Расчёт протекторной защиты трубопроводов и металлических сооружений
Протекторная защита — один из методов электрохимической защиты металлических сооружений от коррозии, основанный на подключении к защищаемой конструкции более электроотрицательного металла — протектора.
В отличие от катодной защиты с внешним источником тока, протекторная система не требует станции катодной защиты и подключения к электросети. Защитный ток возникает за счёт разности электрохимических потенциалов между протектором и защищаемой металлической конструкцией.
ООО «Газэнергоимпорт» выполняет инженерные расчёты систем протекторной защиты трубопроводов, резервуаров, подземных металлических конструкций и других сооружений с определением требуемого защитного тока, количества протекторов, их размещения и расчётного срока службы.
Принцип действия протекторной защиты
При электрическом соединении защищаемого сооружения с металлом, имеющим более отрицательный электрохимический потенциал, протектор становится анодом, а защищаемая конструкция — катодом.
Протектор постепенно растворяется в процессе эксплуатации, обеспечивая защитный ток и снижая скорость коррозии основного металла.
В качестве материала протекторов применяются преимущественно:
- магниевые сплавы;
- цинковые сплавы;
- алюминиевые сплавы.
Выбор материала зависит от условий эксплуатации, электропроводности среды, требуемого защитного тока и типа защищаемого объекта.
Исходные данные для расчёта
Для проектирования протекторной защиты необходимо определить характеристики защищаемого сооружения и окружающей среды.
Основными исходными данными являются:
Геометрические характеристики:
- длина трубопровода;
- наружный диаметр;
- площадь защищаемой поверхности;
- размеры резервуара или другой конструкции.
Характеристики изоляционного покрытия:
- тип покрытия;
- состояние изоляции;
- срок эксплуатации;
- предполагаемая доля дефектов покрытия;
- электрическое сопротивление изоляции.
Характеристики грунта или электролита:
- удельное электрическое сопротивление;
- влажность;
- химический состав;
- температура;
- условия размещения протекторов.
Дополнительно учитываются наличие соседних металлических сооружений, блуждающих токов и других систем электрохимической защиты.
Определение площади защищаемой поверхности
Для трубопровода площадь наружной поверхности определяется:
S = π × D × L
где:
S — площадь поверхности трубопровода, м²;
D — наружный диаметр трубопровода, м;
L — длина трубопровода, м.
Например, для трубопровода диаметром 530 мм и длиной 10 км:
S = 3,14 × 0,53 × 10 000 = 16 640 м²
Однако для изолированного трубопровода защитный ток не рассчитывается так, как если бы вся эта площадь представляла собой оголённую сталь. Необходимо учитывать состояние изоляционного покрытия.
Расчёт требуемого защитного тока
В упрощённом виде для предварительной оценки может использоваться зависимость:
I = S × f × j
где:
I — требуемый защитный ток, А;
S — наружная поверхность сооружения, м²;
f — расчётная доля поверхности, электрически контактирующей с электролитом вследствие дефектов покрытия;
j — расчётная плотность защитного тока, А/м².
Например, при:
S = 16 640 м²
f = 0,01
j = 0,020 А/м²
получаем:
I = 16 640 × 0,01 × 0,020 = 3,33 А
При проектировании дополнительно предусматривается необходимый расчётный резерв.
При этом значения f и j нельзя автоматически принимать одинаковыми для всех объектов. Они выбираются на основании типа покрытия, его фактического состояния, условий эксплуатации, характеристик среды и применяемых нормативных требований.
Выбор типа протектора
Следующий этап — определение материала и конструкции протектора.
Магниевые протекторы
Магниевые протекторы обладают высоким рабочим потенциалом и часто применяются для защиты подземных трубопроводов и других сооружений в грунтах.
Они особенно эффективны, когда требуется достаточно большая движущая разность потенциалов.
Цинковые протекторы
Цинковые протекторы широко применяются в морской воде, грунтах с подходящими характеристиками и для различных металлических сооружений.
Алюминиевые протекторы
Алюминиевые сплавы широко используются для морских и подводных объектов благодаря хорошему сочетанию электрохимической ёмкости и массы.
Выбор нельзя выполнять только по цене протектора. Необходимо учитывать условия среды, потенциал протектора, допустимую токовую нагрузку и требуемый срок эксплуатации.
Расчёт сопротивления растеканию протектора
Ток, который способен обеспечить один протектор, существенно зависит от сопротивления цепи «протектор — электролит — сооружение».
При расчёте учитываются:
- размеры протектора;
- форма протектора;
- глубина установки;
- удельное сопротивление грунта;
- характеристики активатора;
- взаимное влияние протекторов при групповой установке.
Чем выше удельное сопротивление грунта, тем сложнее получить необходимый защитный ток от одного протектора.
Поэтому простое увеличение массы протектора не всегда решает задачу. Иногда требуется увеличение количества протекторов, изменение их расположения или применение другой системы электрохимической защиты.
Определение тока одного протектора
Расчётный ток протектора определяется исходя из располагаемой разности потенциалов и сопротивления цепи.
В общем виде:
Iₚ = ΔE / R
где:
Iₚ — ток протектора, А;
ΔE — эффективная разность потенциалов между протектором и защищаемым сооружением, В;
R — сопротивление цепи, Ом.
После определения возможной токоотдачи одного протектора рассчитывается их необходимое количество.
Расчёт количества протекторов
Предварительно количество протекторов по току можно определить:
N = I / Iₚ
где:
N — количество протекторов;
I — требуемый защитный ток сооружения;
Iₚ — расчётная токоотдача одного протектора.
Однако этого расчёта недостаточно.
Количество протекторов обязательно проверяется также по необходимому сроку службы.
Расчёт срока службы протекторов
Протектор в процессе эксплуатации постепенно расходуется. Поэтому система должна обеспечивать защиту не только в момент ввода в эксплуатацию, но и в течение установленного проектного периода.
Для оценки срока службы учитываются:
- масса протектора;
- электрохимическая ёмкость сплава;
- коэффициент использования;
- средний ток протектора.
В общем виде срок службы можно оценить:
T = (M × C × η) / (Iₚ × 8760)
где:
T — срок службы, лет;
M — масса активного материала протектора, кг;
C — практическая электрохимическая ёмкость, А·ч/кг;
η — коэффициент использования протектора;
Iₚ — средний ток, А;
8760 — количество часов в году.
По результатам проверки количество и масса протекторов корректируются.
Размещение протекторов
Даже правильно рассчитанное общее количество протекторов не гарантирует эффективную защиту, если они неправильно расположены.
При проектировании определяется:
- расстояние от протектора до сооружения;
- глубина установки;
- расстояние между протекторами;
- распределение протекторов по длине трубопровода;
- расположение групп протекторов;
- места подключения кабелей;
- расположение контрольно-измерительных пунктов.
Задача заключается в обеспечении требуемого и максимально равномерного защитного потенциала по всей конструкции.
Проверка эффективности протекторной защиты
После монтажа выполняются контрольные электрохимические измерения.
Определяются:
- потенциал сооружения относительно электрода сравнения;
- защитный ток;
- ток отдельных протекторов или групп;
- распределение потенциала;
- влияние соседних металлических сооружений;
- наличие посторонних постоянных и переменных токов.
При необходимости выполняется корректировка схемы подключения или количества протекторов.
Когда применяется протекторная защита
Протекторная защита может применяться для:
- подземных трубопроводов;
- технологических трубопроводов;
- водоводов;
- резервуаров;
- днищ резервуаров;
- подземных ёмкостей;
- металлических конструкций;
- морских трубопроводов;
- портовых сооружений;
- свай;
- корпусов и подводных металлических конструкций.
Особенно удобен этот метод на объектах, где отсутствует надёжное электроснабжение либо применение станции катодной защиты экономически нецелесообразно.
Результаты расчёта протекторной защиты
По результатам инженерного расчёта определяются:
требуемый защитный ток → тип протектора → ток одного протектора → количество протекторов → масса протекторного материала → схема размещения → срок службы системы.
На основании расчётов разрабатываются схема протекторной защиты, расположение протекторов и точек подключения, кабельные соединения и система контроля эффективности электрохимической защиты.