СПОСОБ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ РАБОЧЕГО КОЛЕСА С ЛОПАСТЯМИ ТУРБИНЫ ГИДРОАГРЕГАТА ОТ КОРРОЗИОННЫХ И КАВИТАЦИОННЫХ РАЗРУШЕНИЙ
METHOD OF CATHODE PROTECTION OF IMPELLER WITH BLADES OF TURBINE OF HYDRAULIC UNIT FROM CORROSION AND CAVITATION DESTRUCTION

Изобретение относится к области электрохимии, в частности, к технологии катодной защиты стальных конструкций рабочего колеса с лопастями турбины гидроагрегата от коррозионных и кавитационных разрушений.
На гидроэлектростанциях (ГЭС) объем металлических конструкций значителен и требует большого внимания по текущему их содержанию для гарантированной безотказной работы турбины и основная доля - это антикоррозионная защита не только от кавитационной эрозии, но и электрохимической коррозии. Наиболее часто встречающимися капитальными работами на ГЭС являются мероприятия по ликвидации кавитационной эрозии на элементах проточной части (лопасти, поверхности камер рабочих колес, направляющий аппарат). Основные кавитационные разрушения рабочего колеса происходят на тыльных поверхностях лопастей. Поэтому вопросам практичности технологий по антикоррозионной защите необходимо придавать особое значение.
На большинстве ГЭС наиболее применяемым и простым способом, является защита металлических конструкций от коррозионных и кавитационных разрушений путем нанесения на лопасти антикавитационных покрытий из специальной стали. Этот способ не гарантирует эффективную защиту металлических конструкций от кавитационной эрозии и электрохимической коррозии.
Возникающие физические повреждения защитного слоя антикавитационной стали вследствие высокого давления воды, содержащей мелкие частицы песка, приводят к появлению в слое антикавитационной стали сквозных трещины, в которых образуются микропары. Такие микропары характеризуются разностью величин естественных стационарных потенциалов различных видов сталей, а именно материала стальных лопастей и антикавитационной стали покрытия. Кроме того, коррозионную ситуацию усугубляет скорость движения водного потока, в котором расположены лопасти. Увеличение скорости движения водного потока приводит к усилению подачи кислорода к корродирующему металлу, а следовательно, повышает скорость коррозии. В результате электрохимического и электромагнитного процессов происходит образование микроскопических газовых пузырьков кислорода и водорода. Увлекаемые потоком воды пузырьки схлопываются с большой скоростью, при этом высвобождается огромная энергия, которая разрушает стенку пузырька, т.е. молекулы воды. В результате разрушения молекулы воды происходит образование молекул водорода и кислорода, гидроокислов и других веществ. Атомарный кислород является основным окислителем, что способствует бурной ионообменной реакции с металлом, из которого изготовлены лопасти турбины.
В России на Саяно-Шушенской ГЭС в августе 2009 г. произошла индустриальная техногенная катастрофа, расследование причин аварии проводила комиссия Федеральной Службы по экологического, технологическому и атомному надзору. В акте комиссии (стр. 17) зафиксировано, что при капитальном ремонте рабочего колеса обнаружены кавитационные разрушения тыльной стороны лопастей в районе входной кромки глубиной до 12 мм и трещины в верхней части выходной кромки лопасти №1 длиной 130 мм, лопасти №7 - 100 мм. Трещины лопастей - зачищены, заварены электродами ЭА-395, зашлифованы по профилю. Такой метод локализации коррозионных трещин с электрохимической точки зрения является опасным для сооружения.
Когда применяют метод зачистки и заварки трещин и каверн на поверхности металла, как это было сделано при капитальном ремонте на Саяно-Шушенской ГЭС, возникает разнородность металла. На поверхности разнородного металла появляется разница в величинах естественных стационарных электрохимических потенциалов. На таких участках поверхности металла величина естественного стационарного электрохимического потенциала, как правило, сдвигается в область более положительных значений относительно первичного естественного потенциала, так как в сварных швах присутствуют углеводородные примеси и при этом образуются коррозионные макропары, что является фактором развития коррозионного процесса.
2
3
Влияние движения воды на скорость коррозии сводится, с одной стороны, к увеличению толщины слоя, в котором перенос кислорода осуществляется путем турбулентной диффузии, и соответственному уменьшению толщины слоя, в котором перенос кислорода осуществляется путем молекулярной диффузии. При отсутствии движения воды толщина диффузионного пограничного слоя составляет 300-500 мкм. Движение воды приводит к его уменьшению до 10 мкм и менее. С другой стороны, движение воды влияет на толщину слоя продуктов коррозии, остающегося на металле, что также влияет на условия доставки кислорода к металлу. Кислород в процессе коррозии выполняет двоякую функцию. С одной стороны, он является активным деполяризатором и ускоряет процесс коррозии, с другой стороны, - участвует в окислении Fe(ОН), способствует образованию защитной пленки Fe(ОН) на аноде, т.е. замедлению коррозии. Величина электродного потенциала, возникающего на поверхности металла, контактирующего с водой, зависит от концентрации кислорода. Та часть поверхности, к которой приток кислорода больше, становится более пассивной, потенциал ее выше, а значит, она будет работать как катод. Участок с более слабой аэрацией станет анодным. На поверхности металла в результате различия степени аэрации возникают электрохимические пары, или пары дифференциальной аэрации. Разница в электродных потенциалах таких пар может составлять всего несколько милливольт, однако коррозия, вызываемая ими, не меньше, а даже больше, чем от обычных электрохимических пар.
Исключение процессов электрохимической коррозии в микро- и макропарах осуществляется посредством применения электрохимической защиты. В некоторых случаях, на небольших участках используют способ протекторной защиты путем нанесения на поверхность сооружения металла, у которого естественный электрохимический потенциал более отрицательный (алюминий, цинк) относительно естественного электрохимического потенциала стали. Протекторная защита носит локальный характер, так как протекторный металл быстрее растворяется в электролите по сравнению с металлом защищаемого сооружения, а наведенный защитный потенциал имеет небольшую величину и недостаточен для локализации электрохимической коррозии при кавитационных процессах.
Известен способ катодной защиты от коррозии механического оборудования и металлических конструкций гидросооружений, эксплуатируемых в пресной и морской воде и в грунте, который описан в ведомственном документе № ВСН 39-84 «Катодная защита от коррозии оборудования и металлических конструкций гидротехнических сооружений», разработанном ВНИИГом им. Б.Е. Веденеева Минэнерго СССР, утверждены протоколом Главниипроекта Минэнерго СССР №44 от 26 сентября 1984 г. Данный ведомственный документ рассматривает катодную защиту плоских затворов любого назначения, сороудерживающих решеток, сегментных затворов, ворот шлюзов, металлических диафрагм и экранов грунтовых плотин, стенок из металлического шпунта и других металлоконструкций гидросооружений, поверхность которых может быть аппроксимирована плоскостью. Технологии защиты конструктивных элементов рабочего колеса и лопастей турбины от электрохимической коррозии и кавитационной эрозии в данном регламенте не описаны, также не рассматриваются вопросы совместной защиты смежных конструктивных элементов и мероприятий по исключению возможного вредного влияния катодной защиты защищаемых перечисленных выше элементов механического оборудования и металлических конструкций гидросооружения на смежные незащищенные конструктивные элементы рабочего колеса и лопасти турбины.
Наиболее близко к известному способу защиты были проведены эксперименты на Волжской ГЭС им. В.И. Ленина, по устройству катодной защиты в проточной части турбины в комбинации с протекторным покрытием цинковой краской. При ремонте одной из турбин было установлено, что за три года кавитация «съела» на лопастях 243 кг специальной антикавитационной стали. Используя медный пояс и подключив ток низкого напряжения, превратили турбину в своеобразный гальванический элемент, в результате чего ионообменная реакция шла между водой и медным поясом, не разрушая лопасти турбины. При следующем ремонте через три года выяснилось, что процесс кавитации уменьшился в 40 раз, разрушение металла составило 7,3 кг. Данный способ позволил сократить скорость коррозии, но не обеспечил исключение вероятности ее возникновения. По ряду организационных и технических трудностей, внедрение защиты по этому способу было прекращено (публикация В.И. Брызгалов, Л.А. Гордон. «Гидроэлектростанции», Красноярск, 2002 г.).
Недостатком способа, примененного на Волжской ГЭС им. В.И. Ленина, является следующее. До конечного результата не были доведены исследования по оптимальному размещению анодов по отношению к защищаемому сооружению, имело место коррозионное разрушение отдельных элементов в проточной части турбины и пазовых конструкций сороудерживающих решеток. Это свидетельствует о том, что отсутствовали мероприятия по исключению возможного вредного влияния катодной защиты на смежные конструктивные элементы. Не был разработан рабочий проект по установке элементов катодной защиты (катодный преобразователь, контактное устройство, анодные электроды), отсутствовал расчет относительно выходных параметров катодного преобразователя, сопротивление растеканию анодов, не определена величина эффективного защитного потенциала защищаемого сооружения.
2
Наиболее близким аналогом предложенного способа является способ защиты элементов конструкций гидроагрегатов, например лопастей гребных винтов и колес камер гидротурбин, от коррозионно-кавитационных разрушений (патент SU 164181 А, опубл. 29.10.1965 г.), включающий катодную поляризацию от внешнего источника постоянного тока - катодную защиту и протекторную защиту. При этом в камере турбины располагают несколько анодов, соединенных с положительным зажимом катодной установки, представленной в виде двух селеновых выпрямителей, а с отрицательным зажимом соединен корпус турбины, причем катодную поляризацию осуществляют наложением тока плотностью 0,1 А/м, а на валу устанавливают щетку, замыкающую электрическую цепь между корпусом турбины и валом.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе нет описания из какого материала выполнены аноды, их размещение внутри камеры, где очень большое давление, большие физические нагрузки на протекторную защиту, а именно на цинковую краску, отсутствие определения эффективности катодной защиты относительно величины суммарного электропотенциала, так как плотность тока не является показателем эффективности защиты в соответствии с действующими техническими регламентами в области защиты от коррозии, где эффективность определяют по суммарному, либо поляризационному электропотенциалу. Не предусмотрено снятие вредного влияния от катодной поляризации на смежные стальные сооружения и стальные узлы гидроагрегата, так как в действующих нормативно-технических актах выполнение требования по снятию вредного влияния является обязательным для исключения разрушения этих элементов.
В основу изобретения положена задача создания способа катодной защиты, лишенного вышеизложенных недостатков, и в котором обеспечивается эффективная защита от коррозионных и кавитационных разрушений рабочего колеса с лопастями турбины гидроагрегата и осуществляется контроль за эффективностью катодной защиты.
2
Указанный технический результат достигается тем, что в известный способ защиты элементов конструкций гидроагрегатов, например лопастей гребных винтов и колес камер гидротурбин, от коррозионно-кавитационных разрушений, заключающемся в применении протекторной защиты путем нанесения цинковой краски, и катодной защиты путем наложения тока плотностью 0,1 А/м с применением внешнего источника постоянного тока и анодов, расположенных в камере турбины, вводятся существенные отличительные признаки, а именно нанесение стального покрытия из антикавитационной стали на защищаемые элементы турбины и их катодную защиту при величине суммарного защитного потенциала в пределах от (-1,5 В) до (-2,5 В) относительно медно-сульфатного электрода сравнения посредством электрохимической системы, состоящей из внешнего источника постоянного тока и углеграфитовых анодных электродов, размещенных и закрепленных в бетонном колодце в воде на расстоянии 400-500 м от турбины гидроагрегата в береговой зоне, или размещенных в подвесной конструкции на столбах в воде на расстоянии 400-500 м от турбины гидроагрегата в береговой зоне, или размещенных в воде с использованием подвесной конструкции, закрепленной на стене здания, в котором расположен гидроагрегат, на расстоянии 25-30 м от сливного узла гидроагрегата, при этом осуществляют одновременное снятие вредного влияния от катодной поляризации на смежные конструктивные элементы гидроагрегата и смежные сооружения.
Величина защитного суммарного потенциала на лопастях рабочего колеса турбины обусловлена не только высокой коррозионностью водного электролита, но и кавитационными процессами. Электрохимический суммарный защитный потенциал для действующих сооружений определять согласно действующего Межгосударственного стандарта «Единая система защиты от коррозии и старения» ГОСТ 9.602-2005. Для вновь проектируемых, модернизируемых и требующих капитального ремонта защитный потенциал определять по величине поляризационного потенциала.
Межгосударственный стандарт «Единая система защиты от коррозии и старения» ГОСТ 9.602-2005 определяет эффективность катодной защиты по величине защитного потенциала таким образом, чтобы поляризационные потенциалы металла относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения находились между минимальным и максимальным значениями в соответствии с таблицей.
Контроль защищенности по величине поляризационного потенциала более точен, чем по величине суммарного потенциала. Рабочим проектом защиты должно быть определено, по какому параметру будет осуществляться определение эффективности защиты сооружения, в связи с этим также следует выбрать различные виды контрольно-измерительных пунктов, применяемых соответственно для измерения величины поляризационного либо суммарного потенциалов.
Метод катодной защиты предусматривает смещение потенциала металла с помощью внешнего источника тока для значений, соответствующих защитным потенциалам, т.е. таким, при которых скорость растворения не превышает некоторой заданной величины.
При катодной поляризации на катод поступают свободные электроны, которые выходят на поверхность металла и, соединяясь с водой, происходит электролитическая диссоциация воды:
В воде, не содержащей кислород, коррозия протекает следующим образом: ион-атомы железа переходят в раствор, в результате чего на аноде происходит потеря металла, а его поверхность приобретает отрицательный заряд. Электроды от анода движутся к аноду. В воде носителями тока являются водородные ионы Н+ и гидроокисные ионы ОН-, появляющиеся в результате диссоциации воды. Ионы железа, которые перешли в раствор, соединяются с гидроокисными анионами, образуя плохо растворимый гидрат закиси железа. Водородные катионы соединяются с электронами, и на катоде выделяется атомарный водород.
Он образует на поверхности металла защитный слой, уменьшающий скорость коррозии стали (водородная деполяризация). В некоторых случаях атомарный водород соединяется в молекулы газа. Пузырьки водорода растут и отрываются от электрода, как только достигнут такой величины, чтобы преодолеть поверхностное натяжение. В этом случае эффект защитного слоя исчезает.
Это приводит к двум факторам:
1. При катодной поляризации па поверхности металла образуется отрицательный катодный потенциал, который отталкивает отрицательно заряженные ионы гидрата (ОН) от поверхности металла, тем самым затормаживается скорость коррозионного процесса.
2. При кавитации образуется атомарный кислород, который способствует коррозии лопастей.
Водород, образовавшийся при диэлектрической диссоциации воды, вступает в реакцию с атомарным кислородом, который образовался в результате кавитации около поверхности лопастей турбины. Когда сталь соприкасается с водой, содержащей кислород, коррозионный процесс происходит следующим образом:
Водород, образовавшийся при диэлектрической диссоциации воды, вследствие катодной поляризации связывает кислород, содержащийся в воде.
Содержащийся в воде кислород связывает водород, образующий защитный слой на поверхности железа (кислородная деполяризация), а двухвалентное железо подвергается окислению в трехвалентное.
Катодную поляризацию защищаемого металлического конструктивного узла осуществляют так, чтобы она не влияла на смежные конструктивные элементы, которые не имеют общей электрической цепи с защищаемыми лопатками рабочего колеса, но которые имеют электролитическую связь, так как могут находиться в общем электролите с защищаемым сооружением, например подводящие стальные водоводы, стальные узлы гидроагрегата или железобетонные конструкции плотины. Если при осуществлении катодной поляризации возникает вредное влияние на соседние конструкции, необходимо принять меры по устранению вредного влияния. При этом следует учитывать, что вредным влиянием катодной поляризации на соседние конструкции считается уменьшение по абсолютной величине минимального или увеличение по абсолютной величине максимального защитного потенциала на соседних металлических конструкциях, имеющих электрохимическую защиту. Так для железобетонных конструкций от коррозии применяется Межгосударственный
10
стандарт ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии», для стальных водоводов - Межгосударственный стандарт «Единая система защиты от коррозии и старения» ГОСТ 9.602-2005.
При выполнении рабочего проекта защиты определить возможное вредное влияние на смежные конструктивные узлы, на которых также должны быть установлены контрольно-измерительные пункты. При проведении пуско-наладочных работ системы защиты произвести измерения электрохимического суммарного (поляризационного) потенциала с определением наличия или отсутствия вредного влияния от катодной поляризации. В случае обнаружения вредного влияния от катодной поляризации, на смежных конструктивных элементах установить контактные устройства и подключить рассматриваемые элементы в систему защиты через регулируемый диодно-резисторный блок к отрицательному полюсу катодного преобразователя.
Применение способа катодной защиты рабочего колеса с лопастями турбины гидроагрегата от коррозионных и кавитационных разрушений обеспечивает постоянную, в пределах проектного срока эксплуатации применяемой системы катодной защиты, сохранность стальных элементов от коррозионных и кавитационных разрушений, исключаются риски разбалансировки вращения турбины из-за изменения целостности лопастей по причине возникновения на поверхности лопастей кавитационных трещин, предоставляется возможность осуществления контроля за эффективностью применения катодной поляризации путем периодического измерения величины защитного потенциала. Превышение критериев защищенности путем поддержания более отрицательного потенциала может привести к непроизводительному расходу электроэнергии и неэффективности катодной защиты. Для оценки условий достижения эффективной катодной защиты следует учитывать четыре критерия:
1. Максимально возможное уменьшение скорости коррозии стали достигается при потенциалах, не превышающих величины равновесного (обратимого) потенциала для реакции окисления металла. Этот критерий для стали предполагает определение абсолютного значения обратимого потенциала для анодной реакции.
Наибольшее распространение получило уравнение, описывающее величину защитного потенциала:
защ
φ=-(0,05+0,059 pH)
защ.
где φ- минимальный защитный потенциал: pH-гидратообразование.
2
Это уравнение представляет собой преобразованное, с учетом произведения растворимости Fe(OH), уравнение Нерста для равновесного потенциала реакции . Основная ограниченность уравнения состоит в том, что оно не учитывает кинетики коррозионного процесса. В частности известно, что железо при pH>10,5 переходит в пассивное состояние. Расчетное определение защитного потенциала металла с применением закономерностей кинетики электронных процессов изучено и приведено в современной научной литературе по защите подземных коммуникаций от коррозии.
2. Уменьшение скорости коррозии до технически допустимой величины достигается, если минимальное смещение потенциала при катодной поляризации относительно потенциала при катодной поляризации относительно потенциала коррозии стали составляет 300 мВ.
3. Уменьшение скорости коррозии до технически допустимой величины достигается, если величина смещения между потенциалом коррозии стали и потенциалом, измеренным в первоначальный момент после отключения катодной защиты, составляет не менее 100 мВ. При этом следует учитывать, что это смещение не включает омического падения напряжения IR.
4. Через границу раздела металл-среда должен протекать ток, обеспечивающий необходимую величину защитной плотности тока, при которой скорость коррозии стали уменьшается до технически допустимого предела измерения величины защитного электропотенциала на защищаемом сооружении.
Способ катодной защиты рабочего колеса с лопастями турбины гидроагрегата осуществляется посредством использования элементов электрохимической защиты, которая используется в настоящее время для защиты от электрохимической коррозии стальных подземных трубопроводов, находящихся в грунтовом электролите, и гидротехнических сооружений, находящихся в водном электролите.
Для катодной поляризации применяется электрохимическая система, которая состоит из катодной преобразователя 1, включенного в электрическую цепь соединительным дренажным кабелем 2 через контактное устройство 6 соединительным кабелем 7 с анодными электродами 3 и соединительным дренажным кабелем 2 через контактное устройство 16, расположенное на корпусе турбины с рабочим колесом с лопастями турбины 17. Катодный преобразователь 1 представляет собой внешнее устройство, преобразующее переменный ток частотой 50 Гц в постоянный с регулируемыми параметрами, необходимыми для катодной защиты. Для обеспечения прямой электрической связи катодного преобразователя 1 и лопастей рабочего колеса турбины 17 от отрицательного полюса катодного преобразователя проложить кабель до контактного устройства 16, расположенного на корпусе турбины, между корпусом турбины и валом рабочего колеса установить щеточный механизм, замыкающий электрическую цепь для обеспечения катодной поляризацией защищаемого объекта. Соединительный дренажный кабель 2 от положительного полюса катодного преобразователя 1 присоединить к анодным электродам 3. Соединительный дренажный кабель 2 выбирать методом расчета относительно выходных параметров катодного преобразователя при выполнении проекта защиты.
Катодная защита рабочего колеса турбины будет эффективной при величине суммарного потенциала в пределах от (-1,5 В) до (-2,5 В). Величина защитного суммарного потенциала на лопастях рабочего колеса турбины обусловлена не только высокой коррозионностью водного электролита, но и кавитационными процессами. Электрохимический суммарный защитный потенциал определять относительно медно-сульфатного электрода сравнения.
Основными параметрами, определяющими эффективность действия анодных электродов, является: сопротивление растеканию и стабильность его во времени, растворимость под действием анодного тока, величина площади, занимаемая электродами и стоимость. Для получения эффективной катодной защиты рабочего колеса и лопастей турбины необходимо выполнить электрические перемычки для уравнивания электрохимических потенциалов на всех конструктивных узлах рабочего колеса.
Для электрохимической защиты лопастей и рабочего колеса гидротурбины выполнить конкретный проект защиты одновременно с разработкой проекта гидротурбины.
Место расположения контура анодных электродов определить по рабочему проекту защиты в ситуационном плане. В зависимости от ситуационного плана возможно расположение анодных электродов в следующих вариантах:
1. В подвесной конструкции на столбах.
Схема соединения конструктивных элементов и расположения анодных электродов в подвесной конструкции на столбах представлена на фиг. 2.
2
Анодные электроды 3 разместить с применением диэлектрических прокладок 5 в подвесной конструкции 4, представляющей собой каркас из металлической сетки, закрепленной на бетонных столбах 8, установленных в воде в береговой зоне на расстоянии 400-500 метров от защищаемого узла. Соединительный дренажный кабель 7 для электрического соединения анодных электродов 3 с дренажным соединительным кабелем 2 проложить через контактное устройство 6 в стальной трубе 13. Контактное устройство 6 установить на стальной трубе 13, диаметром не менее 250 мм, закрепленной на верхней части каркаса подвесной конструкции 4.
2. В подвесной конструкции, закрепленной на стене плотины.
Схема соединения конструктивных элементов и расположения анодных электродов в подвесной конструкции на стене плотины представлена на фиг. 3.
2
Анодные электроды 3 разместить с применением диэлектрических прокладок 5 в подвесной конструкции 4, представляющей собой каркас из металлической сетки, закрепленной на стене плотины 15 креплением 14 на расстоянии 25-50 метров от сливного узла, где расположено рабочее колесо. Соединительный дренажный кабель 7 для электрического соединения анодных электродов 3 с дренажным соединительным кабелем 2 проложить через контактное устройство 6 в стальной трубе 13. Контактное устройство 6 установить на стальной трубе 13, диаметром не менее 250 мм, закрепленной на верхней части подвесной конструкции 4.
3. В бетонном колодце.
Схема соединения конструктивных элементов и расположения анодных электродов в бетонном колодце представлена на фиг. 4.
2
Анодные электроды 3 разместить в бетонном колодце 9, установленном непосредственно в воде в береговой зоне на расстоянии 400-500 метров от защищаемого узла. Анодные электроды 3 крепятся в бетонном колодце 9 креплением 11 с применением диэлектрических прокладок 5. Соединительный дренажный кабель 7 для электрического соединения анодных электродов 3 с соединительным дренажным кабелем 2 проложить через контактное устройство 6 в стальной трубе 13. Контактное устройство 6 установить на стальной трубе 13, диаметром не менее 250 мм, закрепленной на верхней части бетонного колодца 9. Для чистоты водного электролита в непосредственной близости к анодным электродам в стенках бетонного колодца расположены сетчатые отверстия 10. Бетонный колодец закрывается люком 12, который позволяет производить капитальный ремонт анодного заземления по истечении проектного срока эксплуатации.
Анодные электроды не должны иметь электрической связи с металлическими конструкциями крепежных элементов, для исключения электрической связи применяются диэлектрические прокладки 5.
Режимами работы катодной защиты рабочего колеса с лопастями турбины являются выходное напряжение и выходной ток катодного преобразователя, сопротивление растеканию тока анодных электродов, величина защитного суммарного потенциала в точке подключения катодного преобразователя к защищаемому сооружению. Катодная защита рабочего колеса с лопастями турбины будет эффективной при величине защитного суммарного потенциала в пределах от (-1,5 В) до (-2,5 В). Величина защитного суммарного потенциала на лопастях рабочего колеса турбины обусловлена не только высокой коррозионностью водного электролита, но и кавитационными процессами. Электрохимический суммарный защитный потенциал следует определять относительно медно-сульфатного электрода сравнения. Расчет анодных электродов системы катодной защиты производят], исходя из тока катодной защиты и удельного сопротивления водного электролита. Характеристики водного электролита вместе с типом, размерами и количеством анодных электродов определяют сопротивление растеканию тока анодных электродов, а сила тока и характеристики самих электродов - срок его службы.
Для расчета выходных параметров катодного преобразователя и необходимого количества анодных электродов применять порядок № ВСН 39-84 «Катодная защита от коррозии оборудования и металлических конструкций гидротехнических сооружений».
К анодным электродам предъявляется ряд требований, а именно: материал анодов должен иметь достаточную стойкость к электролитическому растворению, обеспечивать стабильную работу электрода в течение всего периода эксплуатации катодной защиты, иметь низкое значение удельного электрического сопротивления, быть дешевым и недефицитным. Технология изготовления должна быть простой, конструкция анодов должна обеспечивать простоту монтажа и надежность электрических соединений. Для этих целей предлагается использовать электроды из углеграфитовых труб. Электроды из углеграфита отличаются высокой стойкостью, которая в 10-15 раз выше чем у стальных электродов. Особенно хорошо эти электроды работаю в водной среде. Водная среда (электролит) снижает плотность тока, стекающего непосредственно с углеграфитового электрода, при этом электронная проводимость тем выше, чем выше плотность электролита. Графит разрушается кислородом, выделяющимся в результате электролиза воды, окружающего анод. Поэтому считается, что при плотности тока более 0,83 А/дм. кв. разрушение графитового электрода возрастает непропорционально росту тока, т.е. на каждую единицу прироста тока приходится большая масса растворимого графита. Величина необходимого защитного потенциала определяется природой металла, особенностями его коррозионно-электрохимического поведения в конкретных условиях протекания коррозионного процесса. Ограничение области наиболее отрицательных допустимых защитных потенциалов может быть вызвано необходимостью предотвращения разрушения изолирующих покрытий, которое может происходить при катодной поляризации под воздействием выделяющегося газообразного водорода, подщелачивания приэлектродного слоя и т.п. Таким образом, при катодной защите потенциал должен поддерживаться в определенной области значений минимальных и максимальных защитных потенциалов, обеспечивающих необходимую защиту металлов от коррозии.
При необходимости величину защитного потенциала можно увеличить, что не будет являться отрицательным фактором, т.к. на лопатках турбины отсутствует изоляционное покрытие, которое может разрушиться при высокой величине защитного потенциала, как, например, при защите стальных подземных трубопроводов. При расчете величины катодного тока, необходимого для защиты сооружения, следует учитывать площадь защищаемого сооружения. Плотность тока определяют расчетным методом, применяемым в Межгосударственном стандарте «Единая система защиты от коррозии и старения» ГОСТ 9.602-2005. В случае, если металлическое сооружение не имеет изоляционного покрытия, можно принять величину защитного тока, равной 6 мА/м. кв. При расчете выходных параметров катодной установки относительно напряжения, необходимо учитывать удельное сопротивление водной среды, в которую будут установлены анодные углеграфитовые электроды. Удельное сопротивление водного электролита определять лабораторным методом, описанным в ГОСТ 9.602-2005. Данная величина удельного сопротивления будет применяться соотносительно сопротивления растеканию анодного электрода и определения необходимого количества анодных электродов для получения эффективности катодной защиты.
Преимущество изобретения состоит в следующем:
1. Применение заявленного способа катодной защиты рабочего колеса с лопастями турбины гидроагрегата от коррозионных и кавитационных разрушений позволяет получить эффективную защиту металлического сооружения и локализовать коррозионные процессы.
2. Применение заявленного способа позволяет продлить срок эксплуатации лопаток гидротурбины без капитального ремонта в пределах проектных сроков.
3. Применение заявленного способа позволяет разместить элементы катодной системы защиты, а именно анодные электроды, компактно в доступной свободной зоне и за критерий оценки эффективности катодной защиты применять величину суммарного потенциала, величину которого в настоящее время применяют как критерий оценки защищенности отдельных конструктивных элементов гидроагрегата.
На фиг. 1 показан общий план-схема расположения конструктивных элементов для электрохимической защиты лопастей и рабочего колеса гидротурбины.
На фиг. 2 показана схема соединения конструктивных элементов и расположения анодных электродов в подвесной конструкции на столбах.
На фиг. 3 показана схема соединения конструктивных элементов и расположения анодных электродов в подвесной конструкции на стене.
На фиг. 4 показана схема соединения конструктивных элементов и расположения анодных электродов в бетонном колодце.