Распределение скорости коррозии и плотности тока катодной защиты по окружности трубопровода большого диаметра

Для исследования распределения плотности тока катодной защиты по окружности трубопровода большого диаметра (Д_у 1220 мм) была использована видоизмененная методика Л. И. Каданера [64−66]. Исследования были проведены на специально оборудованном полигоне на образцах из трубной стали, равномерно распределенных по окружности трубы диаметром 1220 мм. Через 45° крепили образцы из ферритноперлитной стали трубного сортамента диаметром 12, 32, 60 и 100 мм. Рабочую поверхность образцов шлифовали наждачной бумагой. К нерабочей поверхности крепили медный провод сечением 2 мм². Нерабочую поверхность с узлом крепления проводника изолировали эпоксидной грунтовкой ВГ-33. Для исключения подсоса воздуха из внутренней полости трубы торцы трубы были заглушены и утрамбованы глиной (глиняный замок). Трубу засыпали грунтом толщиной 0,5; 0,8 и 1,2 м. Анодное заземление располагали на расстоянии 60 м по ходу трубы, чтобы полностью смоделировать точку реального трубопровода, достаточно удаленную от СКЗ. В качестве источника поляризующего тока использовали преобразователь катодной защиты типа ПСК-3. Измеряя ток в цепи каждого образца при постоянном суммарном токе катодной защиты, получали картину распределения тока по окружности трубопровода Д_у 1220 мм при различных потенциалах катодной защиты. Потенциалы катодной защиты определяли относительно медно-сульфатного электрода длительного действия со вспомогательным электродом. С помощью общего амперметра измеряли общий ток в цепи всех образцов. С помощью отдельных амперметров с малым входным сопротивлением определяли ток катодной защиты на каждом отдельном образце. Для устранения искажений, вносимых измерительным прибором, измерительная схема была собрана с учетом усовершенствований, предложенных Л. И. Каданером [66]. В практике катодной защиты трубопроводов картина распределения тока катодной защиты как по окружности, так и по длине необходима для того, чтобы определить, не будет ли на отдельных участках плотность тока катодной защиты занижена, когда остаточная скорость коррозии будет превышать предельно допустимое значение, или, наоборот, завышена, когда на защищаемой поверхности будет идти интенсивное образование водорода. Это особенно важно для магистральных газонефтепроводов, находящихся в сложном напряженно-деформированном состоянии, когда недозащита приводит к интенсивному коррозионному износу, а перезащига — к интенсивному наводороживанию стенки трубопровода.

В грунтовых условиях электрохимическое восстановление кислорода лимитируется диффузией молекулярного кислорода из всей толщи грунта над катодом в двойной электрический слой:0,_]р —>0,_лс. В этом случае первый закон Фика для скорости диффузии кислорода из толщи грунта к оголенной поверхности трубопровода можно представить в виде:

выразив скорость диффузии кислорода через плотность тока катодной защиты, получим

В предельных условиях, когда катодная защита подавляет течение коррозионных процессов с катодной деполяризацией, концентрация кислорода на поверхности трубопровода в сквозных дефектах изоляции [0₂]_1ВС падает до нуля. В этом случае плотность тока катодной защиты в дефектах изоляции трубопровода будет определяться выражением, справедливым для плотности предельного тока кислорода:

а величина катодной поляризации будет определяться соотношением между плотностью тока катодной защиты j_{K ч} и плотностью предельного тока по кислороду ). В связи с этим, несмотря на существенную разность в плотностях тока (в зависимости от пространственного положения дефектов на трубопроводе и условий доставки кислорода), величина катодной поляризации во всех дефектах имеет одно и то же значение, так как отношение у_{к з} / j =const

справедливо для любого дефекта, что подтверждают результаты экспериментальных исследований, представленных на рис. 2.7, а.

Рис. 2.7. Распределение плотности тока катодной защиты и величины катодной поляризации по периметру трубопровода Д_у 1220 мм (а); зависимость величины катодной поляризации от соотношения между плотностью тока катодной защиты и плотностью предельного.

тока по кислороду (б)

Причем зависимость между величиной катодной поляризации и отношением плотности тока катодной защиты к плотности предельного тока по кислороду имеет не логарифмическую, а линейную зависимость: что подтверждают результаты экспериментальных исследований, представленные на рис. 2.7, 6. Они свидетель;

RT

сгвуют о том, что угловой коэффициент -^- = 0,059 прямой в координатах A.

_K-, l Лр Р^авен 0,0602 В, что подтверждает диффузионную природу тока катодной защиты подземных трубопроводов.

На рис. 2.8 представлена картина распределения максимальной глубины проникновения коррозии на образцах трубной стали 17ГС по окружности трубопровода Д_у 1220 мм без катодной защиты и под катодной защитой в глинистом и торфяном грунте, а также плотности тока катодной защиты. Анализ экспериментальных результатов, представленных на рис. 2.8, свидетельствует о наличии эффекта саморегулирования катодной защиты: облегчается доставка кислорода — увеличивается скорость коррозии без катодной защиты. При включении тока катодной защиты максимальая плотность тока катодной защиты (при заданной величине защитного потенциала) наблюдается в тех дефектах, доставка кислорода к которым наиболее облегчена и где наблюдалась максимальная скорость коррозии стали в отсутствие катодной защиты.

Рис. 2.8. Распределение максимальной глубины проникновения коррозии по окружности трубопровода Д_у 1220 мм без катодной защиты; скорости коррозии при катодной поляризации 0,25 В и распределение плотности тока катодной защиты в глинистом грунте (длительность коррозионных.

испытаний 1 год)

При включении тока катодной защиты коррозионный процесс подавляется практически до постоянной остаточной скорости коррозии, независимо от месторасположения дефекта изоляции: у верхней образующей, где скорость коррозии в отсутствие катодной защиты максимальна, и у нижней образующей, где скорость коррозии в отсутствие катодной защиты минимальна.

При подключении катодной защиты в дефектах с максимальной скоростью коррозии наблюдается максимальный ток катодной защиты, который ее подавляет практически до тех же значений, что и минимальный ток катодной защиты (у нижней образующей трубопровода), где наблюдается минимальная скорость коррозии. Наблюдаемое явление эффекта саморегулирования катодной защиты подтверждают результаты исследования эффективности электрохимической защиты магистральных трубопроводов в полевых условиях в различных почвенно-климатических регионах [115].

Рис. 2.9. Соотношение j_K 3 / j и остаточной скорости коррозии стали 17ГС.

при различных величинах катодной поляризации в 0,05%-м NaCl — а, зависимость плотности тока катодной защиты и остаточной скорости коррозии от величины катодной поляризации в 0,05%-м NaCl — б

Когда плотность тока катодной защиты достигает значений предельного тока кислорода, катодная защита «подавляет» течение коррозионного процесса рабочих образцов до значений, не превышающих 0,013 мм/год, независимо от условий доставки кислорода, как у верхней образующей трубопровода, где доставка кислорода к корродирующей поверхности наиболее облегчена и наблюдается максимальная скорость коррозии в отсутствие катодной защиты, так и у нижней образующей, где доставка кислорода наиболее затруднена и скорость коррозии трубной стали в отсутствие катодной защиты минимальна. Дальнейшее увеличение плотности тока катодной защиты в область протекания реакции катодного разложения воды с выделением на КЗП водорода к заметному уменьшению скорости коррозии не приводит, что подтверждают экспериментальные результаты, представленные на рис. 2.9, а. Ход экспериментальных результатов, представленных на рис. 2.9, б, указывает на то, что после достижения плотности тока катодной защиты значений плотности предельного тока по кислороду в области значений катодной поляризации, равной 250 мВ, дальнейшее увеличение тока катодной защиты практически не приводит к заметному подавлению коррозионного процесса.

Полученные результаты свидетельствует о необходимости учета электрической энергии, затрачиваемой на подавление собственно коррозионного процесса и протекание на КЗП трубопровода электрохимических реакций, не связанных с подавлением коррозионного процесса.