Защита трубопроводных систем от коррозии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Системы отопления. Определение, характеристика

2. Коррозия в системах отопления

2.1 Отложение накипи

2.2 Кислородная коррозия

2.3 Коррозия под отложениями

2.4 Коррозия блуждающих токов

2.5 Общая и местная кислотные коррозии

3. Расчет протекторной защиты трубопроводов

3.1 Методика расчета протекторной защиты трубопровода

3.2 Расчет системы протекторной защиты

4. Расчет катодной защиты трубопроводов

4.1 Методика расчета катодной защиты трубопроводов

4.2 Пример расчета катодной защиты

5. Металлопластиковая труба. Описание, применение

Библиографический список



Введение

Самопроизвольное окисление металлов, вредное для промышленной практики (уменьшающее долговечность изделий), называется коррозией. Среда, в которой металл подвергается коррозии (коррозирует), называется коррозионной, или агрессивной.

Трубопроводы и оборудование в процессе эксплуатации подвергаются процессу коррозии.

Коррозия металла труб происходит как снаружи под воздействием почвенного электролита (в почве всегда находится влага и растворённые в ней соли), так и внутри, вследствие примесей влаги, сероводорода и солей, содержащихся в транспортируемом углеводородном сырье. Коррозия металлических сооружений наносит большой материальный и экономический ущерб. Она приводит к преждевременному износу агрегатов, установок, линейной части трубопроводов, сокращает межремонтные сроки оборудования, вызывает дополнительные потери транспортируемого продукта.

Успешная защита трубопроводных систем от коррозии может быть осуществлена при своевременном обнаружении коррозионных разрушений, определении их величины и выборе защитных мероприятий. В начальный период эксплуатации состояние трубопровода определяется качеством проектирования и строительства. Влияние этих факторов уменьшается во времени и доминирующее значение приобретают условия работы трубопровода. В процессе работы изменение технического состояния транспортной магистрали происходит под воздействием эксплуатационных факторов, одним из которых является коррозия внутренней и внешней поверхности труб. При электрохимической защите подземных трубопроводов требуется выполнять ряд измерений: разности потенциалов "труба-земля"; поляризационного потенциала на трубопроводе; величину коррозионной активности грунтов; состояние изоляционного покрытия. Перечисленные измерения позволяют оценить остаточный эксплуатационный ресурс труб с учетом эффекта старения металла.



1. Системы отопления. Определение, характеристика

Система отопления - это совокупность технических элементов, предназначенных для получения, переноса и передачи во все обогреваемые помещения количества теплоты, необходимого для поддержания температуры на заданном уровне.

Основные конструктивные элементы системы отопления:

- теплоисточник (теплогенератор при местном или теплообменник при централизованном теплоснабжении) - элемент для получения теплоты;

- теплопроводы - элемент для переноса теплоты от теплоисточника к отопительным приборам;

- отопительные приборы - элемент для передачи теплоты в помещение.

Системы отопления можно разделить:

1. По типу источника нагрева - газовые, геотермальные, дровяные, мазутные, солнечные, угольные, торфяные, пеллетные, электрические (кабельная) и пр.;

2. По типу теплоносителя - водяные (жидкостные), воздушные, паровые, комбинированные;

3. По типу применяемых приборов - лучистые, конвективно-лучистые, конвективные;

4. По виду циркуляции теплоносителя - с естественной и искусственной (механической, с использованием насосов);

5. По радиусу действия - местные и центральные;

6. По режиму работы - постоянно работающие на протяжении отопительного периода и периодические (в том числе и аккумуляционные) системы отопления;

7. По гидравлическим режимам - с постоянным и изменяемым режимом;

8. По ходу движения теплоносителя в магистральных трубопроводах - тупиковые и попутные;

Для водяного отопления:

9. По способу разводки-с верхней, нижней, комбинированной, горизонтальной, вертикальной;

10. По способу присоединения приборов - однотрубные, двухтрубные.



2. Коррозия в системах отопления

В системах отопления может встречаться:

- разрушение обогреваемых поверхностей из-за перегрева, провоцируемого образованием накипи в воде;

- кислородная коррозия, коррозия под отложениями, коррозия блуждающих токов (очень редко), кислотная общая и локальная коррозия (из-за повышенной агрессивности воды с фактором pH < 7).

2.1 Отложение накипи

Образование накипи происходит из-за того, что соли кальция и магния, растворенные в воде при температуре окружающей среды, подвергаются химическим изменениям при нагреве. Бикарбонат кальция трансформируется в карбонат кальция, воду и углекислый ангидрит, в то время как бикарбонат магния превращается в гидрат магния и углекислый ангидрит.

Бикарбонат кальция Ca(HCO₃)₂

--------------> увеличение температуры ---------------->

CaCО ₃+H₂O+CO₂

Бикарбонат магния Mg(HCO₃)₂

-------------> увеличение температуры ----------------->

Mg(OH)₂+ 2CO₂

Карбонат кальция и гидрат магния образуют твердые и нерастворимые отложения, с высоким показателем теплоизоляции: коэффициент теплообмена слоя известковых отложений толщиной 3 мм равен коэффициенту стальной пластины толщиной 250 мм! Были произведены расчеты, что накипь средней толщиной в 2 мм увеличивает расход на 25 %! Реакции, которые приводят к образованию известковых отложений, ускоряют увеличение температуры: обычно, в большинстве случаев, вода в нашей стране богата солями кальция и магния (т.е. является "жесткой"), и образования накипи происходит уже при температуре выше 40 °C.

Количества бикарбонатов кальция и магния, содержащихся в объеме воды при первой загрузке системы, как правило, недостаточно для образования большого количества накипи, которое может повредить котел: постоянная подпитка свежей водой приводит к интенсивному образованию накипи и повреждению системы.

2.2 Кислородная коррозия

Кислородная коррозия - это последствие природного явления: окисления металла.

В природе железо не существует в чистом виде, а всегда в комбинированной форме и почти всегда связано с кислородом (оксид железа). Отделение железа от кислорода возможно только в специальной печи при расплавлении минерала. После отвердевания в виде стали (в комбинации с другими элементами), железо пытается впитать кислород (из воздуха или из воды) для того, чтобы восстановить органическое равновесие (окисление).

Сталь при контакте с водой, впитывает кислород, содержащийся в микропузырьках воздуха, образуя оксид железа Fe₂O₃ (ржавчину), имеющую характерный красноватый цвет.

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃ (оксид железа, ржавчина).

Постоянный процесс окисления приводит к уменьшению толщины металла вплоть до образования дыр. Коррозия образует на металлической поверхности круглые впадины (похожие на кратеры). Когда коррозия разрушает толщину стенки, потери воды становятся существенными. Кислородная коррозия поражает все металлические поверхности системы, а не только ее определенные точки: поэтому она обладает большой разрушительной силой, ее невозможно исправить, и она приводит к потерям воды, содержащейся в контуре. Если же система хорошо защищена снаружи и нет постоянной подпитки свежей водой, содержание кислорода уменьшается в прогрессии, происходит частичное окисление в связи с недостатком кислорода и образуется магнитный железняк (Fe₃O₄) черного цвета, который защищает металл от возможной коррозии.

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (четырехокись железа, магнитный железняк).

2.3 Коррозия под отложениями

Коррозия под отложениями - это электрохимическое явление, обусловленное наличием посторонних тел в массе воды (песок, ржавчина и т.п.). Данные твердые вещества обычно откладываются на дне котла (образуют грязь). В этой точке может начаться химическая реакция микрокоррозии по причине различия электрохимического потенциала, который создается между материалом (сталью) при контакте с окружающими его частицами.

2.4 Коррозия блуждающих токов

Коррозия блуждающих токов - очень редкое явление, может появляться по причине различия электрических потенциалов между водой котла и металлической массой котла или трубопроводов (возникает эффект катода/анода). Поэтому рекомендуется производить заземление металлических компонентов, хотя в последнее время данный вид коррозии встречается крайне редко, поскольку сегодня практически не используется постоянный электрический ток.Данный феномен оставляет следы в форме небольших конических отверстий правильной формы.

2.5 Общая и местная кислотные коррозии

Эти типы коррозии менее очевидны, чем другие, но, тем не менее, являются наиболее опасными, поскольку поражают не только котел, но и всю систему отопления. Данная коррозия возникает из-за повышенной кислотности воды (pH < 7) в связи с:

- неправильным умягчением воды и присутствием в ней углекислого газа (который понижает значение pH).

Углекислота легко освобождается в умягченной воде, а также возникает в результате образования известковых отложений. Коррозия распространяется и поражает практически всю систему;

- неправильной промывкой системы (например, без пассиватора). В этом случае возможно образование локальных очагов кислотной коррозии в связи с остатками кислоты, в какой-либо точке системы. Наличие процесса коррозии легко определяется при помощи химического анализа воды: даже небольшое содержание железа в воде контура отопления указывает на наличие коррозии.



3. Расчет протекторной защиты трубопроводов

Протекторную защиту (рис. 1) от электрохимической коррозии участков магистральных трубопроводов применяют при значительной удаленности их от источников электроснабжения, где применение катодной защиты экономически нецелесообразно, а также в местах неполной защиты участков трубопроводов катодными установками. Протекторные установки, состоящие из протектора, активатора, проводника и контрольно-измерительной колонки, применяют для защиты конусов переходов трубопроводов через железные и шоссейные дороги, конденсат- и водосборников и др. Их присоединяют к защищаемому сооружению металлического протектора (анодного электрода), имеющему более низкий электрохимический потенциал по сравнению с потенциалом металла, защищаемого в данной коррозионной среде.

Рисунок 1. Принципиальная схема протекторной установки: 1 - трубопровод; 2 - точка дренажа; 3 - изолированный соединительный провод; 4 - протектор; А - анод; К - катод

При устройстве протекторной защиты к стальному трубопроводу подключают металлический протектор (4). В результате этого образуется гальванический элемент "труба-протектор", в котором трубопровод является КАТОДОМ, протектор - АНОДОМ, а почва - электролитом.

Так как материал протектора является более электроотрицательным, то под действием разности потенциалов происходит направленное движение электронов ё от протектора к трубопроводу по проводнику 3.

Практически протекторы изготовляют только из материалов, удовлетворяющих следующим требованиям:

- разность потенциалов материала протектора и железа (стали) должна быть как можно больше;

- ток, получаемый при электрохимическом растворении единицы массы протектора (токоотдача), должен быть максимальным;

- отношение массы протектора, израсходованной на создание защитного тока, к общей потере массы протектора (коэффициент использования) должно быть наибольшим.

Данным требованиям в наибольшей степени удовлетворяют магний, цинк и алюминий.

3.1 Методика расчета протекторной защиты трубопровода

Исходными данными для проектирования гальванической защиты (ГЗ) - защиты гальваническими анодами (протекторами) - являются:

- геометрические и электрохимические характеристики гальванического анода;

- удельное электрическое сопротивление грунта в месте установки анода у трубопровода;

- диаметр и при необходимости переходное сопротивление трубопровода.

Расчет ГЗ сводится к определению:

- силы тока в цепи гальванический анод - труба;

- срока службы анода;

- необходимого числа анодов для защиты участка трубопровода.

1. Сила тока J (А) в цепи одиночный гальванический анод (ГА) - трубопровод в общем случае равна:

J₁ = [Е_т (J) - Е_га (J)]/ R = [E(J)]/ R

где Е_т (J) и Е_га (J) - электродные потенциалы трубы и ГА при силе тока J, R (Ом) - омическое сопротивление в цепи ГА - труба.

Величины Е_га и особенно Е_т представляют собой сравнительно сложные функции силы тока J. Поэтому при проектировании ГЗ чаще всего упрощенно принимают E(J) 0,6 В. При этом

J₁ 0,6 / R (1)

2. Омическое сопротивление R представляет собой сумму сопротивлений растеканию тока ГА R_a, проводника, соединяющего ГА с трубой R_сп, и входного сопротивления трубопровода R_т:

R = R_a + R_сп +R_т (2)

Принимается, что поляризационные сопротивления ГА и трубы не зависят от тока и входят в значения R_a и R_т соответственно.

3. Входное сопротивление трубопровода равно:

, (3)

где R_прод - продольное сопротивление металла трубы на единицу ее длины; R_пер - переходное сопротивление труба-земля. R_прод при известных удельном сопротивлении металла трубы, _м (Ом·м), ее диаметра D (м) и толщине стенки (мм) вычисляется легко:

R_прод (Ом·м) = _м / [·(10³ D - ) · ] (4)

Значение R_пер вычислить сложнее:

, (5)

Здесь R_из (Ом·м) - сопротивление изоляции на единицу длины трубы, _г - (Ом·м) - удельное сопротивление грунта, h_т - расстояние от поверхности земли до оси трубы. Значение R_из убывает во времени t, R_из = R_из (t), поэтому в уравнении (5) R_из при расчете ГЗ следует в зависимости от задачи относить к моменту начала или конца эксплуатации ГА. Если известно или принято удельное поверхностное сопротивление изоляции (Ом·м ²), то R_из вычисляется по формуле:

, (6)

4. Сопротивление соединительного провода равно:

R_сп (Ом) = _сп l_сп / S, (7)

где _сп - удельное сопротивление металла провода (для меди и алюминия соответственно 0,0175 и 0,028 Ом·мм ² /м), l_сп (м) - длина, S (мм ²) - сечение соединительного проводника.

Обычно основной вклад в величину R вносит сопротивление растеканию тока анода R_a, и чаще всего вместо уравнения (2) используют упрощенную формулу:

R R_a (8)

5. Значение R_a зависит от расположения анода в грунте, длины анода l_a (м); его диаметра d_a (м); удельного сопротивления грунта _г; отсутствия или наличия засыпки - активатора: специальной смеси для снижения и стабилизации сопротивления растеканию тока и предотвращения пассивации ГА. При наличии засыпки в расчет вводятся ее удельное сопротивление _з (Ом·м); высота l_з (м) и диаметр d_з (м) столба засыпки.

6. Для вертикального анода без засыпки сопротивление растеканию тока равно:

R_a = (_г / 2 l_a){ln(2l_a / d_a) + 0,5 · ln [(4h + l_a) / (4h - l_a)]}, (9)

где h (м) - расстояние от поверхности земли до середины анода.

7. Для вертикального ГА с засыпкой (комплектного анода):

R_aз = (_г / 2 l_з){ln(2l_з / d_з)+0,5 · ln [(4h + l_з)/(4h - l_з)]+ [(_з / _г) · ln(d_a /d_з)]}, (10)

8. Для горизонтального ГА без засыпки:

(11)

9. Для горизонтального ГА с засыпкой (комплектного анода)

(12)

Формулы (8) - (11) справедливы при условии l_a > d_a, l_з > d_з. Формулы (9) и (10) справедливы при условии соответственно l_a < 4h, l_з < 4h.

10. Значения R_a для выпускаемых магниевых протекторов типа ПМ-У при h 2,5 м могут быть рассчитаны по эмпирической формуле

R_аз = А_г + В, (13)

где А и В - численные коэффициенты, приведенные в таблице:

Тип анода	А, м-1	В, Ом
ПМ 5У	0,57	0,24
ПМ 10У	0,47	0,18
ПМ 20У	0,41	0,15

11. Срок службы одиночного ГА, Т (годы), вычисляют по формуле:

Т = G q _{п и} / (J_ср · 8760), (14)

где G - масса ГА (кг); q - теоретическая токоотдача материала анода, А.ч/кг (для магниевых анодов 2330 А.ч/кг); _п - к.п.д. анода (обычно принимают _п = 0,6 или по технической документации на анод); _и - коэффициент использования материала анода (обычно принимают _и = 0,90); J_ср (A) - средняя сила тока в цепи анод-труба за период эксплуатации анода T.

12. Количество одиночных анодов, необходимое для защиты сети трубопроводов, вычисляется из суммарного катодного тока J_c (А), требуемого для защиты сети. Значение J_c для построенных трубопроводов может быть найдено из данных опытного включения передвижных катодных станций, а для проектируемых трубопроводов - из необходимой плотности защитного тока и суммарной площади поверхности трубопроводов. С учетом этого необходимое количество идентичных одиночных анодов N равно:

N = J_c / J₁, (15)

где J₁ определяется уравнением (1), а значение R в уравнении (1) - формулой (2) или (8).

13. В целях эффективного использования и удобства контроля ГА при эксплуатации часто размещают группами. Количество групп, их местоположение и число анодов в каждой группе определяются при проектировании в зависимости от условий расстановки.

14. Общее число анодов в группе, необходимое для защиты данного участка трубопровода, определяется по формуле:

n_гр = J_з / J_{1 ср}, (16)

где J_з - сила тока, необходимая для защиты участка;

_ср - средний коэффициент использования анода.

Значение _ср может приниматься равным 0,85 при расстояниях между соседними анодами 2-5 м.

После размещения групп ГА на плане подземных сооружений вычисляется ожидаемая сила тока J_ож в каждой группе:

J_ож = n_гр · J₁ · , (17)

где - коэффициент использования ГА. Значение для ряда вертикальных комплектных анодов может быть найдено по диаграмме рис. У 1 в зависимости от числа анодов в группе n_гр и отношения a/l_з межанодного расстояния а (м) в группе к длине комплектного анода l_з (м).

15. В случае применения ГЗ для защиты от опасного влияния блуждающих токов необходимый ток ГЗ определяют на построенном трубопроводе (путем опытного включения катодной станции или ГА) как величину, обеспечивающую полное подавление положительного смещения суммарного потенциала от стационарного.

Рис. 1. Зависимость коэффициента использования () анодов группы ГА от количества (n) анодов в группе и отношения a/l_з межанодного расстояния (а) к длине (l_з) комплектного анода; а - ГА типа ПМ-5У; б - ГА типа ПМ-10У и ПМ-20У

3.2 Расчет системы протекторной защиты

Пусть требуется рассчитать систему ГЗ для защиты стального трубопровода. Диаметр трубопровода D = 0,108 м, толщина стенки = 5 мм, длина 1200 м, глубина прокладки h_т = 1 м. Удельное сопротивление грунта _г = 15 Ом·м. Необходимый суммарный начальный ток защиты обоих отводов, определенный по данным опытного включения передвижной катодной станции, равен J_н = 0,3 А.

Для устройства ГЗ доступны типовые комплектные M_g - аноды ПМ-10У длиной l_з = 0,7 м, диаметрами засыпки (активатора) d_з = 0,2 м и стержня d_а = 0,13 м, массой G = 30 кг. Удельное сопротивление засыпки _з = 2 Ом·м, необходимый срок эксплуатации Т не менее 10 лет. Глубина установки анода h = 1,85 м. коррозионный защита отопление трубопровод

1. Сопротивление растекания току ГА по эмпирической зависимости для ПМ-10У:

R_аз = 0,47·15+ 0,18 = 7,2 Ом.

2. Сопротивление растеканию тока вертикального анода с засыпкой:

R_аз= [15/(6,28·0,7)]{ln [(2·0,7)/0,2]+0,5ln [(4·1,85+0,7)/(4·1,85-0,7)]+(2/15)·ln(0,13/0,2)}= 5,94 Ом.

3. Сопротивление соединительного медного провода длиной l_сп = 10 м и сечением S = 5 мм ²:

R_сп = 0,0175 · 10/5 = 0,035 Ом.

4. Для вычисления переходного сопротивления трубопровода R_пер, необходимо рассчитать продольное сопротивление трубы R_пред. Приняв по справочным данным удельное сопротивление трубной стали _м = 0,25 Ом·мм ²/м, получаем:

R_прод = 0,25/3,14 · (10³·0,108-5) · 5 = 1,5 · 10^-4 Ом/м.

5. Пусть начальное сопротивление изоляции , определенное из данных опытного включения катодной станции, равно 200 Ом·м ². Тогда сопротивление изоляции на единицу длины трубы равно:

R_из = 200/(3,14 · 0,108) = 589 Ом·м.

6. Начальное переходное сопротивление труба/земля R_пер,:

.

7. Вычисляем начальное входное сопротивление трубопровода:

Ом.

8. Сопротивление цепи ГА-труба равно:

R = R_аз + R_сп + R_т = 5,94 + 0,035 + 0,35 = 6,4 Ом.

9. Оценим необходимый защитный ток к концу планируемого периода эксплуатации ГЗ (T не менее 10 лет), исходя из падения во времени входного сопротивления трубопровода R_т по формуле:

,

где R_тк и R_тн - конечное и начальное входное сопротивление трубопровода;

- коэффициент старения изоляции.

Приняв = 0,08, из получим при Т = 10 лет:

.

Поэтому можно принять, что необходимый защитный ток через 10 лет эксплуатации ГЗ составит 1/0,67 = 1,5 начального, т.е.

J_к = 1,5 · J_н = 1,5 · 0,30 = 0,45 A.

10. Ток, генерируемый одним анодом, равен:

J₁ = 0,6 / 7,2 = 0,082 А.

11. Предварительное число анодов в группе:

n_гр = 0,45 / 0,082 · 0,85 = 6,09.

Принимаем n_гр = 6. По графику при n_гр = 6 находим коэффициент использования анодов 0,89, мало отличающийся от предварительно принятого. Поэтому окончательно принимаем число ГА в грунте n_гр = 6, и максимальная сила тока ГЗ должна быть равна:

J = 6 · 0,082 · 0,89 = 0,467 А,

т.е. практически совпадает с необходимой конечной (через 10 лет) силой тока ГЗ J_к = 0,45 А.

12. Так как начальный и конечный токи защиты на 1 анод равны соответственно 0,3/6=0,05 А и 0,45/6=0,075 А, то средний ток за 10 лет равен

J_1ср = 0,05 + [(0,075-0,05) / 10]· 5 = 0,0625 А.

13. Потеря массы анода G за 10 лет эксплуатации равна:

10 = (G · 2330 · 0,6 · 0,9) / (8760 · 0,0625),

отсюда G = 4,35 кг. Таким образом, масса анода уменьшится всего на 14 %



4. Расчет катодной защиты трубопроводов

Катодная защита (рис. 1) - защита подземного металлического трубопровода при наложении электрического поля от внешнего источника тока, создающего катодную поляризацию на трубопроводе. При этом коррозионному разрушению подвергается анодное заземление из металлических или неметаллических электропроводных материалов. Такая защита осуществляется при создании защитной разности потенциалов между трубопроводом и окружающим его грунтом от источника постоянного (или выпрямленного) тока. Разность потенциалов создается станцией катодной защиты (СКЗ).

Рис. 1. Принципиальная схема катодной защиты магистрального трубопровода: 1 - трубопровод; 2 - анодное заземление (анод); 3 - соединительная электролиния постоянного или выпрямленного тока; 4 - защитное заземление; 5 - источник постоянного или выпрямленного тока; 6 - катодный вывод; 7,8 - точки соответственно подключения катодного вывода и дренажа; I₃ - ток катодной защиты

Как следует из схемы катодной защиты, электрический ток, растекающийся с анодного заземления (2) в почву, распространяется по ней и поступает на защищаемый объект (1) - трубопровод, поляризуя его катодно. Поступивший на защищаемый объект ток собирается в точке дренажа (8) и возвращается к своему источнику (5). Максимальный ток в цепи катодной защиты находится в точке подключения источника питания СКЗ (в точке дренажа).

Устройство, включающее СКЗ, анодное заземление и соединительные провода называют катодной установкой с внешним источником тока. СКЗ бывают двух типов: сетевые, питающиеся от действующих или специально сооружаемых ЛЭП, и с местными источниками тока, в качестве которых используют моторы-генераторы, электродвигатели различных типов термогенераторы и др. СКЗ состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя тока, устройств регулировки напряжения и контрольно-измерительных приборов.

Принцип действия катодной защиты аналогичен процессу электролиза. Под воздействием приложенного электрического поля источника начинается движение полусвободных валентных электронов в направлении анодное заземление - источник тока - защищаемое сооружение. Теряя электроны, атомы металла анодного заземления переходят в виде ион-атомов в раствор электролита, т.е. анодное заземление разрушается. Ион-атомы подвергаются гидратации и отводятся вглубь раствора. У защищаемого же сооружения вследствие работы источника постоянного тока наблюдается избыток свободных электронов, т.е. создаются условия для протекания реакций кислородной и водородной деполяризации, характерных для катода.

При осуществлении электрохимической защиты участка трубопровода, стенка которого более чем на 10 % толщины повреждена коррозией, минимальный защитный потенциал должен быть на 0,05 В отрицательнее.

Минимальный защитный потенциал должен поддерживаться на границе зоны действия станции катодной защиты (СКЗ). Так как значение защитного потенциала убывает с удалением от точки подключения СКЗ (точка дренажа), то максимальный защитный потенциал имеет место в точке дренажа. Чтобы предотвратить разрушение и отслаивание изоляционного покрытия вследствие выделения газообразного водорода, максимальное значение защитного потенциала ограничено. Так, для стального сооружения с битумной или полимерной изоляцией это значение составляет-1,15 В по МСЭ. Когда сооружение не имеет защитного покрытия, максимальное значение защитного потенциала не регламентируется.

В установках катодной защиты используют сосредоточенные, распределенные, глубинные и протяженные анодные заземления. Для уменьшения скорости их растворения электроды анодного заземления устанавливают в коксовую мелочь. Срок службы анодного заземления должен составлять не менее 15 лет.

4.1 Методика расчета катодной защиты трубопроводов

Основным расчетным параметром является средняя плотность защитного тока j_ср - отношение силы тока катодной станции J к суммарной наружной поверхности трубопроводов, защищаемых данной станцией.

Если проектируемые трубопроводы будут иметь соединения с действующими сооружениями, оборудованными установками ЭХЗ, необходимо расчетным путем проверить возможность защиты проектируемых трубопроводов действующими установками ЭХЗ.

Исходными данными для расчета катодной защиты проектируемых трубопроводов являются их параметры и среднее удельное сопротивление грунта на территории вдоль трасс проектируемых трубопроводов.

Площадь поверхности S_г (м ²) всех газопроводов, которые электрически контактируют между собой за счет технологических соединений или специальных перемычек, определяют по формуле:

, (1)

где d_iг - диаметр (мм);

I_iг - длина (м) участка газопровода, имеющего диаметр d_iг;

n - общее число соответствующих участков газопровода.

Площадь поверхности всех водопроводов S_в (м ²), которые электрически контактируют между собой за счет технологических соединений или специальных перемычек, определяют по формуле:

, (2)

где d_iв - диаметр (мм);

I_iв - длина (м) участка водопровода, имеющего диаметр d_iв;

m - общее число соответствующих участков водопровода.

Суммарная площадь поверхности S (м ²) всех электрически связанных газопроводов и водопроводов равна:

S = S_г + S_в, (3)

Среднее удельное сопротивление грунта (Ом·м) вдоль трасс проектируемых трубопроводов определяется по формуле:

, (4)

где _iг и _iв - средние удельные сопротивления грунта (Ом·м) вдоль длины соответственно I_iг - каждого i-го участка газопровода и I_iв - каждого i-го участка водопровода;

L_г и L_в - суммарные длины газопроводов и водопроводов на данной территории.

Вычисляется доля (%) площади поверхности газопроводов а_г и водопроводов а_в в суммарной площади их поверхностей:

а_г = (S_г/S) · 100 (5)

а_в = (S_в/S) · 100 (6)

Вычисляется площадь поверхности (м ²/га) газопроводов b_г и водопроводов b_в, приходящаяся на единицу площади территории S_тер (га), где размещены проектируемые трубопроводы:

b_г = (S_г/S_тер) (7)

b_в = (S_в/S_тер) (8)

Средняя плотность защитного тока для всех трубопроводов j (мА/м ²) вычисляется по уравнению:

j = 30-10^-3 (100 + 3,0 b_в + 34b_г + 5) (9)

При отсутствии водопроводов средняя защитная плотность тока газопроводов вычисляется по уравнению:

j_г = 20 + 10^-3 (100-34b_г + 5) (10)

Если расчетное значение j или j_г меньше 6 мА/м ², принимается j = 6 мА/м ².

Суммарная сила тока (А), необходимого для катодной защиты проектируемых газо- и водопроводов, определяется по формуле:

J = 1,3 · 10^-3 jS, (11)

а для защиты только сети газопроводов - по формуле:

J_г = 1,3 · 10^-3 j_гS_г, (12)

Число катодных станций определяют из условий оптимального размещения анодных заземлителей, наличия источников питания и т.д. При этом значение тока одной катодной станции можно ориентировочно принять равным 25 А. Поэтому число катодных станций приближенно равно n = J/25, где J = J или J_г.

После размещения катодных станций на совмещенном плане необходимо рассчитать зону действия каждой из них. Для этой цели определяют радиус действия R_i (м) каждой катодной станции:

, (13)

где j - катодная плотность тока (А/м ²), определенная по формуле (9) или (10),

K (м ²/гa) - площадь поверхности всех трубопроводов на единицу площади поверхности территории:

K = S (м ²) / S_тер (га) (14)

Если площади кругов, радиусы действия каждого из которых равны R_i, а центры находятся в точках размещения анодных заземлителей, не охватывают всей территории S_тер, необходимо изменить или места расположения катодных станций, или их токи и вновь выполнить проверку.

Тип преобразователя катодной станции выбирается так, чтобы допустимое напряжение было на 30 % выше расчетного с учетом старения изоляционных покрытий и анодных заземлителей, а также возможного развития сети трубопроводов.

4.2 Пример расчета катодной защиты

1. Пусть на территории площадью 5 га после завершения строительства будут размещен трубопровод диаметром и длиной соответственно d =108 мм I =1200 м.

2. Определяем площадь поверхности трубопровода:

S_г = 3,14 · 10^-3 (108 ·1200) = 407 м ²,

3. Принимаем среднее удельное сопротивление грунта 42 Ом·м

4. Вычисляем доли площади поверхности трубопроводов:

а = (407/407)·100 = 100 %

5. Вычисляем коэффициенты b:

b = 407 / 5 = 81,4 м ²/га.

6. Вычисляем среднюю плотность защитного тока:

j_г = 20 + 10^-3 (100-34·81,4+ 5·42) = 17,54 мА/м ².

7. Вычисляем суммарную силу защитного тока:

J = 1,3·10^-3·17,54·407 = 9,28 А

8. Принимаем катодную станцию марки МКЗ-М 12 со следующими характеристиками:

1. Номинальный ток: 15 А.

2. Номинальное выходное напряжение: 24 В.

3. Технический ресурс: 100 тыс. ч.

4. Срок службы: не менее 20 лет.

5. КПД: не менее 0,85.

6. Масса: 38 кг.

9. Вычисляем коэффициент К по формуле:

К = (407/5) = 81,4 м ²/га.

10. Радиус действия катодной станции:

R = 60·v(9,28/(17,54·81,5·0,001)) = 152 м.

Катодная станция охватывает всю территорию размещения проектируемых трубопроводов (7,25 га). Следовательно, изменять число катодных станций и их расположение не нужно.



5. Металлопластиковая труба. Описание, применение

Металлопластиковые трубы - это композитные трубы, состоящие из двух или более компонентов.

Толщина стенки трубы - варьируется в пределах 0,2-2 мм.

Изнутри и снаружи труба имеет пластиковую оболочку, выполненную из полимерного материала PE-X (полиэтилена). Поскольку слои метала и пластика соединены между собой клеем, то трубу можно назвать пятислойной конструкцией.

Благодаря использованию пластика, внутренняя поверхность таких труб идеально гладкая, поэтому они забиваются намного реже, чем металлические. А применение алюминиевой прослойки увеличивает прочность трубы, так как частично компенсирует тепловое расширение пластика. Кроме того, слой алюминия препятствует диффузии кислорода из атмосферы внутрь трубы.

Клеящий состав, который используется для соединения слоев трубы, является наиболее уязвимым местом трубы, так как если клей потеряет эластичность, изделие расслоится. Поэтому производители постоянно работают над улучшением свойств клеевого состава.

Несмотря на свою многослойность, металлопластиковые трубы не должны быть слишком толстыми, иначе они потеряют одно из своих основных свойств - гибкость. Поэтому алюминиевая часть трубы достаточно тонкая, по виду она напоминает скорее фольгу, чем металл.

Технические характеристики. Выпускаемые трубы металлопластиковые - ГОСТ Р 52134-2003 должны соответствовать следующим требованиям:

· Диаметр - от 16 до 63 мм.

· Давление рабочее - до 10 атмосфер включительно.

· Рабочие температуры - до +95 градусов. Непродолжительное время трубы могут выдержать температуру +110 градусов.

Преимущества металлопластиковых труб:

В результате удалось достичь следующего перечня преимуществ:

· Стойкость к заиливанию и зарастанию.

· Устойчивость к коррозии и антитоксичность.

· Высокая пропускная способность, которая больше в сравнении с металлическими трубами аналогичного диаметра в 1,3 раза.

· Устойчивость к агрессивным средам.

· Надежность и долговечность. К примеру, стальная труба прослужит примерно 15-20 лет, если же взять металлопластиковые трубы - срок службы трубопровода составит около 50 лет.

· Незначительный вес и высокая пластичность.

· Низкая теплопроводность: в 175 раз меньшая в сравнении со стальными трубами и в 1300 раз - с медными.

· Простота монтажа металлопластиковых труб своими руками, минимальное количество отходов, простой перечень инструментов для обработки, возможность заливать трубы в бетон без ограничений.

· Хорошие звукоизоляционные свойства.

· Антистатичность (непроводимость блуждающих токов).

· Отличная ремонтопригодность без потребности в применении трубогибочного и сварочного оборудования.

Недостатки металлопластиковых труб. Существуют и недостатки металлопластиковых труб. Среди них:

· Горючесть материала.

· Из-за различия показателей теплового расширения алюминия и пластика при резком перепаде температуры транспортируемой среды возможно расслоение трубы по клеевым слоям.

· Трубы из металлопластика необходимо защищать от прямого воздействия солнечного света.

Области применения труб:

· В системах отопления - напольного и радиаторного.

· В системах подачи холодной и горячей воды.

· В системах водоподготовки.

· В промышленности при строительстве технологических трубопроводов для транспортировки самых разнообразных средств.

· Для транспортировки газа или сжатого воздуха.



Библиографический список

1. РД 153-39.4-091-01 "Инструкция по защите городских подземных трубопроводов от коррозии".

2. ГОСТ 9.602-2005* "Единая система защиты от коррозии и старения. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии".

3. ГОСТ Р 52134-2003 "Трубы напорные из термопластов и соединительные детали к ним для систем водоснабжения и отопления".

4. Мустафин Ф.М., Кузнецов М.В., Быков Л.И. Защита от коррозии. Т. 1. Уфа: Дизайн Полиграф Сервис, 2004. - 806 с.

5. http://files.stroyinf.ru.

Размещено на Allbest.ru

...