Разработка системы управления станции катодной защиты

Содержание
Введение………………………………………………………………………...........7
1 Виды коррозии………………………………........…………………………..…...8
2 Причины и механизмы коррозии трубопроводов…………………...................1
Влияние неоднородности условий на поверхности металла......................12
Влияние состава среды……………………………………………………...14
Закономерности коррозионного растрескивания под напряжением (КРН)……………………….....………………………....15
3 Способы защиты трубопроводов от коррозии……………………….......….....17
Защитные покрытия для трубопроводов…………………………………..17
Способы электрохимической защиты……………………………………...22
Технологическая схема электрохимической защиты с протяженными или распределенными анодами………………………..28
4 Проектирование катодной защиты подземных трубопроводов………............31
Основные параметры, определяющие качество катодной защиты……...32
Основные модельные представления, положенные в основу
расчета катодной защиты трубопроводов………………………………...32
Защита магистрального трубопровода с помощью нескольких
станции катодной защиты……………………………………………….....42
Защита трубопровода небольшой протяженности с помощью
одной станции катодной защиты…………………………………………..45
Расчет анодного заземления………………………………………………..46
Расчет сопротивления растеканию тока с анодного заземления………....47
Определение расстояния анодного заземлителя от магистрального трубопровода……………………………………………..58
5 Разработка инверторной станции катодной защиты ..........................................51
Технические характеристики СКЗ ............................…………………….....51
Описание конструкции СКЗ ...........................………………………….......52
Принцип работы и структура СКЗ ............................……………………...55
Описание составных частей СКЗ ...................................…........…..............58
6 Описание программного обеспечения ПЛК……………..........…….......……...64
Алгоритм управления…………………………………………………….....64
Описание мнемосхемы сенсорного дисплея……………………………....67
Заключение……………………………………………………………….................70
Перечень принятых сокращений, терминов……………………………………....71
Список использованных источников……………………………………………...
1 Виды коррозии
Коррозия в зависимости от механизма реакций, протекающих на
поверхности металла, подразделяется на химическую и электрохимическую.
Химическая коррозия представляет собой процесс разрушения металла
при взаимодействии с сухими газами (газовая коррозия) или жидкими
неэлектролитами (коррозия в неэлектролитах) по законам химических
реакций и не сопровождается возникновением электрического тока.
Продукты коррозии в этом случае образуются непосредственно на всем
участке контакта металла с агрессивной средой.
При длительной эксплуатации трубопроводов, защищенных только
изоляционным покрытием, возникают сквозные коррозионные повреждения
уже через 5-8 лет после укладки трубопроводов в грунт вследствие
почвенной коррозии, так как изоляция со временем теряет прочностные
свойства и в ее трещинах начинаются интенсивные процессы наружной
электрохимической коррозии. Суть процессов электрохимической коррозии
заключается в следующем.
Электрохимическая коррозия (коррозионное разрушение) возникает
под действием коррозионно-активной среды, разнообразна по характеру,
вызывает большинство коррозионных разрушений трубопроводов и
оборудования. Электрохимическая коррозия протекает с наличием двух
процессов – катодного и анодного.
Электрохимическая коррозия является гетерогенной
электрохимической реакцией. Она подразделяется на коррозию в
электролитах, почвенную, электрокоррозию, атмосферную, биокоррозию,
контактную. Во всех случаях окисление металлов происходит за счет
возникновения электрического тока, протекают анодные и катодные
процессы на различных участках поверхности и продукты коррозии
образуются на анодных участках. При электрохимической коррозии
одновременно протекают два процесса – окислительный (анодный),
вызывающий растворение металла на одном участке, и восстановительный
(катодный), связанный с выделением катиона из раствора, восстановлением
кислорода и других окислителей на другом. В результате возникают
микрогальванические элементы, и появляется электрический ток,
обусловленный электронной проводимостью металла и ионной
проводимостью раствора электролита. Анодные и катодные процессы
локализуются на тех участках, где их протекание облегчено. Причины,
вызывающие электрохимическую неоднородность поверхности, весьма
многочисленны: макро- и микронеоднородности металла; фазовая и
структурная неоднородность сплавов; неоднородность и несплошность
поверхностных пленок; неоднородность деформаций и напряжений. Кроме
того, неоднородны и жидкие фазы, контактирующие с поверхностью.
Существующие виды коррозии металлов представлены на рисунке 1.1.
а – пятнами; б – язвенная; в – точечная; г –подповерхностная; д –
структурно-избирательная; е –межкристаллитная; ж – коррозионное растрескивание
Рисунок 1.1- Виды коррозии
Энергетическая характеристика перехода ионов в раствор при
взаимодействии металла с электролитом или обратно - электродный
потенциал. При взаимодействии металла с водой происходит его растворение
или разрушение, т.к. атомы кислорода и водорода воды образуют полярные
молекулы с двумя полюсами («+» и «-»), что приводит к возникновению
силового электрического поля в воде. Молекулы воды внедряются в
кристаллическую решетку металла на его поверхности (происходит
гидратация), и переходя в воду с образованием ион-атома несущего
положительный заряд. При этом оставшиеся в металле электроны носят
отрицательный заряд. Ион-атом окружается молекулами воды, происходит
образование у поверхности металла двойного электрического слоя и
возникает разность потенциалов между поверхностью металла и слоями
раствора, прилегающими к нему. При насыщении слоя ион-атомами переход
их с поверхности металла в раствор прекращается. В этом случае
устанавливается равновесие между разностью потенциалов в слое и
разностью между свободными энергиями ионов металла в металле и в
растворе. Это состояние соответствует равновесному электродному
потенциалу. Он зависит от свойств ионов, их концентрации в растворе.
Электродный потенциал платинового электрода в растворе НС, содержащий
ионы водорода, продуваемого через раствор, условно принимается равным
нулю, и называется нормальным водородным электродом. Равновесные
потенциалы различных электродов % в растворах собственных солей, в
которых концентрация равна единице, измеренные относительно
нормального водородного электрода, называется нормальными
потенциалами. Они образуют нормальный электрохимический ряд
напряжений, по которому можно определить какой из пары взятых металлов
будет разрушаться (служить анодом), и степень опасности коррозийного
процесса.
согласно теории электрохимической коррозии разрушение металла
обусловлено работой множества короткозамкнутых гальванических
элементов, образующихся вследствие неоднородности среды и металла. При
работе коррозийного элемента уменьшается разность начальных
потенциалов, что сопровождается уменьшением коррозийного тока. Этот
процесс называется поляризацией. Различают анодную и катодную
поляризацию. При анодной поляризации в случае усиленного растворения
металла ионы металла медленнее переходят в раствор, чем электроны
отводятся в катодную область, и у поверхности электрода накапливаются
положительные ионы металла, потенциал анода смещается в сторону
положительных значений. Катодная поляризация сопровождается смещением
потенциала электрода в отрицательную сторону и вызывается в основном
малой скоростью электрохимической реакции соединения деполяризаторов с
электронами. Участки, на которых растворяется металл, называются
анодными, на них ион-атомы железа переходят в раствор, а на катодных - ток
выводит в грунт. Электрохимические процессы на аноде и катоде различны,
но взаимосвязаны, и, как правило, самостоятельно не протекают. Такая
связанная система называется коррозионным микроэлементом. На анодных
участках осуществляется окисление с образованием ионов металла Fe+2, а на
катодных под влиянием кислорода образуется гидроокись (в результате
кислородной деполяризации).
Ионы железа и гидроксила взаимодействуют и образуют
нерастворимый осадок Fe(OH)2, который разлагается на окись железа и воду;
Fe(ОH)2 → Fe2O3 + Н2О Высвобождающиеся при окислении электроны от
анодного участка по металлу изделия протекают к катоду и участвуют в
реакции восстановления.
В некоторых случаях возможны сложные процессы коррозии при
одновременном воздействии двух или более факторов. К ним относятся
коррозия под напряжением, щелевая, коррозионная эрозия, коррозионная
кавитация. Скорость коррозионных процессов зависит от многих факторов,
связанных как со свойствами, составом и строением металлического
материала, так и со свойствами среды и внешними воздействиями. Для
стальных трубопроводов, уложенных в грунт, скорость разрушения зависит
во многом от коррозионности грунта, в частности, от типа грунта, состава и
концентрации веществ, содержания влаги, проникновения воздуха в грунт,
структуры грунта, температуры и удельного сопротивления грунта, наличия
в грунте бактерий, активизирующих коррозионные процессы. Оценивается
коррозионная активность грунта по величине его удельного
электросопротивления (чем меньше , тем больше возможность коррозии).
Важной характеристикой грунта является и водородный показатель рН среды
(увеличение скорости коррозии при уменьшении рН). На интенсивность
коррозии оказывает влияние неоднородность металла, механические
напряжения, температуры и т.д. Неоднородность металла приводит к
появлению коррозионных микроэлементов (микропар) в местах
соприкосновения с грунтом, или в месте изменения физических свойств
грунта. Коррозия может произойти и при образовании макропары из-за наличия макровключений
-окалины, царапины, вмятины, наклепа,
поперечных, продольных сварных швов, макроструктурной неоднородности
физико-химических свойств почв, (например, при неоднородном
поступлении кислорода к поверхности трубопровода, расположенном под
полотном дороги). Существенное влияние на скорость коррозии оказывает
жизнедеятельность анаэробных бактерий, особенно в почвах, содержащих
большое количество сульфатных солей. В этом случае происходит
образование серной кислоты и усиление коррозионных процессов.
2 Причины и механизм коррозии трубопроводов
Основной причиной коррозии металла трубопроводов и резервуаров
является термодинамическая неустойчивость металлов. Именно поэтому
подавляющее большинство металлов в земной коре находится в связанном
состоянии в виде окислов, солей и других соединений. Согласно второму
закону термодинамики, любая система стремится перейти из состояния с
большей энергией в состояние с меньшей энергией.
Энергия, которой обладают вещества, называется химической
энергией.
Она создается движением электронов на электронных орбитах атомов и
молекул. При определенных условиях химическая энергия может
превращаться в другие виды энергии, совершать работу (например, работу
образования химических соединений).
Применительно к веществам 2-й закон термодинамики звучит так:
самопроизвольно совершаются только такие химические превращения, в
результате которых образуются вещества с меньшей химической энергией.
Практически для всех металлов (кроме золота) при образовании окислов,
солей и т. д. это правило выполняется. Поэтому окисление металлов, т. е. их
коррозия, в естественных условиях процесс неизбежный.
Практически круговорот металла в природе выглядит так.
Металлургическая промышленность, затрачивая большое количество
энергии, осуществляет восстановление металлов из руд в свободное
состояние, то есть переводит их на более высокий энергетический уровень.
Однако, когда этот металл уже в виде какой-то конструкции подвергается
действию окислителей (кислорода), он самопроизвольно переходит в более
стабильное окисленное состояние.
2.1 Влияние неоднородности условий на поверхности металла
Для возникновения тока при электрохимической коррозии металла
необходимо наличие катодной и анодной зон. В анодной зоне протекает
реакция окисления, заключающаяся в потере металлом своих электронов и
образовании ион-атомов
Me →Ме n+ + n ∙ẽ
(2.1)
Переходя в раствор электролита, ион-атомы металла вызывают его
постепенное разрушение – коррозию.
В катодной зоне протекает реакция восстановления – присоединения
свободных электронов каким-либо веществом, называемым
деполяризатором. Если роль деполяризатора играют ионы водорода
2Н++2е→2Н→Н2, то такая реакция называется реакцией водородной
деполяризации. Если же деполяризатором выступает кислород
О2 + 4Н+ + 4 ẽ → 2Н2О — в кислой среде,
О2 + 2Н2О + 4 ẽ → 4(ОН) — в щелочной среде,
(2.2)
(2.3)
то такая реакция называется реакцией кислородной деполяризации.
Из рассмотрения механизма электрохимической коррозии следует, что
интенсивность процесса зависит от скорости образования ион-атомов
металла (и свободных электронов), а также наличия кислорода и воды.
Учитывая, что на скорость образования ион-атомов влияет температура,
концентрация раствора электролита и другие внешние условия, можно
сделать заключение, что если на поверхности одного и того же металла
создать различные условия, то одна часть его поверхности станет анодом по
отношению к другой.
Примеры образования гальванических элементов из одного металла
приведены на рисунке 2.1.
Рисунок 2.1- Примеры образования гальванических элементов
В первом случае анодом является электрод, помещенный в подогретый
электролит. Это связано с тем, что в подогретом электролите растворение
металла происходит более интенсивно. Аналогичная картина наблюдается и
в слабоконцентрированном растворе собственной соли по сравнению с
концентрированным раствором этой соли. Наконец, при подаче к одному из
электродов воздуха на нем облегчается протекание реакции кислородной
деполяризации, характерной для катода.
К образованию коррозионных элементов на поверхности
трубопроводов приводит различный доступ кислорода к разным участкам его
поверхности, разная влажность грунта, неоднородность микроструктуры
металла. Примеры возникновения коррозионных элементов приведены на
рисунке 2.2.
А – анодная зона; К – катодная зона (стрелки указывают направление
движения ион-атомов метала)
Рисунок 2.2- Примеры возникновения коррозионных элементов на
трубопроводе в результате различия условий на поверхности металла

2.2 Влияние состава среды
Нефти представляют собой смесь различных углеводородов с
неуглеводородными компонентами (спирты, фенолы, соединения серы,
кислорода и др.). Если предельные и непредельные углеводороды
совершенно инертны к металлам, то неуглеводородные компоненты
вступают с ними в химическую реакцию. Особенно опасны сернистые
соединения (элементарная сера, сероводород, меркаптаны), которые
являются причиной от 3 до 20 % случаев коррозионного повреждения
внутренней поверхности трубопроводов. Сернистые соединения нефти
попадают при ее переработке и в нефтепродукты.
Большую опасность в коррозионном отношении представляют также
органические кислоты, образующиеся в результате окисления
углеводородной и неуглеводородной составляющих товарных топлив при их
хранении и применении.
Таким образом, нефтепродукты в той или иной мере являются
коррозионно-активными.
Механизм наведения блуждающих токов на подземные металлические
сооружения и их разрушения
Появление блуждающих токов в подземных металлических
сооружениях связано с работой электрифицированного транспорта и
электрических устройств, использующих землю в качестве токопровода.
Источниками блуждающих токов являются линии электрифицированных
железных дорог, трамваев, линии электропередачи, установки катодной
защиты и др.
При работе электрифицированного транспорта ток совершает
движение от положительной шины тяговой подстанции по контактному
проводу к двигателю транспортного средства, а затем через колеса попадает
на рельсы, по которым возвращается к отрицательной шине тяговой
подстанции.Однако из-за нарушения перемычек между рельсами
(увеличение сопротивления цепи), а также низкого переходного
сопротивления «рельсы – грунт» часть тока стекает в землю. Здесь она
натекает на подземные металлические сооружения, имеющие низкое
продольное сопротивление, и распространяется до места с нарушенной
изоляцией, расположенного недалеко от сооружения с еще меньшим
продольным сопротивлением. В месте стекания блуждающих токов металл
сооружения теряет свои ион-атомы, т. е. разрушается.
Блуждающие токи опасны тем, что они стекают, как правило, с
небольшой площади поверхности, что приводит к образованию глубоких язв
в металле в течение короткого времени.
Закономерности коррозионного растрескивания под напряжением (КРН)
Коррозионное растрескивание под напряжением (стресс-коррозия,
карбонатное растрескивание)
–это разрушение металла вследствие
возникновения и развития трещин при одновременном воздействии
растягивающих напряжений и коррозионной среды.
Впервые упоминания о КРН появились в начале 60-х годов XX века
после того, как данное явление было зафиксировано на газопроводах
высокого давления в Австралии, Канаде и США. В начале 80-х годов оно
было идентифицировано на нефте-, газопроводах, проложенных в пустынных
и полупустынных районах Средней Азии и Казахстана. В настоящее время,
по данным Ростехнадзора, КРН является главной причиной разрушения
линейной части магистральных трубопроводов.
Внешне КРН выглядит как группы трещин, ориентированных
преимущественно вдоль оси трубы. Трещины могут проникать в тело трубы
на различную глубину. Нарушение целостности трубопровода происходит в
результате протяженного разрушения, когда трещины или группы трещин
достигают критического размера и происходит быстро, так называемым
«долом».
Трещины зарождаются на внешней поверхности трубопровода в
нижней части трубы в районе 5.-.7 часов условного циферблата.
Коррозионному растрескиванию подвергаются как основной металл труб, так
и сварные соединения. Наиболее часто КРН развивается в 20-километровой
зоне после компрессорной станции, а также при наличии водных потоков,
которые направлены вдоль трубопроводов или пересекают их.
Зонами риска с точки зрения КРН являются участки с пересеченной
местностью, где трубопровод не прилегает ко дну траншеи, поэтому между
ними существует воздушный зазор. Более 40 % всех аварий по причине КРН
связано с нарушением целостности изоляционного покрытия.....