Непрерывная коррозия подземных трубопроводов приводит к образованию в трубе различных дефектов (разрывов, трещин, каверн) и как следствие - разгерметизация.

Процесс коррозии металлов – это процесс их окисления. Во время этого процесса атомы металла переходят из свободного состояния в химически связанное, становясь ионами. Процесс окисления заключается в том, что атомы металла отдают свои электроны, а окислители их принимают.

Рис 2.1

За счёт того, что металл труб не является однородным, а грунты вокруг труб разняться как по своим физическим свойствам, так и по химическому составу, на отдельных участках трубы, возникает различный электродный потенциал. Наличие таких участков приводит к образованию гальванических коррозионных элементов, как показано на рисунках .2.1 и 2.2.

Существуют такие виды коррозии: поверхностная (охватывающая всю поверхность трубы), местная выраженная в виде отдельных раковин, щелевая, язвенная или на английский манер питтинговая (т.е. покрытая ямками), усталостное коррозионное растрескивание и наконец, межкристаллитная. Наиболее опасны для подземных трубопроводов коррозии двух последних видов.

Крайне редко к повреждениям приводит поверхностная коррозия, в то время как число повреждений связанных с язвенной коррозии весьма и весьма значительно.

Большое количество факторов влияет на коррозионную ситуацию, складывающуюся вокруг трубопровода находящегося в грунте. Основные из этих факторов связаны с особенностями трассы, грунтовыми и климатическими условиями, условиями эксплуатации. Вот перечень вышеупомянутых факторов:

грунтовая влажность,
химический состав грунта,
степень кислотности грунтового электролита,
структура самого грунта,
температура газа, который транспортируется
схема возникновения блуждающих токов на жд

Рис. 2.2

Рельсовый электрифицированный транспорт, использующий постоянный ток, приводит к появлению в земле, так называемых, блуждающих токов Наличие блуждающих токов приводит к электрокоррозионному разрушению трубопроводов. Иллюстрация того как возникают блуждающие токи и их влияние на трубопровод показано на рисунке 2.3.

Рис. 2.3 Схема того как возникают блуждающие токи на железной дороге с электрической тягой использующей постоянный ток.

1 - тяговая подстанция,
2 - электропоезд,
3 – верхняя контактная сеть,
4 - рельсовая ходовая сеть,
5 – трубопровод Iкс - ток протекающий через контактную сеть, Iрс - ходовой ток протекающий через рельсовую сеть, Iн – ток втекающий в трубопровод, Iс – ток стекающий с трубопровода.

Обстоятельства, оказывающие влияние на величину блуждающих токов и, таким образом, воздействующие на подземные трубопроводы:

переходное сопротивление между рельсами и землей;

продольное сопротивление самих ходовых рельсов;

количество электропоездов на данном перегоне;

расстояние между соседними тяговыми подстанциями;

сколько тока потребляют электропоезда;

число отсасывающих линий и их сечение;

удельное электрическое сопротивление данного грунта;

расстояние от трубопровода до пути и их взаимное расположение;

продольное и переходное сопротивление самого трубопровода.

Нужно принять во внимание, что блуждающие токи, протекающие в катодных зонах, оказывают скорее защитное воздействие на сооружение, в связи с чем в таких местах можно осуществить катодную защиту трубопровода без серьёзных капиталовложений.

Методы, с помощью которых подземные металлические трубопроводы защищают от коррозии делятся на пассивные и активные.
Пассивный метод защиты. Между металлом, из которого состоит трубопровод, и грунтом, который его окружает, создаётся непроницаемый барьер. Специальные защитные покрытия, наносимые на трубу, создают этот барьер. К таким покрытиям относятся: полимерные ленты, битум, эпоксидные смолы, каменноугольный пек и прочее.

На практике добиться сплошного изоляционного покрытия не удаётся. Разные виды покрытия, имеющие разную диффузионную проницаемость, обеспечивают различную изоляцию трубы от окружающей среды. При строительстве и последующей эксплуатации изолирующее покрытие неизбежно получает дефекты, такие как трещины, вмятины, задирание и прочее. Наибольшую опасность представляют сквозные повреждения защитного покрытия, в них на практике и происходит грунтовая коррозия.

Поскольку пассивные методы не гарантируют полную антикоррозионную защиту трубопровода, появляется необходимость в одновременном применении активной защиты. Активная защита связанна с управлением электрохимическими процессами, протекающими в месте соприкосновения металла трубы с грунтовым электролитом. Такой тип защиты называется комплексной защиты.

В основе активного метода защиты от коррозии лежит способ катодной поляризации. Данный способ основан на снижении скорости, с которой растворяется металл по мере того как потенциал коррозии искусственно смещается в область с более отрицательными значениями, чем имеет естественный потенциал.

В 1928 году Роберт Кун провёл опытные исследования и установил, что величина потенциала катодной защиты, которая есть у стали составляет минус 0,85 Вольт по сравнению с медносульфатным электродом. Размер естественного потенциала стали в грунте приблизительно равен -0,55...-0,6 Вольта, из этого следует, что для осуществления катодной защиты нужно сместить потенциал коррозии в отрицательную сторону на 0,25...0,30 Вольта.

Если прикладывая электрический ток между металлом трубы и грунтом, удастся достигнуть снижения потенциала в местах, где изоляция труб имеет дефекты до значения ниже чем - 0,85 В, то скорость коррозии снизится до 10 мкм в год, и утратит всяческое практическое значение.

Два метода катодной защиты трубопроводов:
гальванический метод, в основе которого применение жертвенных анодов-протекторов изготовленных из магния;
электрический метод, основанный на применении внешних источников постоянного тока, у которых минус соединяют с трубой, а плюс соединяют с анодным заземлением.
Основой гальванического метода является разное значение электродных потенциалов у различных металлов в электролите. Если поместить два металла в электролит, то образуется гальваническая пара, и металл, у которого отрицательный потенциал больше, будет выполнять функции анода, подвергаясь разрушению, и защищая, таким образом, металл у которого отрицательный потенциал меньше (рис.2.4а).

Рис. 2. 4. Принципы катодной защиты

а) гальваническая защита с использованием жертвенных анодов,

б) электрическая защита использующая поляризацию от источника постоянного тока.

1 – трубопровод, помещённый в грунт,
2 - жертвенный анод гальванической защиты,
3 - источник постоянного тока,
4 - анод малорастворимый. 

На практике применяются жертвенные гальванические аноды изготовленные из алюминиевых , магниевых и цинковых сплавов.

Использование катодной защиты с применением протекторов даёт хороший эффект только в грунтах с сопротивлением (до 50 Ом-м). В грунтах с более высоким сопротивлением, с помощью данного метода не удаётся обеспечить необходимый уровень защищённости.

Создание катодной защиты с использованием внешнего источника тока более дорогостоящая и трудоёмкая процедура, но данный метод защиты имеет практически неограниченный энергетический ресурс и не зависит от удельного сопротивления грунта (рис.2.4б).

Для создания постоянного тока, часто используют преобразователи различной конструкции, получающие питание от сети переменного тока. Использование преобразователей позволяет получать защитный ток, который можно довольно широко регулировать, что обеспечивает защищённость трубопровода в самых различных условиях.

Для обеспечения работы установок катодной защиты задействуют воздушные линии мощностью 0,4; 6; 10 кВ, а также возможно использование автономных источников питания, таких как: термические, дизельные, газовые и другие генераторы.

Ток, который поступает от преобразователя на трубопровод для его защиты, создающий при этом разность потенциалов между трубой и землёй, растекается вдоль трубопровода неравномерно. Самое высокое значение разности потенциалов приходится на точку (называемую точкой дренажа) к которой подключается источник тока. При удалении от точки дренажа разность потенциалов между трубой и землёй уменьшается. Необходимо избегать очень высокой разности потенциалов, которая приводит к снижению адгезии покрытия, наводораживанию металла из которого состоит труба, и в конечном итоге приводит к водородному растрескиванию. Уменьшение разности потенциалов снижает антикоррозионную защиту и, при определённых значениях, может служить причиной коррозионного растрескивания под напряжением.

В качестве метода борьбы с коррозией металлов при наличии агрессивной химической среды используется анодная защита. Этот защитный метод, используя внешний анодный ток, переводит металл из активного состояния в пассивное и занимается поддержкой этого состояния. Проводить катодную защиту высоколегированных сталей в условиях сильной кислотности вообще невозможно.

В отличии от катодной защиты анодная защита осуществляется только в узко ограниченной области защитных потенциалов, в которых возможна защита от коррозии.