катодом движением электронов, происходящим от катода к аноду, а в растворе электролита — движением катиона от анода к катоду и движением аниона от катода к аноду.
Важной особенностью коррозийного процесса является то, что разрушения при электрохимической коррозии происходят только на анодах, в то время как на катодах про-
исходит процесс деполяризации и разрушение металла не имеет места. Однако для некоторых металлов, например таких, как свинец, на катодах могут возникать условия, вызывающие химическую коррозию и определенное разрушение металла.
3. Основные условия возникновения коррозии. Как следует из теории коррозии и краткого описания ее основных процессов, приведенного выше, для возникновения коррозии необходимы следующие факторы:
1) Наличие двух разноименных металлов или участков одного и того же металла с различными значениями потенциала.
2) Контакт обоих металлов или обоих участков металла с общим электролитом.
3) Металлическое соединение этих отдельных участков металла между собой, например телом самого изделия. \
4) Наличие диссоциированных ионов в электролите.
Перечисленные условия почти всегда имеют место на металле, соприкасающемся с различными водными растворами, р том числе и хотя бы периодически смачивающемся, ~#апример, атмосферной влагой. Таким образом, условия для возникновения коррозии существуют почти всегда. Поэтому степень опасности коррозии обычно оценивают не по вероятной возможности возникновения коррозии, но по ее ожидаемой скорости и величине разрушения металла. Исключением из этого являются декоративные покрытия, главным образом гальванические, для которых имеет значение появление первых признаков коррозии.
В дополнение к перечисленным выше условиям необходимо еще раз отметить существенную особенность процессов коррозии, а именно: возникновение разрушения металла только на поверхности анодных участков. Эта особенность коррозии и используется для осуществления электрических методов защиты.
4. Скорость коррозии оценивается в различных единицах в зависимости от того, для какой цели служит металлическое изделие, подвергающееся коррозии. Для подземных сооружений, которые служат для передачи различных жидкостей (трубопроводы) или энергии (кабели) имеют значение как общее количество разрушенного металла изделия, так и скорость образования единичных сквозных повреждений, нарушающих нормаль-10
ную работу трубопровода или кабеля. В соответствии
с этим единицами, в которых измеряется скорость коррозии подземных сооружений, являются: «масса/пло-щадь* время» или «глубина разрушения/время». Практически применяют следующие единицы: г!м2-год, г[см2ч.
определяющие количество потерянного металла и др., или мм!год, определяющие скорость проникания (пенетрации) коррозии вглубь.
5. Условия протекания процессов кор-
розии. Коррозийный элемент не остается постоянным по
своей характеристике после своего возникновения. Вследствие целого ряда причин значения потенциалов как анодной, так и катодной поверхности после начала работы коррозийного элемента начинают изменяться, уменьшая первоначальную разность потенциалов. Схема такого изменения разности потенциалов анода и катода в отдельном коррозийном элементе показана на рис. 3.
Изменения потенциалов электродов коррозийного элемента носят на
До замыкания
ПосргЯамыкания
Замыкание
Рис. 3. Схема изменения потенциалов катода — Ек, анод — Еа и разности потенциалов Г” — Е°а = £70 после замыкания гальванической пары.
звание поляризации, и в завиоимости от того, происходят ли они у анода или катода, различают анодную м катодную поляризацию.
Анодная поляризация. Анодная поляризация обычно имеет меньшее влияние на изменение разности потенциалов коррозийного элемента. Основной причиной ее возникновения является увеличение концентрации ионов разрушающегося металла в прилегающем слое электролита. Такое увеличение концентрации вызывается коррозией металла, током коррозийного элемента и переносом ионов металла из твердой решетки в окружающий электролит. Увеличение концентрации ионов металла облагораживает потенциал самого металла и сдвигает его в сторону катодного потенциала, уменьшая общую разность потенциалов
И
корозийного элемента. Анодная поляризация будет уменьшаться при движении электролита, уносящего от поверхности анода ионы растворенного металла. Анодная поляризация может также уменьшаться путем связывания ионов металла, переходящих в раствор с веществами, растворенными в электролите, с образованием продуктов коррозии.
Катодная поляризация. Значительно более сильное влияние на разность потенциалов коррозийного элемента оказывает катодная поляризация. Причинами возникновения катодной поляризации являются факторы, связанные с процессами выделения на поверхности катода молекулярного водорода. Одним из этих факторов является перенапряжение водорода, т. е. задержка в реакции соединения деполяризатора с электроном. Другим фактором катодной поляризации являйся торможение подвода к катодной поверхности деполяризатора, который нужен для удаления выделяющегося здесь водорода. Водород, выделяющийся на катоде в результате коррозийного процесса, может удаляться с поверхности катода двумя путями. Во-первых, путем превращения атомарного водорода в молекулярный и удаления газообразного водорода согласно схеме на рис. 3, что носит название водородной деполяризации.
В другом случае возможно связывание выделяющегося водорода подводящимся кислородом согласно схеме на рис. 4, что носит (название кислородной деполяризации.
Контролирующий фактор. Так как коррозийный процесс является цепным, то его скорость ограничивается той частью процесса, который протекает с наименьшей скоростью. Этот участок процесса носит название контролирующего фактора, поскольку он практически контролирует скорость всего процесса. В большинстве случаев контролирующим фактором оказывается или катодная и анодная поляризация, или омическое сопротивление внутренней цепи коррозийного элемента. Сравнительное значение этих отдельных контролирующих факторов можно видеть из табл. 1, цифры которой показывают, что основной контроль в общих случаях чаще всего бывает катодный или омический [Л. 27]. Для почвенных условий, в которых масштабы коррозийных элементов особенно велики, важное значение приобретает омический контроль.
Таблица 1
Соотношение между катодным, анодным и омическим контролем при работе коррозийной пары медь—железо в электролитах с различным омическим сопротивлением (по Томашеву)
Растворитель и его удельное сопротивление Характер контроля, %
при расстоянии между электродами коррозийных пар, см
100 10 1 0,1 0,01
0,5%-ный раствор Катодный 77 90 91 91 91
NaCl Анодный 6 8 9 9 9
р«=25 ом-см Омический 17 2 0,1 0 0
0,01%-Ный н. раствор Катодный 11 60 85 92 93
NaCl Анодный 4 5 6 7 7
р=1 ООО ом-см Омический 85 35 9 1 0
Дистиллированная Катодный 6 71 89
вода Анодный 4 —— 10 — И
р=8210 ом-см Омический 90 .— 19 — 0
5%-ный раствор Катодный 3 53 63 81 85
этилен — гликоля Анодный 2 7 13 14 15
р=27000 ом-см Омический 95 40 24 5 0
Рис. 4. Диаграммы поляризации коррозийного элемента. а — преимущественно катодная поляризация; б — преимущественно анодная поляризация; в — одинаковая поляризация анода и катода;
Ед, Е* — первоначальные потенциалы анода и катода; Ед. —потенциалы анода и катода; I — ток коррозийного элемента после поляризации; 1МКС — теоретический максимальный ток.
На рис. 4 приводится схематическое изображение влияния анодной и катодной поляризации на величину коррозийного тока, которая эквивалентна величине коррозии. На рис. 5 приводится схема омического контроля работы коррозийного элемента.
6. Электрохимический ряд напряжений. На величину возникающего потенциала какого-либо металла заметно влияют также природа и концентрация соприкасающегося с ним электролита, однако величина
этого потенциала в первую очередь зависит от природы самого металла. На основании природы самого металла
Рис. 5. Диаграмма поляризации при высоком сопротивлении среды. Обозначения см. рис. 4.
часто можно достаточно точно определить, какой из двух соприкасающихся металлов будет играть в создавшемся коррозийном элементе -роль анода и какой — роль катода. Для такого ориентировочного определения может служить электрохимический ряд электродных потенциалов металлов, приведенный в табл. 2.
Таблица 2
Нормальные электродные потенциалы металлов при 25° С
Металл Потенциал, в j | Металл Потенциал, e
Li^Li++c- -3,02 ln-»In+ + +4-3c~ —0,340
Cs -*Cs+4-c- -3,02 Ti-Tl++e- —0,336
Rb->Rb+4-c~ —2,99 Co->Co++4-2e- -0,277
K->K++e~ —2,92 Ni->Ni ++4-2e- —0,250
Sr-»Sr++4-2c- —2,89 Sn -*> Sn++-f-2c“ -0,136
Ca->Ca +4-2c” —2,87 Pb->Pb ++4-2c- -0,126
Na ->Na+4-e- —2,71 Fe-»Fe+ ++4-3e- —0,036
La->La++++Зe- —2,37 D->2D+4-2c~ —0,0034
Mg->Mg+++2e- —2,34 H-»2H+4~2c“ —o,
Ti->Ti + *+2c“ —1,75 Cu-»Cu++4-2e- 0.345
Bc-*Be++4-2e“ —1,70 Cu ->Cu+-f-e“ 0,522
Al-> A1+ + +4-3C- —1,67 2Hg -♦ Hg^4-2e- 0,7985
Mn -► Mn+ +4-2e~ —1,05 Ag-> Ag++e- 0,7995
Zn->Zn+++2c~ -0,762 Pd->Pd++4-2e- 0,83
Cr-»Cr+ + +4-3e- —0,71 Hg -»-Hg++4-2c~ 0,854
Ga-»Ga + + +4-3e~ —0,52 Pt->Pt+++2c~ 1.2
Fe -»Fe++4-2c- —0,440 Au-> Au+ + ++3c- 1,42
Cd-*Cd++4-2e“ —0,402 Au-> Au+4-e- 1,68
При соединении в гальваническую пару двух разноименных металлов более отрицательный из них будет являться анодом коррозийного элемента, а более положи-14
тельный — катодом. Если потенциалы двух металлов близки друг к другу, то в этом случае природа и концентрация электролита могут иногда изменить значение потенциалов настолько, что взаимное расположение металлов в ряду напряжений тоже изменится, однако такие случаи имеют место сравнительно редко.
7. Коррозионные разрушения. Разрушения металла, происходящие в результате процессов коррозии,
м)
Продукты коррозии
Рис. 6. Виды-разрушсний металла.при коррозии.
обусловливаются как формой, размерами и расположением анодных и катодных участков, так и условиями анодной и катодной поляризации, быстротой деполяризации и т. д. В зависимости от рода металлического изделия наиболее опасным могут быть различные формы проявления коррозии. На рис. 6 приводятся встречающиеся формы коррозионных разрушений. Общая коррозия (рис. 6,а) является наиболее распространенной формой коррозионных разрушений, однако опасность ее в большинстве случаев для подземных сооружений бывает невелика. Наибольшее значение общая коррозия имеет для декоративных металлических покрытий, когда она нарушает внешний вид
изделия, или для тонких листов металла. Еще меньшую' опасность имеет коррозия пятнами, показанная на рис. 6,6. Она сходна с общей коррозией и отличается от нее только тем, что локализуется на отдельных частях поверхности. Общая коррозия может иметь и местные неравномерности по глубине своего проникания, как это показано на рис. 6,в. В некоторых случаях коррозия может быть структурно избирательной, когда разрушению подвергаются только отдельные составляющие какого-либо сплава, как это показано на рис. 6,г.
Особое значение для подземной коррозии играет коррозия с образованием каверн, т. е. отдельных местных углублений. Примеры такой коррозии приведены на рис. 6,6, е, ж, з. Первый из этих рисунков показывает разрушения только кавернами, второй — совместное появление общей коррозии и каверн, третий — дает случаи возникновения каверн без образования в них продуктов коррозии, что бывает при явлениях электролиза, а четвертый, наоборот, — каверны, которые не только заполнены продуктами коррозии, но последние образуют даже особые наросты над поверхностью металла. Иногда каверны имеют настолько малую площадь, что говорят о точечной коррозии, показанной на рис. 6,и. В том случае, когда коррозия распространяется в глубь металла только по границам отдельных кристаллов, имеет место межкристаллитная коррозия, как показано на рис. 6,к, а если коррозийное действие при этом разрушает и отдельные кристаллы, то коррозия называется транскристаллитной (рис. 6,л). Сравнительно редко встречается подповерхностная коррозия, изображенная на рис. 6,л, при которой разрушение распространяется вдоль первоначальной поверхности.
В случае подземной коррозии особое значение имеет разъедание кавернами, скорость проникания которого в глубь металла обычно бывает наибольшей, сравнительно с другими видами.
Для подземных же сооружений достаточно бывает одного сквозного проржавления, чтобы вызвать серьезную аварию их. Этим и объясняется обычная ориентировка на скорость образования каверн при оценке опасности коррозии для подземных сооружений.
8. Законы электролиза. Коррозия при электролизе имеет существенное отличие от обычной электрохимической коррозии в том, что источник электрического тока, создающего коррозийную цепь, является внешним. 16
Электролиз в идеальном случае подчиняется законам Фарадея: а) количество выделенного при электролизе вещества прямо пропорционально величине тока и времени его прохождения и б) электрохимические эквиваленты ионов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам.
Первый закон выражается уравнением
m=KIt. (5)
Второй закон выражается уравнением
К=0,01036М=0,01036 -п, (6)
где т—количество выделенного вещества, мг\
I — ток, а;
t — время прохождения тока, сея;
К — электрохимический эквивалент;
М — химический эквивалент;
А — атомный вес;
п — валентность;
Оба эти закона могут быть выражены одной формулой т = 0,01036^-Л [мг]. (7)
Практически, однако, при электролизе из-за ряда побочных явлений количество разрушенного металла отличается от определенного по приведенным выше формулам. В большинстве случаев практические потери веса бывают меньше теоретических, так что в значение потерь т необходимо внести коэффициент эффективности разъедания «кэр» [Л. 44]. Значения этого коэффициента изменяются от 0,2 до 1,4. Специально проведенные испытания показали, что кэр уменьшается с увеличением плотности тока, как это видно из рис. 7; кэр увеличивается также с увеличением насыщения почвы в пределах известного максимума насыщения примерно около 40%.
Химическая коррозия. Теория химической коррозии в настоящее время недостаточно изучена. К этому виду коррозии относят непосредственное соединение окружающей среды с металлом с образованием продуктов корро-
17
зии, при которых не удается обнаружить отдельных коррозионных элементов и протекающего в них тока. К явлениям химической коррозии относят коррозию в сухих горячих газах, неэлектролитах и химических средах. В частности, химической коррозией является разрушение некоторых металлов на катодной поверхности.
9. Катодная коррозия свинца и алюминия. Для свинца и алюминия, работающих в почвенных условиях, помимо опасности обычной анодной коррозии, существует также опасность и особого вида коррозии,
1,2 1,8 2,(1 3,0 3,6 (1,2 (1,8
Плотность тока^ма/ьм2
Рис. 7. Зависимость коэффициента эффективности разъедания от плотности проходящего тока.
так называемой «катодной коррозии». Этот вид коррозии проявляется не на анодных поверхностях коррозийного элемента, как бывает при коррозии черных металлов, но именно на катодных поверхностях. К сожалению, теоретические обоснования катодной коррозии свинца и алюминия в настоящее время не разработаны, и характер протекающих процессов недостаточно ясен. Практические исследования, однако, показали тесную связь катодной коррозии с наличием сильно щелочной среды, возникающей, в частности, на катодных поверхностях коррозийного элемента при выделении водорода. Можно предположить, что при этом возникают явления чисто химической коррозии, приводящей к разрушению свинца или алюминия. Необходимо при этом отметить, что в настоящее время не имеется сведений о возможности большой скорости процесса катодной коррозии и неизвестны случаи серьезных аварий, вызванных ею. Однако при этом следует иметь в виду и то, что электрические методы защиты, при кото-18
рых возникают высокие потенциалы катода и возможно большое повышение щелочности, применяются сравнительно недавно и, следовательно, случаи опасной величины катодной коррозии могут еще появиться. Опасность катодной коррозии повышается также тем, что толщина свинцовой брони бывает очень невелика, и возможность появления сквозной перфорации поэтому увеличивается. Во всяком случае опасность катодной коррозии не должна забываться в случае применения электрических мер защиты для кабелей со свинцовой и алюминиевой броней, одна ко значение ее не следует преувеличивать.
10. Различные виды коррозии. Как возникновение, так и развитие коррозии имеют свою специфику в зависимости от того, в какой среде они происходят. Поэтому часто различают отдельные виды коррозии» обусловленные средой, в которой находится металлическое изделие. Так различают:
1) атмосферную коррозию, происходящую в условиях влажного воздуха;
2) морскую коррозию, протекающую в условиях погружения металла в морскую воду;
3) химическую коррозию, имеющую место в различных концентрированных специфических химических средах;
4) газовую коррозию, происходящую в условиях сухих горячих газов в отсутствии влажности;
5) коррозию в неэлектролитах, возникающую в условиях контакта с различными неэлектролитами — нефтепродуктами и т. п.;
6) подземную коррозию, происходящую в условиях заложения металла в почву;
7) коррозию в водных растворах, имеющую место при соприкосновении металла с пресными водами и водными растворами.
Помимо перечисленных выше видов коррозии, существуют факторы, которые могут существовать параллельно с перечисленными выше видами коррозии. |К‘ ним относится, в частности, коррозия блуждающими токами, которая может сопутствовать как морской коррозии, так и подземной и химической коррозии в водных растворах.
В настоящей работе рассматриваются в основном явления подземной коррозии и электрические методы борьбы с этой коррозией.
ГЛАВА ВТОРАЯ
ПОДЗЕМНАЯ КОРРОЗИЯ
11. Особенности подземных сооружений. Основными металлическими сооружениями, которые подвергаются подземной коррозии, являются трубопроводы и кабели. Значительно меньший объем имеет металл в других металлических изделиях, подверженных подземной коррозии: резервуарах, подземных шпунтах, стальных опорах, сваях и т. д. Основная номенклатура стальных труб, применяемых для сооружения подземных трубопроводов, приводится в табл. 3 для цельнотянутых труб, в табл. 4 для сварных труб и в табл. 5 для электросварных труб. Чугунные трубы тех же диаметров имеют значительно более толстые стенки, как это видно из данных табл. 6. Силовые кабели имеют толщину свинцовой оболочки 0,8—2 мм, а телефонные кабели — приводимую в табл. 7.
Таблица 3
Сортамент труб стальных бесшовных по ГОСТ 301-50
Наружный диаметр, мм
Толщина стенки, мм
76
102
152
219
273
325
351
9—9,5—10—11—12—13—14—15—16—17—18-19 4—4,5—5—5,5—6—6,5—7—7,5—8—8,5—9—9,5—10— 11—12—13—14—15—16—17—18—19—20—21—22—23—24 4,5—5—5,5—6—6,5—7—7,5—8—8,5—9— 9,5—10-11 -
12—13—14—15—16-17—18—19-20-21—22—23-24— 25-26-27 - 28-29-30—31-32-33—34
6—7-8—9—9,5—10—11—12—13—14—15—16—17—18— 19—20—21—22—23—24—25—26—27—28—29—30—31— 32-33—34-35-36—37- 38—39 -40—41 —42-43 44— 45
7-8-9-10-11-12-13-14-15-16-17-18-19-20-
21 —22—23—24—25—26—27—28—29-30—31—32—33— 34—35—36—37—38—39—40—41—42—43—44—45
8-9-9,5-10-11-12-13-14-15-16-17-18-9-20—21—22-23—24—25—26—27—28—29—30—31—32— 33-34—35 -36—37—38-39-40-41 -42-43-44-45
8—9—9,5—10—11—12—13—14—15—16—17—^в—^Э-гО-21—22—23—24—25—26—27—28—29—30—31—32— 33 -34-35 -36-37—38—39-40-41 -42-43-44-45
Ю—11—12 -13-14-15—16-17-25-32-33-35
11—12—13—14-25-35
Сортамент стальных водо-газопроводных труб больших диаметров с продольным сваренным швом, ГОСТ-4915 48
Условный проход, мм Наружный днаметр. мм Толщина стенок труб, мм
400 426 9-10-11—12—13—14
450 478 9-10—11-12—13-14
500 529 9-10-11—12—13—14
600 630 9—10—11—12—13—14
700 720 9-10-11—12-13—14
800 820 9—Ю— И—12—13-14
900 920 9-10-11—12-13-14
1000 1020 9-10—11—12—13—14
1200 1220 10-11-12-13-14
1400 1420 11-12—13-14
Таблица 5
Трубы электросварные, сортамент по ГОСТ 1753-53 и 4915-52
Наружный диаметр, мм
Условный проход, мм
Толщина стенки, мм
76
102
152
400 450
500 600
700 800
900 1000 1 100 1200 1300 1400
1,5—1,75—2 —2,25 -2.5—2,75—3—3,25— 3,5-3,75—4-4.25—4.5
2—2,25—2,5—2,75—3—3,25—3,75—4— 4,25—4,5-4,75—5
3,5—3,75—4—4 25—4,5—4,75—5 7-8-9—10—11—12 7_8,-9-Ю—11—12 8-9—10—11—12 8—9—10—11—12
9—10—Ц—12
9-10-11—12—13—14 9-10-11—12—13-14 9-10-11—12—13—14 10—11—12—13—14 Ю—11—12—13—14 10—11 — 12—13—14 Ц-12-13—14
Одной из наиболее важных особенностей трубопроводов и кабелей с точки зрения коррозии является их большая протяженность. При своей большой протяженности подземные линии проходят через почвы самого различного состава и строения, различной влажности и аэрации. Все это создает возможность создания значительных раз-
Таблица 6
Сортамент чугунных труб по ГОСТ 5525-50
Внутренний диаметр, мм Толщина стенки, «л Длина, м Внутренний диаметр, мм Толщина СТСНКИ, ММ Длина, мм
50 7,5 2 400 14,0 4
75 8.0 3 450 15,0 4
100 8,5 3 500 16,0 5
125 9,0 3 600 18,0 5
150 9,5 3 700 20,0 5
200 10,0 4 800 23,0 5
250 11,5 4 900 26,0 5
300 12,5 4 1000 30,0 5
350 13,0 4
Таблица 7
Толщина свинцовых оболочек одножильных и многожильных кабелей с бумажной пропитанной изоляцией
Диаметр кабели под свинцовой оболочкой, мм Минимальные толщины свинцовых оболочек, мм
для кабелей с голой свинцовой оболочкой асфальтированных, небронированных, бронированных лентой или плоской проволокой для кабелей марки СК для кабелей марки ОСК
по ГОСТ 340-53 по ОСТ 6260 И ОСТ 4634 по ГОСТ340-53 по ОСТ 6260 и ОСТ 4634 по ГОСТ340-53 по ОСТ 6260 и ОСТ 4634
До 13 1,0 1,2 1,2 1,4
- 16 1,1 1.3 1,3 1.5 1,4 1,5
, 20 1,2 1,4 1,4 1,6 1,5 1,6
. 23 1,3 1,5 1.5 1.7 1,6 1.7
„ 26 1,4 1.6 1,6 1.8 1,7 1.8
. 30 1,4 1.7 1,7 1.9 1,8 1,9
. 33 1.5 1,8 1,8 2,0 1.9 2.0
. 36 1,6 1.9 1,9 2,1 2,0 2.1
» 40 1,7 2.0 2,0 2,2 2,0 2.2
. 43 1,8 2.1 2,0 2,3 2,1 2,3
. 46 1,9 2,2 2,1 2,4 2.2 2,4
. 50 2,0 2,3 2,2 2,5 2,3 2,5
. 53 2,0 2,4 2,3 2,6 2,4 2,6
. 56 2,1 2,5 2,4 2,7 —
» 60 2,2 2,6 2,5 2,8 —
, 63 2,3 2,7 2,6 2,9 — —
. 66 2,4 2.8 2,7 3,0 —
. 70 2,5 2,9 2,8 3.1 — —
ниц потенциалов между отдельными частями подземной линии. Так как трубопроводы и кабели имеют высокую проводимость, то на них, таким образом, легко образуются крупные макроэлементы, имеющие иногда протяжен-22
ность в десятки и даже сотни метров. Так как при этом часто создаются большие плотности тока на анодах, это сильно увеличивает скорость коррозии. Существенным для развития коррозии оказывается и то, что подземные линии укладываются на такой глубине, где всегда сохраняется некоторая влажность, обеспечивающая течение коррозийных процессов. На глубине заложения трубопроводов тегл-пература обычно не снижается ниже 0°С и это также способствует коррозии. Образованию сквозных проржавлений помогает также наличие значительного внутреннего давления на трубопроводах. Трубопроводы обычно изготовляются из углеродистой стали, а соединяются при помощи сварки, что обеспечивает хорошие пути блуждающему току. Благоприятствует развитию коррозии на подземных трубопроводах и наличие на поверхности труб прокатной окалины, которая далеко не всегда удаляется при очистке. На многих трубопроводах имеет заметное развитие внутренняя коррозия, что также ускоряет образование сквозных проржавлений.
Свинцовая оболочка кабелей имеет обычно толщину 2—3 мм, что облегчает появление сквозных разрушений особенно в случае блуждающих токов. На силовых кабелях имеется также стальная броня, которая создает опасность перетекания тока и возникновения гальванической коррозии. Мягкость свинцовой оболочки создает возможность механического повреждения оболочки, дополнительно к коррозионным повреждениям.
Кабели по сравнению с трубопроводами имеют заметно меньшие диаметр и толщину стенки.
Специальными испытаниями в натурных условиях было показано наличие прямой зависимости между площадью, подвергающейся коррозии, и глубиной коррозионного разрушения. Это объясняется тем, что на большей поверхности металла имеется большая возможность создания более тяжелых коррозийных условий. В частности, этим объясняется, что другие стальные подземные сооружения, помимо трубопроводов, обычно в равных условиях разрушаются коррозией медленнее. Однако и для этих сооружений существует опасность слишком позднего обнаружения коррозионного разрушения. Если на закопанном трубопроводе или кабеле даже при сквозном проржавлении последнее обнаруживается не сразу, а после значительных потерь перекачиваемого продукта, то на днище резервуаров такие разрушения обнаруживаются еще
позднее. Вообще говоря, на резервуарах, сваях и тому подобных подземных сооружениях блуждающие токи если и проявляются, то в незначительных размерах. Кроме того, резервуары обычно имеют песчаную подушку, которая уменьшает как коррозионную активность/так и возможность попадания блуждающего тока. В этом отношении трубопроводы и кабели, проходящие по различным почвам, находятся в более тяжелых условиях.
Существенной особенностью обеих категорий протяженных подземных сооружений является то, что для них опасны не только большие разрушения их стенок, но и появление даже самого мелкого сквозного проржавленчя. У трубопроводов при этом возникают большие утечки ценных транспортируемых продуктов, вызывающие также опасность для окружающих ценностей, а иногда и опасность серьезных аварий вплоть до взрывов. Для водопроводов возможно бактериальное заражение воды. Назначение различных трубопроводов и их характерные особенности в отношении коррозии приводятся в табл. 8. Для кабеля возникновение сквозного проржавления вызывает короткое замыкание и прекращение его работы.
Ввиду указанных выше различий во многих случаях применяемые методы защиты имеют некоторые характерные особенности при своем осуществлении на различных категориях подземных сооружений, хотя общие принципы и остаются постоянными.
Подземная коррозия всех металлических сооружений является суммой действия трех различных видов коррозии. На всякое подземное сооружение действует прежде всего почвенная коррозия. Под этим термином понимается коррозия, возникающая от непосредственного воздействия окружающей металлическое сооружение среды — почвы, увлажненной и аэрированной. Помимо почвенной коррозии, в очень многих случаях, особенно в городских условиях, развивается сильная коррозия подземных сооружений под воздействием блуждающих токов. Коррозия блуждающими токами всегда действует вместе с почвенной коррозией, однако скорость первой часто бывает настолько больше скорости разрушения почвенной коррозией, что практически приходится прежде всего принимать во внимание именно блуждающие токи. Помимо двух перечисленных видов подземной коррозии, существует также так называемая биокоррозия, вызываемая действием микроорганизмов, находящихся в почве, жизнедеятель-24
Трубопроводы различного назначения и их особенности в отношении коррозии
Назначение трубопроводов и обычный материал изготовления Факторы, облегчающие коррозию Факторы, замедляющие коррозию Факторы, затрудняющие защиту
Водопроводы, сталь и чугун Нефтепроводы, сталь Продукто-проводы, сталь Теплопроводы, сталь Наличие фасонных частей из разноименных металлов Наличие внутренней встречной коррозии Меньшие внутренние давления Большие протяжения в различных грунтах Большие внутренние давления Наличие внутренней коррозии Большие внутренние давления Большие протяжения Высокие внутренние температуры Наличие второго рядом расположенного трубопровода с меньшей температурой Наличие внутренней коррозии Высокие внутренние давления на магистральных линиях Большая толщина стенок чугунных труб Большая глубина заложения, уменьшающая аэрацию Обычное отсутствие внутренней коррозии Прокладка в каналах Наличие теплоизоляции Наличие свинцовых и цементных стыков, затрудняющих применение катодной защиты Удаленность от источника электроэнергии Удаленность от источников энергопитания Прокладка в каналах
Газопроводы, сталь, чугун Большая надежность изоляции Большая толщина чугунных труб Необходимость большой надежности защиты
ность которых связана с металлической поверхностью подземных сооружений, главным образом стали. Последний вид коррозии имеет место не всегда, и трудность его выявления часто приводит к его игнорированию.
Все три вида коррозии могут действовать совместно, и при этом оказывается невозможным по самому разрушению определить, в какой степени оно относится к тому
или другому виду коррозии. Лишь специальные контрольные анализы и измерения позволяют установить наличие различных причин коррозионных разрушений и хотя бы примерно оценить относительное участие их в общем действии коррозии.
Все перечисленные выше виды подземной коррозии зависят от той среды, в которой они действуют, поэтому очень важны правильная характеристика и оценка действия этой среды или другими словами почвы.
12. Почва, как коррозийная среда. Почва представляет собой сложную среду, состоящую одновременно из твердых, жидких и газообразных веществ. Твердое вещество, сцементированное в отдельные комки, составляет основной скелет почвы, который хотя и не участвует непосредственно в электрохимических процессах коррозии, однако именно он определяет условия течения этих процессов, создавая условия доступа к металлу основных его участников — водного раствора и воздуха.
Твердая составляющая почвы также не единообразна, но состоит из четырех основных частей: гумуса (перегноя), песка, пыли и ила. Каждая из этих отдельных твердых составных частей может или совсем отсутствовать в почве, или, наоборот, составлять ее целиком. При совместном присутствии отдельных твердых составляющих в зависимости от различного процента содержания той или иной части почвы получают характеристику по составу. Гумус заметно отличается от других частей, так как образуется из органических остатков и тел различных организмов, попадающих в почву, остальные же составляющие являются минеральными. Они отличаются друг от друга величиной отдельных частиц, и границы размеров различных материалов отдельными авторами определяются различно. В табл. 9 приводится характеристика составляющих почвы, даваемая по Соколову [Л. 34]. Характеристика и название почв в зависимости от содержания в них различных твердых составляющих даются разными авторами также весьма различно. В табл. 10 приводится классификация почвогрунтов, предлагаемая проф. Ивановым. Классификация почв в зависимости от процентного содержания трех основных минеральных составляющих, применяемая в вопросах коррозии (Л. 35], дается на рис. 8 в виде трехшкальной диаграммы. Содержание каждой составляющей ограничивается линиями, отвечающими цифрам, показанным на соответствующей шкале.
Таблица 9
Механический состав почвы (по Соколову)
Название фракций
Размер частиц по диаметру, мм
Камни ...............
Галька, щебень крупны.) -Галька, щебень мелки л Дресва, хрящ крупны.) Дресва, хрящ мелкий Песок крупный Песок средний Песок мелкий Песчаная пыль .
Пыль крупная . Пыль средняя . Пыль мелкая Глина
Больше 100 100—50 50-Ю 10-5
3—1 1—05
0,5—0,1 Л), 1-0,05 9,05—0,01 °,01—0,005
0,005—0,0U1 Меньше 0,001
Рис. 8. Треугольник Фере, дающий классификацию почв (по Охотину).
Примеры: Точка № / — песок 10%, пыль 50%, глина 40%; точка № 2 ~ песок 37%, пыль 55%, глина 8%: точка № 3 —песок 53%, пыль 15%. глина 32%; точка № 4-песок 70%. пыль 23%, глина 7%; точка М 5 — песок 4%, пыль 36%, глина 60%.
Классификация почвогрунтов (по проф. Иванову)
Номенклатура почвогрунтов Частицы меньше 0.005 1 мм, % Пылеватые частицы 0.05-0,005 мм
ГЛИНЫ Больше 33 Меньше, чем глинистых
Глина: пылеватая Больше 33 Больше, чем глинистых
тяжелая . . 33—25 Меньше, чем песчаных
Суглинок: средний 25-18 То же
легкий . 18—12
тяжелый 12-7 -
Супесь легкая 7—3 •
Суглинок пылеватый . 33-7 Больше, чем песчаных
Супесь пылеватая . 7-3 То же
Песок пылеватый Меньше 3 20—50%
Песок Меньше 3 0-20%
Гумус — наиболее нестабильная составляющая почвы. Характерной его способностью является прочное соединение с частицами почвы. Гумус придает почве серый, а иногда даже черный цвет. По цвету почвы можно грубо оценить содержание в нем гумуса. При содержании гумуса в количестве 8—15% почва имеет почти черный цвет, при 5—8%—темно-серый, при 3—5%—серый и при 1—3% —светло-серый.
Твердые составляющие почвы находятся не в равномерном распределении, но создают отдельные комочки различных размеров, которые и создают структуру почвы, имеющую первостепенное значение для процессов коррозии, как было указано выше. В создании комочков большую роль играют такие составляющие почвы, как гумус и известь. Именно эти составляющие обеспечивают создание отдельных комочков, играя роль цемента, соединяющего отдельные частицы, образуя структуру почвы. Напротив, сода переводит гумус из твердого состояния в жидкое и этим разрушает структуру почвы. Структура почвы зависит от формы твердого скелета, который определяет содержание влаги и воздуха.
Твердый скелет почвы образует сложную решетку, в пустом пространстве которой находятся почвенная влага и воздух, причем влага является именно тем электролитом, который при контакте с металлом обеспечивает протекание процессов коррозии. Состояние влаги в почве может быть различным, как это видно из рис. 9. При 28
небольшом содержании влаги она не заполняет всего пространства пор между твердым скелетом почвы, но ложится тонкой пленкой на поверхность отдельных комков (рис. 9). Такая влага не является препятствием для доступа воздуха через слой почвы к поверхности изделия и, следовательно, не препятствует деполяризации. Если, однако, количество влаги в почве увеличивается, то она заполняет все пространство между скелетом почвы и создает непрерывный слой, из-за которого резко уменьшается
Частица почвы Вова выпавшего вождя, просачивающаяся в почву Пленка воды,связанная почвой
Почвенный воздух с парами воды
Зона открытой капиллярной воды
Капиллярная вода
Зона замкнутой капиллярной Вовы, все пары заполнены водой
Уровень грунтовой воды ^-Грунтовая вода
Рис. 9. Различные формы воды в почве (схема Цункера — Качинского).
поступление воздуха к поверхности металла. Таким образом, резко уменьшается кислородная деполяризация, а отсюда и скорость коррозии.
13. Влажность почвы, обычно выражаемая в процентах воды, находящейся в единице объема, к весу находящегося в этом объеме сухого твердого вещества, зависит от следующих свойств почвы: водопроницаемости, влагоподъемности, влагоемкости и испаряющей способности. Водопроницаемостью называется способность почвы пропускать воду сверху вниз. Водопроницаемость обеспечивает быструю впитываемость воды почвой. Чем больше водопроницаемость, тем больше влаги вберет в себя почва после дождя или снеготаяния. Таким образом, водо-
проницаемость определяет величину создаваемого первоначального запаса воды в почве от метеорологических осадков. Величина водопроницаемости определяется глубиной проникания воды через почву за один и тот же промежуток времени. Хорошей водопроницаемостью обладают почвы с крупными частицами: галькой, песком с хорошей структурой. Наоборот, тяжелые глинистые почвы обладают плохой водопроницаемостью. Обычно глинистые слои почвы являются водоизолирующими слоями, и в зависимости от того, располагаются они выше или ниже подземного сооружения, они будут помогать аккумуляции или не пропускать воду к металлу. Так как трубопроводы и кабели обычно закладываются в почву на глубину не больше 2 м, и лишь на самых коротких участках на несколько большую глубину, окружающая их почва бывает обычно достаточно увлажнена. Если глинистый слой лежит несколько ниже этой глубины, то будут создаваться условия для собирания воды и создания повышенной влажности. Так как водонепроницаемые слои обычно находятся значительно ниже уровня заложения трубопровода, то на влажность окружающей трубу почвы начинает влиять не только водонепроницаемость верхних слоев, но и влагоемкость почвы. Влагоемкостью почвы называется способность почвы удерживать в себе воду. Влагоемкость измеряется процентами влаги, которую почва способна удерживать, относительно веса сухой почвы. Влагоемкость в среднем для супесей составляет 25—30%, для суглинков 35—45% и для глинистых почв до 70 % -Из приведенных цифр видно, что влагоемкость бывает тем больше, чем меньше частицы, составляющие почву.
Общая влажность почвы может зависеть и от водо-подъемности, т. е. способности почвы поднимать воду снизу вверх. Это поднятие происходит за счет способности воды подниматься вверх по капиллярам, которыми в данном случае являются поры почвы. Так как высота поднятия тем больше, чем тоньше капилляры, то попятно, что высота поднятия воды будет для глины больше, чем для других видов почвы. В табл. 11 приводится высота поднятия воды различными видами почвы. Водоподъемная способность почвы обеспечивает влажность почвы, окружающей подземное сооружение, в том случае, когда водоносный слой лежит ниже его, и вода поднимается к поверхности почвы по капиллярным ходам. Для поверхностных слоев почвы, в которых обычно лежат подземные линии, 30
является важным также испаряющая способность почвы. Под этим термином понимается скорость высыхания верхнего слоя почвы. Чем больше испаряющая способность, тем больше будет поток воды, проходящей по капиллярам из нижних слоев почвы мимо трубопровода или кабеля к поверхности.
Таблица И
Высота капиллярного поднятия в грунтах
Диаметр частиц, мм Высота капиллярного поднятия воды, мм Максимальная высота поднятия, мм Время достижения максимального поднятия, дни
через 24 ч через 48 ч
Гравий 5,0—2,0 22 35 3
Гравий 2,0-1,0 54 60 65 4
Песок 1,0-0,5 115 123 131 4
Песок 0,5-0,2 214 230 246 8
Песок . . 0,2-0,1 376 396 428 8
Тонкий песок 0,1—0,05 530 574 1055 72
Пыль 0,05—0,02 1 153 1360 2 000
Пыль . . 0,02—0,01 405 422 —
Тонкая п 0,01-0,005 285 ——
Глина 0,005 -0,002 143 — —
Глина . 0,002—0,001 55 — — —
Перечисленные четыре характеристики влажности почвы могут создавать различные условия для развития коррозии на трубопроводе. В том случае, если почвы остаются вполне сухими, коррозия не будет иметь места, так как будет отсутствовать электролит. Повышение влажности в пределах значений до 10—12% вызывает увеличение скорости коррозии, так как при этом уменьшается омическое сопротивление возникающих коррозийных апементов и увеличиваются их размеры. Фактический максимум скорости коррозии наступает для определенного значения процента влажности, характерного для каждой отдельной почвы.
Для большинства почв суглинистого и глинистого типа для обеспечения возможности максимальной коррозии бывает достаточно 10—12% влажности (к весу сухой почвы). Дальнейшее увеличение влажности до некоторого предела сохраняет обычно условия возможности максимальной коррозии. Таким пределом на основании работ Соловьева [Л. 35] и Негреева и Аллахвердиева [Л. 32] можно считать
влажность порядка 20—25%. При этом значении влажность дает большое, но еще не максимальное насыщение почвы водой. При этом сохраняется возможность атмосферному кислороду находить себе доступ к поверхности металла, что необходимо для поддержания деполяризации, обеспечивающей постоянную скорость коррозии. После указанного предела влажности наступает такое насыщение почвы водой, при котором она образует сплошной слой в почве, прекращающий достаточное поступление атмосферного кислорода к металлу. В результате этого скорость коррозии резко замедляется из-за устранения деполяризации. Таким образом, можно видеть пять зон, связанных с количеством влажности почвы:
1-я зона Отсутствие влажности Оо/о Отсутствие коррозии
2-я зона Возрастание влажности до критического значения 16—120/0 Увеличение коррозии до максимальной
3-я зона Сохранение критического значения влажности 12—25% Возможность максимальной коррозии
4-я зона Возникновениесплош-ного водного слоя в почве 25—40% Снижение скорости коррозии
5-я зона Увеличение толщины сплошного слоя Выше 25—40% Невысокая постоянная скорость коррозии
Приведенная разбивка на зоны является типичной, но в отдельных случаях возможны и отклонения от указанных цифр.
Таким образом, характерная зависимость коррозии от величины влажности может быть представлена кривыми, приведенными на рис. 10. Характерная форма этих кривых сохраняется для большинства почв, однако как величина максимальной коррозии, так и начальная точка критической влажности может заметно смещаться для различных видов почвы.
Для зависимости величины коррозии от влажносги была предложена формула для значений влажности от 10% до полного насыщения (Л. 75]:
1g у = 14-0,25 lg i, (8)
где у —влажность почвы, %;
i— ток, ма.
14. Аэрация почвы. На скорость коррозии существенное влияние имеет и насыщенность почвы воздухом 32
или так называемая воздухоемкость почвы. Воздух в почве находится в трех состояниях: а) в виде свободного воздуха, заполняющего поры в почве; б) в виде воздуха, растворенного в почвенной влаге; в) в виде воздуха, сорбированного твердой фазой почвы. Наибольшее значение для процессов коррозии имеет первое состояние, так как
последние два, как правило, слишком бедны кислородом для возможности существенно изменять поляризацию. Количество свободного воздуха в почве зависит от величины пор ози ости почвы и количества влаги в почве. Величина порозности колеблется приблизительно в пределах 25—50%, лишь в редких случаях достигая 60%. При определенной порочности почвы содержание в ней воздуха находится в обратной зависимости от содержания воды. Нужно огме-
Рис. 10. Влияние влажности почвы на коррозию.
/ — щелочная почва; 2 — пылеватая глина; S — щелочная почва.
тить, что и по своему составу почвенный воздух существенно отличается от атмосферного главным образом по увеличенным содержаниям углекислоты и обедненному содержанию кислорода, что обусловливается проходящими в почве биохимическими процессами. Сопоставление содержания составляющих в атмосферном и почвенном воздухе приводится в табл. 12. Уменьшенное со-
Та блица 12
Элементы Состав воздуха
атмосферного почвенного
Азот . . 78 78-80
Кислород . . 21 0,1—20
Углекислота . . 0,03 0.1—15,0
держание кислорода в почве имеет место, несмотря на постоянный обмен, существующий между атмосферным и почвенным воздухом. Этот воздухообмен может происхо-
дить двумя путями: диффузией и «дыханием» почвы. Дыхание почвы осуществляется каждодневным циклом, при котором днем нагретый почвенный воздух при расширении вытесняется частично в атмосферу, а ночью охлажденный воздух снова поглощается почвой. Отсюда видно, что содержание кислорода в почве сильно изменяется не только с глубиной, но и по сезону. На рис. 11 приведено
Рис. 11. Сезонные изменения содержания О, в объемныхпроцентах в воздухе тяжелой суглинистой почвы.
типичное содержание О2 в объемных процентах в воздухе тяжелой суглинистой почвы в различные сезоны. Известно, что воздух ускоряет коррозию из-за деполяризационной способности, однако увеличение содержания воздуха в почве приводит к уменьшению ее проводимости и, следовательно, к уменьшению коррозии там, где она контролируется омическим фактором.
Влияние степени насыщенности почвы воздухом на коррозию показано на рис. 12. Как можно видеть в общем для большинства случаев влажности, с повышением объема почвы (при постоянном весе) и, следовательно, с повышением содержания воздуха на некоторой ступени возникает быстрое увеличение скорости коррозии, которое затем остается практически постоянным.
15. Химические составляющие почвы. Для коррозии основное значение имеют химические составляю-34
щие, которые являются водорастворимыми и, следовательно, могут определять свойство почвенного раствора—электролита. Хотя водорастворимые составляющие почвы составляют лишь самую небольшую часть ее, в больший-' стве случаев не больше 2% (в редких случаях до 5—6%), однако именно они в значительной мере определяют агрессивные свойства почвы. Этими водорастворимыми составляющими являются главным образом различные
Рис. 12. Влияние содержания воздуха и воды в почве на ее коррозийную активность (Роджерс).
соли. Большую часть почвенных солей обычно составляют сернокислые, углекислые и хлористые соли магния, калия, натрия и кальция. Реже встречаются азотнокислые и фосфорнокислые соли этих же металлов, а также железистые соли. В некоторых количествах встречаются также некоторые кислоты, главным образом органические, и щелочщ Из числа наиболее часто встречающихся соединений еле-дует назвать:
Углекислый кальций (СаСО3), который может растворяться в воде, содержащей углекислоту, давая в растворе кислый, углекислый кальций Са(НСО3)2. Содержание в воде кислого, углекислого кальция обусловливает так называемую «временную» жесткость воды, устраняемую кипячением или прибавлением к воде гашеной извести.
Сернокислый кальций (CaSO4) встречается в виде гипса, имеющего формулу CaSOv2H2O. Гипс растворяется в воде слабо. Лучше растворим в воде сернистокислый
кальций Ca(HSO3)2. Азотнокислый кальций Ca(NO3)2 вносится в почву в виде удобрений.
Хотя присутствие водорастворимых составляющих в почве играет, безусловно, важную роль в процессах коррозии, однако прямой зависимости между какой-либо составляющей и скоростью коррозии, как показали многие исследования [Л. 29, 30, 32], не имеется. Отмечается важность присутствия для процессов коррозии ионов СГ и SO"4, особенно когда их содержание превышает 0,1%’ [Л. 30]. Бажно также, очевидно, содержание ионов Са" и Na’, так как первый из них входит в состав извести, а второй — в состав соды.
Содержание извести в почве обеспечивает создание отдельных комочков, образующих структуру почвы, позволяющую увеличивать ее влаго- и воздохопроницаемость. Содержание же соды разрушает структуру почвы, переводя перегной из твердого состояния в жидкое и этим уменьшает ее воздухопроницаемость.
Кислотность почвы. Кислотность почвы не играет решающего значения при процессах коррозии стали. Самая сильная коррозия может наблюдаться как при кислых почвах с рН=3—4, так и при нейтральных почвах с рН= =7 и даже щелочных с pH=12. Однако при сильно кислых почвах сильная коррозия имеет место почти всегдй, в то время как при нейтральных и щелочных наличие сильной коррозии обусловливается и другими факторами. Поэтому определение кислотности для почвы выполняется лишь при подробном анализе и обычно не делается при технических определениях коррозийной активности почвы.
16. Размеры коррозионных элементов. При борьбе с коррозией очень большое значение имеют размеры коррозионных элементов, возникающих на подземных линиях. Протяженность коррозионных элементов, вообще говоря, изменяется очень сильно: от нескольких десятков и даже сотен метров, до самых микроскопических. В зависимости от размеров коррозионных элементов сильно изменяются и трудности обнаружения и ликвидации этих элементов. Это еще более усугубляется тем, что многие коррозийные электрические измерения выполняются с поверхностью земли, где не всегда бывает заметно влияние на подземных линиях более мелких коррозионных элементов. По практическим условиям удобно различать основные виды коррозионных элементов в зависимости от их размера:
1) Токи длинных линий, при которых протяженность путей тока коррозионных элементов измеряется метрами и легко обнаруживаются измерениями с поверхности.
2) Средние коррозионные элементы, которые проявляют себя при небольших интервалах измерений на поверхности земли, не более 30 см.
3) Местные коррозионные элементы на поверхности подземного сооружения, которые не обнаруживаются измерениями с поверхности. Соответственно величине каждого элемента должны быть применены и мероприятия по их ликвидации. Это относится как к условиям выполнения регулирования катодной защиты, так и к специальным мероприятиям, таким, как местные ремонты, покрытия, установка электроизолирующих муфт и т. д.
Необходимо особо подчеркнуть, что при оценке коррозии, выполнении коррозийных электрических измерений, выполнении защитных мероприятий и проверке результата их осуществления всегда необходимо помнить о возможном наличии коррозионных элементов указанных различных размеров и различного их влияния на перечисленные выше работы.
17. Биокоррозия. Известное участие в процессах подземной коррозии может принимать также биокоррозия, которая возникает в результате жизнедеятельности некоторых микроорганизмов. При этом имеется некоторое различие в процессах биокоррозии, протекающих в аэробных и в анаэробных условиях. Причины возникновения коррозии в результате деятельности микроорганизмов могут быть различными. Так, некоторые микроорганизмы могут образовывать в результате своей жизнедеятельности кислоты, непосредственно воздействующие на металл. К этим микроорганизмам относятся тионовокислые, например Thiobacillus thioparus, Thiobacillus thiooxidans. Помимо прямого коррозийного действия на металл вырабатываемыми продуктами, микроорганизмы могут стимулировать коррозию и косвенными путями. Так, например, ряд микробов действует в процессах коррозии как деполяри* заторы. Такими микробами являются сульфатовосстанавливающие, как, например, Sporovibrio rubentschiki, Sporovibrio desulfuricans, денитрифицирующие Thiobacillus denitrificans, Bacterium denitrofluorescens. железобактерии, такие, как Crenothrix, Leptothrix. Другие бактерии, поглощая кислород или выделяя углекислый газ, могут
препятствовать образованию или стабилизации защитных пленок на металле. Наконец, действие бактерий может проявляться и в образовании различных пленок и слоев на металле, которые помогают образованию коррозионных элементов дифференциальной аэрации.
Хотя случаи сильной разрушающей биокоррозии в настоящее время неизвестны, однако участие ее в подземной коррозии достаточно доказано. Трудности разделения различных видов коррозии, возможно, обусловливают недостаточную изученность биокоррозии. Ее опасность не следует поэтому упускать из виду. Определение наличия биокоррозии в настоящее время производят путем бактериологического анализа отобранных образцов почвы на присутствие перечисленных выше микроорганизмов. При этом необходимо помнить, что подобный анализ нужно делать в течение самого ближайшего времени после отбора пробы для сохранения существующих условий. Часто такой анализ приходится выполнять непосредственно на месте отбора проб.
Мерами борьбы с биокоррозией, помимо обычно применяющихся защитных покрытий и катодной защиты, является также добавление различных ядов, останавливающих или ограничивающих жизнедеятельность микроорганизмов. В случае применения катодной защиты для подавления жизнедеятельности микроорганизмов требуется увеличение минимального защитного потенциала, о чем будет сказано ниже. Более подробно биокоррозия и меры борьбы с ней описаны в специальных работах, посвященных этому вопросу (Л. 40, 41, 42, 43].
18. Скорость почвенной коррозии. При оценке опасности коррозии первостепенное значение имеет скорость ее проникания в глубь металла. Это обусловлено тем, что основной формой коррозии, опасной как для трубопроводов, так и для кабелей, являются каверны или питтинги. Общая коррозия обычно бывает в 30—50 раз медленнее, чем питтинговая коррозия, по прониканию в глубь металла. Правда, при общей коррозии обычно значительно больше бывают масштабы разрушения. Так как, однако, для каждого подземного сооружения достаточно бывает одного сквозного проржавления, чтобы произошла авария, то приходится в основном считаться со скоростью образования питтинга. При этом необходимо -оценивать отдельно скорость почвенной коррозии и скорость разъедания блуждающими токами.
Скорость почвенной коррозии стали иногда бывает весьма велика, достигая в отдельных тяжелых случаях 7~8 мм в год.
Необходимо отметить, что указанная выше скорость относи гея лишь к начальной стадии коррозии. Как было показано многолетними исследованиями, скорость коррозии для подавляющего большинства почв имеет тенденцию к уменьшению, вплоть до полного прекращения. На рис. 13 приведены типичные кривые изменения скорости
коррозии со временем для ряда различных почв. Как видно, через 6—8 лет скорости, если не уменьшаются до нуля, то значительно к нему приближаются. Эта зависимость согласно нашим исследованиям может быть выражена уравнением [Л. 78]
Л=-Д4-/Д2-ЬВ/, (9)
где h—величина проникания коррозии в глубь металла за t лет;
А — коэффициент, зависящий от проводимости среды и продуктов коррозии и изменяющийся в пределах от 0,002 до 0,065;
В — коэффициент, зависящий от сопротивления почвы и определяемый по кривой рис. 14.
Как видно из формулы (9), она представляет собой уравнение параболы с ветвью на некотором интервале, приближающейся к параллельной оси абсцисс.
Указанное уменьшение скорости коррозии играет большую роль при коррозии толстостенных трубопроводов, в частности чугунных. Очень часто толщина стенок труб оказывается достаточной, чтобы глубина каверны не про-
извела сквозной перфорации.
почв.
когда коррозии совсем или почти приостановятся. Это дает возможность трубопроводу работать неопределенно долгое время без аварий.
С другой стороны, и первоначальная скорость, обнаруженная на стальной подземной линии, не должна создавать слишком преувеличенного впечатления о скором разрушении. Нужно всегта помнить о дальнейшем снижении скорости коррозии.
19. Коррозия свинца и его сплавов в почве прежде «всего зависит от pH среды, причем оказываются опасными как низкие, так и высокие значения pH. т. е. как кислые, так и щелочные почвы, причем с повышением кислотности и щелочности резко увеличивается и коррозия. Сульфаты не опасны для свинца, так как сернокислый цинк, образующийся на поверхности цинка, мало растворим в воде. Увеличивает коррозию свинца углекислый газ, который разрушает сульфатную пленку на свинце с образованием растворимого в воде бикарбоната свинца.
Многочисленные испытания свинцовых сплавов в различных условиях показали, что свинцовые сплавы по коррозионной стойкости ведут себя хуже свинца только при высокой температуре, в то время как при обычных темпе-
ратурах они примерно равностойки с чистым свинцом.
При температурах около 90° С на коррозийную стойкость сплавов свинца оказывает неблагоприятное действие примесь висмута или цинка. Небольшие примеси олова и сурьмы при высоких температурах не оказывают плохого влияния на коррозийную стойкость свинца, в то время как при обыкновенной температуре имеется некоторое положительное их влияние. При комнатной температуре сплавы свинца с 0,005—0,15% мышьяка, кадмия, никеля и теллура не показывают заметного различия в коррозийной стойкости. Также не дает заметного изменения коррозийной стойкости свинца при комнатных температурах добавление 0,34% сурьмы.
Таким образом, различия в коррозийной стойкости свинца и его сплавов по отношению к электролитам практически не играют существенной роли, за исключением свинцововисмутового сплава, имеющего низкую коррозийную стойкость («Л. 16].
Тройные сплавы с сурьмой (0,5%) и оловом (0,20%), с сурьмой (0,98%) и кадмием (0,25%), с мышьяком и кадмием имеют коррозийную стойкость, близкую к стойкости чистого свинца. В то же время эти добавки заметно улучшают механические свойства свинца.
В мягкой воде коррозия свинца заметно усиливается. Это объясняется тем, что на поверхности свинца не образуется при этом защитного слоя из карбонатов свинца или из других солей. Защитная пленка начинает образовываться при жесткости воды свыше 10°. Заметно увеличивает коррозию свинца наличие углекислоты и воздуха.
Очень сильное действие на свинец оказывают некоторые органические кислоты: муравьиная, уксусная и др. Именно действием этих веществ объясняется так называемая фенольная коррозия свинца. Этот вид коррозии ранее приписывался действию фенолов, присутствующих в пропиточных массах джутовой обмотки. Однако недавно было показано, что фенольная коррозия вызывается не фенолами, а органическими веществами, образующимися при бактериологическом разложении самого джута.
20. Коррозия алюминия и его сплавов в почвенных условиях еще очень мало изучена. Известно, что щелочная среда является опасной для алюминия и его сплавов, так как разрушает защитные фильмы, образующиеся на их поверхности. Однако уже при pH, равном 10—11, скорость коррозии резко уменьшается (Л. 4]. Затем
в широкой области от рН=10—11 до рН=4—3 скорость коррозии алюминия почти не меняется. При нейтральных значениях, однако, иногда имеет место появление местной коррозии и питтингов. Различные примеси в сплавах алюминия по большей части увеличивают коррозию алюминиевых сплавов, — это относится для нейтральных растворов к цинку, меди, кремнию, никелю, кадмию и особенно к железу и совместным добавкам железа плюс кремния, и цинка плюс магния. В общем все алюминиевые сплавы, даже так называемые коррозийностойкие, только приближаются по стойкости к чистому алюминию (Л. 4]. Исключение представляет магниалий, более стойкий в щелочной среде. Опасность щелочной среды для алюминия и его сплавов сильно затрудняет применение для них электрических методов защиты, из-за образования высокой щелочности у защищаемой поверхности. Однако в настоящее время имеются сообщения об успешном применении катодной защиты и для алюминия и некоторых его сплавов.
21. Определение коррозийной активности почвы. Скорость коррозии металла в различных почвах может колебаться по величине, в несколько десятков раз превышая наименьшую, поэтому возникает постоянно необходимость определения коррозийной активности почвы. Так как ни с технической, ни с экономической стороны химические и физические анализы почвы не позволяют определять коррозийную активность почвы с достаточной точностью, оказалось необходимым разработать ряд специальных методов, при помощи которых эта характеристика может определяться. Большинство из применяющихся в настоящее время методов определения коррозийной активности почвы основано на определении кажущегося удельного сопротивления почвы (Л. 7, 18, 30, 32, 36 и 38]. Другие из применяющихся методов основаны на пробных потерях веса образцов (Л. 37] или на создании пар дифференциальной аэрации АзНИИ (Л. 32], или па снятии поляризационных кривых модели гальванопары (Л. 32]. Не останавливаясь на методике выполнения работ по перечисленным методам, как описанным в вышеперечисленной литературе, укажем лишь на преимущественную область применения различных способов и оценку показаний, полученных по этим методам.
Определение кажущегося удельного сопротивления почвы может выполняться четырехполюсным и двухполюсным методами [Л. 7, 32, 37 и 38]. Метод определе-42
Сравнительные достоинства и недостатки различных методов определения коррозийной активности почвы и рекомендуемые области их применения
Наименование метода Достоинства данного метода Недостатки данного метода Рекомендуемые области применения данного метода
Четырехполюсный метод определения удельного сопротивления почвы (Шлюмберже) 1) Возможность измерения сопротивления непосредственное поверхности почвы 2) Быстрота выполнения работы 3) Комплексная оценка сопротивления всех пластов почвы на исследуемую глубину 4) Высокая степень точности 1) Дорогостоящая, сравнительно тонкая аппаратура, требующая умелого обращения 2) Необходимость выполнения квалифицированными достаточно подготовленными работниками 3) Необходимость пересчета показаний прибора 4) Сильные искажения, вызываемые близкораспо-ложенны ми по д-земными конструкциями Протяженные трассы подземных сооружений, удаленных от существующих металлических подземных конструкций
Двухполюсный метод определения удельного сопротивления почвы (Шепарда) 1) Простота прибора 2) Возможность изготовления прибора в производственных условиях из недифи-цитных деталей 3) Простота пользования прибором. требующая работников невысокой квалификации 1) Необходимость помещения электродов прибора на глубину заложения подземного сооружения 2) Необходимость лабораторной калибровки прибора 3) Меньшая скорость при отсутствии готовой траншем 4) Меньшая степень точности, чем у метода 1 5) Большая зависимость от случайной влажности почвы Небольшие протяжения трассы. Трассы, насыщенные другими подземными металлическими сооружениями
Достоинства данного метода Недостатки данного метода Рекомендуемые области применения данного метода
Метод определения весовых потерь (электролитический метод, метод трубки и банки, метод Вильямсо-на-Корфильда) 1) Исключительная простота прибора 2) Возможность выполнения из самых простых недефицитных деталей 3) Возможность выполнения определений в полевых условиях 4) Возможность обслуживания работниками невысокой квалификации 5) Возможность одновременного выполнения любого числа определений 6) Возможность применения как для стали, так и для свинца 1) Необходимость предварительного отбора образцов почвы 2) Меньшая степень точности,чем у методов 1 и 2 3) Несколько большая громоздкость работы 4) Большая длительность отдельного измерения 5) Большая возможность искажающих случайностей Сильно разбросанные малые объекты. Одновременное определение для стали и свинца. Как контрольный метод для первых двух
Метод снятия поляризационных кривых в ячейке дифференциальной аэрации (метод АзНИИ) 1) Теоретическая обоснованность 2) Относительная простота сравнительно с другими лабораторными методами 1) Необходимость предварительного отбора проб почвы 2) Недостаточная проверенность в практических условиях 3) Трудоемкость метода 4) Меньшая степень точности, чем у предыдущих методов 5) Малая воспроизводимость результатов Как контрольный для других методов
Наименование метода Достоинства данного метода Недостатки данного метода Рекомендуемые области применения данного метода
Обследование существующих подземных сооружений 1) Наибольшая степень точности определений 2) Непосредственная оценка продолжительности службы 3) Наглядность результатов 4) Простота выполнения 1) Большая трудоемкость и длительность 2) Возможность выполнения только при наличии подзелных сооружений, невозможность применения для проектируемых линий Как арбитражный. Также для существующих сооружений после длительного срока службы
ния потерь веса применяется в тех случаях, когда определение сопротивления невозможно или при широко разбросанных отдельных точках определения. Метод АзНИИ применяется главным образом при лабораторных исследованиях. Сравнительные преимущества и недостатки отдельных методов перечисляются в табл. 13, так же как оптимальные условия применения. Особо следует указать на метод обследования подземных сооружений, как дающий арбитражные данные.
Оценка коррозийной активности в отдельных точках по показаниям различных методов приводится в табл. 14.
Таблица 14 Оценка коррозийной активности по показаниям различных методов
Наименование методов Четырехпалюс иыА. ом-м Двухполюсный. ом-см Потери веса, г АзНИИ, ма]дм* Обследование. мм!год
Степень коррозийной активности: Низкая . . Нормальная . Повышенная Высокая Очень высокая . Выше 100 20—100 10-20 5-10 0—10 Выше 10 000 2000—10000 1000—2 000 500—1000 0-500 Ниже 1 1—2 2—3 3-6 Выше 6 До 3 3,0—6 6,0—9 Выше 9 До 0.3 0,3—0.8 0.8-1,6 1.6—2.6 Выше 2,6
Примерная степень точности 85-95»/о 75-85% 70-80% — 100%
При пользовании цифрами табл. 14 необходимо иметь в виду два важных условия. Первое состоит в том, что приведенные цифры точности определений относятся к отдельным точкам, тогда как практически обычно определяют общую активность почвы на достаточно протяженном участке, и второе заключается в том, что всегда следует помнить о возможности некоторой ошибки при определениях, т. е. о степени точности применяемого метода.
Рис. 15. График сопротивления почвы по трассе трубопровода.
Учет первого условия практически производится путем «зонального» определения коррозийной активности, которое заключается в следующем. Если имеется график определения коррозийной активности почвы вдоль трассы какого-либо стального подземного сооружения (рис. 15), то по условиям применения защитных мероприятий приходится его разбивать на отдельные участки с различной опасностью коррозии не короче обычно 500 м. При этом приходится учитывать преимущественные показания определений, характеризующие в общем весь отдельный участок. Таким образом, на приведенном рис. 15 участок 7—8 будет характеризоваться как имеющий в общем нормальную коррозийную активность, хотя на нем и будет иметься одна точка с показаниями, отвечающими повышенной активности. В то же время участок 1—2 должен быть охарактеризован как имеющий высокую коррозийную актив-46
ность, хотя на нем имеется лишь пять точек из 15, отвечающих этой оценке. В данном случае приходится из осторожности отдавать предпочтение более неблагоприятным оценкам, несмотря на их меньшее количество.
Необходимость учитывать степень точности метода диктуется тем, что несовершенства применяющихся методов оставляют возможность отдельных ошибок при определениях. Под степенью точности понимается тот процент правильных определений, который свойственен тому или другому методу. Так, если обычно из 100 определений точными будут 80, то говорят, что степень точности равна 80%. Величины обычных средних данных по степени точности приводятся в табл. 14 в последней графе. Наличие возможных ошибок не устраняет необходимости производства для каждого случая определения коррозийной активности почвы, так как позволяет все же обнаружить подавляющее количество опасных мест на трассе. Если же по каким-либо причинам требуется увеличить надежность определений коррозийной активности, то приходится проводить контрольные определения при помощи другого метода, обычно основанного на Других принципах. Так, определения по величине удельного сопротивления почвы дополняются определениями по методу потери веса или поляризационных кривых.
В самое последнее время Н. Д. Томашевым и Ю. Н. Михайловским был предложен электрохимический метод полевых исследований коррозийных свойств почвы. Новая методика основывается на том положении, что скорость коррозии в результате деятельности микропар в основном определяется скоростью электродных процессов. Непосредственное определение скорости анодного и катодного процессов в данной почве при определенных потенциалах электродов должна позволить с достаточной точностью установить ожидаемую скорость коррозии. При-, бор состоит из электрода, забиваемого в почву на необходимую глубину, после чего при помощи измерительной установки производится анодная и катодная его поляризация при постоянных потенциалах электродов. Величины поляризующих токов служат показателями скорости коррозии [Л. 79].
Указанный метод, несмотря на свою хорошую теоретическую обоснованность, не вышел еще из стадии эксперимента. Кроме того, выполнение определений этим методом также слишком трудоемко для возможности технического 47
применения его в настоящее время на трассах большой протяженности.
В последнее время были разработаны еще некоторы методы определения коррозийной активности почвы [Л. 82], которые пока еще не прошли производственных испытаний.
Необходимо отметить, что методы определения коррозийной активности почвы относятся к стальным изделиям, для свинца же достаточно разработанных методов не имеется. Правда, свинец в значительно меньшей мере под-
Рис. 16. Коррозийные .горизонтали" по удельному сопротивлению почвы.
вержен опасности почвенной коррозии, так как большинство случаев его сильных разрушений относится за счет блуждающих токов. По мнению некоторых исследователей, возможно применять упомянутые выше методы и для свинца, в частности метод потерь веса [Л. 39], вводя лишь дополнительный коэффициент 1,64 для определения границ различной степени опасности; однако необходимо все же указать, что для свница ни один метод практически проверен не был. С другой стороны, для свинца возникает опасность щелочной коррозии, почему, очевидно, и комплекс работ для определения коррозийной опасности для свинца в почвах должен быть специально установлен.
В том случае, если определяется коррозийная активность почв на отдельных площадках, насыщенных подземными коммуникациями, определения коррозийной активности производят в углах сетки с интервалами 50—100 м, после чего вычерчивают «горизонтали», как это показано на рис. 16. Более подробно условия работы по определе-48
нию коррозийной активности почвы, описание применяющейся аппаратуры и интерпретация результатов приводятся в специальной литературе [Л. 7, 9, 27, 30, 32, 35, 36, 37, 38 и 39].
При установлении коррозийной опасности и выборе необходимых мер защиты, помимо коррозийной активности почв, должна учитываться обязательно и опасность от блуждающих токов и биокоррозии.
Опасность блуждающего тока определяется по плотности тока на анодных зонах (см. ниже), а для оценки опас-
Рис. 17. Схема тяговой сети трамвая.
I — генерато риые или преобразовательные агрегаты; 2 — положительная шина подстанции; 3 — отрицательная шина подстанции; 4— питающие линии; 5 — сеть контактного провода; б — отсасывающие линии; 7 — рельсы трамвая; 8 — регулировочные реостаты.
ности биокоррозии предложена следующая шкала (Л. 76], основанная на величине окислительно-восстановительного потенциала гН:
при гН меньше 100 мв— опасность очень сильная;
при гН от 100 до 200 мв — средняя;
при гН от 200 до 400 мв—легкая;
при гН выше 400 мв — ничтожная.
22.^л у ж да^ю щие токи. В некоторых случаях, и особенно в городских условия^, часто наибольшая опасность для подземных сооружений возникает от блуждающих токов. Источниками блуждающих токов являются различные промышленные установки, потребляющие ток, но главным образом электрические железные дороги и трамваи. Серьезную опасность созданием блуждающих токов могут вызывать и заземления однопроводных линий энергопередачи и заземляющие устройства различных промышленных энергоустановок. Наиболее часто встречающаяся опасность блуждающих токов от электрических железных дорог объясняется следующим. Обычная система питания трамвая является наиболее частым источником блуждающих токов, имеет схему, представленную рис. 17. Основным источником питания энергией трамвая
являются специальные подстанции постоянного тока. На тяговых подстанциях трамвая производится преобразование электрической энергии переменного тока, получаемого обычно от трехфазной сети 6 кв, в постоянный ток напряжением 600 в. (На электрических железных дорогах напряжение постоянного тока обычно значительно больше: достигая 3 000 в.) Электрическая цепь, питающая трамвай, состоит из следующих основных элементов: а) питающей сети, б) контактной сети, в) рельсовой сети, г) отсасывающей сети. Замыкание этой цепи для прохождения тока осуществляется движущимся трамваем, токоприемник которого соединяется с контактным проводом. В свою очередь токоприемник через двигатель и колеса контактирует с рельсовыми путями. С целью уравнивания сопротивления на общем протяжении трамвайных линий питающие кабели подходят к отдельным участкам контактного провода, на которые разбито общее протяжение питающей линии. Точно так же отсасывающие кабели присоединяются к отдельным местам рельсового пути, которые называются пунктами отсоса. Общий путь тока в цепи общего питания трамвая бывает чаще всего следующим. От положительной шины 2 источника постоянного тока на питающей подстанции ток поступает в питающие кабели 4 и с них переходит на контактные провода 5. Поступая из контактного провода через токоприемник трамвая в двигатель, ток попадает на колеса и из них в рельсы. Протекая по рельсам, ток собирается в отсасывающих пунктах, поступая затем к отрицательным шинам подстанции. Наиболее несовершенной изоляцией обладает тот участок пути, где ток проходит по рельсам, так как последние через шпалы и балласт соединяются с землей, являющейся хорошим электролитом. Часть возвращающегося тока из рельсов перетекает в землю, течет по ней и здесь ищет себе путей наименьшего сопротивления, которыми оказываются подземные металлические сооружения, такие, как трубопроводы и кабели, расположенные на путях блуждающего тока. Значительная часть попавшего в почву тока переходит на подземные металлические линии, течет по ним и, наконец, в каком-нибудь месте, чаще всего вблизи пункта отсоса, покидает подземные линии и переходит сначала в почву, а затем в рельсы и отсасывающий кабель. Отсюда общая схема возникновения и распространения блуждающего тока получает вид, показанный стрелками на схеме рис. 18.
Рис. 18. Схема возникновения и движения блуждающего тока.
а — принципиальная схема возникновения и движения блуждающего тока; б — схема движения блуждающего тока в вертикальном направлении; Л — анодные зоны — места разрушения металла; В — катодные эоны —места собирания тока; / — питающие ел линии; 2 —шины; 3 — генератор; 4 — троллейный провод; 5 —подземный трубопровод; 6— отсасывающие линии; 7 —кабель; — 8 — рельс; 9 — газопровод; 10 — водопровод.
Как видно из рис. 18, ток попадает на рельсы после приведения в действие трамвайного мотора и должен с них собираться линиями 6 на шинах тяговой подстанции. Однако на участках близкого расположения рельсов ток покидает рельсы и через почву собирается трубопроводом и движется по нему в ту или другую сторону. Там, где трубопровод отходит от рельсов вблизи точки присоединения отсасывающего фидера, ток должен вернуться обратно на рельсы. В местах сближения двух подземных линий ток перетекает с одной линии на другую через почву, ища пути малого сопротивления для возвращения обратно на рельс. При этом пути удаления тока от рельсов могут быть очень велики и причудливы, достигая нескольких километров.
Величина протекающего по подземным сооружениям тока может быть очень велика. Вблизи электрических железных дорог были измерены токи в трубопроводе, достигающие 200—300 а. Такие большие блуждающие токи являются исключительными, однако в обычных условиях достаточно часты блуждающие токи в несколько десятков ампер. Токи же в 10—20 а являются обычными на подземных трубопроводах. Сама по себе величина тока, протекающего на подземном сооружении, не определяет опасности разъедания. Существенной является плотность тока, которая возникает на анодных поверхностях при стекании тока с металлического сооружения в окружающую почву. Эта плотность зависит не только от величины тока, но и от площади поверхности анодной зоны, поэтому плотности стекающего тока могут быть в отдельных случаях больше и при меньшем протекании тока, когда анодная зона имеет очень небольшие размеры. Возможные плотности тока на анодных зонах на подземных линиях изменяются в очень больших пределах. Согласно правилам защиты подземных сооружений от блуждающих токов [Л. 71] опасной средней суточной плотностью блуждающего тока для стальных трубопроводов считается 0,75 JUG/dM2, или 75 лд/л2, и для свинца 0,15 ма/дм2. Практически наблюдаются случаи, когда трубопроводы, и особенно телефонные кабели, в отдельных местах выходят из строя из-за блуждающего тока уже через два-три месяца после своей укладки. Стальные трубопроводы с большой толщиной стенки не разрушаются столь быстро, хотя отдельные случаи сквозных разъеданий в течение нескольких месяцев также имеют место. Случаи раз-52
рушения подземных линий блуждающими токами относятся и к чугунным трубопроводам, на которых часто развивается графитизация. Учитывая опасность разрушения жизненных коммуникаций и трудности ремонта, можно видеть, какую большую опасность представляют блуждающие токи, особенно в городских условиях.
Необходимо отметить следующие характерные особенности блуждающего тока, протекающего как в почве, так и по трубопроводам:
1) Пути блуждающего тока являются весьма причудливыми и иногда совершенно неожиданными, так как пути наименьшего сопротивления часто бывает трудно предугадать.
2) Дальность распространения блуждающего тока при благоприятных условиях может быть очень велика (измеряется иногда десятками километров).
3) Ввиду постоянных изменений нагрузки на линиях величина блуждающего тока электрических железных дорог бывает совершенно непостоянна по времени, изменяясь быстро в широких пределах.
4) Блуждающий ток распространяется по всем возможным путям. Ток ищет себе всегда путь наименьшего сопротивления и, кроме того, всегда подчиняется закону Кирхгофа, распределяясь по всем возможным путям своего движения соответственно их сопротивлению. Земля с заложенными в нее металлическими проводниками представляет собой самую сложную систему возможных параллельных проводников, по которым будет проходить блуждающий ток. Соогветственно закону Кирхгофа величина тока в отдельных параллельных ветвях будет прямо пропорциональна проводимости. Нужно, однако, указать, что вследствие исключительной сложности пугей движения блуждающих токов и трудности определения сопротивлений на отдельных участках фактическую проводимость отдельных цепей обычно можно определить только очень ориентировочно. Общее сопротивление каждой отдельной параллельной ветви складывается из следующих основных частей:
Я*=*„+*„++*„+R„c + Rm+R„r+*„,(10) где Rcp— сопротивление рельсов от трамвая до места утечки;
Rp3 — переходное сопротивление между рельсом и землей;
Rnm— сопротивление почвы между рельсом и подзем* ным сооружением;
RnM — переходное сопротивление между почвой и металлом трубопровода или кабеля;
Rnc — сопротивление тела трубопровода или кабеля на пути прохождения тока;
RMfl — переходное сопротивление между металлом трубопровода или кабеля и почвой;
R— сопротивление почвы между подземным сооружением и рельсом;
R —переходное сопротивление между почвой и рельсом.
Давая общую характеристику перечисленным выше восьми отдельным сопротивлениям, следует отметить, что Rcpt Rnct Rnm и Rnp МОГУТ быть каждое выражены общей формулой для определения сопротивления проводника:
R=fj. (11)
где р — удельное сопротивление материала или среды, ом-см;
L — длина провода, см;
S — поперечное сечение проводника, см2.
Каждое из указанных выше трех сопротивлений, определяемых по (11), обычно бывает заметно большим лишь при достаточной большой длине L. Величина сопротивления на пути тока в подземном сооружении определяется также по (11), по удельному сопротивлению металлического проводника. Большими сопротивлениями на пути блуждающего тока оказываются обычно переходные сопротивления между рельсами и почвой и между трубопроводом или кабелем и почвой. Величина этих сопротивлений определяется формулой:
= (12)
где ф— удельное переходное сопротивление, ом-м2;
S — площадь перехода тока в почву или из почвы, м2.
Здесь основным фактором, определяющим сопротивление, является величина удельного переходного сопротивления. Эта величина определяет количество тока, собираемого единицей поверхности сооружения из окружающей среды. Вследствие ряда трудностей определение величины удельного переходного сопротивления не может 54
быть выполнено непосредственным измерением. Имеющиеся данные позволяют ориентировочно определять величину переходного сопротивления почва — сталь (при отсутствии изоляции) величинами порядка от одного до нескольких десятков ом!м2 в зависимости от состояния поверхности, условий поляризации, окружающей среды, плотности тока. Таким образом, обычно переходные сопротивления на пути блуждающего тока определяют общую величину тока на подземной линии, что в свою очередь определяет опасность коррозии. Если блуждающие токи распространяются на изолированных трубопроводах или кабелях, то тогда удельные переходные сопротивления бывают особенно велики, доходя до сотен тысяч ол/л2 и даже Мом!м\ что и определяет величину блуждающего тока на подземной линии, обычно в этом случае небольшую.
При рассмотрении действия блуждающих токов на металл необходимо уточнять наиболее опасные места для разрушения металла. Дело в том, что разрушающему действию электролиза подвергаются только те участки поверхности металла, в которых ток выходит из металла в окружающую среду, или так называемые анодные зоны, тогда как места входа тока на стальную поверхность или катодные зоны практически не разрушаются.
Для свинца опасными являются и катодные зоны, так как на них возможна катодная коррозия из-за повышенной щелочности, возникающей при процессах электролиза, однако скорость катодной коррозии является значительно меньшей и лишь в редких случаях может представлять серьезную опасность для металла.
Указанная разница в величине сопротивления отдельных участков блуждающего тока и определяет причудливость и пути его распространения. На рис. 19 показаны возможные пути распространения блуждающего тока в подземных условиях городского района. Таким образом, одна и та же цепь тока может иметь на отдельных подземных линиях различное направление, как это показано на рис. 19. Важным для оценки возможности борьбы с блуждающими токами является представление о влиянии на величину блуждающего тока удельных сопротивлений двух участков пути — на рельсах и на самом подземном сооружении. Богатый опыт борьбы с блуждающими токами показал, что наиболее простыми и в то же время эффективными мерами борьбы с блуждающими
токами является всемерное уменьшение утечки тока с рельсов в почву, т. е. предупреждение возникновения блуждающего тока, защитные мероприятия же на подземных линиях стоят на втором месте. Это хорошо иллюстрируется кривыми рис. 20, которые показывают величину блуждающего тока в различных местах отдельного
Рис. 19. Возможный путь блуждающего тока в городе.
/ — трамвай; 2 — питающая подстанция; 3 — водопровод; 4 — газопровод;
5 — телефонный кабель; 6 — жилой квартал.
Стрелками показана цепь блуждающего тока.
участка их развития, в зависимости от сопротивления в рельсах и сопротивления блуждающему току в самих линиях.
Прямая линия показывает изменение величины тока в случае возвращения всего тока по рельсам, без утечки, при равномерном использовании тока трамваем в размере 25 а на каждые 300 м. Кривые At Bt С дают изменение величины блуждающего тока при различных сопротивлениях основного пути (рельсов) и пути блуждающего тока (подземная линия). Случаи А н В дают сравнение при одинаковом сопротивлении пути утечки и различном 56
удельном сопротивлении рельсов. Случаи В и С дают примеры одинакового сопротивления рельсов и различного удельного сопротивления на пути утечки. Как видно из рис. 20 уменьшение сопротивления рельса, также и увеличение сопротивления пути блуждающего тока в 4 раза ведут к уменьшению величины максимального блуждаю-
блуждающего тока.
шего тока всего примерно в 2 раза. Поскольку для борьбы с блуждающими токами уменьшить сопротивление рельсового пути обычно несравненно легче, чем увеличить сопротивление на пути блуждающего тока, тем более что и все пути последнего трудно определимы, ясно, что наиболее эффективными мерами будет именно уменьшение сопротивления рельсового пути.
Кривые Л', В' и С', дающие изменение блуждающего тока в случае наличия у питающей станции заземления, показывают примерно ту же картину.
Дальность распространения блуждающих токов определяется местными условиями. В случае благоприятного расположения подземных линий блуждающий ток может удаляться от места своей утечки иногда на десятки километров. При этом плотность его на анодных зонах может сохраняться на заметном уровне. При распространении в почве, однако, плотность тока уменьшается с увеличением расстояния. Типичная закономерность распространения блуждающего тока в почве в зависимости от расстоя-
Рис. 21. Зависимость плотности тока в почве удельного сопротивления 30 — 60 см-м от расстояния до рельсов.
ния от рельсов приведена на рис. 21. Форма кривой позволяет установить три основные зоны распространения блуждающего тока в почве:
1) Первая зона находится в пределах расстояния примерно в 100 м от рельсов — источника блуждающего тока. На этом расстоянии происходит наиболее резкое падение плотности блуждающего тока, значение которой уменьшается почти в 10 раз.
2) Вторая зона находится примерно на расстояниях от 100 до 500 м от рельсов. На этом участке плотность тока падает еще в 10 раз, хотя расстояние и увеличивается только в 4 раза сравнительно с первой зоной. Следовательно, падение величины плотности происходит в 4 раза медленнее.
3) Третья зона находится на расстоянии свыше 500 м
от рельсов. Здесь плотности тока очень малы, но и дальнейшее их уменьшение идет медленно, сохраняя значения плотности на больших расстояниях. Хотя указанная закономерность приведена для почв со средним удельным сопротивлением (порядка 30 ом>м), но при равномерном сопротивлении она будет такой же и для других почв.
Рис. 22. Влияние двухслойной почвы иа потенциал почвы вокруг электрода.
При оценке распространения блуждающего тока необходимо принимать во внимание сопротивление не только поверхностного слоя почвы, но и сопротивление нижних слоев. Значение этого хорошо иллюстрируется рис. 22, на котором приведено сравнение градиента потенциала для двух почв, одной с удельным сопротивлением в 1 000 ом*м и второй — в 100 ОМ'М. Здесь же приведен градиент потенциала для почвы с сопротивлением в 1000 олс-л, верхний слой которой толщиной в 10 м имеет сопротивление в 100 ОМ'М. Как видно, значение градиента потенциала очень близко к кривой именно почвы с 1000 ом • ж, не-59
смотря на то, что на основании поверхностных замеров можно было ожидать другую картину.
Еще одной особенностью блуждающих токов является их полная непостоянность по времени. Эта характерная особенность их позволяет во многих случаях безошибочно определять их присутствие при замерах и различать их от случаев гальванокоррозии. Правда, при обычной электрохимической коррозии также происходит изменение тока по величине при замерах, однако в этом случае происходит только уменьшение тока, причем достаточно медленное. При замере же блуждающих токов их изменение происходит в обоих направлениях, причем в отдельные моменты, отвечающие пуску и выключению мотора близко проходящего моторного вагона, изменение происходит настолько резко, что устраняет всякие сомнения в природе этих токов. На рис. 23 показан график изменения величины плотности тока в почве за время в 30 мин. Высокие, ярко выраженные пики отмечают моменты включения мотора, проходящего вблизи электропоезда. По мере удаления поезда резкость изменения заметно сглаживается, оставаясь все же достаточно непостоянной. Методика измерения блуждающих токов, необходимая аппаратура и условия их выполнения указаны ниже в главе о дренажных устройствах.
Блуждающие токи представляют опасность для подземных сооружений не меньшую, а иногда и большую, чем почвенная коррозия. Борьба с ними имеет как свои особенности, так и общие методы, также как и для почвенной коррозии. Методы эти рассматриваются ниже в гл. 3.
23. Измерение блуждающих токов. Измерение блуждающих токов как с целью их установления, так и для определения их величины выполняется по многочисленным схемам в зависимости от местных условий и назначения. Не останавливаясь подробно на всех деталях выполнения этих измерений, имеющих большое значение для точности и правильности получаемых результатов и описанных в специальной литературе (Л. 9], укажем лишь на наиболее часто встречающиеся измерения и условия их выполнения. Наиболее показательными являются измерения потенциала подземного сооружения в почве, измерения тока, протекающего в подземной линии или в рельсе, измерение разности потенциалов рельс—подземная линия.
Присутствие блуждающих токов может быть обнаружено как в самой почве, так и значительно более легко на существующих подземных линиях при помощи соответствующих электрических измерений. При этом всегда следует помнить, что, помимо блуждающих токов, в почве
могут быть токи другого происхождения, например гальванического, спонтанной поляризации, земного магнетизма и т. д. Однако блуждающие токи сравнительно легко отличаются от всех других по их быстрому и большому изменению по времени. Их величина зависит от числа действующих вагонов на линии, их взаимного расположе-
ния, момента включения и выключения двигателя. Ввиду непостоянства значений блуждающего тока измерение его при помощи потенциометра, обычно желательного для измерений электрических потенциалов, является, по сути говоря, невозможным. Поэтому приходится применять вольтметры высокого класса со шкалой, имеющей ноль посередине. Ввиду больших пределов, в которых изменяется блуждающий ток, желательно применение прецизионных вольтметров с пределами измерения до 10 в.
При отсутствии подземных металлических сооружений измерение блуждающего тока обычно выполняют путем замера разности потенциалов поверхности почвы на некотором интервале, например в 10 или 25 м. Для ориентировочного подсчета величины тока по замеренной разности потенциалов определяют также удельное кажущееся сопротивление почвы в данной точке при помощи четырехполюсного метода. Так как при замере разности потенциалов ток бывает нестабилен, то обычно замеры делают в продолжение некоторого характерного отрезка времени, например 5—10 мин в различное время дня. При этом значение разности потенциалов записывают самопишущим аппаратом или снимают показания через каждые 5— 10 сек с записью отдельных показаний. В обоих случаях производят вычисление средних величин путем планиметрирования или определения среднего арифметического значения.
Так как направление поля блуждающего тока может не совпадать с направлением замера разности потенциалов, то при замерах иногда производят одновременные замеры в каждой точке по двум взаимно ориентированным перпендикулярным направлениям. Для найденных средних значений разности потенциалов по обоим направлениям строят векторно равнодействующую, которая определяет не только величину, но и направление поля блуждающего тока.
Более часто, однако, приходится определять значения блуждающего тока на уже существующем подземном сооружении. В этом случае чаще всего измеряют разность потенциалов труба—почва или кабель—почва. Хотя величина разности потенциалов еще не говорит о величине тока, а измерение переходных сопротивлений в настоящее время практически невозможно, все же эти значения служат достаточно хорошим индикатором для определения опасности блуждающего тока. Измерения указанной раз-62
ности потенциалов позволяют прежде всего определить анодные и катодные зоны на подземных сооружениях и
косвенно определить вероятную плотность тока на отдельных участках. Построенная на основании замеров потенциальная диаграмма позволяет наметить также вероятные направления поля блуждающего тока. Для определения поля блуждающего тока бывают также нужны
замеры разности потенциалов определяют места утечек тока с ности потенциалов труба — почва (или «кабель — почва) и рельс—почва приходится также выполнять в продолжение определенного периода времени вследствие нестабильности значений измеряемых величин. Здесь, так же как и при измерении в почве, приходится делать в течение суток несколько (три-пять) замеров в разное время, каждый продолжительностью 5—10 мин.
рельсы—земля, которые рельсов. Измерения раз-
Рис. 24. Схема замера потенциала трубопровода.
1 — нсполяризующийся электрод;
2 — измерительный прнбср; а —выводной провод; 4 — трубопровод.
Затем необходимо опре-
деление среднего значения планиметрированием или как среднеарифметическое.
Необходимо иметь в виду, что при очень в1еболыпих значениях блуждающего тока и недостаточно чувствительном приборе изменения величины блуждающего тока могут оставаться незамеченными, так как стрелка будет казаться спокойной. Только применение более чувствительных приборов покажет изменение тока.
Схемы наиболее частых измерений применяемых для измерений блуждающих токов приводятся ниже.
Измерение потенциала металл — почва должно производиться по схеме, приведенной на рис. 24.
Контакт с почвой должен делаться при помощи непо-ляризующегося электрода, обычно медносульфатного. Электрод помещается возможно ближе к поверхности подземной линии, лучше всего прямо над ней.
Измерение тока, протекающего в трубопроводе, кабеле или рельсе, проще всего сделать на участке с известным поперечным сопротивлением при помощи замера разности потенциалов на длине в 20—40 м. Это измерение производят по схеме рис. 25, и показания вольтметра затем делятся на рассчитанное сопротивление участков. Имеют-
ся и другие способы замера протекающего в линиях тока, несколько более сложные, которые описаны в специальной литературе.
Измерение плотности блуждающего тока может выполняться путем присоединения к изучаемому трубопроводу или кабеля небольшого патрубка с известной площадью поверхности. Патрубок помещается рядом с исследуемой линией и засыпается грунтом. В соединительный провод между патрубком и линией включается амперметр. Изме-
_____ 3
Рис. 25. Схема замера протекающего в кабеле тока.
1 — смотровое колодец; 2 — измерительный прибор; 3 — контакт; 4 — кабель.
рив величину протекающего тока и зная площадь патрубка, можно примерно определить плотность тока, поступающего или стекающего с трубопровода в данном месте. В случае хорошо изолированной линии такой метод, конечно, не должен применяться.
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
МЕТОДЫ БОРЬБЫ С ПОДЗЕМНОЙ КОРРОЗИЕЙ
24. Существующие методы. Предупреждение коррозии подземных сооружений может осуществляться различными путями в соответствии с электрохимической теорией действия коррозии. Все методы защиты от коррозии могут быть разбиты на следующие основные виды:
1. Организационные мероприятия.
2. Конструктивные мероприятия, в том числе:
а) выбор коррозионностойких материалов;
б) выбор рациональных конструкций сооружения;
в) выполнение специальных устройств, неблагоприятных для развития коррозии;
г) выбор рациональной трассы.
3. Применение защитных покрытий, в том числе:
а) металлических;
б) органических;
в) пластмассовых;
г) лакокрасочных;
д) цементных, бетонных, железобетонных;
е) стекловидных.
4. Обработка коррозийной среды.
5. Электрические методы защиты, в том числе:
а) катодная защита наложенным током;
б) катодная защита гальваническими анодами (протекторная защита);
в) электрический дренаж различных видов;
г) секционирование трубопровода;
д) экранирование.
Перечисленные методы могут применяться и совместно, что бывает особенно эффективно, как, например, в случае комбинированной защиты покрытиями и катодной защитой.
25. Организационные мероприятия. К организационным мероприятиям относятся разработка проекта антикоррозийной защиты, выполнение этого проекта, поддержание действия принятых защитных мероприятий. Для существующих подземных сооружений в организационные мероприятия включаются также выполнение коррозийного надзора за работающими линиями и периодические обследования состояния их. Несмотря на очевидность необходимости выполнения вышеуказанных мер, к сожалению, ими очень часто пренебрегают. Это пренебрежение относится как к тому, что в очень многих проектах еще отсутствуют специальные разделы, рассматривающие коррозийные условия и намечающие защитные меры предупреждения коррозии, так и к небрежности выполнения запроектированных мероприятий. Об уложенной в землю линии трубопровода или кабеля обычно тут же забывают, а вспоминают о ней только тогда, когда коррозийная авария вызывает крупные неприятности, вплоть до пожаров и взрывов, как иногда случается на газопроводах. Поэтому антикоррозийные меры должны всегда выполняться в полном объеме как при проекте, так и при строительстве. На эксплуатирующихся подземных линиях должно осуществляться постоянное наблюдение за их состоянием и развитием коррозии. При достаточном объеме работ вполне оправдывается создание специальных антикорро
зийных групп при отдельных эксплуатирующих организациях.
Подземные сети должны находиться под постоянным наблюдением, что выполняется как путем электрических измерений, выполняемых на подземных сетях, так и путем периодических вскрытий в отдельных местах для выполнения обследования состояния трубопровода или кабеля. Электрические измерения на подземных линиях должны проводиться регулярно в сроки, примерная величина которых в зависимости от типа измерения, его назначения и типа подземного сооружений приводится в табл. 15. Выполнение обследования должно вестись по методике,
Таблица 15
Периодичность измерений на трубопроводах и кабелях
Наименование измерений и наблюдений Периодичность
Коррозийность почвы Состояние изолирующего покрытия и наличие коррозионных повреждений трубопровода и кабеля Потенциалы трубопровода и кабеля относительно земли Потенциалы трубопровода и кабеля относительно подземных сооружений Потенциалы трубопровода относительно рельсов электрического транспорта Направление токов вдоль трубопровода Плотность тока утечки из трубопровода Проводимость покрытия Сопротивление стыков рельсов на ближайших участках электрических железных дорог Единовременно при первом обследовании. Поверочно через 10—15 лет В шурфах при первом каждом обследовании каждые 2—3 года. При всех вскрытиях в случае аварийных повреждений Единовременно во всех шурфах при первом обследовании. В пунктах, доступных для измерений без раз-рытий, — 1 раз в год Единовременно во всех шурфах при первом обследовании. В пунктах, доступных для измерений без разрытии,— 1 раз в год Единовременно во всех шурфах при первом обследовании. В пунктах, доступных для измерений без разрытии,— 1 раз в год Единовременно при первом обследовании. Во всех пунктах, доступных для измерений без разрытии, — 1 раз в 2 года Выборочно, по специальному назначению Единовременно при устройстве катодной защиты Каждый год 1 раз
описанной в специальной литературе [Л. 7], а выполнение электрических измерений — по схемам, приводимым ниже. К организационным мероприятиям относятся изменение условий питания электрических железных дорог, перемена полярности и т. д.
26. Конструктивные мероприятия. К конструктивным мероприятиям относится прежде всего выбор коррозионностойких материалов для труб или оболочек кабелей. К сожалению, по производственным условиям выбор этот очень ограничен. Те материалы, которые оказываются достаточно стойкими в подземных условиях, настолько дороги, что применение их не может быть оправдано. Экономически же доступные материалы, помимо черных металлов, в частности все имеющиеся низколегированные сплавы, не показывают хоть сколько-нибудь повышенной стойкости. Таким образом, практически приходится применять для трубопроводов обычные черные металлы, очень редко медь и бронзу, а для кабелей — сталь, свинец и в последнее время алюминий.
Трубы из стекла и пластмасс получают все большее применение, однако их сравнительно высокая стоимость, а для стекла и хрупкость, задерживает их широкое распространение.
Ряд других конструктивных мероприятий предупреждает коррозию при укладке труб в землю. Так, укладка линий в специальном коллекторе создает условия, в которых они не соприкасаются с почвой и легко доступны для осмотра. Однако такой способ укладки при многих его выгодах стоит дорого и осуществляется только в редких случаях при большой насыщенности трассы различными подземными линиями. Значительно чаще осуществляется укладка трубопроводов и кабелей в каналах, главным образом непроходных. Таким способом укладывается значительная часть теплопроводов и телефонных линий. Такая укладка устраняет почвенную коррозию, но опасность коррозии блуждающими токами остается. Для телефонных кабелей, уложенных в каналах, не устраняется опасность коррозии собирающейся влагой.
Третьим вариантом конструктивных мер является осуществление на линии таких устройств, которые препятствуют почвенной коррозии и попаданию на трубопровод блуждающих токов. К этим устройствам относятся изолирующие муфты, установка изолированных опор на линиях в каналах, а также устройство выводов, позволяющих
проводить электрические измерения на трубопроводах и кабелях с поверхности для быстрого и удобного установления коррозийной опасности. Другой частью мероприятий этого типа являются меры, проводимые на путях для предупреждения утечек тока, в частности:
Увеличение переходного сопротивления между рельсами и землей путем:
устройства изоляции основания рельсов;
устройства чистого щебеночного балласта;
отсутствия заземления минусовой шины;
пропитки шпал изолирующим составом;
дренажа рельсового полотна;
надежной электроизоляции отсасывающих кабелей;
электрического отсоединения неэлектрифицированных путей;
запрещения применения подсаливания.
Увеличения проводимости рельсовых путей путем: контактной сварки рельсов;
увеличения сечения рельсов;
шунтирования стрелок и крестовин;
междурельсовых соединений;
междупутных соединений;
прямых присоединений к отсасывающим пунктам.
Уменьшение падения напряжения в рельсовой сети путем:
увеличения числа тяговых подстанций;
увеличения сечения и количества отсасывающих линий; выравнивания нагрузок;
уравнивания потенциалов отсасывающих пунктов.
Сюда же можно отнести перевод электрических железных дорог на воздушное питание (троллейбус).
К числу конструктивных мероприятий следует отнести выбор трассы подземных линий с целью наибольшего удаления ее от возможных источников блуждающих токов и прохода по наименее коррозийно-активным почвам.
27. Защитные покрытия. Применение защитных покрытий имеет очень широкое распространение. Из различных видов покрытий металлические применяются слишком редко, чтобы они могли иметь какое-либо практическое значение. Имеют место случаи применения горячей оцинковки для труб небольших диаметров. Такие покрытия не служат защитой от блуждающих токов и недостаточно увеличивают срок жизни защищаемых труб. Не 68
находят себе практического применения и лакокрасочные покрытия. Как показали многократные и длительные испытания, их значение для удлинения срока жизни подземных сооружений совершенно ничтожно. Не имея достаточной стойкости в подземных условиях и достаточной толщины, они быстро приходят в негодность, не оправдывая произведенных затрат.
Цементные, бетонные и железобетонные покрытия применяются для защиты подземных трубопроводов и почти всегда с прекрасными результатами (Л. 7, 44 и 45]. Однако стоимость таких покрытий весьма высока, выполнение их весьма громоздко, и поэтому широкого применения они также не получили. В то же время они не применимы при блуждающих токах из-за нарушения бетона электролизом [Л. 44]. Примерно такое же положение имеет место в отношении пластмассовых покрытий с той разницей, что дальнейшее развитие получения и применения пластмасс позволяет надеяться на значительное удешевление этого типа покрытия и возможность их широкого применения для защиты трубопроводов и кабелей в будущем. Наиболее широко в настоящее время применяют органические защитные покрытия, главным образом из нефтяных битумов и каменноугольных пеков (Л. 7 и 44]. Обладая достаточно высокими защитными качествами, будучи недорогими и обладая свойствами, позволяющими обеспечить их сравнительно простое применение, нефтебитумные и каменноугольные покрытия находят себе самое широкое распространение во всем мире для защиты как трубопроводов, так и кабелей.
В Советском Союзе в настоящее время наибольшее распространение получили битумные покрытия, состоящие из нефтяного битума IV марки и различных наполнителей: каолина, известняка, резиновой крошки. Состав и методы применения этих изоляционных покрытий описаны в специальной литературе {Л. 7, 44 и 45]. Здесь укажем, что обычно чаще всего применяют три типа защитных битумных покрытий, отличающихся друг от друга количеством битумных слоев и усиливающих защиту обмоток, заложенных внутри покрытия. Толщина каждого слоя битумного материала, находящегося между металлом трубы или отдельными обмотками, составляет 3—4 мм, причем обычно каждый такой слой получается двойным наложением битумного материала. Эти три типа защитных покрытий характеризуются следующим:
Нормальное Усиленное Весьма усилен* покрытие покрытие ное покрытие
Количество битумных слоев толщиной 3—4 мм ....... 1 2 3
Количество усиливающих обмоток из асбестовой или стеклянной ткани в битумном покрытии ........................ — I 2
Количество заключительных защищающих обмоток из крафт-бумаги ..................... I I 1
Общая толщина защитного покрытия, мм 3,5—4,5 7,5—9,5 11,5—14,5
Последняя обмотка из крафт-бумаги выполняется главным образом для механической защиты битумного покрытия во время укладки и эксплуатации. Битумные покрытия после своего наложения проверяются на полную непрерывность при помощи специального электрического прибора — детектора. Однако при укладке всегда имеются условия, из-за которых покрытие получает известные повреждения, что и обеспечивает его некоторую проводимость. Непрерывное битумное покрытие имеет исключительно высокое удельное сопротивление порядка нескольких мегом на 1 л2 поверхности. Однако появление первых, даже незначительных повреждений резко снижает сопротивление покрытия до нескольких тысяч ом.
Однако все защитные покрытия, в том числе и нефтебитумные и каменноугольные, обладают общим недостатком: после пребывания в течение некоторого периода времени в подземных условиях они, наконец, приходят в негодность и перестают отвечать своему назначению по защите подземных сооружений от коррозии. Возобновление их при этом бывает очень дорогой и трудоемкой или даже во многих случаях практически невозможной работой из-за местных условий. Поэтому часто, особенно для существующих подземных трубопроводов, встает вопрос о необходимости осуществления дополнительных мер защиты, которые позволили бы достаточно экономично выполнить мероприятия, продляющие срок жизни подземных сооружений. Такими дополнительными мерами могут быть электрические методы защиты.
28. Электрические методы защиты подземных трубопроводов и кабелей. Для поддержания сохранности подземных линий, защитная изоляция которых разрушилась, применяются электрические методы защиты, 'называемые также иногда активны-70
ми методами. К электрическим методам относятся катодная защита с обеими ее разновидностями — с наложенным током и гальваническими анодами, и электрический дренаж различных видов. Катодная защита и электрический дренаж могут применяться как для защиты новых, только что сооруженных подземных линий, так и для таких линий, которые имеют уже некоторый срок работы. В обоих случаях катодная защита и электрический дренаж могут защищать как линии, имеющие надежную защитную изоля цию, так и голые линии или линии, имеющие изоляцию в той или иной мере разрушенную. Применение этих методов защиты может также приостановить появление новых сквозных разъеданий на сильно разрушенных линиях. Однако необходимо указать, что с экономической стороны применение катодной защиты бывает наиболее эффективно тогда, когда подземный трубопровод имеет изоляцию, что резко снижает расход необходимого тока и делает возможным защищать трубопровод на большом протяжении (несколько десятков километров) из одной точки. При защите кабелей наличие изоляции не играет такой заметной роли ввиду сравнительно небольшой их поверхности. Применению катодной защиты заметно мешает наличие блуждающих токов иа участке, которые увеличивают защитные параметры тока. Однако в этом случае с успехом может быть применен метод электрического дренирования, который использует блуждающие токи для образования защитной схемы. Электрический дренаж применяется главным образом в городах для защиты трубопроводов и кабелей разного назначения.
Наоборот, катодная защита в большей степени применяется для защиты загородных линий большого протяжения с минимальными блуждающими токами. При этом следует считать рациональным применять катодную защиту только на тех участках, на которых ожидается повышенная скорость коррозии, и только тогда, когда практическое обследование трубопровода покажет, что ожидавшаяся повышенная скорость коррозии имеет место. Возможность применения и результативность катодной защиты в этом случае не уменьшаются, а экономичность ее сильно возрастает. Практику применения катодной защиты на всем протяжении каждой уложенной линии следует считать не оправданной и экономически невыгодной.
Дренажную защиту также следует применять тогда, когда мероприятия по предупреждению появления блуж
дающих токов, выполненные на самых источниках блуждающего тока, не дадут нужных результатов.
При применении любого вида электрической защиты следует всегда осуществлять комплексную защиту всех подземных сооружений, находящихся в зоне их действия, так как в противном случае создается реальная опасность увеличения скорости коррозии на соседних незащищенных сооружениях.
Экранирование является методом, сходным с дренажем, и заключается в установке экрана на пути блуждающего тока с целью его собирания и отвода по безопасному пути. Из-за сравнительной громоздкости и ограниченной эффективности этот метод применяется для отдельных участков подземных сооружений.
Электрические методы защиты благодаря высокой эффективности, экономичности и простоте выполнения получили широкое применение как дополнительный метод для продления срока жизни подземных трубопроводов, кабелей и других сооружений.
Особенности электрической защиты тепловых сетей. Теплофикационные сети в больших городах получили самое широкое распространение, и их протяженность во многих случаях почти не уступает протяженности водопроводов и газопроводов. В то же время в отношении коррозийных условий эти трубопроводы находятся в особых условиях, затрудняющих применение для них электрических мер защиты. Особенности тепловых сетей, отличающие их от других подземных линий, заключаются в следующем:
1. Теплопроводы прокладываются всегда двумя параллельными линиями, находящимися на небольшом (60— 70 мм) расстоянии друг от друга. Эти две линии соединяются между собой металлическими связями в отдельных местах.
2. Для теплопроводов широко применяется способ укладки их в непроходных каналах, где они соприкасаются не с окружающей почвой, но главным образом с имеющейся теплоизоляцией.
3. Высокая температура теплопроводов создает особые условия для развития коррозии и приводит к значительной подвижности труб при постоянно имеющих место изменениях температуры. Имеется также заметная разница температур между обеими нитками теплопроводных линий.
4. По условиям эксплуатации теплопроводы бывают постоянно соединены с водопроврдными и газопроводными линиями.
5. Вследствие высокой температуры теплопроводы не имеют изоляции, обладающей диэлектрическими свойствами. Обычная изоляция представляет тонкую пленку битумного лака, которая не может служить серьезной защитой от коррозии, а также диэлектрическим слоем, помогающим осуществлению катодной защиты.
6. При прокладке в каналах теплопроводы имеют значительное количество компенсационных муфт, скользящих и неподвижных опор, заметно влияющих на коррозийные условия работы труб.
При бесканальной прокладке наличие двух близко расположенных параллельных линий, имеющих раоличную температуру и через определенные промежутки связанных между собой металлическими связями, увеличивает количество и интенсивность коррозионных элементов на теплопроводах и приводит к усиленной коррозии. В случае прокладки теплопроводов в каналах число таких коррозионных элементов сильно снижается, но локализация их вблизи мест контактов обеих линий может повести к интенсификации имеющихся коррозионных элементов. Наличие повышенных температур также ведет к увелече-нию скорости возможной коррозии.
Отсутствие противокоррозионной диэлектрической изоляции на теплопроводах объясняется тем, что обычные материалы, применяющиеся для этой цели, являются недостаточно теплостойкими для применения на теплопроводах. Поэтому теплопровод фактически контактируется непосредственно с теплоизоляционными материалами, окружающими трубы. Эти материалы, как правило, являются высокопористыми, что при колебаниях теплового режима может часто создать на поверхности трубопровода влажную среду, способствующую ускорению коррозии. Эта опасность сильно уменьшается при укладке теплопроводов в каналах, когда теплоизоляция не имеет прямого контакта с влажной почвой. Повышенная температура создает вокруг теплопроводов благоприятные условия для развития коррозии даже в зимнее время, когда обычно процессы коррозии сильно затормаживаются из-за промерзания почвы.
Металлическая связь между теплопроводами и водопроводами существует на вводах во все жилые дома, где 73
они соединяются через специальные вентили, предназначенные для заполнения водой домовых коммуникаций теплосети перед началом отопительного сезона. Металлические связи имеют место и в других местах, например в местах присоединения теплопроводов к котельным уста новкам. Такие металлические связи между линиями различного назначения способствуют более интенсивному перетеканию блуждающих токов и, следовательно, к общему их увеличению в данных системах Это в свою очередь ведет к увеличению скорости коррозии.
Наличие на теплопроводах компенсационных муфт увеличивает продольное сопротивление теплопровода и этим несколько уменьшает опасность коррозии, затрудняя протекание блуждающих токов и токов длинных линий на трубопроводах. С другой стороны, такие муфты создают трудности при применении для теплопроводов электрических методов защиты, так как в этом случае для поддержания электрической непрерывности трубопровода бывает необходимо шунтировать муфты специальными перемычками. Стальные подвижные и неподвижные опоры облегчают попадание блуждающих токов на теплопроводы благодаря своему хорошему заземлению и, таким образом, являются благоприятными для коррозии блуждающими токами.
Устройство теплопроводов -в каналах создает ту особенность, что блуждающие токи, попавшие через заземленную опору на трубопровод, не имеют легкой возможности перейти с поверхности теплопровода на окружающую влажную теплоизоляцию. Ввиду, сравнительно малой проводимости теплоизоляции и так как последняя выполняется в слое определенной толщины, ток не имеет легкого пути для протекания по всей протяженности теплоизоляции. Поэтому места перехода тока из труб на теплоизоляцию или обратно обычно локализуются вблизи места попадания или стекания тока из окружающей среды на теплопровод. Таким образом, места вероятных коррозионных разрушений на теплопроводах локализуются, не распространяясь обычно на всю поверхность труб. Это, однако, имеет и свою отрицательную сторону, так как скорость коррозии на таких участках увеличивается.
29. Особенности защиты силовых кабелей. Наиболее трудными объектами для электрической защиты являются силовые кабели высокого напряжения, почему такая защита и получила на них наименьшее при-74
менение. Трудности защиты силовых кабелей происходят из-за наличия на них стальной брони. Наличие стальной брони создает необходимость защиты одновременно свинцовой оболочки и стальной брони, защитные условия для которых различны. Кроме того, на старом кабеле, бывшем в работе, стальная броня очень часто теряет свою непрерывность из-за местных разрушений, что делает электрическую защиту просто невозможной. При новом кабеле оказывается необходимым обеспечить электрическое соединение оболочки и брони в достаточно большом количестве точек во избежание случайных местных перетеканий тока с брони на оболочку и обратно, что вызовет сильные разрушения. Так как выполнение таких надежных соединений очень трудно достижимо, то это сильно снижает возможности защиты силовых кабелей электрическими методами. Кроме того, в случае электрической защиты силовых бронированных кабелей следует иметь в виду возможность дополнительного нагрева оболочки кабеля дренажными или защитными токами. Поэтому в случае применения защиты всегда следует проверить возможность нагрева оболочки путем специального расчета (Л. 10].
Наконец, препятствием для защиты силовых бронированных кабелей являются требования заземления металлических оболочек кабеля, выдвигаемые правилами безопасности [Л. 46]. Такое заземление при наличии электрической защиты может привести к распространению отрицательного потенциала на все заземленные части оборудования и на само заземляющее устройство. Такое положение сильно затруднит регулировку устраиваемой защиты и предупреждение вредного влияния защиты на соседние сооружения и увеличит собираемые дренажной защитой блуждающие токи.
Во избежание вредного влияния электрической защиты в этом случае необходимо отключать заземляющие устройства от свинцовой оболочки кабеля. Это возможно для кабелей значительного протяжения, имеющих срок службы несколько лет, так как такие кабели могут считаться сами хорошо заземленными. Такое отключение не расходится с существующими правилами [Л. 46].
Для повышения безопасности дренажной установки для защиты силового кабеля необходимо предусматривать установку пробивного предохранителя так же, как это осуществляется на обмотках низкого напряжения транс-
форматоров, не имеющих непосредственного заземления нейтрали.
Перечисленные выше трудности не исключают возможности применения электрических методов защиты для силовых кабелей, но сильно его затрудняют. Поэтому чаще всего электрические методы защиты применяются для этих кабелей тогда, когда необходима комплексная защита всех подземных сооружений на данном участке, где проложен и силовой кабель. Случаи отдельной защиты силового кабеля значительно более редки.
Наконец, еще одним затруднением, возникающим при применении электрической защиты для силовых кабелей, является невозможность разрыва электрической непрерывности линии. Ввиду требований правил устройства электрических установок установка на силовых кабелях электроизолирующих муфт, как это делается для низковольтных кабелей, оказывается невозможной. В связи с этим увеличиваются и трудности регулировки защиты.
30. Особенности защиты чугунных трубопроводов. Электрическая защита применяется также и для чугунных трубопроводов, однако здесь возможны затруднения из-за наличия на них свинцовых и цементных соединений. Как показала практика, при свинцовых муфтах чугунный трубопровод имеет продольную проводимость, достаточную для осуществления электрических мер защиты. Однако каждый раз должна быть проведена специальная проверка продольной проводимости, и в случае отдельных соединений с высоким сопротивлением оказывается необходимым шунтирование их специальным проводником с малым сопротивлением. Цементные соединения являются препятствием для осуществления защиты, так как все такие соединения требуют шунтирования, что на практике трудно выполнимо.
31. Общие условия применения защитных мероприятий. Выбор защитных мероприятий производится с учетом всех местных условий. В первую очередь должны быть рассмотрены мероприятия, ликвидирующие основную опасность коррозии: при почвенной коррозии — прокладка трассы в коррозийно неактивных почвах и при блуждающих токах — уменьшение их до неопасного минимума.
Лишь затем рассматриваются другие методы защиты с учетом возможности и удобства их применения. Здесь 76
обычно для существующих линий на первый план выходят именно электрические меры защиты, описанные дальше.
Во всех случаях совершенно необходимым является учет экономики выполняемых защитных мероприятий, так как без него ни одно мероприятие не может быть признано рациональным. Экономика определяется обычно сравнением стоимости отдельных мероприятий с учетом их эффективности и также сравнением с расходами, возникающими на подземных линиях вследствие коррозии.
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
КАТОДНАЯ ЗАЩИТА
32. Основной принцип. Основным принципом катодной защиты является катодная поляризация защищаемой поверхности с приданием ей отрицательного потенциала относительно окружающей среды при помощи какого-либо источника постоянного тока.
Один и тот же принцип катодной защиты может быть использован для двух различных систем, имеющих различные конструктивные схемы, зависящие главным образом от природы источника постоянного тока.
33. Системы защиты. Катодная поляризация защищаемой поверхности трубопровода или кабеля может быть достигнута или при помощи постоянного тока, вырабатываемого посторонним источником этого тока, или при помощи создания крупных гальванических элементов, в которых защищаемое сооружение играет роль катода. В первом случае система носит название катодной защиты внешним током или катодной защиты с наложенным током. ГОСТ 5272-50 на терминологию по коррозии металлов [Л. 1] допускает также для этой системы термин электрозащита. Принципиальная схема такой защиты приведена на рис. 26..Как видно из этой схемы, источник постоянного тока присоединен своим положительным полюсом к специальному металлическому заземлению, находящемуся вблизи защищаемого сооружения. Отрицательный полюс источника тока присоединен к самому защищаемому сооружению в точке дренажа. Таким образом, создается движение тока в следующей электрической цепи: положительный полюс источника тока — соединительный провод к заземлению — заземление—почва между заземле-
нием и защищаемым сооружением — защищаемое сооружение — соединительный провод от сооружения к источнику тока — отрицательный полюс источника тока. Так как в описанной электрической цепи поверхность защищаемого подземного сооружения всюду имеег поступ-
Рис. 26. Принципиальная схема катодной защиты (стрелками показан путь тока).
Рис. 27. Схема системы катодной защиты наложенным током с распределенными анодами.
ление тока из окружающей его почвы, то она поляризуется катодно и оказывается, таким образом, защищенной от коррозии. В описанной системе анодом является специально сделанное заземление, с которого стекает в окружающую почву ток и которое поэтому оказывается подверженным усиленной коррозии.
Иногда для лучшего распределения тока по защищаемой линии при катодной защите наложенным током применяют систему распределенных анодов, схема которой приведена на рис. 27. Недостатком такой системы является высокая стоимость, определяемая большим количе-78
ством заземлений и большой длиной силовых питающих линий.
Вторая система защиты называется катодной защитой гальваническими анодами или автономными анодами, а иногда и протекторной защитой (по названию анода в этой системе, именуемого протектором). Принципиальная схема этой системы, осуществляемая на тех же основах, что и катодная защита наложенным током, в то же
Поверхность почВы
I „^Гальванический анод
Рис. 28. Принципиальная схема катодной защиты гальваническими анодами.
время имеет некоторые конструктивные особенности, видные на рис. 28. Как видно, ток в этой системе получается при помощи создания большого гальванического элемента, одним электродом которого является защищаемое сооружение, а другим — специальные гальванические аноды с более отрицательным потенциалом, иначе называемые автономными анодами или жертвенными анодами, или протекторами. Почва в данном случае играет роль электролита. Аноды присоединены при помощи проводника к защищаемому сооружению. В созданной электрической цепи ток течет по следующему пути: от гальванического анода ток растекается в окружающую землю, затем по ней к поверхности защищаемого сооружения, переходит на нее и течет по сооружению, собираясь в точке дренажа у присоединения соединительного провода, и по последнему обратно в гальванический анод. Так как созданный гальванический элемент имеет небольшой выход тока, то одной системы оказывается недоста-
точно для защиты протяженных линий, и приходится располагать целый ряд таких анодов вдоль них, как это показано на рис. 29. Иногда вместо отдельных анодов такая система имеет уложенную в землю параллельно линии специальную ленту из более электроотрицательного металла, соединенную через определенные интервалы с защищаемой линией, как это показано на рис. 30. Такой анод называется ленточным.
Рис. 29. Схема (в плане) системы защиты гальваническими анодами. / — гальванический анод; 2 — шурф со специальной засыпкой;
3 — соединительный провод; 4 — защищаемая линия.
S \wJ0-J50m
ПоН
Рис. 30. Схема катодной защиты с применением ленточного магниевого анода.
/ — ленточный магниевый анод; 2 — изолированный соединительный провод; 3 — защищаемый трубопровод; 4 — место приварки или припайки.
34. Электрическая схема катодной защиты. Электрическая схема катодной защиты играет большую роль в осуществлении последней, так как дает возможность понимать и правильно оценивать отдельные участки цепи и их сопротивление. В соответствии с описанной выше принципиальной схемой катодной защиты с наложенным током основная электрическая схема последней будет представлять собой ряд последовательно соединенных сопротивлений (рис. 31). Этими сопротивлениями являются следующие: Ал — сопротивление соединительного провода к заземлению: fa — сопротивление тела самого заземления; — сопротивление растеканию тока с заземления в окружающую почву; — сопротивление почвы; — переходное сопротивление тока из почвы на защищаемое сооружение (сопротивление самой защиты);
— сопротивление тела самого сооружения; fa— сопротивление соединительного провода между сооружением и 80
отрицательным полюсом источника тока. Практически, однако, сопротивление тела самого заземления и сопротивление почвы бывают настолько малы, что их не принимают во внимание, сопротивление обоих соединительных проводов объединяют, а сопротивление тела сооружения присоединяют к переходному сопротивлению защиты. Типичное распределение основных потерь напряжения или
Рис. 31. Электрическая схема катодной защиты.
Рис. 32. Электрическая схема катодной защиты.
R, — сопротивление соединительного провода: Rj — сопротивление растеканию анода; R3 — сопротивление земли; R4 — сопротивление перехода от земли к трубе; — сопротивление трубы до точки дренажа; &Е—действующая разность потенциалов.
сравнительные величины трех основных сопротивлений видны из табл. 16. Цифры этой таблицы особенно важны для сравнительной оценки роли заземления в общей системе защиты. Конструкция заземления находится в руках проектировщика и, как видно из таблицы, именно от нее может зависеть потребление энергии катодной установки.
Электрическая схема протекторной защиты оказывается несколько проще, хотя и здесь имеется несколько последовательно соединенных сопротивлений (рис. 32).
Примеры сравнительных величин основных сопротивлений цепи катодной защиты
Распределение потерь энергии 1-й случай (0.8 ом, 32 а), % 2-й случай (2.7 ом, 108 а), %
Потеря энергии в соединениях 12,5 18,5
Потеря энергии в заземлении . 62,5 74,0
Активно используемая энергия 25 7.5
При всяком случае применения катодной защиты должны быть прежде всего решены вопросы о принципиальной возможности ее осуществления. Осуществление катодной защиты возможно не всегда, но только в том случае, если защищаемое сооружение находится в определенных условиях.
Общие условия, определяющие возможность осуществления катодной защиты:
1) наличие вокруг всей защищаемой поверхности электропроводной среды — жидкости, электролита, влажного бетона и т. д.; такая среда вокруг защищаемой поверхности необходима для возможности перехода тока на защищаемый металл и для возможности создания электрической цепи;
2) окружающий защищаемую поверхность твердый или жидкий электролит должен быть «в массе», т. е. создавать вокруг этой поверхности достаточно толстый слой, по. которому ток может равномерно распределяться по всей поверхности защищаемого металла;
3) защищаемая конструкция должна иметь возможно более простую конфигурацию, большая сложность конструкции сильно затрудняет устройство системы, обеспечивающей необходимое распределение тока; наличие нескольких близко расположенных параллельных линий, отводов и т. п. сильно затрудняет равномерное распределение тока из-за явлений «экранирования», т. е.-преимущественного собирания тока ближайшими частями поверхности;
4) потребление тока, необходимого для защиты, не должно быть настолько большим, чтобы возникала опасность для людей, при случайном контакте;
5) защищаемый металл не должен подвергаться опасности сильной катодной коррозии из-за наличия щелочности, образующейся при катодной защите у его поверхности.
В соответствии с изложенным можно определить случаи наиболее простой системы защиты и случаи, когда защита будет затруднена. Так, наиболее просто защищается отдельная линия подземного сооружения. Сложней защитить сеть трубопроводов или кабелей в форме замкнутого прямоугольника. Еще сложней защитить систему нескольких параллельных линий, особенно если расстояние между ними мало. Сложную городскую сеть трубопроводов защищать наиболее трудно, причем не только из-за сложности конфигурации ее, но и вследствие большого числа случайных присоединений, дающих возможность больших утечек тока.
35. Эффективность катодной защиты. Опасность коррозии для подземных трубопроводов и кабелей весьма велика. Весьма часты случаи, когда первое сквозное разъедание даже на трубопроводе, имеющем толщину стенки 8—9 мм, возникает уже через три-четыре года после его сооружения. Известны даже отдельные случаи, когда такие сквозные разъедания начинаются уже через год после сооружения, несмотря на толщину стенки трубы 8 мм. После появления первых сквозных разъеданий количество их начинает быстро расти. Как показали статистические данные, количество ежегодных проржавлений на трубопроводе может быть выражено ориентировочно уравнением:
R — eTf, (13)
где — количество сквозных проржавлений за Т лет, считая с первого года появления проржавлений;
е — количество разъеданий за первый год;
f — показатель кривой, зависящий от местных условий, значения которого обычно лежат в пределах 1—2, редко достигая значений 3,5.
На рис. 33 приведена кривая роста проржавлений по годам на 735 км линий диаметром 6'' с толщиной стенки 7,1 мм. Показатель f для этой кривой оказался равным 1,562. Таким образом, видно, насколько быстро растет число повреждений трубопровода, если не ведется борьбы
с коррозией. Применение катодной защиты не только задерживает рост числа повреждений трубопровода, но часто почти полностью приостанавливает коррозию. Очень показателен график роста числа сквозных разъеданий, представленный на рис. 34, для газопровода длиной 8 км диаметром 22". На этом газопроводе, как видно из
Рис. 33. Общее количество прорывов от коррозии по времени (735 км 6" труба, толщина стенки 7,1 мм).
рис. 34, (начиная с 1931 г., стали появляться сквозные проржавления в количестве 25—30 в год. В начале 1933 г. и а трубопроводе была осуществлена катодная защита; в течение первых шести месяцев после этого прорывы трубопровода еще появлялись в заметном количестве — 20 случаев за полгода.. Такое замедление начала действия катодной защиты является обычным на металле, уже имеющем сильные коррозионные разрушения. Однако с середины года количество проржав-лений резко упало, и за
весь последующий год число их составило только пять. Затем защита была снята, и за последующие
пол года было обнаружено три новых прорыва. С 1935 г. эта линия была разделена на две части: защищенную длиной 5,6 км и незащищенную длиной 2,4 км. За последующие полтора года первый бо-
лее длинный участок, имеющий защиту, дал всего одно проржавление, тогда как второй более короткий, но незащищенный — пять проржавлений.
Другой пример эффективности катодной защиты приведен на рис. 35. Здесь показан результат применения катодной защиты гальваническими анодами на шести отдельных участках городских трубопроводов, которые давали очень большое число проржавлений (приведенных к единице измерения протяжения в 100 м). Как видно из
рис. 35, после ввода в действие катодной защиты проржавления или прекратились совсем, или же число их резко снизилось. Очень показательные цифры дает табл. 17, в которой приводятся данные весовых потерь для защищенных и незащищенных образцов, расположенных вблизи одно-
Рис. 34. Эффективность действия катодной защиты на 8 км газопровода, диаметром 22".
го подземного трубопровода. Как видно из табл. 17, средняя полнота защиты достигала 93%, а в отдельных случаях даже 100%.
Все это подтверждает высокую эффективность катодной защиты, которая вместе с большой простотой и экономичностью обеспечила ей всеобщее признание и широкое распространение.
Как уже было сказано, катодная защита не только предупреждает возникновение коррозии, но и останавливает уже начавшийся процесс разрушения металла, действуя в последнем случае несколько замедленно.
Эффективность применения катодной защиты
Вид незащищенного образца
Потерн в весе. кг/л»’
Вид защищенного образца
Потери в Полнота весе, кг/м' защиты, %
Ниппель. Муфта Ниппель. Муфта Ниппель . Пластинка . Пластинка .
Среднее
1,27 Ниппель 0,072
1,14 Муфта . —
0,46 Ниппель 0,077
1,02 Муфта . 0,181
1,43 Ниппель . 0,109
2,20 Пластинка 0,081
2,20 Пластинка 0,122
— Пластинка —
1,59 — 0,091
Рис. 35. Суммарное количество проржавлений по годам на шести участках городского трубопровода, защищенных гальваническими анодами. Стрелка показывает дату ввода в действие катодной защиты.
Говоря об эффективное! и катодной защиты, необходимо подчеркнуть, что неизвестно ни одного случая, когда бы правильно примененная катодная защита оказалась бесполезной для поддержания сохранности трубопровода. Дешевизна, простота, удобство применения и эффективность делают этот метод защиты во многих случаях незаменимым средством борьбы с подземной коррозией.
36. Критерии защиты. Для определения того, созданы ли условия при катодной защите, предупреждающие коррозию, могут быть использованы различные критерии, в частности значения величины защитного потенциала поляризации, созданные на защищаемом металле, или величина защитной плотности тока, или построение поляризационных кривых потенциал—ток на защищаемом сооружении. Существуют также колориметрический метод и метод контрольных образцов. Наиболее простым, удобным и достаточно точным является установление величины минимального защитного потенциала, при котором достигается наиболее полная защита. При этом, конечно, наиболее существенным является правильное определение той величины, которая будет служить контрольной для проверки работы.
Хотя определению величины минимального защитного потенциала посвящен ряд лабораторных работ (Л. 47, 49, 50, 53, 54, 55, 56] и теоретических исследований [Л. 48, 50, 51, 52], однако все они в той или иной мере основаны на произвольных допущениях и в основном направлены к оправданию величины защитного потенциала, выработанного, собственно говоря, на основании многочисленных практических работ [Л. 47, 50. 51, 57 -и др.]. Поэтому в настоящее время применяющаяся как критерий защиты величина защитного потенциала является, по существу, полученной практически и оправданной многочисленным применением. В настоящее время существуют два метода оценки критерия защитного потенциала. С одной стороны, можно установить общее значение измеряемого защитного потенциала металл — почва, при котором прекращается или почти прекращается коррозия. С другой стороны, можно установить то значение сдвига первоначального, естественного потенциала в отрицательную сторону, при котором опять-таки достигаются наилучшие условия защиты. При определенных значениях первоначального естественного потенциала, без наложенного тока, будут совпадать оба этих критерия, однако в ряде случаев они
могут и заметно расходиться. Первый способ требует меньшего объема работ, проще в выполнении, хотя часто он дает завышенные значения потенциала, вызывая этим условия перезащиты и завышенного расхода тока.
37. Защитный потенциал. Общую величину защитного потенциала, измеренного по медносульфатному электроду сравнения, почти всегда принимают равным для стали—0,85 в, для свинца—0,55 в, для цинка—1,390 в и для меди — 0,520 в. Об условиях выполнения этого замера будет сказано ниже. Указанная величина защиты применяется в тех условиях, когда нс предполагается развития анаэробной биокоррозии. При наличии этого вида коррозии величина защитного потенциала для стали принимается равной — 0,95 в, для свинца — 0,65 в по медносульфатному электроду. Приведенные цифры критерия защиты по потенциалу в настоящее время не являются хоть сколько-нибудь дискуссионными, так как все авторитеты в этой области [Л. 10, 18, 47, 50 и 57], а также громадное количество практических случаев применения этих значений подтверждают их достаточность и правильность. Имеются попытки определять эту величину в зависимости от pH окружающей почвы [Л. 521, однако практическими данными эти теоретические выводы пока не подтверждаются.
Существует методика проведения контроля не по общей величине измеренного потенциала, а по снижению значения естественного потенциала металла на некоторую величину, обычно на 0,285 в [Л. 8 и 48] или 0,3 в [Л. 47 и 50]. В этом случае на линии должны быть в выбранных точках сделаны измерения естественного потенциала металл—почва без включения катодной защиты в действие. В случае, если замеры должны выполняться на линии, находившейся под катодной защитой, измерения должны выполняться не раньше как через 6 ч после выключения тока, когда влияние поляризации будет достаточно снижено. Естественный потенциал стали в почвенных условиях находится в пределах от —0,36 до —0,65 в по медносульфатному электроду, однако в большинстве случаев крайние значения встречаются весьма редко, и обычные значения лежат в пределах от —0,45 до —0,60 в. В среднем, с запасом эти значения в случае необходимости принимаются равными —0,55 в.
После измерения естественного потенциала (при выключенной защите) включают защиту и измеряют потен-88
циалы в тех же точках после установления стабильного состояния тока. Полученные значения вычисляются по уравнению
Д£.=^~ЕМ. (14)
где &Е1— потенциал катодной защиты;
Ееп — естественный потенциал металл — почва в точке /;
Емп—потенциал металл —почва с наложенным током катодной защиты в точке /.
Применение последней методики, несколько более сложной вследствие необходимости двойного измерения
Разность потенциалов почва-сталь пасло *000ч контакта
Рис. 36. Защитный потенциал катодной защиты.
потенциала в каждой точке, в конечном счете является более экономичным, так как в большинстве случаев позволяет иметь для защиты меньшие потенциалы, чем —0,85 в. В то же время практически такая методика является вполне правильной для определения полноты действия защиты.
Таким образом, она должна считаться более экономичной для контроля, в то время как первая методика является более простой и дающей часто некоторую «пере-защиту».
Следует указать, что защитное действие катодной поляризации начинает проявляться уже при самых неболь-89
ших сдвигах естественного потенциала, как это видно из типичной кривой зависимости степени защиты от наложенного потенциала (рис. 36), однако наибольшая полнота защиты достигается лишь при достижении значений, приведенных выше. Нужно также отметить, что при дальнейшем увеличении наложенного потенциала возникает небольшое снижение степени защиты, т. е. возникают так называемые явления «перезатциты».
Важным требованием к наложенному потенциалу является необходимость его постоянного поддерживания
Рис. 37. Изменение потенциала металла при включении и выключении наложенного тока.
/ — ток катодной защиты включен; 2 —изменение потенциала после включения защиты; 3 — медленная поляризация под влиянием наложенного тока; 4— ток выключен. значение потенциала не возвращается к первоначальному; 5 — медленное повышение потенциала, не достигающее первоначального; б —понижение потенциала после повторного включения тока и медленная поляризация под влиянием наложенного тока; 7 —ток выключен повторно, потенциал не достиг первоначального значения.
на выбранном уровне. В ранний период применения защиты существовало мнение о возможности периодического длительного выключения защиты. Однако такая практика оказалась возможной лишь для условий коррозии в морской воде, когда образуется защитный карбонатный фильм на металле. Проводившиеся же исследования на подземных трубопроводах показали, что через 1—2 ч после выключения защиты защитный потенциал быстро повышается за защитные пределы, как это видно из рис. 37. Поэтому перерывы в подаче защитного тока не должны превышать 1—2 ч.
38. Минимальная защитная плотность тока (МЗПТ). Если величина минимального защитного потенциала является постоянной для различных 90
условий, то величина минимальной защитной плотности тока может заметно изменяться в зависимости от характеристики почвы и особенно от наличия на металле защитной изоляции. В табл. 18 приводятся значения плотности тока для различных почв и трубопроводов, из которой видно, насколько широко может изменяться минимальная защитная плотность тока. Следует заметить, что для одной и той же почвы она зависит и от ее влажности. На основании ряда практических данных Кальман [Л. 58] по-
строил кривую, ставящую минимальную Защитную плотность тока в зависимость от удельного сопротивления почвы (рис. 38). Примерные минимальные защитные плотности тока для различных почв различной влажности и различной изоляции приведены в табл. 19. С повышением температуры защитная плотность тока увеличивается. Однако одновременно с этим снижение содержания О2 действует на МЗПТ в обратном направлении.
Более точные определения МЗПТ можно произвести при помощи ускоренных лабораторных исследований. Такие определения могут быть быстро и просто выполнены в лабораторных условиях на приборе, схема которого показана на рис. 39. Результаты определения на этом приборе могут быть получены уже через 5—20 дней в зависимости от коррозийной активности почвы. Для испытания ставится серия таких приборов с различной защитной плотностью тока и определяется гравиметрически отсутствие коррозии на стальных образцах.
Практические величины защитной плотности тока
Характеристика линии Параметры катодной защиты
Состояние покрытия Наружный диаметр, дюймы Переменный ток, потребляемый Постоянный ток в защите
линии, км 1 8 S 0 том числе на 1 км 3" эквивалента £ ё « й Р среднее на 1 м* поверхности трубы
Отсутствие . . Отсутствие . . Отсутствие . . Отсутствие . . Отсутствие . . Отсутствие . . Отсутствие . . Плохое . Отличное. Плохое . Отличное . Плохое . Отличное Плохое . Отличное . Хорошее Хорошее Отличное . Хорошее Хорошее 8 8 8 16 18 8 12 14 16 14 16 14 16 14 14,16,18 6 4 4 12 6 7 1,9 33,6 7,7 5 14,0 3,4 1,6 16,0 16,0 5,3 5,3 4,8 4,8 218 7 22,5 7,5 46,0 13,5 2 815 900 8 400 2 880 2600 3 200 230 4 800 4 800 1500 1500 2700 2700 7000 60 150 25 895 812 137 163 87 70 87 80 30,6 30 30 28,3 28,3 5,6 56 5,6 4,25 5 2,5 2,2 30 119 60 724,8 299,1 197,1 154,6 92,8 29,6 331,5 331,5 119,5 119,5 161,7 161,7 490 3 14,4 4 59 51 9,4 17,6 12,1 П,7 10,6 6,2 15,5 6,3 з,з 3,3 3,6 3,6 5,4 5,4 0,6 0,3 0,7 0,6 0,5 3,0 24,4 45,7 26,0 30,4 27,4 16,2 40,1 16,6 8,6 8,6 9,3 9,3 14,0 14,9 1,5 0,7 1,8 1,5 1,3 7,8
39. Максимальный потенциал. В том случае, когда катодная защита применяется на трубопроводе, имеющем защитную изоляцию, кроме минимального защитного потенциала, необходимо контролировать и величину максимального потенциала, накладываемого на защищаемую конструкцию. Слишком большая величина защитного потенциала может привести к повреждению защитного покрытия, точнее к его отслаиванию от металла и увеличению вследствие этого необходимого защитного тока. Причины разрушающего действия наложенного тока на защитное покрытие в настоящее время еще недостаточно ясны. В то время как ряд авторов считает отслаивание результатом образования газообразного водорода на поверхности металла под покрытием, другие 92
Защитная плотность тока для отдельных случаев защиты трубопроводов
Назначение трубопровода Минимальный защитный потенциал по медное уль-фатному электроду, в Наличие ИЗОЛЯЦИИ Защитная плотность тока, ма! Примечание
Водопровод диаметром 450 мм -0,950 Битумное с джутовой обмоткой 2,9 Свинцовые стыки
Водопровод диамет- —0,900 То же 1,6 То же
ром 450 мм
Водопровод диаметром 150—200— 250 мм -0,900 Битум со стеклянной обмоткой 2.0 Стыки на каучуке
Водопровод диамет- —1,0-2,0 То же 0,15 То же
ром 100—250 мм 0,18
Водопровод диамет- —0,85 То же То же
ром 125 мм 0,25
Водопровод диамет- -0,85 То же То же
ром 175 мм
Магистральный нефтепровод —0,85 Без покрытия 2,31 Сварной
I--*0—
Рис. 39. Схема ускоренного испытания для определения минимальной защитной плотности тока катодной защиты.
/ — стальная пластинка; 2 — трубка стеклянная; 3—стальной анод; 4 — исследуемая почва; S — рыхлая почва; 6 — миллиамперметр; 7 — сухой элемент 1,5 в; 8 — реостат; 9 — парафин.
разрушающее действие считают следствием возникновения большой щелочности у границы металл—покрыгие. В лабораторных условиях было установлено, что явления отслаивания происходят от открытого торца нанесенного покрытия или в месте его игольчатого повреждения [Л. 59]. Исследованиями было установлено, что такое отслаивание, происходящее от открытого торца покрытия, имеет небольшую скорость — примерно всего до 8 мм в месяц при величинах защитного потенциала —1,2 в и выше.
В то же время практические случаи применения завышенных потенциалов, имевшие место на отдельных трубопроводах, показали, что хотя явления отслаивания покрытия и имеют место, они оказываются настолько небольшими, что даже потенциал в 4 в в точке дренажа не дает на большом участке заметных разрушений покрытия [Л. 60]. Нельзя не отметить и заключения Государственной комиссии Швейцарии по результатам применения- дренажных устройств, в котором действие тока на битумные покрытия оценивается положительно как предупреждающее битумные покрытия от старения [Л. 61]. Работы Андреевой, проводившиеся не со стандартными битумными эмалями, привели ее к заключению о возможности применения для битумных качественных покрытий максимального защитного потенциала —1,5 в (Л. 62]. В ряде практических случаев применение повышенных значений потенциала (—1,85 в, —2 в, —1,4 в [Л. 61] и даже —2,5 в) [Л. 63] не вызвало оп!утительных разрушений защитного покрытия или увеличения необходимого защитного тока. Таким образом, на основании сказанного выше можно вполне обоснованно считать возможным иметь при защите максимальный потенциал —1,5 в с вероятной возможностью повышения этого предела до —2 в. Результаты некоторых исследователей, показавшие заметное отслаивание покрытия при этих потенциалах, следует отнести за счет отклонения характеристики применившихся покрытий от практических.
40. Общая система применения катодной защиты. При применении катодной защиты прежде всего должен быть решен общий вопрос о том, где она будет применяться. Существует три метода применения катодной защиты. По первому — защиту получает все протяжение подземного сооружения независимо от коррозийных условий и существующей изоляции. По второму — 94
защите подвергаются только места с повышенной коррозийной опасностью. Эти участки определяются одним из принятых методов определения коррозийной активности почв и наличия блуждающих токов. Наконец, по третьему— гальванические аноды, т. е. местная катодная защита осуществляется только в местах требующегося ремонта. Одновременно с ремонтом в этом месте ставят и гальванический анод, предупреждая дальнейшую коррозию.
Первый метод является неоправданным практически, так как известно, что во многих почвенных условиях подземные трубопроводы и кабели лежат многие десятки лет без каких-либо заметных повреждений. Применение катрд-ной защиты может даже несколько увеличить коррозию, во-первых, из-за возможных повреждений покрытий, а во-вторых, вследствие явлений перезащиты, поэтому этот метод не следует рекомендовать для практического применения.
Третий метод является обратной противоположностью первого. Если там защищают места, не требующие защиты, то здесь защищают только уже сильно разрушенные места, не предупреждая появления разрушений в новых местах.
Второй метод является «золотой серединой» и именно его следует рекомендовать для практического применения. Защиту в этом случае получают только те участки, которые действительно нуждаются в ней. Предупреждается развитие коррозии на наиболее опасных участках, а в почвах с нормальной и низкой коррозийной активностью защита не осуществляется, так как в этих условиях и незащищенная ничем труба лежит без повреждений десятки лет. Места с повышенной и высокой коррозийной активностью могут быть определены при помощи обычных специальных методов (Л. 7, 30, 32, 37].
После установления участков, на которых будет признано целесообразным применение катодной защиты, должны быть собраны нужные материалы и проведены необходимые измерения для выполнения проекта защиты.
41. Изыскания для проекта катодной защиты. Для выполнения проекта должны быть собраны и получены следующие материалы:
1) Схема трубопровода или кабеля с указанием общего его протяжения, диаметра, материала и толщины стенки трубы или брони, марки кабеля, способа соединения труб, глубины заложения линии.
2) План расположения защищаемого участка, профиль его трассы и план мест установки источника тока и заземления.
3) Удельные сопротивления почвы по трассе защищаемого сооружения и по площадкам, подходящим для устройства заземления. Интервалы между точками определения сопротивлений должны быть не больше 100 м.
4) Данные о наличии и состоянии защитной изоляции на трубопроводе или кабеле с указанием типа изоляции, применявшихся для нее материалов, методах и времени ее выполнения. Особенно важны измерения величины сопротивления или проводимости изоляции на защищаемом участке.
5) Сведения о наличии вблизи трассы защищаемой линии источников тока как постоянного, так и переменного, с указанием основных его параметров, общей мощности и мощности, которая может быть использована для катодной защиты;
6) Сведения о наличии помещений вблизи трассы, в которых могут быть размещены источники тока и контрольные приборы для катодной защиты.
7) Данные о состоянии трубопровода или кабеля, в частности: срок его службы, глубина наиболее глубоких обнаруженных каверн, количество и расположение сквозных проржавлений, места расположения участков с разрушенным покрытием и т. д.
Схема линий. Схема защищаемых линий является основным материалом, постоянно используемым для всех работ по катодной защите. Поэтому такая схема должна делаться в возможно более крупном масштабе и на нее должны быть нанесены все подробности, существенные для катодной защиты. Пример такой схемы приведен на рис. 40. Как видно из рисунка, кроме основной линии, подлежащей защите, на схему наносятся и все расположенные рядом как параллельные, так и пересекающие линии других подземных сооружений. На всех этих линиях указываются все ответвления, места расположения фасонных частей, в частности задвижек, мест взаимосвязей их, способ соединения каждой линии, наличие уличного покрытия и его тип над отдельными линиями, места расположения колодцев. Для каждой линии указываются диаметр трубы, толщина стенки, глубина заложения, материал, тип примененной изоляции. Для поверхностных условий важны линии электрической железной дороги, 96
трамвая, их расположение, места отсасывающих пунктов, основная характеристика питания. На схеме помещаются также все воздушные линии, которые могут быть использованы для подвески проводов или могут быть источниками утечек тока. На линии должна быть установлена раз-
бивка по километрам с увязкой ее с определениями коррозийной активности почв и сопротивлением почв.
Взаимное расположение подземных линий часто бывает трудно определить из-за отсутствия исполнительных данных и наличия уличного покрытия, затрудняющего 97
установление направления линии. В этом случае с успехом может быть применен специальный прибор — трубоиска-тель, при помощи которого может быть установлено расположение линии с поверхности без каких-либо разрытий или зондирований [Л. 8].
Данные о сопротивлении почвы требуются для определения участков с повышенной и высокой коррозийной активностью, выбора места и расчета сопротивления растеканию заземления, выбора системы катодной защиты.
Глубина заложения и взаимное расположение линий в отдельных узловых точках даются несколькими продольными разрезами, как это показано на том же рисунке.
План мест предполагаемого расположения заземления дается в несколько более крупном масштабе с указанием превышений и намеченных линий прокладки соединительного провода.
Сведения об источниках тока необходимы для выбора системы питания станций катодной защиты и для установления места расположения источника тока. Это расположение обычно выбирается с таким расчетом, чтобы длины соединительных линий между источником тока и заземлением и между источником тока и трубопроводом были наименьшими. При сборе сведений об источниках тока необходимо получить данные не только о расположении питающих линий и величине их напряжения, но также о величине общей и свободной мощности и удобных местах присоединения. Одновременно следует наметить точное место установки источника тока катодной защиты, место установки контрольно-измерительных приборов и направление линий проводки необходимых соединений источника тока с заземлением и трубопроводом. При этом следует иметь в виду, что установка всего оборудования катодной станции возможна не только в помещении, но ввиду своей ’компактности также и в металлическом киоске, у столба электропередачи или в другом удобном месте.
При отсутствии вблизи катодной станции источников переменного или постоянного тока особенно важно бывает иметь значения удельного сопротивления почвы по трассе подземных линий для установления возможности применения автономных анодов, сведения о силе и повторяемости ветров в данной местности для решения вопроса о возможности применения ветросиловой установки. Получить такие сведения возможно на ближайших метеоро-98
логических станциях или по таблицам, приводимым в специальных работах (Л. 8]. Возможные места установки ветродвигателей намечаются так, чтобы ветросиловое колесо не экранировалось местными предметами. Полезно бывает одновременно иметь предварительную договоренность с владельцем источника тока о возможности использования определенной мощности для катодной защиты ат узнать стоимость энергии для экономических расчетов.
42. Определение проводимости покрытия. Проводимость покрытия очень сильно влияет на величину необходимого для защиты тока. Это влияние увеличивается тем, что значения проводимости обычных битумных покрытий, являющихся в ненарушенном виде хорошими диэлектриками, могут изменяться в результате некоторых повреждений покрытия от 1 Мом до долей ома. Таким образом, правильное определение сопротивления или проводимости защитного покрытия имеет большое значение для необходимого защитного тока. В то же время практическое получение величины этого значения представляет большие трудности, и большинство ошибок расчетов относится как раз за счет ошибочного определения проводимости покрытия. Для определения этой величины на существующей линии могут быть использованы три основных метода: 1) расчет по данным измерений на опытной катодной станции; 2) непосредственные измерения проводимости защитного покрытия на отдельных участках; 3) оценка проводимости по данным визуального обследования защитного покрытия с применением детектора.
Наиболее близкие к истинным значениям получаются обычно при использовании данных опытной катодной станции. Опытная катодная станция устанавливается на участке, подлежащем защите с применением временного заземления, устанавливаемого в месте, намеченном для постоянного заземления. В качестве временного источника тока используется передвижная установка, например сварочный агрегат постоянного тока. При такой установке после подачи защитного тока на трубопровод производятся замеры потенциалов металл—почва на защищаемом сооружении в различных точках и сравниваются с естественным потенциалом металл—почва в точках, замеренных до подачи тока. Полученные данные разности потенциалов в каждой точке используют для расчета величины
Проводимости покрытия. Величина проводимости при станциях бесконечной длины определяется по формуле
g,=39200^(lg^.y, (15)
или при станциях конечной длины
Г ь £о]2
I arccos h g- I
I 0,1)116/. J (16)
где g, — проводимость покрытия, 10 ~*1ом-км;
L—длина защитной зоны, км\
г — сопротивление трубопровода, ом-км;
Ео — потенциал трубопровода в точке дренажа, а;
Ет — потенциал трубопровода в наиболее удаленной точке участка, в;
Т — толщина стенки трубы, мм;
е — основание натуральных логарифмов;
cos h — гиперболический косинус.
Вычисление проводимости g по (15) и (16) дает среднее значение только для того участка, на котором были проведены измерения. Для более короткого или более длинного участка того же трубопровода средние значения проводимости могут отличаться от измеренных, причем обычно для больших протяжений трубопровода получаются большие значения проводимости.
В том случае, если проводимость покрытия отдельных участков известна и различна, общая проводимость всего протяжения трубопровода может быть определена из уравнения:
> <17>
где git g3, gB— проводимости отдельных участков протяжением Z2,
Непосредственное измерение проводимости изоляции может быть сделано при помощи так называемого метода полотенца. Этим методом определяется достаточно точно проводимость покрытия на отдельных небольших участках площадью порядка 1 л2. С известным приближением такие местные определения проводимости могут быть распространены на отдельные участки трубопровода. Измерения методом полотенца производят по схеме, 100
приведенной на рис. 41. Полотенце, смоченное слабокислым раствором, играет роль электрода, в то время как вторым электродом является труба, с которой контакти-руется измерительный прибор при помощи специального острого винта.
Проводящей средой между обоими электродами является каолиновая паста. Общий порядок измерения описан в специальной литературе [Л. 8]. Одновременно с измерением сопротивления при этом методе можно путем несложной процедуры определить места и размер
Рис. 41. Схема измерения приводимости покрытия прн помощи полотенца.
повреждений покрытия для оценки причин повышенной проводимости. Это дает возможность определить ценность выполненного измерения для установления средней проводимости изоляции участка. Следует иметь в виду, что автоматическое перенесение проводимости отдельного места на весь участок может дать весьма ощутительные ошибки. Измерение может быть сделано в месте, где покрытие имеет случайное повреждение или, наоборот, находится в исключительно хорошем состоянии. Перенесение такой случайной оценки на весь участок вызовет большую ошибку в общей оценке проводимости всего участка. При этом методе необходимо выполнить несколько измерений— не меньше одного на 250—500 м—и определять затем среднюю величину для всех измерений. При этом следует убедиться в отсутствии случайных крупных повреждений на измеряемых участках. Всего для оценки проводимости изоляции участка должно быть сделано не меньше четырех-пяти измерений в точках, расположенных на равных интервалах.
Проводимости покрытия. Величина проводимости при станциях бесконечной длины определяется по формуле
g,=392(X)I(lg^y, (15)
или при станциях конечной длины
I arccos h £— I
£*= L 0,0116£ J Tf (16)
где gt— проводимость покрытия, 10 ~*1ом-км;
L—длина защитной зоны, км;
г — сопротивление трубопровода, ом-км;
Ео — потенциал трубопровода в точке дренажа, в;
Ет — потенциал трубопровода в наиболее удаленной точке участка, в;
Т — толщина стенки трубы, мм;
е — основание натуральных логарифмов;
cos h — гиперболический косинус.
Вычисление проводимости g по (15) и (16) дает среднее значение только для того участка, на котором были проведены измерения. Для более короткого или более длинного участка того же трубопровода средние значения проводимости могут отличаться от измеренных, причем обычно для больших протяжений трубопровода получаются большие значения проводимости.
В том случае, если проводимость покрытия отдельных участков известна и различна, общая проводимость всего протяжения трубопровода может быть определена из уравнения:
„ gA ~Ь Sih + 4~ 1 <7\
где gu g2, g9 — проводимости отдельных участков протяжением /а,
Непосредственное измерение проводимости изоляции может быть сделано при помощи так называемого метода полотенца. Этим методом определяется достаточно точно проводимость покрытия на отдельных небольших участках площадью порядка 1 м2. С известным приближением такие местные определения проводимости могут быть распространены на отдельные участки трубопровода. Измерения методом полотенца производят по схеме, 100
приведенной на рис. 41. Полотенце, смоченное слабокислым раствором, играет роль электрода, в то время как вторым электродом является труба, с которой контакти-руется измерительный прибор при помощи специального острого винта.
Проводящей средой между обоими электродами является каолиновая паста. Общий порядок измерения описан в специальной литературе [Л. 8]. Одновременно с измерением сопротивления при этом методе можно путем несложной процедуры определить места и размер
Рис. 41. Схема измерения приводимости покрытия при помощи полотенца.
повреждений покрытия для оценки причин повышенной проводимости. Это дает возможность определить ценность выполненного измерения для установления средней проводимости изоляции участка. Следует иметь в виду, что автоматическое перенесение проводимости отдельного места на весь участок может дать весьма ощутительные ошибки. Измерение может быть сделано в месте, где покрытие имеет случайное повреждение или, наоборот, находится в исключительно хорошем состоянии. Перенесение такой случайной оценки на весь участок вызовет большую ошибку в обшей оценке проводимости всего участка. При этом методе необходимо выполнить несколько измерений— не меньше одного на 250—500 м—и определять затем среднюю величину для всех измерений. При этом следует убедиться в отсутствии случайных крупных повреждений на измеряемых участках. Всего для оценки проводимости изоляции участка должно быть сделано не меньше четырех-пяти измерений в точках, расположенных на равных интервалах.
Оценка проводимости по данным визуального осмотра с применением детектора имеет те же недостатки, что и метод полотенца. Именно показания проводимости прихо
дится выводить из проводимости изоляции в отдельных ограниченных точках. Однако оценка проводимости этим методом в отдельных измерениях при достаточной опытности оператора может быть сделана достаточно правильно, а учитывая, что допуски на ошибку всегда делают в сто
Покрытая труба.
Рис. 42. Схема детектора для определения качества покрытия. 1 — магнитный сердечник; 2 — обмотка низкого напряжения; 3 — обмотка высокого напряжения; 4— питающая батарея; 5 — молоточек прерывателя; б — регулирующий винт; 7 — клю ч замыкания; В — щетка детектора; S — конденсатор.
рону безопасности, эта оценка часто оказывается достаточно удобной для проектирования установки катодной защиты. Работа по этому методу заключается во вскрытии трубопровода, обследовании его изоляции и установлении степени ее разрушения. Вскрытия должны производиться в ряде точек на участке, подлежащем защите, с интервалом между ними не более чем 200—400 м.
Осмотр изоляции производится по специальному коду [Л. 7] для наибольшей стандартизации визуальных оценок. После этого определяют повреждение изоляции при помощи детектора. Схема этого 1Прибора приведена на рис. 42. Источник постоянного тока
напряжением обычно 6 в дает питание обмотке низкого напряжения (катушка Румкорфа). Возбуждаемый при этом при помощи прерывателя 5 в обмотке высокого напряжения ток достигает напряжения 15000—40 000 в в зависимости от конструкции катушки. Высокое .напряжение, создаваемое во вторичной обм-отке, вследствие ни-
чтожно малого тока -не является опасным для жизни, однако удары тока очень чувствительны; поэтому работающие должны иметь резиновые перчатки и соблюдать необходимую осторожность.
Один полюс цепи высокого напряжения соединяется
10?
с трубопроводом при помощи специального контакта или при помощи двойного заземления. Второй полюс цепи высокого напряжения соединяется со специальным электродом, передвигаемым по поверхности изоляции на расстоянии от нее в 0,5—1 см. Таким образом, изоляция разрывает цепь высокого напряжения. Она может замкнуться только в местах хотя бы самых мельчайших повреждений покрытия. При замыкании от поверхностного электрода через дефект покрытия проскакивает с громким треском яркая искра. Искра точно указывает место и размеры дефекта. В некоторых конструкциях прибора одновременно с возникновением искры начинает работать световой или звуковой сигнал. Детектор не определяет непосредственно величины проводимости или сопротивления покрытия, но дает лишь данные для определения степени разрушения изоляции, на основании которых можно определить примерно эти величины. Для такого определения может быть использована табл. 20, составленная на основании многочисленных данных по проводимости и степени разрушения битумных покрытий, работавших продолжительное время в почвенных условиях [Л. 57].
Таблица 20 Характеристика состояния защитного покрытия и его проводимости
Наличие повреждений Примерные пределы проводимо-сти. ж’ ом
Отличное Хорошее Удовлетворительное . . Плохое Очень плохое Совершенно разрушенное Нет Самые мелкие в единичном количестве Мелкие в небольшом количестве Заметные, значительной площади Покрытие сильно разрушено Следы покрытия на трубе о-юо 100-400 400—2 000 2000—20000 20000—200 000 Выше 200000
Результаты оценки проводимости. Полученные значения проводимости имеют двойное значение: с одной стороны, они дают основания для расчета необходимой мощности источника тока, с другой стороны, они дают общую ЮЗ
оценку состояния защитного покрытия и коррозийных условий. Оценка состояния покрытия дается по табл. 20, причем следует всегда учитывать, происходит ли высокая проводимость из-за общего ухудшения состояния покрытия или отдельных случайных повреждений. Отдельное повреждение даже небольших размеров резко повышает проводимость. Это должно учитываться при распространении значений проводимости, полученных в отдельном месте на все протяжение трубопровода.
Измерения потенциала металл—почва являются очень важными как для оценки полноты катодной защиты, так и для расчетов необходимого тока. Правильное выполнение измерения является обязательным во всех случаях, так как это измерение определяет величину скачка потенциала на границе металла и электролита. Следует различать два случая измерения: 1) измерение потенциала металла, не получающего тока извне от какого-либо источника,— такой потенциал называется естественным потенциалом, статическим потенциалом или потенциалом металла в разомкнутой цепи; 2) определение потенциала металл—почва при наложенном токе от постороннего источника или токе от гальванического анода. Такой потенциал называют иногда наложенным потенциалом или потенциалом в замкнутой цепи тока.
Так как в настоящее время не известен нулевой скачок потенциала, то измерение приходится проводить путем сравнения измеряемого скачка с некоторым постоянным скачком потенциала. Такой постоянный скачок обеспечивают на специальных неполяризующихся электродах сравнения различной конструкции. Нулевым скачком условно принимают скачок на нормальном водородном электроде (Л. 2 и 3]. Но так как для практического использования конструкция этого электрода оказывается неудобной, то применяют на практике другие типы электродов, потенциал которых относительно нормального водородного электрода бывает известен. Укажем здесь, что правильнее было бы говорить не о потенциале, а о разности потенциалов, но в измерительной технике часто для краткости говорят о «потенциале», подразумевая разность потенциалов относительно некоторого определенного значения.
Для измерения потенциала стальных подземных сооружений применяют медносульфатный, кадмиесульфатный и насыщенный каломелевый электроды. Наиболее широко
применяется медносульфатный. Для измерения потенциалов свинца применяют также уксусносвинцовый электрод. Все эти электроды имеют какой-либо металл, погруженный в стандартный электролит. Таким образом, создается некоторый скачок потенциала на границе Металла и электролита, который и сравнивается затем с измеряемым. Схема сравнения потенциалов при измерении показана на рис. 43.
Медносульфатный электрод сравнения представлен на рис. 44; пластмассовый сосуд 7 с деревянной нижней проб-
1-1-
[Потенциал \ труба-почва [помедносупь-I (ратниыу электроду
It
Г 6~~~
Скачон потен
мНью и раство-метапммУ^ | ром медного нутроси и почвой' \ | 1
Рис. 44. Медносульфатный неполяризующийся электрод.
1 — медиый стержень: 2 — гайки; 3 — медиая шайба; 4 — рези-новаи прокладка; 5 —пластмассовая гайка; б — медная гайка;
7 — пластмассовый прозра»ный сосуд; 3 — кристаллы медного купороса; 9 — пробка из мягкого дерева; 10 — раствор медного купороса.
Рис. 43. Схема замера потенциала по медносульфатному неполяризующемуся электроду.
кой ^заполнен насыщенным раствором медного купороса 10\ о насыщенности раствора говорит избыток кристаллов купороса 8, находящийся на дне сосуда. В раствор опущен медный стер-
жень 1, покрытый электролитической медью, проходящий через резиновую прокладку 4, зажимаемую гайкой 5.
Для того чтобы медносульфатный электрод давал воспроизводимые результаты с минимальными случайными ошибками, при его изготовлении должны быть соблюдены
следующие условия:
10Б
Е
। =!
1 И
1) Медный электрод должен быть выполнен из электролитической меди, отожженной, очищенной и выдержанной в растворе сульфата меди, содержащем небольшой процент серной кислоты. Потенциал такого электрода воспроизводим в пределах около 1,5 мв. При покрытии электродов губчатой медью воспроизводимость увеличивается примерно до 0,2 мв.
2) Для изготовления раствора следует применять химически чистый медный купорос, растворяя его в дистиллированной воде. Насыщенность раствора должна быть подтверждена избытком нерастворившихся кристаллов в растворе. Раствор должен своевременно меняться, чтобы не допустить большого загрязнения его фильтрующимся почвенным электролитом.
3) При измерениях медносульфатным электродом всегда вводятся необходимые поправки по температурному коэффициенту. Следует помнить, что введение температурной поправки не устраняет возможности ошибки в полевых условиях в пределах 2 мв.
4) Разность потенциалов между двумя электродами может достигать 4 мв в случае, если один из них контак-тируется с высококислой почвой, а другой с высокощелочной. Так как практически мало вероятен близкий контакт почв с резко различной кислотностью, то возможная ошибка из-за различия кислотности почв не бывает обычно больше 2 мв.
5) Как при конструировании электрода, так и при выполнении замеров необходимо следить за тем, чтобы плотность тока на медном стержне не была слишком большой. Это должно учитываться лишь при измерении обычной схемой вольтметра и не относится к потенциометрическим измерениям. Ошибка поляризации не будет превышать 2 мв при измерении не потенциометрической схемой, если применяются электроды из губчатой меди и если плотность тока на электроде будет ниже 0,1 ма на 1 см2.
Свинцовый электрод, применяемый для замера потенциалов свинцовой оболочки подземных кабелей, имеет конструкцию, приведенную на рис. 45. Как видно из рисунка, в пористый фарфоровый сосуд 1 вставляется свинцовый электрод 2, обычно представляющий собой отрезок свинцовой оболочки кабеля. Закрепление свинцового электрода в сосуде производится при помощи резиновой втулки 4. Внутреннее пространство трубки закрывается рези-106
новой пробкой 7. Верхняя часть фарфорового сосуда с высоты от 1—2 см от дна покрывается изнутри воском и парафином для уменьшения пористости сосуда. Сосуд заполняется насыщенным раствором уксуснокислого свинца. Для лучшего контакта с почвой на дно сосуда наде-
Рис. 45. Уксусносвинцовый иеполя-ризующийся Электрод.
1 — фарфоровый пористый сосуд; 2 — свинцовый электрод; 3— резиновая губка; 4—резиновая втулка; 5 — провод от трубки; 6 — изолировочная лента; 7 — резиновая пробка; в — насыщенный раствор уксуснокислого свинца.
Рис. 46. Конструкция хлорсеребряного электрода.
1 — пористый стержень; 2 — 66 отверстий диаметром 6.35 мм, расположенных в правильном порядке; 3 — пластмассовая трубка длиной 111 мм и диаметром 44.5 мм;
4 — серебряный провод; 5 — цементная за-
ливка; в — заливочный состав; 7 — про-
вод с резиновой изоляцией; 8 — спайка серебряной проволоки с проводом; 9—пробковый диск; 10 — пористый фарфоровый горшок; // — стеклянная шерсть; 12 — смесь серебра с хлористым серебром в пористом горшке; 13 — серебряная сетка; 14—пластмассовая шпилька; /5 — пластмассовый диск, перфорированный семью отверстиями диаметром 6,35 мм.
вается резиновая губка 3, смоченная тем же раствором. Контактный провод от свинцового электрода выводится через резиновую пробку 7 наружу [Л. 17].
Устройство хлорсеребряного электрода приведено на рис. 46.
Потенциалы различных неполяризующихся электродов сравнения остаются стабильными при правильном их применении и приводятся в табл. 21, где даются также поправочные температурные коэффициенты.
Важным является выполнение общей схемы замера потенциала труба—почва или кабель—почва. Общее распо-
Таблица 21
Сравнительные значения электродных потенциалов неполярнзующихся электродов сравнения по отношению к нормальному водородному электроду
Наименование неполярнзующихся влектродов
Водородный (На)........
Каломельный насыщенный . . Каломельный однонормальный Каломельный децннормальный . Хлорсеребряный ............
Медносульфатный насыщенный Цинксульфатный насыщенный .
Потенциал по нормальному водо-родис му электроду при 25°, в
Поправочный температурный коэффициент, в на 10’
0.00 +0.2415 +0,2800 +0.3337 +0,290 +0.316 -0,7663
—0,007
—0,002
—0,001
-0,003
-0,0096
ложение приборов и электродов приведено на рис. 47. Как видно из схемы, контакт с подземным сооружением осуществляется стальным (для стальной трубы) или свинцо
Рис. 47. Схема измерения потенциала труба — почва при катодной защите.
I — измерительный прибор; 2 — нсполяризующнйся электрод; 3 — источник тока катодной аащиты: 4 — заземление; 5 — контакты с трубой; С —трубопровод;
7 — поверхность земли.
вым (для кабеля) электродом. Производство замера значительно упрощается, если имеются контрольные выводы от подземной линии, к которым можно присоединять контакт от прибора. Положительный полюс присоединяется при замере к первой точке в рассматриваемой цепи. Если измеряется потенциал труба—почва, то положительный полюс присоединяется к трубе; если же измеряется 108
потенциал почва—труба, то к неполяризующемуся электроду, контактируемому с почвой. При замерах следует помещать электрод сравнения как можно ближе к поверхности металла. Таким образом, в случае зарытого трубопровода или кабеля электрод следует помещать на поверхности земли непосредственно над линией. Значение расположения электрода и порядок расчета по полученным данным потенциала у самой поверхности металла указаны ниже в разделе эксплуатации катодной защиты.
Измерительные приборы. Для правильности измерения большое значение имеет применение достаточно точных приборов. Приборы для этих измерений должны иметь необходимую характеристику по входному сопротивлению для того, чтобы включение их в измерительную цепь не нарушало заметно распределения потенциалов в последней. Приборами, которые сами не потребляют тока из измеряемой цепи, являются потенциометры, которые в этом отношении предпочтительней других приборов. Однако необходимость выполнять измерения в поле не позволяет применять обычные лабораторные приборы из-за их громоздкости и чувствительности к механическим воздействиям. Для этой цели могут применяться полевые потенциометры типа ЭП-1, выпускаемые нашей промышленностью. Однако они имеют небольшой верхний предел измерения (0,499 в), что требует применения для измерения добавочного делителя напряжений. Так как делитель напряжения также вносит известное изменение потенциалов в измеряемой цепи, и, кроме того, усложняет измерения, то применение такой схемы измерения является неудобным. Кроме того, существенным при измерениях потенциометра является сравнительная длительность подбора компенсирующего сопротивления. Помимо этого, мгновенные изменения потенциалов, наблюдаемые при наличии блуждающих токов, делают потенциометры практически мало пригодными для обычных коррозионных измерений в поле на подземных сооружениях.
Наиболее удобны для таких измерений многопредельные вольтметры различного типа. Предъявляемым к ним требованием будет наличие большого внутреннего сопротивления. Как известно, при измерениях вольтметрами для получения достаточно точных данных необходимо, чтобы их внутреннее сопротивление превосходило сопротивление измеряемой цепи в 20—25 раз. В противном случае ошибка измерения может достигать 60%. Таким образом, для
коррозийных измерений обычным прибором должен являться вольтметр, имеющий внутреннее сопротивление не меньше 10 000 ом/в с пределами измерения от 10 лее до 10—20 в. Хотя такие приборы пока не изготовляются у нас в серийном порядке, однако они могут быть сравнительно легко изготовлены путем переделки некоторых серийных приборов. Так, по мнению специалистов (Л. 72], вольтметр с внутренним сопротивлением в 30000 ом/в можно изготовить на базе измерительного механизма микроамперметра типа ЛМ. На базе измерительного механизма микроамперметра типа М-24 возможно получить вольтметр с внутренним сопротивлением 15000 ом/в при нижнем пределе измерения 0,5 в. Многопредельный милливольтметр с наименьшим пределом измерения в 10 мв можно получить на базе измерительного механизма прибора М-82. Стрелочный гальванометр МП-38 может быть использован без всяких переделок с добавлением только переключателя пределов и соответствующих сопротивлений в качестве многопредельного милливольтметра с внутренним сопротивлением не менее 15000 ом/в и наименьшим пределом измерения 10 мв. Магнитоэлектрические приборы с внутренним сопротивлением 10 000—20 000 ом/в могут быть изготовлены. В настоящее время уже выполняются приборы с внутренним сопротивлением 100000 ом/в и даже 500 000 ом/в. Могут быть применены для измерения также катодные вольтметры, имеющие очень большое сопротивление ламп — до нескольких мегом. Такие вольтметры могут быть изготовлены в отдельных мастерских и применяться в полевых условиях. Недостаток этих приборов — наличие хрупких деталей и необходимость высокой квалификации обслуживающего персонала. Поэтому для рядовых измерений наиболее простыми и удобными остаются вольтметры, имеющие достаточно большое внутреннее сопротивление.
Так как указанные выше приборы не имеют широкого распространения, то большое значение приобретает возможность измерения потенциала подземного трубопровода при помощи многопредельных вольтметров со средним внутренним сопротивлением порядка нескольких сот ом/в (400—800 ом/в). Эти приборы в случае необходимости могут быть использованы, если измерения при их помощи производятся по специальной методике, заключающейся в следующем. Измерения разности потенциалов в одной и той же точке производятся дважды на двух по
Соседних шкалах С различным пределом измерения. При этом выбирают такие пределы, которые дают при измерениях наибольшие отклонения стрелки прибора {Л. 73]. Затем для получения более точного результата показания прибора пересчитывают по следующей формуле:
где и — уточненное значение измеренной разницы циалов, а;
К — отношение пределов шкал, использованных при измерении значения потенциала ut и п2;
ut — значение разности потенциалов, измеренное на шкале большего предела;
«2 — значение разности потенциалов, измеренной на шкале меньшего предела.
Данные, полученные путем такого пересчета, в большинстве случаев имеют ошибку не более 5—8%, лишь иногда для отдельных случаев достигая 20%, главным образом за счет неточности чтения отсчетов по большей шкале. В то же время при измерении обычным способом ошибка достигает иногда 52—60%. Этот метод удобен в тех случаях, когда не имеется возможности использовать специальные приборы.
Для проекта катодной защиты необходимо располагать материалом, позволяющим оценить ее экономичность и эффективность. Сюда относится общая стоимость защищаемой линии, стоимость потребяемой энергии, намеченной к использованию для катодной защиты, стоимость имеющихся материалов и источника тока.
На основании полученного материала, который в большей части собирается изыскательской электроразведочной партией, а частично самими проектировщиками, производится разработка проекта катодной защиты, позволяющего наиболее рационально расположить станцию и выбрать систему питания. Имеются попытки иногда сооружать станцию на месте, без составления проекта. Несмотря на возможность получения некоторых положительных результатов, это всегда приводит к излишним затратам и несовершенным системам и конструкциям. Поэтому составление проекта следует всегда считать обязательным. Такой проект должен быть составлен всегда под руковод-
Ством соответствующего специалиста. Проектирование обычно начинается с расчета, определяющего мощность источника тока.
43. Расчет станции катодной защиты. Расчет станции катодной защиты заключается в определении или мощности источника тока станции или определении длины участка, находящегося под достаточной защитой при принятой мощности. Нужно сказать, что предварительным расчетом можно определить указанные параметры только приблизительно, получая ориентировочные данные, определяющие порядок действительных значений. Это объясняется тем, что имеющиеся расчетные формулы выведены на основании принятия положений об однородности окружающей среды и однородной высокого качества изоляции, что не имеет место в действительности. Поэтому практические условия могут заметно отличаться от теоретических ввиду невозможности достаточно подробного определения и учета изменений, которые имеют место по составу почвы и по качеству изоляции вдоль линии. Кроме того, выведенные формулы не учитывают сопротивления почвы, которое обычно бывает ничтожно, но на отдельных участках может вызывать заметные изменения в распределении тока.
Следует заметить, что обычно формулы дают тем более точные данные, чем более качественную изоляцию имеет подземная линия; при испорченной изоляции и голых трубопроводах и кабелях точность полученных значений заметно падает.
В значительной степени ошибки расчета определяются неправильным или неточным определением удельной проводимости изоляции, на что следует обращать особенное внимание. При правильном же определении или оценке значения проводимости изоляции расчетные формулы дают данные, достаточно близкие к действительности для возможности их практического применения. Во всяком случае законы распределения тока вдоль линии, определяемые этими формулами, вполне подтверждаются всеми практическими измерениями.
Основные законы распределения тока вдоль линии. Изменение величины защитного потенциала вдоль защищаемой линии заметно различно для случая, когда имеет место отдельная одиночная станция и когда несколько станций расположено рядом вдоль защищаемой линии. При отдельной станции, которая создает участки защиты 112
«бесконечной длины», изменение значений потенциала вдоль линии происходит по гиперболической кривой, как это показано на рис. 48. Слева показана кривая распределения при наличии больших значений начального потенциала, а справа — при небольших его значениях. Необходимо обратить внимание на то, что кривая потенциала, достигнув значения минимального защитного потенциала,
Рис. 48. Распределение тока при станции бесконечной длины.
Ед—максимальный потенциал в точке дренажа; А. Емин — минимальный защити потенциал: — достаточно защищенный участок в одну сторону.
продолжает снижаться, асимптотически приближаясь к нулевому значению в бесконечности, откуда и произошло название для этого случая.
Другой случай имеет место, когда рядом вдоль линии расположено несколько станций, каждая из которых влияет на распределение потенциала соседней станции, заметно сокращая непроизводительные расходы тока. В этом случае кривая распределения определяется линией гиперболического косинуса, как это показано на средних участках рис. 49. Две встречные цепи тока, как бы «отжимают» обратно ток, распределяемый с соседней станции, устраняя, таким образом, расход тока на участках, не имевших достаточной защиты. В данном случае участки защиты называются «участками конечной длины». Это распределение гораздо экономичнее предыдущего.
Формулы для участков бесконечной длины. Потенциал в любой точке участка (рис. 49)
(19)
из
Сопротивление всей цепи участка защиты
.«J <2°>
где Ех— наложенный потенциал труба — почва в точке х; ЕА— максимальный наложенный потенциал в точке дренажа; __
а — коэффициент затухания равный j/rg;
1А — наибольший ток, собираемый в точке дренажа, а;
Рис. 49. Распределение тока при станциях конечной длин
г0 — эффективное сопротивление одной стороны цепи защиты, ом;
г — сопротивление тела трубы, ом1км;
10-"
g — проводимость ИЗОЛЯЦИИ, ---- ’КМ.
ол
Для практического применения формулу (19) представляют в несколько другом виде, принимая, что вся длина защищаемого участка L=2llt где /t — длина только одной стороны защищаемого участка бесконечной длины от точки дренажа до конца одной стороны защищенного участка, а минимальный защитный потенциал наиболее удаленной точки будет обозначен через Ет:
, ЕА=Ете-“\ _ (21)
Распределение плотности тока определяется формулой
где 1т — минимальная защитная плотность тока, а]м3;
1А — плотность тока в точке дренажа, а}мъ.
Для расчета практически удобнее иметь формулы с го» товыми коэффициентами, полученными для некоторых по-114
стоянных. Так, величина удельного сопротивления стальных труб может быть взята равной 0,135 ом-мм21м. Для длины окружности трубы может быть введено обозначение С [juJ, для толщины стенки Т [мм], а для удельной проводимости [ю_в т
----м2 . Тогда приведенные выше формулы
принимают вид для трубопровода бесконечной длины (рис. 48):
распределение потенциала
0,01161/*! I, ЕЛ=Ее Г Т A tn.
а сопротивление цепи одной стороны участка
_ 11,6
r°~ cVtg,'
(23)
(24)
Для станции конечной длины распределение потенциала происходит по кривой, определяемой формулой при длине половины участка 1Ъ:
EA=Emcb(al,), (25)
сопротивление участка конечной длины
/ _2_ 1
г° — 1а у
(26)
Проводя практические подстановки, получаем те же формулы в несколько ином виде:
распределение потенциала
0>0П61/^М. (27>
а величина сопротивления
(28)
при обозначениях, указанных выше. В формулах (26) — (28) обозначение ch представляет собой гиперболический косинус, a th — гиперболический тангенс. Для удобства пользования приведенными формулами ниже приводится табл. 22, в которую включены функции гиперболических косинуса и тангенса, а также значения показательной функции в*.
Ci
Значения показательных и гиперболических функций
Таблиц а 22
X е* ch х th х X ch x th x x e* chx th x X e* chx th x
0,00 1,0000 1,0000 0,0000 0,25 1,2840 1,0314 0,2449 0,50 1,6487 1,1276 0,4621 0,75 2,1170 1,2947 0,6352
0,01 1,0100 1,0001 0,0100 0,26 1,2969 1,0340 0,2543 0,51 1,6653 1,1329 0,4700 0,76 2,1383 1,2030 0,6411
0,02 1,02и2 1,0002 0,0200 0,27 1,3000 1,0367 0,2636 0,52 1,6820 1,1383 0,4777 0,77 2,1598 1,3114 0,6469
0,03 1,0304 1,0005 о.озио 0,28 1,3231 1,0395 0,2729 0,53 1,6989 1,1438 0,4854 0,78 2,1815 1^3199 0*6527
0,04 1,0408 1,0008 0,0400 0,29 '1,3364 1,0424 0,2821 0,54 1,7160 1,1494 0,4930 0,79 2,2034 1,3286 0,6584
0,05 1,0513 1,0012 0,0500 0,30 1,3499 1,0453 0,2913 0,55 1,7333 1,1551 0,5005 0,80 2,2255 1 3374 1,6640
0,06 1,0618 1,0018 0,0599 0,31 1,3634 1,0484 0,3004 0,56 1,75-7 1,16u9 0,5080 0,81 2,2479 1,3464 0*6696
0,07 1,0725 1,0025 0,0699 0,32 1,3771 1,0516 0,3095 0,57 1,7683 1,1669 0,5154 0,82 2,2705 1,3555 0,6751
0,08 1,0833 1,0032 0,0798 0,33 1,3910 1.055U 0,3185 0,58 1,7860 1,1730 0,5227 0,83 2,2933 Г 3647 0 6805
0,09 1,0942 1,0041 0,0898 0,34 1,4050 1,0584 0,3275 0,59 l,804u 1,1792 0,5299 0,84 2,3164 1*3740 0*6858
0,10 1,1052 1,0050 0,0997 0,35 1,4191 1,0619 0,3364 0,60 1,8221 1,1855 0,5371 0,85 2,3997 1,3835 0,6911
0,11 1,1163 1,0061 0,1096 0,36 1,4333 1,0655 0,3452 0,61 1,8404 1,1919 0,5441 0,86 2,3632 1,3932 0,6963
0,12 1,1275 1,0072 0,1194 0,37 1,4477 1,0692 0,3540 0,62 1,8589 1,1984 0,5511 0,87 2,3869 1*4029 0,7014
0,13 1,1388 1,0085 0,1293 0,38 1,4623 1,0731 0,3627 0,63 1,8776 l,2u51 0,5581 0,88 2,4109 1 4124 0,7064
0,14 1,1503 1,0098 0,1391 0,39 l,477u l,077u 0,3714 0,64 1,8964 1,2119 0,5649 0,89 2,4351 1,4229 0,7114
0,15 1,1618 1,0113 0,1489 0,40 1,4918 1,0811 0,3800 0,65 1,9155 1,2188 0,5717 0,90 2,4596 1,4331 0,7163
0,16 1,1735 1,0128 0,1587 0,41 1,5b69 1,0852 0,3885 0,66 1,9348 1,2258 0,5784 0,91 2,4843 1,4434 0,7211
0,17 1,1853 1,0145 0,1684 0,42 l,522u 1,0895 0,3969 0,67 1,9542 1,2330 0,5850 0,92 2,5093 1 *4539 0*7259
0,18 1,1972 1,0162 0,1781 0,43 1,5373 1,0939 0,4053 0,68 1,9739 1,2403 0,5915 0.93 2,5345 1,4645 0,7306
0,19 1, 2и93 1,0181 0,1878 0,44 1,5527 1,0984 0,4136 0,69 1,9937 1,2477 0,5980 0,94 2,5600 1,4753 0,7352
0,20 1,2214 1,0201 0,1974 0,45 1,5683 1,1030 0,4219 0,70 2,0138 1,2552 0,6044 0,95 2,5857 1,4862 0,7398
0,21 1,2337 1,0221 0,2и7и 0,46 1,5841 0,1077 0,4301 0,71 2,0340 1,2628 0,6107 0,96 2,6117 1,4973 0,7443
0,22 1,2461 1,0243 0,2165 0,47 1,6000 1,1125 0,4382 0,72 2,0544 1,2706 0,6169 0,97 2,6379 1,5085 0,7487
0,23 1,2586 1,0266 0,226o 0,48 1,6161 1,1174 0,4462 0,73 2,0751 1,2785 0,6231 0,98 2,6645 1,5199 0,7531
0,24 1,2713 1,0289 0,2355 0,49 1,6323 1,1225 0,4542 0,74 2,0959 1,2865 0,6292 0,99 2,6912 1,5314 0,7574
По приведенным формулам определяется падение напряжения только на части общей электрической цепи — на самом участке защиты. Общее же падение напряжения должно включать еще значения, приходящиеся на другие участки заземления.
44. Общий порядок расчета катодной защиты. Общая электрическая цепь катодной защиты состоит из ряда последовательно включенных сопротивлений. Таким образом, если определить падение напряжений на отдельных участках, то можно определить общее напряжение источника тока. С другой стороны, определение тока для отдельного участка дает также ток всей катодной защиты, который остается неизменным для всех точек электрической цепи. Зная величину сопротивления отдельных участков и ток всей цепи, можно по закону Ома определить падение напряжения для отдельных участков и, наконец, для всей цепи. Хотя вся электрическая цепь катодной защиты состоит из семи-восьми последовательных участков, однако практически для расчета определяют только наибольшее падение напряжения на трех основных участках: на участке создания защитного потенциала, на сопротивлении растеканию анода и на соединительных проводах. Остальные сопротивления бывают обычно настолько малы, что не входят в прямой расчет.
Чаще всего сначала определяют падение напряжения на участке самой защиты по (23), затем сопротивление того же участка по (24). По закону Ома определяется ток в цепи катодной защиты. Затем, определяя сопротивление растеканию заземления и сопротивление проводов, можно, умножив полученные значения на ток цепи, получить падение напряжения на этих участках. Просуммировав все падения напряжения, получают необходимое напряжение источника постоянного тока катодной защиты. По этой величине и ранее определенной по формуле Ома величине тока выбирают источник тока. При этом следует помнить, что определенная по формуле Ома величина тока относится только к одной стороне защищаемого участка, и если защита распространяется на обе стороны, то ток должен быть увеличен в 2 раза, хотя напряжение не должно удваиваться.
Более подробно общий порядок защиты показан ниже в примерах. Все сказанное выше относится к наиболее простой системе защиты отдельной линии. В то же время, особенно в городских; условиях, приходится одновременно
защищать сразу несколько параллельных линий (рис. 50). В этом случае порядок расчета и даже электрическая схема заметно изменяются и получают вид, изображенный на рис. 51. Как видно, на ряде участков имеет место уже не последовательное, а параллельное соединение. В этом случае для определения сопротивления участка необходимо применять формулу
(обозначения отдельных сопротивлений согласно рис. 51). Величина тока в этом случае для отдельных цепей под-
Рис. 50. Схема катодной защиты группы подземных сооружений. / — источник тока; 2— заземление; S — защищаемые линии; 4 — соединитель* ные провода.
чиняется закону Кирхгофа, т. е. равна сумме токов цепи катодной защиты.
В некоторых случаях бывает необходимо найти длину защищенного участка по имеющимся параметрам тока защиты
В этом случае формулы получают вид.*
(31)
для участка бесконечной длины и
(32)
В том случае, если приходится рассчитывать катодную защиту для трубопровода или кабеля, не имеющего защитной изоляции, или изоляция является сильно разрушенной, для определения величины, которая подставляется вместо значений проводимости, применяют формулу
Я=°-ТгК-;. (33)
где R — сопротивление почвы на площади 1 м* поверхности трубопровода или кабеля, ом-м2;
г2 — расстояние от центра трубы до поверхности земли, м;
гг— внешний радиус трубы, м;
р — удельное сопротивление почвы, ом-м.
Существуют и другие частные случаи расчета, к которым отсылаем интересующихся читателей [Л. 8, 12].
Рис. 51. Электрическая схема катодной защиты группы подземных сооружений.
П — сопротивление провода к ваземленню; г2 — сопротивление заземления; гв’— сопротивления переходные .почва—труба’; — сопротивление трубопроводов; гв—со-
противление соединительного провода каждого трубопровода; — сопротивление общего соединительного провода к источнику тока; г*, г*'. r,ff — сопротивления трех отдельных подземных сооружений.
В последнее время Институтом физической химии АН СССР 'совместно с ЦНИИ МПС были предложены упрощенные формулы” для расчета катодной защиты. Эти формулы не учитывают взаимного расположения станций — одиночное или соседние по расположению. Ток в цепи ка-
тодной защиты при этом определяется по формуле
а^из 4" nda
(34)
где / — ток в цепи катодной защиты при расположении станции посередине участка, а;
UT3 — величина наложенного на трубопровод в точке дренажа напряжения, равная
(35)
<tT9 — потенциал трубопровода в точке дренажа по отношению к медносульфатному электроду без наложения внешнего тока, в;
U — предельно допустимый потенциал трубопровода в точке дренажа по отношению к медносульфатному электроду, в;
а — постоянная распространения тока, определяемая путем измерения, 1}м.
Ru3 — сопротивление изоляции трубопровода на 1 лог-ж его длины, определяемое путем непосредственного измерения, ом-м\
р — удельное сопротивление грунта по трассе трубопровода на рассматриваемой длине, ом-м;
da — расстояние между центром анода и осью трубопровода в точке дренажа.
При этом определение потенциалов вдоль трубопровода может определяться по следующей формуле:
об)
где С/Гя(л)— потенциал трубопровода по отношению к медносульфатному электроду, в, на расстоянии х от точки дренажа,
I — расстояние от анода до рассматриваемой точки х трубопровода, м, которое определяется по формуле
« = /<+3?; (37)
'frs(x) — потенциал трубопровода в точке по отношению к медносульфатному электроду без наложенного внешнего тока, определяемый измерениями, в.
Анализ формул показывает, что они аналогичны формулам, приведенным ранее, с введением в значение общего сопротивления величины сопротивления самой земли. Однако при этом допускается следующая ошибка: сопротивление земли принимается во внимание только на единице измерения по глубине. Поэтому оказывается, что удаление заземления от трубопровода или кабеля приводит к общему увеличению необходимого тока. Это доказывает и математический анализ формулы, из которого видно, что приближение заземления вызывает уменьшение защитного тока, стремящегося к нулю. В действительности, как известно, для наиболее благоприятного потреб-120
ления тока необходимо, чтобы заземление было удалено на известное расстояние от защищаемой линии. Это объясняется тем, что при некотором удалении силовые линии тока охватывают все большую глубину земли и, такцм образом, общее сечение проводящей земли сильно увеличивается, что снижает сопротивление и потери напряжения в земле. При определенном удалении это влияние почти перестает сказываться, а при приближении к линии распространение силовых линий в глубину резко сокращается.
Таким образом, можно считать, что предлагаемое изменение общеизвестных формул приводит к увеличению ошибок и не ведет к улучшению формул расчета. Общий же ход расчета и его методика не изменяются и в этом случае, так как предлагаемые выражения потенциалов по медносульфатному электроду не вносят каких-либо изменений.
На основании сказанного выше предложенные формулы не приносят улучшения для расчета. Прежние формулы должны дать более точные данные. Следует только всегда обращать внимание на возможно более правильное определение величины переходного сопротивления труба— земля или кабель—земля.
Еще раз необходимо напомнить, что выполненный расчет дает только ориентировочные значения определяемых величин, причем чаще всего с известным запасом. Поэтому после установки оборудования катодной защиты и пуска в действие необходима тщательная наладочная работа по установлению точных параметров тока защиты.
Анодное заземление. Помимо расчета мощности источника тока, в проекте производят и расчет анодного заземления. Главное употребление мощности каждой станции катодной зашиты обычно выполняется на анодном заземлении. Поэтому его конструкция имеет большое значение для всей установки. К анодному заземлению предъявляются требования обеспечения минимального переходного сопротивления растеканию тока возможно меньших габаритов, наибольшей долговечности. К сожалению, перечисленные требования являются противодействующими. Таким образом, приходится при проектировании искать некоторую оптимальную середину, т. е. при возможно наименьших размерах анодного заземления стремиться сконструировать его с возможно меньшим сопротивлением растеканию.
Материал анодного заземления. Анодное заземление может быть выполнено из любого достаточно электропроводного материала. Чаще всего его выполняют из стали и чугуна. Достаточно широко из-за своей долговечности применяются анодные электроды из угля, кокса и особенно графита. За последнее время появились попытки выполнения заземления из оцинкованной стали, сплавов свинца. Наконец, из-за высокой стабильности и малых габаритов в некоторых случаях пытаются применить для заземления платину. Из-за повышенной стойкости применяют кремнистый чугун (14%Si) и прессованную окись железа типа РезС>4.
Форма анодного заземления. Заземление может быть любой формы, но для наименьшего переходного сопротивления растеканию желательна возможно большая поверхность при одной и той же массе. Обычно для заземления используют бросовый металл, имеющий самую различную конфигурацию. Применялись для заземления старые чугунные шкивы, корпуса машин и т. д. Чаще всего заземление выполняют из отдельных трубчатых заземлителей, реже из старых рельсов или полос. Такие заземления выполняются из отдельных заземлителей и могут быть трех типов: горизонтальные, вертикальные и комбинированные.
Горизонтальное заземление выполняется в виде отдельной трубы, полосы, рельса, закладываемых в землю на некоторую глубину в горизонтальном положении. Преимуществами горизонтального типа заземления являются:
а) легкая доступность всех частей заземления для осмотра;
б) возможность легкого присоединения соединительного провода к различным частям заземления, что должно позволить ему продолжать работать и при случайном местном разрушении;
в) создание сравнительно одинаковых условий работы для всех частей заземления;
г) сравнительная простота выполнения необходимых земляных работ.
Недостатками горизонтального заземления являются: а) необходимость для заземления площадки большого протяжения;
б) необходимость полных восстановительных работ в случае разрушения заземлителя;
в) большая зависимость переходного сопротивления от атмосферных осадков.
Вертикальное заземление представляет собой один или несколько вертикальных электродов, расположенных на определенных интервалах. Достоинствами вертикального расположения заземления являются:
а) более легкое обеспечение создания условий постоянной влажности для почвы, окружающей заземлитель, в любой сезон года;
б) в случае трубчатого заземлителя более легкое восстановление его путем введения внутрь электрода меньшего диаметра;
в) возможность создания весьма стабильного комбинированного угольно-стального электрода путем введения внутрь трубы угольной крошки;
г) меньшая зависимость сопротивления от атмосферных осадков;
д) наименьшие размеры площадки под заземление. Недостатками вертикального заземления являются:
а) сравнительная трудность выполнения заземления, включающая необходимость забивки вертикальных труб на глубину в несколько метров;
б) большее экранирование ряда труб, расположенны в ряд;
в) выход из работы всего заземлителя в случае разрушения верхней части его;
г) несколько большая трудность повторной обработки почвы для снижения переходного сопротивления заземлителя.
Поскольку многие достоинства и недостатки противоположны для различных типов заземления, то чаще всего выполняют комбинированное заземление, состоящее из горизонтальных и вертикальных заземлителей, соединенных вместе. Такое заземление имеет вид гребня, состоящего из ряда вертикальных электродов, расположенных на определенных интервалах и соединенных по верху горизонтальной магистралью. Расположение вертикальных заземлителей в комбинированном заземлении может быть различным, однако чем меньше интервал между ними, тем большее значение дает экранирование, из-за чего происходит увеличение сопротивления вследствие взаимного влияния соседних заземлителей друг на друга. Наиболее употребим ая конструкция заземления приведена на рис. 52. Более экономные размеры площадки дает кон-123
струкция заземления, приводимая на рис. 53. Однако в таком заземлении явления экранирования несколько усилены, а следовательно, несколько больше и сопротивление при тех же размерах.
Значительно реже для установок катодной защиты применяется система распределенных анодов, общая схема расположения частей которой приводится на рис. 54.
Рис. 52. Устройство комбинированного анодного заземления.
в •— ситуационный ппан установки катодной защиты, 1 — газовая труба диаметром * “ 3 л»; 2 — анодное заземление; 3—подземный кабель св. 3X50 или воздуш» пая линия проводом МГ-50; 4— выпрямительная установка; 5 — сварка; 6 — трубо-л провод;
0 установке труб ено иного зчаемл₽ния: / — слой земли: 2—слой соли; 3— кабель; 4 — уровень земли; 5— соединительная магистраль, газовая труба диаметром V'; 6—вертикальный заземлитель, газовая труба диаметром V»;
7—сварка.
Такая система находит себе применение для защиты кабелей, уложенных в каналах, причем в качестве анодов применяются графитовые стержни, соединяемые последовательно между собой проводником, который приключается затем к источнику тока. Эти аноды протаскиваются в канал, в котором лежит кабель из колодца, при помощи подающего провода. После протаскивания в канал такая система имеет вид, приведенный на рис. 55. Система распределенных анодов имеет большое преимущество в обес-
Рис. 53. Комбинированное заземление.
/—труба, выходящая из земли на 1,2 м: 2— горизонтальные трубы диаметром 4—3 — траншея; 4 — вертикальные трубы диаметром 6—12"; 5 — сварка;
6 — дно траншея.
печении более равномерного распределения тока по защищаемой линии и, следовательно, по меньшему расходу тока для защиты. Однако начальная стоимость такой системы значительно больше, чем обычной, что и ограничивает ее применение.
Графитовые аноды. Недостатком заземлений, выполняемых из стальных изделий, является их довольно активное разрушение проходящим током. Поэтому и было введено в практику применение более стабильных в почвенных условиях графитовых или угольных анодов. Материалом для таких анодов является уголь или графит, спрессованный в круглый стержень и пропитанный специальным составом или льняным маслом. Внутри такого электрода для крепости помещается обычно стальной сердечник. Размеры таких анодов могут быть различны в зависимости от назначения. Так, для защиты кабелей в каналах применялись угольные аноды диаметром 50,8 мм
I — подстанция 20/6 кв; II — переходная станция 400/238 в; /// — железный провод сечением 3X6 мм; /V—медный провод; 1/— тоже сечением 3X25 мм; И/—тоже сечением
ШГ
Рис. 54. Электрическая схема катодной защиты распределенными анодами.
И длиной 457,2 мм при весе около 1,8 кг. Графитовые электроды, применяемые для защиты трубопроводов, как в обычной, так и в распределенной системе заземлителей имеют большие размеры, приводимые на рис. 56. Здесь же показан способ присоединения к графитовому электроду соединительного провода. Другой способ присоединения провода приведен на рис. 57, где также показана рекомендуемая система установки электрода в размельченной угольной засыпке в шурфе.
Стабильность графитовых анодов определяется величиной их разрушения проходящим током, которая состав-
Рис. 55. Схема последовательно связанны в кабельных каналах.
1 — смотровой колодец: 2 — поверхность земли: 3 — источник тока; 4 — кабельный канал; 5 — аноды, связанные проводом 6; 6 — провод, соединяющий аноды;
7 — дренажный кабель.
ляет всего 0,9 кг!а • год, в то время как для стали оно в 10 раз больше. Недостатками графитовых и угольных анодов является их большее сопротивление растеканию тока, заметное на практике, а также хрупкость их, особенно чувствительная при установке. Из других недостатков следует отметить известную трудность обеспечения надежного контакта провода с электродом, даже если он сделан, как указано выше.
Представляет интерес комбинированный угольно-стальной электрод, который получается путем набивки установленной стальной трубы углеродными остатками сажевого завода. Таким образом, внутри стальной трубы образуется угольный электрод, который продолжает работать в заземлении и после разрушения стальной трубы.
За последнее время получили распространение литые аноды из кремнистого чугуна (14%Si) так называемого дюрайрона, преимуществом которого является большая стойкость (примерно в 3 раза) при стекании с него тока по сравнению с обычными стальными анодами.
Расстояние заземления от защищаемой линии. Обычно заземление располагают на середине протяжения защи-
Рис. 57. Коксовый электрод для анодного заземления катодной защиты.
1 — изолированный провод: 2 — шурф в почве; 3 — размельченный кокс; 4 — угольный или графитный электрод с влагонепроницаемой пропиткой; 5 — пековая ааливка; 6 — медная шайба: 7 — соединительный ободок. А — летали присоединения провела к углю.
Рис. 56. Присоединение угольного электрода к изолированному проводу.
1 — изолированный провод; 2 — патрубок, заливаемый битумной эмалью; 3 — стальной сердечник электрода; 4 — голый провод, приваренный к хомуту; 5 — медный хомут; 6 — графитный или угольный электрид.
щаемого участка линии с тем, чтобы подавать защитный ток в равном размере в обе стороны. Это обеспечивает наиболее равномерные условия защиты. Возможно расположение заземления и не в середине защищаемого участка, но в этом случае на более короткой стороне будет иметь место перезащита. Лишь в том случае, если на более коротком участке имеет место худшее состояние изоляции или больший диаметр, это может уравнять расход тока на обеих сторонах, или, как говорят, «плечах» защиты.
Расстояние заземления от защищаемой линии в поперечном направлении должно быть не слишком мало и не очень велико. Обычно расстояния в пределах от 30 до 128
Рис. 58. Относительное изменение сопротивления растеканию трубчатого заземлителя при увеличении его диаметра, 1 = 2 ж, начальный диаметр 1".
Rnd — сопротивление трубы большего диаметра; Яд —меиыпего диаметра.
200 м от линии дают достаточно хорошее распределение тока. Более важным является расположение заземления на площадке с постоянным низким сопротивлением.
Размеры заземлителя. Так как наиболее часто применяются для заземления трубчатые заземлители, то представляет интерес оценка влияния различных размеров такого заземлителя на общее сопротивление его растеканию тока. В известной мере эти общие соображения о размерах заземлителя могут быть распространены и на другие формы заземлителей.
Диаметр или ширина заземлителя. Для заземлителей, вообще говоря, могут быть использованы трубы любого диаметра, однако практически для этой цели применяют, как правило, трубы диаметром от 2 до 8". Меньший диаметр труб создает трудности при их установке на место и невыгоден в отношении их быстрого разрушения, а больший диаметр сильно затрудняет монтаж заземле
ния. В то же время в указанных пределах влияние диаметра на сопротивление невелико, как это видно из рис. 58. Из соображений долговечности и удобства монтажа стремятся -применять трубы диаметром 4—6" с максимально возможной толщиной стенки.
Длина заземлителя. Влияние длины заземлителя на переходное сопротивление различно для горизонтального и вертикального расположения. В то время как горизонтальный заземлитель работает сравнительно в одинаковых почвенных условиях, вертикальный заземлитель может работать в зависимости от своей длины в различных условиях влажности, а отсюда и в условиях различной проводимости, от которой сильно зависит сопротивление растеканию. Для вертикального заземлителя очень важно, чтобы он в значительной своей части находился на глубине, где влажность почвы достаточно стабильна в течение всего года и где играет наименьшую роль промерзание почвы, резко повышающее ее сопротивление. На
рис. 59 приведены примеры достаточного стабильного сопротивления заземления различной формы и длины. На этом же рисунке видно, насколько стабильно бывает сопротивление заземления в условиях постоянной влажности.
Ла рис. 60 приведены кривые, показывающие значение глубины заложения вертикального заземлителя на величину его сопротивления в течение года. Как видно из этих кривых, при глубине больше 2 м, что соответствует примерно установке ниже глубины промерзания, величины
Рис. 59. Кривые изменения сопротивления электрозаземлителей по временам года. Грунт для всех кривых — глина.
t —среднее из восьми труб диаметром 1,9 см. 1 — 91 см; 2 — среднее из трех ва« земляющих листов на глубине 152 см; 3 — среднее из восьми труб диаметром 1,9 см, I — 305 см; 4 — полоса длиной 1 829 см на глубине 368 см.
сопротивлений становятся весьма стабильными, так как отношения максимального сопротивления в течение года к минимальному очень близки к единице. На рис. 61 приведена зависимость сопротивления трубчатого заземлителя от его длины и диаметра. Как видно из диаграммы, сопротивление вертикального заземлителя наиболее заметно уменьшается при увеличении его длины до 3—4 л, после чего снижение сопротивления происходит сравнительно медленно.
Сопротивление окружающей почвы. Большое значение для сопротивления заземления имеет сопротивление окружающей почвы. Поэтому заземление стремятся устраивать на площадках с постоянным низким сопротивлением. Низкое сопротивление зависит как от содержания в почве растворимых солей, так и влажности. Для заземления стремятся имегь площадку с сопротивлением почвы не выше 10 ом-м. Так как, однако, такое сопротивление не 130
всегда оказывается Возможным найти вблизи необходимого места установки, то часто приходится прибегать к искусственному снижению сопротивления почвы. Искусственное снижение сопротивления почвы достигается двумя основными путями: увлажнением и подсаливанием. Увлажнение почвы в свою очередь может производиться путем постоянного или периодического добавления воды в почву на участке заземления или путем засыпки установленного заземления материалами, обладающими высо-
Рис. 61. Зависимость сопротивления заземления трубчатого электрода от длины трубы.
Диаметр электрода; 1—1 см: 2—2,5 см; 3— 5 см. Сопротивление почвы р— МНом-см.
кой влагопоглощающей и влагоудерживающей способностью, например кокситом,
Рис. 60. Влияние глубины забивки трубы на зависимость величины максимального отклонения сопротивления трубчатого заземлителе от минимального значения в году.
/ — данные Английской физической лаборатории; 2 — данные Техасской экспериментальной станции.
шлаком, сажей, активированным древесным углем.
Добавление воды в почву дает нужный эффект лишь в течение нескольких дней и поэтому требует частого повторения, что очень неудобно, особенно в зимнее время. Засыпка специальными материалами удорожает весьма заметно установку заземления и также требует периодического увлажнения, хотя и более редкого, чем при отсутствии засыпки. Поэтому оба этих метода не являются
достаточно эффективными.
Наилучшие результаты дает подсаливание почвы вокруг заземления. Кроме уменьшения сопротивления почвы,
Этот способ понижает температуру замерзания содержащейся в почве влаги. Подсаливание обычно производят одним из следующих способов. При первом для забивки заземлителя вырывают шурф глубиной в одну треть длины заземлителя и диаметром 0,5 м (рис. 62,а). В дно шурфа забивают заземлитель на глубину остальных двух третей его длины и затем вокруг его верхней части укладывают поочередно слой поваренной соли и земли. Толщина каждого слоя обычно бывает равна примерно 1 см. Каждый слой поливают водой из расчета примерно 1—2 л на 1 кг соли. Общее количество соли на один трубчатый заземлитель обычных размеров — 30—40 кг.
Рис. 62. Различные способы обработки земли. а — способ 1:6— способ 2.
При втором способе (рис. 62,6) трубы заземлителя просверливают по всей их поверхности отверстиями диаметром 1 см, располагая их в шахматном порядке. На каждые 20 см длины заземлителя должно приходиться по шесть отверстий. Обработанный таким образом заземлитель забивают в землю до намеченной глубины. Затем внутрь заливают раствор поваренной соли из расчета 1— 2 л воды на 1 кг соли. При этом способе общее количество растворенной в воде соли равно 20—40 кг на одну трубу. Просачиваясь из трубы в почву, раствор подсаливает и снижает, таким образом, ее сопротивление. Следует помнить, что подсаливание почвы вокруг отдельного заземлителя снижает ее сопротивление на ограниченное расстояние, как это видно из рис. 63.
Расчет заземления. Расчет заземления катодной станции заключается в определении сопротивления растеканию проходящего через него в почву тока для дальнейшего определения потерь напряжения при растекании. Сопротивление растеканию в первую очередь зависит от 132
сопротивления окружающей почвы, а затем от размеров и взаимного расположения отдельных заземлителей. Для отдельных вертикальных заземлителей трубчатого типа величина сопротивления при условии, что может быть вычислена по формуле [Л. 64]
«.=^[16^+0,602], (38)
где / — длина трубы, заглубленной в почву согласно рис. 64,а или б, см;
d — диаметр трубы, см;
р — удельное сопротивление почвы, ом-см.
Рис. 63. Влияние подсаливания почвы на изменения потенциала вокруг вертикального заземления.
/ — до подсаливания; 2 — после подсаливания.
В том случае, если вертикальный заземлитель полностью расположен ниже уровня почвы, как это показано на рис. 64,6, то при условии, что />d и у >2, сопротивление его определяется по формуле
R=^[ig“+7,ig^]. (39)
где все обозначения, как и в предыдущей формуле, а /—расстояние от поверхности почвы до середины заземлителя, см. Протяженный горизонтальный заземлитель дает сопротивление растеканию согласно следующей формуле, когда 1>~2 и й>2.5:
[1g й+ 0.301 ]. (Я
где I — длина трубы или полосы, см;
b — диаметр трубы или ширина полосы, см;
t — глубина заложения от поверхности до центра трубы или середины полосы, см;
Р — сопротивление почвы, ом-см.
Взаимное экранирование заземлителей. Так как вертикальные заземлители располагаются обычно в ряд со
Рис. 64. Способы установки вертикальных трубчатых заземлителей.
Рис. 65. Зависимость сопротивления вертикального заземления от его расстояния до другого заземлителя.
сравнительно небольшими интервалами, то возникают явления экранирования, когда сопротивление отдельных заземлителей несколько повышается из-за влияния рядом расположенных заземлителей. Существенное значение при этом имеет расстояние до другого ближайшего заземлителя. На рис. 65 показана зависимость сопротивления заземлителя от этого расстояния при различной глубине заложения. Кроме самого расстояния между заземлителями, на сопротивление влияет также отношение этого расстояния к длине трубы, т. е. величина all. Для опреде-134
ления суммарного сопротивления вертикальных заземлителей, расположенных в ряд, может быть использована формула
R' = ?° (41)
• ГИ) ’
где Re— общее сопротивление всего ряда заземлителей, ом;
^ — сопротивление одного вертикального заземлителя, ом;
п — общее число заземлителей;
•») — коэффициент экранирования, который может быть взят по табл. 23.
Таблица 23
Значения коэффициента использования заземления
fl// п 1 а// п 1
1 2 0.84-0,87 1,69—1,75 3 10 0.79—0,83 7,9-8,3
2 2 0.90—0,92 1,81—1.85 1 15 0,51—0,56 7,7—8,5
3 2 0,93—0,95 1,86—1,89 2 15 0,66—0,73 10,0-11,0
1 3 0,76—0,80 2,3-2,4 3 15 0,76—0,80 11,5-12,1
2 3 0,85-0.88 2,55-2,65 1 20 0,47—0,50 9,5-10,5
3 3 0,90-0,92 2,7—2,75 2 20 0,65-0,70 12,9—14,0
1 5 0,67-0,72 3,35—3,59 3 20 0,74—0,79 14,8-15,8
2 5 0,79—0,83 3,95-4,15 1 50 0,38—0,43 19,0—21,5
3 5 0,85-0,88 4,25-4,42 2 50 0,56—0,63 28,0—31,5
1 10 0,56-0,62 5,6—5,2 3 50 0,68-0,74 34—37
2 10 0,72—0,77 7,2—7,7 — — — —
а — расстояние между трубами.
Наименьшее значение соответствует — 20,
Наибольшее значение ij соответствует — 68.
При расположении заземлителей не в ряд, но по контуру экранирование проявляется еще более заметно и может быть определено по специальным формулам и кривым [Л. 8 и 64].
Эранирование проявляется и в отношении горизонтальной магистрали, соединяющей вертикальные заземлители. Вследствие этого экранирования сопротивление горизонтальной магистрали несколько повышается против рассчитанного по формуле (36). Увеличение сопротивления в этом случае определяется по формуле
где R'z—сопротивление горизонтальной магистрали с учетом экранирования ее вертикальными трубами, ом;
R* — сопротивление горизонтальной магистрали без учета экранирования, ом;
7J, — коэффициент экранирования, который может быть взят из табл. 24 в зависимости от числа вертикальных труб, их длины и интервалов между ними.
Таблица 24
Коэффициенты экранирования для горизонтальной магистрали
Тяо аааемлитель-него устройства Вид расположения заземлительного устройства а земле Отношение расстояния между трубамн к длине труСы
3 4 5 8 10 20305065
Система заземления из ряда трубчатых заземлителей, объединенных магистралью в земле Вряд 1 2 3 0.81 0,77 0,74 0,67 0,62 0,42 0,310.21 0,20 0,91 0.89 0,86 0,79 0,75 0,56 0.46 0,36 0,34 0,94 0,92 0.90 0,85 0,82 0.68 0.58 0,49 0,47
Общее сопротивление комбинированного заземления из горизонтальной магистрали и ряда вертикальных труб определяется по формуле
#общ
(43)
где /?общ — общее сопротивление всего комбинированного ° “* заземления, ом;
R' — общее сопротивление ряда вертикальных заземлителей с учетом экранирования;
R* — общее сопротивление горизонтального заземле-
ния с учетом экранирования.
Следует указать, что горизонтальная магистраль при сооружении комбинированного заземления приваривается
к верхним концам вертикальных электродов не сверху, а сбоку, как это показано на рис. 66. При этом верхние концы вертикальных заземлителей закрываются деревян
ными пробками для предупреждения их засорения внутри
Рис. 66. Присоединение горизонтальной магистрали к вертикальным заземлителям.
/ — вертикальный заземлитель;
2 —горизонтальный заземлитель; 3 — соединяющая полоса.
^общ — сопротивление
землей. Это делается для того, чтобы в случае разрушения вертикального заземлителя проходящим током в него можно было вставить новый заземлитель меньшего диаметра.
Коэффициент подсаливания. В этом случае, если предполагается подсаливание конструируемого заземления, при расчете величины его сопротивления растеканию должен быть учтен и коэффициент подсаливания, уменьшающий общее сопротивление заземления. При подсаливании поваренной солью, которое применяется наиболее часто, снижение сопротивления заземления может быть определено по формуле
В ^Общ
КОс в » рр
где Кос — сопротивление подсаливания, до подсаливания, ом;
(44)
после олг;
Рр — коэффициент подсаливания, который может быть принят согласно данным табл. 25.
Коэффициент промерзания. Явления промерзания почвы увеличивают сопротивление заземления. Влияние промерзания видно на приведенном выше рис. 60. Повышение сопротивления заземления в результате промерзания почвы может быть определено по формуле
R„ = /W.
(45)
Коэффициенты расчета сопротивления при подсаливании
р0, ojw^cjw.IO Ри Рос чо ₽- — /?ос ^расч Грунт
- . - —— 20 2,3 - Глина
0.5 1.5 40 2,7 1,5 Глина
1 2 60 3,2 1,5 Суглинок
2 2,5 100 4 2 Суглинок
3 3,4 150 5 2 Супесок
4 4 200 6 2 Супесок
5 4,4 250 6,5 2,5 Супесок
6 5 300 7.5 2,5 Песок
10 8 — — 2,5 Песок
Примечание.
Длина трубы 1,5—3 м.
раствор обыкновенной поваренной соля не менее 30—40 кг на трубу при содер* жанпи в 1—1,6 л воды на 1 кг соли.
р0 — удельное сопротивление до подсаливания;
РОе — удельное сопротивление после подсаливания;
Ro — сопротивление растеканию трубчатого ааае'члителя до подсаливанн Roe — то же после подсаливания;
^расч ~ дается с учетом влияния сезонов года (грубо).
где Rn — сопротивление заземлителей с учетом коэффициента промерзания;
Яобщ— сопротивление без учета промерзания;
— коэффициент промерзания, который может быть принят равным 1,5—3 при длине вертикальных заземлителей в 2,5—3 м и глубине заложения верха от поверхности в 0,5 — 0,7 м. При длине вертикального заземлителя 4 л и более коэффициент промерзания берется равным единице, т. е. увеличение не учитывается. Для горизонтальных магистралей при укладке их на глубине 0,5—0,7 м коэффициент промерзания берут равным 2—4.
В табл. 26 даются размеры типичных комбинированных заземлений с различным сопротивлением растеканию при расположении в наиболее характерных условиях по удельному сопротивлению почвы. Из этой же таблицы видны основной ход расчета и результаты его.
Источники тока катодной защиты. Источник тока катодной станции является основной частью установки. Правильный выбор мощности источника определяет экономичность защиты. В руках проектировщика всегда имеется возможность установить большее количество маломощных станций или меньшее количество более мощных станций. 138
Сопротивление анодного заземления
Расчетные значения элементов для сопротивления аааемленяя. близкого к
0,02 ом 0,! ом | 1 ом
При удельном сопротивлении почвы
200 ом-см
Длина вертикальной тру-
бы, см 300 300 300 300 300 300
Наружный диаметр трубы, см Глубина заложения центра П.4 И.4 11.4 П.4 П.4 11.4
тяжести трубы, см . . . Сопротивление одной вер- 230 0,456 230 0,456 230 230 230 230
тикальной трубы, ом . . 0,456 0,456 0,456 0,456
Коэффициент подсаливания Расстояние между труба- — 600 — — —
ми, см 300 300 600 300 600
Сопротивление одной тру-
бы с учетом коэффициента подсаливания, ом . 0,456 0,456 0,456 0,456 0,456 0.456
Общее количество верти-
кальных труб в заземлении, шт 100 60 10 6 1 .
Длина соединительной ма- 35400
гистрали, см ...... Наружный диаметр соеди- 29700 2700 3000 —
нительной магистрали, см 11.4 11.4 П.4 П.4 —
Сопротивление соединительной магистрали, ом Коэффициент экранирова- 0,0144 0,0123 0,103 0,0975 — —
0,32 0,53 0,57 0,78
ния вертикальных труб . 1
Коэффициент промерзания Общее сопротивление вер- 1,8 1.8 1.8 1.8 1.8
тикальных труб с учетом экранирования и подсаливания, ом ...... 0,0257 0,0258 0,142 0,173 0,82
Коэффициент экранирова- 0.35 0,62 0.83
ния магистрали 0,18 —— —
Коэффициент промерзания магистрали Сопротивление магистрали 2,2 2,2 0,077 2,2 0,368 2,2 0,258 2.2 —
с учетом экранирования Общее сопротивление все- 0,173 0,0224 0.82
0,0214 0,103 0,103
го заземления, ом —
При удельном сопротивлении почвы
1 500 ом-см
Длина вертикальной трубы, см . . 300 300 300 300 300 300
Наименование расч величин Расчетные значения элементов для сопротивления заземления, близкого к
0,02 ом | 0,1 ом 1 ом
Наружный диаметр трубы, см ПЛ П.4 П.4 П.4 Н.4 Н.4
Глубина заложения центра тяжести трубы, см . . 230 230 230 230 230 230
Сопротивление одной вертикальной трубы, ом . . 3.42 3,42 3,42 3,42 3,42 3.42
Коэффициент подсаливания —- — — — — —
Расстояние между трубами, см ......... Сопротивление одной трубы с учетом коэффициента подсаливания, ом . 300 600 300 600 300 600
3,42 3,42 3,42 3,42 3,42 3,42
Общее количество вертикальных труб в заземлении 900 550 180 100 8 5
Длина соединительной магистрали, см ...... 269700 229 400 53700 59400 2100 2 400
Наружный диаметр соединительной магистрали, см .......... П.4 П.4 11.4 П.4 П.4 Н.4
Сопротивление соединительной магистрали, ом 0,0163 0,0186 0,066 0,061 0,962 0,89
Коэффициент экранирования вертикальных труб . 0,3 0,5 0,3 0,52 0,61 0,80
Коэффициент промерзания 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1,8
Общее сопротивление вертикальных труб с учетом экранирования и подсаливания 0,0228 0,0224 0,114 0,119 1,26 1,54
Коэффициент экранирования магистрали 0,16 0,16 0,18 0,33 0.67 0,86
Коэффициент промерзания магистрали 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2
Сопротивление магистрали с учетсш экранирования 0,224 0,255 0,806 0,406 3,16 2,27
Общее сопротивление всего заземления, ом 0,0207 0,0206 0,10 0,092 0,91 0,92
При удельном сопротивлении почвы 5000 ом-см Длина вертикальной трубы, см 300 300 300 300 300 300
Наружный диаметр трубы, см ........... 11.4 Н.4 П.4 11.4 П.4 П.4
Глубина заложения центра тяжести трубы, см . 230 230 230 230 230 230
Наименование расчетных величин Расчетные значения элементов для сопротивления заземления, близкого к
0.02 ом | 0,1 ом | 1 ом
Сопротивление одной вертикальной трубы, ом . . 11,4 П.4 П.4 11,4 И.4 П,4
Коэффициент подсаливания 1.5 1,5 1.5 1.5 1.5 1.5
Расстояние между трубами, см Сопротивление одной трубы с учетом коэффициента подсаливания, ом . 300 600 300 600 300 600
7.6 7.6 7,6 7,6 7,6 7,6
Общее количество вертикальных труб в заземлении 2000 1 200 380 220 25 15
Длина соединительной магистрали, см 599 700 719 400 113 700 131 400 7200 8 400
Наружный диаметр соединительной магистрали, см И.4 11,4 11,4 11,4 11,4 П.4
Сопротивление соединительной магистрали, ом 0,26 0,022 0,114 0,102 1,22 1,07
Коэффициент экранирования вертикальных труб . 0,3 0,5 0.3 0,5 0,5 0,67
Коэффициент промерзания 1,8 1,8 1,8 1.8 1,8 1.8
Общее сопротивление вертикальных труб с учетом экранирования и подсаливания, ом 0,0205 0,0228 0,120 0,124 1,10 1,36
Коэффициент экранирования магистрали ... 0,16 0,16 0,18 0,32 0,37 0,60
Коэффициент промерзания магистрали 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2 2,2
Сопротивление магистрали с учетом экранирования, ом 0,358 0,302 1.4 0,705 7,25 2,79
Общее сопротивление всего заземления, ом 0,019 0,021 о,и 0,105 0,96 0,91
Мощность станций. Мощность станций катодной защиты с наложенным током изменяется в довольно широких пределах — от 10 вт до 15—20 кет. Однако крайние значения мощности встречаются редко, и большей частью мощность катодных установок изменяемся в пределах 0,4—7,5 кет. Наиболее стандартным значением является 1,5—2 кет. В случае применения гальванических анодов мощность отдельного анода составляет всего несколько ватт.
Мощность, необходимая для защиты, зависит от многих факторов, главные из которых следующие: 1) протяженность защищаемого участка; 2) тип и состояние изолирующего покрытия трубопровода или кабеля; 3) диаметр трубопровода или кабеля; 4) толщина стенки трубы или брони; 5) коррозийная активность почвы; 6) конструкция анодного заземления; 7) диаметр и сечение соединительных проводов; 8) наличие случайных контактов с посторонними подземными линиями.
Как видно из рис. 48, повышение мощности станции с некоторого уровня резко повышает непроизводительные расходы станции защиты, поэтому всегда необходимо техно-экономическим подсчетом определить наиболее выгодную мощность отдельной установки и общее их количество.
Возможные источники тока. Для катодной защиты может быть использован любой источник постоянного тока соответствующей мощности. В частности, существуют и могут быть применены следующие источники тока:
1) генераторы постоянного тока, приводимые в действие: а) электромоторами, б) двигателями внутреннего сгорания, в) газомоторами, г) ветродвигателями;
2) преобразователи тока — выпрямители, в частности: а) ртутные, б) меднозакисные, в) селеновые, г) газотронные;
3) аккумуляторные батареи, в том числе: а) кислотные, б) щелочные;
4) сухие элементы;
5) гальванические элементы.
Хотя выбор источника тока в каждом случае зависит от местных условий, однако можно указать и обычные соображения, действительные в большинстве случаев для выбора источника тока в зависимости от требуемой мощности.
Так, при больших мощностях порядка 1,5—7,5 кет и выше обычно наиболее удобны бывают генераторы, приводимые в действие электромоторами, двигателями внутреннего сгорания или газомоторами в зависимости от наиболее удобного вида топлива или энергии.
При средних мощностях порядка 0,5—1,5 кет обычно наиболее удобны бывают выпрямители, реже генераторы небольшой мощности, приводимые в действие ветродвигателями или каким-либо видом двигателей внутреннего сгорания. Так как эта величина мощности встречается 142
наиболее часто, то и наиболее распространенными источниками тока являются выпрямители.
При малых мощностях потребного тока порядка 50—500 вт обычно наиболее удобны выпрямители, если вблизи имеются источники их питания, а при отсутствии питания — ветродвигатели и изредка аккумуляторы.
При самых малых мощностях порядка 10—100 вт, помимо выпрямителей, применение получают аккумуляторы и отчасти гальванические элементы.
Из всех вышеперечисленных источников тока отдельные виды выпрямителей имеют такие преимущества, что применение их всегда оправдывается, если имеется переменный ток для их питания, и требуемая мощность для защиты не делает слишком сложной питающую схему из существующих типов выпрямителей.
Выпрямители. Выпрямитель преобразует имеющийся однофазный или трехфазный переменный ток в постоянный ток одного направления. Основные преимущества выпрямителей перед другими видами источников постоянного тока следующие: 1) отсутствие движущихся частей, что устраняет необходимость постоянного наблюдения за установкой; 2) компактность установки, позволяющая монтировать источник тока в самых ограниченных габаритах; 3) простота обслуживания, не требующая высокой квалификации персонала; 4) стабильность работы; 5) достаточно высокий к. п. д.; 6) малая установочная стоимость; 7) почти полное отсутствие расходов на эксплуатацию.
Обычно применение выпрямителей оправдывается там, где источник их питания — переменный ток — находится на расстоянии не более 2 км, при больших расстояниях решение определяется техно-электрическим расчетом. Напряжение выпрямителей изменяется от 5 до 100 в, сила тока — от 10 до 200 о, мощность — от 50 вт до 100 кет.
Селеновые выпрямители. Из всех типов выпрямителей в настоящее время наибольшее распространение получили селеновые выпрямители из-за следующих своих преимуществ перед другими типами: 1) большей долговечности, 2) меньших габаритов, 3) малой чу ветви гельности к влажности воздуха, 4) выносливости к температурам до 75—85° С без старения, 5) большего напряжения обратного тока, 6) высокого к. п .д. В табл. 27 приведены характеристики основных типов селеновых выпрямителей, вы-
Таблица 2?
Характеристика селеновых выпрямителей
Тип выпрямителя Напряжение питающей сети, а Выпрямленный ток Габаритные размеры, мм Вес, кг Цена, руб.
Напряжение. 8 Ток, а
ВСА-1 127/220 6,3 12 340 X 320X158 20 —
ВСА-би 127,220 12 24 560X370X 550 58 600
ВСА-бм 127 220 24 24 560X370X550 60 600
ВСА-4 110/127/220 120, 240 2 560x380X550 670
ВСА-5 110/127/220 0—64 12 560x380X550 — 750
ВСА-10 127/220 12—6 7—12 366X160X170 12 150
ВСГ-Зм 220 3,5—4,5-6 200 640X 430X1 500 150 1050
ВСА-111 127/220 0-80 0,25—8 470X340X440 — 800
пускаемых нашей промышленностью. Меднозакисные выпрямители в настоящее время вытесняются селеновыми и практически могут применяться только старые образцы этого типа, характеристика которых приводится в специальной литературе (Л. 8, 10 и 51]. Их применение более благоприятно при напряжениях до 6 в.
Ртутные выпрямители, хотя и имеют большую мощность, однако их недостатком являются наличие бьющихся частей, большие габариты и меньшая долговечность работы.
Газотронные выпрямители достаточной мощности выпускаются нашей промышленностью сравнительно недавно. Но по сравнению с селеновыми и купроксными выпрямителями недостатком газотронных выпрямителей является наличие газотронной лампы, которая очень чувствительна к сотрясениям и ударам и требует постоянного вертикального положения.
Гоператоры. При отсутствии источников питания для выпрямителей или при большой требуемой мощности питание катодных станций может осуществляться от генераторов, приводимых в действие различными двигателями. Ими могут быть различные системы двигателей внутреннего сгорания, работающие на моторном жидком или газообразном топливе или от ветродвигателя.
Характеристика генераторов постоянного тока, применение которых возможно на катодных станциях, приведена в табл. 28.
Технические характеристики генераторов постоянного тока для катодных станций
Тип Мощность, кет Напряжение, в Ток. а Скорость л, об/Я'ГК
ГЗ-11 3,6 24/36 150/100 950
ГЗ-12 7,2 24/36 300/200 1 450
ГРИ-2 8,4 24 350 1450
эд 10 24/30 334/278 1450
ЗДН-1000 АН 0,48 36/120 12/4 1800
ЗДН-1500 АН 0,75 60/120 25/12,5 2 850
ЗДН-ЗОО АН 1,5 60/120 50/25 220
Двигатели внутреннего сгорания. Выбор того или иного двигателя в первую очередь определяется наиболее доступным и удобным видом топлива. Наибольшее распространение имеют бензиновые двигатели, характеристика некоторых типов которых приведена в табл. 29.
Таблица 29
Технические характеристики двигателей внутреннего сгорания для катодных станций
Параметры Тип двигателя
Л-3/2 Л-6/2 Л *6/3 Л-16/20
Номинальная мощность, л. с. 3 6 6 15
Скорость п, об/мин 2200 2200 2200 650
Топливо . Бензин 2-го сорта (автомо- М3
Расход топлива иа 1 л. с. ч. 335 би льны й) 335 335 220
Размеры, мм: Длина с рукояткой 620 765 670 ——
• без рукоятки . 462 631 540 900
Ширина . . 492 485 450 —
Высота 735 780 800 —
Вес двигателя, кг 81 102 100 —-
Вес заправленного двигателя, кг. . 92 111 109 —
Вполне могут быть использованы для питания станций катодной защиты передвижные сварочные агрегаты, характеристика которых приводится в табл. 30. Эти агрегаты особенно удобны для выполнения замеров при использовании их в качестве временных источников тока катод-145
Технические характеристики сварочных агрегатов с двигателями внутреннего сгорания
Тип генератора Генератор Двигатель Вес, кг
Напряжение. в Ток, а Тип Мощность, л. с. Скорость, об/мин
САК-2-1 40 250 ГАЗ-К 28 1 430 1000
CAK-2-II 25 250 У-2 20 120
САК-2-Ш 30 250 ГАЗ-МК 28 1430 900
ных станций. Подробные данные о двигателях внутреннего сгорания следует смотреть в специальной литературе.
Ветродвигатели. В ряде случаев для питания катодных станций могут быть использованы и ветродвигатели. Большим достоинством ветродвигателей является отсутствие затрат на топливо. Недостатками ветродвигателей, заметно ограничивающими их применение, является периодичность их действия, зависящая от наличия определенной скорости ветра, при которой они начинают работать. Большинство ветродвигателей начинает работать только в случае, если скорость ветра достигает 4 м/сек, а некоторые даже только при 5 м/сек. Лишь некоторые ветродвигатели небольшой мощности могут работать при скорости ветра 3 м/сек. Таким образом, при применении ветродвигателей необходимо иметь резервное питание, работающее при недостаточной скорости ветра. Кроме того, необходимо, чтобы скорость ветра, необходимая для работы ветродвигателя, имела достаточную продолжительность в течение года. Это определяется по данным ближайших метеорологических станций. Ориентировочно для определенной местности эти данные могут быть получены по табл. 31, в которой приведены среднегодовые и средние месячные данные о скорости ветра для ряда городов. Повторяемость скоростей ветра может быть определена на основании зависимостей, разработанных Помор-цевым (табл. 32) или Гулленом [Л. 65], табл. 33.
В табл. 32 приведено время в процентах для ветра при определенной среднегодовой скорости, а в табл. 32 — такие же данные, но в часах. Необходимо отметить, что в городских условиях применение вегродвигателей мало вероятно, во-первых, вследствие возможности использовать выпрямители и, во-вторых, из-за большого экранирования 146
Среднемесячные и среднегодовые скорости ветра
Название географических пунктов Месяцы Среднегодо-В1Я скорость без поправоч* кого коэффициента. м/сек Среднегодовая скорость с поправочным коэффициентом, м/сек
III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Ай-Петри ... 7,3 6,9 6,2 6,1 4,7 5,0 5,2 5,3 5,6 5,3 6,3 7,0 5,9 6,2
Александровск .... Александровск на Саха- 6,1 5,9 5,9 5,0 4,8 4,6 4,1 4,0 4,6 5,6 5,6 5,8 5,2 5,9
лине ... 5,1 4,1 5,4 4,8 4,2 3,5 3,4 4,1 3,1 6,8 6,9 6,1 4,2 4,5
Архангельск 4,1 4,1 4,0 3,6 4,0 3,9 3,2 3,5 4,2 4,5 4,5 4,2 4,0 4,65
Ахтуба ... 4,7 4.9 5,2 5,0 4,4 4,0 3,5 3,8 3,8 4,2 4,4 4,5 4,4 5,1
Благовещенск . 2,0 2.3 3,1 8,5 4,2 3,7 3,4 2,6 2,7 2,8 3,2 2,6 2,2 2,9 2,5
Вайгач ... 9,8 8,8 3,2 8.2 6,9 6,0 6,9 5.9 7,2 7,5 8,7 8,9 7,8 9,8
Великий Устюг 3,4 3,7 3,4 3,8 3,3 3.0 2,9 3,7 3.8 3,9 3,8 3,5 4,06
Владимир . 5,3 5,6 5,1 4,5 4,1 3,3 3.4 3,4 4,1 4,7 5,0 4,6 4,4 5,3
Вологда . 6,6 5,9 6,6 6,4 5,8 5,0 4,5 4,4 5,7 6,6 6,5 6,3 5,9 5,7
Воронеж . . . 6,1 5,6 5,1 5,1 4,9 4,1 3,8 3,7 4,2 5,2 5,3 5,4 4,9 5,7
Ворошиловград 7,0 7.1 8,1 7,3 5.4 5,0 4,6 4,7 4,7 6.4 6,5 7,2 6,1 6,7
Ворошиловск 4,0 5,9 6,0 5,1 3,9 2,7 3,2 2,9 2,4 4,6 3,6 4.5 4,1 4,9
Вязьма 4,5 4.8 3,9 3,6 3,9 3,1 2,8 3,1 3,6 4,1 4,6 3.8 3.6 4,0
Гдов . 5,0 4.7 4,9 4,3 4,6 5,0 4,3 4,4 5,3 6,0 5,7 4,7 4,9 6,1
Горький .... 4,8 4,6 4,6 4,3 4,0 3,7 3,4 3,4 4,2 4,9 5,0 4,7 4,3 4,8
Днепропетровск 3,9 4,0 3,7 3,6 3,1 2,8 2,6 2,6 2,8 3,1 3,3 3,6 з,з 4,2
Енисейск 2,3 2,2 2,5 2,6 3,0 2,4 1,8 1,9 2,3 3,0 3,3 2,3 2,4 3,0
Ирбит . 3,4 3,4 3,6 4,0 4,1 3.1 3,0 3,2 3,5 3,8 3,9 3,5 3,5 3,8
Иркутск . . 2,2 2,3 2,8 3,4 3,4 2,8 2,2 2,2 2,6 2,8 2,3 1,7 2,5 2,9
Караби-Яйла . 7,3 7,2 7,8 8,1 6,6 6,2 5,4 6,1 6,6 7,0 7,0 7,7 6,9 7,6
Кернь-порг . 5,1 5,2 5,0 5.1 4,7 4,4 4,2 4,7 4,6 5,1 4,7 5,1 4,9 5,9
£
Название географических пунктов
111 IV V
Киров . . 5,2 5,3 5,4 5,0 5,0
Кострома 4,4 4,4 4,1 3,6 3,6
Кузнецк . 4,3 3,9 4,2 3,5 3,9
Курск 5,0 5,1 5,1 4,8 4,4
Малоярославец 4,1, 4,0 4,5 3,8 3,6
Мариуполь 4,7 5,0 4,7 4,6 4,3
Мархотский перевал . . 10,9 10,4 10,0 9,2 8,0
Маточкин шар . 7,1 7,6 8,6 7,2 6,6
Минск 4,2 4,6 5,2 4,8 4,2
Могилев 4,5 4,3 4,8 4,0 3,6
Москва 4,6 4,6 4,7 4,3 4,1
Нарым ... 2,5 2,5 2,6 2,6 3,2
Новороссийск 5,2 5,4 6,0 5,1 4,7
Новосибирск 3,6 3,2 3,6 3,2 з.з
Новочеркасск 5,0 5,8 4,5 4,4 4,2
Обдорск . 3,9 3,7 4,4 5,1 5,7
Одесса 5,7 5,7 5,5 5,6 4*6
Олонец 4,1 3,6 3,9 3,8 3,8
Орел . . 4,4 4,5 4,3 4,2 3,8
Оренбург 4,8 4,6 4,9 .4,5 4,4
Охотск 4,3 3,9 3,6 3,8 3,6
Пенза . 3,5 3,4 3,2 2,6 2,7
Пермь ... 4,0 4,1 4,4 4,8 4,0
Петрозаводск 5,2 4,8 5,0 4,4 4,4
Месяц ы Среднегодовая скорость без поправочного коэффициента, м/сек Среднегодовая скорость с поправочным коэффн-циентом, м/сек
VI VII VIII IX X XI Х11
4,2 3,7 4,2 4,9 5,5 5,6 4,8 4,9 5,4
3,5 3,1 3,2 3,5 3,7 4,1 4,3 3,8 4,2
3,1 2,6 2,5 3,3 4,2 4,2 4,0 3,7 4,5
3,9 3,8 3,8 4,3 4,5 4,9 4,7 4,5 5,2
3,6 3,0 2,8 3,4 3,9 4,5 3,8 3,8 4,6
3,9 3,4 3,9 4,0 4,4 4,2 5,1 4,3 4,9
7,1 6,9 7,6 8,3 9,2 10,5 10,5 9,0 9,0
7,2 6,6 5,0 6,2 7,0 7,9 5,8 6,9 7,6
3,6 3,6 3,4 3,5 3,9 4,3 4,6 4,2 4,8
3,8 3,7 3,4 3,5 4,4 4,5 4,1 4,1 4,9
3,5 3,2 3,3 3,9 4,3 4,6 4,4 4,1 4,26
3,3 2,6 2,8 з,о 3,3 3,2 2,8 з,о 3,8
4,1 4,2 3,9 4,1 5,0 5,0 5,0 4,8 5,4
2,8 2,3 2,5 2,8 3,7 3,8 3,5 3,2 3,6
3,5 3,1 3,4 4,5 4,6 4,0 4,5 4,5 4,5
6,2 5,3 5,5 5,0 5,7 4,5 4,2 4,9 6,0
4,1 4,0 4,0 4,5 4,8 5,2 5,4 4,9 5,4
3,0 3.7 3,6 3,3 4,6 4,2 4,2 3,9 4,8
3,2 2,8 з,о 2,0 3,7 4,0 4,1 3,8 4,7
3,9 3,7 3,5 4,1 4,4 4,5 4,6 4,3 4,2
4,0 3,7 3,4 4,0 4,7 5,1 4,7 4,1 5,5
2,6 2,1 2,2 2,8 3,1 3,2 3,0 2,0 2,9
3,8 3,0 3,3 3,6 4,4 4,5 4,0 3,9 4,3
4,2 4,0 4,3 5,4 5,0 5,3 4,9 4,8 5,8
Название географических пунктов
Ш IV
Петропавловск 4,9 5,2 5,2 4,8
Пинега 3,4 3,8 4,4 3,6
Полтава . 4,0 3,8 4,9 4,1
Псков . 4,3 4,3 4,4 3.7
Ржев 4,5 4,3 4,3 3,6
Ростов*на-Дону 5,2 5,1 4,8 4,8
Сарапул . 3,7 3,9 3,6 3,4
Саратов . . 5,6 4,6 4,9 4,4
Свердловск 4,6 4,5 4.8 4,8
Севастополь . 5,2 5,3 5,2 5,1
Смоленск . 4,1 3,7 3,7 3.5
Сталинград 6,3 6,3 6,9 6,0
Сумы . . 5.5 5,1 5,4 5,0
Тобольск 4,1 4,3 4,3 4,5
Тургай 5,7 6,2 6,3 5,8
Уральск .... 4,0 4,4 4,3 4,3
УстЬ'Камчатск 6,0 5,9 5,2 4,8
Уфа . . . 5,5 5,4 6,4 5,5
Хабаровск . 2,7 2,0 3,1 3,2
Харьков . 3,7 3,9 3,7 3,6
Херсон . , 4,6 4,7 4,4 4.3
Челябинск 3,1 3,0 4,2 3,8
Чердынь 3,1 3,8 3,5 3,4
Месяцы Среднегодовая скорость без поправочного коэффициента, м/сек Среднегодовая скорость с поправочным коэффициентом, м/сек
V VI VII V1U IX X XI XII
4,6 4,3 3.7 3,7 4.1 4,8 5,3 4,8 4,6 5,7
4,1 3,7 3.1 3.1 3.7 3,5 4,1 3,7 3,8 4,8
4,1 2,8 2,8 3.0 3,7 4,6 4,3 3,8 3,8 5,2
3,8 3,6 2,9 2,8 3.6 4,4 4,3 4,3 3,9 4,8
3,7 3,4 3,1 3,3 3,7 3,6 4,3 4,1 3,8 4,7
4,3 3,8 3,6 3,8 4,0 4,2 4,0 4,7 4,4 4,7
3,5 3,4 2,9 3,2 3,4 3,4 3,5 2,7 3,4 3,6
4,0 3,7 3,6 3.2 4,2 5,2 4,7 4,8 4,4 4,6
4,6 4,0 3,8 3,9 4,4 5,1 5,1 4,4 4,5 4,6
3,9 4,4 4,1 4,3 4,4 4,7 4,8 4,7 4,7 4,5
3,0 2,6 2,5 3,1 3,6 4,1 4,0 3,5 3,45 4,0
5,5 5,3 4,8 4,7 4,7 5,5 5,3 5,8 5,7 6,1
4,3 3,6 3,4 3.7 4,1 4,7 5,7 5,3 4,6 5,0
4,8 4,2 3,6 3.4 3,8 3,9 3,9 3,9 4,1 4,5
5,4 4,7 4,4 4,4 5,0 5,1 5,0 5,1 5,2 5,7
4,2 3,8 3,5 3,6 3,9 3,9 4,1 4.1 4,1 4,5
3,2 4,6 3,4 3,4 2,9 3,1 4,3 6,2 4,4 5,6
5,0 4.6 4,0 2,9 4,8 5,9 6,5 5,4 5,2 5,2
2,6 2.6 2.4 2,4 2,6 3,6 3,2 3,2 3,1 3,9
3,4 3,0 2.8 2,9 з.з 3,2 3,6 3,5 3,4 3,7
3,5 3.2 3.1 з.з з.з 3,7 4,1 4,3 3,9 4,4
4,0 3,5 3.4 3,3 3,2 3,6 3,8 2,7 3,5 3,5
3,4 3.8 3,3 2,9 3,5 3,7 3,4 3,1 3.4 3,7
8
Повторяемость скоростей ветра в
4^ !h Повторяемость разных скоростей ветра в прои
5“а 5!? 0 1 2 3 4 5 6 8 9
1 25,5 41,0 25,0 7,5 1,0 0,9
1,5 11,8 32,0 28,0 16,0 5,0 1.0 — — — —
2 10,0 23,0 29,8 23,0 10,0 3,8 0,6 —
2,5 9,0 16,0 24,0 23,5 16,0 8,0 3,0 0,5 — —
3 5,8 11,8 19,4 27,7 19,5 12,0 6,0 2,2 0,7
3,5 1,5 9,0 15,0 20,0 19,0 15,0 9,5 5,0 2,0 0,5
4 3,5 7,2 12,2 16,5 18,4 16,5 12,2 7,3 3,6 1,7
4,5 з.и 5,0 10,0 14,0 17,0 16,5 14,0 10,0 5,5 3,0
5 2,0 4,3 7,8 11,3 15,0 16,5 15,0 12,0 8,0 4,3
5,5 1,5 3,3 6.0 9.5 13,0 15,0 15,5 13,2 10,0 6,5
6 1,0 2,6 4,8 8.0 11,0 13,8 15,0 14,0 10,0 8,0
6,5 1,0 2,0 4,0 6,4 9,0 12,0 14,0 14,0 11,0 9,5
7 0,6 1,7 3,0 5,4 8,0 10,6 12,6 13,5 12,3 11,0
7,5 0,5 1,4 2,4 4,3 6,8 9,0 11,4 12,8 12,5 И,4
8 0,5 1,0 2,1 3,8 5,6 7,8 10,0 11,8 12,5 11,8
8,5 0,5 1,5 1,8 3,0 4,8 6,8 9,0 10,5 11,0 11,5
9 0,2 0,7 1,6 2,6 4,9 5,7 8,0 9,6 11,0 11,3
9,5 0,2 0,5 1.2 2.2 3,5 5,0 7,0 8,5 10,0 11,0
10 0,0 0,2 0,8 2,0 3,2 4,5 6,0 7,8 9,0 10,0
процентах (по Поморцеву)
,ентах при дайной средней скорости, м/сек
0,6
0,65
0,8
3,5
6,0
6,0
8,2
9,5
10,2
10,5
11,0
11,0
10,2
0,3 0,5
0,6
1,8
3,5
4,2
5,7
7,0
8,2
9,0
9,7
10,0
10,0
0,3 0,8
1,5
2,5
3,5
5,0
.5,9
7,0
8,0
8,5
9,1
0,5
0,6
1,5
2,0
3,0
4,0
6,0
6,0
7,0
7,8
0,2
0,3
0,5
0,8
1.8
2,3
3,5
4,2
5,3
6,0
0,1
0,4
0.9
1.3
2,0
2,8
3,5
4,8
0,2
0,3
0,7
1,0
1,8
2.5
3,3
0,3 0,5
1,0
1,5
2,2
0,2
0,4
0,6
1,0
1,5
0,2
0,4
0,9
0,2
0,7
Повторяемость скоростей ветра по Гуллену в часах за год (®о—среднегодовая скорость ветра)
г,. м/сек г0- 4 м/сек в 5 м/сек Vo — 6 м/сек Го-7 м/сек г0 — 8 м/сек г0 — 9 м/сек Го - 10 м!сек
1 2 3 4 5 6 7 8
До 0,5 - 368 245 172 130 103 83 65
0,5—1,5 1 104 788 585 453 369 300 245
1,5—2,5 1505 1 167 919 739 615 508 432
2,5—3,5 1 449 1 230 1025 863 735 625 543
3,5—4,5 1223 1 139 1011 887 775 682 601
4,5—5,5 953 979 933 854 771 694 625
5,5—6,5 698 803 819 787 735 676 622
6,5-7,5 490 634 696 701 678 643 605
7,5-8,5 336 485 576 611 612 599 575
8,5—9,5 233 362 464 522 545 546 534
9,5-10,5 153 269 367 436 476 490 490
10,5—11,5 94 201 286 359 408 435 445
11,5-12,5 59 146 224 292 346 383 400
12,5—13,5 40 102 177 237 290 333 358
13,5—14,5 28 68 137 191 242 285 316
14,5-15,5 19 46 102 155 199 244 277
15,5—16,5 8 33 75 126 165 206 240
16,5—17,5 — 25 54 99 137 174 208
17,5—18,5 — 19 39 77 115 147 180
18,5-19,5 — 14 30 59 96 126 154
19,5—20,5 — 5 23 44 74 107 132
20,5—21,5 —— — 18 33 58 90 115
21,5—22,5 — — 14 27 46 74 100
22,5—23,5 — 10 22 36 61 86
23,5—24,5 — —— 4 18 28 49 73
24,5-25,5 — — 14 23 39 60
25,5—26,5 -— — 12 20 31 50
26.5—27,5 — — 8 17 25 41
27,5—28,5 —— — — — 4 14 20 34
28,5-29,5 — — — — 12 18 27
29,5—30,5 — -— -— — 9 16 22
30,5-31,5 —- — —- — 8 14 19
31,5—32,5 — — 3 11 17
32.5-33,5 — — -— — — 9 14
33,5—34,5 — — — — — 8 12
34,5-35,5 — — — — — 6 11
35,5—36,5 — — -— — —— 3 9
36,5—37,5 — — — — 9
37,5-38,5 — — — — 7
38,5—39,5 — —- -— —— 5
39,5-40,5 — — '— — —• — 2
зданиями ветра и трудности подыскания удобной площадки для установки системы. При установке в поле неудобством этих двигателей является необходимость периодического обслуживания. В этом отношении наиболее удобны типы двигателей, рассчитанные на автоматическую работу в течение длительного срока без какого-либо обслуживания. К сожалению, такие двигатели необходимой мощности еще не выпускаются серийно нашей промышленностью. В табл. 34 приведены характеристики различных типов ветроэлектрических двигателей из числа
Рис. 67. Схема установки с двумя ветродвигателями и буферной батареей.
1 - ветродвигатель на 6 в; 2 — батарея на 6 в; 3 — ветродвигатель 32 в; 4 — труба;
5 — заземление; 6 — автоматическое реле; 7 — сопротивление.
выпускаемых в Советском Союзе, рекомендованные специальной комиссией как наиболее удобные для применения в системе катодной защиты. В том случае, если продолжительность работы ветродвигателя в году недостаточна, подача энергии во время его остановки осуществляется от буферной установки, работающей чаще всего от аккумуляторов. Схема такой установки приводится на рис. 67. Как видно из схемы, буферные аккумуляторы заряжаются от ветродвигателя на 6 в и автоматически включаются в действие в случае остановки работы ветродвигателей. Зарядка аккумуляторов происходит во время работы питания от первого ветродвигателя.
Аккумуляторы. В некоторых случаях, если потребная мощность невелика, для питания катодной защиты применяются и аккумуляторы. В этом случае обычно ставятся две группы аккумуляторов, заряжаемых от стационар-152
Техническая характеристика ветроэлектрических установок
Характеристика Тип двигателей
вим-д-з висхом-д-з РД-1.5 ВИСХОМ-Д-1.5 ВД-3,5 РД-З
Двигатель: Число лопастей . . 3 2 2 2
Диаметр колеса, м Высота расположения оси ко- 3 1,5 3,5 3
леса, м 8 8 10 8
Скорость вращения колеса.
об [мин .......... 500 1200 400 ——
Генератор постоянного тока: Мощность, вт . 350 100 1000 250
Напряжение, в 12 6 24 12
Ток, а...... 29 16,6 41,6 20.8
Скорость, об/мин 1500 1200 3000 —»
Опора .... Деревянный столб с оттяжками,
высота 7—10 м
ного или передвижного генератора, причем зарядка каждой группы происходит во время работы другой группы. Каждая из групп работает на питание попеременно. Примерная монтажная схема такой установки аккумуляторной батареи типа ЭП-80 дается на рис. 68,а. На рис. 68,6 приведена развернутая схема монтажа отдельных аккумуляторов, каждый из которых дает по 2 в. Как видно из схемы, в данном случае осуществлен параллельно-последовательный монтаж аккумулятора с подачей тока напряжением всего 8 в.
Более удобны для работы кислотные аккумуляторы обычных типов, выпускаемых нашей промышленностью.
Проект и выполнение катодной защиты. Представляемый для выполнения проект катодной защиты какого-либо подземного сооружения должен включать в себя следующие разделы:
1. Общая пояснительная записка с обоснованиями причин применения катодной защиты, выбора ее системы и техно-экономическими соображениями.
2. Исходные данные для проектирования:
а) по данным изысканий,
б) по лабораторным исследованиям, в) по литературным данным.
3. Расчет параметров источников тока.
4. Выбор источника тока и монтажные схемы его.
5. Расчет заземления и его конструкция.
6. Конструкция линейных устройств: пересечений, контрольных выводов, электроизолирующих соединений, контрольных пластин и т. п.
О)
б)
Рис. 68. Схема питания от аккумуляторов.
0 —монтажная схема аккумуляторной батареи типа ЭГЬ80 для питания установки катодной защиты трубопровода; б — развернутая схема монтажа отдельных аккумуляторов.
7. Общая схема системы катодной защиты.
8. Монтажные указания.
9. Спецификация материалов и оборудования.
10. Сметы.
В общей пояснительной записке даются все основные черты проекта. В ней указываются расположение и характеристика защищаемых объектов и приводятся обосно-154
вания применения катодной защиты. Дается краткое описание выбранной системы защиты с указанием мест расположения станций, обеспечение системы их питания.
расположение всех подводящих и связывающих линий питания и линий самой защиты. Приводятся выбранный материал и конструкция заземлений, выбранная система контроля и порядок эксплуатации, техно-экономические соображения о выгоде применения. Все эти вопросы в соответствующей части проекта освещаются подробно, в пояснительной записке дается лишь общий обзор принятых основных решений.
В число исходных данных для проектирования, помимо тех сведений, которые получаются при изысканиях и перечислены выше, входят также сведения об имеющемся материале для заземлений и имеющемся оборудовании, которое может быть использовано для установки катодной защиты. Эти данные в значительной степени могут влиять на принятие того или другого решения по проекту. Особо должен быть рассмотрен раздел о величине выбранного минимального защитного потенциала и минимальной защитной плотности тока. Эти данные могут быть получены при лабораторных испытаниях или взяты из литературы.
Z206
ЮОа
Выпрямитель
типа
ВСА-1
Рис. 69. Схема электрических соединений источника тока катодной защиты с селеновым выпрямителем ВСА-1.
В результате расчета необходимой мощности должны быть получены то напряжение источника тока, которое необходимо для защиты, и мощность этого источника. На основании этого расчета выбирают источник тока и его
марку с учетом возможного увеличения необходимой мощности при ухудшении состояния изоляции. По выбранному источнику тока подбирают место его установки и необходимое помещение.
Конструктивное оформление катодной станции начинается с составления электрической схемы. Эта схема
0-/150
Трансформатор меднозакисного Выпрямителя
гАЛА *t МЛп
f гf^МеОмзыиснь/е м» Выпрямители
Тип Т-ВВ 20В 2QA 24шт.
Сторона на 4Q0
Н-60/БО
Трубопровод
СБ 1-50°
(или пробод МТ-50* на изоляторах ТФ-2)
О
Рис. 70. Схема электропитания установки катодной защиты от меднозакисных выпрямителей.
Анодное заземление
у
будет несколько меняться в зависимости ог выбранного типа источника тока. Наиболее простой является схема с одним выпрямителем, приведенная на рис. 69. Так как выпрямители могут соединяться и последовательно и параллельно для увеличения подаваемого напряжения или тока, то схема может усложняться и приобретать вид,
/ — трубопровод; 2 — анодное эаземле-ине; 3— кабель или провод сечением 50 mjh1; 4 — бензиновый двигатель типа Л-3; 5 — ременная передача; 6 — генератор типа ГЗ-11 3,6 кет, 24/36 в, 150/100 а..
Рис. 71. Схема установки катодной защиты с питанием от генератора постоянного тока, приводимого в действие двигателем внутреннего сгорания.
показанный на рис. 70. Как видно из схемы, трехфазный ток преобразуется трансформатором, подавая ток по трехфазной схеме к выпрямительным меднозакисным столбикам типа Т.134, каждый из которых обеспечивает выпрямленный ток 20 а напряжением 20 в. Каждая цепь трехфазной схемы состоит из двух параллельных цепей, составленных в свою очередь из двух последовательно включенных столбиков. Таким образом, 24 столбика дают результирующее значение выпрямленного тока 40 а напряжением 40 в.
В каждую фазу переменного тока, а также на каждой линии выпрямленного тока включен предохранитель.
В случае применения генератора с двигателем внутреннего сгорания электрическая схема получает вид, приведенный на рис. 71. Для ртутного выпрямителя, питаемого от линии трехфазного тока, может быть использована схема, приведенная на рис. 72. При однофазном питании может иметь место схема, показанная на рис. 73.
Рис. 72. Схема установки катодной защиты при питании ртутного выпрямителя от трехфазной линии.
1 — ртутный выпрямитель; 2 — амперметр переменного тока; 3 — вольтметр переменного тока; 4 — счетчик переменного тока; 5 — трансформатор тока; 6 — рубялььик двухполюсный; 7 — рубильник трехполюсный; 8 — вольтметр постоянного тока;
9— амперметр постоянного тока; 10—ящик сопротивлений; //—кабель СБХ5оО или проводом МГ-5(С на изоляторе ТФ-2; 12 — защищаемый трубопровод.
Схема станции несколько усложняется, если применяется буферная установка от аккумуляторов при основном питании, работающем только периодически, например при двигателе внутреннего сгорания (рис. 74). Одна из новейших схем автоматически действующей катодной станции приведена па рис. 75.
При применении в качестве источника тока выпрямители монтируются чаще всего в киоске небольших раз-158
Меров. Внешний вид одного из таких киосков показан на рис. 76. Такой киоск может быть установлен и прямо у столба, как это показано на рис. 77. Пример установки
Ряс. 73. Схема установки катодной защиты при питании ртутного выпрямителя от однофазной линии.
Рис. 74. Схема установки катодной защиты при питании от двигателя внутреннего сгорания и буферной аккумуляторной установки.
1 — двигатель внутреннего сгорания; 2—динамо постоянного тона 3.5 кет, ПО в; 3— шунтовая обмотка возбуждения; 4 — шунтовой регулятор; 5 — реле обратного тока; 6 — предохранитель плавкий; 7 — аккумуляторная батарея ЭП-ЙО; в—амперметр 0—20 а; 9 — вольтметр 0—220 в; 10 — амперметр 0— 40 л; 11 — руС ильин к Р-3 — 10Q о; 12— п >ав-кие предохранвтелн ПК; 13 — сопротивление регуляторов ЯС. 101 4.2 и реостата — 5J ом; 14 — вольтметр шн 0—40 в; 15 — кабель СБ-2x50 мм9; 16 — заземлитель; 17 — трубопровод 10"; 18 — рубильник.
выпрямителя в закрытом помещении показан на рис. 78. Размеры помещений, которые необходимы для установки различных источников тока, зависят от местных условий и выбранного оборудования. Ориентировочные размеры приводятся в табл. 35.
6
Рис. 75. Принципиальная схема АУКЗ 5-катушка поляризованного "4«"'"!S1r?.7e“ 5?ИртЖ реле переменного тока
1-РПТ, 10 предохранитель, 11 рубильник; 12 — анодное заземление.
Рис. 76. Внешний вид наземных устройств катодной защиты выпрямителем.
Рис. 77. Установка коробки с выпрямителем на столбе.
/ — выпрямитель; 2 — пуско-ой ящик; 3 — счетчик однофазный ~ 220 в, 10 а\ 4 —вольтметр постоянного тока 0-30 в; 5 — кабель марки СГ сечением 1XJ.5 мм; б—то же сечением 2X2,25 мм; 7 — металлический шкаф: в —к анодному заземлению; 9 — к защищаеь-мому трубопроводу; 10— к линейному регулирующему сопротивлению.
OSOl
a)
Рис. 78. Примерное расположение оборудования и монтажная схема а — с выпрямителем ВСА-7; б — с выпрямителем BCA-I; 1 — щиток; 2 — выпрями гулировочиое сопротивление; 5 — шина медная 40 Х4, I — 200 мм; 6 — изолятор
Монтаж двигателей, генераторов или других источников тока не имеет каких-либо специфических особенностей и производится обычным порядком, который описан в специальной литературе. Почти всегда в схеме станции катодной защиты устанавливается сопротивление, при помощи которого регулируют поступление защитного тока. В качестве сопротивления могут быть использованы самые различные приборы, в том числе ящичные чугунные сопротивления типа ЯС-100 {Л. 8]. Возможно применение обычных реостатов на соответствующий ток. В случае распределенных анодов удобно выполнение сопротивлений прямо в поле на столбе (рис. 79), в виде нихромовой 162
источников тока катодной защиты, размещенных в здании.
тель; 3 — шунт к амперметру с калиброванным проводником I — 0,754-1.5 ж; ре-фарфоровый; 7 — металлическое сетчатое съемное „ограждение.
проволоки определенной длины, подвешенной параллельно питающему проводу. Путем передвижения зажима-контакта, соединяющего оба провода, можно рейдировать длину нихромового провода, входящую в цепь защиты, и этим изменять общее сопротивление цепи.
Щиток с контрольными приборами, рубильником и предохранителями может быть произвольным. Один из возможных вариантов приведен на рис. 80. На нем помещены амперметр и вольтмегр постоянного тока, счетчик переменного тока, рубильник и вольтметровый переключатель.
Общая конструкция заземления приведена была рань-
Таблица 35
Ориентировочные размеры помещения для различных типов источника тока катодной защиты
Наименование источника тока
Размеры помещения, м
Длина
Ширина
Генератор постоянного тока с двигателем внутреннего сгорания типа Л-3...................
То же с двигателем Л-6/2........
То же с двигателем Н-15 1Г 16/20 Мотор-генератор ....
Ветроэлектростанция ............
Выпрямители, ртутные, меднозакисные, селеновые
7,5
7,5 8
4,5
3
3
4
4
4
3,5
3,5
3,5
Рис. 79. Линейное устройство для дополнительного регулирования потенциала на защищаемом продуктопроводс.
1 — добавочное сопротивление из нихромовой проволоки диаметром 2,5—4 мм-, 2— фарфоровый изолятор седлообразный, орешковый нлн ролик большого размера; 3 — латунный зажим плашечный, болтовой; 4 — соединитель медный, трубчатый, овальный; 5 — провод медный ПР-500 сечением 50 мм* в эбонитовой трубке с внутренним диаметром 25 мм; 6, 7 —труба диаметром */,»».
ше. Необходимо только предусмотреть надежное присоединение подводящего провода к заземлению, чтобы предупредить его преждевременное разрушение коррозией или механическими воздействиями.
Электролинии питания как высокого, так и низкого напряжения выполняются обычным способом: воздушной или подземной линией. Первый способ, как наиболее де-
Рис. 80. Щиток источника тока катодной защиты с выпрямителем типа ВСА-1.
а —фасад щптка; б — монтажная схема.
шевый, применяется чаще, где только это возможно по местным условиям.
Сечение подвешиваемых проводов подбирают по значениям проходящего тока с учетом возможных механических воздействий. После источника тока рассчитывают заземление, стремясь получить возможно меньшее переходное сопротивление при минимальных размерах и с использованием имеющегося под рукой бросового металла. Конструкция заземления должна учитывать и наибольшую простоту его сооружения.
Шунтирующие соединения. Во многих случаях защищаемый трубопровод имеет в отдельных местах разрывы своей электрической непрерывности. Эти разрывы чаще всего бывают в местах фланцевых соединений, у задвижек и других фасонных частей. При соединениях нарезными муфтами и при раструбных соединениях с заливкой сты-
Рис. 81. Муфта с соединительным проводом.
Диаметр труб
„ „ Диаметр соединительного
Расстояние В, мм провода, жж
2**—з»/_4,/-6" 8"—10**—12**
16** 20**
ков битумом или цементом также возможны заметные сопротивления прохождению тока. Нарезные муфты, так же как стыки на свинце, во многих случаях имеют достаточную проводимость, обеспечивающую возможность применения на них катодной защиты без специальных шунтов. Особенно необходимы шунты на соединениях специальными муфтами типа Дрессер, Виктолик и т. д. При наличии участков с высоким продольным сопротивлением на трубопроводе, обнаруженных при помощи электрических замеров с поверхности (Л. 7], места эти должны быть вскрыты, и участки трубы должны быть шунтированы проводником, как это показано на рис. 81.
Контрольные выводы. При наладке и при эксплуатации защищенного трубопровода или кабеля необходимо периодически производить измерения потенциала труба — 16§
почва или кабель — почва. Для этого требуется обеспечить металлический контакт с защищенным трубопроводом в данной точке. Так как без специальной раскопки это выполнить трудно (а при наличии поверхностной об-мостки, что обычно имеет место в городских условиях, очень сложно), то рационально на каждой сооружаемой линии устраивать через известные промежутки контрольные выводы. Контрольные выводы представляют собой проводник, присоединенный одним концом к защищенному трубопроводу или кабелю, причем другой конец выве-
Нарухсная поверхность защищаемого трубопровода
Рис. 82. Контрольный вывод для измерения потенциала.
Примечание. Пространство между асбоцементной трубой и стержнем (или проводом) заполняется кабельной массой МБ-70.
1 — изоляционная труба внутренним диаметром 50 мм. 1—2 100 мм (асбоцемент); 2 — отбойная труба диаметром 3". Z — I 030 (стальная); 3— стержень диаметре м 10 мм, I — 2 130 мм; 4— изоляционная втулка внутренним диаметром 36 мм (фарфор или алуид); 5—крышка (заглушка к трубе диаметром 3", сталь); 6 — виит диаметром 3**. I — 10 мм (сталь); 7 — хомут 30x3. I — 320 мм (сталь 30x3); в—бол г диаметром 6**, I — 20 мм с гайкой и шайбой (сталь); 9 — стальная труба диаметром 3*'. I — 70 мм (сталь).
ден на поверхность земли для возможности присоединения контактного провода измерительного прибора. Интервалы между такими выводами желательно иметь возможно меньшие, однако по экономическим соображениям их обычно выполняют через 200—500 м. Конструкция вывода
может быть различной. Одна из них приведена на рис. 82. Так как в городских условиях при наличии мостовой бывает трудно найти место контакта с почвой для неполя-ризуюшегося электрода, то бывает рационально устройство контрольных пунктов по конструкции, приведенной, например, на рис. 83. Характерной особенностью такого
пункта является наличие поверхности земли, на которую можно при выполняемых измерениях ставить неполяризующийся электрод.
Следует обратить внимание на необходимость надежной защиты места приварки провода к трубе или кабелю, что выполняется обычно путем заливки его битумной мастикой.
Изолирующие фланцы, стыки и муфты. Изолирующие соединения в виде фланцев, стыков и муфт устанавливаются на подземных линиях с двоякой целью: для уменьшения возможных блуждающих токов и для ограничения защищаемого катодной защитой участка с целью экономии расхода тока. 'В первом случае изолирующие соединения
Рис. 83. Контрольный проводник на стальном трубопроводе.
/—трубопровод: 2— стальная проволока: 3— стальная труба; 4— прострзнство. заливаемое битумом: 5—защитный стакан: 6 — мостовая.
устанавливаются вблизи мест наибольшего собирания блуждающего тока подземной линией, например в месте пересечения ее с рельсовыми путями электрических железных дорог. В этом случае рекомендуется устанавливать изолирующие соединения по обе стороны рельсового пути на расстоянии 70—100 м (рис. 84). При параллельном расположении подземной линии и рельсового пути иногда применяют равномерное разделение линий (секционирование) на отдельные электрически изолированные секции (рис. 85).
Рис. 84. Схема пересечения электрический железной дороги.
1 — электроизолирующие фланцы; 2 — рельсы.
*=4В.... Qtr-----ш
«2
Рис» 85. Секционирование трубопровода для борьбы с блуждающими токами.
а — схема с изолирующими фланцами; б — электрическая екема.
Рис. 86. Возникновение новых анодных зон на трубопроводе при постановке изолирующих соединений.
1 — подземный трубопровод, собирающий блуждающие токи; 2 — электроизолирующее соединение; 3 — рельсы'— источник блуждающего тока; на трубе заштрихо-.ваны новые анодные эоны, возникшие при обходе током изолирующих соединений.
Рис. 87. Места установки электроизолирующих соединений на участке трубопровода, получающем катодную защиту. / — защищаемый магистральный трубопровод: 2 — ответвление от магистрали: 3 — электроизолирующие соединения; 4 — станция катодной защиты: 5 — заземление; стрелками показан путь тока в цепи катодной защиты.
Увеличивая, таким образом, продольное сопротивление на пути тока, уменьшают его величину. Следует, однако, помнить, что при таком секционировании возникает опас-
Рис. 88. Узел электроизолирующего фланцевого соединения.
/, 2, 3—шайба, втулка и прокладка пз электроизоляционного материала: тиокола, хлорвинила, резины; 4 — шплинт.
ность создания многочисленных активных анодных зон на линии в местах выхода тока для обхода через землю электроизолирующего соединения, как это показано на рис. 86. Опасность таких зон тем больше, чем больше напряжение блуждающего тока на крайних точках его пути.
Второй целью установки электроизолирующих соединений бывает ограничение участка катодной защиты для пре
дупреждения нерацио-
нальных утечек тока на посторонние линии. В этом случае электроизолирующие соединения ставятся на концах защи-
щаемого участка и на всех не подлежащих защите присоединениях к линии (рис. 87).
Электроизолирующие соединения на трубопроводах могут быть выполнены в виде фланцев и муфтовых соединений. Конструкция электроизолирующего фланцевого соединения приведена на рис. 88. Обычно с целью облегчения электрических измерений по обе стороны электро-170
изолирующего соединения привариваются электрические проводники для контактирования с прибором.
Другим типом электроизолирующего соединения является муфта специальной конструкции (рис. 89), существенной частью которой является уплотняющее и изолирующее резиновое кольцо, работающее при затяжке
Рис. 89. Электроизолирующая муфта.
; 2 — центрирующее кольцо; 3 — фланцы муфты; 4—стягивающие болты*. 5 — резиновое кольцо.
Рис. 90. Изолирующая муфта на кабели связи.
болтов, соединяющих фланцы муфты. Состав резины в случае применения для нефтепроводов применяется специальный, нефтестойкий.
Несколько сложнее устройство электроизолирующего соединения на кабелях связи. Такое соединение здесь выполняется согласно рис. 90. На свинцовой оболочке кабеля на расстоянии 15 мм друг от друга делают два поперечных надреза, и оболочка между этими надрезами снимается. На месте снятой оболочки на кабель навертывается пропарафиненная миткалевая лента до заполнения всего углубления и перекрытия краев. Сверху миткалевой ленты наматывается лента из вулканизированной резины, распространяясь по кабелю до расположения правого |7|
хомутика, который выполняется из резиновой ленты риной 20 мм и толщиной 5 мм.
На кабель надевается внутренняя свинцовая муфта, которая правым концом опирается на правый хомутик из резиновой ленты, а левым концом на свинцовую оболочку кабеля левее надреза. Левый конец муфты припаивается к оболочке кабеля. Внутренняя свинцовая муфта имеет два отверстия, через одно из которых производится заливка внутреннего пространства каменноугольным пеком. После заливки внутренняя свинцовая муфта обматывается снаружи лентой из вулканизированной резины.
Сверху внутренней муфты надевается наружная свинцовая муфта, которая левым своим концом опирается на левый хомутик, а правым припаивается к оболочке кабеля. Левый конец наружной муфты обматывается вулканизированной резиной. Через одно из двух отверстий, имеющихся на конце наружной муфты, производится заливка внутреннего пространства каменноугольным пеком. Правильность монтажа муфты проверяется по схеме рис. 90. Величина тока измеряется при включенном или отключенном шунте. При правильном выполнении муфты стрелка миллиамперметра при измерениях не должна отклоняться.
Пересечения с рельсовыми путями электрических железных дорог. Места пересечения подземными линиями путей электрических железных дорог являются оптимальными для собирания блуждающего тока на трубопроводе или кабеле, главным образом вследствие минимальных расстояний между обеими конструкциями. Именно поэтому существующие правила защиты подземных сооружений от коррозии блуждающими токами определяют минимальное расстояние между подошвой рельсов и верхней образующей укладываемой под ними пересекающей линией равным 1 м. Из этих же соображений пересечения не должны выполняться в местах крестовин, стрелок, присоединения отсасывающих линий. В случае такой необходимости расстояние до указанных мест должно быть 3 м. Пересечения путей трубопроводами и кабелями должны при этом выполняться со специальной надежной электрической изоляцией. Такая изоляция осуществляется путем укладки трубопровода или кабеля в деревянном желобе, стальной трубе большего диаметра, асбоцементной трубе и т. п. В таком футляре труба укладывается на центрирующие подставки, а окружающее пространство заливается битумом. Концы футляра долж-17?
ны отстоять от крайнего рельса с каждой стороны путей не менее чем на 3 м, как это показано на рис. 91. Следует особенно внимательно следить за тем, чтобы стальной футляр в случае его применения не имел металлических контактов с внутренним трубопроводом или кабелем, так как в противном случае при применении катодной защиты футляр, обычно не имеющий наружной изоляции, будет потреблять очень много защитного тока.
Нужно также напомнить, что в случае устройств пересечения силового кабеля заливка битумом не должна
Рис. 91. Схема перехода трубопровода под трамвайными путями.
I —стальная обсадная труба большого диаметра: 2 — защищаемый трубопровод меньшего диаметра: а—деревянные подкладки для центрирования: 4 — битумная заливка: 5 — деревянная пробка; 6 — трамвайный путь; 7 — балласт.
применяться как ухудшающая условия теплоотдачи кабеля. В этом случае кабель укладывается на изолирующие подкладки в асбоцементной или керамиковой трубе.
Влияние защиты на соседние сооружения. Катодная защита при своей высокой эффективности и экономичности может при неправильном своем применении оказаться опасной для целости соседних подземных металлических сооружений. Происходит это оттого, что при создании катодной защиты в почве появляются постоянные токи, которые могут попадать на соседние подземные сооружения и создавать на них анодные зоны, которые могут быть местом разрушения этих сооружений. Эта опасность от катодной защиты возникает только в случае игнорирования присутствия вблизи защищаемого сооружения других подземных сооружений. Устранение опасного влияния катодной защиты, если оно возникает, легко выполняется путем комплексной защиты всех подземных сооружений, находящихся на этом участке. В то же время необходимо указать на то, что и сама опасность возникает только тогда, когда соседние сооружения расположены достаточно близко к защищаемому, а ток защиты значителен по 173
Ьеличине при высоком напряжении. При применении гальванических анодов или системы распределенных анодов опасность для подземных сооружений сводится до минимума. Таким образом, следует всегда рекомендовать комплексную защиту всех подземных сооружений на отдельных участках, кооперируясь для этого в случае необходимости с организациями, в ведении которых нахо-
Рис. 93. Система блокировочного генератора.
дятся соседние подземные сооружения. В случае отдельной защиты какой-либо подземной линии следует произвести необходимые измерения на всех соседних линиях для того, чтобы убедиться в отсутствии опасности для подземных соседних сооружений. Во всех случаях все организации должны быть извещены о введении в действие электрической защиты вблизи принадлежащих им линий для принятия предупредительных мер от возможных вредных воздействий на эти сооружения.
Помехи на соседних сооружениях не бывают слишком
большими и огмечаются лишь в некоторых специальных случаях, но эту возможность также не следует упускать из вида.
Методика расчета влияния катодной защиты на соседние сооружения имеет свою специфику, разработанную в специальных работах {Л. 77].
В том случае, если соседнее сооружение для устранения опасности должно быть включено в данную систему защиты, оно выполняется в виде отдельной цепи, как это показано на схеме рис. 92 для выпрямительной установки и на схеме рис. 93 — для системы питания от генератора.
Примерные расчеты катодной защиты
Пример 1. Рассчитать мощность источника постоянного тока станции катодной защиты для трубопровода длиной 10 км, диаметром 12", толщиной стенки 9 мм, если проводимость покрытия равна 10-®
1 000 — сопротивление почвы—400 ом-см и станция расположена посредине участка на расстоянии 25 м от трубопровода и 25 м от заземления. Заземление состоит из трех вертикальных труб длиной по 4 м, соединенных горизонтальной магистралью длиной 30 м.
Прежде всего определяем потенциал трубопровода и силу тока у станции, необходимые для зашиты линии.
Потенциал трубопровода у станции определится по (23), так как в данном случае имеем станцию бесконечной длины:
Минимальный защитный потенциал может быть принят равным — 0,285 в. Длина отдельного участка при расположении станции посредине будет: 10:2 = 5 км. После подстановки
0.01161/1^.5
Еа—- 0,285е У 9 0,285 е°-611 =
= —0,285-1.84 = —0,525 в.
Так как знак минус показывает только направление снижения потенциала, то опускаем его.
Сопротивление одной стороны защищаемого участка при длине наружной окружности трубы 0,323-3,14=1,015 м согласно (24)
11.6 11,6 п
Г,>-1.О15>г9Т0б6 = 96 ' °М'
сопротивление же всего участка
Л = 0,121:2 = 0,0605 ом.
Ток в цепи защиты равен:
„ 0,525
1 ~ 0,0605 = 8,68 л
Для определения падения напряжения в анодном заземлении сначала определяем сопротивление растеканию тока. По (38) при значении /= 50-f-у 400 = 250 см
„ Ло^400Г 2-400, 1 4-250 4-4001
Re — 0,366400pg 112 + 2 1g 4-250 —400 j =
= 0,366 (1,854 4- 0,184) = 0,742 ojw.
При наличии трех заземлителей с учетом коэффициента экранирования 0,78 (по табл. 23) согласно (41) , 0,742
= з.0,78= 0,318 ом"
Горизонтальная соединительная магистраль по (40) имеет сопротивление
0,366-400 Г 1200«1 1
- -ПбО-^ п^5о+0.30|] = 0,122.3.711 =0,451 ом.
С учетом коэффициента экранирования 0,83 (по табл. 24) и коэффициента промерзания, равного 2, вследствие неглубокого заложения магистрали получаем по (42):
R, = 0,451 -2:0,83 = 1,085 ом.
Общее сопротивление всей системы анодного заземления по (43)
Ro = ~~i~ ~ = 4Д)6 = 0,246 ом.
0^18 + Е085
Соответствующее падение напряжения в анодном заземлении
Ед = 8,68-0,246 = 2,13 в.
Сопротивление соединительных стальных проводов при сечении 50 лл8 0,135(25 4-25) Л
Rnp ~ 50 ~ 135 0М‘
где 0,135 — удельное сопротивление стали.
Падение напряжения в соединительных проводах
Ея = 8,68-0,135= 1,17 в.
Общее падение напряжения во всей системе
Е = 0,525 4- 2,13 4- 1,17 = 3,825 в.
Округляя полученные значения и вводя необходимый запас мощности, принимаем, что для защиты требуется источник тока напряжением 6 в при токе 10 а.
Пример 2. Определить напряжение и ток в точке присоединения дренажа, необходимые для катодной защиты трубопровода диаметром 12", длиной 5 км и толщиной стенки 9 мм, исходя из участка 10-®
конечной длины. Проводимость изоляции равна 10000—^ ж8, а минимальный защитный потенциал принимается равным —0,285 е.
176
По (27)
Еа =—0,285ch |^0,0116ЮОЮ.2,5
где 2,5— длина половины участка, км.
Еа= — 0,285 ch 0,967 = — 0,285 1,124 = — 0,321 в,
где 1,124— значение гиперболического косинуса, взятое по табл. 22, При длине окружности трубы 1,02 м сопротивление одной сто-
роны участка по (28) равно:
fл = . • хи л пет 0 0253 ом.
1,02 f 10000-9 th 0,967
Соответственно ток на одну сторону участка
Ток для всей станции
/ = 12,7-2 = 25,4 а.
Пример 3. Рассчитать мощность станции катодной защиты изолированного трубопровода на основании следующих данных:
1) номинальный диаметр трубопровода 20";
2) действительный наружный диаметр трубопровода 508 мм»
3) толщина стенки труб 16 мм‘,
4) длина защищаемого участка 232 м‘.
5) точка присоединения дренажа расположена посредине участка защиты;
6) сопротивление почвы на защищаемом участке 5 ом-м;
7) минимальный защитный потенциал принимается равным — 0,285 в;
8) заземление состоит из 15 вертикальных трубчатых заземлителей длиной 4 м и диаметром 4" каждый, расположенных на расстоянии 6 м друг от друга, соединенных поверху горизонтальной магистралью из труб диаметром 4", расположенной на глубине 80 см-. сопротивление почвы на площадке заземления 5 ом-м\
9) коэффициент промерзания для горизонтальной магистрали принят равным 2;
10) система катодной защиты соответствует участку бесконечной длины;
II) общая длина медных соединительных проводов сечением 100 мм2 равна 116 Ц- 116 = 232 м.
Перед определением необходимого потенциала в точке дренажа необходимо определить величину сопротивления окружающего трубопровод слоя почвы. Эта величина должна быть использована взамен величины сопротивления изоляции, которая в данном случае отсутствует. Определение сопротивления слоя почвы производится по (33):
203
Rn = 500-25.4 lg е 25j = 500-25,4-2,3-0,902 =
= 26300 qm}cmz = 2,63 ojm-jk2.
Отсюда величина проводимости будет равна: 1 ю-« Ю-•
«“г^з-0-381 -5^-38100° —
Защитный потенциал в точке дренажа определится по (23):
>. т,с1/38У00бп,,с
Еа= — 0,285-е’ 16 ' = — 0,285е°-0П6"154’5'0’П6 =
= - 0,285- е0,207 = — 0,285-1,23 = — 0.350 в.
Сопротивление участка согласно (24) 11,6________________________________11,6 _
Г° ~ 1,6^381000-16 “ 4,6-618-4 ~ • ом‘
Отсюда величина тока, необходимая для защиты: 0,350 /1 = 0,00294 — 119 °-
Это величина тока, необходимая для одной половины участка. Для всего же участка ток будет равен: 1 = 119-2 = 238 а.
Величина сопротивления анодного заземления определится еле* дующим образом.
Сопротивление одного заземлителя вертикального типа равно: О.ЗббрГ 21 1 4f + Zl
0.366-500Г 800 f 1 . 1000 + 4001 ~ 400 [ « 11,6 + 2 « 1000 — 400] =
= 0,457 [1g 69 + у Jg 2,33 J= 0,457 p,838 +*y-0,367j = = 0,457- 2,021 = 0,925 ом.
Сопротивление 15 параллельных заземлителей с учетом экранирования определится по (37): , 0,925
^в= 15 0,62 = 0,1 ом’
Сопротивление соединительной горизонтальной магистрали при общей длине 90 м по (38): 0,366-500 Г 9 000а 1
R,----9000“ [ te 80Й1Тб+ °-301J = 0,0203[1g87500-f-0,3011 =
= 0,0203 [4,942 + 0,301] = 0,0203-5,243 = 0,106 ом.
С учетом коэффициента экранирования 0,59, взятого из табл. 23, и при коэффициенте промерзания, равном 2, сопротивление горизонтальной магистрали
п, 0,106-2 Л Rg -- 0 gg — 0,36 ом.
Общее сопротивление всего заземления
Ro = J2 ~Т~ = 10 4-2,78 = 12?78 = °’078 0Л* 0.1 +0,36
Сопротивление соединительных проводов при удельном сопротивлении меди 0,0175 ом мм^м
116-2
Ялр = °«0175 "ЮГ =°-ою6 ом.
Потеря напряжения в анодном заземлении и соединительных проводах
Е2 = 238 (0,078 4- 0,0406) «238-0.1186 = 28,2 в.
Общее же напряжение, необходимое для всей системы катодной защиты:
Ео = 28,2 4-0,350^30 в.
а мощность станции
«7 = 30-238 = 7140 вт ^7,2 кет.
Пример 4. Определить потребную мощность катодной станции по следующим данным:
1) диаметр защищаемого трубопровода 12";
2) длина защищаемого участка 10 км;
3) станция расположена посредине защищаемого участка;
4) границы защищаемого участка не отсоединены от остальной линии, т. е. имеется участок бесконечной длины;
^^минимальный защитный потенциал принимается равным
6) толщина стенок труб 8 мм;
7) анодное заземление расположено в 25 ж от источника тока, а источник тока находится в 30 м от защищаемой линии;
8) сопротивление почвы в месте заземления 1500 ом-см;
9) заземление запроектировано в виде пяти вертикальных труб диаметром 6" и длиной по 4 м, соединенных горизонтальной магистралью длиной 20 м и диаметром 6"; вертикальные трубы расположены с интервалом в 5 м; магистраль, соединяющая заземлители, расположена на глубине 0,8 м;
10) коэффициент промерзания грунта для вертикальных труб равен 1, для горизонтальной магистрали 2;
11) сечение медной проволоки соединительных электролиний равно 20 мм2;
10-®
12) проводимость изоляции труб составляет 1 500
При расчете прежде всего определяем необходимый потенциал в точке дренажа для обеспечения на концах участка потенциала —0,285 в.
Согласно условию 4) расчет ведем по (23):
аЦ = 0,0116 -Цр 5 = 0,794;
ЕЛ = 0,285 в0'™ = 0,285- 2,21 = 0.63 в.
Длину участка принимаем равной 5 км, т. е.. половине общей длины защищаемого участка, поскольку станция расположена на средине его. ЗнЛение для степени е берем из табл. 22. Знак минус у минимального защитного потенциала и у потенциала точки дренажа опускаем, так как он показывает только направление, в котором происходит падение потенциала.
Сопротивление же половины участка определится по (24). Если длина наружной окружности трубы С=323-тс=1015 мм= 1,015 м, то 11,6 11,6
f*~ 7,015/1500-8 = ПТ=°-1М5
Ток защиты половины участка согласно формуле Ома будет равен:
„ °>63
/=0J045 = 6 °*
Ток всего участка будет в 2 раза больше
7 = 27 = 2-6=12 а.
Эта величина тока будет иметь место во всех участках электрической цепи катодной защиты.
Затем определяем сопротивление других частей защиты—заземления и электрических проводов.
Сопротивление одного вертикального заземлителя определяется по (39)
0.366-1500 Г 2400 , 1 4.280 + 400-1__
400 [lg 15-2 “Г 2 ,g 4-280 — 400 J
= 1,375 £ 1g52,6 + 4" Ig 2,11] = 1,375-1,88 = 2,58 ом,
где согласно заданному условию (9)
400
/ = 80 + -g-+280 см.
Если бы расчет велся по менее точной для данного случая формуле (38), то сопротивление оказалось бы равным:
« ^ + <>.602] = 1,375*2,022 = 2,78 ол..
При пяти вертикальных заземлителях с учетом, что коэффициент промерзания согласно заданному условию (10) равен единице, а коэффициент экранирования по табл. 23 должен быть принят равным 0,7, получаем по (37)
= О*738 см-
Сопротивление соединительной горизонтальной магистрали определяем по (40)
п 0,366-1500 Г 20002 t Л 1_ 2000 [lg 15,2-80 + °*301]
= 0,275 (1g 3 290 + 0,301J = 1,05 ом.
Если коэффициент промерзания равен 2 и экранирования 0,74, то согласно табл. 24 получим сопротивление магистрали по (42)
. 1.05-2 /?г= ~q74~ = 2,84 ом.
Наконец, общее сопротивление системы заземления растеканию тока определится по (43)
R°= 1 ~~j = 1,355 4- 0,346 = 0,588 ОМ’
0,738 + 2,84
Падение напряжения на участке заземления
Ег = IRO = 12 -0,588 = 7,05 в.
Сопротивление соединительных проводов при их общей длине 25-|-30 = 55 м и удельном сопротивлении меди 0,0175 ом-мм21м, получим Rnp = 0,0175 эд = 0,048 ом.
Падение напряжения в проводах
Е = lRnp = 12-0,048 = 0,575 в.
Необходимое напряжение для всей системы защиты
Е = 7,05 + 0,63 + 0,575 = 8,255 в.
Округляя и вводя запас, принимаем напряжение 10 в. Потребная мощность источника постоянного тока получается равной:
W = 12-10= 120 вт.
Пример 5. Определить мощность станции катодной защиты для тех же условий» что и в примере 4, но для участков конечной длины.
В этом случае расчет необходимого потенциала в точке дренажа необходимо вести по (27):
Е = 0,285 ch [о,О116 |ЛЦ^-5] = 0,285 ch0,794 = 0,285-1,333 =0,38 в.
Значение гиперболического косинуса берем из табл. 22. Величина потенциала в данном случае почти в 2 раза меньше, чем на участках бесконечной длины.
Сопротивление защищаемого участка определяется по (28); чения гиперболического тангенса выбираем по табл. 22:
11,6________________1___________
Г°Ж 1,015КТббО’‘ иГЛЛ.1е1/Т500 1 tgh|0,0116 у —g—5]
= 0,1045^^4 = 0.1045-1,52 = 0,159 ом.
Величина тока для одной стороны участка
а для всего участка
7 = 2,39-2 = 4,78^5 а
вместо 12 а для участка бесконечной длины.
Так как сопротивление заземления определено в примере 4 равным 0,588 ом, то падение напряжения на участке заземления
Еа -= Л?о = 5-0,588 = 2,94 в, а при сопротивлении проводов 0,048 ом падение напряжения в них
Е=7Япр = 5-0,048 = 0,24 в.
Тогда общее напряжение для системы катодной защиты
Е = 0,38 + 0,24+2,94 = 3,56 в.
а необходимая мощность вместо прежних 120 вт должна быть:
№ = 5-3,56 = 17,8 вт.
т. е. в 6 раз меньше, чем при участках бесконечной длины.
Пример 6. Определить длину трубопровода, на которой будет обеспечена достаточная защита, если:
1) наружный диаметр трубопровода 12"—323 мм;
2) толщина стенки трубы 9 мм;
3) концы участка ограничены (участки конечной длины);
жа-10-’
4) проводимость изоляции—1000 ----—— ;
5) минимальный потенциал, необходимый для защиты, равен — 0,285 в;
6) потенциал в точке дренажа равен 0,60 в.
Согласно (31)
f Еа \ 0,6
. arcch7W arcch2,l
i/Тбоо 0,0116/ПТ
0,01 16 У Р 0,0116 У -д-
1,37
0 122 — ^»25 км.
Длина защищаемого участка в обе стороны от точки дренажа будет равна:
7 = 11,25-2 = 22,5 км.
10-’
Если бы проводимость изоляции увеличилась до ^=10000-^ ж’,
то защищаемая длина уменьшилась бы до
, *’37 1,37
2 Л с 1/10000 = 0,387 “ 3-54 км-0,0116 у —д—
а в обе стороны от точки дренажа она составила бы 3,54-2=7,08 км*
Пример 7. Определить проводимость изоляции, если:
1) толщина стенки трубопровода равна 9 мм;
2) расстояние между точками замеров L = lx2 — xJ=\ км;
3) потенциал в первой точке замера Е1 = — 0,320 в;
4) потенциал во второй точке замера £2 =— 0,300 в.
Для определения средней величины проводимости участка длиной в 1 км пользуемся формулой (15):
[0,321 10-*
1g = 39 200- 9 0,000785 =276 ма.
ГЛАВА ПЯТАЯ
ПРОТЕКТОРНАЯ ЗАЩИТА
45. Основные характеристики системы защиты. Протекторная защита является одной из разновидностей катодной защиты. Ее существенной особенностью является отсутствие в защитной системе специального источника постоянного тока. Необходимый для осуществления защиты ток получается путем создания большого гальванического элемента, в котором роль катода играет металл защищаемого сооружения, а роль анода выполняет более электроотрицательный металл, чем защищаемый. Таким образом, принципиальная схема протекторной защиты получает вид, изображенный на рис. 29. Анод, будучи соединен проводником с защищаемым металлическим сооружением, создает гальванический элемент, в котором катодную поляризацию поверхности обеспечивает движение тока по схеме, указанной на рис. 29. Так как энергоотдача такого гальванического элемента сравнительно невелика, то приходится создавать не один, а несколько расположенных рядом подобных гальванических элементов, как это показано на рис. 30 для системы протекторной защиты подземного трубопровода.
В соответствии с принципиальной схемой, приведенной на рис. 29, электрическая схема протекторной защиты, приведенная на рис. 33, выглядит несколько проще, чем
схема катодной защиты с наложенным током, хотя и представляет собой также ряд последовательно соединенных сопротивлений.
46. Материал анодов. Как следует из принципиальной схемы протекторной защиты, в качестве материала для анодов, образующих с защищаемым металлом гальванический элемент, могут быть взяты металлы более электроотрицательные, чем защищаемый. Согласно ряду электродных потенциалов (табл. 36) для стали, из кото-
Таблица 36
Стандартные электродные потенциалы металлов (по Акимову)
Металл Стандартный потенциал, в Металл Стандартный потенциал, в
Ag +0,80 Cd —0,40
Си +0,34 Fe —0,43
Bi . +0,32 Cr —0,41
Sb +0,21 Zn —0,76
Sn —0,13 Mn . —1,04
Pb —0,12 Al — 1,67
Ni. —0,25 Mg —2,3-1
Co —0,28
рой выполняются почти все трубопроводы, такими металлами являются хром, цинк, марганец, алюминий, магний, калий, натрий, никель и др. Для защиты свинца сюда могут быть добавлены железо, кадмий, кобальт. Однако некоторые из перечисленных металлов дают с защищаемым металлом слишком слабый гальванический элемент (например, хром, железо, никель со свинцом), а другие являются слишком неустойчивыми к внешним условиям (натрий, калий и др.). Таким образом, практически для протекторов применяют три основных металла: цинк, магний и алюминий. На основе указанных металлов для протекторов изготовляют специальные сплавы, определенного состава, которые в наибольшей степени удобны для обеспечения защиты. Необходимо подчеркнуть, что состав протекторов играет очень большую роль в осуществлении защиты, и правильному подбору металла анодов (протекторов) должно быть уделено большое внимание. Немногочисленные случаи неудачного применения протекторной защиты относятся главным образом к цинковым анодам, на состав металла которых перво-184
начально не обращалось необходимого внимания. В результате в ряде случаев цинк быстро покрывался продуктами коррозии, которые препятствовали его успешной работе.
Из перечисленных выше трех металлов в настоящее время наибольшее и преимущественное распространение имеют магниевые аноды из специального сплава магния с алюминием и цинком. Это объясняется тем, что магниевые аноды дают наибольшую разность потенциалов с защищаемыми железом или свинцом и наибольшую мощность защиты, что позволяет обеспечивать наиболее экономичную систему. В табл. 37 приводятся характеристики
Таблица 37
Характеристика гальванических анодов
Гальванические аноды
цинковые магниевые алюминиевые
Цинк Электролитный Доу-ыеталл Алюминий-f-5% цинка
Материал окружения Гипс с глиной Известь,
Удельный вес, г/см* . ... 7 1,73 1,94 поваренная соль, каломель 2,92
Теоретический выход тока, а-ч/кг 820 2 200 2 200 2 870
Действительный выход тока, а-ч{кг 737 1080 1 210 1 120
Эффективность действия, % . 90 49 55 39
Теоретические потери веса, кг/а-год 10,7 39,5 39,5 29,5
Действительные потери веса, кг/а-год 11,9 80,5 71,8 75,7
Потенциал по медносульфат-ному электроду, в 1,1 1,7 1,55 1,1
Рабочее напряжение (сверх значения в 0,85 в по медносульфатному электроду). . 0,25 0,85 0,70 0.25
трех основных типов анодов. Следует отметить, что приводимое значение потенциала магния—1,55 в является, собственно говоря, потенциалом поверхностной пленки окиси магния, тогда как потенциал магния в активном состоянии равен —2,35 в.
Как видно из табл. 37, некоторым недостатком магниевых анодов является меньшая эффективность их работы, равная обычно 50%, а иногда снижающаяся до 20—30%. В то же время иногда меньшая разность потенциалов цинковых анодов оказывается положительной характеристикой. Это бывает в случае, когда возникает опасность повреждения защитной окраски слишком большим напря-
Рис. 94. Влияние Мп на эффективность работы анода при высоком Fe. Электролит—насыщенный CaS04. Различные плотности тока.
жением защиты или когда является необходимым предупредить слишком большое выделение водорода, образовывающегося при работе защиты, что существенно при внутренней защите в колодцах или резервуарах для нефтепродуктов.
47. Магниевые аноды. Подбор магниевого сплава анодов играет самую существенную роль для работы защиты. Попытки применить для анодов чистый магний показали, что он является весьма неустойчивым в почвенных условиях. При этом чистый или так называемый эле-186
ментный магний (чистота 99,9%) оказывается особенно чувствительным к самым небольшим количествам вредных примесей, которыми являются особенно никель и железо. При увеличении концентрации железа в чистом магнии с 0,01 до 0,03% коррозия в трехпроцентном растворе хлористого натрия возрастает примерно в 500 раз. Вредными примесями в магниевом сплаве являются также такие составляющие, как медь, олово, свинец, кремний. Алюми-
Рис. 95. Влияние Fe на эффективность работы анода при высоком и низком содержании Мп. Электролит—насыщенный CaSO4. Плотность тока 387 ма!мг.
ний, цинк и марганец являются легирующими примесями, позволяющими аноду быть не так чувствительным к вредным примесям. Особенно важно присутствие марганца, так как он является «уборщиком мусора», нейтрализуя вредное действие примесей железа и никеля путем вывода при коррозии магния из него частиц Fe и Ni. На рис. 94 приведена зависимость эффективности действия анода от количества марганца при высоком содержании железа, а на рис. 95 и 96 — влияние содержания железа и никеля. Содержание алюминия и цинка бывает различно в зависимости от применяемой марки металла: A6Z3 имеет 6% алюминия и 3% цинка, а марка A3Z1 имеет 3%' алюминия и 1% цинка. Полный состав применяемых марок магниевых сплавов приводится в табл. 38. Некоторым преимуще-
ством марки A3Z1 перед A6Z3 является меньшая сегрегация примесей у поверхности металла, что повышает эффективность работы анода. В пятой графе таблицы приведен оптимальный сплав, выявленный на основании специальных исследований {Л. 66]. К сожалению, готовых сплавов указанного состава в промышленности не изготовляется. Из марок, изготовляемых нашей промышлен-
Рис. 96. Влияние Ni. Электролит: насыщенный CaS04. Различные плотности тока.
ностью, наиболее подходят марки МЛ-4 и МЛ-3, состав которых также приводится в таблице с указанием содержания в них вредных примесей.
Магниевые сплавы для защиты подземных трубопроводов ввиду своих преимуществ по мощности могут считаться наиболее подходящими для использования в протекторной защите подземных сооружений. Случаи их неудачного применения весьма редки и относятся к неправильному выбору состава сплава. Так, в одном случае неэффективным оказался магниевый сплав с 12% алюминия, который усиленно разрушался интеркристаллитной коррозией.
48. Цинковые аноды. Цинк был первым металлом, применявшимся для протекторной защиты. В настоя-188
Таблица 38
Состав металла магниевых анодов для протекторной защиты
Составляющий Состав марок металла магниевого сплава, %
Элемент* ный магний Доуметалл A6Z£3 Доуметалл A3Z 1 Оптималь-ный состав ГОСТ 2856-45
МЛ4 | млз
Алюминий 0.003 5,3—6,7 2,6—3,5 2,6—6,7 5-7 2,5—3,5
Цинк . . — 2,5—3,5 0,9—1.2 0,9—3,5 2-3 0.5-1,5
Марганец 0,08 Не менее 0,15 Не менее 0,15 Не менее 0,20 0,15—0.5 0.15-0.5
Кремний 0,005 Не более 0,30 Не более 0,30 Не более 0,10 Не более 0,25 Не более 0,25
Медь Отношение 0,003 Не более 0,05 Не более 0,05 Не более 0,05 Не более 0,15 Не более 0,15
марганец/медь — — — Не ниже 1,7 — —
Никель . 0,001 Не более 0,03 Не более 0,02 Не более 0,03 Не более 0,03
Железо Другие приме- 0,03 Не более 0,003 Не более 0,03 Не более 0,15 Не более 0,15
си — Не более 0,30 — — —
Свинец — — — Не более 0,04 — —
Олово — — — Не более 0.05 — —
Бериллий Сумма приме- — — — Не более 0,0028 —
сей . — — — — 0,6 0,6
щее время он имеет лишь ограниченное применение ввиду преимуществ магниевых сплавов. Недостатком цинка является его способность сравнительно быстро покрываться продуктами коррозии, образующими твердые непроницаемые пленки, с высоким электрическим сопротивлением. Эти пленки, образуясь в присутствии двуокиси углерода, состоят главным образом из основного карбоната цинка. Этот недостаток цинковых протекторов может быть в значительной степени устранен применением цинка высокой чистоты и специальной окружающей засыпки из гипса (сульфата кальция), в присутствии которого образуются продукты коррозии, обладающие достаточной проводимостью. Другим недостатком цинка является его меньшая разность потенциалов с защищаемыми железом или свинцом, как это видно из табл. 37. Это вызывает больший
расход металла протекторов и большую стоимость защиты, как это видно из сравнительных цифр табл. 39.
Таблица 39
Сравнительная экономичность автономных анодов из различных металлов
Металл Выход тока, а-ч/кг Разрушенного металла кг!а-год Коэффициент стоимости
Алюминий . 1490 5,9 1,00
Магний 1322 6,7 1,62
Цинк 740 11,9 1,81
Состав цинковых анодов, которые могут применяться для протекторной защиты, приводится в табл. 40. В последнее время содержание железа в цинке регламентируется пределом в 0,0014%. Имеются рекомендации добавки в цинк высокой чистоты 1% магния для улучшения его работы. Цинковые аноды применяются в почвах, сопротивление которых не превышает 2 000 ом • гл, а по некоторым данным даже не выше 1 000 ом • см.
Таблица 40
Состав металла для цинковых анодов
Составляющие Содержание в процентах (ие более) для марок
ЦО-ГОСТ 4740 Ц1-ГОСТ 4740 Высокой чистоты Особо высокой чистоты
Цинк . 99,960 99,940 99,9 99,99
Свинец 0,015 0,024 0,07 0,006
Железо 0,020 0,020 0,02 0,005
Кадмий 0,010 0,014 0,07 0,004
Медь 0,001 0,002 — —
Олово . 0,001 0,001 — ——
Сурьма 0,002 0,005 —
Никель . 0,001 0,001 — —
Мышьяк ... 0,002 0,005 — —
Всего примесей 0,040 0.060 0,1 0,01
49. Алюминиевые аноды. Алюминий при изготовлении протекторов пока не получил широкого распространения. Причинами этого являются невысокий потенциал чистого алюминия в глинистых почвах и склонность алюминия при своей работе выпрямлять переменные блуждающие токи в почвах, содержащих сульфат кальция. Сплав алюминия, содержащий 5%' цинка, увеличи-190
вает свой потенциал, но все же заметно уступает в этом отношении магниевым протекторам. Иногда применяются сплавы алюминия с другим содержанием цинка — 1 и 10%. Преимуществом алюминиевых анодов остается их меньшая стоимость, что определяет направление работы по использованию алюминия для протекторов. Так, в последнее время Францевичем [Л. 66] были сделаны попытки изготовления алюмокальциевых протекторов, обладающих внутренним эффектом депассивации. Это свойство должно позволить аноду, не имеющему специальной засыпки, работать без снижения эффективности своего действия. Оптимальным составом обладал сплав, содержащий 7,55% Са. Однако потенциал этого сплава опять-таки был заметно меньше магниевого.
Форма и размеры гальванических анодов. Форма и размер гальванических анодов играют существенную роль в условиях протекторной защиты. Одной из существенных характеристик гальванических анодов является отношение величины площади поверхности анода к его объему. Чем больше поверхность анода, тем больше выход тока и, следовательно, тем короче срок жизни анода. Чем больше объем анода, тем, наоборот, будет длиннее срок его эффективной работы. Аноды также, по возможности, не должны иметь острых граней, так как эти грани наиболее быстро разрушаются.
Магниевые гальванические аноды, применяемые для защиты подземных сооружений, обычно имеют цилиндрическую форму. Однако встречаются аноды и в форме пластины или полусферы, стержни квадратного и D-образного сечения. В табл. 41 приводятся размеры и веса магниевых анодов различной формы, применяющихся для защиты подземных сооружений. Цинковые аноды чаще имеют форму пластин или стержней, размеры, которых приводятся в табл. 42.
В соответствии с формой и массой анодов они применяются в различных почвенных условиях, Так, при наименьших сопротивлениях почвы в 200—1000 ом-см применяются литые аноды с малым отношением площади поверхности к объему, например тип I, что обеспечивает наиболее длительную работу. В почвах более высокого сопротивления примерно до 2 500 ом • см более экономично применение анодов с большим указанным отношением, например типа II. В почвах более высокого сопротивления, как правило, применение гальванических анодов ока-
Таблица 41
Характеристика магниевых гальванических анодов
Размеры анодов, см
Тип анода
Вес, кг
Примечание
I Цилиндрические стержни .
II Цилиндрические стержни .....................
III Цилиндрообразные стержни .
Квадратные стержни . . Пластинчатые стержни Пластинчатые стержни Лента. ...
10 150 26
7,5 17,5 17,5
1,8
90 5,5
45,5 25
91,5 32,5
Со стальным сердечником
То же
Сердечник медный, провод длиной 3 м
0,33 кг/м
Сердечник стальной
Таблица 42
Форма и размер цинковых гальванических анодов
Размеры анодов, мм
Длина Ширина Толщина Диаметр
Прямоугольная пластина. 915 76 13 6,3
Квадратная пластина 305 305 13 — 5,4
Квадратный стержень .... Круглый стержень со сталь- 120 25 25 — —
ным сердечником 60 — — 35 4 (цинк 1,3)
То же. . 120 — — 35 8 (цинк 2,6)
зывается неэкономичным, и при сопротивлениях выше 5 000 ом-см они вообще не применяются.
50. Засыпка гальванических анодов. Применение гальванических анодов показало, что на них во многих случаях образуются пленки, заметно снижающие электродный потенциал анодов. Снижение активного состояния металла резко уменьшает защитное действие анодов и приводит к новому развитию коррозии. Для сохранения активного состояния гальванических анодов при 192
помещении в почву их окружают специальной средой, в которой первоначальный электродный потенциал и защитное действие анода устройство поддерживаются в продолжение длительного времени. Каждый из металлов имеет свой оптимальный материал окружения, основой которого . в большинстве случаев является гипс. Гипс в качестве наполнителя, т. е. засыпки для гальванических анодов, имеет то преимущество, что он является дешевым общедоступным материалом, имеющим низкую растворимость (примерно 1:400), что позволяет ему длительно работать в почвенных условиях без возобновления.
Для цинка наилучшие показатели дает засыпка смесью из гипса с глиной в отношении 1:4. Попытки улучшить этот состав добавлением различных химикатов, например сульфатом магния, хлористого аммония и т. д., не дали ощутимых результатов. Гипсовая смесь для засыпки готовится путем хорошего перемешивания обеих составляющих в виде порошка и добавления к получившейся смеси такого количества воды, чтобы получилась сметанообразная масса. Толщина слоя такой заливки должна быть ие меньше 4 см.
Магниевые аноды также нуждаются в специальной засыпке для поддержания эффективности их работы. Здесь может быть рекомендован следующий состав засыпки: для почв низкого сопротивления: три части бентонита, одна часть гидратированного порошка гипса; для почв высокого сопротивления: две части бентонита, одна часть гидратированного порошка гипса, одна часть безводного сульфата натрия. Применение для засыпки хлоридов быстро понижает эффективность действия магниевых анодов.
Для удобства работы по установке гальванических анодов они обычно приготовляются в специальной упаковке, в мешке, заполненном подходящей засыпкой. Таким образом, такой анод остается на месте прямо установить в почву и залить небольшим количеством воды. Другая рекомендуемая засыпка состоит из 35% сульфата магния, 15% сульфата кальция и 50% глины [Л. 80].
51. Установка гальванических анодов. Гальванические аноды устанавливаются в шурфах, которые устраиваются на расстоянии 1—5 м от защищаемой линии. Диаметр такого шурфа при обычных размерах анода бывает равен 20—40 см. Шурф после установки в него анода засыпается специальной смесью (см. выше)
или в случае готовой обмазки анода окружающей почвой. После этого в шурф заливается несколько литров воды. Расстояние между отдельными установленными анодами бывает различным, от нескольких метров до нескольких десятков метров, в зависимости от материала анодов, пх размеров, размеров защищаемой линии, проводимости изоляции и т. д. Практически это расстояние определяется путем пробных замеров после установки анодов при оценке защищенности трубопровода по минимальному защитному потенциалу.
Расчет протекторных установок производится на общих основаниях, приведенных выше. Более детально он рассмотрен в (Л. 81].
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ЭЛЕКТРОДРЕНАЖНАЯ ЗАЩИТА
52. Общие сведения. Основным принципом действия электродренажной защиты на подземных сооружениях является ликвидация на поверхности последних анодных зон путем отвода собираемого ими тока через специальное металлическое соединение в основную цепь
Рис. 97. Схема дренажной защиты трубопровода.
/ — сопротивление; 2 — предохранитель; 3— отсасывающая линия; 4—путь тока к минусовой шине; 5 — путь блуждающего тока; А — амперметр.
тока. Схема действия электрического дренажа представлена на рис. 97. Как видно из рис. 97, основным устройством электродренажной защиты является соединительный провод между защищаемой подземной линией и точкой присоединения отсасывающего провода к рельсам. Иногда это присоединение делают прямо к отрицательному полюсу питающей подстанции. Реже устраивают присоединение к рельсу вблизи места присоединения отсасывающего провода.
194
Дополнительными устройствами дренажа являются устанавливаемые на соединительном проводе амперметр, плавкий предохранитель и регулирующий реостат.
Нагрузка рельсовой цепи, так же как и величина блуждающего тока, сильно изменяется по времени, так что потенциалы отдельных точек могут не только изменяться по величине, но даже менять свой знак. Вследствие этого иногда случается, что работающая схема дренажа не только является защитной, но иногда может повести к увеличению опасности коррозии вследствие собирания
Рис. 98. Схема действия электрического дренажа. Штрихи на трубопроводе — анодная эона до устройства дренажного соединения.
тока и разряда его в окружающую почву, т. е. вследствие обратного направления движения блуждающего тока. Для предотвращения этого в соединительный проводник дренажной системы устанавливают схемы, которые или обеспечивают выключение дренажного устройства при обратном направлении тока, или пропускают ток в одном направлении.
Существующие типы дренажей, отличающиеся отдельными деталями, но преследующие одну цель —отвести блуждающие токи по безопасному пути обратно в основную цепь, можно подразделить на: а) прямой, с подключением к отсасывающей линии или прямо к минусовой шине подстанции, б) поляризованный; в) градуированный; г) вентильный; д) усиленный (принудительный, форсированный); е) земляной.
53. Схемы э л е к т р и ч е с к о го дренажа. Схема прямого электрического дренажа, подключаемого к минусовой шине подстанции, приведена на рис. 98, а подключаемого к отсасывающему кабелю — на рис. 99. Подключение дренажного провода возможно и к рельсам,
йо в этом случае оно должно делаться рядом с присоединением обратной линии, так как при удаленном присоединении возможны резкие изменения потенциала, вплоть до изменения полярности при случайном разрыве электрической непрерывности рельсов, например разрушением соединения стыка и стыкового шунтирующего соединения. Желательность присоединения дренажного провода к отсасывающей линии или минусовой шине вызывает необходимость приближения дренажной установки к этим точ-
Рис. 99. Приключение дренажного соединения к отсасывающей линии.
/ — отсасывающий пункт; 2 — обратная линия; 3 — предохранитель; 4 — шунт амперметра; S — регулировочный реостат; 6 — защищаемая линия.
кам. Однако и наиболее опасные анодные зоны обычно бывают приурочены к этим районам, так что практически обычно это не создает больших затруднений.
Когда участок, для которого применяется электрический дренаж, бывает настолько большим, что обычная система создает на нем слишком большие суммарные отрицательные потенциалы относительно земли, что по ряду причин является нежелательным, возможно осуществление градуированного дренажа, схема которого приведена на рис. 100. Сущность его заключается в том, что увеличивается общее сопротивление, так что основное падение напряжения переносится с защищаемой линии на шунтирующие соединения, осуществляемые в местах специальной установки изолирующих соединений. Схематически линия изменения потенциала приведена на этом рисунке внизу. Метод этот носит иногда название секционирования.
По сравнению с другими типами электрического дренажа градуированный отличается относительной сложностью, необходимостью заметных работ на трубопроводе по установке изолирующих муфт и шунтирующих соеди 196
пений и известным изменением механической прочности трубопровода. Практического осуществления градуированный дренаж не получил.
Поляризованный дренаж. Наиболее часто применяют для устройства электрического дренажа и а подземных линиях установки поляризованного дренажа. Достоинством этого дренажа является обеспечение постоянного отрицательного потенциала на защищаемом сооружении. Так как блуждающие токи меняются по времени не толь
Рис. 100. Схема установки изолирующих стыков и распределение потенциалов при градуированном дренаже.
/ — рельсы: 2 — подземная линия; 3 — изолирующие соединения; 4 — сопротивление; Я —кривая распределения потенциала.
ко по абсолютной величине, но и по знаку, то возникает опасность, что при обратном знаке и перемене направления тока вместо защиты может возникнуть усиленное разъедание. Поляризованный дренаж устраняет эту опасность, допуская движение токов в системе дренажа только в одном направлении. По указанным причинам поляризованный дренаж особенно должен быть рекомендован для установки в местах линий, удаленных от отсасывающего пункта трамвайной рельсовой сети или от тяговой подстанции, где прямое присоединение к обратной линии или отрицательной шине станции трудно осуществимо.
Поляризованный дренаж может работать двумя путями: или путем размыкания при помощи реле всей цепи в случае появления обратного тока, или путем его выпрямления при помощи выпрямительного устройства. В последнем случае он носит название также вентильного дренажа.
В качестве примера релейной поляризованной дренажной установки можно привести разработанную в 1942 г. установку РПД ЦНИИ-42, принципиальная схема которой
приведена на рис. 101. Работа этой установки заключается в том, что при изменении направления тока в цепи защиты при помощи реле автоматически сильно увеличи-
него дренажа РПД-ЦНИИ-42. А'Р-/ — комбинированное реле с двумя якорями: поляризованным (ПЯ) и нейтральным (//Я); НР-1— дренажное реле; ЛБ — добавочное сопротивление.
применяемого в Бельгии,
вается сопротивление в цепи дренажа, уменьшая этим обратный ток до значений не больше 100—125 ма [Л. 19]. Установка рассчитана на среднюю нагрузку в 15 а при ма ксимальном дренажном токе до 25 а.
Другим видоизменением той же установки является ПДЗ НИИЖТ-39, имеющая ту же принципиальную схему, что и РПД ЦНИИЖТ-42 с той лишь разницей, что вместо реле НР-1 в данном случае применен специальный соленоидный электромагнит-контактор (Л. 19]. Эта установка является более мощной и рассчитана на среднюю нагрузку 25 а при максимально допустимом токе в 50 а.
Другим типом поляризованного дренажа, длительно является установка, собранная
по схеме рис. 102. Эта установка имеет вспомогательный источник энергии. Существенной частью дренажной установки является специальный размыкатель S, рассчитанный на действие от дренажного тока и работающий от соленоида, обмотка которого питается переменным током из дополнительного реле А. Это дополнительное реле А приводится в действие поляризованным потенциальным реле В, включенным между трубопроводом и отрицательным рельсом в том случае, когда потенциал трубопровода не меньше чем на 0,5 в положительнее потенциала рельса. Когда ключ замкнут, то соленоид реле В коротко замкнут. Эта цепь тока проходит через контакты поляризованного милливольтного реле С, помещенного в обход шунта, применяемого для измерения дренажного тока. Как только дренажный ток изменит свое направление, контакт С нарушается, что открывает замыкатель. Дополнительное реле D с замедленным действием примерно на 5 сек, 198
включено в цепь для предупреждения размыкания выключателя, когда имеет место лишь кратковременное изменение направления тока.
Возможной схемой поляризованной дренажной установки, не требующей постороннего тока для работы, является приведенная на рис. 103, использующая для работы дренажный ток. Выключатель S имеет две обмотки.
Рис. 102. Схема поляризованного дренажа с внешним питанием.
А — вспомогательное реле; В — замыкающее реле: С — мнчливольтовое реле размыкания; О — реле с выдержкой времени; Р — трубопровод: R— рельс; 5 замыкатель
Г — шунт.
Первая обмотка —W2 высокого сопротивления соедине-
на последовательно с выпрямителем V Вторая обмотка малого сопротивления w3—w4 служит для включения выключателя. Реле С, работающее от собственного напряжения, включает выпрямленный ток в случае, когда разность потенциалов между рельсами и трубопроводом достигнет 15 в. Когда рельсы имеют положительный потенциал около 1 в относительно трубопровода, якорь замыкателя S замыкается под действием тока, текущего от трубопровода к рельсам через две обмотки wt—w2 и ш3—w4. Таким образом, обмотка высокого сопротивления В —w2) замыкается накоротко, но дренажный ток,
проходящий через обмотку низкого сопротивления w3—w4, держит замыкатель включенным. Этот замыкатель откры-199
вается, когда дренажный ток исчезает или изменяет свое направление.
Другой тип поляризованного дренажа приведен на рис. 104. Эта схема предохраняется от больших токов
Рис. 103. Схема электрического дренажа без вспомогательного источника тока.
п’| — чн — обмотка высокого сопротивления: trs — к>4 — обмотка низкого сопротинюния: Р — трубопровод: К — рельс: * S — замыкатель; V — выирямитсльныл 9ЛСМСН1.
Рис. 104. Схема поляризованного дренажа.
F— предохранитель; И — ртутный прерыватель; К — селеновый элемент; Р — защищаемый трубопровод: R — рельс.
плавким предохранителем, а от избыточного напряжения—ртутным контактным прерывателем И, который размыкает цепь, когда разность потенциалов между рельсом и трубопроводом превзойдет предусмотренную величину, например 15 в. Эта схема имеет недо
статок в том, что выпрямительный элемент /<, когда он не питается пе
ременным током, теряет свои свойства. Кроме того, он представляет собой заметное сопротивление в цепи и этим уменьшает эффективность дренажа.
Министерство связи изготовляет модернизированную поляризованную установку электрического дренажа типа ПЭД-45, принципиальная схема которой приведена на рис. 105, а монтажная схема — на рис. 106. В этой схеме применен кон-
тактор соленоидного типа с двумя обмотками, позволяющими увеличить средни" дренажный ток до 100 а.
При положительном потенциале сооружения относительно рельсов ток протекает через включающую обмотку, вентиль и реостат. Контактор срабатывает и включает основную дренажную цепь, когда величина тока достигает 1,2 а. Если дренажный ток находится в пределах от 1,2 до 1,9 а, имеется некоторая вибрация якоря контактора, 200
которая прекращается при дальнейшем повышении силы тока. Если происходит снижение отрицательного потенциала рельсов или меняется их полярность, то это вызывает отключение главной дренажной цепи и протекание тока обратного направления в подземное сооружение. Обратный ток достигает 100 ма при разности потенциалов между рельсом и защищаемым сооружением в 15 в. Однако протекание обратного тока при появлении положительного потенциала на рельсах является нежелатель-
Рис. 105. Принципиальная схема поляризованной дренажной установки ПЭД-45.
1 — включающая обмотка; 2 — дренажная обмотка: 3— вентиль: 4 — контактор, включающий дренажную сеть; 5 — регулировочный реостат; 6 — рубильник; 7—сигнальное реле.
ным из-за порчи выпрямительного элемента. Недостатком дренажа этого типа является также его неустойчивая работа при малых отрицательных потенциалах на рельсах.
Более простые конструкции вентильного дренажа отличаются надежностью действия и нетребовательностью в отношении надзора. Электрическая схема вентильного дренажа близка к схеме прямого дренажа. Разница заключается в том, что у вентильного дренажа в схему последовательно с регулировочным реостатом включается выпрямительный элемент, чаще всего селеновый, реже меднозакисный или германиевый Простейшая схема вентильного дренажа показана на рис. 107. Выпрямительный элемент в дренажной установке может быть установлен в готовом виде из пластин, применяющихся для выпрямителей типа СВТМ-600.
Принудительный дренаж, называемый также часто форсированным, или усиленным, дренажем, предназначается для защиты подземных сооружений в зонах переменной полярности. Основным отличием схем этих дренажей является создание постоянного отрицательного
Рис. I0G. Монтажная схема дренажа ПЭД-45 (обозначения по рис. 105).
потенциала на защищаемом подземном сооружении даже в то время, когда в обычных условиях полярность его меняется на обратную. Это достигается за счет последовательного включения в схему дополнительного источника постоянного тока. Таким образом, создается комбинированная дренажно-катодная установка. Заземлением катодной установки являются те же дренируемые рельсы. О возможности использования усиленного дренажа со-202
общают некоторые авторы [Л. 10, 14 и 17], однако практически он применяется сравнительно редко. Принципинль-ная схема принудительного дренажа приводится на рис. 108. Другой возможной схемой форсированного дренажа является приведенная на рис. 109. Вторая схема применяется, если выдаваемое напряжение не превышает
Рис. 107. Схема поляризованного вентильного дренажа. / — защищаемая линия; г — регулировочный реостат; 3 — выпрямительный элемент; 4 — рельс.
Рис. 108. Схема принудительного дренажа.
Р — защищаемый трубопровод; R — рельс; К — выпрямитель; Г — трансформатор; L —дроссель.
7,5 в. Предыдущая схема применяется при большем напряжении, достигающем 15—20 в. При больших напряжениях в той же схеме необходимо помешать несколько выпрямляющих элементов последовательно, в каждом плече мостика.
Недостатками форсированного дренажа, ограничивающими его применение, являются следующие:
а) накладываемый положительный потенциал дополнительного источника тока, подключенного к рельсам, мешает эффективности отсасывания токов у дренажного пункта;
б) работа дополнительного источника тока, когда достаточно действенен прямой дренаж, создает непроизводи-
тельные расходы электрической энергии, а следовательно, увеличивает и стоимости защитных мероприятий;
в) в периоды перегрузок, т. е. одновременной работы дренажа и катодной защиты в почве создаются дополнительные блуждающие токи, которые могут быть опасными для целости соседних сооружений;
Рис. 109. Схема принудительного дренажа небольшого напряжения.
Д’ — селеновые элементы; Т - трансформатор; R ~ рельс: Р — трубопровод.
г) увеличенный выход тока из рельсов, применяемых в качестве заземления катодной защиты, приводит к их усиленному износу.
От указанных выше недостатков в значительной мере свободна комплексная катодно-дренажная установка рис. ПО, схема которой разработана Н. А. Цекуном [Л. 10]. Схема этой установки составлена так, что катодная защита включается только тогда, когда на рельсах появляется положительный потенциал, и дренажная установка отключается, или когда выключение дренажа происходит из-за перегорания предохранителя. Нормально работа этой установки базируется на работе полярнзован-204
Moi*o дренажа типа ПЭД-45. Дополнительно в схему введены реле РКС, катодная станция и вентильный селеновый столбик ВС-2. Питание катодной станции производится от сети переменного тока напряжением ПО, 127 или 220 в через трансформатор и селеновый выпрямитель. Катодная установка имеет специальное заземление.
Дополнительными устройствами к перечисленным выше системам установок электрического дренажа являются
Рис. 110. Комплексная дренажно-катодная установка.
РКС — вклю чающее реле: ВС~1, НС-2—селеновые вентильные столбики; ПР—дренажное поляризованное реле: ВЗ— вспомогательное заземление; ЛЗ- анодное заземление; КС— катодная станция; СР —реле срабатывания; Pt, Р> — рубильники.
сигнальные системы, которые автоматически сигнализируют на контрольный щиток, находящийся у дежурного, о прекращении работы дренажной установки. Схема такого устройства приведена на рис. 111 для случая прямого присоединения дренажа к минусовой шине тяговой подстанции. В такой схеме при перегорании предохранителя напряжение между трубопроводом и минусовой шиной подстанции включает в действие звонок 8 и зажигает лампочку на контрольном щитке. При этих сигналах дежурный персонал должен выключить дренаж, для чего он переводит переключатель 9 в левое положение. После этого сигнальные звонок и лампа выключаются, а загорается лампа 10, питаемая от осветительной сети, что сигнализирует о выключении дренажа.
Другая принципиальная схема сигнализации о действии дренажных установок, подключенных к отсасывающим пунктам или к рельсам трамвая, приведена на ри'\ 112.
Недавно И. В. Стрижевским и Д. К. Томляновичем были предложены две системы поляризованного дренажа повышенной чувствительности (рис. 113 и 114).
Схема, приведенная ла рис. 113, работает следующим образом. При появлении на защищаемом сооружении положительного потенциала относительно рельсов ток будет иметь следующее направление: соору-
жение — обмотка реле РП — нормально замкнутый контакт КР3— вентиль Bi — рельсы. Поляризованное реле РП срабатывает, подавая своим нормально разомкнутым контактом КРП напряжение от сети 220/127 в на катушку реле КР. Последнее переключает систему контактов KPlt KPz и КР3, благодаря чему: 1) через контакт КР\ подается напряжение 220/127 в на катушку ЛШ, чем включается цепь дренажного тока;
и включается контакт в прямом направлении
РП защищено от возможных повышений напряжения, опасных по термическому эффекту токов, а в обратном направлении подготовлена цепь для срабатывания РП 206
Рис. 111. Схема сигнализации о прекращении действия дренажа.
, —минусовая шина подстанции; 2—сигнал ь-пый щит; 3— дренажный щит; 4 — реостат; 5 — предохранитель; 6 — рубильник; 7 — сигнальные лампы: 8 — звонок; 9 — переключатель.
Рис. 112. Схема контроля работы дренажа при помощи сигнального реле СР. СЛ—сигнальная лампа.
2) отключается контакт КР3 /СР2, вследствие чего вентилем В2
С размыканием контакта КРП (при положительном потенциале рельсов относительно подземного сооружения).
На второй схеме (рис. 114) подвижной контакт КРП поляризованного реле отрегулирован на преобладание правого положения, т. е. реле замыкает левую пару контактов только при обратной полярности напряжения на
ЛУ7
<5
Рис. 113. Схема поляризованного дренажного устройства- с напряжением срабатывания 0,2—0,25 в. МП — выключатель с соленоидным приводов соответственно ожидаемому значению дренажного тока; ДР —дренажное сопротивление с большим количеством ступеней регулирования; Р77—поляризованное реле максимальной чувствительности с контактами КРП'. КР— промежуточное реле с вентильными элементами В, и системой контакторов КР„ КРг. КРа- В2 — вентильный элемент.
Рис. 114. Схема поляризованного дренажного устройства с напряжением срабатывания 0—0,5 в. РП — поляризованное реле с контактами КРП'. КР — промежуточное реле; ТР — телефонное реле с напряжением срабатывания около 0,8 в; Pi и Ра — дополнительные сопротивления: МП — выключатель с соленоидным приводом; ДР — дренажное сопротивление.
его зажимах (рельсы положительны относительно сооружения).
При любом значении положительного потенциала на подземном сооружении (включая, конечно, и нулевое значение) контакты КРП разомкнуты, цепь КР разомкнута, контакты последнего замкнуты, катушка МП обтекается током из сети 220/127 в, включается цепь дренажного тока. Следовательно, здесь исключается возможность появления на подземном сооружении положительного потенциала сколько угодно малой величины.
В случае появления чрезмерных для РП напряжении в прямом направлении (свыше 0,8 в) срабатывает реле
ТР, и своим контактом включает в цепь РП дополнительное сопротивление R\.
При положительной полярности рельсов (или шины) относительно подземного сооружения срабатывает РП, замыкаются контакты КРП, срабатывает КР и своими контактами разрывает цепь катушки МП, вследствие чего выключается цепь дренажного тока.
Земляной дренаж, или защита, дополнительным заземлением несколько отличен от предыдущих схем прежде всего тем, что при нем не имеется проводниковой связи защищаемого сооружения с основной цепью блуждающего
шиш/ ; г<5
Рис. 115. Схема земляного дренажа.
/ — трамвайные рельсы; 2 — защищаемый трубопровод;
3 — кабель; 4 — заземление.
тока (рис. 115). Идея устройства земляного дренажа заключается в отводе тока с защищаемого сооружения обратно в основную цепь тока через заземление, имеющее небольшое переходное сопротивление п расположенное вблизи отсасывающего провода. При своей большой простоте земляной дренаж не имеет большой эффективности и практически применяегся редко.
54. Условия выполнения дренажной защиты. При правильном выполнении дренажного устройства все протяжение защищаемых линий должно получить отрицательный потенциал, т. е. быть катодно поляризованным. Особенно это относится к прежним анодным зонам, на которых раньше могло происходить разъедание блуждающими токами. Это состояние должно быть определено путем производства замеров электрического потенциала в отдельных точках на защищаемой линии. В результате таких замеров до защиты на защищаемых линиях строится потенциальная диаграмма (рис. 116) подземной сети, на которой видно распределение анодных зон, устранение которых и является целью применения электрического дренажа. После того, как пущен в действие дренаж, необходимо периодически снимать потенциальные диаграммы на защищаемом участке, для того чтобы убедиться, как это показано, например, на рис. 117, 208
в том, что всюду достигнута достаточная катодная поляризация. Если же диаграммы покажут, что достигнутые результаты недостаточны, необходимо принять дополнительные меры, которыми могут быть: уменьшение сопротивления в искусственной цепи дренажа, отсоединение при помощи изолирующих соединений части защищаемых линий от защиты, приближение присоединения дренажного
Рис. 116. Схема линий кабеля и распределения на них потенциалов до пуска принудительного дренажа.
провода к месту недостаточной защиты. Если же, наоборот, окажется, что отрицательные значения потенциалов на участке дренажной защиты намного превышают достаточный защитный потенциал в —0,85 или —0,95 в. следует с целью уменьшения дренажного тока ввести дополнительное сопротивление в соединительный провод.
Особенное внимание при осуществлении дренажной защиты должно быть обращено на влияние ее на соседние подземные сооружения. Так как при осуществлении дренажной защиты сопротивление на пути блуждающих токов резко уменьшается, то всегда происходит их заметное увеличение, при этом часть блуждающего тока может ответвиться и перейти на соседние сооружения, как это 209
показано на рис. 118. и возникнет новые анодные зоны, которых не было до устройства защиты. Поэтому при всяком устройстве необходима тщательная проверка потенциалов на соседних линиях. Если при включениях защиты потенциал соседних линий подымется более чем на 100 мв, то необходимо принимать дополнительные защитные меры. Также необходимо извещать всех владельцев близлежащих подземных сооружений о включе
Линия траыОая
* Принудительный
т дренаж
И) Шкаф
• Смолпройой. колоВбц
ф Заземление
СОинцодов заземление
Рис. 117. Потенциалы кабельной сети после пуска
принудительного дренажа.
нии дренажной защиты для возможности осуществления ими своевременно необходимых защитных мер.
55. Комплексная дренажная защита. В том случае, если соседние подземные сооружения окажутся под вредным влиянием от дренажной защиты, их следует включить в защиту. Вообще говоря, всегда рациональной является одновременная совместная защита всех подземных линий, находящихся на угрожаемом участке. При комплексной защите следует всегда помнить, что в зависимости от диаметра и длины защищаемых линий, их изоляции, расположения и т. д. они могут собирать различную величину тока и создавать различные защитные 210
Потенциалы. Так, и одном случае комплексная дрснажМаП защита собирала всего ток 80 а, причем этот ток распределялся следующим образом по отдельным защищаемым линиям: магистральный газопровод собирал ток 40 а, создавая защитный потенциал —1,1 в, магистральны”
5 4W ////////
Рис. 118.’ Возникновение новых анодных зон при дренаже.
Тонкие стрелки—блуждающий ток до дренажа; толстые стрелки—блуждающий ток после дренажа; / — трамвайный рельс; 2 — газопровод; 3 — водопровод: 4 — дренажное соединение; 5 — отсасывающий проаод; 6 — старая анодная зона, ликвидированная дренажем; 7 — новая анодная зона*
Рис. 119. Схема комплексной дренажной защиты нескольких линий.
/ — рельсы; 2 — выпрямит ел ьный элемент; 3 — регулирующие сопротивления; 4~дренажные соединении; 5 — телефонный кабель; 6 — газопровод; 7— водопровод.
телефонный кабель собирал 19 п, создавая защитный потенциал в —0,9 в, силовой кабель собирал 15 а, создавая защитный потенциал —0,5 в, наконец, газопроводы и водопроводы собирали 6 о, создавая защитный потенциал —1,0 в.
При устройстве комплексного дренажа нельзя устраивать одно общее соединение для всех линий, но необходимо на каждом соединении иметь регулирующие сопротивления, включающее устройство и амперметр. Лишь после
этого оборудования дренажные соединения могут быть объединены и в общую дренажную линию может быть включено поляризующее устройство (рис. 119). При пуске в работу и при эксплуатации регулировка будет значительно сложнее, заключаясь в подборе таких значений регулирующих сопротивлений в дренажных соединениях, чтобы на всех линиях исчезли анодные зоны и установился необходимый защитный потенциал. При такой наладке часто приходится выполнять синхронные измерения, например величины тока одновременно в нескольких дре-
Рис. 120. Распределение блуждающего тока в 4" линии, лежащей на глубине 1 м при сопротивлении почвы р= 100 ом-м.
линиях. Возможна система измерения с контрольной точкой. При такой системе одновременно всегда выполняют измерения в двух точках, из которых одна является постоянной, и относительно нее производят сравнение всех измеренных величин.
При оценке опасности блуждающего тока всегда имеются в виду определения мест его наибольшей плотности, т. е. наибольшего выхода из рассматриваемой линии. В некоторых случаях условно считают, что при параллельном и незамкнутом расположении двух параллельных источников наибольшая опасность будет для второй линии у точки присоединения первой линии к дренажному соединению. Однако практические измерения и теоретические расчеты показывают, что это будет не так. Наибольшее стекание тока с линии оказывается имеет место не у места дренажного соединения средней линии, но отступая от нее на некоторое расстояние иногда в несколько сот метров. На рис. 120 показано типичное распределение тока, протекающего в соседней параллельной линии, в зависимости от расстояния от точки дренажа. Это соображение следует всегда иметь в виду при попыт-212
ках установить изолирующие соединения для уменьшения блуждающего тока.
56. Экранирование. Одним из новых способов борьбы с блуждающими токами является экранирование. Экранирование заключается в установке на пути блуж-
Рис. 121. Схема устройства экрана.
I — з.-ицпшаемый трубопровод; 2— рельсы; 3—экран нэ горизонтальных н вертикал!-ных заземлений; 4—выпрямительный элемент; 5 -регулирующее сопротивление;
6 — дренажное соединение.
дающего тока перед защищаемым сооружением специального экрана, который, собирая на себе блуждающий ток, снижает величину тока, попадающего на защищаемое сооружение. Схема устройства экрана показана на рис. 121. Количество блуждающего тока, собираемого экраном, зависит от общей площади поверхности его коп-213
струкций и сопротивления окружающей почвы, т. е. от общей величины переходного сопротивления почва — заземление экрана. Величина этого сопротивления может быть рассчитана по приведенным выше формулам. Сопротивление экрана должно быть равно или меньше переходного сопротивления защищаемого сооружения. Расположение экрана должно быть между источником блуждающего тока и защищаемой конструкцией. В табл. 43 показан процент экранируемого тока при различном расположении экрана. Как видно из табл. 43, наиболее выгодно помещать экран ближе к источнику тока. Согласно схеме на рис. 121 экран соединяется с отрицательной линией источника тока с целью обратного дренирования. На соединительном проводе устанавливаются, как и на дренажном соединении, регулирующее сопротивление и измерительный прибор — амперметр.
Таблица 43
Эффективность экранирования подземного сооружения
собираемыП экраном о г общего ч гц.оходящего в цепи При отношении расстояния между экраном и источником чока к расстоянию между источником тока и защищаемым сооружением. %
75 50 30
При равных диаметрах экрана и защищаемого заземления 33 44 48
При диаметре экрана, равном 1,5 диаметрам защищаемого сооружения . . 45 55 57
Экран удобно применять для конструкции с ограниченным контуром, например для защиты определенной площадки с линиями подземных коммуникаций и т. п. Наибольшее применение он нашел для защиты от блуждающих токов отдельных зданий.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
ЭКСПЛУАТАЦИЯ СТАНЦИЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ И ДРЕНАЖА
57. Эксплуатация катодной защиты. Основной задачей при эксплуатации катодной защиты является поддержание постоянного снабжения ее током установленных параметров. Обеспечение непрерывной ра-214
боты источника тока достигается правильным обслуживанием, снабжением необходимым топливом, смазкой, предупреждением возможных перегревов и т. д. Особенность обслуживания этого оборудования на станциях катодной защиты заключается в допущении перерывов в снабжении током не более чем на 1,5 ч. Кроме того, обычно требуется некоторая регулировка сопротивления на щитке для сохранения заданных напряжения и выхода тока, что контролируется по показаниям контрольных приборов. Второй задачей работы станции является периодический контроль действия защиты. Помимо этого, в работы по эксплуатации станции включаются:
а) ведение журнала электрических параметров станции и работы источника тока;
б) периодическая проверка сопротивления анодного заземления;
в) регистрация выявившихся на защищаемом участке коррозионных разрушений;
г) мелкий ремонт источника тока, линий передачи, за земления, линейных устройств, изоляции:
д) выполнение периодических вскрытий подземной ли нии для проверки действия защиты и состояния изоляции.
58. Контроль действия защиты. По ряду местных условий катодная защита в отдельных случаях может не достигать наибольшей или достаточной полноты, и поэтому требуется периодический контроль ее для того, чтобы исправлением параметров тока и его распределением достигнуть оптимальных условий защиты. В настоящее время для контроля защиты существуют четыре раз личных метода:
1) электрический (измерение минимального защитного потенциала «защищаемый металл—почва»);
2) весовой (применение контрольных образцов);
3) колориметрический (определение отсутствия коррозии по цвету реагента);
4) электрохимический (построение поляризацион кривых).
Наиболее удобным и наболее широко применяемым методом является электрический, для которого производится измерение минимального защитного потенциала защищаемого сооружения. Как уже указывалось выше, величина защитного потенциала сталь—почва принимается равным —0,85 в и —0,55 6 свинец—почва по медно-
сульфатному электроду. Эта величина увеличивается соответственно до —0,95 в и —0,65 в, в случае участия в процессах коррозии биологических факторов.
Минимальный защитный потенциал измеряется по схеме, приведенной па рис. 47. Измерение потенциалов производится вдоль линии через определенные интервалы. При линиях большого протяжения такие измерения выполняются через интервалы не больше 500 м. При корот-
Рис. 122. Эквивалентная схема измерения защитного потенциала катодной защиты.
1 — электрическая цепь котх зионного элемента; П — электрическая цепь измерения потенциала; III — электрическая цепь катодной защиты.
ких линиях интервал должен быть заметно меньше, порядка 50—100 м. Во всяком случае на каждом прямом участке, лежащем по одну сторону от точки дренажа, должно быть сделано не меньше трех измерений: в наиболее удаленной точке, посредине линии и в точке дренажа.
59. Эквивалентная схема измерения защитного потенциала. При измерении защитного потенциала очень важно ясно представлять себе электрическую схему созданных цепей. В этом случае может помочь схема, приведенная на рис. 122. Как видно из схемы, между узловыми точками 1 и 7 коррозийного элемента существуют три параллельные электрические цепи: цепь I самого кор-216
розпйного элемента, цепь //—измерительной цепи потенциала и цепь ///—электрическая цепь катодной защиты. Цепь коррозионного элемента / состоит из двух частей—ветви катода—слева и ветви анода—справа от точек /—7. В ветви катода имеются сопротивления металла Rt и сопротивление RK в электролите вместе с переходным. Скачок потенциала катода обозначен. Ек, а падение потенциала в элек-
тролите и на переходном сопротивлении обозначено
как зависящее от плотности проходящего тока (величина тока iK, деленная на площадь катода Ак) и от времени /. Аналогично в цепи анода скачок потенциала анода Ео,а сопротивление в теле металла /?2, тогда как сопротивление току в электролите и на переходе из металла в электролит обозначено как зависящее от плотности тока
(величина тока ia, деленная на площадь анода А2) и от времени /.
В цепи измерения защитного потенциала // показания прибора VM, имеющего сопротивление Rv, отмечает, помимо разности потенциалов между точками 1—3, также скачок потенциала деполяризующегося электрода Ем и изменение потенциала на сопротивлении RM сосуда деполяризующегося электрода. Величина проходящего тока im(t) для правильности измерения должна быть ничтожна сравнительно с величиной тока Zd(f), протекающего в цепи коррозийного элемента.
Электрическая цепь катодной защиты подает защитный потенциал Ер, создавая защитную величину тока ip(t) и имея сопротивление на своем почвенном участке 8—7. Электрод сравнения может быть помещен в различной точке этого сопротивления, давая, таким образом, показания прибора с различной точностью.
На основании приведенной схемы могут быть составлены уравнения как для условий защиты, так и для различных участков электрических цепей до и после защиты. При этом следует помнить, что переходные сопротивления на границах металл—электролит и электролит—металл являются переменными, зависящими от проходящего тока.
217
60. Положение электрода сравнения играет очень большую роль при определении достаточности катодной защиты. Как было указано выше, наиболее полная защита будет при измерении защитного потенциала в —0,85 в при расположении электрода сравнения непосредственно у поверхности подземного металлического сооружения. Однако это практически бывает в большинстве случаев невозможно, и электрод поэтому помещают в наибольшей близости па поверхности, т. е. непосредственно над исследуемым трубопроводом ичи кабелем. При этом, однако, существует возможность на основании полученных значений измеренного потенциала определить расчетом и существующий потенциал у самой поверхности металла в почве. Для этого применяется расчет по формуле
£,=£,s+°.°394₽/(Ig-7—’е2^). 04)
где Ег—потенциал трубы к электроду сравнения на расстоянии г от оси трубы, мв;
Es—потенциал трубы к электроду сравнения над трубой на поверхности почвы или воды, мв\
р—сопротивление почвы, ом-см;
d—глубина зарытия трубы или кабеля, м;
г—принятое для расчета расположение электрода сравнения от оси трубы или кабеля, м\
/—защитный ток на линейный метр трубы, ма.
Так как значение защитного тока может быть определено по уравнению
/=12,4е Р ’
где е = е* —среднее падение напряжения на десятикрат-
ном расстоянии сравнительно с глубиной заложения подземной линии и нормально к оси ее, мв.
Уравнение (44) мэжег быть пэедставлеяэ в виде:
Er=Es । 0,5e(lg^-lg2-^-f (45)
Удобством этого уравнения является то, что в него входят величины, которые все могут быть измерены непосредственно на поверхности земли над трубопроводом или кабелем. На точность этого уравнения влияет неоднород-215
кость среды и точность выполненных измерений. Также несколько уменьшает точность этого расчета то, что формула выведена для линейного источника, в то время как подземное сооружение имеет некоторый диаметр. Точность уравнения увеличивается поэтому с увеличением отношения «глубина зарытия/днаметр линии».
При различных других расположениях электрода следует иметь в виду следующие положения:
1) Если электрод сравнения располагается на удалении (в 30 м или больше от подземной линии), получение значений потенциала в —0,85 в показывает, что все токи длинных линий являются устраненными, а токи средних и местных коррозионных элементов лишь уменьшены.
2) Если электрод сравнения помещается при измерениях над трубой, это показывает, что устранены токи длинных линий и средних коррозионных элементов, а токи местных элементов уменьшены.
3) Лишь в случае помещения электрода сравнения в непосредственной близости к поверхности трубопровода или кабеля можно считать, что при достижении потенциала —0,85 в по медносульфатному электроду токи всех коррозионных элементов достаточно подавлены.
При этом следует иметь в виду, что значения потенциалов, измеренных при расположении электрода на поверхности над линией, бывают очень близки к потенциалам при расположении электрода у самой трубы в следующих случаях: когда требуется малый ток защиты (из-за высокого сопротивления покрытия или из-за легкой поляризации защищаемой поверхности) или когда сопротивление почвы достаточно мало.
При производстве измерений защитных потенциалов всегда следует принимать во внимание следующие условия измерения:
I. Применяемый электрод сравнения и возможные ошибки из-за условий его приготовления (чистота меди, насыщенность и чистота раствора, плотность применяемого тока на стержне электрода и т. д.).
2. Расположение электрода сравнения относительно трубопровода или кабеля.
3. Температура во время выполнения измерений.
4. Размеры, глубина и расположение подземной линии относительно ближайших конструкций, заземлений и т. п.
5- Сопротивление почвы.
6. Величина наложенного тока метр
линии.
7. Характеристика применяемых для измерения приборов и возможность ошибки.
Снятые значения потенциалов наносятся на диаграмму (рис. 123), которая показывает не только участки достаточной защиты, но и места резкого изменения потенциала, где это вызывается местными условиями, например разрушением изоляции.
По форме кривой оказывается возможным решить, нужно ли общее повышение или понижение защитного
тока или требуются лишь местные мероприятия, например по ремонту линии или установке изолирующего фланца.
61. Контрольные образцы. Хотя самая широкая практика показала, что электрические замеры являются достаточно надежным контролем действия защиты, окончательные суждения о ее действии приходится выносить на основании данных по контрольным образцам. Этот метод заключается в том, что в определенных точках защищаемой линии помещаются пары контрольных образцов, из которых один присоединяется к линии и, таким образом, также защищается от коррозии, а другой помещается отдельно, как это, например, показано на рис. 124. Перед помещением на место образцы предварительно взвешиваются, а после пребывания в почве в продолжение некоторого срока, например 1—2 лет, вынимаются из почвы, очищаются от продуктов коррозии (для чего существуют специальные методы (Л. 3, 68]) и повторно взвешиваются. По потерям веса защищенного и незащищенного образцов определяется степень защиты» Размеры пластинки должны быть подобраны с таким расчетом, чтобы ее потери веса были достаточно ощутимы за 220
ожидаемый срок пребывания в почве, а материал должен быть тем же, что и на защищаемом изделии. Обычно для трубопроводов применяют пластинки размеров, указанных на рис. 125, а для кабелей — куски вырезанной и распрямленной оболочки кабеля длиной 100 мм.
Рис. 124. Присоединение контрольных пластинок к трубе.
Рис. 125. Контрольная пластинка.
I — покрыто защитной мастикой: 2— медный провод; 3 — стальное ушко; 4 — болт 3/6"; 5 — шайба 3/4”.
Метод потерь веса имеет тот недостаток, что результаты по нему могут быть получены после длительного периода испытания, а не сразу при введении защиты в действие. Однако его безусловным преимуществом являются наибольшая точность и показательность. Поэтому этот метод обычно всегда применяется как дополнительный на каждом сооружении, защищаемом катодной защитой. Этот метод нередко подтверждает возможность полного устранения коррозии, однако чаще оказывается, что некоторая коррозия все же остается.
62. Колориметрический метод еще ие иашеЛ себе практического применения, однако его лабораторная проверка [Л. 68] показала, что он может быть, очевидно, с успехом использован в широких масштабах и на практике. Его преимуществом являются наглядность результатов и короткие сроки проверки, порядка нескольких дней или даже часов. Этот метод заключается в следующем. На поверхность защищаемого металла в различных местах, наиболее характерных для условий защиты, помещаются листики фильтровальной бумаги, смоченные раствором ферроксилиндикатора. Состав этого раствора следующий:
Вода................ 1л
Железосинеродистый кали"
K2Fe(CN)6-2H?O I г
Хлористый натрий 10 г
Фенолфталеин несколько кап
В случае коррозии листки, смоченные таким раствором светло-желтого цвета, будут давать резкую окраску бумаги. В начале процесса коррозии на бумаге появляются темно-синие пятна железосинеродистого железа, или, иначе, турибулиевой сини. При более продолжительном воздействии процессов коррозии появляется коричнево-бурое окрашивание, присущее гидрату окиси железа. При отсутствии коррозии бумага сохраняет свой первоначальный светло-желтый цвет или получает слабо-голубое окрашивание. На рис. 126 приведены примеры окраски фильтровальной бумаги для случаев активной коррозии наложенным током, обычной коррозии в почве и отсутствия коррозии при катодной защите. Все три образца после 24 ч экспозиции.
Для применения в производственных условиях колориметрический метод требует доработки, после чего можно ожидать его успешного применения для стальных трубопроводов.
63. Электрохимический метод основан на построении поляризационных кривых потенциал—ток. Измерение этой зависимости должно проводиться по установленной методике в среде, окружающей защищаемую линию (Л. 37]. Полученные данные наносятся в полулогарифмическом масштабе на график для нахождения точки перелома кривой. Значения электрических параметров, отвечающих точке перелома, являются защитными для данной среды. Следует отметить, что практически точка 222
<9
^№мно~бурая окраска ^^Темно-синяя окраска □ Желтая окраска
Ш Голубая окраска Сикяя точка
Рис. 126. Образцы окрашивания бумаги при колориметрическом контроле.
а — контрольный кружок с образца с искусственной коррозией; б — контрольный кружок с образца без тока; в — контрольный кружок с защитным током 200 ма/м?', г — контрольный кружок с образца с защитным током 500 ма[мй.
Рис. 127. Кривые ток—потенциал,построении нахождения защитных значений А.
1 — против заземления; 2 — 5 км от заземления.
перелома не получается явной; для почв с низким conpo-t тивлением эта точка перелома получается простым дополнительным построением, как это показано на рис. 127. Для почв высокого сопротивления построение точки перелома на кривых перехода сильно затруднено из-за значительно менее определенной формы кривых (рис. 128).
Рис. 128. Кривые ток — потенциал для почв высокого сопротивления.
Производство таких замеров на месте может быть осуществлено, например, по схеме, приведенной на рис. 129. Питающая цепь состоит из источника тока (например, группы аккумуляторов), реостата, амперметра и переключателя, который дает возможность изменить величину тока в цепи примерно на 10%' без ее размыкания. Потенциал измеряется при помощи потенциометрической установки и неполяризующегося электрода. Измерив изменение напряжения Д(/, вызванное изменением тока А/, можг 221
но вычислить истинный потенциал трубопровода или другого сооружения по формуле
Е0=Е1 — IR, (45)
где Ео—истинный потенциал труба—почва;
Et—измеренный прибором потенциал труба—почва;
I—первоначально измеренная величина тока;
R—сопротивление почвы или другой проводящей среды, которое на основании сделанных замеров определится как отношение ДС7/Д/.
Рис. 129. Схема измерения для исключения падения IR из замеров ток—потенциал.
Хотя последний метод и имеет под собой теоретическую основу, хорошо согласующуюся с электрохимической теорией коррозии, однако его применимость для практических исследований находится под сомнением, так как даже сами авторы, его предложившие (Л. 69], в ряде работ указывают, что он дает заметные ошибки при определении необходимых параметров защиты [Л. 70].
В настоящее время обычно применяют вместе первые два из описанных выше методов. При этом измерения потенциала служат для наладки катодной защиты при пуске и исправлении параметров в процессе эксплуатации. Контрольные образцы служат для проверки правильности выбранных параметров защиты и являются, таким образом, арбитражным методом проверки. При выемке для повторного взвешивания каждой партии контрольных образцов на их место обычно ставится новая серия, при-.чем снятие образцов, установленных через каждые
500 м, обычно производят через один, оставляя промежуточные для испытания на более длительный срок. Чем длительнее такое испытание, тем точнее получаемые данные.
Журнал эксплуатации ведется дежурным по станции по установленной форме. Записи в журнале производятся при каждой смене дежурства, а также при всяком замеченном изменении параметров защиты на основании показаний контрольных приборов.
Проверка распределения защитного потенциала металл—почва производится периодически, обычно 3—4 раза в год с целью улучшения условий защиты. Она выполняется персоналом станции с соблюдением условий, указанных выше, для измерений потенциала металл—почва. Результаты измерения анализируются для установления мест и возможных причин заметного отклонения потенциала от первоначального и необходимого.
Измерение сопротивления заземления производится обычными способами омметром или измеригелем тока МС-07 [Л. 18]. В случае заметного повышения сопротивления принимаются необходимые меры для возможного снижения сопротивления: увлажнение, подсаливание, установка дополнительных заземлителей.
Коррозионные повреждения, проявившие себя на защищаемом участке, служат для определения эффективности защиты и необходимости ее корректировки. Здесь регистрируются как сквозные проржавления, приводящие к авариям и ремонтам, так и отдельные коррозийные каверны, обнаруженные при вскрытиях подземной линии при ремонте изоляции и т. п. Место обнаружения разрушения фиксируется возможно более точно, с привязкой к местным предметам, с целью иметь возможноегь его повторного обследования. При регистрации отмечается глубина образовавшейся каверны, цвет продуктов коррозии и их характеристика. Ведомость обнаруженных коррозийных разрушений хранится у начальника станции катодной защиты и периодически отсылается в вышестоящую организацию для анализа.
При сдаче в эксплуатацию станция должна получить свой подробный паспорт, включающий в себя все сведения, могущие оказаться необходимыми при ее эксплуатации: исполнительные чертежи всех конструкций, характеристика защищаемой линии и особенно существующей изоляции, все даты исполнения и т. д. Происшедшие изме-226
нения в конструкции или системе защиты вносятся в паспорт с указанием даты выполненных работ, причин изменения и ожидаемых результатов изменения. К паспорту прилагаются также все периодические измерения потенциалов, сопротивления, заземления, проводимости покрытия и т. д.
Особо следует подчеркнуть обязательность обслуживания станций катодной защиты специальным персоналом. Поручение этого обслуживания по совместительству другим работникам резко снижает ответственность за защиту, а отсюда и качество ее. Примерные штаты обслуживающего персонала для станций с различными источниками тока приводятся в табл. 44, а состав партий для различных контрольных измерений приведен в табл. 45. Работники эксплуатации должны иметь технические инструкции и правила, утвержденные руководящими организациями.
Таблица 44
Состав постоянного обслуживающего персонала катодной установки
Наименование должности Количество штатных единиц при станции
с выпрямителями с двигателем внутреннего сгорания и т. п. с аккумуляторной батареей
Начальник станции 1
Механик ... — 2 —
Электротехник 1 1 1
Таблица 45
Состав партий для периодических работ на катодной установке
Наименование должности Количество единиц в партии при работах
по измерению потенциала по гравиметрическому контролю по осмотру трубопровода
Начальник партии ... 1 1 1
Техник-электрометрист 1 —
Лаборант — 1 1
Рабочие землекопы 10 6
Подсобные рабочие 2 1 2
64. Эксплуатация дренажных установок. После пуска в действие дренажной защиты необходимо постоянное наблюдение за ее действием с целью обеспечения двух основных условий:
1) обеспечение достаточного отрицательного защитного потенциала на защищенном сооружении;
2) предупреждение опасного влияния дренажной защиты на соседние подземные сооружения.
Выполнение обоих этих условий обеспечивается путем регулярного измерения защитных потенциалов металл— почва, причем опасным считается создание следующих условий на соседних сооружениях:
а) изменение на отдельных участках отрицательных потенциалов на соседних сооружениях на положительные;
б) возрастание существующего положительного потенциала больше чем на 0,1 в.
В том случае, если наблюдается вредное влияние дренажа на соседние линии, необходимо принять дополнительные меры для его устранения; этими мероприятиями могут быть следующие:
а) уменьшение дренируемого тока путем увеличения сопротивления в дренажном соединении;
б) установка изолирующих соединений в местах, которые могут предупредить или уменьшить попадание тока на участки, на которых проявляется вредное влияние дре-нажа;
в) установка проводниковых соединений между защищенной и незащищенной линиями с целью полного или частичного включения соседних сооружений в систему защиты.
Измерения потенциалов в каждой точке измерения должны производиться в продолжение 10 мин 2—3 раза в день в наиболее характерные часы нагрузки электрических железных дорог. Во время десятиминутного замера необходимо снять 20—30 показаний прибора и вывести затем среднее значение потенциала за время замера и затем за время дренажа в течение суток. В течение дня измерений потенциалов по трассе в начале и в конце их производится замер величины тока дренажа для сопоставления с замеренными значениями потенциала. На основании полученных значений потенциалов строится потенциальная диаграмма типа, приведенного на рис. 130.
Величина дренируемого тока в каждой установке измеряется каждые 10 дней в качестве контроля защиты. Рез-228
кое изменение величины тока показывает на изменение условий защиты и требует соответствующего вмешательства. Замеры силы тока дренажа производятся в характерное время нагрузки электрических железных дорог, каждый раз в течение 10 мин, в продолжение которых снимается 20—30 показаний амперметра и выводится среднее значение для измерения и для суточной работы дренажа.
Резкое изменение дренажного тока возможно вследствие появления в зоне дренажа нового подземного метал-
лического сооружения, резкого изменения режима движения трамваев или электрических железных дорог, заметного разрушения рельсовых путей, появления вблизи новых систем дренажа или катодной защиты, образования случайных контактов с соседними сооружениями или рельсовыми путями. Исправление дренажной системы производится путем устранения перечисленных причин или мерами, указанными выше.
Периодичность различных измерений на дренажных системах приведена в табл. 46.
Паспорт дренажной системы вместе со всеми измерениями хранится в месте наблюдения и периодически, например раз в год, изучается с целью внесения рациональных изменений.
Часто также бывает необходимо составление сметы на эксплуатацию защитных устройств. В стоимость эксплуатации, помимо рабочей силы и стоимости материалов и энергии, должна быть включена и амортизация имеющего-
Таблица 46
Периодичность измерений блуждающих токов на трубопроводах
Наименование измерения Периодичность
Потенциалы трубопровода относительно земли Потенциалы трубопровода относительно соседних подземных сооружений Потенциалы трубопровода относительно рельсов электрического транспорта Сопротивление рельсовых стыков на близлежащих линиях электрических железных дорог Направление течения тока в трубопроводе Плотность тока утечки на трубопроводе В пунктах, доступных для измерений без разрытия, 2 раза в год. Во всех местах случайных вскрытий единовременно То же То же 4 раза в год. В местах видимых разрушений стыков единовременно при обнаружении разрушений В местах, доступных для измерения без разрытия, 1 раз в год 1 раз в 2—3 года
ся на станциях оборудования. Для определения амортизации оборудования катодной и дренажной защиты могут быть взяты следующие цифры для отдельных частей установок:
1) Источник постоянного тока: а) выпрямители селеновые и меднозакисные—10%; б) выпрямители ртутные и * газотронные —15 %, остальные источники тока — 20 %.
2) Анодное заземление—стальное заземление 20—50% в зависимости от проходящего тока с расчетом по электрохимическому эквиваленту.
3) Угольное или графитовое заземление — 5%, гальванические аноды из магния, алюминия, цинка — в пределах 20—50% в зависимости от выхода тока.
4) Электропровода — 5%'.
5) Линейные устройства — 5%.
В заключение необходимо указать, что как катодная, так и дренажная защиты требуют для своего осуществления участия соответствующих специалистов, так как попытки выполнения недостаточно квалифицированными силами могут повести к нежелательным результатам.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 5272-50, Коррозия металлов. Терминология.
2. Т о м а ш е в Н. Д., Теория коррозии металлов, Металлургиз-дат, 1952.
3. А к и м о в *Г. В., Теория и методы исследования коррозии металлов. Изд. АН СССР, 1945.
4. Акимов Г. В., Основы учения о коррозии и защите металлов, Металлургиздат, 1946.
5. Клинов И. Я., Коррозия .химической аппаратуры и корроэи-онностойкие материалы, Машгиз, 1954.
6. Б а х.в а л о в Г. Т. и Т у р к о в с к а я А. В., Коррозия и защита металлов, Металлургиздат, 1947.
7. П р и т у л а В. А., Защита подземных трубопроводов от внешней коррозии, Гостоптехиздат, 1948.
8. П р и т у л а В. А., Катодная защита трубопроводов и резервуаров, Гостоптехиздат, 1950.
9. С п и р и я А. А., К а л ь м а н В. С., Сала м-3 аде М. М., Цекуй Н. А., Методика электрических исследований коррозионное состояния трубопроводов я кабелей, Азнефтеиздат, 1954.
10. Спи рил А. А., Ц е к у н Н. А., С а л а м-3 а д е М. М., Электрическая защита подземных металлических сооружений от коррозии, Азнефтеиздат, 1954.
11. Защита подземных металлических трубопроводов и кабелей от коррозии, Сборник под ред. В. Н. Мильштейна, Изд. Мин. ком. хоз. РСФСР, 1954.
12. Приту ла В. А., Катодная защита заводской аппаратуры, Госхимиздат, 1954.
13. Труды Научно-технического совещания по защите трубопроводов и кабелей от коррозии, Госэнергоиздат, 1953.
14. Ц и керм ан Л. Я-, Борьба с коррозией подземных металлических трубопроводов, Госстройиздат, 1951.
15. Ершов И. М., Защита подземных сооружений от коррозии, вызываемой блуждающими токами, Трансжелдориздат, 1948.
16. М и х а й л о в М. И., Акуленок В. Н.. Марченко А. Ф., Защита междугородных кабелей связи от коррозии, Связьиздат, 1953.
17. Ершов И. М., Защита подземных кабелей от электрокоррозии, Трансжелдориздат, 1953
18. С п и р и н А. А., Кальман В. С., Сала м-3 аде М. М., Це кун Н. А., Методика электрических исследований коррозионного состояния трубопроводов и кабелей, Азнефтеиздат, 1954.
19. Ершов И. М., Промышленные образцы аппаратуры, применяемой при защите металлических сооружений от электрокоррозии, Сбор-
ник «Исследования работы устройств электрической тяги». Трансжел-дориздат, 1951.
20. Правила защиты подземных металлических сооружений от коррозии блуждающими токами, 'Госэнергоиздат, 1943.
21. Инструкция по защите подземных металлических сооружений от электрокоррозии, Изд. Антикоррозийного совета Исполкома г. Киева, 1941.
22. Релейная поляризованная дренажная установка РПД-ЦНИИ-42, Информ, письмо ВНИИЖТ. № 40(95), Траисжелдориздат, 1945.
23. Ланин И. С., Xа р и тон М. И.» Опыт борьбы с коррозией в тепловых сетях, 'Госэнергоиздат, 1953.
24. Кальман В. С., Потенциалы подземных сооружений при дренажной защите от блуждающих токов, 'ВНИТОЭ, Комитет газификации, Материалы Второго совещания по газификации городов, 1951.
25. Цекуя Н. А., Опыт дренажной защиты газопроводов от коррозии в т. Баку, Комитет газификации, ВНЙТОЭ, Материалы Второго совещания по газификации городов, 1951.
26. Б а р о н И. Ю., Исследование коррозийного действия трамвайных сооружений. Автореферат диссертации, -Среднеазиатский политехнический институт, Ташкент, 1953.
27. Краткое руководство по защите подземных кабелей от коррозии, Связьиздат, 1938.
28. Р е м е з о в Н. П., Почвы, их свойства и распространение, Учпедгиз, 1952.
29. Роджерс В., Влияние свойств почвы на коррозию закопанной стали, Ind. and Engn, Chem., 1938, т. 30, № 10.
30. П р ит ул а В. А., Определение коррозийности почв. Горно-геолого-нефтяное издательство, 1934.
31. Козин К. П., Труды совещания по вопросам коррозии, Изд. АН СССР. 1940.
32. Негреев В. Ф. и Аллахвердиев Г. А., Методы определения коррозионных свойств почв. Изд. АН АзССР, Баку, 1953.
33. Найфельд М. Р., Защитные заземления в электротехнических установках, Госэнергоиздат, 1956.
34. Соловьев А. В., Доклады АН СССР, 1940 т. 27, № 2.
35. П р и т у л а В. А., Зависимость коррозийности почв от их сопротивления, «Нефтяное хозяйстве», 1940. № 6—7.
36. Пр ит ул а В. А., Кащеев А. А., Бобковский И. К, Коррозия подземных металлических резервуаров и трубопроводов и средства борьбы с ней, -Промстройпроект, № 377, 1939.
37. П р и т у л а В. А., Определение коррозийности почв методом Шлюмберже, «Коррозия и борьба с ней», 1941, № I.
38. Цекун Н. А., О возможности использования данных коррозионности почвы по методу электролизера для оценки коррозионных условий свинцовых оболочек кабелей. Труды Азерб. индустр. инет., вып. 9, 1953.
39. Рубенчик Л. Н.. Микроорганизмы как фактор коррозии бетона и металлов, Изд. АН Укр. ССР, 1950.
40. S е е 1 m е у е г, Uber die biologische Eisenkorrosion, Werk-stoffe und Korrosion, 1953, t. 4, № 7.
41. Ku Iman E., Microbiological corrosion of buried steel pipe. Corrosion, 1953, t. 9, № 1.
42. Clark J., Microbiological corrosion, Oil and Gas J., 1954, t. 52, № 41.
43. Пригула А. Ф. и Приту л а В. А., Транспорт нефти, нефтяных продуктов и газа, ч. II, ОНТИ, Горнотопливная редакция, 1937.
44. Пр и ту л а В. А., Транспорт нефти и газа, Гостоптехиздат, 1948.
45. Правила безопасности при эксплуатации электрических устройств «городских и сельских сетей, Госэнергоиэдат, 1045.
46. L а г s о п Е.» Pipe corrosion and coating, 1938.
47. Harr el D. & Clare M., Determining minimum current required to provide adequate cathodic protection, P. I, Petr. Eng., 1939, t. 11, № I.
48. Idem, P. 2, Petr. Eng., 1940, т. XI, № 4.
49. Францевич И. H., XPУшeва Е. В-» Францевич-За-блудовская Т. Р., Катодная защита магистральных газопроводов. Изд. АН УССР, 1049.
50. П р и т у л а В. А., Катодная защита трубопровода от почвенной коррозии-, 'Гостоптехиздат, 1945.
51. Жук Н. П., Защитный потенциал стали. Журнал физ. химии, 1954, т. 28, № 10.
52. S u d г a b i п, Some observations of cathodic protection potential criteria in localized pitting, Corrosion, 1954, t. 10, № 8.
53. S c h w e r d t f e g e r W. J., Me Dorman O. N., Potential and current requirements for the cathodic protection of steel in soils, J. Res. Nat. Bureau of Standards, 1951, t. 47, № 2.
54. P a r k e r M. E., Corrosion and its control. Oil & Gas J_, 1951, t. 49, № 43.
55. Rogers W., Pipe to soil potentials in cathodic protection systems, Petrol. Eng., 1940, t. 11, № 13.
56. E w i n g S., Soil corrosion and pipe line protection, 1938.
57. К а л ь м-а и В. С., Электрическая защита подземных трубопроводов от коррозии, Азнефтеиздат, 1948.
58. Пр и т у л а В. А. и В и л к о в а Т. Р., К вопросу о максимальном защитном потенциале катодной защиты, Труды ВНИИнефть, вып. IV, Гостоптехиздат, 1954.
59. Van N о u h и у s, Cathodic protection and high resistivity soil, Corrosion, 1953, t. 9, № 12.
60. Bourguin H., La protection cathodique des structures enter-r6es, Bull, techn. Suisse romande, 1953, t. 79.
61. Ан д p e e в a E. А., Па у ков А Д., Валуйская Д. П., Влияние наложенного постоянного тока иа битумные покрытия стальных трубопроводов, ВНИИстройнефть отдел НТИ, 1955.
62. S u n п е г, Protection des distributions d’eau contre la corrosion, Rev. techn. Luxemburg, 1953, t. 45, № 1.
63. Беляков А. П., Основания для проектирования заземлений электрических установок, ГОНТИ, Ред. энерг. мет., 1938.
64. Фатеев Е. М., Ветродвигатели, Госэнергоиэдат, 1937.
65. Robinson Н. A., George Р. F.t Effect of alloying and impurity elements in magnesium alloy cast anodes, Corrosion, 1954, t. 10, № 6.
66. Францевич И. H., Алюмокальциевые протекторы.
67. С а р а е в В. С., Лабораторные исследования некоторых вопросов катодной защиты, Сборник Техрацнефть, 1950.
68. Logan К-, Soil corrosion, 1946.
69. Logan К.» Comparison of cathodic protection test methods, Oil & Gas J., 1953, t. 51. № 50.
70. Правила защиты подземных металлических сооружений от коррозии блуждающими токами, Связьиздат, 1940.
71. Закс П. М.. Статья в сборнике «Защита подземных металлических трубопроводов и кабелей от коррозии», Изд. Мин. ком. хоз. РСФСР, 1954.
72. Притула В. А., Применение низкоомных вольтметров для коррозионных измерений, «Новости нефтяной техники. Нефтепереработка», 1954, № 6.
73. Griffith D., Cathodic protection applied to a large diameter oil pipe line system, Corrosion, 1955, t. 11, № 3.
74. M a r k о v i c, Der Einfluss der Bodenfeuchtigkeit auf die Corrosiongeschwindigkeit von Eisen und Blei in Erdreich, Werkstoffe und Corrosion, 1954, t. 5, № 7.
75. R a b a 16 H., Corrosion bacterienne des mdtaux et alliage, Peintures, pigments, vernis, 1954, t. 30, № 7.
76. Kinger F., Solution of cathodic protection interference roblems, Corrosion, 1955, t. 11, № 3.
77. Прит ул а В. А., Формула скорости, местной коррозии, «Коррозия и борьба с ней», 1939, № 3—4.
78. Михайловский Ю. Н. иТомашевН. Д., Электрохимический метод полевых исследований коррозионных свойств почв, Тезисы докладов Всесоюзного совещания АН СССР, Изд. АН СССР, 1956.
79. Дорошенко П. Г., Руководство по электрическим измерениям и защите трубопроводов от коррозии, вызываемой блуждающим*! токами, Гостоптехиздат, 1956.
80. Трифель М. С., Протекторная защита морских нефтепромысловых сооружений. Труды Гипроморнефть, вып. 1, 1954.
81. Артамонов В. С., Определение коррозионных свойств грунтов, «Заводская лаборатория», 1956, № 6.
ТЕРМИНОЛОГИЯ, ПРИМЕНЯЕМАЯ В ОБЛАСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ ОТ КОРРОЗИИ
Абсолютный потенциал — потенциал сооружения сравнительно с очень удаленной точкой земли.
Автономный анод — см. гальванический анод.
Адгезия — взаимосвязь между металлом и нанесенным на него слоем окраски или защитного покрытия.
Активная защита — защита подземных сооружений от коррозии электрическими методами.
Анодная защита — неправильно применяемый иногда термин для обозначения катодной защиты и протекторной защиты.
Анодная зона — зона на подземном сооружении, в которой сооружение обладает более высоким потенциалом, чем окружающая почва, и в которой ток переходит из металла в окружающую среду.
Анодное заземление — специально устраиваемое заземление при катодной защите, соединенное с положительным полюсом источника тока и предназначенное для подачи электрического тока в землю, окружающую защищаемое сооружение.
Бактериологическая коррозия — коррозия, вызываемая жизнедеятельностью бактерий и микроорганизмов. См. также биокоррозия.
Биокоррозия — см. бактериологическая коррозия.
Блуждающие токи — протекающие в земле и в подземных металлических сооружениях электрические токи, ответвляющиеся с своего основного пути, которым чаще всего являются рельсовые пути трамвая <и электрических ж. д.
Вентильный дренаж — устройство для отвода блуждающих токов с подземного сооружения, в соединительный провод которого включен последовательно полупроводниковый вентильный элемент, например, селеновый или германиевый. Это устройство обеспечивает протекание блуждающего тока, собранного подземным сооружением, обратно в основную цепь тока только в атом одном направлении.
Высокоомный вольтметр — вольтметр с высоким входным сопротивлением на 1 в шкалы — не менее 10 000 ом, применяемый при полевых измерениях потенциалов.
Гальванический анод — также автономный анод, жертвенный анод, протектор, блок металла, имеющего более отрицательный потенциал, чем металл защищаемого сооружения. Присоединяя этот блок к защищаемому сооружению, создают большой гальванический элемент, в котором блок является анодом, а защищаемый металл—катодом
Градуированный дренаж — устройство, в котором отвод блуждающего тока с подземного сооружения осуществляется прямым дренажным соединением при наличии на сооружении изолирующих стыков, шунтированных сопротивлениями.
Графитизация — вид коррозийного разрушения чугуна, при котором форма металлического изделия сохраняется, но механическая прочность и твердость его теряются — изделие как бы остается сделанным только из графитовых частиц.
Деполяризация — электрохимическое действие, противоположное поляризации, позволяющее восстанавливать первоначальный коррозийный потенциал и этим способствующее коррозии.
Детектор — прибор для выявления дефектов диэлектрического покрытия или слоя при помощи искры, создаваемой высоким напряжением — до 40000 в, вырабатываемым вторичной обмоткой катушки Румкорфа.
Дополнительное заземление — см. земляной дренаж.
Дренажная защита — защита подземного сооружения от коррозии блуждающими токами путем отвода их обратно в основную цепь тока через специальное дренажное соединение.
Дренажная точка —точка присоединения к подземному сооружени кабеля или провода дренажной или катодной установки.
Дренажное присоединение—проводник с включенной измерительной и контрольной аппаратурой, соединяющий подземное сооружение, защищаемое от действия блуждающих токов, с основным путем тока, например рельсами или обратным проводом.
Дренажная установка — весь комплекс системы дренажной защиты, включающий защищенный участок подземного сооружения и само дренажное устройство.
Дренажное устройство — совокупность элементов токопроводящей цепи, предназначенной для отвода блуждающего тока с подземного сооружения на его основной путь, включающая в себя регулировочные реостаты, реле, измерительные и контрольные приборы, включающие устройства и соединительные провода и кабели.
Дренажно-катодная установка — см. принудительный дренаж, форсированный дренаж.
Дренажный ток — ток, протекающий из подземного сооружения через дренажное устройство в основную цепь тока. Этот ток бывает всегда меньше общей величины блуждающего тока, собираемого подземным сооружением.
Жертвенный анод — см. гальванический анод.
Замедлитель коррозии—вещество, способствующее существенному замедлению коррозии при добавлении в незначительных количествах в коррозийную среду.
Защита внешним током — см. катодная защита.
Защита наложенным током — см. катодная защита.
Защитная плотность тока — защитный ток при катодной, протекторной или дренажной защите, который приходится на единицу площади поверхности защищаемого сооружения (чаще всего на 1 см2, дм2 или м2).
Защитное покрытие — слой различных материалов, накладываемый на поверхность подземного сооружения для предупреждения его от коррозии. В большинстве случаев защитное покрытие обладает также диэлектрическими свойствами.
Защитный потенциал — точнее защитная разность потенциалов защищаемого сооружения и неполяризующегося электрода сравнения. Различают: минимальный защитный потенциал — наименьший по абсолютной величине отрицательный защитный потенциал металл— почва, при котором достигается максимальная катодная защита; максимальный защитный потенциал — наибольший по абсолютной величине отрицательный потенциал металл — почва, при котором не создается серьезной опасности для адгезии существующего покрытия защищаемого сооружения.
Защищающая обмотка — обмотка, накладываемая поверх нанесенного защитного покрытия подземного сооружения для защиты этого покрытия от механических повреждений.
Земляной дренаж — также защита дополнительным заземлением — отвод блуждающих токов из подземного сооружения при помощи специального заземления, соединенного с ним дренажным устройством. Это дополнительное заземление устанавливается вблизи основного пути блуждающего тока.
Игольчатое отверстие — мелкое повреждение защитного покрыти , иногда невидимое глазом, в виде прокола иголкой.
(Ингибитор — см. замедлитель коррозии.
Изолирующее покрытие — см. защитное покрытие.
Изолирующее соединение — соединение на трубопроводе или кабеле, нарушающее их электрическую непрерывность. Выполняется или в виде фланцев специальной конструкции, или муфт.
Каверна — вид коррозийного разрушения металла, сосредоточенного на небольшой площади и имеющего наибольшую скорость проникания вглубь. Называется также питтингом, язвой.
Катодная защита—изредка неправильно называвшаяся анодной защитой—способ защиты металлов от коррозии путем поляризации его до определенных отрицательных значений потенциала относительно окружающей среды. Существуют две основные системы катодной защиты: с наложенным током и с гальваническими анодами (протекторная защита). При системе катодной защиты с наложенным током, ток на защищаемую поверхность подается через анодное заземление от внешнего источника тока.
Катодная зона — зона или участок на подземном металлическом сооружении, в котором поверхность металла обладает более отрицательным потенциалом, чем окружающая его почва.
Катодная коррозия — вид коррозии некоторых металлов, например свинца, алюминия, который создает разрушения на катодных участках коррозионного элемента под воздействием создающейся повышенной щелочности.
Катодная станция — катодная установка — общая система защиты отдельного участка трубопровода или кабеля, получающая питание от одной установки постоянного тока. Катодная станция включает в себя источник тока, анодное заземление, питающие и соединительные провода и кабели, специальные устройства на защищаемой линии, линии связи.
Катодная установка — см. катодная станция.
Комбинированная защита — защита подземного сооружения одновременно защитным покрытием и электрическим методом защиты.
Комплексная защита — совместная защита нескольких подземных сооружений, находящихся на одной площади, электрическими методами защиты.
Контактный влектрод — металлический электрод, при помощи которого один из полюсов прибора контактируется с защищенным сооружением.
Контрольный вывод, контрольный пункт — устройство, позволяющее осуществлять контакт с подземным сооружением с поверхности земли.
Контролирующий фактор — действующий фактор, который определяет общую скорость цепного коррозийного процесса. Этим фактором может быть скорость подвода кислорода, анодная или катодная деполяризация, сопротивление почвы и т. п.
Коррозийная активность почвы — коррозийность почвы — совокупность факторов, определяющая ожидаемую скорость коррозии подземного металлического сооружения.
Коррозийный ток — ток, протекающий в отдельном образовавшемся коррозионном элементе.
Коррозионный элемент — электрохимический элемент, на аноде которого происходит разрушение металла коррозийным током.
Коррозия блуждающими токами — разрушение металла процессами электролиза, вызванного проходящими блуждающими токами.
Коэффициент дренирования — отношение дренажного тока ко всему току, отсасываемому из рельсового пути через данный отсасывающий кабель.
Коэффициент затухания — величина, определяющая закономерность распределения тока вдоль линии.
Кажущееся сопротивление почвы — общее сопротивление слоя почвы, дающее средние значения сопротивления ряда слоев почвы.
Макроэлемент — макропара — коррозионный элемент, электроды которого имеют размеры, хорошо различаемые невооруженным глазом.
Медносульфатный электрод сравнения — неполяризующийся электрод на основе скачка потенциала, созданного на границе меди и раствора медного купороса.
Микроэлемент — микропара — коррозионный элемент, электроды которого могут быть обнаружены лишь при помощи увеличивающих приборов.
Неполяризующийся электрод — электрод, имеющий постоянный скачок потенциала на границе какого-либо металла и раствора. Применяется для контактирования с электролитом при измерении потенциалов металлов, находящихся в этом электролите.
Относительный потенциал — потенциал сооружения относительно точек земли, не обладающих нулевым потенциалом, вследствие их нахождения в электрическом поле блуждающих токов или токов катодной защиты.
Отсасывающий кабель — кабель, по которому отводится ток от рельсов электрической ж. д. к тяговой подстанции.
Отсасывающий пункт — место присоединения к рельсам отсасывающего кабеля.
Пассивная защита — защита подземного сооружения от коррозии различными защитными покрытиями.
Переходное сопротивление — сопротивление току, создающееся на границе металла и среды или на границе среды и металла. Это сопротивление сильно увеличивается при наличии диэлектрического покрытия.
Питающий кабель — кабель, по которому ток от положительной шины тяговой подстанции подводится к контактному проводу электрического рельсового транспорта.
Питтинг — см. каверна.
Полотенца метод—метод определения проводимости покрытия при помощи наложения на него полотенца определенных размеров н пропускания тока с измерением параметров.
Поляризованный дренаж — устройство для отвода блуждающих токов с подземного сооружения, в котором при помощи специального отключающего реле обеспечивается протекание тока только в направлении от подземного сооружения к основному пути блуждающего тока.
Потенциал сооружения — потенциал сооружения относительно окружающей его среды. Определяется относительно какого-либо электрода сравнения.
Потенциальная диаграмма — диаграмма, показывающая значение потенциалов подземного сооружения на всей линии или сети.
Праймер — первый грунтовочный слой защитного покрытия.
Принудительный дренаж — устройство, обеспечивающее попеременное действие дренажной и катодной защиты. Включение действия катодной установки производится автоматически при выключении действия дренажа.
Проводимости единица измерения — обратный ом, т. е. 1/о.и, или иначе мо или сименс.
Протектор — см. гальванический анод.
Протекторная защита — см. катодная защита.
Прямой дренаж — устройство для отвода блуждающих токов с подземного сооружения, но позволяющее току протекать в обоих направлениях.
Пункт дренирования — место присоединения к защищаемому сооружению кабеля от дренажного или катодного устройства.
Сопротивление растеканию заземления — см. переходное сопротивление.
Спонг иоз — см. графитизация.
Токи длинных линий — коррозионные элементы на подземных трубопроводах и кабелях, общие размеры которых измеряются десятками и сотнями метров.
Токи утечки — см. блуждающие токи.
Усиленный дренаж — устройство для защиты подземного сооружения в зоне блуждающих токов, в котором действие прямого дренажа усиливается последовательно включаемой катодной станцией.
Усиливающая обмотка — обмотка, включаемая в защитное покрытие для увеличения механической прочности последнего.
Форсированный дренаж — см. принудительный дренаж.
Химическая коррозия — коррозия, протекающая без образования коррозионных элементов и протекания электрического тока.
Электрический дренаж, влектродренаж — отвод блуждающих токов, собранных подземным сооружением, через специально выполненный проводник обратно в основную цепь тока.
Электрическая защита, электрозащита — активная защита подземного сооружения электрическими методами — катодной защитой, протекторной защитой, электродренажем, экранированием.
Электродная защита — редко применяемый термин для обозначения катодной защиты гальваническими анодами.