Корозія підземних трубопроводів є однією з основних причин їх розгерметизації внаслідок утворення каверн, тріщин і розривів.
Корозія металів, тобто їх окислення - це перехід атомів металу з вільного стану в хімічно пов'язане, іонну. При цьому атоми металу втрачають свої електрони, а окислювачі їх приймають.
На підземному трубопроводі за рахунок неоднорідності металу труби і гетерогенності грунту (як за фізичними властивостями, таки за хімічним складом) виникають ділянки з різним електродним потенціалом, що зумовлює утворення гальванічних корозійних елементів (рис.2.1 і 2.2).
Найважливішими видами корозії є: поверхнева (суцільна по всій поверхні), місцева у вигляді раковин, виразкова (виразкова), щілинна, межкристаллитная і утомлююча корозійне розтріскування. Два останні види корозії становлять найбільшу небезпеку для підземних трубопроводів.
Поверхнева корозія лише в рідкісних випадках призводить до пошкоджень, тоді як з приводу виразкової корозії відбувається найбільше число ушкоджень
Корозійна ситуація, в якій знаходиться металевий трубопровід в грунті, залежить від великої кількості факторів, пов'язаних з грунтовими і кліматичними умовами, особливостями траси, умовами експлуатації. До таких факторів належать:
- вологість ґрунту,
- хімічний склад грунту,
- кислотність грунтового електроліту,
- структура грунту,
- температура газу, що транспортується
Найбільш сильним негативним проявом блукаючих струмів в землі, що викликається електрифікованим рейковим транспортом постійного струму, є електрокоррозіонное руйнування трубопроводів. Ілюстрація виникнення блукаючих струмів і впливу їх на трубопровід приведена на малюнку 2.3.
Мал. 2.3 Схема виникнення блукаючих струмів на залізниці з електричною тягою на постійному струмі.
Інтенсивність блукаючих струмів і їх вплив на підземні трубопроводи залежить від таких факторів, як:
- перехідний опір рейок-земля;
- поздовжнє опір ходових рейок;
- кількість поїздів на перегоні;
- відстань між тяговими підстанціями;
- споживання струму електропоїздами;
- число і перетин відсмоктуючих ліній;
- питомий електричний опір ґрунту;
- відстань і розташування трубопроводу щодо шляху;
- перехідний і поздовжнє опір трубопроводу.
Слід зазначити, що блукаючі струми в катодних зонах надають захисну дію на спорудження, тому в таких місцях катодний захист трубопроводу може бути здійснена без великих капітальних витрат.
Методи захисту підземних металевих трубопроводів від корозії підрозділяються на пасивні і активні.
Пасивний метод захисту від корозії передбачає створення непроникного бар'єру між металом трубопроводу та навколишнім його грунтом. Це досягається нанесенням на трубу спеціальних захисних покриттів (бітум, кам'яновугільний пек, полімерні стрічки, епоксидні смоли та ін).
На практиці не вдається домогтися повної помилки ізоляційного покриття. Різні види покриття мають різну диффузионную проникність і тому забезпечують різну ізоляцію труби від навколишнього середовища. В процесі будівництва і експлуатації в ізоляційному покритті виникають тріщини, задираки, вм'ятини та інші дефекти. Найбільш небезпечними є наскрізні пошкодження захисного покриття, де, практично, і протікає грунтова корозія.
Так як пасивним методом не вдається здійснити повний захист трубопроводу від корозії, одночасно застосовується активний захист, пов'язана з управлінням електрохімічними процесами, що протікають на кордоні металу труби і грунтового електроліту. Такий захист носить назву комплексного захисту.
Активний метод захисту від корозії здійснюється шляхом катодного поляризації і заснований на зниженні швидкості розчинення металу відповідно до зміни його потенціалу корозії в область більш негативних значень, ніж природний потенціал.
У 1928 році Роберт Кун дослідним шляхом встановив, що величина потенціалу катодного захисту стали становить мінус 0,85 Вольт щодо медносульфатного електрода порівняння. Так як природний потенціал стали в грунті приблизно дорівнює -0,55. -0,6 Вольта, то для здійснення катодного захисту необхідно змістити потенціал корозії на 0,25. 0,30 Вольта в негативну сторону.
Докладаючи між поверхнею металу труби і грунтом електричний струм, необхідно досягти зниження потенціалу в дефектних місцях ізоляції труби до значення нижче критерію захисного потенціалу, рівного - 0,85 В. В результаті цього швидкість корозії зніметься до 10 мкм на рік, втрачаючи при цьому практичне значення .
Катодний захист трубопроводів можна здійснити двома методами:
- застосуванням магнієвих жертовних анодів-протекторів (гальванічний метод);
- застосуванням зовнішніх джерел постійного струму, мінус яких з'єднується з трубою, а плюс - з анодним заземленням (електричний метод).
В основу гальванічного методу покладено той факт, що різні метали в електроліті мають різні електродні потенціали. Якщо утворити гальванопари з двох металів і помістити їх в електроліт, то метал з більш негативним потенціалом стане анодом і буде руйнуватися, захищаючи, тим самим, метал з менш негативним потенціалом (рис.2.4).
Мал. 2. 4. Принцип катодного захисту
а) за допомогою гальванічних жертовних анодів,
б) за допомогою поляризації від джерела постійного струму.
1 - закладений в грунт трубопровід,
2 - гальванічний жертовний анод,
3 - джерело постійного струму,
4 - малорозчинний анод.
На практиці в якості жертовних гальванічних анодів використовуються протектори з магнієвих, алюмінієвих і цинкових сплавів.
Застосування катодного захисту за допомогою протекторів ефективно тільки в низькоомних грунтах (до 50 Ом-м). У високоомних грунтах такий метод необхідної захищеності не забезпечує.
Катодний захист зовнішніми джерелами струму більш складна і трудомістка, але вона мало залежить від питомого опору грунту і має необмежений енергетичний ресурс (ріс.2.4б).
Як джерела постійного струму, як правило, використовуються перетворювачі різної конструкції, що живляться від мережі змінного струму. Перетворювачі дозволяють регулювати захисний струм в широких межах, забезпечуючи захист трубопроводу в будь-яких умовах.
Як джерела живлення установок катодного захисту використовуються повітряні лінії 0,4; 6; 10 кВ, а також автономні джерела: дизельгенератори, Термогенератор, газогенератори та інші.
Захисний струм, що накладається на трубопровід від перетворювача і створює різницю потенціалів "труба-земля", розподіляється нерівномірно по довжині трубопроводу. Тому максимальне за абсолютною величиною значення цієї різниці знаходиться в точці підключення джерела струму (точці дренажу). У міру віддалення від цієї точки різниця потенціалів "труба-земля" зменшується. Надмірне завищення різниці потенціалів негативно впливає на адгезію покриття і може викликати наводоражіваніе металу труби, що може стати причиною водневого розтріскування. Зниження різниці потенціалів не забезпечує захист від корозії і, в певному діапазоні, може сприяти корозійного розтріскування під напругою.
Анодна захист є одним з методів боротьби з корозією металів в агресивних хімічних середовищах. Вона заснована на перекладі металу з активного стану в пасивне і підтримці цього стану за допомогою зовнішнього анодного струму. Катодний захист високолегованих сталей в сильних кислотах неможлива.
На противагу катодного захисту при анодної захисту є тільки вузько обмежені області захисних потенціалів, в яких можлива захист від корозії.