Основные принципы проектирования протекторной защиты подземных металлических сооружений

жет быть получено, если аккумулированное тепло использовать в течение большего промежутка времени, чем длительность пиковых нагрузок (например, в течение 15 часов вместо двух раз по 4 часа).

5. Полученные результаты не отрицают возможности эффективного использования элект-ротеплоаккумулирования в принципе, а только указывают на неэффективность этого в рассмотренной схеме.

УДК621.31 1.22

В. Г. Киселёв

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОТЕКТОРНОЙ ЗАЩИТЫ ПОДЗЕМНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ

Постановка проблемы

При разработке и внедрении в производство изделий, оборудования, конструкций и сооружений различного типа существенную роль играет их коррозионная стойкость. Коррозия относится главный образом к экономическим проблемам, так как связана с возможными потерями основных и оборотных фондов, а также предпринимательской прибыли. В последнее время для защиты от коррозии подземных металлических сооружений все чаще используются методы электрохимической защиты, в частности протекторная защита. Однако оценка экономической эффективности при проектировании протекторной защиты сопряжена с определенными трудностями. Попытке их преодоления и посвящена данная статья.

Протекторная защита от коррозии.

Основные понятия

Протекторная защита в случае подземных металлических сооружений используется в основном для защиты от почвенной коррозии. В этом случае защитный потенциал для подземных металлических сооружений (ПМС), изготовленных из низколегированной углеродистой стали, устанавливают, как правило, в пределах от —0,85 до —1,15 В по медно-сульфатному электроду сравнения. Для электрохимической защиты от коррозии в общем не важно, как получают защитный ток — с использованием выпрямителя или гальванического анода, важно чтобы была достигнута необходимая защитная плот-

ность тока на ПМС. Получение защитного тока с использованием протекторов имеет ряд особенностей, которые связаны с материалом и формой протектора, свойствами электролитической среды, в которой находятся защищаемое сооружение и гальванический анод, и видом ПМС (размеры, наличие защитного покрытия и его свойства, площадь контакта с грунтом и т. д.). Все эти факторы должны быть учтены при проектировании протекторной защиты. Остановимся на них несколько подробнее.

Основные принципы проектирования протекторной защиты

Процесс проектирования протекторной защиты несколько различается в зависимости от вида коррозионной среды и особенностей защищаемого объекта, что, в частности, и подтверждается наличием специальных нормативных документов для разных ПМС и видов коррозионных сред. Для большей наглядности остановимся на рассмотрении протекторной защиты, регламентированной «Инструкцией по защите городских подземных трубопроводов от коррозии РД 153-39.4-091 - 01» [1]. Однако, прежде чем приступить собственно к проектированию гальванической защиты, рассмотрим кратко основные характеристики гальванических анодов и принцип их действия. Генерирование тока при протекторной защите обусловлено разностью стационарных потенциалов, которые имеют защищаемое сооружение и протектор в грунте. Чем она больше, тем больше защитный ток, протека-

ющий в системе, который может быть определен по следующей формуле:

]а- Ез~Ес ^

К5+КС+КК +К5Р+КСР

где Е^ Е0 — стационарные потенциалы соответственно защищаемого сооружения и гальванического анода; ЛЛ, Як — омические сопротивления соответственно защищаемого сооружения, гальванического анода и соединительных проводов (кабеля); К0Р — поляризационные сопротивления защищаемого сооружения и гальванического анода.

Отсюда видно, что повышение защитного тока достигается увеличением разницы стационарных потенциалов защищаемого сооружения и гальванического анода и снижением всех видов сопротивлений в цепи «гальванический анод — грунт — защищаемое сооружение — соединительные провода — гальванический анод». Однако нам нужно не просто повышение защитного тока, а повышение защитного тока при условии смещения потенциала ПМС от значения стационарного потенциала до значения потенциала под катодным током, которое находится в пределах от —0,85 до—1,15 В по медно-сульфат-ному электроду сравнения (мы рассматриваем случай ПМС, изготовленной из низколегированной стали). Следовательно, максимальная защищенность ПМС достигается как снижением всех видов сопротивлений за исключением поляризационного сопротивления ПМС,такиповышением величины что может быть достигнуто, например, качественной изоляцией защищаемого сооружения. Таковы основные предпосылки для создания эффективной гальванической защиты. Становится понятным часто встречающееся при использовании гальванической защиты требование по ограничению максимального значения удельного сопротивле-

ния грунта. Действительно, с его ростом резко возрастают значения сопротивления растекания ПМС и, что особенно важно, сопротивления растекания гальванического анода, которое, как правило, значительно превосходит все другие виды сопротивлений в цепи протекторной защиты. Вместе с тем при создании гальванической защиты большую роль играет и вещество, из которого изготавливаются гальванические аноды, их форма, способы соединения и т. д. Остановимся на характеристике гальванических анодов несколько подробнее.

Гальванические аноды

В принципе, для создания катодной защиты может быть использовано любое вещество, стационарный потенциал которого отрицательней стационарного потенциала ПМС. Однако на практике для протекторной защиты в естественных коррозионных средах применяют почти исключительно сплавы на основе магния и алюминия или чистый цинк. Протекторы, которые изготовлены из сплавов на основе магния, имеют, как правило, минимальный стационарный потенциал. Их используют в основном для защиты от почвенной коррозии. Алюминиевые и цинковые гальванические аноды, обладающие несколько более высоким стационарным потенциалом по сравнению со стационарным потенциалом магниевых анодов, применяют в основном для защиты от морской коррозии.

Приведем основные характеристики анодных материалов (см. табл.) [2].

Одна из важнейших характеристик протекторов — практическое токосодержание 0рг, отвечающее реальному количеству электричества, которое способен выработать один килограмм данного протектора в электрохимической системе. Наряду с ним используют и величину 0 (теоретическое токосодержание), отвечающую мак-

Основные характеристики анодных материалов

Тип анода Средний стационарный потенциал анода в грунте по медпо-сульфатпому электроду сравнения, В а. а, а = а,а А-час/кг

М8 1,55 0,99 052 0,51 1100

А1 1,15 0,98 0,87 0,85 2500

2п 1,05 1,0 0,97 0,97 800

симально возможному значению количества электричества, которое может быть получено из одного килограмма чистого протекторного вещества в электрохимической системе. Эта величина определяется формулой, следующей из закона Фарадея:

т А

где I — защитный ток, получаемый от протектора; / — время работы протектора; г — валентность металла, из которого изготовлен протектор; Г— постоянная Фарадея; А — атомная масса вещества протектора, выраженная в граммах.

Практическая величина токосодержания (2 отличается от теоретической величины токосодержания (Умножителем а. Таким образом,

0Рг=—0-

В свою очередь, как следует из таблицы,

где

а

а, =

аа

100(2

а

косодержания протекторного вещества в результате легирования; х,- — процентное содержание /-го легирующего компонента протекторного сплава; — теоретическая величина токосодержания всех компонентов протекторного сплава, включающая и токосодержание основного компонента сплава 0.

В отечественной технической документации,

а

а теоретической величиной токосодержания считают величину токосодержания протекторного сплава. Это тем более справедливо, что погрешности, возникающие при таком подходе (в соответствии с таблицей), крайне незначительны, особенно в отношении протекторов на основе цинка и магния. В дальнейшем мы будем придерживаться именно такой позиции.

В то же время изменением токосодержания протекторного вещества в связи с наличием ко-а

а

ственной технической документации аналогом этой величины служит коэффициент полезного действия анода, который обозначают обусловлено прежде всего собственной коррозией

протектора, т. е. протеканием на его поверхности катодных процессов, которые естественно снижают величину защитного тока. Значительную роль (особенно для магниевых сплавов) играет и растворение металлов с пониженной валентностью, которая потом принимает «нормальные» значения в результате химического взаимодействия с компонентами раствора.

На величину токосодержания, наряду с приведенными факторами, оказывает влияние и степень равномерности коррозии протекторного сплава. Действительно, любой протекторный сплав крепится на металлическом, чаще всего железном, держателе. Поэтому стечением времени при наличии неравномерного износа протектора между протекторным сплавом и металлом держателя возникает интенсивный коррозионный ток, обусловленный возникновением коррозионного элемента, который значительно снижает величину защитного тока протектора. По аналогии с предыдущими факторами снижения величины токосодержания по отношению к теоретической величине назовем соответствующую величину коэффициентом использования

а

технической документации аналогом этой величины служит коэффициент использования материала анода, который обозначают -ци и обычно считают равным 0,9). Рост этой величины обычно достигается соответствующим легированием протекторного сплава с целью получения равномерной тонкодисперсной структуры, а также оптимальным сочетанием как формы протектора и держателя, так и методов их крепления. Значительную роль в этом процессе играет и использование специальных активаторов, в которые помещают протектор при погружении его в коррозионную среду. Наряду с уменьшением сопротивления растекания протектора их действие способствует и более равномерному его износу. После ознакомления с основными свойствами протектора целесообразно рассмотреть основные этапы проектирования гальванической защиты.

Основные этапы проектирования гальванической защиты

Первым этапом проектирования любой электрохимической защиты является определение необходимой величины защитного тока,/,. Оценить значение этой величины можно либо экс-

периментально (при наличии уже построенного ПМС) либо теоретически (при проектировании нового подземного металлического сооружения) с использованием соответствующих нормативных документов. При этом очевидно, что затраты на гальваническую защиту будут снижаться с уменьшением величины защитного тока. Снижения этой величины добиваются прежде всего качественной изоляцией ПМС и устранением контактов ПМС с другими металлическими сооружениями, соприкасающимися с грунтом. Протекторная защита характеризуется малыми (по сравнению с защитой наложенным током) защитными токами и напряжениями, поэтому ее целесообразно использовать для защиты от коррозии небольших по размеру подземных металлических сооружений, расположенных в грунте с низким удельным сопротивлением.

Вторым этапом проектирования является оценка величины защитного тока одного протектора ,/д. На практике вместо теоретической формулы (1) в этом случае для магниевых протекторов часто пользуются следующим выражением:

4 = 0,6/Я

где величина 0,6 характеризует движущее напряжение, т. е. напряжение между защищаемым сооружением с поляризационным потенциалом —0,85 В и поляризационным потенциалом гальванического анода, которые измерены относительно медно-сульфатного электрода сравнения. Для цинкового анода эта величина обычно составляет 0,2 В, а для алюминиевого — 0,3 В. Под обозначением У? понимают омическое сопротивление в цепи протекторной защиты, которое, в свою очередь, определяется следующей формулой:

+

Анализ последних двух формул показывает, что величина движущего напряжения для данных ПМС, данной коррозионной среды и данного типа протектора практически постоянна. Поэтому повышение величины защитного тока, получаемой от применения одного протектора /А, может быть достигнуто только путем сокращения величины общего омического сопротивления У? в защитной цепи. Проанализируем возможные способы этого сокращения. Относительно просто выбрать омическое сопро-

тивление соединительных проводов (кабеля). Обычно на практике оно определяется условием « по которому определить сечение кабеля не представляет никакого труда. Омическое сопротивление защищаемого сооружения в данной коррозионной среде определяется почти исключительно сопротивлением изоляции ПМС. Поэтому при использовании гальванической защиты стремятся к повышению качества диэлектрического изоляционного покрытия с целью сокращения защитного тока. В реальности в силу практически всегда наблюдающегося значительного превосходства геометрических размеров ПМС над геометрическими размерами протектора, как правило, Ду<< Я0. Следовательно, мы можем переписать формулу (5) в виде

/А*0,6/Яс.

Сокращение омического сопротивления гальванического анода может быть достигнуто как выбором участка для заложения протектора с минимальным значением удельного электрического сопротивления грунта, так и выбором оптимальной формы протектора. Не последнюю роль играет и использование активатора. В то же время установлено, что сопротивление растекания протектора относительно мало зависит от большинства приведенных факторов и в основном определяется следующей эмпирической формулой:

Яс= 0,5р [Ом-м],

где р — удельное сопротивление грунта (размерность Ом-м).

В случае, когда все указанные мероприятия не позволяют обеспечить требующийся защитный ток, необходимо использовать несколько протекторов. При использовании п одиночных протекторов очевидно, что защитный ток, получаемый от них, увеличивается в п раз. Однако на практике с целью сокращения объема земляных работ используют «групповое» размещение протекторов, при котором наблюдается некоторый рост омического сопротивления растекания по сравнению с одиночным заложением протекторов, что учитывается коэффициентом экранирования При обычных методах закладки гальванических анодов его величина мало отличается от 0,85. Количество протекторов, установленных

групповым способом я , в таком случае можно определить по формуле

яф = /Уп 4-

Таким образом, используя некоторые оптимизирующие процедуры, нам удалось получить необходимое для защиты ПМС количество гальванических анодов. При этом важно отметить, что при достаточно близком расположении протекторов к защищаемой поверхности существует некоторая опасность «перезащиты» этой части поверхности и, соответственно, «недозащиты» наиболее удаленной ее части. Проблема эта легко разрешается при помощи ряда эмпирических формул, имеющихся в отечественной технической документации. Подробнее на этом вопросе мы останавливаться не будем. Проектирование протекторной защиты предполагает и определение срока ее службы по формуле

т=т лпЛи/Лр^бо,

где Т — срок службы протектора (годы); т — масса протектора; g — теоретическая токоотда-ча материала протектора; /ср — среднее значение силы тока в цепи «протектор — ПМС» за весь период эксплуатации протектора Т.

В случае, если проектировщик при расчете по формуле (10) получает значение Гменьше необходимого, то, как правило, у него есть две возможности для исправления ситуации:

увеличение массы приметаемых протекторов при сохранении их количества;

увеличение количества приметаемых протекторов при сохранении массы каждого из применяемых протекторов.

Конкретный выбор варианта при технической возможности использования как первого, так и второго способа производится сравнением годовых приведенных затрат за весь период эксплуатации протекторной защиты.

Определение экономической эффективности протекторной защиты

Оценка экономической эффективности антикоррозионных мероприятий сопряжена с целым рядом методологических трудностей. Действительно, наиболее часто используемый метод годовых приведенных затрат молчаливо предполагает, что степень защищенности ПМС при любом виде приметаемых антикоррозионных мероприятий остается практически постоянной. В действительно-

сти это конечно не так. Следовательно, учет изменения скорости коррозионного процесса на ПМС при использовании различных методов антикоррозионной защиты требует развития соответствующих модельных представлений и соответствующих прогнозов коррозионного состояния ПМС, что резко снижает точность расчетов экономической эффективности антикоррозионной защиты.

Счастливым исключением из этого общего правила является сравнительная оценка технико-экономической эффективности протекторной защиты и катодной защиты наложенным током. В этом случае эффективность антикоррозионных мероприятий определяется одним и тем же параметром — достижением защитного потенциала, равного —0,85 В по медно-суль-фатному электроду сравнения, и, следовательно, может не учитываться при сравнении обоих методов защиты. В этом случае можно ограничиться рассмотрением приведенных затрат по вариантам электрохимической защиты, осуществленной для одного и того же подземного металлического сооружения. Практически это означает сравнение следующих величин:

Згк=Кк/Г+Эк

Згп = Кп/Г+Эп,

где Згк — годовые приведенные затраты катодной защиты наложенным током; Кк — капитальные затраты на катодную защиту наложенным током; Т— расчетный срок службы ПМС с электрохимической защитой; Эк — усредненные годовые эксплуатационные расходы на катодную защиту наложенным током за весь период ее эксплуатации (Г, лет); Згп — годовые приведенные затраты протекторной защиты; Кп — капитальные затраты на протекторную защиту; Эп — усредненные годовые эксплуатационные расходы на протекторную защиту за весь период ее эксплуатации (Г, лет);

В случае, если Згк > Згп, выгоднее применять протекторную защиту, и наоборот. Практическое использование электрохимической защиты показывает, что, как правило, с ростом защитной плотности тока все более выгодным становится применение катодной защиты наложенным током и, следовательно, все менее выгодно применение протекторной защиты.

Предложена ускоренная методика расчета протекторной защиты подземных металлических сооружений с использованием практических формул, выработанных в процессе развития методов электрохимической защиты, которая позволяет:

оценить влияние отдельных параметров протекторной защиты на ее стоимость и таким об-

разом выбрать оптимальный вариант протекторной защиты;

выбрать вариант электрохимической защиты с минимальной стоимостью путем сравнения годовых приведенных затрат протекторной защиты и годовых приведенных затрат катодной защиты наложенным током.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. РД 153-39.4-091-01. Инструкция по защите 2. Baeckmann, W. Handblich des katodischen Korro-городских подземных трубопроводов от коррозии sionsschutzes |Текст| / W. Baeckmann, W. Schwenk.— |Текст|,— СПб.: Изд-во ДЕАН, 2002. Verlag Chemie.- 1980,- S. 159-182.

УДК621.31 1

A.B. Севастьянова, C.B. Смоловик

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ВЫЯВЛЕНИЯ ВОЗМОЖНОСТИ КАСКАДНОГО РАЗВИТИЯ АВАРИЙНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ И МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ЭТОГО

В связи с ростом нагрузок происходит интенсивное развитие энергосистем, ежегодно вводится новое оборудование, растет взаимное влияние элементов электроэнергетических систем друг на друга. Одновременно с этим растет опасность возникновения каскадных аварий. Особенно это актуально для энергосистем крупных городов, где развитие электрических сетей происходит наиболее интенсивно.

В предлагаемой статье предложен алгоритм выявления слабых звеньев системы, произведена оценка вероятности возникновения каскадных аварий и предложены мероприятия по их устранению.

Для предотвращения каскадных аварий было предложено резервировать питание подстанций с помощью традиционных воздушных линий (ВЛ) переменного тока либо высокотемпературных сверхпроводящих кабельных линий (ВТСП КЛ) постоянного тока в распределительной сети 110 кВ.

Было произведено сравнение этих вариантов, имевшее целью определить перспективы применения ВТСП КЛ постоянного тока в распределительных сетях 110 кВ крупных городов.

В качестве объекта исследования была выбрана математическая модель ОЭС Северо-Запада с учетом ее перспективной схемы развития на 2014 год. Рассматривался режим зимнего максимума нагрузок в схеме города Санкт-Петербурга и Ленинградской области.

Как известно, под надежностью распределительной сети понимают ее способность поддерживать бесперебойное питание узлов нагрузки. В нашей работе подробно рассматривался такой аспект надежности распределительной сети, как свойство системы не допускать каскадного развития аварии с нарушением питания потребителей.

Для выявления слабых мест в распределительной сети Санкт-Петербурга был разработан алгоритм определения тех линий электропередачи, относящихся к городской распределительной сети напряжения 110 кВ, отключение которых приводит к развитию каскадной аварии или отключению узлов нагрузки. Упрощенная блок-схема этого алгоритма представлена на рис. 1.

В первую очередь выбирались линии, аварийное отключение которых необходимо моделировать. На первом этапе исследования это были все