Назначения и устройства ГРП

В зависимости от состава газа, материала трубопровода, условий прокладки и физико-механических свойств грунта газопроводы подвержены в той или иной степени внутренней и внешней коррозии. Коррозия внутренних поверхностей труб в основном зависит от свойств газа. Она обусловлена повышенным содержанием в газе кислорода, влаги, сероводорода и других агрессивных соединений. Борьба с внутренней коррозией сводится к удалению из газа агрессивных соединений, т. е. к хорошей его очистке. Значительно большие трудности представляет борьба с коррозией внешних поверхностей труб, уложенных в грунт, т. е. с почвенной коррозией. Почвенную коррозию по своей природе разделяют на химическую, электрохимическую и электрическую (коррозию блуждающими токами).

Химическая коррозия возникает от действия на металл различных газов и жидких неэлектролитов. Она не сопровождается превращением химической энергии в электрическую. При действии на металл химических соединений на его поверхности образуется пленка, состоящая из продуктов коррозии. Если образующаяся пленка не растворяется, имеет достаточную плотность и эластичность, а также хорошо сцеплена с металлом, то коррозия будет замедляться и при определенной толщине пленки может прекратиться. Химическая коррозия является сплошной коррозией, при которой толщина стенки трубы уменьшается равномерно. Такой процесс является менее опасным с точки зрения сквозного повреждения труб.

Коррозия металла в грунте имеет преимущественно электрохимическую природу. Электрохимическая коррозия является результатом взаимодействия металла, который выполняет роль электродов, с агрессивными растворами грунта, выполняющими роль электролита. Процесс электрохимической коррозии схематично показан на рис. 4.13.

Металл, обладая определенной упругостью растворения, при соприкосновении с грунтом посылает в него свои положительно заряженные ионы. Электроны остаются в металле, и он приобретает отрицательный потенциал, а грунт (электролит) заряжается положительно, так как в нем накапливаются положительные ионы. В силу физико-химической неоднородности металла и грунта вблизи участков, где протекает процесс растворения металла (т. е. обладающих большей упругостью растворения), располагаются участки, характеризующиеся меньшей упругостью растворения. Первые становятся анодными зонами, а вторые — катодными. Катодный участок газопровода приобретает положительный потенциал по отношению к аноду. Электроны перетекают от анода к катоду по металлу трубопровода. В грунте происходит перемещение ионов: катионов (заряженных положительно) — к катоду, анионов (заряженных отрицательно) — к аноду.

Электрохимическая неоднородность расположенных рядом участков газопровода вызывает разность их электродных потенциалов. Нормальным электродным потенциалом называют разность потенциалов, которая возникает между металлом, погруженным в нормальный раствор (при концентрации 1 г∙экв на 1 л) соли этого металла, и потенциалом нормального водородного электрода, условно принятым равным нулю. Все металлы можно расположить в электрохимический ряд напряжений по возрастанию их нормальных электродных потенциалов (в вольтах):

Участки металла, обладающие более отрицательными электродными потенциалами, будут становиться анодами. Металл подвергается коррозии в анодных зонах и участках, так как в них ионы металла выходят в грунт.

Рассмотренный процесс электрохимической коррозии представляет собой работу гальванической пары. В реальных условиях, коррозия протекает значительно сложнее, так как на основной процесс накладывается ряд других физико-химических процессов. Потенциал металла по отношению к грунту зависит не только от его физико-химических свойств, но и от свойств грунта. Вследствие неоднородности грунта также возникают гальванические пары. Физико-химическая неоднородность близко расположенных участков металла приводит к образованию микропар. Если газопровод проходит через участки грунта, резко отличающиеся по своим свойствам друг от друга, то возникают гальванические элементы очень большой в сотни и даже тысячи метров (макропары). Электрохимическая коррозия имеет характер местной коррозии, т. е. такой, когда на газопроводах возникают местные язвы и каверны большой глубины, которые могут, развиваясь, превратиться в сквозные отверстия в стенке трубы. Местная коррозия значительно опаснее сплошной коррозии.

Электрохимическая коррозия возникает также при воздействии на газопровод электрического тока, который движется в грунте. В грунт токи попадают в результате утечек из рельсов электрифицированного транспорта — их называют блуждающими. Коррозию, возникающую под действием блуждающих токов, называют электрической в отличие от электрохимической—гальванокоррозии.

Блуждающие токи, стекая с рельсов в грунт, движутся по направлению к отрицательному полюсу тяговой подстанции. В местах, где повреждена изоляция, они попадают на газопровод. Вблизи тяговой подстанции токи выходят из газопровода в грунт в виде положительных ионов металла. Начинается электролиз металла. Участки выхода тока из газопровода представляют собой анодные зоны, в которых протекает активный процесс электрокоррозии. Зоны входа постоянного тока в газопровод называют катодными. Электрическая коррозия блуждающими токами во много раз опаснее электрохимической коррозии. В городских условиях это наиболее распространенный вид коррозии.

Коррозионная активность грунта зависит от структуры, влажности, воздухопроницаемости, наличия солей и кислот, а также от электропроводности. Сухие грунты менее активно воздействуют на металл, чем влажные. С увеличением влажности грунта первоначально увеличивается и его коррозионная активность. Наибольшую активность имеет грунт при влажности 11...13 %. Увеличение влажности свыше 20...24 % приводит к снижению интенсивности коррозии. В водонасыщенных грунтах интенсивность коррозии будет минимальной, если вода, насыщающая грунт, сама не является агрессивной по отношению к металлу. При переменной влажности, когда возникают условия совместного воздействия влаги и кислорода, создается наиболее благоприятная среда для коррозии металла.

Городские грунты, засоренные сточными водами, имеющие разнородную структуру и включения различных предметов, являются коррозионно-активными. Заболоченные участки, торфянистые влажные почвы, участки грунта, находившиеся под отвалами шлаков, засоленные почвы также являются коррозионно-активным и. Чистые пески менее опасны в коррозионном отношении.

При исследовании грунта учесть все указанные факторы весьма сложно, поэтому выбирают такую характеристику, которая в основном отражала бы основные факторы. Наиболее важным свойством грунта, поддающимся быстрому и относительно точному определению, является его у тельное электрическое сопротивление, которое и рассматривают как основную характеристику его коррозионной активности. Электрическое сопротивление является функцией ряда других характеристик грунта: состава, концентрации растворенных веществ, влажности и др., поэтому оно связывает воедино ряд главнейших факторов, определяющих коррозионную активность грунта. Как показывает опыт, сопоставление электрометрических характеристик грунта с его коррозионной активностью, установленной осмотром стальных трубопроводов, дает хорошее совпадение результатов (около 80...90 %).

Для выявления коррозионного состояния подземного газопровода проводят электрические измерения, основными из которых являются определение потенциала газопровода по отношению к земле, а также направления и величины блуждающего тока, текущего по газопроводу. Потенциал газопровода по отношению к земле измеряют высокоомным вольтметром, который присоединяют к газопроводу и заземляющему электроду. При большой разности потенциалов используют стальной электрод, а при разности потенциалов меньше 1 В — неполяризующийся электрод. Участки газопровода, имеющие положительный потенциал по отношению к земле, являются опасными в коррозионном отношении.

Если среднее значение положительного потенциала газопровода по отношению к земле превышает 0,1 В, но не более 0,5 В, тогда электрическая защита газопровода должна быть введена в эксплуатацию в первый год после окончания строительства газопровода. Если среднее значение положительного потенциала превышает 0,5 В, то защита газопровода должна быть сооружена до его сдачи в эксплуатацию, но не позднее чем через 6 мес после окончания строительства газопровода.

Измерение потенциалов газопровода относительно земли производят через каждые 200...300 м. Для измерений используют специальные контрольные пункты (рис. 4.14)

а также места, где возможен доступ к газопроводу (задвижки, сборники конденсата, гидравлические затворы и др.). Контрольно-измерительные пункты устанавливают в местах пересечения газопроводов с рельсовыми путями электрифицированного транспорта и в местах перехода газопроводов через водные преграды шириной более 50 м.

Существующие методы защиты газопроводов от коррозии можно разделить на две группы: пассивные и активные. Пассивные методы, защиты заключаются в изоляции газопровода. К изоляционным материалам, используемым для защиты газопроводов, предъявляют ряд требований, основные из которых следующие: монолитность покрытия, водонепроницаемость, хорошее прилипание к металлу, химическая стойкость в грунтах, высокая механическая прочность (при переменных температурах), наличие диэлектрических свойств. Изоляционные материалы не должны быть дефицитными.

Наиболее распространенными изоляционными материалами являются битумно-минеральные и битумно-резиновые мастики. В первом случае в качестве заполнителя к битуму добавляют хорошо измельченные доломи-тизированные или асфальтовые известняки, асбест или обогащенный каолин, во втором — резиновую крошку, изготовленную из амортизированных покрышек. Битумно-резиновая мастика обладает несколько большей прочностью, эластичностью и долговечностью. Для усиления изоляции применяют армирующие обертки из гидроизола, бризола или стекловолокнистого материала. Гидроизол представляет собой толстый лист из асбеста с добавлением 15...20 % целлюлозы, пропитанной нефтяным битумом. Бризол готовят на основе битума и дробленой старой вулканизированной резины.

Изоляцию газопровода производят в такой последовательности. Трубу очищают стальными щетками до металлического блеска и протирают. После этого на нее накладывают грунтовку толщиной 0,1...0,15 мм. Грунтовка представляет собой нефтяной битум, разведенный в бензине в отношении 1:2 или 1:3. Когда грунтовка высохнет, на трубопровод накладывают горячую (160...180° С) битумную эмаль. Эмаль накладывают в несколько слоев в зависимости от требований, предъявляемых к изоляции. Снаружи трубу обертывают крафт-бумагой. В современных условиях все работы по изоляции труб механизируют.

В зависимости от числа нанесенных слоев эмали и усиливающих оберток изоляция бывает следующих типов: нормальная, усиленная и весьма усиленная. Нормальную изоляцию применяют при низкой коррозионной активности грунта, усиленную—при средней, в остальных случаях используют весьма усиленную изоляцию. Для защиты газопроводов применяют также пластмассовые пленочные материалы (ленты), покрытые подклеивающим слоем. Поливинилхлоридные и полиэтиленовые ленты выпускают толщиной 0,3...0,4 мм, шириной 100... 500 мм и длиной 100... 150 м, намотанные в рулоны. Трубы очищают, покрывают грунтовкой, представляющей собой клей, растворенный в бензине, после чего обертывают изоляционной лентой. Для обертки труб используют специальные машины.

К активным методам защиты относят катодную и протекторную защиту и электрический дренаж. Основным методом защиты газопроводов от блуждающих токов является электрический дренаж. Он заключается в отводе токов, попавших на газопровод, обратно к источнику. Отвод осуществляют через изолированный проводник, соединяющий газопровод с рельсом электрифицированного транспорта или минусовой шиной тяговой подстанции. При отводе тока из газопровода по проводнику прекращается выход ионов металла в грунт и тем самым прекращается электрическая коррозия газопровода. Для отвода тока, как правило, используют поляризованный электродренаж. Он обладает односторонней проводимостью от газопровода к рельсам (минусовой шине). При появлении положительного потенциала на рельсах электрическая цепь дренажа автоматически разрывается.

Схема универсальной поляризованной дренажной установки показана на рис. 4.15.

Если газопровод имеет положительный потенциал по отношению к рельсу, то электрический ток пойдет через предохранитель (на 350 А), сопротивление, предохранитель (на 15 А), диод, включающую обмотку, шунт, рубильник и попадает на рельс. Если разность потенциалов достигает 1... 1,2 В, то контактор замкнет контакты и электрический ток потечет по основной дренажной цепи через обмотку, а по ответвлению к диоду — через шунтирующие контакты. При снижении разности потенциалов до 0,1 В контакты разомкнутся и дренажная цепь разорвется. При отрицательной разности потенциалов (потенциал рельса больше потенциала трубы) диод тока не пропустит. Все узлы дренажной установки размещают в металлическом шкафу. Одна дренажная установка может защитить газопровод большой протяженности, измеряемой несколькими километрами.

Для защиты газопроводов от почвенной коррозии применяют катодную защит. При катодной защите на газопровод накладывают отрицательный потенциал, т. е. переводят весь защищаемый участок газопровода в катодную зону (рис. 4.16).

В качестве анодов применяют малорастворимые материалы (чугунные, железокремниевые, графитовые), а также отходы черного металла, которые помещают в грунт вблизи газопровода. Отрицательный полюс источника постоянного тока соединяют с газопроводом, а положительный — с анодом. Таким образом, при катодной защите возникает замкнутый контур электрического тока, который течет от положительного полюса источника питания по изолированному кабелю к анодному заземлению’ от анодного заземления ток растёкается по грунту и попадает на защищаемый газопровод, далее он течет по газопроводу, а от него по изолированному кабелю возвращается к отрицательному полюсу источника питания. Электрический ток выходит из анода в виде положительных ионов металла, поэтому вследствие растворения металла анод постепенно разрушается. Электрический потенциал, накладываемый на газопровод, составляет 1,2...1,5 В. В зависимости от качества изоляции одна установка может защищать участок газопровода от 1 до 20 км.

При протекторной защите участок газопровода превращают в катод без постороннего источника тока, а в качестве анода используют металлический стержень, помещенный в грунт рядом с газопроводом. Между газопроводом и анодом устанавливается электрический контакт. В качестве анода используют металл с более отрицательным потенциалом, чем железо (например, цинк, магний, алюминий и их сплавы). В образованной таким образом гальванической паре корродирует протектор (анод), а газопровод защищается от коррозии. На рис. 4.17 показана принципиальная схема протекторной защиты.

Для исключения возможности электрического контакта газопровода с заземленными конструкциями и коммуникациями потребителей на стояках вводов газопроводов устанавливают изолирующие фланцевые соединения. Их также устанавливают на надземных и надводных переходах газопроводов через препятствия и на вводах (и выводах) газопроводов в ГРС, ГРП и ГРУ. Фланцевые соединения на подземных газопроводах (в колодцах) должны быть зашунтированы постоянными электроперемычками. На изолирующих фланцах электроперемычки должны быть разъемными с размещением контактных соединений вне колодцев. Для защиты надземных газопроводов от атмосферной коррозии на них наносят лакокрасочные покрытия.

Коррозией называется постепенное разрушение металла вследствие химического или электрического воздействия.

В зависимости от состава газа, материала трубопровода, условий прокладки и физико-механических свойств грунта газопроводы подвержены в той или иной степени внутренней коррозии. Коррозия внутренней поверхности труб в основном зависит от свойств газа. Борьба с внутренней коррозией сводится к удалению из газа агрессивных соединений, т.е. к хорошей его очистке.

Значительно большие трудности представляет борьба с коррозией внешних поверхностей труб, уложенных в грунт, т.е. с почвенной коррозией. Почвенную коррозию по своей природе разделяют на химическую, электрохимическую, электрическую.

Коррозия металла в грунте имеет электрохимическую природу. Электрохимическая коррозия является результатом взаимодействия металла, который выполняет роль электродов, с агрессивными растворами грунта, выполняющими роль электролита. Электрохимическая коррозия имеет характер местной коррозии. Электрическая коррозия возникает при воздействии на газопровод блуждающих токов, которые движутся в грунте.

Химическая коррозия — взаимодействие металла с коррозионной средой. При этом металл взаимодействует со средой, не проводящей электрический ток. Протекающие окислительно-восстановительные реакции осуществляются путем непосредственного перехода электронов с атома металла на частицу (молекулу, атом) окислителя, входящего в состав среды.

Электрохимическая коррозия — взаимодействие металла с коррозионной средой, компонента коррозионной среды протекают не одновременно и их скорости зависят от электродного потенциала.

При электрохимической коррозии металл соприкасается с растворами, проводящими электрический ток, — электролитами.

Вследствие неоднородности строения металла, наличия примесей и различного состава раствора при соприкосновении металла с электролитом образуются микроскопические гальванические элементы, у которых катодом служат посторонние примеси, а анодом — сам металл. Ионы металла переходят в раствор, освобожденные электроны перемещаются к катодным участкам.

Процесс коррозии зависит от электродных потенциалов анодных и катодных участков.

При электрохимической коррозии протекают два самостоятельных процесса: анодный — переход металла в раствор в виде гидратированных ионов с оставлением эквивалентного числа электронов в металле, и катодный — ассимиляция находящихся в металле избыточных электронов.

Анодные и катодные процессы происходят на различных участках, однако могут протекать и на одной поверхности, чередуясь по времени.

Рис. 3 Схема возникновения и распределения блуждающих токов:
1 – контактный провод;
2 - пути движения блуждающих токов;
3 - газопровод;
4 - рельс;
5 - тяговая подстанция.

Основными источниками блуждающих токов являются рельсовые сети трамвая, метрополитена и электрофицированной железной дороги (рис. 3). Положительный полюс источника постоянного тока электрофицированного транспорта подключается к контактному проводу, а отрицательный — к ходовым рельсам. Ток от положительной шины тяговой подстанции по питающей линии поступает в контактный провод, а оттуда через токоприемник — к двигателям электровоза и далее через колесные пары, рельсы и землю в отсасывающую линию к минусовой шине. Стекающий в землю ток, который называется блуждающим, тем больше, чем меньше переходное сопротивление между рельсами и землей и чем больше предельное сопротивление рельсов.

Наиболее значительные токи утечки наблюдаются на участках путей электрифицированных железных дорог, где имеются малые переходные сопротивления между рельсами и землей и большие тяговые токи. Блуждающие токи, возникающие при этом, могут распространяться на большие расстояния. Блуждающие токи, проникая в подземный газопровод, создают три потенциальные зоны:

Заключение.

Литература.

1. Баланчевадзе В. И., Барановский А. И. и др.; Под ред. А. Ф. Дьякова. Энергетика сегодня и завтра. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 344 с.

2. Более чем достаточно. Оптимистический взгляд на будущее энергетики мира/ Под ред. Р. Кларка: Пер. с англ. – М.: Энергоатомиздат, 1994. – 215 с.

3. Источники энергии. Факты, проблемы, решения. – М.: Наука и техника, 1997. – 110 с.

4. Кириллин В. А. Энергетика. Главные проблемы: В вопросах и ответах. – М.: Знание, 1997. – 128 с.

5. Мировая энергетика: прогноз развития до 2020 г./ Пер. с англ. под ред. Ю. Н. Старшикова. – М.: Энергия, 1990. – 256 с.

6. Нетрадиционные источники энергии. – М.: Знание, 1982. – 120 с.

7. Подгорный А. Н. Водородная энергетика. – М.: Наука, 1988.– 96 с.

8. Энергетические ресурсы мира/ Под ред. П.С.Непорожнего, В.И. Попкова. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 232 с.

9. Юдасин Л. С.. Энергетика: проблемы и надежды. – М.: Просвещение, 1990. – 207с.