Коррозионно-измерительный зонд и коррозиметр для определения плотности предельного тока по кислороду и плотности тока катодной защиты на подземных трбопроводах

Для определения максимально возможной плотности тока коррозии (плотности предельного тока по кислороду) в толще грунта разработан специальный коррозионно-измерительный зонд, схема которого представлена на рис. 3.5.

1"2"МЬ.

Рис. 3.5. Схема коррозионноизмерительного зонда (А.С. № 1 620 506) [144]

Коррозионно-измерительный зонд состоит из свинчивающегося из отдельных частей стального корпуса 1 с центральным каналом. Верхняя часть стального корпуса зонда оканчивается колпаком 2 с ручками 3, а нижняя — острым наконечником 4 с встроенным в его боковую поверхность рабочим электродом в виде плоского торца диаметром 3…6 мм из трубной стали 17ГС — 5. Именно при этих диаметрах рабочего электрода реализуется при прочих равных условиях в толще грунта максимальное значение предельного тока по кислороду [61]. Рабочий электрод встроен в стальной корпус зонда с изолирующей фторопластовой втулкой 6 толщиной 0,1…0,5 мм. Нижний предел расстояния между рабочим электродом и вспомогательным, которым является вся наружная поверхность зонда, ограничен тем, что при меньших расстояниях может наблюдаться пробой изоляционной втулки и рабочий и вспомогательный электроды окажутся короткозамкнутыми, а верхний — тем, что при больших расстояниях полярографическая волна кислорода в грунтах, имеющих большое омическое сопротивление, сглаживается и даже исчезает. Вспомогательный электрод, которым является вся наружная поверхность коррозионно-измерительного зонда, превышает по площади рабочий электрод в 1СР раз. Это сделано для того, чтобы полностью устранить влияние поляризации вспомогательного электрода на кинетику электрохимического восстановления кислорода на рабочем электроде. Для предотвращения подсоса воздуха в зону реакции из внутренней полости зонда место выхода изолирующей втулки с контактным проводом изнутри стального наконечника загерметизировано специальным герметиком.

На основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований разработан аппаратно-программный комплекс «Магистраль» [146].

Аппаратно-программный комплекс «Магистраль» позволяет в трассовых условиях количественно определять скорость остаточной коррозии и степень наводороживания стенки грубы при различных потенциалах катодной защиты подземных стальных трубопроводов. Прибор содержит коррозионно-измерительный зонд и измерительный модуль. Измерительный модуль содержит матричный дисплей, трехкнопочный интерфейс, кабель для подключения к сенсору. Прибор позволяет производить измерение, хранение в памяти и перегрузку в базовый компьютер следующих данных:

• • плотность предельного тока по кислороду в толще грунта, А/м ,
• • максимально возможная скорость коррозии трубопровода в конкретных условиях прокладки в отсутствие катодной защиты, мм/год;
• • остаточная скорость коррозии трубопровода при различных потенциалах катодной защиты, мм/год;
• • степень электролитического наводороживания стенки трубопровода при заданном режиме катодной защиты.

Измерение и расчет данных производится в автоматическом режиме, что облегчает эксплуатацию прибора в трассовых условиях и исключает возможность субъективных ошибок. Для определения плотности предельного тока по кислороду и плотности тока катодной защиты зонд устанавливают над трубопроводом и погружают на требуемую глубину в грунт до верхней образующей подземного трубопровода путем вращения за ручки 3 или легкими ударами по колпаку 2 и подключают к коррозиметру. В отсутствие тока поляризации коррозиметр регистрирует разность стационарных потенциалов рабочего и вспомогательного электродов. При пропускании тока катодной поляризации потенциал вспомогательного электрода практически остается постоянным из-за ничтожно малой плотности тока на нем (его поверхность в 10⁵ раз превосходит площадь рабочего электрода) и изменение разности потенциалов между электродами происходит практически только за счет поляризации рабочего электрода, изготовленного из трубной стали 17ГС.

При катодной поляризации рабочего электрода снимается полярограмма кислорода, высота которой зависит от физико-химических свойств грунта в данной точке подземного стального трубопровода и характеризует величину коррозионного тока в язвах, имеющих максимальную глубину. Здесь следует отметить, что специально проведенные исследования [61] показали, что плотность тока коррозии в язвах с максимальной глубиной как в высокоомных грунтах, когда макрокоррозионные пары дифференциальной аэрации нс оказывают практического влияния на максимальную глубину проникновения коррозии к участкам трубопровода, доставка кислорода к которым наиболее облегчена, так и в низкоомных, где за счет токов дифференциальной аэрации происходит некоторое (до 40%) перераспределение убыли массы от катодных участков к анодным, никогда нс превышает плотность предельного тока по кислороду.

В процессе дальнейшей работы не обязательно каждый раз снимать катодную полярограмму восстановления кислорода на рабочем электроде. Достаточно на рабочий электрод подать потенциал, соответствующий середине площадки предельного тока кислорода, и зафиксировать значение предельного тока восстановления кислорода после его установления во времени (в толще грунта в течение 3 мин). Затем коррозионноизмерительный зонд отключают от коррозимегра и рабочий электрод зонда подключают к катодной защите подземного трубопровода, и сравнивают величину тока катодной защиты на рабочем электроде зонда, диаметр которого выбран так, чтобы полностью смоделировать условия диффузии кислорода к наиболее коррозионно-опасному «критическому» дефекту изоляционного покрытия трубопровода [80], с предельным током по кислороду, определенным ранее с помощью коррозиметра.

В процессе промышленной апробации аппаратно-программного комплекса «TA-Коррозия» коррозионным испытаниям подвергали две партии короткозамкнутых образцов, изготовленных из трубной стали 17ГС. В обеих партиях было набрано по восемь образцов. Образцы помещали в песчано-торфяной грунт с влажностью, близкой к его полному влагонасыщению. Плотность предельного тока по кислороду у верхней образующей трубопровода составляла 5,2 мка/см². Затем всю партию короткозамкнутых образцов расположили по периметру трубопровода Д_у 1220 мм на равном расстоянии друг от друга и подключили к катодной защите трубопровода. Вторую партию короткозамкнутых образцов также расположили по периметру трубопровода Д_у 1220 мм на равном расстоянии друг от друга, но к катодной защите трубопровода не подключали. Режим катодной защиты первой партии образцов с помощью подключенного зонда выбирали таким образом, чтобы плотность тока катодной защиты на рабочем электроде была равна плотности предельного тока по кислороду. Это условие реализуется при потенциале катодной защиты минус 0,75 В по м. э. с. Образцы подвергали коррозионным испытаниям в течение 240 час. После коррозионных испытаний образцы извлекали из грунта и весовым методом определяли их скорость коррозии. Образцы взвешивали на аналитических весах WA-31 с точностью до 0,1 мг. Остаточная скорость коррозии образцов, находящихся под катодной защитой, составила 0,0063 ± 0,0011 г/м' ч, что соответствует плотности коррозионного тока, равной 0,6 мкА/см². У свободных образцов, не подключенных к катодной защите, скорость коррозии составила 0,043 ± 0,009 г/м² ч, что соответствует плотности коррозионного тока 4,0 мкА/см'.

Затем с первой партией короткозамкнутых образцов на этом же участке трассы, в этом же грунте повторили коррозионные испытания при условии недостаточной катодной защиты. На образцах, находящихся под катодной защитой, ток катодной защиты установили равным половине предельного тока по кислороду на рабочем электроде зонда. При этом за счет эффекта саморегулирования тока катодной защиты плотность тока катодной защиты на испытуемых образцах устанавливалась также равной половине предельного тока по кислороду, что контролировали с помощью цифрового миллиамперметра, включаемого поочередно в цепь каждого короткозамкнутого образца. Режим катодной защиты, когда плотность тока катодной защиты на образцах равнялась половине плотности предельного тока по кислороду, был реализован при потенциале катодной защиты минус 0,63 В по м. э. с. Коррозионные испытания, так же как и в первом случае, вели в течение 240 часов. Затем образцы извлекали из грунта и определяли остаточную скорость коррозии по той же методике, что и в первой серии коррозионных испытаний. В этом случае наблюдали более значительный разброс экспериментальных результатов. Остаточная скорость коррозии образцов составила 0,0131 ±0,061 г/м" -ч, что соответствует плотности коррозионного тока 1,3 мкА/см². Остаточная скорость коррозии на фоне увеличившегося разброса экспериментальных результатов пропорционально увеличилась также в два раза. Таким образом, величину защитного тока по сравнению с предельным по кислороду уменьшили в два раза, соответственно, остаточная скорость коррозии возросла в два раза. Степень катодной защиты в рассматриваемом случае составляет: (рассчитана по убыли массы образцов);(рассчитана по предлагаемому способу).

Сопоставление результатов по степени катодной защиты образцов из трубной стали показывают удовлетворительную сходимость. Однако у предлагаемого способа есть очень существенное преимущество: степень защищенности стальных образцов от почвенной коррозии мы знали сразу же после задания режима катодной защиты. Такую информацию не может дать ни один из существующих в настоящее время в нашей стране и за рубежом способов определения эффективности катодной защиты подземных стальных трубопроводов.

С этой же партией образцов в этом же грунте реализовали перезащиту. Режим катодной защиты образцов усиливали до тех пор, пока плотность тока катодной защиты на рабочем электроде зонда не превысит плотность предельного тока по кислороду в пять раз. Эта ситуация реализуется при потенциле катодной защиты минус 1,12 В по м. э. с. По истечении 240 ч образцы извлекали из грунта и определяли остаточную скорость коррозии. В этом случае остаточная скорость коррозии составила 0,0057±0,0018 г/м²-ч, что соответствует плотности коррозионного тока 0,56 мкА. Наглядно видно, что остаточная скорость коррозии в этом случае перезащигы осталась практически той же, что и в случае, когда плотность тока катодной защиты была равна плотности предельного тока по кислороду. Но при этом режиме величина защитного тока в пять раз больше предельного по кислороду, то есть достигнуто пренебрежительно малое увеличение степени катодной защиты, а электроэнергии затратили в пять раз больше. В этом случае определяем коэффициент полезного использования тока катодной защиты:

(рассчитана.

5,2.

по убыли массы образцов); rj = -²—-100% = 20% (рассчитана по пред;

латаемому способу).

Несовпадение результатов рассчитанных коэффициентов полезного использования тока катодной защиты по убыли массы образцов и по измеренной плотности тока катодной защиты и плотности предельного тока по кислороду связано с погрешностью определения остаточной скорости коррозии, так как убыль массы образцов за время коррозионных испытаний практически совпадала с убылью массы образцов в процессе подготовки образцов к взвешиванию после коррозионных испытаний. Анализ режима катодной защиты проведем на основе коэффициента полезного использования тока катодной защиты на основе сопоставления предельного тока по кислороду и плотности тока катодной защиты, который для данного случая перезащиты оказался равным 20%. Полученный результат показывает, что 80% электрической энергии затрачены впустую. Эта энергия была затрачена на протекание катодного разложения воды с выделением на защищаемой поверхности водорода. Об этом нам было известно сразу же после задания режима катодной защиты. Таким образом, используя предлагаемый способ, это обстоятельство можно и необходимо учитывать уже на стадии наладки и настройки режимов катодной защиты подземных стальных трубопроводов.