Понятие о переходном сопротивлении и плотности поляризующего тока

Сопротивление токопроводящей системы по контакту труба — грунт называют переходным. Для изолированных подземных трубопроводов переходное сопротивление определяется в основиом сопротивлением в местах повреждений изоляции, обеспечивающих доступ электролита к металлической поверхности. Сопротивление изоляции настолько велико по сравнению с сопротивлением поврежденных участков, что практически весь за-Іцитный ток входит из грунта в трубопровод через них. При идеалыюм состоянии изоляционного покрытия переходное сопротивление равно /?„ср переходному сопротивлению /?₀ при отсутствии электрохимической поляризации. При наличии повреждений изоляции переходное сопротивление складывается из поляризационного сопротивления, сопротивления электролита в порах грунта и сопротивления скелета грунта. Поляризационное сопротивление зависит от плотности поляризующего тока. Аналитически эту зависимость можно представить в виде

где а, Ъ — постоянные, характеризуюіцие нелинейность катодной поляризации; / — плотность катодного (поляризующего) тока.

Плотность поляризующего тока является характеристикой, позволяющей оценивать коррозионные свойства грунтов наряду с электрической проводимостью.

Зта формула не может использоваться в расчетах для любых сечений трубопроводов. Дело в том, что при катодной защите •образуются три характерных участка: первый — вблизи места подключения катодного провода (дренажа), на котором плотность тока максимальная и катодный процеес контролируется водородной деполяризацией; второй (граничит с первым) — ка-тодный процесс контролируется скоростью притока кислорода к поверхности металла; третий — за пределом защитной зоны. Для первых двух участков /?_пер можно определять по (20.9), для третьего нельзя. Однако наиболее достоверным можно счи-тать Япер, определенное по данным натурных измерений. Это обосновано тем, что размеры повреждений изоляции и свойства грунта непрерывно меняются. Поэтому измерение переходного сопротивления в период эксплуатации является необходимым для корректировки основных параметров катодной защнты. Переходное сопротивление для изолированного трубопровода

р_т — удельное электрическое сопротивление трубопровода (для •стали р_т = 0,135 Ом-мм²/м); Д_п, /)_вн — наружный и внутренний диаметры трубы; Ѵ\ и Ѵ₂ — разности потенциалов труба -земля в точках /, 2 (рис. 20.4):

Ѵ\ и Ѵ₂' — разности потенциалов труба — земля по электроду •сравнения (медносульфатному — МСЭ) в точках / и 2; Ѵ_е\, Ѵе2 — естественные разности потенциалов соответственно в точ-ках 1 и 2.

Если в местах измерений накладываются токи других СКЗ, то определение К_пер усложняется; в (20.12) и (20.13) вводятся члены, учитывающие влияние соседних СКЗ.

Переходное сопротивление неизолированных участков трубопровода определяется по формуле

тде р_гр — удельное электрическое сопротивление грунта; /_н. _и — длина неизолированного участка; Л —глубина заложения труб; К_п — поляризационное сопротивление 1 м трубопровода. Входящее в (20.14) удельное сопротивление р_гр определяют в соответствии с ГОСТ 9.015—74 с

помощью симметричной четырех-электродной установки (рис. 20.5) по формуле

где V — разность потенциалов, измеряемая между приемными электродами М, М, В; I — сила тока, протекающего через цепь питающих электродов А, В,

Приближенный расчет расстановки станций катодной защиты

Длина участка трубопровода, обслуживаемого одной СКЗ, при известных

характеристиках трубопровода и грунта определяется по формуле

у — кратчайшее расстояние от заземления до трубопровода; Кв — коэффициент взаимодействия соседних СКЗ, равный 0,5; Ѵтях и Ѵтіп — предельно допустимые разности потенциалов.

Уравнение (20.16) решается итерационным способом при исходных известных величинах.

Сила тока в цепи катодной станции определяется по формуле

Расстояние анодного заземления до трубопровода оказывает существенное влияние на величину Ь. Чем больше у, тем больше

Ь. Однако чрезмерное увеличение у не дает ощутимого резуль-тата; в то же время ток в соответствии с (20.19) возрастает. Следовательно, возрастают и затраты: с одной стороны на уве-личение длины трубопровода, а с другой — на увеличение ко-личества потребляемой энергии. Поэтому вопрос о наилучшей величине у является задачей оптимизационного характера. Из-мерения, проведенные на действующих трубопроводах, позво-лили установить примерную зависимость длины защитной зоны Ь от расстояния у до заземления (рис. 20.6).

Расстановка станций катодной защиты с использованием методов оптимального проектирования

Пусть дана произвольная трасса, на участке х₀ и х_п которой необходимо расставить СКЗ. Будем считать, что в некоторых точках трассы известны переходные сопротивлепия У?„ер- Такими точками будем считать точки х₀, *ь+г\, х₀+2г\,... х_п, (т) -длины отрезков трубопроводов, на границах которых известно /?пер). Имея в виду известное уравнение

где Кі = К_пеР(х₀ + іц). Как видно из (20.22), для определения разности потенциалов в одной точке нужно иметь данные о по-тенциалах соседних точек і+ 1 и і —1, т. е. в сечениях ХІ+ц и Хі —т]. Для их определения можно использовать граничные условия. Известно, что распределение потенциалов вдоль тру-бопровода при нескольких СКЗ имеет вид, изображенный на рис. 20.7, а. Рассмотрим участок трубопровода между двумя соседними СКЗ (рис. 20.7, б).

Точки размещения СКЗ являются максимумами V. Найдем точку х=к, в которой Ѵ=Ѵ_т\п. В этой точке касательная к кривой должна быть параллельна оси х, т. е.

- первое граничное условие. В соответствии с данными табл. 20.1 минимальный защитный потенциал равен —0,55 В. Таким образом, второе граничное условие можно записать в виде

где Ѵ_е — естественный потенциал. На рис. 20.7, б показаны оба этих граничных условия. Используя разностную схему для силы тока, можно составить уравнение

Рассмотрим произвольный участок трубопровода (*,-, *,-+І) и определим для него параметры электрозащиты. Согласно изложенному токораспределение на участке (Хі, х,-+І) будет описываться кусочно-гладкой кривой, имеющей точку излома вблизи точки дренажа. Зададим в точках х^, х,-+І минимальный защитный потенциал Ѵ_т\„ и с!Ѵ/(іх=0 и определим ветви функции токораспределения по формулам (20.22) и (20.25). Поскольку значения потенциалов левой ІІ правой ветвей в точке их пересечеиия должны совпадать, координата станции ХІ* для защитной зоны (*,-, хІ+\) будет найдена из уравнения

где ѵ. — координаты точки с минимальным защитным потенциалом.

Распределение потенциалов и токов описывается кривыми, изображенными на рис. 20.8, а и 20.8, б соответственно. Ток СКЗ будет складываться из тока иравого и левого плечей за-щитной зоны:

Хотя в общей цепи катодной защиты имеется несколько по-следовательных участков падения напряжения, практическое значение для расчета" имеют почти всегда три из них: падение напряжения на переходном сопротивлении между землей и трубопроводом, падение напряжения на сопротивлении растеканию тока с анода и падение напряжения в соединительных проводах:

где /?₃, /?к — сопротивления соответственно анодного заземления и соединительных кабелей.

Таким образом, если уравнение (20.28) имеет решение, то это решение представляет собой координату СКЗ для защитной зоны (хі, ХІ+\). Уравнение (20.28) может ІІе иметь решения, если граничные условия, заданные на концах расчетного участка, сильно различаются между собой, а сам участок мал. В данном случае граничные условия на концах участка совпадают, и уравнение всегда имеет решение.

Решение разностного уравнения (20.22) сходится к точному решению уравнения (20.21) при шаге т)<1. Так как трасса имеет значительную протяженность 1^>1, удобно перейти к безразмерным координатам. Для этого необходимо сделать замену переменной

Приведенные формулы получены в предположении, что отношение удельного сопротивления грунта к расстоянию между трубопроводом и анодным заземлением мало, а электрод сравнения находится в бесконечно удаленной точке.

Вследствие ограничений на потенциал в точке дренажа катодных установок зона защиты одной станции ограничена, поэтому электрозащита трубопроводов может быть обеспечена только размещением вдоль трассы ряда станций. Из опыта применения комплексной защиты известно, что ограничение защитного потенциала приводит во многих случаях к более частой расстановке СК.З или к применению специальных средств для понижения потенциала в точке дренажа. Осуществление такой защиты сложно и дорого по сравнению с защитой при повышенных потенциалах. Повышение потенциала в точке дренажа СКЗ позволяет получить значительную экономию.

При назначении антикоррозионных мероприятий нужно учитывать их экономическую эффективность, так как электрозащита может быть осуществлена различным числом СКЗ при различной мощности и размещении.

Глава 21