СПОСОБ СОВМЕСТНОЙ ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ ОТ ГРОЗОВЫХ РАЗРЯДОВ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ
METHOD FOR COMBINED PROTECTION OF METAL STRUCTURES FROM LIGHTNING DISCHARGES AND ELECTROCHEMICAL CORROSION

Настоящее изобретение относится к области науки электротехники и электрохимии, в частности к активным системам защиты промышленных зданий, сооружений, частных жилых домов от воздействия разрядов атмосферного электричества, и системам защиты стальных подземных сооружений от электрохимической коррозии.
Настоящее изобретение рассматривает способ молниезащиты специальных объектов с ограниченной опасностью для непосредственного окружения, таких как нефте- и газоперерабатывающие предприятия, заправочные станции, хранилища сжиженного углеводородного газа и тому подобные, для которых допустимый уровень надежности от прямых ударов молнии установлен в пределах от 0,9 до 0,999 в зависимости от степени общественной значимости и тяжести ожидаемых последствий от ударов молнии.
Известный в настоящее время способ молниезащиты, как наиболее традиционный способ защиты, регламентируется в России инструкцией, утвержденной приказом Министерства Энергетики РФ 30.06.2003 г. №280 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций». Устройства молниезащиты применяются для защиты всех видов зданий, сооружений и промышленных коммуникаций независимо от ведомственной принадлежности и формы собственности и их применение основано на положении, что любое устройство не может предотвратить развитие молнии, а его применение снижает риск ущерба от удара молнии. Комплекс средств молниезащиты включает устройства от прямых ударов молнии, относящихся к внешней молниезащитной системе, и устройства защиты от вторичных воздействий молний, относящихся к внутренней молниезащитной системе. Внешние устройства от прямых ударов молнии - молниеотводы, представляют собой комплекс, состоящий из молмиеприемников, токоотводов и заземлителей.
Молниеприемник предназначен для перехвата молнии. Токи молнии, попадающие в молниеприемник, через систему токоотодов (спусков) отводятся в заземлитель и растекаются в земле. Для элементов внешней системы молниезащиты применяется сталь, алюминий, медь, имеющие определенный естественный (стационарный) потенциал.
Специально устанавливаемые молниеприемники состоят из произвольной комбинации элементов: отдельных стержней, натянутых проводов (тросов), сетчатых проводников (сеток), либо их функции выполняют естественные молниеприемники (металлические кровли защищаемых объектов, металлические конструкции крыши, металлические элементы водосточных труб, технологические металлические трубы и резервуары).
Токоотводы располагаются так, чтобы между точкой поражения и землей ток растекался по нескольким параллельным путям и длина этих путей должна быть ограничена до минимума. В устройствах молниезащиты, изолированных от защищаемого объекта: стержневой молниеприемник, установленный на опоре, предусматривает минимально один токоотвод, тросовый молниеприемник - на каждый конец троса по одному токоотводу, сетчатая конструкция - на каждую ее опору не менее одного токоотвода. При неизолированных устройствах токоотводы располагаются по периметру здания с расстоянием в зависимости от уровня защиты. Естественными токоотводами служат металлические конструктивные элементы зданий (конструкции, каркас здания или сооружения, стальная арматура, части фасада).
Заземлители по общим соображениям, за исключением отдельно стоящего молниеотвода, совмещают с заземлителями электроустановок и средств связи. Если по каким-либо технологическим соображениям заземлители должны быть разделены, применяют систему уравнивания потенциалов. Глубина закладки и тип заземляющих устройств выбирают из условия обеспечения минимальной коррозии, а также возможно меньшей сезонной вариации сопротивления заземления в результате высыхания и промерзания грунта. В качестве естественных заземляющих электродов используется соединенная между собой арматура железобетона или иные подземные металлические конструкции.
Система защиты от прямых ударов молнии выбирается так, чтобы максимально использовать естественные молниеотводы, а для обеспечения надежности - в комбинации со специально установленными.
По рекомендациям МЭК (IEC 1024-1-1) практическая целесообразность методов определения зон защиты представляется следующим образом:
- для простых по форме сооружений - метод защитного угла;
- для сложных сооружении - метод фиктивной сферы;
- для поверхностей - метод защитной сетки.
В системе предлагаемого изобретения используется стержневой молниеотвод и зона защиты определяется по стандартным правилам. Стандартной зоной молниезащиты одиночного стержневого молниеотвода является круговой конус, вершина которого совпадает с вертикальной осью молниеотвода. Габариты зоны определяются двумя параметрами: высотой конуса (ho) и радиусом конуса на уровне земли (ro). Для уровня надежности (Рз)=0,999 и для молниеотводов высотой (h) до 150 м расчет зоны определяется по формулам, указанным в таблице 1.
Таблица 1
Высота молниеотвода, h (метром)
Высота конуса ho (метров)
Радиус конуса rо (метров)
От 0 до 30
0,7h
0,6h
От 30 до 100
[0,7-7,14×10<sup>-4</sup>×(h-30)]×h
[0,6-1,43×10<sup>-3</sup>×(h-30)]×h
От 100 до 150
[0,65-10<sup>-3</sup>×(h-100)]×h
[0,5-2×10<sup>-3</sup>×(h-100)]×h
Недостатком описанного выше прототипа является следующее:
1. В связи с большой силой тока и крутизной его нарастания при ударе молнии возникает гораздо большая разница потенциалов, чем вследствие утечки тока в трехфазной цепи. Поэтому для защиты от воздействия токов молнии применяют систему уравнивания потенциалов, для этого напрямую или косвенно соединяют электроустановки, металлическую оснастку, систему заземления и молниезащитную систему с устройствами защиты посредством шины уравнивания. Цель уравнивания потенциалов - обеспечить равные потенциалы во всех взаимосвязанных металлических элементах объекта, то есть создать эквипотенциальную поверхность. Тогда при заносе высокого потенциала внутрь объекта он одновременно повышается на всех металлических конструкциях, благодаря чему не возникает опасной разности потенциалов, исключается возможность протекания опасных токов и искрения.
Однако существующая система уравнивания потенциалов не выполняет свое предназначение в полной мере, так как не учитывается величина естественного электрохимического (стационарного) потенциала материала, из которого изготовлены элементы молниезащиты. Между элементами молниезащиты и подземным сооружением (например, резервуары хранения сжиженного газа) образуется коррозионная макропара. Обычно для изготовления элементов внешней молниезащиты применяют материалы, указанные в таблице 2.
Таблица 2
Материал
Стационарный потенциал (вольт)
Сечение (мм кв.)
Молниеприемник
токоотвод
заземлитель
Сталь
-0,55
50
50
80
Алюминий
-0,75
70
25
не применяется
Медь
+0,35
35
16
50
Рассматривая сооружения хранения взрывоопасных веществ (подземные стальные емкости, резервуары для хранения газа, бензина и т.п.) и при исполнении контура заземления молниезащиты из меди, образуется коррозионная макропара, в которой роль разрушающего электрода выполняет сооружение. Макропары способствуют образованию сквозных коррозионных каверн, через которые происходит утечка опасных веществ в окружающую среду. Подобные электрические соединения запрещены нормативными документами, которые регламентируют процессы электрохимической коррозии и защиты при эксплуатации промышленно-опасных производственных объектов, таких как стальные подземные резервуары для хранения сжиженного газа, бензина, шкафные газорегуляторные пункты с подводящими стальными газопроводами.
В случае наведения положительного или отрицательного потенциала на электроустройстве от внешнего источника тока на контуре заземления, молниеприемнике также появляется наведенный потенциал. При такой ситуации система молниезащиты не выполняет своих проектных функций, а молниеприемником будет выступать защищаемое сооружение, так как на его контуре заземления величина потенциала большая по величине, чем на контуре заземления молниеотвода.
2. Элементы системы молниезащиты, выполненные из стали или алюминия, имеют соответствующий естественный стационарный отрицательный потенциал. По своей природе большинство молний, порядка 90%, также имеют разряд с отрицательным током. По известным законам физики отрицательные заряды отталкиваются, следовательно, рассматриваемая система молниезащиты не выполняет физической функции перехвата молнии.
3. Применяемые в большинстве случаев стальные заземляющие электроды в грунтовом электролите окисляются, то есть на электродах образуются коррозионные пары и они покрываются продуктами коррозии. Продукты коррозии в виде ржавчины не являются токопроводными. Сопротивление растеканию стального контура заземления относительно времени и удельного сопротивления грунта ухудшают функциональную работу молниезащиты, так как увеличивается сопротивление растеканию контура заземлителя молниезащиты. Способом борьбы с коррозией подземных элементов системы является только их замена при уменьшении их площади поперечного сечения более чем на 25%.
4. Регламент эксплуатации системы молниезащиты предусматривает визуальный осмотр целостности системы перед началом грозового сезона и ограничивается 20% их общего количества. В большинстве своем настоящая система молниезащиты представляет собой пассивную не регулируемую систему защиты.
Технические решения, касающиеся способа защиты стальных подземных сооружений от электрохимической коррозии, и методы контроля за эффективностью применяемой защиты воплощены в Межгосударственном стандарте ГОСТ 9.602-2005 «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 9.602-2005), который введен в действие приказом Федерального агенства по техническому регулированию и метрологии от 25.10.2005 г. №262-ст.), в рабочей документации РД 153-39.4-091-01 «Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии» (утвержденный Министерством энергетики РФ 29.12.2001 г.). В настоящее время применение этих нормативных документов носит обязательный характер в связи с отнесением защищаемых объектов к опасным производственным объектам.
Техническая сущность известного способа электрохимической защиты заключается в катодной поляризации с применением внешнего источника тока. В качестве электрозащитной установки (далее ЭЗУ) применяется катодный преобразователь, 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. 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. Катодная поляризация обеспечивает защиту подземного сооружения при условии, если величина защитного потенциала металла (для стали) относительно насыщенного медно-сульфатного электрода сравнения находится между минимальным от минус 0,90 вольт и максимальным до минус 2,5 вольт значениями.
Наиболее близким аналогом к изобретению является устройство защиты металлических сооружений от коррозии с устройством грозозащиты (патент SU 177095 A1, С23А 13/00, опубл. 15.09.1991 г.). Устройство разработано с целью повышения надежности и снабжено двумя управляющими короткозамыкателями, индикатором грозовой деятельности, блоком задержки и диодом, при этом контакты первого короткозамыкателя подключены к входу катодной станции, а второго - к ее выходу, управляющие входы обоих короткозамыкателей соединены и подключены к выходу блока задержки, вход которого соединен с выходом индикатора грозовой деятельности и управляющим входом управляемого коммутатора, а диод включен в цепь выхода катодной станции между положительной клеммой и анодным заземлением.
Патент RU 2223346 C1, С23А 13/04, опубл. 10.02.2004 г. Устройство защиты импульсным током разработано в целях повышения эффективности катодной защиты и содержит электронный блок с источником постоянного тока, через импульсный усилитель подключен к защищаемому сооружению и к заземляющему устройству, измерительные электроды соединены со схемой формирования импульсов электронного блока, выход которой подключен у входу импульсного усилителя, между источником постоянного тока и импульсным усилителем установлены зарядное устройство и накопитель электроэнергии. Устройство позволяет получить импульсы значительно большей длительности и обеспечить защиту протяженных участков трубопровода. Для предотвращения разрушения электронного блока при попадании молнии в электрическую сеть на входе в источник постоянного тока установлено грозозащитное устройство.
Рассмотренные устройства имеют совпадающие признаки с изобретением, а именно: использование катодного преобразователя, заземляющие устройства в целях катодной поляризации защищаемого сооружения и грозозащитное устройство в целях защиты катодного преобразователя от молнии. Недостатком описанных устройств является то, что грозозащитное устройство не выполняет функции активного улавливателя грозовых разрядов для защиты самого металлического сооружения, а выполняет лишь пассивную функцию защиты катодного преобразователя от поражения молнией.
В основу изобретения положена задача, заключающаяся в создании способа, обеспечивающего надежность молниезащиты металлических объектов различного назначения путем совместного использования элементов молниезащиты и катодной защиты для улавливания и отведения грозовых разрядов и одновременно обеспечении защиты металлических сооружений от электрохимической коррозии.
Соответственно этому технический результат, достигаемый при реализации заявляемого способа:
1. Применение его на опасных производственных объектах состоит в обеспечении их сохранности от грозовых разрядов, предотвращении коррозионных разрушений элементов системы молниезащиты и одновременно защите от электрохимической коррозии сооружений и подводящих к ним подземных трубопроводов. Заявленный способ предлагается применять на следующих объектах:
- стальные резервуары для хранения сжиженного газа, нефтепродуктов и других взрывоопасных жидкостей и газов на промышленных площадках и установленных в грунт или обвалованных грунтом;
- емкости для хранения сжиженного газа и бензина на автозаправочных станциях, установленные в грунт или обвалованные грунтом;
- отдельно стоящие газорегулируемые пункты;
- другие отдельно стоящие помещения с подводящими подземными сооружениями (теплотрассы, стальные водоводы, стальные газопроводы).
2. Применение в частном секторе для зданий, коттеджей и объектов, имеющих наружные теле- и радиоприемные устройства и подземные стальные коммуникации.
Актуальность заключается в сохранности находящихся в помещении телевизионных и радиоприборов, компьютеров и другой бытовой техники от грозового поражения, а возможно и от пожара. Теле- и радиоприемные антенны имеют небольшой, но положительный потенциал относительно земли, а применяемые в настоящее время устройства контура заземления из стали имеют отрицательный потенциал относительно земли по медно-сульфатному электроду сравнения. Грозовой разряд, имеющий в большинстве случаев отрицательный заряд, ударяет в телевизионные и радиоантенны, что приводит к выходу из строя бытовой электротехники. Молниеприемник и контур заземления, имеющий положительный потенциал относительно земли, будет способствовать исключению опасного попадания грозового разряда в теле- и радиоантенны, так как положительно заряженная величина потенциала молниеприемника и контура заземления более высокая по абсолютной величине по сравнению с потенциалом приемной телерадиоантенны.
Поставленная задача решается выполнением совметной системы защиты, состоящей в использовании известных устройств, применяемых для защиты от ударов молнии согласно приказу Минэнерго РФ №280 от 30.06.2003 г. «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» и применяемых для электрохимической защиты подземных коммуникаций согласно действующему международному стандарту ГОСТ 9.602-2005 «Единая система защиты от коррозии и старения» и характеризуется следующими существенными признаками:
объединение системы катодной защиты от электрохимической коррозии, содержащей источник постоянного тока по типу катодного преобразователя и углеграфитовое анодное заземление, с системой молниезащиты, содержащей стержневой молниеприемник и токоотвод, с использованием контактного устройства и стального электрода сравнения, при этом углеграфитовое анодное заземление системы катодной защиты используют в качестве контура;
заземления молниезащиты, источник постоянного тока предусматривает два режима работы «режим без грозы» и «режим гроза», причем катодную поляризацию защищаемого сооружения обеспечивают в постоянном режиме, а режим грозоотведения, то есть «режим гроза», подключают к системе катодной защиты в период опасности грозовых разрядов, при этом отведение грозовых разрядов от защищаемого сооружения обеспечивают путем наведения на систему молниезащиты положительного электрохимического потенциала, величина которого не превышает 90 вольт относительного стального электрода сравнения.
Отличительными признаками заявленного способа (устройства) по сравнению с ближайшим аналогом является следующее:
1. Эффективнее выполняет роль молниезащиты, так как молниеотвод и заземлители молниезащиты имеют наведенный (искусственно созданный) положительный электрохимический потенциал относительно земли, посредством применения внешнего источника постоянного тока и применения анодного заземления системы катодной защиты в качестве контура заземления молниезащиты. Режимы катодного преобразователя позволяют добиться более положительного потенциала относительно грунтового электролита, порядка 90 вольт в системе «молниеприемник - контур молниезащиты».
2. Электрохимический потенциал в рассматриваемой системе можно регулировать выходными параметрами катодного преобразователя относительно площади защищаемого объекта, количеством применяемых установок молниеотвода с контурами анодного заземления и учитывая удельное сопротивление грунта в месте расположения объекта, которые учитываются в соответствующем проекте относительно сопротивления растеканию анодного заземления, количество электродов для системы катодного тока для получения эффективной электрохимической защиты для подземного сооружения.
Эффективность защиты определяется по суммарному или поляризационному потенциалу. Расчетные параметры системы электрохимической защиты определены в РД №153-39.4091-01 «Защита городских подземных трубопроводов от коррозии» Как правило, при выполнении расчетных параметров системы электрохимической защиты для характеристики анодного заземления в целях получения в системе защитного катодного тока принято сопротивление растеканию анодного заземления от 2 до 5 Ом. В ходе эксплуатации анодного заземления сопротивление растеканию увеличивается и в случае его превышения порядка 10-15 Ом анодное заземление подлежит модернизации или капитальному ремонту. Однако такие нормативные величины сопротивления растеканию анодного заземления, которое в предлагаемом способе одновременно выполняет роль контура молниезащиты, гораздо ниже, чем те (порядка 40 Ом), которые предъявляются к действующим системам молниезащиты.
3. Стальные электроды контура заземления, используемые в традиционных устройствах молниезащиты, заменены на углеграфитовые электроды, которые в настоящее время используются в системе электрохимической защиты подземных коммуникаций от электрохимической коррозии (газопроводы, нефтепроводы). В отличие от стальных заземлителей, которые окисляются и имеют стационарный потенциал (-0,55 В), углеграфитовые электроды не подвержены окислению, имеют положительный потенциал, достаточную стойкость к электролитическому растворению в грунтовом электролите, а в финансовом плане менее затратны при строительстве и капитальном ремонте.
4. Обслуживание контура анодного заземления, выполняющего роль заземлителя молниезащиты, согласно инструкции по эксплуатации систем электрохимической защиты осуществляется более грамотно в технологическом плане с применением соответствующих приборов, так как сопротивление растеканию анодного заземления в системах электрохимической защиты играет основную роль для получения защитного катодного тока и эффективного защитного потенциала на подземном сооружение.
5. Применение заявленного способа позволит регулировать эффективное применение системы молниезащиты, то есть своевременно в период грозовой угрозы регулировать технические параметры системы. Режим работы молниезащитной системы при грозе регулировать относительно увеличения положительного потенциала на молниеприемнике и контуре заземления с сохранением необходимой величины катодного тока и величины эффективного защитного потенциала на защищаемом подземном сооружение с применением включения дополнительного регулировочного сопротивления в цепь «электрозащитная установка - контактное устройство на защищаемом сооружение», как показано на фигуре 1. При этом переключение на режим «гроза» должно осуществляться как в автоматическом, так и ручном исполнении.
6. Наведение положительного электропотенциала на молниеприемник и контур заземления способствует целевому принудительному улавливанию отрицательно заряженных грозовых разрядов, так как разноименно заряженные частицы притягиваются друг к другу.
7. Наличие положительного потенциала на молниеприемнике и контуре заземления способствует принудительному отводу от защищаемого сооружения положительно заряженных грозовых зарядов, так как одноименно заряженные частицы отталкиваются друг от друга.
8. Получение отрицательного потенциала на защищаемом сооружении обеспечивает катодную поляризацию подземного металлического сооружения, что является дополнительным эффективным фактором при отводе грозового разряда от защищаемого сооружения на молниеприемник.
Осуществление заявленного способа выполняется следующим образом.
Схема соединения установки для защиты от грозовых разрядов и электрохимической коррозии представлена на фиг. 1. В системе применяются следующие элементы:
- Молниеприемник 1 служит для приема свободных электронов. Представляет собой стержневой элемент. Высоту и конструкцию молниеприемника применять согласно «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» (Приказ Министерства энергетики РФ №280 от 30.06.2003 г.).
- Токоотвод 2 служит для направления молнии. Применяется кабель марки АВВГ сечением, указанным в таблице 2.
- Анодное заземление 3, как элемент катодной защиты, одновременно выполняет роль заземлителя молниезащиты и служит для безопасного рассеивания тока молнии в земле. Зависимость количества электродов от удельного сопротивления грунта и величины катодного тока, необходимого для эффективной катодной поляризации подземного сооружения, для одной установки представлена в таблице 3.
- Катодный преобразователь 4 представляет внешний источник постоянного тока и служит для наведения электрохимического потенциала.
- Автоматическая защита от перенапряжения 12 необходима для того, чтобы в момент попадания молнии в молниеприемник весь ток принудительно стекал в грунт через заземлители, а катодный преобразователь, выполнив свою роль, отключился для исключения выхода из строя.
- Регулировочное сопротивление представляет блок диодно-резисторный 6, служит для дополнительного регулирования сопротивления и катодного тока в цепи системы электрохимической защиты.
- Контактное устройство 7 для соединения элементов системы «катодный преобразователь - анодное заземление - молниеприемник» и контроля за эффективностью работы системы.
- Доступ к сети электропитания предполагается от опоры линии электропередачи 8.
- Защищаемое стальное сооружение 9.
- Медно-сульфатный электрод сравнения длительного действия 11 и стальной электрод сравнения 13 для выполнения измерений контроля за эффективностью работы системы.
- Автоматический выключатель 5.
- Зона защиты молниеприемника 15.
- Дренажный кабель катодной защиты 16 марки АВВГ.
Способ совместной защиты стальных сооружений от грозовых разрядов и электрохимической коррозии с применением установки для защиты от грозовых разрядов и электрохимической коррозии осуществляется следующим образом.
Катодный преобразователь 4 установить на постаменте, питание осуществить от сети электроснабжения 8,15 напряжением 220 вольт. Место расположения катодного преобразователя определяется в плане на местности согласно разработанному проекту. Положительную клемму катодного преобразователя 4 через автоматическое устройство защиты от перенапряжения 12 соединить кабелем 2 (материал алюминий, марка АВВГ, сечение кабеля выбирается по таблице 2) с контуром анодного заземления 3 в контактном устройстве 7. В контактном устройстве 7 выполнить соединение анодного заземления 3 кабелем 2 (материал алюминий, марка АВВГ, сечение кабеля выбирается исходя из необходимой величины защитного тока) с молниеприемником 1. Кабель соединить с молниеприемником над землей, выше уровня снежного покрова в зависимости от обычных зимних условий соответствующего региона. Отрицательную клемму катодного преобразователя 4 через регулировочное сопротивление 6 соединить с подземным сооружением 9 (стальной резервуар хранения газа) в контактном устройстве 14 кабелем 2 (материал алюминий, марка АВВГ, сечение кабеля выбирается исходя из необходимой величины защитного тока). В системе «катодный преобразователь 4 - защищаемое сооружение 9» выполнить раздельные контура заземления от заноса высокого напряжения. Для измерения необходимой величины защитного потенциала на защищаемом сооружение в контактном устройстве 14 установить медно-сульфатный электрод сравнения (МСЭД), для измерения величины положительного потенциала, необходимого для выполнения эффективной функции молниезащиты, в контактном устройстве 7 установить стальной электрод сравнения (СЭС). Величину электрохимического потенциала на защищаемом сооружение и анодном заземление установить при пусконаладочных работах. Для эффективной работы анодного заземления установить два режима: «режим без грозы», «режим гроза». Для обеспечения катодной поляризации стальных подземных сооружений система катодной защиты работает в постоянном режиме. Нормативную величину защитного потенциала на защищаемом сооружение применять согласно Межгосударственного Стандарта ГОСТ 9.602-2005 «Единая система защиты от коррозии и старения» при эксплуатации системы в режимах «без грозы» и «гроза». Режим грозоотведения подключается к системе защиты в период опасности грозовых разрядов. При режиме «гроза» величина потенциала не должна превышать 90 В относительно стального электрода сравнения.
В зависимости от опасности защищаемого объекта к одному катодному преобразователю возможно подключать от одного до четырех молниеотводов, которые следует расположить на расстоянии друг от друга, образуя квадрат, как показано на фиг. 2. Для определения рабочих параметров катодного преобразователя и количества молниеотводов для каждого конкретного объекта следует разрабатывать рабочий проект защиты.
Заявленный способ совместной защиты металлических сооружений от грозовых разрядов и электрохимической коррозии имеет тройной технологический и экономический эффект:
1. Получаем защитный молниеулавливатель с потенциально положительным активным контуром заземления. Это позволит локализовать отрицательно заряженный грозовой разряд и придать принудительное направление от защищаемого объекта на молниеприемник, имеющий положительно заряженный заземлитель, что выражается в получении эффективной регулируемой системы молниезащиты.
2. Потенциально положительный молниеприемник и контур заземления будет активно отводить положительно заряженный грозовой заряд от защищаемого объекта из зоны поражения объекта.
3. Осуществляем катодную защиту подземного сооружения от электрохимической коррозии и сокращаем экономические расходы на перекладку подземных коммуникаций или сооружения в связи коррозионными разрушениями.
Известно, что в мировом масштабе потери металла от коррозии составляют до 30% его производства. В России прямые убытки от коррозии составляют 4% ежегодного национального дохода, что составляет свыше 100 млрд. руб. в г., в Америке - 276 млрд долларов США, в Германии - 63 млрд долларов США, в Англии - 30 млрд ф.ст., а в целом потери металла по оценками специалистов разных стран 2-4% валового национального продукта. Эта статистика свидетельствует о мировом масштабе проблем борьбы с коррозией. Убытки не ограничиваются потерями металла. Выход из строя дорогостоящего оборудования, утечка воды, газа, нефти, создание аварийных ситуаций и увеличение риска техногенных катастроф, простой производства, приостановление транспортного сообщения, попадание продуктов коррозии в транспортируемый носитель (нефть, вода и др.) приводит к снижению качества, загрязнению окружающей среды. По данным Совета Безопасности РФ потери нефти в результате аварий ежегодно составляют 1,2% от добычи, т.е. не менее 3 млн т, при этом в 31% случаях аварии по причине коррозионных разрушений.
Как известно, в Межгосударственном стандарте ГОСТ 9.602-2005 «Единая система защиты от коррозии и старения» рассматривается четыре критерия опасности коррозии, а именно:
- коррозионная агрессивность среды по отношению к металлу сооружения по величине удельного электрического сопротивления грунта и средней плотности катодного тока;
- биокоррозионная агрессивность грунта;
- опасное действие блуждающего постоянного тока;
- опасное действие блуждающего переменного тока промышленной частоты.
Однако в составе критериев не рассматривается критерий дифференциальной аэрации на днище и стенках резервуаров хранения взрывоопасных веществ, расположенных частично в грунтовом электролите, а частично на поверхности. Возникновение коррозионных макропар дифференциальной аэрации на днище стального резервуара показано на фиг. 3.
Технологически стальные резервуары 1 частично располагаются в земле, а частично - на поверхности земли. На днищах стальных резервуаров, контактирующих с почвой, создаются коррозионные макропары краевого эффекта в результате различной кислородной проницаемости. Край днища резервуара, доступ кислорода к которому свободен, становится катодом и не корродирует. На расстоянии 0,25-0,5 метров от края днища образуется анодная зона, к которой доступ кислорода затруднен. Эта часть днища, обычно 1-2 метра в зависимости от диаметра днища, подвержена наибольшей коррозии. В центре днища, куда доступ кислорода и влаги наиболее затруднен, будут наименее благоприятные условия для коррозии.
Величина удельного сопротивления грунта на участка под днищем резервуара 2 и в почвенном слое на участке выхода резервуара из земли 3 различно, так как в почвенном слое присутствуют остатки гниющих растений, активные атмосферные осадки, различные продукты от эксплуатации резервуара. Учитывая кислородную аэрацию с получением различной величины электрохимического потенциала, разнородность грунтового электролита относительно величины удельного сопротивления грунта на отдельных подземных участках расположения стального резервуара, разность стационарных потенциалов этих участков сооружения может достигать порядка ΔU=0,25 вольт. Скорость коррозионного процесса в данной макропаре достаточно велика, что приводит к выходу резервуара из строя и сокращению проектных сроков эксплуатации. Для защиты таких сооружений, как емкости и резервуары, находящиеся в грунте или обвалованные грунтом, от электрохимической коррозии, необходимо применять 100% катодную поляризацию, а применение способа совместной защиты от грозовых разрядов и электрохимической коррозии дополнительно обеспечит сохранность рассматриваемых сооружений от грозовых разрядов.
Таким образом, критерий опасности дифференциальной аэрации и разности величины удельного сопротивления грунта для подземных резервуаров следует ввести в список критериев опасности независимо от применения изоляционных покрытий и предусмотреть обязательную защиту стальных резервуаров от электрохимической коррозии для обеспечения безопасной эксплуатации опасных производственных объектов. Конструкцию изоляционного покрытия применять согласно требованиям к видам изоляции, описанным в Межгосударственном стандарте ГОСТ 9.602-2005 «Единая система защиты от коррозии и старения».
Применение заявленного способа обеспечит сохранность от ударов молнии, от интенсивной электрохимической коррозии и эффективно отразится на сокращении эксплуатационных расходов. Это рассматривается не как ужесточение требований промышленной безопасности, а обеспечение сохранности объектов в связи с возрастающими потребностями производства и применение новых технологий способствует сохранности и окружающей среды, и человеческих жизней.
Описываемый способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема соединения установки для защиты от грозовых разрядов и электрохимической коррозии.
На фиг. 2 представлен план размещения установки для защиты от грозовых разрядов и электрохимической коррозии для защиты нескольких сооружений.
На фиг. 3 представлено изображение возникновения коррозионных макропар дифференциальной аэрации и разности величин удельного сопротивления грунта на днище стенках стального резервуара для хранения сжиженного газа.