Оценка защищенности подземных металлических сооружений от коррозии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

значениях фильтрационного числа Рэлея концентрация напора почти всюду равна нулю, кроме левой окрестности точки X = 1.

Выводы.

1. Фильтрационная диффузия консервативной примеси (температуры и теплового потока) при конечных значениях фильтрационного числа Рэлея ^ >> 1 приводит к нелинейному распределению температурного напора по ходу фильтрации. При сильной неоднородности изменения коэффициента фильтрации по ходу

фильтрации происходит практически скачкообразное падение температуры на холодной грани. Наоборот, при малых значениях я << 1, я = = 0(1) наблюдается такое же изменение температурного напора, как и при чистой теплопроводности (линейное).

2. Распространение консервативной (и неконсервативной) примеси в фильтрационном потоке управляется положительным функционалом, необходимое условие минимума которого совпадает с уравнением переноса примеси в потоке. Вдоль хода фильтрации изменение теплового потока в среднем минимально.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соковишин, Ю.А. Свободно-конвективный теплообмен [Текст]: Справочник / Ю.А. Соковишин, О.Г. Мартыненко.— Минск: Наука и техника, 1982.— 402 с.;

2. Петриченко, М.Р. Экстремальные задачи для фильтрационных потоков [Текст] / М.Р. Петриченко, В.Н. Бухарцев.— Saarbruken, Palmarium academic publ.— 2012.— 84 p.

УДК 621.311.22:075.8

В. Г. Киселёв

ОЦЕНКА ЗАЩИЩЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ОТ КОРРОЗИИ

Постановка проблемы

Наружная поверхность подземных металлических коммуникаций (ПМК) в местах дефектов антикоррозионного покрытия или при отсутствии его подвержена интенсивному коррозионному износу, что и обусловливает использование различных мероприятий для их защиты от коррозии. Существенную роль в оценке выбора конкретного вида антикоррозионной защиты и оценке ее эффективности играют коррозионные измерения, включающие, прежде всего, измерение токов, сопротивлений и потенциалов. Особенно велика роль измерения стационарных и поляризационных потенциалов металлических сооружений, находящихся в электролитической среде. Так, например, в соответствии с ГОСТ 9.602-2005 [1] и ГОСТ Р 51164-98 [2], а также с рядом других отечественных нормативных документов, посвященных защите подземных металлических сооружений

от коррозии, для оценки эффективности электрохимической защиты (ЭХЗ) в первую очередь требуется обеспечить поляризационные потенциалы или потенциалы с омической составляющей ПМС в определенных пределах. При этом ГОСТ 9.602-2005 [1] указывает (в справочном порядке) конкретный метод измерения потенциалов — метод модельного электрода с использованием прерывателя тока, в то время как, например, соответствующие европейские нормативные документы требуют прежде всего использовать различные модификации метода отключения. Ситуация в этом направлении еще более обостряется в связи с активным участием нашей страны в международном разделении труда, особенно после вступления в ВТО. Рассмотрению основных проблем, связанных с распространением на нашей территории европейских методов измерения в области катодной защиты, в частности при оценке эффективности ЭХЗ

подземных металлических коммуникаций, и посвящена данная статья.

Критерии эффективности электрохимической защиты при отсутствии опасного влияния постоянных и переменных блуждающих токов и методы их определения в соответствии с ГОСТ 9.602-2005

В соответствии с пунктом 7.1.1. ГОСТ 9.602— 2005 «...Катодную поляризацию сооружений (кроме трубопроводов, транспортирующих среды, нагретые свыше 20 °С) осуществляют таким образом, чтобы поляризационные потенциалы металла относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения находились между минимальным и максимальным (по абсолютному значению) значениями в соответствии с таблицей 9.

Измерение поляризационных потенциалов производят в соответствии с приложением Р»

Таблица 9 ГОСТ 9.602—2005 приводит поляризационные потенциалы для различных материалов (сталь, алюминий, свинец) и границы их использования. В данной статье в силу ограниченности ее объема рассматриваются только поляризационные потенциалы подземных стальных металлических сооружений, которые в соответствии с таблицей могут находиться в пределах от —0, 85 до —1,15 В по медно-суль-фатному электроду сравнения.

При этом законодатель указывает конкретный метод измерения поляризационного потенциала с использованием модельного электрода и прибора для измерения потенциала со встроенным прерывателем тока. Несомненным преимуществом данного метода является то, что измерения поляризационных потенциалов методом модельного электрода можно проводить при наличии постоянных блуждающих токов. В то же время эта методика имеет и ряд недостатков, снижающих точность измерения поляризационных потенциалов [3]. К ним следует, прежде всего, отнести следующие факторы:

1) влияние на результаты измерений возможного разброса поляризационных кривых модели и реального объекта. Практика показывает, что в отдельных случаях эта погрешность может составлять нескольких десятых вольта и растет с ростом удельного сопротивления грунта;

2) влияние размера модели. Известно, что при воздействии электрического тока с ростом площади дефекта (при прочих равных условиях) уменьшается его поляризация, что существенно снижает точность измерений на старых коммуникациях с дефектной изоляцией. В этом случае погрешность определения поляризационного потенциала, как известно из практических измерений, может достигать одного вольта и более;

3) влияние электрического поля ПМК. Определить эту погрешность достаточно сложно, так как она зависит от многих факторов и возрастает с ростом удельного сопротивления грунта и плотностью защитного тока. Максимально возможная ее величина оценивается в 70 мВ.

Таким образом, на данном этапе развития техники измерения потенциалов методом модельного электрода с использованием прерывателя тока можно утверждать о принципиальной невозможности повышения точности измерений, во всяком случае, невозможности корректного учета погрешности, обусловленной пунктами 1 и 3. При этом и сама точность определения поляризационного потенциала зависит от множества факторов и с трудом поддается оценке. Все это приводит к практической недоступности определения истинных потенциалов поляризации методом модельного электрода и, следовательно, невозможности корректной оценки эффективности электрохимической защиты от коррозии. В частности, вероятно, это обстоятельство предопределило развитие различных методов отключения для оценки эффективности ЭХЗ в европейских странах вообще и в ФРГ в частности, а также активное проникновение их в нашу практику на современном этапе. Остановимся на рассмотрении метода отключения и основных направлениях его совершенствования несколько подробнее.

Основные виды погрешностей при измерении поляризационных потенциалов методом отключения

Физическая сущность метода отключения заключается в том, что время релаксации при омической и электрохимической поляризациях различается на несколько порядков. Поэтому при отключении тока за время порядка 10-6 с устраняется омическая поляризация. В то

же время электрохимическая поляризация, которая ответственна за скорость перехода и подразделяется на два вида — активационную и концентрационную, — исчезает гораздо медленнее. Так, например, концентрационная поляризация, играющая основную роль в процессах почвенной коррозии, существенно уменьшается за время порядка более одной секунды. Следовательно, если провести измерения в течение одной секунды или менее, то можно определить электрохимическое перенапряжение. Более подробно с основными принципами метода отключения можно ознакомиться, например, в работе [3]. В то же время использование метода отключения связано с целым рядом осложнений (которые, как правило, можно преодолеть использованием специальной техники):

1) снижением точности измерений поляризационных потенциалов, связанным с отключением активационной поляризации. Величина данного вида погрешности обычно составляет не более 50 мВ [3] и в основном имеет значение при оценке поляризационных потенциалов на алюминиевых или свинцовых электродах. Как известно, коррозия стальных трубопроводов, как правило, происходит при диффузионном контроле по кислороду, что практически устраняет данный вид погрешности измерений. В случае необходимости повышения точности измерений, связанной с учетом активационной поляризации, можно использовать различные методы переключения. Таким образом, можно утверждать, что данный вид погрешности можно снизить до практически приемлемой величины;

2) снижением точности измерений поляризационных потенциалов, связанным с различной величиной катодной поляризации отдельных участков подземных металлических сооружений. Это явление может быть обусловлено, с одной стороны, неоднородностью удельного сопротивления грунта и различной величиной дефектов ПМК, с другой стороны, — значительной протяженностью защищаемых подземных коммуникаций и обусловленной этим неравномерностью их поляризации за счет возникающего в них градиента потенциала при прохождении защитного тока;

3) снижением точности измерения поляризационных потенциалов, связанным с наличием блуждающих токов;

4) снижением точности измерения поляризационных потенциалов при локальной защите подземных металлических сооружений.

Рассмотрим основные мероприятия по повышению точности измерения поляризационных потенциалов методом отключения в аспектах, прежде всего, перечисленных в пунктах 2, 3 и 4, в следующем разделе.

Основные мероприятия по повышению точности измерений поляризационных потенциалов

Обозначим напряжение, приложенное к трубопроводу, относительно бесконечно удаленной земли как иеЫ. Тогда, если рассматривать участок трубопровода с эквипотенциальной поверхностью (ограниченной протяженности), то можно считать, что для каждого дефекта справедлива формула

ие1п = ип + /А, (1)

где ип — потенциал свободный от омической составляющей (поляризационный потенциал) в месте дефекта; /п — поляризационный ток для отдельного дефекта при общей силе тока /{, Яп — сопротивление растекания (омическое сопротивление) отдельного дефекта.

Тогда ток, текущий через весь трубопровод, будет определяться следующей формулой:

/1 = X/п = X(иеп - ип)/Яп. (2)

п п

Соответственно после переключения тока с величины /х на величину /2 получим

/2 = х /п = х (Ц™ - и) яп, (3)

пп

т*

где 1п — поляризационный ток для отдельного дефекта при общей силе тока /2, Vит — потенциал переключения, определяемый для одного дефекта формулой

*

Цит Цет (/п /п) Яп (4)

В свою очередь, потенциал, свободный от омической составляющей Ц/Я, для одного дефекта в соответствии с определением потенциала отключения можно вычислить по следующей формуле

иаиа = и/Я = Цет — Яп /п (5)

Для гомогенного электрода потенциал, свободный от омической составляющей Ц/Я, определяют путем измерения /х, /2, иит, иеп. Очевид-

но, что в случае гетерогенного электрода мы измеряем те же величины, но они уже относятся ко всему гетерогенному электроду и, следовательно, не совпадают с конкретными значениями поляризации для отдельных дефектов. Это означает, что, определив, например, нижнюю границу защитного потенциала для всего ПМС величиной —0,85 В по медно-сульфатному электроду сравнения, мы не можем гарантировать, что все дефекты обладают защитным потенциалом.

В свою очередь, потенциал, свободный от омической составляющей, определяемый методом переключения [3], можно представить в следующем виде:

ит=(ад - иит /1>/(/2 - л). (8)

Подстановка в последнюю формулу значений 12 и 1Х из (2) и (3) после несложных преобразований позволит записать следующее уравнение:

= (ит =1 I/(Ья I. (9)

V П ) V П )

Следовательно, поляризационный потенциал гетерогенного электрода представляет собой некоторую среднюю величину, зависящую от поляризации и сопротивления растекания отдельных дефектов. Только в случае равенства всех Яп получается истинное значение поляризационного потенциала на всех дефектах, что с практической точки зрения совершенно невозможно. Совместное использование формулы (9) и модельных представлений для дефекта ПМК позволяет оценить величину поляризации как функцию удельного сопротивления грунта и размера дефекта. Кроме того, это выражение позволяет наметить основные направления по повышению точности измерений поляризационного потенциала методом отключения (переключения). Действительно, непосредственно после отключения защитного тока на дефектах ПМК остается некоторый поляризационный потенциал, который имеет разные значения для различных дефектов. В случае, если один из дефектов поляризован до более отрицательной величины, при отключении тока с него будет стекать положительный ток, создавая омическое падение напряжения и тем самым кажущееся снижения потенциала на наиболее защищенной части ПМС. Аналогичный эффект, но с обратным знаком, будет наблюдаться на части ПМС с наименее отрицательным значением защитно-

го потенциала, что будет приводить к кажущемуся росту защищенности в этой зоне. Соответствующие токи, протекающие в системе, принято называть выравнивающими. Учет их влияния на поляризационный потенциал в случае однородности электролитической среды можно осуществить, используя следующие соображения:

омическое падение потенциала состоит из горизонтальной и вертикальной составляющей;

в случае изменения поляризационного тока изменение горизонтальной составляющей А иг омического падения потенциала, которую легко измерить, будет пропорционально изменению вертикальной составляющей Аив , которая не поддается непосредственному определению.

Таким образом, в силу пропорциональности этих величин в случае наличия защитного тока можно записать для горизонтальной величины омического падения потенциала А иеп

АиеЫ ~ [АиеЫ-ир],

(10)

где АиеП — потенциал ПМС, измеренный при наличии защитного тока непосредственно над дефектом изоляции, а ир — поляризационный потенциал ПМС в месте дефекта.

Аналогично для потенциала ПМС иаш , измеренного в той же точке непосредственно после отключения защитного тока, и соответствующей величины горизонтального падения потенциала

Аиаш получаем

АиаШ ~ [АиаШ-ир ]. (11)

Из последних двух соотношений путем деления одного на другое имеем

Аиеп [иеш-ир ]

Аиаш [иаШ-ир ]'

(12)

Отсюда путем несложных преобразований получаем следующее выражение для поляризационного потенциала в месте дефекта:

Аи

ир = иаш —

р аш Аи„;„ -Аи„

-(еп — и аш ). (13)

Следовательно, наличие выравнивающих токов при использовании метода отключения и обусловленная ими ошибка измерения могут быть исключены путем применения специальной измерительной техники.

Ошибки измерений, вызванные наличием сторонних источников блуждающих токов, также могут быть исключены за счет использования специальных мероприятий. Действительно, если предположить однородность грунта при определении поляризационных потенциалов и отсутствие влияния блуждающих токов на формирование поляризационного потенциала в месте дефекта, то в этом случае необходимо провести, как минимум, два измерения градиентов потенциала, расположенных по пути движения блуждающего тока и вычислить их среднюю величину, что и приведет к разрешению проблемы.

Ситуация несколько осложняется при наличии влияния блуждающих токов на формирование поляризационного потенциала в месте дефекта изоляции. В этом случае рекомендуется проводить уже четыре измерения градиентов потенциала, например АUTl, AUr2, AUr3, AUr4, причем один из электродов устанавливается непосредственно над дефектом изоляции, и потенциал Uein также измеряется непосредственно над дефектом изоляции. В таком случае можно говорить о пропорциональности горизонтальной и вертикальной составляющей омического падения потенциала, что приводит к формуле, аналогичной формуле (13), с той лишь разницей, что здесь учитываются отельные величины градиентов потенциалов. Для большей наглядности без ограничения общности ограничимся двумя градиентами горизонтального потенциала — Аиг1, Аиг2 . Тогда, повторяя предыдущие рассуждения для поляризационного потенциала, получим следующее выражение, аналогичное формуле (13):

Up _ Uaus _

_ A U1aus + AU2aus „

(AU1ein +AU2ein

))A'U1aus + AU2aus,

X ((ein + Uaus ).

(14)

Следовательно, можно утверждать, что и при наличии блуждающих токов, поляризующих металл ПМС в местах дефектов изоляции, путем использования специальной техники измерения можно существенно повысить точность измерения поляризационных потенциалов.

В соответствии с отмеченным в пункте 2 существенную роль при измерениях поляризаци-

онного потенциала методом отключения играет удельное сопротивление грунта и величина (геометрические размеры) дефекта изоляции. Действительно, чем больше дефект или выше удельное сопротивление грунта, тем меньшая часть потенциала падает на поляризационное сопротивление дефекта изоляции и, соответственно, тем большая его часть падает на омическое сопротивление грунта и покрывных слоев металла. Влиять на сопротивление грунта можно в весьма узких пределах, а уменьшать его сопротивление в местах нахождения ПМС вообще опасно, так как это повышает его агрессивность и стимулирует коррозионные процессы. Единственным разумным вариантом в этом случае является работа по устранению дефектов изоляции, особенно наиболее крупных из них. Теория и практика катодной защиты от коррозии привели к разработке специальной техники измерений, которые были названы интенсивными измерениями, она позволяет, с одной стороны, установить расположение крупных дефектов изоляции для последующего их устранения, с другой стороны, — провести в местах дефектов корректное измерение поляризационных потенциалов. Принято различать три вида интенсивных измерений в зависимости от особенностей их проведения:

интенсивные измерения с участием группы, состоящей из четырех человек. В этом случае производится определение положения трубопровода при помощи специального прибора и измерение как градиента потенциала, так и потенциала включения-выключения по всей протяженности трасы, причем обычно через каждые 5 метров с последующим расчетом величины поляризационного потенциала,

интенсивные измерения с участием группы, состоящей из трех человек. Отличительная особенность данного метода по сравнению с предыдущим — то, что измерения градиента потенциала, осуществляются от бесконечно удаленной земли, что позволяет сократить количество измерений и соответственно уменьшить рабочую группу,

интенсивные измерения с участием группы, состоящей из двух человек. Отличительная особенность данного метода по сравнению с первым — то, что измерения градиента потенциала осуществляются в направлении трассы трубо-

провода, что и позволяет еще более сократить количество измерений и соответственно уменьшить рабочую группу.

Резюмируя сказанное, можно утверждать, что высокое качество проектных и монтажных работ при строительстве подземных металлических коммуникаций, соблюдение всех технологических предписаний и высокий уровень контроля над целостностью антикоррозионных покрытий на всех этапах строительства и эксплуатации ПМС в значительной степени являются гарантией их надлежащей катодной защиты.

При осуществлении локальной защиты от коррозии в связи с наличием остаточного гальванического тока и при отключении защитного тока метод отключения в силу большой ошибки,

обусловленной омическим падением напряжения, становится практически непригодным для измерений поляризационных потенциалов. В этом случае предпочтительнее различные модификации метода модельного электрода, впрочем, и они, как было выяснено ранее, приводят к значительным погрешностям при измерении поляризационных потенциалов.

Рассмотрены основные методы оценки эффективности катодной защиты от коррозии путем измерения поляризационных потенциалов.

Показано, что максимальная точность измерений поляризационных потенциалов при наличии катодной защиты ПМС достигается с использовании метода отключения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 9.602—2005. Единая система защиты от коррозии и старения; Сооружения подземные; Общие требования к защите от коррозии [Текст].— М.: Стан-дартинформ, 2006.

2. ГОСТ Р 51164—98. Трубопроводы стальные магистральные. Общие требования к защите от корро-

зии [Текст].— М.: Госстандарт России, 1998.

3. Киселев, В.Г. Современные тенденции развития техники измерения потенциалов подземных металлических сооружений [Текст] / В.Г Киселев // Научно-технические ведомости СПб ГПУ.— 2012. № 2(147), Т. 2.— 265 с.