Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Заочный факультет

Кафедра: «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Коррозия и защита металлов»

На тему:

«Катодная защита»

Выполнил: студент 5-ЗФ-34 Мочалин Д.В.

Проверил: профессор Самборук А.Р.

Самара 2015

Содержание

защита катодный металл заземление

Введение

1. Принцип катодной защиты

2. Расчет установки катодной защиты

2.1 Электрические параметры трубопровод

2.2 Основные параметры установки катодной защиты

2.3 Параметры анодного заземления

2.4 Параметры дренажной электроники

2.5 Станции катодной защиты

2.6 Параметры катодной станции

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Наука о коррозии металлов имеет огромное прикладное значение в металлургической промышленности, позволяя разрабатывать и внедрять новые методы противокоррозионной защиты металла, а также увеличивать коррозионную стойкость сплава путем варьирования его химического состава и металлографической структуры. Именно поэтому целью любого научного исследования в области коррозии является выявление закономерностей процесса разрушения металла в различных условиях для создания теоретических основ и практической реализации методов защиты. Таким образом, наука о коррозии - занимает промежуточное положение между естественными и прикладными науками, а научной базой курса «Коррозия и защита металлов» являются физическая химия, металловедение и материаловедение, позволяющие связывать закономерности физико-химических превращений металлов и сплавов с их металлографическими, механическими и другими характеристиками.

1. Принцип катодной защиты

Сущность метода катодной защиты состоит в том, что поверхность защищаемой конструкции, соприкасающуюся с электропроводящей коррозионной средой (влажным грунтом или технологическими жидкостями), катодно поляризуют, то есть сдвигают потенциал защищаемой конструкции в сторону более низких значений. При этом скорость анодной реакции растворения металла снижается, следовательно, уменьшается скорость его коррозии.

Рассмотрим катодную защиту подземных трубопроводов. Для этого трубопровод соединяют с отрицательным полюсом внешнего источника постоянного тока, т.к. он действует в качестве катода, а положительный полюс источника тока соединяют с анодным заземлением. Под действием приложенной разности потенциалов «труба-земля» ток из грунта втекает в трубопровод, замедляя его коррозию (Рисунок 1).

Рисунок 1 Принцип катодной защиты подземного трубопровода

В несильно агрессивных условиях в большинстве случаев уменьшение потенциала приводит обычно к соответствующему снижению скорости коррозии защищаемого металла. Однако в некоторых случаях бывает и так, что катодная поляризация не дает существенного снижения скорости коррозии.

Такие затруднения в применении катодной защиты возникают тогда, когда коррозия металла протекает одновременно по электрохимическому и по химическому механизмам. Но в большинстве случаев, особенно при контакте защищаемого металла с нейтральными растворами или грунтами, скоростью коррозии можно управлять, изменяя (уменьшая) его потенциал.

Причина снижения скорости коррозии металла при катодной поляризации связана с тем, что при таком изменении потенциала происходит уменьшение скорости анодной реакции. Чем больше снижается анодный ток, тем выше степень катодной защиты. Поскольку это достигается увеличением пропускаемого катодного тока от внешнего источника (или протектора), то приходится заботиться об экономичности используемого режима катодной защиты.

Теперь рассмотрим технические приемы, с помощью которых удается сместить потенциал защищаемого металла в катодную область, то есть осуществить катодную поляризацию. Одним из таких средств является использование протекторов, изготовленных из металлов или сплавов, имеющих в данной коррозионной среде потенциал значительно меньший, чем металл защищаемой конструкции. Протекторы присоединяют к защищаемой конструкции с помощью проводника, имеющего небольшое сопротивление. При взаимодействии протектора с коррозионной средой происходит его растворение, освобождающиеся электроны перетекают на защищаемую конструкцию, которая при этом катодно поляризуется. Применяя протекторы для защиты подземных сооружений, стремятся к созданию условий их стабильной работы. Для этого, устанавливая протекторы в грунт, засыпают их специальными активирующими веществами, исключающими возникновение на их поверхности защитных слоев, тормозящих растворение протектора.

Большое значение для эффективной работы протекторов имеет электропроводимость коррозионной среды. Если она низка - радиус действия протектора невелик. Нужно считаться также и с тем, что электропроводимость такой коррозионной среды, как грунт, может изменяться, например, из-за погодных условий, что будет приводить к изменению степени защиты конструкции с помощью протектора. Это делает катодную протекторную защиту нестабильной. Катодная защита промышленного оборудования, контактирующего с речной водой, ограничена низкой электропроводимостью воды. Протектор в этом случае имеет небольшое дальнодействие. Преодолеть этот недостаток удается применением металлизационных покрытий Al и Zn (толщиной 0,2-0,4 мм), обладающих протекторными свойствами. Однако имеются в практике удачные примеры применения катодной защиты даже емкостей для хранения обессоленной питательной воды для паровых котлов, электропроводимость которой около 100 мкСм/см.

Более надежную катодную защиту обеспечивает применение поляризации внешним током от специального источника, который вместе с различными дополнительными устройствами называют катодной станцией. Для соединения положительного полюса катодной станции с электропроводящей коррозионной средой необходимы аноды. Применяют стальные, графитовые, железокремневые (ферросилидовые) и другие аноды, в разной степени подверженные разрушению в процессе работы. В особо ответственных случаях, когда затруднена замена износившихся анодов или она обходится очень дорого, применяют титановые платинированные аноды, или аноды из других нерастворимых материалов.

Наиболее совершенные типы катодных станций представляют собой устройства, обеспечивающие автоматическое поддержание потенциала защищаемой конструкции на заданном уровне. Это позволит достигать высокой точности регулирования потенциала (до±10 мВ) независимо от изменяющихся условий и, кроме того, заметно снизить расход электроэнергии по сравнению с неавтоматической станцией катодной защиты. В удалении от линий централизованного энергоснабжения, например при защите морских сооружений, в качестве источника поляризующего тока могут использоваться солнечные батареи. В этом случае поляризация оказывается прерывистой с полусуточным циклом.

Обычно катодную защиту используют совместно с наружным изоляционным покрытием, что уменьшает необходимый ток на несколько порядков. По мере разрушения покрытия в процессе эксплуатации и оголения металла катодный ток должен возрастать для обеспечения защиты трубопровода.

Максимальное (по абсолютной величине) значение защитной разности потенциалов находится у точки дренажа, лежащей против анода.

По мере удаления от точки дренажа вдоль трубопровода значение наложенной разности потенциалов уменьшается. Следует помнить, что для изолированных трубопроводов значительное завышение наложенной разности потенциалов оказывают вредное влияние на адгезию покрытия к металлу.

Работа катодной станции заключается в том, что отрицательный полюс катодной станции соединен с трубопроводом и трубопровод поляризуется отрицательными относительно стационарного потенциала - ц_стац. Величину отрицательного потенциала нельзя увеличивать до бесконечности, т.к. начинает происходить разрушение защитного покрытия трубопровода.

2. Расчет установки катодной защиты

Основными элементами установки катодной защиты (УКЗ) являются: катодная станция (источник постоянного тока), анодное заземление и дренажная электролиния.

Для расчета УКЗ последовательно определяют:

ѕ первичные параметры (продольное сопротивление трубопровода и переходное сопротивление «труба - земля»), а затем и вторичные параметры (входное сопротивление трубопровода и постоянная распространения вдоль трубопровода);

ѕ расстояние между трубопроводом и анодным заземлением;

ѕ силу тока катодной установки;

ѕ параметры дренажной электролинии;

ѕ параметры катодной станции. Для определения этих параметров необходимы следующие исходные данные:

ѕ размеры трубопровода (l=37000 м, d=377 мм и =25 мм);

ѕ удельное сопротивление грунта по трассе трубопровода (;

ѕ вид и толщина изоляционного покрытия (полиэтилен экстродированный, толщина 2,5 мм), а также переходное сопротивление «труба-земля» для этого покрытия (;

ѕ вид, форма и материал электрода анодного заземления - вертикальный стальной.

2.1 Электрические параметры трубопровода

2.1.1 Электрические параметры трубопровода объединяют в себе вышеупомянутые первичные и вторичные параметры.

2.1.2 Продольное сопротивление трубопровода находим по формуле:

p_T - удельное электрическое сопротивление металла трубопровода, p_T =0,098 Ом•мм²/м;

Д_Т - наружный диаметр трубопровода, мм;

д_Т - толщина стенки трубопровода, мм.

2.1.3 Постоянная распространения тока вдоль трубопровода, характеризующая протяженность зоны катодной защиты:

Приближенно длина катодной защиты обратно пропорциональна постоянной распространения тока.

2.1.4 Входное сопротивление трубопровода в точке дренажа при одинаковых электрических параметрах левого и правого плеча защищаемого трубопровода:

2.2 Основные параметры установки катодной защиты

2.2.1 При проектировании УКЗ основными параметрами являются сила защитного тока и протяженность защитной зоны. В нашем упрощенном случае протяженность защитной зоны равна заданной длине трубопровода.

2.2.2 Минимальная наложенная разность потенциалов «труба-земля»:

1,22 - (- 0,67) = 0,55 В

где U_max - максимальный защитный потенциал, В;

U_n - усредненное значение естественного потенциала «труба-земля», В;

При новом изоляционном покрытии U_n принимается равным -0,67В по отношению к неполяризующемуся медно-сульфатному электроду (МСЭ) сравнения, а величина U_max составляет -1,22В по МСЭ.

2.2.3 Максимально допустимую наложенную разность потенциалов «труба - земля»:

1,52 - (- 0,67) = 0,95 В

При изоляционном покрытии, имеющем частичное сооружение, усредненная величина естественного потенциала принимается -0,57 В по МСЭ, а максимальный защитный потенциал составляет -1,52 В по МСЭ.

2.2.4. Кратчайшее расстояние от трубопровода до анодного заземления:

где К_В - коэффициент, учитывающий взаимодействие соседних катодных установок К_В = 1;

р_з - удельное сопротивление земли в поле токов катодной установки, Ом•м;

L - протяженность плеча защиты (в нашем случае равна половине длины трубопровода), м.

2.2.5 Силу тока в цепи катодной установки в начальный расчетный период эксплуатации:

2.2.6 Силу тока в цепи катодной установки в конечный расчетный период эксплуатации:

За конечный период обычно принимают амортизационный срок катодной станции, равный 10 годам. За это время переходное сопротивление «труба - земля» обычно значительно снижается и требуемая УКЗ возрастает.

2.3 Параметры анодного заземления

2.3.1 Анодное заземление характеризуется сопротивлением растеканию, стабильностью этого сопротивления в течении года, длительностью срока службы, стоимостью сооружения заземления и его срока службы. Для уменьшения непроизводительных потерь электроэнергии на заземлении необходимо максимально уменьшить сопротивление растеканию. Сопротивление, оказываемое землей, зависит от ее удельного сопротивления и от характера распределения тока в ней. В свою очередь характер распределения тока, стекающего с заземлителей, определяется их размером и формой, а также месторасположением, по отношению к земной поверхности.

2.3.2 Сопротивление растеканию электрода, расположенного вертикально:

где, р₃ - удельное электрическое сопротивление грунта, Ом•м;

l_э - длина электрода, принимаем равной 5 м;

d_э - диаметр электрода, м, принимаем 0,1 м;

H_э - глубина установки электрода (расстояние от уровня земли до уровня электрода), принимаем 1,5 м.

2.3.3 Число электродов в заземлении при заданном расстоянии между ними:

где - I_к - сила тока катодной установки в конце расчетного периода, А;

R₃ - сопротивление растеканию одиночного электрода, Ом;

С_э - сопротивление 1кВт/ч электроэнергии, принимаем равной 0,25 грн/кВт;

С_а - стоимость одного электрода, принимаем равной 900 грн.;

- КПД катодной установки ( 0,7 - 0,8);

_э - коэффициент экранирования электродов (0,7);

_м - коэффициент использования электродов (0,8 - 0,9).

2.3.4 Общее сопротивление растеканию анодного заземления состоящего из N параллельно включенных отдельных электродов:

R₃= F•(R_Г/N)=0,91•(8,43/1)=7,67 Ом

где F - коэффициент сопротивления для группы электродов:

2.3.5 Срок службы анодного заземления определяется по формуле:

где, m₃ - масса металла заземления;

К_н - коэффициент неравномерности растворения заземления, равный 1,1 - 1,3;

g_з - потеря массы материала заземления вследствие анодного растворения (электрохимический эквивалент), кг/А•год (для стальных электродов без активатора равна 10 кг/А•год);

I_3.ср -среднее значение тока, стекающее с заземления,

2.4 Параметры дренажной электроники

2.4.1 Дренажные провода соединяют катодную станцию с защищаемым трубопроводом и анодным заземлением. В зависимости от местных условий, дренажные электролинии может быть выполненными подземными или воздушными: допустимая длительная токовая нагрузка для голых медных проводов марки М4 (вне помещений) - 50; наименьшее сечение проводов, допустимое по механической прочности для воздушной линии на напряжение до 1000 В при расстоянии между опорами до 25 м - 6 мм².

2.4.2 Для определения потерь напряжения и мощности в дренажной электролинии, которые естественно стремиться усилить, нужно знать электрическое сопротивление дренажных проводов:

,

где р - удельное электрическое сопротивление материала проводника, Ом•м/м;

l_ПР - длина дренажной электролинии (для упрощения принимаем l_ПР=У),м;

r - сопротивление проводника, равное 0,019 Ом/м.

2.5 Станции катодной защиты

Станции катодной защиты (СКЗ) представляют собой устройства, состоящие из источника постоянного тока или преобразователя подводимого к ним переменного тока в постоянный, контрольных и регулирующих приборов и соединительных кабелей.

Для защиты магистральных газопроводов от почвенной коррозии наибольшее распространение получили сетевые катодные станции типа КСС, преобразующие подводимый к ним переменный ток от электросети в постоянный ток регулируемого напряжения. Эти станции рассчитаны на питание их однофазным током частотой 50 гц при напряжении 110, 127 и 220 в. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется полупроводниковыми выпрямителями с предварительным понижением напряжения трансформатором. Регулирование напряжения осуществляется при помощи реостатов. Причем станции типа КСС имеют устройства для грубой и точной регулировки.

Станции типа КСС разработаны Всесоюзным научно-исследовательским институтом по строительству магистральных трубопроводов (ВНИИСТ) специально для защиты магистральных трубопроводов. Они обладают более высокими к. п. д., а также простотой и удобством монтажа и обслуживания по сравнению с другими выпрямительными устройствами.

В эксплуатации в настоящее время находятся как катодные станции типа КСС-1, КСС-2, КСС-3, так и станции типа КСС-150, КСС-300, КСС-600, КСС-1200. Последние имеют унифицированные блоки выпрямительных мостов, изготовленных с селеновыми, германиевыми и кремниевыми элементами.

Однако блоки с германиевыми выпрямителями показали себя малонадежными в работе, в связи с чем они в последнее время не используются.

2.6 Параметры катодной станции

2.5.1 Мощность катодной станции и напряжение на входе определяют для начального и конечного периода. За конечный период принимаем амортизационный срок службы катодной станции, равный 10 годам.

2.5.2 Напряжение на выходе катодной станции в начальный период эксплуатации:

2.5.3 Напряжение на выходе катодной станции в конечный период эксплуатации:

2.5.4 Мощность на выходе катодной станции в начальный период эксплуатации:

2.5.5 Мощность на выходе катодной станции в конечный период эксплуатации:

2.5.6 На основе электрических параметров на выходе катодной станции определяем условную величину катодной станции - 2, с максимальной силой защитного тока 2,5 - 3,5 А, верхний предел регулируемого напряжения = 48 В.

Наибольшее распространение получили сетевые катодные станции с выпрямителями. При отсутствии электросети применяют катодные станции с теплоэлектрогенераторами или генераторами, работающими на топливе, отбираемом из трубопровода.

Катодные станции работают в основном «на земле» (без постоянного обслуживания) с периодической профилактикой. Разработаны автоматические катодные станции, следящие за колебаниями потенциала на подземном трубопроводе и постоянно поддерживающие заданный результирующий потенциал трубопровода относительно окружающей среды. В качестве регулирующих элементов в автоматических катодных станциях используют магнитные усилители, выходной каскад которых служит переменным сопротивлением в цепи катодной станции.

Заключение

Остановить процесс коррозии крайне трудно и не всегда удается. Лучше его предупреждать и заранее защищать металл.

Катодная защита является надежной, так как у металла, находящегося непосредственно в электропроводящей коррозионной среде, существенно замедляется процесс коррозии.

Список использованной литературы

1. Бекман, В. Катодная защита: справочн. издание М.: Металлургия, 1992. 176 с.

2. Бекман, В. Катодная защита от коррозии: справочн. издание/В. Бекман, В. Швенк. М.: Металлургия, 1984. 496 с.

3. Иоссель, Ю.Я., Кленов, Г.Э. Математические методы расчета электрохимической коррозии и защиты металлов: справочник/ Ю.Я. Иоссель, Г.Э. Кленов. М.: Металлургия, 1984. 272 с.

4. Противокоррозионная защита трубопроводов и резервуаров: учебник/ Е.И. Дизенко, В.Ф. Новоселов, П.И. Тугунов, В.А Юфин. М.: Недра, 1978, 199 с.

5. Техника борьбы с коррозией/Р. Юхневич и др. М.: Химия, 1980. 22.

Размещено на Allbest.ru

...