Модель доставки кислорода к сквозному дефекту изоляции подземного трубопровода

Между защищаемым подземным трубопроводом и анодным заземлением приложено напряжение, за счет чего в грунте возникает направленный ток катодной защиты. Электрохимические реакции протекают па оголенной поверхности трубопровода в сквозных дефектах изоляции (в двойном электрическом слое). При этом химические реакции на защищаемой поверхности трубопровода отсутствуют. Удельное электрическое сопротивление грунта определенным образом зависит от соотношения его жидкой и газообразной фаз.

Основные допущения. Для описания доставки кислорода к дефекту изоляции катодного защищаемого трубопровода (к потенциостатирусмому катоду в грунте) использованы следующие допущения:

• 1. Так как давление и линейные перемещения, действующие в системе катодной защиты подземных трубопроводов, изменяются незначительно, поровый раствор грунта можно считать несжимаемым, а поровый воздух — совершенным.
• 2. Температура газовой и жидкой фаз грунта принимается одинаковой, равной температуре стенки подземного трубопровода.
• 3. Транспорт кислорода и нейтральных молекул органических соединений к зоне реакции происходит из полупространства грунта, окружающего данный сквозной дефект изоляции трубопровода как по нормали к защищаемой поверхности, так и за счет боковых путей.
• 4. Скорость транспорта кислорода к зоне реакции в газовой и жидкой фазах грунта различна.
• 5. В почвенном электролите суммарный заряд в единице объема грунта равен нулю, поэтому грунт будем считать электронейтральной средой.
• 6. Под действием тока катодной защиты электрохимические реакции протекают на границе раздела «катодно-защищаемая поверхность — грунт».

Электрохимически активные компоненты грунта представляют собой смесь нейтральных молекул (прежде всего молекул кислорода), заряженных ионов: Са²⁺, Na⁺, СГ, СОз ², пузырьков порового воздуха, кислород которого способен участвовать в катодной реакции его электровосстановления на защищаемой поверхности в местах контакта трех фаз: «КЗП — почвенный электролит — поровый воздух». Однако, как было показано выше, основным коррозионным агентом, отвечающим за коррозионное состояние стальных подземных трубопроводов, является молекулярный кислород.

Рассмотрим процесс доставки кислорода к дефекту катоднозащищаемого трубопровода, описываемый полубесконечной пространственной диффузией.

Под полубесконечной пространственной диффузией будем понимать такие процессы доставки кислорода к дефекту изоляции из толщи грунта, которые удовлетворяют следующим двум условиям:

• 1. Толща грунта, в которой происходит диффузия, ограничена только с одной стороны внешней поверхностью трубопровода, на которой протекает реакция кислородной деполяризации.
• 2. Концентрация кислорода на любом расстоянии от дефекта изоляции является функцией времени и ограничивается полупространством вокруг сквозного дефекта с радиусом г_деф (рис. 2.11).

Процесс электровосстановления кислорода в дефекте изоляции кагодно-защищаемого трубопровода будем рассматривать при постоянном потенциале катодной защиты. Если потенциал катодной защиты будет находиться в области реализации предельного тока по кислороду, то концентрация кислорода на поверхности дефекта будет равна нулю. В этом случае скорость электровосстановления кислорода будет определяться только скоростью доставки кислорода к дефекту кагоднозащищаемого трубопровода.

Рис. 2.11. Модель доставки кислорода к сквозному дефекту изоляции с радиусом г₍)_С, ф в грунте: 1 — стенка трубопровода: 2 — изоляционное покрытие;

3 — твердые частицы грунта; 4 — почвенный электролит

При выполнении этих условий для процесса электровоссгановления кислорода в дефектах изоляции подземного трубопровода будет справедлива следующая математическая модель:

где С_(Ь (л', 0) — концентрация кислорода в толще грунта на любом расстоянии х от КЗП трубопровода в дефекте изоляции в момент времени t = 0. Ак^Ф — эффективный коэффициент диффузии кислорода в толще грунта;

С? — начальная концентрация кислорода, растворенного в почвенном электролите (jt = 0); С₀₇(оо, t) — концентрация растворенного в почвенном электролите кислорода на бесконечном удалении от дефекта изоляции; г — радиус полусферы грунта вокруг сквозного дефекта изоляции.

Рис. 2.12. Зависимость плотности тока катодной защиты: от диаметра сквозного дефекта изоляции (а); от обратной величины радиуса дефекта изоляции у верхней, боковой и нижней образующей (б)

Решение уравнения (2.2) при начальных и граничных условиях (2.2а)-(2.2в) имеет вид уравнения концентрационной поляризации:

Проведем анализ полученных экспериментальных результатов с учетом уравнения концентрационной поляризации 2.3. Действительно, при бесконечном во времени процессе катодной защиты трубопровода, когда t —" оо, возникает стационарное состояние, когда плотность тока катодной защиты находится в обратной пропорциональной зависимости от радиуса дефекта изоляции: у_{к з} = zFSD С°_х / г _еф, что подтверждают экспериментальные результаты, представленные на рис. 2.12.

Анализ экспериментальных результатов, полученных при исследовании распределения тока катодной защиты по окружности и по длине трубопровода большого диаметра, показал, что по мере уменьшения диаметра сквозного повреждения изоляции плотность тока катодной защиты при неизменном режиме катодной защиты за счет увеличивающегося влияния боковых путей доставки кислорода к дефекту возрастает.

При этом плотность тока катодной защиты находится в прямой пропорциональной зависимости от обратной величины радиуса сквозного дефекта изоляции. Это обстоятельство указывает на то, что ток катодной защиты в различных дефектах изоляционного покрытия трубопровода, независимо от его пространственного положения, описывается уравнением сферической диффузии, то есть основной окислитель, каковым является растворенный в почвенном электролите кислород, диффундирует к оголенной поверхности трубопровода в сквозном дефекте изоляции из некоторого полупространства грунта, окружающего дефект, с радиусом, равным радиусу дефекта.