С момента первого применения катодной защиты (КЗ) в 1928 году [1] эта технология успешно используется во всем мире для защиты трубопроводов от коррозии. Катодная защита доказала свою эффективность и внесла значительный вклад в увеличение срока службы подземной инфраструктуры, тем самым существенно снизив риски, связанные с транспортировкой и распределением нефти и газа, поскольку использование эффективной КЗ предотвращает утечки, обусловленные коррозией. Поэтому эффективность КЗ имеет первостепенное значение, особенно если ее использование обусловлено законодательными требованиями. Требования к эффективности КЗ приведены в стандарте EN ISO 15589-1 [2] и основаны на так называемом поляризационном потенциале (без омической составляющей) (EIR-free). Эффективность можно определить, когда EIR-free более отрицательный, чем защитный потенциал (Ep), что соответствует минимально необходимой электрохимической поляризации отдельных дефектов покрытия трубопровода.
Для нормальных грунтовых условий это значение составляет -0,85 ВCSE (относительно медно-сульфатного электрода сравнения).
Таким образом, требования стандарта EN ISO 15589-1 относятся к EIR-free отдельных дефектов покрытия. К сожалению, во многих случаях EIR-free отдельных дефектов покрытия нельзя определить напрямую. Методы измерения EIR-free приведены в стандарте EN 13509 [3], согласно которому оценка эффективности КЗ возможна исключительно на основе так называемого «метода интенсивных измерений», который сводится к измерению с малым шагом потенциалов и их градиентов с синхронным отключением всех установок катодной защиты. Посредством экстраполяции значений потенциалов и их градиентов можно математически определить EIR-free.
Хотя эта процедура технически правильна, имеются некоторые важные ограничения.
Метод интенсивных измерений был разработан на некачественно покрытых трубопроводах с объемными дефектами покрытия, поэтому соответствующие градиенты потенциалов были значительно больше 100 мВ и обычно демонстрировали омический потенциал (IR) более 30%. При таких дефектах обычно удавалось достоверно рассчитать EIR-free методом интенсивных измерений, поскольку вклад факторов, влияющих на достоверность экстраполяции, как правило, был незначительным. Таким образом, критерии защиты, приведенные в стандарте EN ISO 15589-1, и метод интенсивных измерений по-прежнему применяются для оценки эффективности КЗ трубопроводов с битумным покрытием.
Внедрение новых систем покрытий на основе полиэтилена и наплавленных эпоксидных смол существенно изменило ситуацию. Размеры дефектов покрытия и соответствующие градиенты потенциалов значительно снизились, что сопровождалось снижением потребности в суммарном токе. Для таких современных трубопроводов больше нельзя достоверно применять метод интенсивных измерений. Небольшие градиенты потенциалов и соответствующий вклад градиентов возмущающего напряжения препятствовали надежному вычислению EIR-free на единичных дефектах покрытия.
Вместо этого для приблизительного определения EIR-free стали использовать так называемый потенциал отключения (Eoff), который определяется с помощью синхронного отключения всех источников тока защиты, включая выпрямители, развязывающие устройства, гальванические аноды и дренажные системы.
Согласно стандарту EN 13509 эти значения Eoff можно использовать для определения EIR-free только при отсутствии уравнительных токов, токов ячейки, обусловленных внешними анодами или катодами, и блуждающих токов. Это условие никогда не выполняется при неоднородных условиях залегания и различных размерах дефектов покрытия трубопровода. Поэтому, согласно стандарту EN 13509, невозможно оценить эффективность КЗ с помощью значений Eoff. Согласно стандарту EN 13509, оценка EIR-free, а, следовательно, эффективности КЗ на таких трубопроводах возможна только с помощью измерений на вспомогательных образцах, поскольку они позволяют исключить погрешности, связанные с омической составляющей, путем отключения всех токов обмена и ячейки. Однако вспомогательные образцы позволяют проверить эффективность КЗ на трубопроводе, только если они репрезентативны для дефектов покрытия рассматриваемого трубопровода.
Подобные вопросы обсуждались специалистами на выставке CEOCOR, по результатам чего были опубликованы выводы [5]. Исходя из этих обсуждений, были сделаны следующие технически грамотные выводы:
- Eoff более отрицательный, чем -0,95 ВCSE, многие дефекты покрытия защищены;
- EIR-free вспомогательного образца более отрицательный, чем -0,95 ВCSE, образец и все дефекты покрытия, идентичные образцу (размер, условия залегания и массообмен), защищены;
- EIR-free на дефекте покрытия более отрицательный, чем -0,95 ВCSE, данный дефект покрытия защищен.
Эти выводы подтверждают, что ни Eoff, ни потенциал EIR-free отдельных дефектов покрытия, ни вспомогательные образцы не позволяют оценить эффективность КЗ всех дефектов покрытия трубопровода. Из этого следует, что технически невозможно подтвердить соответствие стандарту EN ISO 15589-1. Хотя и можно повысить уровень поляризации, а, следовательно, и коррозионной защиты, сместив потенциал включения (Eon) к более отрицательным значениям, но это также повысит риск чрезмерной поляризации и связанного с ней отслаивания покрытия. Такие проблемы, связанные с правильным регулированием параметров КЗ, еще больше усложняются в условиях возрастающих помех переменного и постоянного тока. Чтобы удовлетворить требованиям стандарта ISO 18086 [6] относительно сведения до минимума опасности коррозии под воздействием переменного тока, Eon должен быть смещен в положительную сторону. При воздействии постоянного тока, напротив, согласно стандарту EN 50162 [7] Eon должен быть смещен в отрицательную сторону, чтобы обеспечить соответствие требований относительно EIRfree.
Учитывая обсуждаемые трудности, связанные с измерением EIR-free согласно стандарту EN 13509 при наличии блуждающих токов, можно сделать вывод, что невозможно оценить эффективность КЗ на современных трубопроводах, исходя из нормативных требований. С учетом законодательных последствий и связанных с ними рисков для безопасности это неприемлемо. Поэтому в последние годы была разработана альтернативная методика оценки эффективности КЗ, которая будет рассмотрена ниже.
АЛЬТЕРНАТИВНАЯ МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ КЗ
Новый подход к оценке эффективности КЗ основан на современном понимании процессов, связанных с КЗ, как описано в работе [8]. Применение катодного тока соответственно приводит к увеличению pH стальной поверхности вдоль кривой равновесия для выделения водорода, как показано на рисунке 1. Когда EIR-free более отрицательный, чем -0,85 ВCSE, достигается pH стальной поверхности, равный 9, и присутствуют условия для пассивации. Более высокая степень поляризации достигается, когда EIR-free достигает значения -0,95 ВCSE, что соответствует pH поверхности, равному 10,5 (см. рисунок 1).
Рисунок 1. Диаграмма Пурбе (Fe/H2O), иллюстрирующая катодную поляризацию стали [4]. Синей стрелкой показано влияние концентрационной поляризации и, как следствие, повышение значения pH, а также пассивация. Желтыми кругами обозначены положения защитных потенциалов согласно стандарту EN ISO 15589-1.
Такое высокое значение pH достаточно для того, чтобы обеспечить условия для пассивации даже в агрессивной среде. Этот принцип, впервые сформулированный Лидсом [9], объясняет процессы, происходящие при КЗ, и релевантность соответствующих предельных значений, указанных в стандарте EN ISO 15589-1.
Кроме того, современное понимание процессов, происходящих под воздействием постоянного тока, можно расширить и рассматривать в совокупности условия воздействия постоянного и переменного тока, как обсуждается в работе [10]. Такой подход основан на стандартах DVGW GW 28 B1 [11] и DVGW GW 21 [12], которые считаются в Германии передовыми. В обоих документах указано, что оценка эффективности КЗ должна основываться на средних значениях за 24 часа Eon и напряжения переменного тока (Uac).
В отличие от EIR-free, эти параметры легко можно измерить на трубопроводах, а современные средства мониторинга позволяют автоматически регистрировать их дистанционно. Кроме того, концепция измерения средних значений за 24 часа также используется в стандартах ISO 18086 и ISO/DIS 21857 [13]. Эта методика впервые допускает идентичные процедуры оценки эффективности КЗ трубопроводов, не зависит от возможности оценки значений Eoff и устраняет все ограничения, связанные с измерением EIRfree, которые указаны в стандарте EN 13509. Это обеспечивает важные преимущества, когда:
- значения Eoff нельзя измерить из-за высоких потенциалов прикосновения в случае сильного воздействия переменного тока. Отключение систем заземления и связанных с ними развязывающих устройств невозможно из соображений безопасности, что делает невозможным достоверное измерение Eoff;
- синхронное отключение всех источников катодного тока и развязывающих устройств технически невозможно из-за чрезмерно протяженной взаимосвязанной трубопроводной сети;
- сложные конструкции с системами заземления дают обширные токи обмена. Соответственно, измерение Eoff невозможно, а новый подход позволяет оценить сложные конструкции так же, как и гальванически изолированные трубопроводы;
- оценка условий воздействия не требует множественной установки вспомогательных электродов, но позволяет ограничиться критически важными участками.
Это обеспечивает универсальную и полную процедуру, применимую для всех конструкций с катодной защитой. Независимо от типа конструкции, системы покрытия, заземления и условий воздействия переменного или постоянного тока, системы можно оценивать по одним и тем же параметрам и критериям. Методика основана на так называемой эталонной плотности тока Jref, которая требуется для достаточной поляризации стальной поверхности и соответствующей коррозионной защиты.
Некоторые авторы указывают зависимость pH стальной поверхности от плотности тока (J) для подземных сооружений, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Зависимость плотности тока J от pH стальной поверхности на основе литературных данных [15]. В дополнение, по правой вертикальной оси показана зависимость EIR-free водородного электрода от pH.
Значение EIR-free, определенное через 0,1 с после отключения катодного тока, связано с pH стальной поверхности в соответствии с кривой равновесия для выделения водорода, показанной на рисунке 1. Таким образом, рисунок 2 позволяет соотнести плотность тока J, значение pH и EIR-free; на основе данных относительно Jref можно сделать следующие выводы:
- при 2 мА/м2 произойдет повышение pH стальной поверхности выше 9, и, соответственно, EIR-free будет более отрицательным, чем -0,85 ВCSE. В нормальных условиях Ep, согласно стандарту ISO 15589-1, соответствует Jref 2 мА/м2.
- при 20 мА/м2 произойдет повышение pH стальной поверхности выше 10,5, EIR-free будет более отрицательным, чем -0,95 ВCSE. В грунтах повышенной агрессивности Ep, согласно стандарту ISO 15589-1, соответствует Jref 20 мА/м2.
- при 100 мА/м2 произойдет повышение pH стальной поверхности выше 11, EIR-free будет более отрицательным, чем -1,0 ВCSE, что представляет собой заниженное значение применительно к эффективной катодной защите.
К сожалению, ни один из параметров (pH, J и EIR-free), как правило, нельзя измерить на дефектах покрытия трубопровода Тем не менее, они связаны уравнением (1) через сопротивление растеканию тока R и площадь поверхности A дефекта покрытия.
J = (EIR-free-Eo) / (R·A) (1)
Следовательно, должен быть эталонный потенциал (Eref), который требуется, чтобы обеспечить Jref и эффективную катодную защиту с учетом Ep. Eref можно определить с помощью уравнения (2). Разница между Ep и E ref будет (в зависимости от R и A) обеспечивать Jref, Ep и эффективную КЗ при данном дефекте покрытия.
Jref = (Ep-Eref) / (R·A) (2)
Из уравнения (2) следует, что R и A соответствующим образом влияют на Eref. Для круглого дефекта покрытия диаметром d при удельном сопротивлении грунта р можно выразить R с помощью уравнения (3) [14].
R = p / 2d (3)
Объединение уравнений (2) и (3) дает уравнение (4) для описания Eref.
Eref = Ep – Jref ((π·d·p) / 8) (4)
Этот подход позволяет рассчитать требуемое значение Eref для любого заданного диаметра дефекта покрытия и требуемого Jref. Связанное с этим удельное сопротивление грунта может быть неизвестно. Тем не менее, это значение необходимо для достоверного определения, требуемого Ep в соответствии со стандартами EN ISO 15589-1 и DVGW GW 28 B1. Соответственно, требуется для оценки эффективности КЗ и снижения опасности коррозии под влиянием переменных токов уже сегодня.
Рисунок 3. Зависимость Eref от размера дефекта и удельного электрического сопротивления грунта для Jref, равного 100 мА/м2, согласно уравнению (4).
К сожалению, информация о диаметре дефектов покрытия d обычно отсутствует. Эта проблема непосредственно связана с использованием вспомогательных образцов, поскольку выводы об эффективности КЗ можно делать только при условии, что размер дефекта соответствует дефектам покрытия на трубопроводе, как обсуждалось выше, подчеркивается в работе [5] и описано в стандарте ISO 22426 [16]. В Швейцарии распространена следующая практика использования вспомогательных образцов:
- на современные трубопроводы с трехслойным полиэтиленовым покрытием с удельным сопротивлением не менее 1 МОм.м2 устанавливают образцы с площадью поверхности 1 см2;
- на более старые трубопроводы с полиэтиленовым покрытием устанавливают образцы с площадью поверхности в пределах 10 см2;
- на трубопроводы с битумным покрытием устанавливают образцы с площадью поверхности 100 см2.
Если размеры образцов считаются пригодными для оценки эффективности КЗ на трубопроводе, их площадь поверхности можно сразу использовать для расчета Eref в зависимости от удельного электрического сопротивления грунта. Пример расчета для дефекта с площадью поверхности от 0,1 до 1000 см2 и Jref 100 мА/м2 показан на рисунке 3. Согласно рисунку 2, значение Jref 100 мА/м2 достаточно, чтобы Ep был равен -0,95 ВCSE для всех дефектов покрытия трубопровода, залегающего в мелкозернистом грунте или песке. Таким образом, из рисунка 3 следует, что значение Eref, равное -1,5 ВCSE, достаточно, чтобы обеспечить эффективную КЗ для дефектов покрытия до 100 см2 при удельном сопротивлении грунта 30 — 100 Ом.м, что характерно для грунтов в Швейцарии, находящихся на небольшой высоте над уровнем моря.
Этот подход позволяет вычислить Eref для всех возможных условий, если известно Jref. Для трубопроводов, залегающих в мелкозернистых грунтах и песке, или в воде с высокой жесткостью, значения Jref можно взять из рисунка 2.
Для стационарных морских стальных сооружений стандарт EN 12495 в крайних случаях устанавливает значения Jref больше 200 мА/м2 при эксплуатации в морской воде. Для дефектов покрытия в проточной мягкой воде может потребоваться гораздо более высокое значение Jref, поскольку в таких условиях практически не достигается достаточная щелочность и значение pH поверхности, как подчеркивается в работе [5].
ПРИМЕР ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДИКИ
Далее будет рассматриваться оценка эффективности КЗ на гипотетическом примере, чтобы продемонстрировать данную методику в условиях опасного влияния переменных и постоянных токов. Возрастающая плотность современной инфраструктуры приводит к ситуациям, показанным на рисунке 4, когда воздействие исходит от высоковольтных линий электропередач и электрифицированных железных дорог. Рассматриваемый трубопровод с трехслойным полиэтиленовым покрытием и толщиной стенки 5 мм залегает в грунте с удельным электрическим сопротивлением в диапазоне 30 — 100 Ом.м и предполагается, что дефекты покрытия меньше 10 см2. Вспомогательные образцы, установленные вдоль трубопровода, имеют площадь поверхности 10 см2. Оценка эффективности выполняется в три этапа.
Рисунок 4. Совместное влияние высоковольтных линий электропередач и систем электротранспорта.
Первый, определение Eref. При размере дефекта 10 см2, высоком удельном электрическом сопротивлении грунта 100 Ом.м и Jref = 100 мА/м2 значение Eref, равное -1,14 ВCSE, можно определить из рисунка 3. Это значение показано на рисунке 5a вертикальной красной линией. Эффективность КЗ подтверждается, если Eon более отрицательный, чем Eref. При этом обеспечивается достаточно высокая плотность тока и удовлетворяются критерии, приведенные в стандарте EN ISO 15589-1.
Второй этап. Влияние блуждающих токов оценивается в соответствии со стандартом DVGW GW 21 или ISO/DIS 21857. Среднюю анодную разность потенциалов ΔEa,avg определяют путем регистрации Eon в течение 24 часов. Оценивают ΔEa,avg относительно Eref. В данном случае ΔEa,avg составляет 0,3 В. В соответствии с уравнением (5), приведенным в стандартах DVGW GW 21 и ISO/DIS 21857, среднее значение потенциала включения за 24 часа Eon,avg должно удовлетворять следующим требованиям:
Eon,avg ← Eref – ΔEa,avg (5)
Если уравнение (5) выполняется, то в данных условиях влияния постоянных токов обеспечивается эффективная КЗ. Это значение показано на рисунке 5b синей линией. Из этого следует, что эффективная КЗ обеспечивается до тех пор, пока среднее значение Eon за 24 часа более отрицательно, чем Eon,avg. Данная методика позволяет оценить эффективность КЗ посредством относительно простого измерения потенциала включения в соответствии со стандартами DVGW GW 21 и ISO/DIS 21857.
И наконец, предельные значения допустимого влияния переменных токов должны соответствовать данным, указанным в стандарте DVGW GW 28 B1. Эти значения Uac основаны на требованиях к плотности тока, приведенных в стандарте ISO 18086. Поскольку коррозия, вызываемая переменным током, — это проблема, связанная с чрезмерной поляризацией, установлено максимально допустимое значение плотности постоянного тока, приведенное в стандарте ISO 18086.
Рисунок 5. Оценка эффективности КЗ на основе Eon и Uac. На верхнем графике (a) Eref обеспечивает эффективную КЗ; на графике в центре (b) Eon,avg обеспечивает эффективное снижение воздействия блуждающих токов при средних значениях Eon за 24 часа; на нижнем графике (c) среднее значение Uac за 24 часа указывает на предельный уровень воздействия переменных токов. Зеленая точка указывает на безопасное положение при значениях Eon и Uac, равных -1,6 ВCSE и 6 Вac,, соответственно.
Таким образом, не допускается превышение максимально допустимых значений плотностей постоянного и переменного токов, составляющих, соответственно, 1 А/м2 и 30 А/м2. Поэтому при оценке необходимо учитывать наименьшее значение удельного электрического сопротивления грунта вдоль трубопровода, которое в данном примере составляет 30 Ом.м. Предельно допустимые значения Uac показаны на рисунке 5c оранжевой линией.
Данный пример иллюстрирует методику оценки эффективности КЗ при совместном воздействии постоянных и переменных токов в соответствии с требованиями стандартов DVGW GW 21, DVGW GW 28 B1 и ISO/DIS 21857. Очевидно, что для оптимального функционирования КЗ требуется учитывать все влияющие факторы. Из приведенного примера понятно, что эффективность КЗ обеспечивается при условии, что среднее значение Eon более отрицательное, чем -1,44 ВCSE, а среднее значение Uac меньше 4 В. Такой подход позволяет без затруднений оценить эффективность КЗ в условиях совместного воздействия постоянных и переменных токов, исходя из легкодоступных реальных параметров.
Кроме того, в случае превышения предельного воздействия переменного тока можно легко сформировать план корректирующих мер с помощью рисунка 5c. Значение Uac = 6 В допустимо, только если среднее значение Eon более положительное, чем -1,6 ВCSE, как обозначено зеленой точкой на рисунке 5c. При существенном превышении Uac, например, до 10 В, требуется дополнительное заземление. При таких условиях дополнительное смещение Eon в сторону более положительных значений невозможно из-за требований к снижению воздействия блуждающих токов и предельного значения Eon,avg согласно рисунку 5c. Однако на практике обычно сложно уменьшить уровень воздействия переменных токов до очень низких значений.
В примере, представленном на рисунке 5c, ситуация с коррозией может быть значительно улучшена при Uac = 10 В, если снизить уровень воздействия блуждающих токов. Снижение ΔEa,avg до 0,06 В дало в результате Eon,avg = -1,2 ВCSE, согласно уравнению (5), как показано на рисунке 6. Соответственно, среднее значение Eon можно довести до -1,3 ВCSE, что исключает опасность коррозии под влиянием переменных токов, даже в случае его существенного повышения в рассматриваемых условиях (зеленая точка на рисунке 6).
Рисунок 6. Оценка эффективности КЗ на основе значений Eon и Uac для условий, приведенных на рисунке 5. Значение ΔEon,avg было снижено с помощью корректирующих мер на 0,06 В. Зеленая точка указывает безопасное положение при значениях Eon и Uac, равных -1,3 ВCSE и 10 Вac, соответственно.
Такой подход позволяет оценить эффективность КЗ и принять меры по снижению опасных воздействий с учетом нормативных требований. Использование этой методики в течение нескольких лет в Швейцарии показало, что не всегда можно выполнить нормативные требования по всей длине трубопровода. Это особенно касается тех случаев, когда удельное электрическое сопротивление грунта неодинаково по всей длине трубопровода. Это может привести к превышению предельных значений на некоторых участках трубопровода. Такие участки легко идентифицировать путем нанесения на график фактических значений Eon и U ac (аналогично рисунку 6). Это поможет определить рабочие условия КЗ, при которых минимизируется риск возникновения коррозии. Дополнительная установка вспомогательных образцов на эти критические участки позволит проводить дальнейшую оценку коррозионной ситуации, в том числе с помощью датчиков электросопротивления.
Они позволяют измерять скорость коррозии в режиме реального времени и дополнительно оптимизировать коррозионную ситуацию на этих критических участках.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренные зависимости и приведенный пример демонстрируют возможности оценки эффективности КЗ, исходя из современного понимания основных механизмов и взаимодействий. Описанный подход позволяет обеспечить эффективную КЗ на всех дефектах покрытия трубопровода с учетом противоречивых требований к достаточной поляризации при опасном воздействии постоянных токов и в то же время предотвратить чрезмерную поляризацию в случае влияния переменных токов. Анализ основан на эталонной плотности тока Jref, необходимой для обеспечения эффективной защиты от коррозии. Jref, а, следовательно, и эффективная коррозионная защита обеспечиваются на всех дефектах покрытия трубопровода, когда значение Eon более отрицательно, чем Eref.
Повышенный уровень воздействия постоянных токов можно легко отрегулировать путем смещения среднего значения Eon в катодном направлении в соответствии со стандартом ISO/DIS 21857. Повышенный уровень воздействия переменных токов можно уменьшить путем смещения среднего значения Eon в анодном направлении. Описанная методика позволяет учитывать противоречивые требования, связанные с влиянием переменных и постоянных токов, и регулировать оптимальный уровень КЗ. Оптимальный уровень предполагает эффективную КЗ с минимальным риском влияния переменных и постоянных токов.
Кроме того, поскольку оценка эффективности КЗ с помощью данной методики основана на легко измеряемых величинах Eon и Uac, эта уникальная процедура применима на всех трубопроводах. Таким образом, решаются проблемы, связанные с синхронным отключением выпрямителей, дренажных установок и развязывающих устройств.
М. Буклер, SGK, Швейцарское общество защиты от коррозии, Цюрих, Швейцария
