5. Защита газопроводов от коррозии
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. 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.
Электрохимическая коррозия является результатом взаимодействия металла, который выполняет роль электродов, с агрессивными растворами грунта, выполняющими роль электролита. 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.
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. 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.
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.
Наиболее важным свойством грунта,
является его удельное 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. Участки газопровода, имеющие положительный потенциал по отношению к земле, являются опасными в коррозионном отношении. Измерения потенциалов газопровода относительно земли производят через каждые 200-300 м. Для измерения используют специальные контрольные пункты, а также места где возможен доступ к газопроводу (задвижки, конденсатосборники и др.).
Существующие методы защиты газопроводов от коррозии можно разделить на две группы: пассивные и активные. Пассивные методы защиты заключаются в изоляции газопровода. К активным относятся электрические методы защиты.
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. Для усиления изоляции применяют армирующие обертки из гидроизола, бризола или стекловолокнистого материала. Гидроизол представляет собой толстый лист из асбеста с добавлением 15—20% целлюлозы, пропитанную нефтяным битумом. Бризол готовят на основе битума и дробленой старой вулканизированной резины.
Изоляцию газопровода производят в такой последовательности. Трубку 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.
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.
Одна дренажная установка может защитить газопровод большой протяженности, измеряемой несколькими километрами.
Для защиты газопроводов от почвенной коррозии применяют катодную защиту. При катодной защите на газопровод накладывают отрицательный потенциал, т. е. переводят весь защищаемый участок газопровода в катодную зону В качестве анодов применяют мало-растворимые материалы (чугунные, железокремневые, 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 растекается по грунту и попадает на защищаемый газопровод, далее он течет по газопроводу, а от него по изолирован. Кабелю возвращается к отрицательному полису источника питания. Эл. ток. выходит из анода в виде +ионов металла, поэтому вследствие растворения металла анод постепенно разрушается.
При протекторной защите участок газопровода превращают в катод без постороннего источника тока, а в качестве анода используют металлический стержень, помещаемый 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 корродируется протектор (анод), а газопровод защищается от коррозии.
Для защиты надземных газопроводов от атмосферной коррозии на них наносят лакокрасочные покрытия. Наружную поверхность надземных газопроводов защищают от коррозии, вызываемой атмосферными осадками, алюминиевыми или цинковыми покрытиями.
Расчет распределительных газопроводов среднего и высокого давления производится в следующем порядке.
На плане города или другого населенного пункта определяют расположение газораспределительной станции и от нее трассируют городские магистральные газопроводы среднего и высокого давления к различным потребителям газа в городе. Затем устанавливают начальное и конечное давление газа в городских магистральных газопроводах. За начальное принимают выходное давление газораспределительной станции. Конечное давление зависит от работы регуляторов давления в ГРП и газового оборудования у потребителей.
При конфигурации городских магистральных газопроводов составляют расчетную схему газоотдачи сети, на которой определяют расчетные участки, их фактическую длину и расчетные часовые расходы газа на каждом участке сети.
Для учета местных сопротивлений в газопроводах определяют расчетную длину газопроводов, км, на каждом участке lрасч =1.1*lф
Гидравлический расчет газопроводов на участке (для природного газа) можно выполнить по формуле:
где рн , рк — начальное и конечное абсолютное давление, кгс/см2; lрасч — расчетная длина газопровода, км; Qpaсч — расчетный расход газа, м3/ч; d — диаметр газопровода, см.
Для практических расчетов г/пр. сред. и высок. давл. можно использовать номограмму, где
Для определения диаметров г/пр. и значений «а» на каждом уч.сети используют расч расходы газа по уч.сети и
где рн1 -начальное абсолютное давление газа у источника газоснабжения, кгс/см2, рк1 —конечное абсолютное давление у самого дальнего потребителя газа, кгс/см2
lф- фактическая длина г/пр. от источника питания до самого дальнего потребителя, км.
Конечное давление на участке