CC BY
140
УДК 620.197:621.643:006.354 ИДЕНТИФИКАЦИЯ КОРРОЗИОННЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ПОДЗЕМНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА И
ЗАЩИТА ИХ ОТ КОРРОЗИИ
Л.А. Голдобина1, П.С. Орлов2
1 Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики (СПбГУСЭ),
191015, Санкт-Петербург, ул. Кавалергардская, 7, лит. А;
2Ярославская государственная сельскохозяйственная академия (ЯГСХА),
150042, г. Ярославль, Тутаевское шоссе, д. 58
В статье приведены способы определения мест коррозии металла на подземных и подводных трубопроводах коммунального хозяйства бесконтактным методом и предложение повышения стойкости металла к коррозии, защищенные патентами Российской Федерации на изобретение
Ключевые слова: межкристаллитная коррозия, коррозия.
TO THE QUESTION OF THE IDENTIFICATION OF CORROSION DAMAGE OF UNDERGROUND PIPELINES AND UTILITIES TO PROTECT THEM FROM CORROSION
L.A. Goldobina, P.S. Orlov,
St. -Petersburg state university of service and economy (SPbSUSE), 191015, St.-Petersburg, streetKavalergardsky, 7, lit. A.;
Yaroslavl state agricultural academy (YaGSHA), 150042, Yaroslavl, Tutayevskoye Highway, 58
In article ways definitions of places of corrosion of metal on underground and underwater pipelines of municipal services by a contactless method and the offer of increase of firmness of metal to the corrosion, protected by patents of the Russian Federation for the invention are given.
Keywords: intercrystalline corrosion, corrosion.
Одной из причин нынешнего состояния подземных трубопроводов является неоправданно большое применение металлических труб: около 70 % - стальные, 5 % - чугунные.
Достаточно сказать, что в 1990 году в России было потреблено 24 млн. тонн стальных труб.
Это в 2 раза больше, чем в США (7 млн. т),
Японии (4 млн. т) и ФРГ (2 млн. т) суммарно.
При этом по протяженности подземных трубопроводов Россия - на втором месте, лидируют США.
В настоящее время в России в эксплуатации находится около 1 млн. км подземных трубопроводов жилищно-коммунального комплекса, в том числе 523 тыс. км водопроводов.
К ним добавляется около 3 млн. км внутридо-мовых трубопроводов систем холодного и горячего водоснабжения, где свыше 95 % занимают стальные оцинкованные и даже черные трубы.
Известно, что средний уровень износа сетей в коммунальном хозяйстве составляет более 60 %, а в отдельных регионах превышает 70 % (Красноярский и Приморский края, Новгородская область, Корякский автономный округ и др.). По данным В. С. Ромейко, требуют полной замены 67 тыс. км стальных и 60 тыс. км чугунных труб.
Следствием неудовлетворительного состояния подземных трубопроводов водоснабжения и канализации является не только колос-
сальные потери подготовленной питьевой воды, но и повсеместное ухудшение экологической обстановки и растущие практически во всех регионах России вспышки гепатита, тяжелых кишечных и желудочных заболеваний, а также тот факт, что многие здания в различных населенных пунктах оказались в состоянии коммунального кризиса.
Как это ни парадоксально, высоконапорные, высокопрочные стальные трубы, которые в системе коммунального водоснабжения задействованы лишь на 2- 3 % прочности, явились самым слабым звеном в жилищнокоммунальном комплексе России. При отсутствии надежной наружной и внутренней гидроизоляции стальные трубы в высокой степени подвержены коррозии, что и приводит к снижению фактического срока их службы в 3 - 4 раза по сравнению с нормативным значением.
Статистика показывает, что причиной каждой третьей аварии на проложенном в грунте трубопроводе является электрохимическая коррозия. Последствием аварии является не только экономический ущерб, связанный с потерей транспортируемого продукта, но и значительный вред, наносимый экологии и инфраструктуре населенного пункта. Поэтому организации, в чьем ведении находится эксплуатация подземных инженерных систем, должны уделять особое внимание их надежной защите от коррозии [1].
Авторами статьи давно ведутся исследования по выявлению механизма межкристал-литной коррозии подземных трубопроводов и поиск путей по защите последних от опаснейшего вида повреждений подземных металлических сооружений [2-3].
Для проверки гипотез причин и выявления мест коррозионных процессов на подземных инженерных сооружениях коммунального хозяйства авторами статьи проведены натурные исследования на подземных водоводах Южной водопроводной станции ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» (Водоснабжение Санкт-
Петербурга), позволившие подтвердить выдвинутые предположения возникновения межкри-сталлитной коррозии [4, 5] и разработать «Способ определения межкристаллитной коррозии и коррозионных повреждений наружных поверхностей подземных и подводных трубопроводов», который в настоящее время уже защищен патентом РФ на изобретение № 24574465 от
27.07.2012 г., патентообладателем которого является ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики [6].
Изобретение относится к способам бесконтактного определения мест дефектов гидроизоляционного покрытия и коррозионных повреждений наружных поверхностей подземных и подводных катодно-защищенных трубопроводов с плёночной гидроизоляцией с помощью электрохимического анализа и может быть использовано в подземном трубопроводном транспорте.
Способ определения межкристаллитной коррозии и коррозионных повреждений наружных поверхностей подземных и подводных трубопроводов путём катодной поляризации трубопровода с измерением его потенциала через 5...10 с после снятия последней и нахождения местоположения и размеров дефектов по изменению потенциала, при этом по вершинам и краям "воронок провалов" поляризационной кривой определяют площадь 8 [мм2] повреждения гидроизоляционного покрытия по формуле:
^ = 40000 • -ЁЭдс(корр) /АЦ
где: Е ЭДС(КОРР) _ ЕПА—ЕПК [В]; ЕПА — потенциал
анодной зоны; ЕПК — потенциал катодной зоны; АЬ — половина протяженности катодной зоны [м].
Глубину коррозии 5(КОРР) определяют по формуле:
5(КОРР) = 2[Е ЭДС(КОРР) /АЬ] (ТГ —5) • [^мах/-^д(ср)],
где: ТГ — срок службы газопровода в годах; 1МАХ
— максимально возможный (паспортный) ток станции катодной защиты [А]; 1д(ср) — средний действующий ток катодной станции за период эксплуатации [А], отличающийся тем, что меж-кристаллитную коррозию идентифицируют по вершинам «пиков» поляризационного потенциала при амплитуде «пика» более 150 мВ и градиенте потенциалов амплитуды «пика» более 50 мВ/м (рис. 1).
Получение технического результата достигается тем, что по поляризационной кривой определяется экстремальная разность потенциалов двух участков подземного стального
сооружения, свидетельствующая о наличии благоприятных условий для протекания интенсивных коррозионных процессов на анодных поверхностях, имеющих более низкий электродный потенциал.
Электродвижущая сила ЕЭДС (КОРР) концентрационного гальванического элемента определяется разностью значений потенциалов анодной Епа и катодной Епк зон, зависящих, в соответствии с уравнением Нернста, от значений рН соответствующих участков подземного трубопровода и логарифмом отношений количеств адсорбированного водорода на хорошо аэрируемой поверхности катодной зоны СА в местах мощного нарушения изоляции к количеству СД адсорбированного водорода мелкодисперсными отложениями анодной зоны в местах местного локального незначительного отслоения пленочного гидроизоляционного покрытия.
I 1 і 1
А \
\ н г/ и ^У\\ І 1 \ / \ Цц \ у' дТ
тиристорная катодная станция
153ДС
и
■Епк
£п
I КОРР Катод
I т
£ в
£эдс лсоррі
Анод
Рисунок 1. Режим работы тиристорной катодной станции: ЕПА — поляризационный потенциал анодной зоны; ЕПК — поляризационный потенциал катодной зоны; ии , 1И — напряжение и ток защитного импульса катодной станции; ПД , 1Д_действующие значения напряжения и тока станции; 1ЗИ -импульсный защитный ток подземного сооружения; ЕЭДС(КОРР)
—ЭДС коррозии анодных участков трубы; /КОРР - ток коррозии анодных участков.
Приведем пример использования запатентованного способа: на поляризационной кривой подземного трубопровода имеется участок протяженностью АЬ =10 м, на котором потенциал поверхности трубы изменился на величину ЕЭДС(КОРР) = 0,2 В. Максимально возможное (паспортное) значение тока тиристорной станции катодной защиты составляет 1МАХ = 100А; среднее значение тока по оперативному журналу катодной станции за 11 лет его эксплуатации составило I Д(СР) = 10А. Глубина коррозионного повреждения 5 (КОРР) поверхности анодной зоны трубы:
5(КОРР) 2[Е ЭДС(КОРР) /АЬ] • (ТГ 5) • [1мах/1д(ср)]
2(0,2/1 0)-( 11 — 5)-(100/10) =2,4 (мм); площадь £ [мм2] повреждения гидроизоляционного покрытия составит: £ = 40000 • ЕЭДС(КОРР) /АЬ = 40000^0,2/10 = 800 (мм2).
Другой способ, предложенный авторами статьи и также защищенный патентом РФ на изобретение № 2461842 от 20.09.2012 г. «Способ определения поляризационного потенциала металлических подземных сооружений без отключения катодной защиты» [7].
Данный способ определения межкри-сталлитной коррозии подземных трубопроводов неразрушающим бесконтактным методом, разработан на основе уже ранее предложенного авторами проекта способа измерения поляризационного потенциал металлических подземных сооружений, и позволяет:
1. Определить место протекания коррозионного процесса;
2. Получить информацию о виде коррозии без физического контакта с поверхностью трубы, не выводя трубопровод из эксплуатации.
Ни одна из существующих ныне методик не позволяет этого сделать.
Все известные на сегодня методики идентификации мест межкристаллитной коррозии подземных сооружений очень дороги, так как предполагают использование для целей диагностики внутритрубных ультразвуковых дефектоскопов (или магнитных дефектоскопов) или вскрытие (откапывание) подземного сооружения.
Предлагаемая бесконтактная диагностика позволяет идентифицировать участки, подверженные межкристаллитной коррозией уже в начальной стадии их образования, когда повреждения находятся за пределами разрешающей способности внутритрубных снарядов. Эта методика доступна к применению на трубопроводах всех диаметров, в то время как применение внутритрубных снарядов в большинстве случаев ограничена условным диаметром менее 100 мм.
Бесконтактная методика идентификации межкристаллитных повреждений подземных трубопроводов полностью исключает контакт людей с транспортируемой средой, что обеспечивает безопасность и здоровье людей. Отсутствие шлюзовых камер исключает возможность попадания транспортируемой среды на рельеф местности, окружающую среду и людей.
Предлагаемая бесконтактная методика идентификации межкристаллитных повреждений подземных трубопроводов полностью обеспечивает, в отличие от известных, безаварийную эксплуатацию трубопроводов, что позволяет выполнить требования по экономичному и рациональному использованию топливно
- энергетических ресурсов.
Изобретение относится к способам бесконтактной оценки с помощью электрохимического анализа эффективности катодной защиты поземных металлических сооружений.
Недостатками известных способов являются:
1. Необходимость предварительной установки стационарных подземных неполяри-зующихся электродов сравнения и вспомогательных электродов в предполагаемых точках проведения измерений;
2. Сложность проведения периодического обслуживания подземного неполяризую-щегося электрода сравнения;
3. Необходимость применения при измерениях помимо милливольтметра с высоким входным сопротивлением моста постоянного тока и миллиамперметра, что резко снижает оперативность проведения измерений;
4. Усложнение определения поляризационного потенциала вследствие необходимости проведения дополнительных расчетов.
Задачей изобретения было предложить способ оперативного измерения поляризационного потенциала металлических подземных сооружений.
Поставленная задача достигается способом определения поляризационного потенциала металлических подземных сооружений без отключения станции катодной защиты измерением разности потенциалов «труба-земля», при котором измерительный прибор включается между катодным выводом и электродом сравнения, устанавливаемым на поверхности земли над осью (или около нее) трубопровода, причем для исключения омической составляющей измерения осуществляют с помощью осциллографа, отсчитывая по его градуированному экрану потенциал поверхности металлической трубы в моменты пауз между импульсами защитного тока.
Кроме способов, направленных на выявление мест коррозии металла подземных и подводных трубопроводов, авторами статьи в последнее время был разработан «Способ повышения стойкости металла трубопроводов к коррозии» по которому получено положительное решение от 01.02.2013 г. на выдачу патента РФ (заявка № 2009116050/02 от 27.04.2009 г.)
Изобретение относится к способам повышения стойкости металла к коррозии и может быть использовано, в подземном трубопроводном транспорте.
Задачей изобретения является предотвращение коррозионных повреждений наружной поверхности подземного катодно защищенного трубопровода путем нанесения на его поверхность устойчивого к коррозии и действию кислот и щелочей покрытия.
Поставленная задача достигается способом повышения стойкости металла трубопроводов к коррозии, включающий нагрев в углеродсодержащей среде до температуры насыщения, выдержку и охлаждение; с целью упрощения процесса и сокращения длительности обработки, нагрев и выдержку производят в пламени дуги между графитовыми электродами при 1200 - 1400 °С, при этом в трубе поддерживается давление 0,5 - 0,75 от рабочего, це-
ментацию ведут методом сканирования, а нагретую поверхность охлаждают водой.
Новыми существенными признаками являются:
1. В целях исключения растрескивания нанесенного защитного и упрочняющего слоя карбида железа на поверхности трубы в процессе ее эксплуатации, цементация ведется при поддержке давления в трубе 0,5 - 0,75 от рабочего;
2. Для обработки всей наружной (или внутренней) поверхности трубы цементация ведется методом сканирования, строка за строкой по винтовой линии;
3. Нагретая угольной электрической дугой поверхность трубы охлаждается водой в целях интенсификации процесса образования карбидов железа.
Получение технического результата изобретения достигается тем, что для осуществления способа нагрев пятна диаметром 20 - 40 мм на поверхности трубы до температуры 1200 - 1400 °С осуществляется высокотемпературным пламенем электродуговой горелки с двумя графитовыми электродами, установленными под углом 30° друг к другу в течение 5 - 25 с. Зазор между электродами 4 - 8 мм. Поверхность трубы находится на расстоянии 10 мм от концов электродов в зоне действия пламени угольной дуги. К электродам подводится электрический ток 50 - 250 А от сварочного трансформатора. Температура пламени электрической дуги составляет 3000 - 4000 °С. Электродинамическими силами в металл трубы на глубину до 2 мм внедряется атомарный и ионизированный углерод. Пламя дуги перемещается по поверхности трубы по винтовой линии виток к витку со скоростью 2 - 20 мм/с. В целях интенсификации процесса образования карбида железа, нагретую электрической угольной дугой поверхность металла, на расстоянии 75 - 100 мм от пламени дуги, охлаждают водой температурой 20 °С. Образовавшийся на поверхности трубы плотный слой карбида железа устойчив к коррозии, действию кислот и щелочей, и к стресс -коррозии, так как препятствует проникновению в сталь атомарного водорода и имеет прочность 2000 Н/мм2 [8].
Материалы, представленные в данной публикации, позволяют сделать следующие выводы:
1. Использование предложенных методик предполагает сокращение затрат на ликвидацию возможных аварий подземных трубопроводов, используемых в городском коммунальном хозяйстве города Санкт-Петербург, что, без сомнения, существенно повлияет на экономию бюджета города.
2. Разработанные способы дают возможность провести анализ состояния подземных коммуникаций, что позволит повысить экологическую безопасность города, безопасную эксплуатацию строительных сооружений, обеспечить охрану жизни и здоровья жителей города.
Литература
1. Добромыслов А.Я. Проблема долговечности и надежности трубопроводных систем. // Журнал «Сантехника № 5, 2003. - С. 2-6.
2. Голдобина Л.А., Орлов П.С. Пути снижения аварийности на подземных трубопроводах коммунального хозяйства. // «Инновационные процессы в сфере сервиса: проблемы и перспективы». Сборник научных трудов по результатам II Международной научно-практической конференции 16 июня 2010 г. Том 2. - СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2010. - С. 296 -300.
3. Голдобина Л.А., Орлов П.С. Идентификация коррозионных повреждений подземных трубопроводов без вывода их из эксплуатации. // История и перспективы развития транспорта Севера России (К 55-летию Ярославского филиала МИИТ): Сборник научных статей / Под ред. проф. О.М. Епархина. -Ярославль: Изд-во ООО «Принтхаус», 2011. - С. 2228.
4. Голдобина Л.А., Шкрабак В.С., Орлов П.С. Предупреждение аварий и катастроф на катодно защищенных подземных трубопроводах бесконтактными методами идентификации коррозионного разрушения [Текст]: монография / Л.А., В.С. Шкрабак, П.С. Орлов. - Ярославль: Изд-во ФГБОУ ВПО «Ярославская ГСХА», 2012. - 204 с.
5. Орлов П.С., Голдобина Л.А. Снижение последствий техногенных катастроф при эксплуатации подземных трубопроводов внедрением методики определения мест межкристаллитной коррозии. // Научно-технический журнал НИИТТС «Техникотехнологические проблемы сервиса», № 4 (14). 2010.- СПб.: СПбГУСЭ, 2010. - С. 18-25.
6. Голдобина Л.А., Орлов П.С., Попова Е.С. Способ определения межкристаллитной коррозии и коррозионных повреждений наружных поверхностей подземных и подводных трубопроводов. // Патент РФ на изобретение № 2457465 от 27.07.2012 г.
7. Голдобина Л.А., Гусев В.П., Попова Е.С., Орлов П.С., Орлов С.П., Ряхин А.Н. Способ измерения поляризационного потенциала металлических подземных сооружений без отключения станции катодной защиты. // Патент РФ на изобретение № 2461842 от
20.09.2012 г.
8. Голдобина Л.А., Гусев В.П., Орлов П.С., Шкрабак В.С. Способ повышения стойкости металла трубопроводов к коррозии. // Положительное решение от
01.02.2013 г. о выдаче патента РФ по заявке от 27.04.09 г. Дата публикации заявки 10.11.2010 г. № 2009116050/02 (022007).
1 Голдобина Любовь Александровна — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Техническая механика», СПбГУСЭ, тел.: (812) 677 59 64, e-mail: lubagoldobina@rambler.ru;
2Орлов Павел Сергеевич — доктор технических наук, доцент, тел.: +7 915 977 46 97, e-mail: ps2009yasam@mail.ru
