О повышении эффективности средств электрохимической защиты трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии

О повышении эффективности средств электрохимической защиты трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии Защита от наружной коррозии трубопроводов тепловых сетей в настоящее время является одной из главных задач, от решения которой во многом зависит повышение надежности централизованного теплоснабжения, в котором тепловые сети являются наиболее уязвимым звеном.

Долговечность подземных металлических коммуникаций обусловлена главным образом их коррозионной стойкостью, что показал многолетний опыт их эксплуатации. Особенно подвержены коррозионным разрушениям трубопроводы тепловых сетей (с применяемыми до настоящего времени изоляционными конструкциями), срок службы которых в 1,5−2,0 раза ниже расчетной. При средней удельной повреждаемости 0,35−0,4 повреждения в год на 1 км трассы средний срок службы даже магистральных теплопроводов канальной прокладки составляет 12−15 лет.

Объясняется это в первую очередь слабыми защитными свойствами изоляционных конструкций, весьма неблагоприятными температурно-влажностными условиями эксплуатации (в отличие от «холодных» трубопроводов), конструктивными особенностями теплопроводов, а также в ряде случаев невысоким уровнем проектирования, строительства и эксплуатации тепловых сетей, формальным использованием средств электрохимической защиты (ЭХЗ).

Исследования механизма наружной коррозии трубопроводов тепловых сетей в контакте с увлажненной теплоизоляцией показали, что интенсивность коррозионных процессов с ростом температуры увеличивается, достигая максимума при 70−80° С. При этом опыт эксплуатации тепловых сетей свидетельствует, что в большинстве случаев подвержены наружной коррозии подающие теплопроводы, работающие в более опасном температурном режиме свыше 70% времени в течение года. Очевидно, что для вновь строящихся и реконструируемых тепловых сетей наиболее радикальным способом решения проблемы повышения коррозионной стойкости теплопроводов является применение надежных и долговечных изоляционных конструкций и антикоррозионных покрытий. Учитывая неперспективность этого направления в ряде регионов РФ, в том числе в Тепловых сетях АО «Мосэнерго», начато применение теплогидроизоляционных конструкций с теплоизоляцией на основе жесткого термостойкого пенополиуретана и гидроизоляционной оболочки из полиэтиленовой трубы (конструкция «труба в трубе»), широко применяемых в мировой практике.

Вместе с тем требует решения проблема защиты от коррозии многих тысяч километров теплопроводов, находящихся в эксплуатации, особенно магистральных теплопроводов.

Многолетний опыт борьбы с наружной коррозией на «холодных» трубопроводах показывает, что максимальная эффективность противокоррозионной защиты достигается путем применения надежной изоляции трубопроводов и в необходимых случаях средств ЭХЗ.

В 1996 г. введены в действие «Типовая инструкция по защите тепловых сетей от наружной коррозии» (РД 34.20.518−95), а в 1998 г. — «Правила и нормы по защите трубопроводов тепловых сетей от электрохимической коррозии» (РД 34.20.520−96). Оба документа утверждены «РАО ЕЭС России». В обоих документах четко сформулированы критерии опасности наружной коррозии трубопроводов тепловых сетей в зависимости от способа их прокладки.

Критерии наружной коррозии для тепловых сетей:

бесканальной прокладки — высокая коррозионная агрессивность грунтов и опасное влияние постоянного и переменного блуждающих токов;

канальной прокладки — наличие воды в канале или занос канала грунтом, когда вода или грунт достигают изоляционной конструкции, а также увлажнение теплоизоляционной конструкции капельной влагой, достигающей поверхности труб. Указано также, что опасное действие блуждающих токов при наличии воды или грунта в канале лишь увеличивает скорость коррозии наружной поверхности трубопроводов, контактирующей с водой или грунтом в канале.

В указанных условиях теплопроводы нуждаются в применении средств ЭХЗ. Кроме того, на основе многолетнего опыта эксплуатации тепловых сетей признано целесообразным предусматривать средства ЭХЗ также и для теплопроводов на участках их прокладки в футлярах под железными и автомобильными дорогами, уличными проездами и трамвайными путями.

До настоящего времени преобладала тенденция к осуществлению совместной ЭХЗ всех подземных сооружений в данной зоне с применением мощных защитных установок с целью охвата максимально возможной зоны защиты. Уже неоднократно отмечалось, что в этих зонах, как правило, протяженность защищенных тепловых сетей оказывается минимальной, особенно при их канальной прокладке, что объясняется значительно меньшим по величине их переходным электрическим сопротивлением (R_пер) в сравнении с другими сооружениями. Связано это в первую очередь с отсутствием на теплопроводах электроизоляции опорных конструкций, низким качеством антикоррозионного покрытия и недостаточной «долей» защитного тока от общего его значения. Последнее было подтверждено результатами проведенных нами исследований эффективности ЭХЗ на тепловых сетях Мосэнерго, включенных в систему совместной защиты с газопроводами.

Из этого следует, что при проектировании ЭХЗ действующих тепловых сетей канальной прокладки, учитывая разбросанность участков теплопроводов, требующих защиты, было бы наиболее целесообразным применение индивидуальной защиты с обеспечением ее в границах известных опасных зон (участки тепловых сетей с заносом каналов грунтом или затопленные водой).

ЭХЗ металлов методом катодной поляризации (катодная защита) основана на закономерном снижении скорости растворения металлов по мере смешения их потенциалов в сторону отрицательных значений относительно потенциала коррозии. При этом смещение потенциала предусматривается до значений защитного потенциала с помощью внешнего источника постоянного тока (катодной станции) или с помощью гальванического электрода (протектора), имеющего более отрицательный потенциал по сравнению с потенциалом защищаемого сооружения.

Одним из основных элементов системы ЭХЗ с помощью станций катодной защиты (СКЗ), в значительной мере обуславливающих эффективность защиты, является конструкция анодного заземлителя (АЗ) и способ его размещения. До настоящего времени для ЭХЗ подземных сооружений применялись, как правило, сосредоточенные АЗ. Их геометрические размеры в плане, как правило, много меньше, чем заданная зона защиты. Этот фактор определяет характер распределения токов и потенциалов вдоль защищаемого сооружения. При этом максимальный потенциал имеет точка сооружения, наиболее близкая к АЗ, в периферийных же точках потенциал снижается по экспоненциальному закону. В связи с этим для обеспечения необходимого уровня защитных потенциалов на концевых участках зоны защиты смещение потенциала в пункте подключения к трубопроводу катодной станции в 2−3 раза должно превышать минимально допустимое его значение. Чем ниже R_пер сооружения, тем более резок спад защитного потенциала. Это положение наиболее четко прослеживается при ЭХЗ теплопроводов, где, как показали наши исследования [1], зона защиты от одной установки ЭХЗ составляет всего несколько десятков метров (против нескольких сот метров на газопроводах) при весьма значительных затратах электроэнергии.

Анализ результатов обследования действующих установок ЭХЗ и факторов, влияющих на эффективность ЭХЗ, показал, что применение традиционных сосредоточенных АЗ в городских условиях во многих случаях не обеспечивает необходимую эффективность ЭХЗ на участках теплопроводов, требующих защиты, приводя, кроме того, к неоправданному увеличению затрат электроэнергии как вследствие неравномерного распределения тока защиты, так и из-за растекания тока по участкам, не требующим защиты. Из этого следует, что при выборе конструкции и расположения АЗ следует учитывать локальный характер затопления или заносов каналов грунтом магистральных теплопроводов, т. е. АЗ должны быть приближены к этим участкам и установлены вдоль них для обеспечения равномерного и целенаправленного распределения тока защиты, что используется в мировой практике [2].

Применение распределенных (протяженных) A3 позволит обеспечить:

равномерное распределение тока защиты вдоль требующего защиты участка теплопровода;

снижение потребления электроэнергии на единицу длины защищаемой теплосети и возможность использования катодных станций малой мощности;

локализацию образования дополнительных полей блуждающих токов и вместе в этим вредного влияния на смежные подземные сооружения вследствие короткозамкнутости электрического поля между анодом и катодом;

исключение необходимости в отводе земельной площади для установки АЗ.

Перечисленные преимущества вполне удовлетворяют требованиям защиты подземных сооружений, опасность коррозии на которых имеется на локальных участках, что в первую очередь касается теплопроводов канальной прокладки, где имеется возможность расположения АЗ непосредственно в каналах. При этом могут применяться: протяженные аноды кабельного или стержневого типа из материала на основе каучука с углеродосодержащими наполнителями (токопроводящие эластомеры); стальные трубопроводы вышедшие из употребления диаметром 100−150 мм; стержневые аноды из железокремнистых сплавов.

Для ЭХЗ трубопроводов тепловых сетей на участках их прокладки в футлярах в Тепловых сетях АО «Мосэнерго» уже в течение нескольких лет применяются гальванические аноды (протекторы) стержневого типа из магниевых сплавов, устанавливаемые непосредственно на поверхности трубопроводов или изоляционной конструкции. Количество протекторов в сечении трубопровода обусловлено его диаметром и уровнем затопления трубопровода. коррозия трубопровод теплоизоляция На теплопроводах канальной прокладки, подвергающихся затоплению на участках длиной до 50−60 м, также применяется протекторная защита с помощью протекторов, укладываемых на дне канала и устанавливаемых непосредственно на поверхности трубопровода или изоляционной конструкции.

На тепловых сетях АО «Мосэнерго» в настоящее время действуют более 60 СКЗ с расположением АЗ непосредственно в теплофикационных каналах, на 50 участках тепловых сетей действует ЭХЗ теплопроводов с помощью протекторов.

Канальная поляризация трубопроводов тепловых сетей при канальной прокладке при расположении АЗ в канале (в соответствии с требованиями НТД) должна обеспечивать смещение разности потенциалов между трубопроводом и измерительным электродом сравнения в сторону отрицательных значений в пределах от 0,3 до 0,8 В.

Разработана методика проектирования ЭХЗ теплопроводов от наружной коррозии (при расположении АЗ и протекторов непосредственно в канале), подвергающихся постоянному или периодическому затоплению.

В процессе внедрения новых методов ЭХЗ теплопроводов канальной прокладки возникали осложнения, не позволявшие быстрого обеспечения средствами ЭХЗ ряд участков тепловых сетей, нуждавшихся в защите от наружной коррозии. Основная причина этого заключалась в не оперативности принятия проектного решения и его оформления в виде проекта для каждого конкретного случая. Это особенно характерно для небольших объектов, на которых строительно-монтажные (ремонтные) работы выполняются в относительно короткие сроки. Очевидно, что в таких случаях проблемы могли быть сняты при наличии типовых проектных решений для ЭХЗ теплопроводов на локальных участках.

В связи с изложенным в конце 1995 г. СКТБ ВКТ АО «Мосэнерго» при участии АКХ им. К. Д. Памфилова был разработан «Типовой проект электрохимической защиты трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии на локальных участках», а в 1998 г. дополнения к нему.

ЭХЗ методом катодной поляризации наружной поверхности трубопроводов канальной прокладки возможна лишь в том случае, если защищаемая поверхность металла и АЗ (или проектор) находятся в электронном и электролитическом контактах. Первое обеспечивается с помощью металлических проводников, второе — при наличии электрической среды (воды или увлажненного грунта), в которую погружены трубопровод и АЗ (или протектор).

Одна из главных особенностей эксплуатации средств ЭХЗ теплопроводов канальной прокладки при расположении АЗ непосредственно в канале — периодическое отсутствие электролитического контакта между поверхностью трубопровода и АЗ при уровне затопления канала, не достигающем нижней образующей трубопровода. При затоплении канала лишь до уровня прокладки АЗ возникают узкополосные или точечные контакты A3 с электролитом (водой), что может быть причиной образования локальных участков АЗ, где плотность тока утечки будет многократно превышать номинальную (допустимую) плотность тока АЗ, что особенно опасно для АЗ из токопроводящих эластомеров.

Из этого следует, что для исключения или уменьшения числа локальных участков возможного преждевременного разрушения АЗ кабельного топа из токопроводящих эластомеров наиболее эффективно применение устройств для автоматического включения и выключения станций катодной защиты в зависимости от уровня затопления канала.

В СКТБ ВКТ АО «Мосэнерго» разработаны устройства, с помощью которых автоматически включается или отключается одно или два плеча в зоне защиты теплопровода от одной СКЗ. В настоящее время в Тепловых сетях АО «Мосэнерго» уже начато внедрение указанных устройств.

Для контроля эффективности электрохимической защиты трубопроводов тепловых сетей канальной прокладки при расположении АЗ в каналах применяются измерительные электроды, установленные на поверхности изоляционной конструкции. Начато также применение специальных блоков пластин-индикаторов (БПИ) для непосредственного инструментального контроля эффективности ЭХЗ БПИ устанавливают на поверхности трубопроводов.

В заключение следует указать на целесообразность разработки единого нормативного документа по защите трубопроводов тепловых сетей всех ведомств. Целесообразно также поручить СКТБ ВКТ АО «Мосэнерго» подготовить типовой проект по ЭХЗ теплопроводов с учетом последних разработок в этой области.

• 1. Сурис М. А., Липовских В. М., Прядко Б. М. и др. Об эффективности электрохимической защиты трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии. М., Энергетик, 1994 г., № 1.
• 2. Зуев А. В., Ягмур И. Д., Притула В. В. и др. Новые технологические системы. М., Газовая промышленность, 1989, № 9.