Способ совместной катодной защиты от электрохимической коррозии стальных подземных трубопроводов и футляров на участке пересечения с электрифицированной железной дорогой
METHOD OF COMBINED CATHODIC PROTECTION AGAINST ELECTROCHEMICAL CORROSION OF STEEL UNDERGROUND PIPELINES AND CASES AT SECTION OF CROSSING WITH ELECTRIFIED RAILWAY

Изобретение относится к области электрохимической защиты от коррозии наружной поверхности подземных стальных сооружений, проложенных ниже уровня поверхности земли или в обваловании, выполненных из углеродистых и низколегированных сталей, трубопроводов, транспортирующих природный газ (газопроводы магистральные и распределительные), нефть, нефтепродукты, и отводов от них.
Известные в данной области технические решения, касающиеся способа защиты стальных подземных сооружений от электрохимической коррозии и методы контроля за эффективностью применяемой защиты воплощены в Межгосударственном стандарте ГОСТ 9.602-2016 «Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные» (разработан ГУП Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова, ГУП ВНИИ железнодорожного транспорта, ФГУП «ВНИИстандарт» (далее ГОСТ 9.602-2016), который введен в действие приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 07.10.16 г. №1327-ст. В настоящее время применение этих нормативных документов носит обязательный характер при проектировании, строительстве, реконструкции, ремонте, эксплуатации подземных сооружений в связи с отнесением защищаемых объектов к опасным производственным объектам.
При проектировании, строительстве, эксплуатации и реконструкции подземных сооружений предусматривают мероприятия по определению источников блуждающих токов, оценке их опасности. Организации, эксплуатирующие сооружения и оборудование, которые являются источниками блуждающих токов, должны обеспечить ограничение их опасного влияния. При эксплуатации сооружений должны быть обеспечены систематический контроль эффективности противокоррозионной защиты и опасности коррозии, а также регистрация и анализ причин коррозионных повреждений.
Видами коррозионного воздействия на наружную поверхность подземных стальных сооружений являются: атмосферная коррозия, коррозия в почвенно-грунтовых водах и грунтах, биокоррозия, коррозия, вызванная блуждающими токами (переменными и постоянными), коррозия, вызванная индуцированным переменным током.
Настоящее изобретение рассматривает защиту от электрохимической коррозии, вызванной коррозией в почвенно-грунтовых водах и грунтах, биокоррозией, коррозией, вызванной переменными блуждающими токами, источником которых в городах служит электрифицированный транспорт, переменные токи промышленной частоты
Воздействие каждого или их сочетание сокращает срок службы подземного сооружения и может привести к преждевременной перекладке морально не устаревших трубопроводов и кабелей. Проектный срок эксплуатации подземного газопровода в условиях применения противокоррозионной защиты 40 лет, на практике этот срок значительно короче.
Известен способ защиты подземного сооружения путем применения изоляционного покрытия подземного трубопровода и путем катодной поляризации.
Применяемые конструкции изоляционного покрытия и требования к ним определены в соответствующих отраслевых нормативных документах для каждого вида подземного сооружения (газопровод, нефтепровод, водопровод, теплопровод). В качестве основных материалов для формирования защитных покрытий используются: полиэтилен, полиэтиленовые липкие ленты, термоусаживающиеся полиэтиленовые ленты, битумные и битумно-полимерные мастики, наплавляемые битумно-полимерные материалы, рулонные мастично-ленточные материалы, композиции на основе хлорсульфированного полиэтилена, полиэфирных смол и полиуретанов. Вновь разрабатываемые материалы для защитных покрытий и их конструкции вводятся в практику строительства и ремонта трубопроводов в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, согласованной с головной организацией по защите от коррозии подземных металлических сооружений разработчиком ГОСТ 9.602-2016.
Изоляционное покрытие трубопровода применяется независимо от коррозионной агрессивности грунта, где располагается металлическое сооружение и необходимости применения катодной защиты. Применение определенного вида изоляционного покрытия для соответствующего сооружения способствует выполнению функций эффективной электрохимической защиты, а при не соблюдении требований к выбору конструкции изоляционного покрытия - как метод защиты от коррозии не эффективен.
Аналогичный по назначению и имеющий сходные приемы и операции с заявляемым способом - это способ катодной поляризации с применением внешнего источника постоянного тока и с применением протекторов.
Техническая сущность известного способа электрохимической защиты стальных подземных сооружений от электрохимической коррозии характеризуется следующими признаками сходными с существенными признаками заявляемого способа:
- эффективность катодной поляризации (зона защиты) определяется величиной наведенного отрицательного защитного потенциала по величине суммарного и поляризационного потенциала;
- применение катодных преобразователей (ЭЗУ) с подключением через контактное устройство на сооружение и анодное заземление или протекторных групп обеспечивается зона защиты;
Детально технические характеристики катодной поляризации следующие:
В качестве электрозащитной установки применяется катодный преобразователь (далее ЭЗУ), являющийся внешним источником постоянного тока и служит для наведения электрохимического потенциала. Отрицательный полюс ЭЗУ посредством дренажного кабеля, через контактное устройство на трубопроводе соединяется с защищаемым трубопроводом, положительный полюс ЭЗУ посредством дренажного кабеля подключается к анодному заземлению. Катодную поляризацию сооружений осуществляют таким образом, чтобы защитные потенциалы металла относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения находились между минимальным и максимальным (по абсолютному значению) значениями в соответствии с таблицей 1.
В качестве анодного заземления обычно применяют заземлители имеющие достаточную стойкость к электролитическому растворению, например, заземлители из углеграфита, железокремния, чугуна. Анодное заземление предназначено для обеспечения сооружения катодным током. Расположение и конфигурация анодного заземления существенно влияют на распределение разности потенциалов «труба-земля» вдоль трубопровода, а следовательно, и на параметры электрозащитной установки: напряжение и силу тока. Нормативным документам (СП 42-102-2004 «Проектирование и строительство газопроводов из металлических труб») рекомендовано размещать анодное заземление как можно дальше от защищаемого сооружения. Причиной удаления анодного заземления является стремление получить возможно большую длину защитной зоны. Для обеспечения эффективности катодной защиты рекомендовано выбирать участки для размещения анодного заземления, на которых между защищаемыми трубопроводами и анодным заземлением отсутствуют прокладки других подземных металлических сооружений, однако в условиях сложной системы городских коммуникаций и сгущенности зданий, анодное заземление располагают по возможностям ситуационного плана.
В качестве протектора используются три металла: цинк, алюминий и магний. Наиболее часто магниевый протектор используют для защиты труб, выполненных из стали или с ее примесью, поскольку большая разность в потенциалах стали и магния делает установку достаточно эффективной. Магниевые протекторы, как правило, применяют для защиты нефтяных и газовых трубопроводов, расположенных в грунте с высоким удельным сопротивлением, а так же на местности, где оперативно обнаружить и устранить неполадку непросто. Протекторы устанавливаются в грунт согласно типовых чертежей в стороне от защищаемого сооружения, либо непосредственно под защищаемое сооружение. Подключение к защищаемому сооружению осуществляется кабелем через контактное устройство с применением блока регулируемых сопротивлений.
При определении методов защиты от коррозии сооружений предусматривают:
- оценку условий строительства и эксплуатации сооружения;
- оценку критериев опасности коррозии сооружения;
- выбор защитных покрытий, соответствующих условиям эксплуатации сооружения;
- оценку необходимости и выбор решений по электрохимической защите (катодной поляризации) сооружений;
- оценку необходимости и выбор дополнительных методов защиты от коррозии.
Существующая система катодной защиты от электрохимической коррозии стальных подземных трубопроводов и футляров, включая участки пересечения с электрифицированной железной дорогой, предусматривает катодный преобразователь, анодное заземление, дренажные и соединительные кабели. Использование этих элементов в системе защиты имеет ряд недостатков:
1. Электропитание катодного преобразователя (ЭЗУ) осуществляется от источника переменного тока напряжением 220 В, поэтому ЭЗУ располагают как можно ближе к источнику переменного тока. Определение зон защиты от катодного преобразователя определяется как правило по суммарному потенциалу, который включает в себя и омическую составляющую, поэтому зона защиты получается довольно большая и участки пересечения трубопровода с железной дорогой довольно часто не обладают достаточным по величине защитным потенциалом, который обеспечивает защиту от коррозионной опасности от блуждающих токов электрифицированной железной дороги, т.к. величина блуждающих токов не постоянна и зависит от состояния железной дороги и от нагрузки подвижного состава (частот движения).
2. Точка дренирования ЭЗУ на трубопроводе находится довольно далеко от мест пересечения подземного трубопровода-футляра и железной дороги, поэтому автоматическая регулировка не позволяет автоматически регулировать величину защитного потенциала. По причине аварийных ситуаций на ЛЭП электропитание ЭЗУ довольно часто прерывается, в связи с чем не обеспечивается непрерывная по времени катодная поляризация подземного трубопровода, подлежащего защите.
3. Регулировка ЭЗУ по выходным параметрам относительно величины блуждающих токов в некоторых случаях дает повышенный потенциал, что влияет на состояние изоляционного покрытия трубопровода (отслаивание изоляции), что в конечном итоге влияет на снижение эффективности защиты.
4. Постоянная работа ЭЗУ проблематична, т.к. объект не охраняемый, имеет свободный доступ, обычно устанавливается у столба ЛЭП или у стены дома и часто подвергается взлому посторонними лицами.
5. Системы защиты «трубопровод-футляр» предусматривает наличие регулируемой электроперемычки, а с учетом того что, применяемые регулировочные сопротивления имеют небольшую величину сопротивления и стальные футляры обычно не имеют изоляции на внутренней стенке, что характеризуется относительно малой величиной переходного сопротивления «труба-земля» - это понижает эффективность катодной защиты стального трубопровода.
6. Коррозионные повреждения на участках пересечения подземного стального трубопровода и футляра с электрифицированной железной дорогой при не эффективной катодной защите приводит к утечкам газа, образованию газо-воздушной и пожаро-взрывоопасной смеси, что является причиной техногенных аварий, связанных с экономическими потерями и человеческими жертвами.
Подобные аварии были в 1988 году в Горьковской области (ныне Нижегородская область) в близи станции Арзамас 1 при подходе подвижного состава, перевозившего взрыво-опасный груз при утечке газа произошел взрыв, при котором погибло 91 человек, пострадало 744 человек, в 1989 году в Иглинском районе Башкирской АССР на перегоне Аша-Улу-Теляк из-за утечки и взрыва газа произошла техногенная авария двух встречных поездов, что привело к гибели 575 человек, ранено более 600 человек.
В основу изобретения положена задача создать способ катодной защиты от электрохимической коррозии стальных подземных трубопроводов и стальных футляров на участке пересечения с электрифицированной железной дорогой, обеспечивающий достижение технического результата, заключающегося в обеспечение непрерывной по времени катодной защиты участков трубопровода расположенных свыше 500 метров от точки дренирования ЭЗУ. Применение способа обеспечит предотвращение техногенных аварий на железной дороге по которой перевозят опасные и особо опасные грузы, военные грузы.
Технический результат достигается следующим путем. Способ совместной катодной защиты от электрохимической коррозии стальных подземных трубопроводов и футляров на участке пересечения с электрифицированной железной дорогой характеризуется тем, что на участке пересечения стального подземного трубопровода и футляра с железной дорогой, расположенных в зоне защиты от катодного преобразователя на расстоянии свыше 500 метров от точки дренирования катодного преобразователя, устанавливают две протекторные группы, расположенные вправо и влево от полотна железной дороги, подключенные дренажным кабелем через блок регулируемых сопротивлений, установленных в отдельных контактных устройствах, с медно-сульфатными электродами сравнения на трубопроводе и футляре, и осуществляют непрерывную во времени катодную поляризацию стального подземного трубопровода и стального подземного футляра на участке  пересечения с железной дорогой за счет наведения величины защитного суммарного и поляризационного потенциала, требуемого для защиты трубопровода и футляра.
Совместное применение катодного преобразователя и системы протекторных групп для катодной поляризации газопровода и футляра на участке пересечения с железной дорогой является гарантией эффективности катодной поляризации.
Способ включает в себя установку протекторных групп (6), блока совместной защиты (8), отдельных контактных устройств на футляре (5) и трубопроводе (4). Эта система защиты работает совместно с системой катодной защиты от ЭЗУ. Способ охватывает зону защиты (10) непосредственно участка трубопровода (1) и футляра (2) в месте пересечения с железной дорогой (3) примерно 300 м, в том числе по 150 м вправо и влево от полотна железной дороги.
Протекторные группы установить в количестве 2 штук по одной с каждой стороны от железной дороги. Марку и количество протекторов в группе определять по типовому расчету согласно проекту, в расчете учитывать удельное сопротивления грунта, диаметр трубопровода, диаметр футляра, длину защищаемого участка сооружения и футляра (т.е. площадь защищаемого сооружения). Установка протекторных групп относительно трубопровода и футляра осуществляется согласно строительных норм. Протекторные группы (6) дренажными кабелями (9) подключить через блок регулируемых сопротивлений (8) на отдельные КУ (4, 5) на трубопровод (1) и футляр (2) с медно-сульфатным электродом сравнения (7). Применением блока сопротивлений обеспечит регулировку необходимой величины защитного потенциала на трубопроводе и футляре. Контактный устройства (4, 5) установить за пределами кювета (11) железной дороги с целью сохранности устройств от скопления в грунте воды и других веществ от эксплуатации железной дороги влияющих на агрессивность грунта.
Способ катодной защиты от электрохимической коррозии стальных подземных трубопроводов и футляров на участке пересечения с электрифицированной железной дорогой иллюстрируется и представлен на фигуре 1 «План расположения элементов катодной защиты от электрохимической коррозии стальных подземных трубопровода и футляра на участке пересечения с электрифицированной железной дорогой» и на фигуре 2 «Схема подключения элементов катодной защиты от электрохимической коррозии стальных подземных трубопровода и футляра на участке пересечения с электрифицированной железной дорогой».