В статье рассматриваются методы катодной защиты трубопроводов и других металлических объектов и конструкций от коррозии. Представлен принцип работы системы автоматической катодной защиты CPAC, в которой используются программируемые источники питания TDK-Lambda серии ZUP.
Еще со времен бронзового века известно, что металл — не долговременный материал, если он попадает в такие среды как почва или вода. Позже, в 1824 г., британский исследователь Хэмфри Дэйви нашел способ защиты омедненных корпусов кораблей королевского флота от коррозии с помощью брусков цинка. Сегодня, в век массового применения железа, стали и других сплавов, коррозия металлоконструкций, к которым относятся морские сваи, шельфовые нефтяные установки, шлюзовые ворота, подземные нефте- и газопроводы, наносит огромный вред промышленности. Расходы на восстановление металлических конструкций, пострадавших от коррозии, иногда превышают их стоимость или затраты на проектирование. Почти треть аварий на трубопроводах случается по причине коррозии. Чтобы бороться с этим явлением, необходимо полное понимание его опасности и принятие специальных мер на этапах проектирования, строительства и эксплуатации.
Что представляет собой процесс коррозии? Рассмотрим вкратце механизм гальванической коррозии (существует еще так называемая электролитическая коррозия, которая происходит при наличии внешнего источника разности потенциалов).
Коррозия происходит при:
– наличии в металле двух участков с разными энергетическими уровнями;
– наличии электролитической среды.
Рис. 1. Механизм гальванической коррозии на поверхности металла |
![]() |
Причиной энергетической неоднородности могут служить резьбовые нарезки, сколы, царапины и другие макро- и микро- нарушения на поверхности металла. Классическим примером электролита служит почва или морская вода. Итак, как показано на рисунке 1, при перечисленных условиях в более активной области высвобождаются электроны и образуются ионы железа:
2 Fe → 2 Fe++ + 4 e–.
Электроны перетекают в более пассивную зону, где ионизируют атомы кислорода и, при наличии воды, образуют гидроксильные ионы:
O2 + 4e– + 2 H20 → 4 OH–.
Затем в активной области происходит следующая рекомбинация (ионов железа и гидроксил-ионов) и образуется гидроксид железа, который и представляет собой ржавчину:
Fe + 2 OH → Fe(OH)₂
Процесс коррозии может также происходить при наличии двух разных металлов с разными энергиями или в условиях неоднородности в электропроводимости почвы (которая в данном случае служит электролитом), ее влажности или концентрации кислорода.
Чтобы защитить объекты от разрушения используется несколько методов. Мы рассмотрим два из них. Первый — это так называемая протекторная защита. Этот метод основан на использовании специальных анодов: к защищаемой конструкции присоединяют более электроотрицательный металл — протектор, который, растворяясь в окружающей среде, защищает от разрушения основную конструкцию. После полного растворения протектора или потери контакта с защищаемой конструкцией протектор необходимо заменить.
Протекторными материалами обычно служат цинк, алюминий или магний. Часто для придания протекторам лучших эксплуатационных качеств в их состав вводят легирующие элементы. В состав цинковых протекторов вводят Cd (0,025—0,15%) или Al (0,1—0,5%), в состав алюминиевых — Zn (до 8%) и Mg (до 5%), в состав магниевых — Al (5—7%) и Zn (2—5%). Из этих материалов изготавливают бруски, которые обычно закрепляют на защищаемой поверхности, например, корпусе судна (см. рис. 2).
Рис. 2. Протекторные аноды на поверхности судна |
![]() |
Атомы анодного металла (например, цинка) более активно отдают электроны, благодаря чему повышается потенциал поверхности защищаемого образца (корпуса), и на всех его участках протекают только катодные процессы. А анодные процессы — рекомбинация с гидроксил-ионами и образование ржавчины — перенесены на защищающий электрод, который таким образом «жертвует собой». Поэтому иногда такую защиту называют «жертвующей», а сам протектор — «жертвующим».
Второй вид защиты обычно называется «защита внешним током» или «защита наложенным током». Его применяют для защиты оборудования из углеродистых, низко- и высоколегированных и высокохромистых сталей, олова, цинка, медных и медно-никелиевых сплавов, алюминия, свинца, титана и их сплавов. В этом случае необходим внешний источник питания. Энергия источника тока идет на перемещение зарядов по цепи, показанной на рисунке 3.
Рис. 3. Электрическая схема катодной защиты внешним током |
![]() |
Источник постоянного тока дает на зажимах напряжение Ерасч, необходимое для защиты определенного участка трубопровода. Ток (отрицательные заряды) от отрицательного полюса по проводу с сопротивлением R1 попадает на защищаемую трубу, сопротивление которой R2. Затем следует переходное сопротивление между трубопроводом и грунтом R3, которое тем больше, чем в лучшем состоянии находится изоляция трубопровода. R4 — сопротивление грунта на пути между трубопроводом и анодным заземлением (в большинстве случаев незначительно). С положительного полюса источника ток (положительные носители) по проводу сопротивлением R7 попадает на анодное заземление сопротивлением R6, которое обычно мало и им пренебрегают. Далее следует сопротивление растеканию тока с заземлителя в окружающий грунт R5, которое тем меньше, чем больше сопротивление заземлителя.
Для прекращения коррозии стальной конструкции ее необходимо заполяризовать до равновесного потенциала железа в данном электролите. При втекании тока в защищаемый объект его потенциальный уровень повышается. В этой статье мы не будем вдаваться в особенности расчета и оценки защитного потенциала. Практика защиты подземных объектов показала, что для защиты трубопроводов создаваемые на трубе потенциалы, измеренные по медно-сульфатному электроду, должны быть в пределах: –0,85…–1,2 В. Например, в СССР по ведомственным инструкциям рекомендовался минимальный защитный потенциал для сталей: –0,87 В, а в некоторых других странах: –0,85 В.
При отрицательном потенциале выше –1,2 В может наблюдаться перезащита. При этом интенсивно происходит катодная реакция, и в результате выделения атомарного водорода на поверхности трубы нарушается адгезия изоляции и происходит охрупчивание или разрушение стали.
Материал анода в данном случае другой, в случае морской коррозии — это плакированная платиной медь, сплав серебра с 2% Pb, платинированные титан или ниобий, а также хлорсеребряные электроды. В случае подземных объектов протекторные аноды могут быть изготовлены из стали, чугуна, графита или графитопластов, ферросилицида, платинированного титана или железокремниевых сплавов (иногда с добавлением хрома).
Для определения эффективности катодной защиты трубопроводов необходимо каким-то образом определять характер и скорость электрохимических процессов. Для этого применяются электроды сравнения. С их помощью измеряется скачок потенциала на границе «защищаемый объект — электролит». Поляризационный потенциал измеряется и передается на станцию катодной защиты или чаще всего измеряется на специально оборудованном контрольно-измерительном пункте. Пример устройства станции катодной защиты показан на рисунке 4.
Рис. 4. Организация станции катодной защиты |
![]() |
У этого метода нужно отметить следующие преимущества:
– одна установка может защищать конструкцию на большом протяжении;
– ток можно регулировать, и приспосабливать систему к разным окружающим факторам;
– обеспечивается возможность эффективной защиты даже объектов без защитных покрытий.
Один из производителей современных систем автоматической катодной защиты — израильская компания Formtest Solutions — разработала систему CPAC (Cathodic Protection Adaptive Control System, см. рис. 5). Система состоит из трех основных блоков: блок управления, сенсорный блок и модули питания.
Сенсорный блок подсоединен к измерительным электродам и принимает сигнал о номинале напряжения на них. Каждый модуль способен принять сигнал от 80 электродов, а количество модулей в системе не ограничено, поэтому при помощи одной такой системы можно контролировать процессы защиты от коррозии на очень большом участке. Блок довольно компактен, имеет прочный металлический корпус и способен передавать сигнал по LAN-интерфейсу через медный либо оптоволоконный кабель.
Рис. 5. Система автоматической катодной защиты CPAC компании Formtest Solutions |
![]() |
Блок управления — это компьютеризированный модуль, синхронизирующий работу всей системы. Он получает обработанные сигналы с электродов сравнения, применяет надлежащий для каждого анода алгоритм и подает команду блокам питания. Каждый модуль питания содержит 32 независимых источника питания. При проектировании системы CPAC было принято решение об использовании программируемых источников питания TDK-Lambda серии ZUP (см. рис. 6).
Серия ZUP (сокращение от Zero Up) включает модели мощностью 200…800 Вт и с выходными напряжениями в диапазонах 0–6…0–120 В. Они имеют ЖК-индикаторы текущих показаний тока и напряжения, что в данной системе дает возможность контролировать выдаваемое напряжение не только программно, но и визуально через прозрачную панель шкафа модуля питания. Модули ZUP имеют широкий входной диапазон 85…265 В, и могут получать задание выходных параметров как непосредственно с передней панели, так и дистанционно через аналоговый, RS-232 или GPIB-интерфейс. Модули имеют также целый ряд дополнительных функций: защиты, запоминания последних настроек, возможности параллельной работы, внешней обратной связи и т.д. Их размер позволяет установить в стандартном (шириной 19 дюймов) корпусе до 6 источников, что делает применение блоков незаменимым в системах, где требуется независимое управление большим количеством выходов.
Рис. 6. Программируемые источники питания серии ZUP компании TDK-Lambda |
![]() |
Как уже было отмечено, последствия почвенной коррозии могут быть самыми разнообразными: от прямого экономического ущерба, связанного с потерей добываемого продукта, временным выводом из эксплуатации технического средства, затратами на ремонтно-восстановительные работы до крупных техногенных и экологических катастроф. Опыт применения катодной защиты показал, что срок службы трубопроводов и других металлоконструкций, находящихся в коррозийно-сопутствующих средах, можно увеличить в несколько раз. Внедрение высокотехнологичных станций катодной защиты, подобных описанной в этой статье системе CPAC с использованием программируемых выпрямителей ZUP, значительно повышает эффективность катодного метода и является экономически и экологически целесообразным.
Литература
1. Рахманкулов Д.Л. Современные системы защиты от электрохимической коррозии подземных коммуникаций. — Уфа, Реактив, 1999.
2. Бондаренко А.В. Современные средства катодной защиты подземных трубопроводов от почвенной коррозии. — М., ИРЦ Газпром, 2004.
3. Семенова И.В. Коррозия и защита от коррозии//Учеб. Пособие. — Физматлит, 2002
4. Улиг Г.Г. Коррозия и борьба с ней//Введ. в корроз. науку и технику. — Л: Химия. Ленингр. отд-ние, 1989.
5. Бакстер Д., Бриттон Д. Offshore catodic protection: what is it and how does it work?//Deepwater Corrosion Services, 2006.