Влияние переменных блуждающих токов на скорость коррозионных процессов

УДК621.31 1.22

В.Г. Киселев

ВЛИЯНИЕ ПЕРЕМЕННЫХ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ НА СКОРОСТЬ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

С развитием городов и повышением плотности застройки опережающими темпами растет количество подземных металлических сооружений (ПМС), расположенных в непосредственной близости от источников переменных блуждающих токов, например кабельных и воздушных линий передачи переменного тока промышленной частоты, заземляющих устройств различных токоприемников переменного тока, трансформаторных подстанций и так далее. Сохранение инвестиций, сокращение потерь из-за аварийного выхода из строя ПМС, расположенных в зоне влияния блуждающих токов, в значительной степени определяются уровнем антикоррозионной защиты. Предлагаемая статья рассматривает механизм воздействия переменных блуждающих токов на ПМС и основные направления совершенствования системы антикоррозионной защиты от их влияния.

Особенности коррозионного разрушения ПМС под воздействием переменных блуждающих токов

Под блуждающим током понимают ток, стекающий с токоведущих частей электрических устройств в окружающую среду и затем возвращающийся в это же устройство в другом месте. Различают постоянные и переменные блуждающие токи, которые могут попадать в ПМС и вызывать их коррозию. В данной статье остановимся в основном на рассмотрении переменных блуждающих токов, протекающих в грунте или водной среде, а это, какизвестно, — электролиты.

Связь между количеством прореагировавшего вещества в электрохимической системе и постоянным электрическим током определяется законом Фарадея. В соответствии с этим законом для растворения одного грамм-эквивалента металла требуется один Фарадей электричества. Закон Фарадея обычно записывают в следующей форме:

1 м , Дт =--я,

Г г

ность иона; I — ток, текущий через электрохимическую систему; / — время.

Для нас более информативны следующие формы записи закона Фарадея:

=

Дт = М Аг = гГ'

или

н> = -

где Ат — масса (потеря массы); /'—постоянная Фарадея; М — масса моля вещества; г — валент-

где V— потеря массы вещества, отнесенная к единице поверхности металла, за единицу времени; А — площадь поверхности металла; /А — плотность анодного тока; р5 — удельная плотность металла; и> — скорость коррозии металла, выраженная в единицах длины за единицу времени.

Расчеты с использованием этих формул, например для железа, показывают, что при плотности постоянного анодного тока, равной 1 А/м'1, скорость коррозии приблизительно составляет V = 9,1кг /м* год; и> = 1,12 мм/год, что соответствует 1,2дм"Угод.

По оценке Бэкмана с соавторами [1], этого может быть достаточно для образования 1000 сквозных повреждений на трубопроводе в течение года. Из практики известно, что в случае переменных блуждающих токов только часть положительной составляющей переменного тока расходуется на растворение металла, например для железа эта часть составляет приблизительно 1 % [2]. Казалось бы, что этот вид коррозии значительно менее опасен, чем коррозия, вызванная постоянными блуждающими токами. Однако это не совсем так. Дело в том, что переменные токи и напряжения в ПМС, какправило, значительно превосходят величины постоянных блуждающих токов. Кроме того, повышение качества современных диэлектрических покрытий и уменьшение количества дефектов на них способствуют значительному увеличению плотности переменного блуждающего тока на этих дефектах. Все это делает данный вид коррозии крайне опасным.

Остановимся на рассмотрении этого явления несколько подробнее.

Основные виды воздействия источников переменных блуждающих токов на трубопроводы и другие металлические сооружения

Принято различать следующие три вида воздействия источников переменных блуждающих токов, например высоковольтных линий электропередачи с напряжением 110 кВ и выше, на трубопроводные системы:

емкостное воздействие. Этот вид воздействия обычно возникает только при строительстве трубопроводов и при складировании их плетей в непосредственной близости от высоковольтных линий электропередачи на диэлектрические опоры. Емкостное воздействие, по сегодняшним представлениям, не оказывает значимого влияния на коррозионные процессы, но способно нанести существенный вред здоровью персонала, вплоть до летального исхода. Это может произойти при прикосновении работников к складированным заготовкам для прокладки трубопроводов в сухое время года;

омическое воздействие. Оно может возникать при касании или при близком приближении ктоковедущим частям (и последующем возникновении дугового разряда), прежде всего высоковольтных линий электропередачи переменного тока. Омическое воздействие характерно и при возникновении аварийных ситуаций на линиях электропередачи, когда блуждающий ток устремляется в грунт через защитное заземляющее устройство, а затем — через дефекты изоляции — в ПМС. Эти явления крайне опасны для персонала, работающего в этих зонах, но, несмотря на высокие величины токов короткого замыкания, в силу крайне малых промежутков времени их протекания (0,1 с и менее) не приводят к заметным коррозионным повреждениям подземных металлических сооружений;

индуктивное воздействие. Первоначально этот вид воздействия был связан исключительно с токами короткого замыкания высоковольтных линий электропередачи и способностью этих токов при протекании в районе расположения ПМС индуцировать в подземных металлических сооружениях токи и соответствующие им напряжения. Этот вид воздействия достаточно опасен для персонала, однако в силу крайне ма-

лого времени прохождения этих токов не оказывает заметного влияния на коррозионные процессы, протекающие на ПМС. Однако в последующем в связи с развитием техники даже нормальные производственные токи, протекающие в источниках блуждающих токов, стали способны индуцировать в ПМС опасные напряжения и соответствующие им токи. При этом, с одной стороны, в связи с высокими напряжениями на ПМС они опасны для персонала, а с другой стороны, в связи со значительными величинами этих токов и весьма продолжительным временем их протекания они существенно увеличивают скорость коррозионного процесса на ПМС. Развитию этой тенденции, т. е. появлению значительных токов и напряжений на трубопроводах, способствует все более тесная застройка городов и промышленных объектов, ведущая к формированию устойчивой тенденции сближения различных источников переменных блуждающих токов, с одной стороны, и ПМС — с другой. Не меньшую роль играют существенное повышение качества изоляции трубопроводных систем и, наконец, увеличение значений тока и напряжения при передаче электроэнергии, например посредством воздушных высоковольтных линий переменного тока.

В силу важности индукционного воздействия на ПМС остановимся на рассмотрении этого процесса несколько подробнее с акцентом именно на решении проблем коррозионного разрушения ПМС.

Индуктивное воздействие источников переменного блуждающего тока на ПМС

В соответствии с сегодняшней практикой расчет напряжения прикосновения для системы «трубопровод — земля» (¿7В) производят при следующих предположениях:

участок трубопровода расположен параллельно высоковольтной линии электропередачи;

за ноль (х= 0) принимается середина участка трубопровода, а координаты концов этого участка равны соответственно х = +1/2 и х = —1/2;

трубопровод не заканчивается в последней точке параллельного прохождения с линией электропередачи, а продолжается далее, что означает фактическое подключение к концам трубопровода волнового сопротивления

трубопровод имеет постоянное сопротивление изоляции на его поверхности;

удельное сопротивление грунта остается постоянным в рассматриваемой зоне. Тогда получаем

И е*

2М| „У1/2

Соответственно для тока, протекающего в трубопроводе, имеем

МИ

где — значение индуцированной в трубопроводе напряженности электрического поля (напряжение на единицу длины трубопровода); |у| —

коэффициент взаимодействия трубопровода с грунтом; у — комплексное значение коэффициента взаимодействия трубопровода с грунтом;

— значение волнового сопротивления трубопровода; / — протяженность участка трубопровода, расположенного параллельно высоковольтной линии электропередачи

Оценка напряженности (напряжения на единицу длины трубопровода) в случае параллельной прокладки трубопровода с идеальной изоляцией и высоковольтной линии электропередачи определяется следующей формулой:

Ек = 2п/М1кпм,

ков и напряжений в трубопроводе, расположенном в зоне влияния высоковольтной линии, которые индуцируются нагрузочным током различных фаз.

Основные методы защиты от коррозии переменными блуждающими токами и их краткая характеристика

Применение заземляющих устройств. Простейший анализ формулы (5) показывает, что наиболее простой способ снижения напряжения касания для системы «трубопровод — грунт», при заданной геометрии системы «высоковольтная линия — ПМС» — это увеличение коэффициента |у|, который в свою очередь является функцией удельного сопротивления изоляции трубопровода ги. В этом случае для одного и того же трубопровода с разной изоляцией (например, изоляция без дефектов (ги1) и изоляция после возникновения дефектов(гм2)) на основании теоретических выводов имеем

Ы-(¿1

\У2

где/— частота тока протекающего в высоковольтной линии электропередачи; М — взаимная индуктивность системы «линия высокого напряжения — трубопровод». Эта величина является функцией как расстояния между трубопроводом и линией электропередачи, так и удельного сопротивления грунта; г — фактор уменьшения напряженности, обусловленный, например, частичным возвращением тока короткого замыкания через заземленный провод линии электропередачи; 1К — ток короткого замыкания.

Аналогичной формулой описывается напряженность в трубопроводе, обусловленная обычными нагрузочными токами (Ев), конечно, с собственными значениями величин, находящихся в правой части формулы (7). Ев, как правило, значительно меньше Ек, так как обычные производственные токи существенно меньше токов короткого замыкания. И, кроме того, передаваемый ток обычно трехфазный, следовательно, наблюдается некоторая взаимная компенсация то-

где |у[| —коэффициент взаимодействия трубопровода с грунтом при удельном сопротивлении изоляции трубопровода^,; |у2| —коэффициент взаимодействия трубопровода с грунтом при удельном сопротивлении изоляции трубопровода ги2.

Очевидно, что применение заземляющих устройств можно рассматривать как некий суррогат дефектного покрытия. В этом случае в соответствии с формулами (5) и (8) напряжение на трубопроводе по отношению к грунту снижается, а значительная доля коррозионных процессов с дефектов покрытия переносится на заземления.

При установке заземляющих устройств обычно выполняют два правила:

с целью получения практически постоянного распределения потенциала вдоль трубопровода заземления устанавливают также равномерно по всей длине опасного сближения трубопровода и высоковольтной линии электропередачи;

заземления устанавливают так, чтобы при наличии катодной защиты существенно не ухудшить ее характеристики. Это обычно достигается использованием ограничивающих ячеек при

подключении заземляющего устройства или изготовлением его из оцинкованной стали.

Описание этого метода защиты от коррозии, вызываемой переменными блуждающими токами, отсутствует в ГОСТ 9.602 — 2005, хотя в европейской практике он весьма распространен.

Катодная поляризация. Этот метод давно и успешно применяется в отечественной технике защиты от коррозии, вызываемой переменными блуждающими токами. Однако, как показывает практика и целый ряд исследований [2—4], он даже при соответствии критериям эффективности, установленным ГОСТ 9.602 — 2005 [5], далеко не всегда обеспечивает надлежащую защиту от коррозии ПМС. Механизм этого явления до настоящего времени во многом дискуссионен, и в рамках этой работы на нем мы останавливаться не будем.

Компенсаторы переменного тока. Этот вид защиты предполагает автоматическую подстройку автономных генераторов переменного тока, подключенных к трубопроводу, под частоту и напряжение токов, индуцированных в П М С источниками переменных блуждающих токов. Принято различать генераторы, полностью компенсирующие напряжение в трубопроводе, и генераторы, компенсирующие лишь анодную составляющую этого напряжения. Метод этот достаточно дорог и применяется в зарубежной практике для защиты чрезвычайно ответственных объектов. ГОСТ 9.602—2005 не предусматривает его использования.

Рациональное проектирование. Под рациональным проектированием обычно понимают цикл мероприятий, осуществляемых на этапе изыскательских работ и собственно в процессе проектирования. В результате этих мероприятий мы должны получить проект ПМС с оптимальными характеристиками. Оптимизация должна учитывать как технические функции, для реализации которых собственно и создается объект, так и способность ПМС противостоять агрессивному воздействию окружающей среды. Критерием эффективности проектного решения, включающего и антикоррозионные мероприятия, очевидно должна служить стоимость строительства и эксплуатации объекта, рассчитанная на весь срок его службы.

Использование рассмотренных методов требует применения критериев необходимости и критериев эффективности защиты от корро-

зии переменными блуждающими токами. Остановимся на их рассмотрении несколько подробнее.

Критерии опасности коррозии

под воздействием переменных блуждающих токов и выбор методов защиты в соответствии с ними

Необходимость использования защитных мероприятий от воздействия переменных блуждающих токов на ПМС, как существующих, так и проектируемых, определяется в соответствии с п. 4.8 ГОСТ 9.602 - 2005 [5]. В нем указано, что «Опасное влияние переменного тока промышленной частоты на стальные сооружения характеризуется либо смещением среднего потенциала сооружения в отрицательную сторону не менее чем на 10 мВ по отношению к стационарному потенциалу, либо наличием переменного тока плотностью более 1мА/см^ (ЮА/м'1) на вспомогательном электроде.

Метод определения опасного влияния переменного тока приведен в приложении Ж».

Законодатель, не определяя конкретный вид коррозионной опасности, постулирует следующие виды защиты от коррозии ПМС (раздел 5, пункт 5.1): «При определении метода защиты от коррозии сооружений предусматривают: выбор защитных покрытий; выбор вида электрохимической защиты; ограничение блуждающих токов на их источниках».

В то же время применение электрохимической защиты в соответствии с ГОСТ 9.602—2005 при наличии блуждающих токов обязательно. В пункте 5.4 читаем: «Стальные подземные трубопроводы, резервуары (в том числе траншейного типа), конструкции НУП и НРП, расположенные ... в зонах опасного действия блуждающих ... переменных токов, защищают методом катодной поляризации...».

Это положение разъясняется пунктом 5.13: «Катодная поляризация осуществляется с применением средств электрохимической защиты: катодных установок, поляризованных и усиленных дренажей, гальванических анодов (протекторов).

Катодные установки и гальванические аноды применяют... при защите от коррозии переменными токами промышленной частоты...».

В то же время для стальных трубопроводов, прокладываемых непосредственно в земле в пре-

делах территорий городов, населенных пунктов и промышленных предприятий пассивная защита является обязательной. И, в соответствии с ГОСТ 9.602 — 2005, наличие переменных блуждающих токов не оказывает никакого влияния ни на конструкцию защитных покрытий, ни на требования, предъявляемые к ним как в процессе их нанесения, так и при их последующей эксплуатации.

Что же касается такого метода защиты от коррозии, как ограничение блуждающих токов на их источниках, то он представлен в разделе 8, который называется «Требования ограничения токов утечки на источниках блуждающих токов». При этом следует подчеркнуть, что только подраздел 8.2 «Электрифицированный рельсовый транспорт переменного тока промышленной частоты» касается источников переменных блуждающих токов, да и то, как это следует из названия этого подраздела, только одного типа этих источников. Единственный пункт этого подраздела, а именно пункт 8.2.1, гласит: «На линиях рельсового транспорта, электрифицированных по системе переменного тока, специальные меры по ограничению утечки тяговых токов на рельсовых путях и устройствах электроснабжения в части защиты от электрокоррозии не предусматривают». Прочтение этого пункта со всей очевидностью показывает фактическое отсутствие в рамках предписаний ГОСТ 9.602-2005 такого метода защиты, как ограничение переменных токов утечки на источниках блуждающих токов.

В то же время, несмотря на отсутствие этих методов, законодатель в подразделе 8.5 «Контроль за выполнением мероприятий по ограничению токов утечки электрифицированного рельсового транспорта» вводит пункт 8.5.4. В соответствии с этим пунктом: «Сведения об изменении режимов работ сооружений, являющихся источниками блуждающих токов и способных привести к увеличению опасности коррозии подземных сооружений, находящихся в зоне действия блуждающих токов этих источников, сообщают в организации, осуществляющие координацию и контроль противокоррозионной защиты подземных сооружений, не позднее, чем за один месяц до перехода на новый режим работы».

Таким образом, наблюдается достаточно интересная ситуация, когда сведения сообщать надо (но только в отношении электрифициро-

ванного рельсового транспорта и только в случаях, когда изменения режимов работы способны привести к увеличению опасности коррозии), а осуществлять мероприятия по сокращению переменных блуждающих токов не требуется.

Требование к антикоррозионной защите при наличии опасности коррозии от переменных блуждающих токов и оценка эффективности антикоррозионных мероприятий в соответствии с ГОСТ 9.602-2005

Как уже отмечено, наличие блуждающих токов никоим образом не сказывается ни на требованиях ГОСТ 9.602—2005 к пассивной защите, ни на требованиях к источникам переменных блуждающих токов. В отношении же электрохимической защиты требований достаточно много и они весьма разнообразны. Остановимся на них несколько подробнее.

Общие требования к электрохимической защите для ПМС представлены в разделе 7 ГОСТ 9.602—2005, а требования к электрохимической защите при наличии опасного влияния переменных блуждающих токов — в подразделе 7.3 «Требования к электрохимической защите при наличии опасного влияния переменных токов».

В соответствии с данным подразделом (пункт 7.3) «Защиту стальных подземных трубопроводов от коррозии, вызываемой блуждающими токами от электрифицированного транспорта, а также переменными токами, индуцированными от высоковольтных линий электропередачи, обеспечивают в опасных зонах независимо от коррозионной агрессивности грунтов методом катодной поляризации. Катодную поляризацию проводят таким образом, чтобы средние значения поляризационных потенциалов были в пределах от минус 0,90 до минус 1,15В...». Продолжение данного пункта касается потенциалов отдельных типов ПМС, а также потенциалов ПМС с конкретными видами изоляционных покрытий на них. Без ограничения общности мы не будем останавливаться на их анализе.

Кроме того, законодатель при рассмотрении требований к конкретным видам катодной защиты (протекторная защита) также учитывает фактор наличия постоянных блуждающих токов. Так, в соответствии с п. 7.7.1 «Защиту гальваническими анодами (протекторами) применяют в грунтах с удельным сопротивлением не

более 50 Омм:... для защиты от вредного влияния переменного тока».

Этот пункт — весьма спорный, так как находится в некотором противоречии с рядом нормативных документов, например с DIN 57150/VDE 01550 (пункт4.4.2.5), в котором утверждается неприменимость гальванических анодов для защиты от коррозии, вызываемой постоянными блуждающими токами от рельсового транспорта.

В статье проведен краткий анализ и классификация методов защиты от коррозии, вызываемой переменными блуждающими токами на П М С, расположенных в грунте. Кроме того, критически рассмотрены критерии эффективности антикоррозионных мероприятий при защите от переменных блуждающих токов, которые приведены в ГОСТ 9.602-2005. Произведена классификация

и рассмотрение методов защиты от коррозии постоянными блуждающими токами. На основании этого можно сделать следующие выводы:

ГОСТ 9.602—2005 использует только часть из существующего арсенала методов защиты от коррозии переменными блуждающими токами;

выполнение критериев эффективности защиты от коррозии переменными блуждающими токами, рассмотренными в ГОСТ 9.602-2005, в реальности не гарантирует эффективность защиты;

ГОСТ 9.602—2005 не стимулирует повышение технико-экономической эффективности собственно антикоррозионных мероприятий, в том числе и мероприятий по защите от коррозии переменными блуждающими токами, что подтверждается отсутствием в нем соответствующего пункта, который существовал в более ранних изданиях данного нормативного документа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Baeckmann, W. Messtechnik beim kathodischen Korrosionsschutz [Tckct] / W. von Baeckmann und 7,— Expert Verlag, Germani.— 1992,— S. 9.

2. Bette, U. Taschenbuch fur den kathodischen Korrosionsschutz |Tckct| / U. Bette, W. Vesper.— Essen: Vulkan-Verl"., 2005,- S. 188.

3. Buchler, M. Die Auswirkung des kathodischen Schutzniveaus [Tckct] / M. Buchler, C.-H. Voute, H.-G. Schoneich // 3R lnternazional.— 2008. N° 6,—

S. 344-349.

4. Bette, U. Ergebnisse von Eaboruntersuchungen zur Wechselstromkorrosion [Текст] / U. Bette, C. Dornemann // 3R lnternazional.— 2008,— N° 11. S. 641— 645.

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

УДК 681.518

Т.У. Еникеев, В.Н. Ефанов

КООРДИНИРУЮЩЕЕ УПРАВЛЕНИЕ РАБОТОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК В СОСТАВЕ ЛОКАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Проблема широкого использования локальных энергетических систем (ЛЭС) приобрела в последнее время особую актуальность в силу объективных причин, главная из которых — рост рисков нарушения бесперебойности и достаточности энергообеспечения в связи с объявленной реформой энергетики и техническим состояни-

ем ее основных фондов. На фоне начавшегося экономического роста потребители электроэнергии вполне естественно озаботились задачей минимизации этих рисков из соображений сохранения устойчивости производства. Их волнует будущее изменение тарифов, а также надежность и устойчивость электроснабжения.