Что такое электрохимическая защита и как выбрать катодную станцию

А . Г . Семенов , генеральный директор , СП «Элкон» , г . Кишинэу ; Л . П . Сыса , ведущий инженер по ЭХЗ , НПК «Вектор» , г . Москва

Введение

Станции катодной защиты (СКЗ) являются необходимым элементом системы электрохимической (или катодной) защиты (ЭХЗ) подземных трубопроводов от коррозии. При выборе СКЗ исходят чаще всего из наименьшей стоимости, удобства обслуживания и квалификации своего обслуживающего персонала. Качество приобретаемого оборудования оценить обычно трудно. Авторы предлагают рассмотреть указанные в паспортах технические параметры СКЗ, которые определяют, насколько качественно будет выполняться основная задача катодной защиты.

Авторы не преследовали цель выражаться строго научным языком в определении понятий. В процессе общения с персоналом служб ЭХЗ мы поняли, что необходимо этим людям помочь систематизировать термины и, что еще более важно, дать им представление, что же происходит и в электросети, и в самой СКЗ.

Задача ЭХЗ

Катодная защита осуществляется при протекании электрического тока от СКЗ по замкнутой электрической цепи, образованной тремя включенными последовательно сопротивлениями:

· сопротивление грунта между трубопроводом и анодом; I сопротивление растекания анода;

· сопротивление изоляции трубопровода.

Сопротивление грунта между трубой и анодом может меняться в широких пределах в зависимости от состава и внешних условий.

Анод является важной частью системы ЭХЗ, и служит тем расходным элементом, растворение которого обеспечивает саму возможность реализации ЭХЗ. Сопротивление его в процессе эксплуатации стабильно растет вследствие растворения, уменьшения эффективной площади рабочей поверхности и образования окислов.

Рассмотрим сам металлический трубопровод, который и является защищаемым элементом ЭХЗ. Металлическая труба снаружи покрыта изоляцией, в которой в процессе эксплуатации образуются трещины от воздействия механических вибраций, сезонных и суточных температурных перепадов и т.д. Через образовавшиеся трещины в гидро- и теплоизоляции трубопровода проникает влага и возникает контакт металла трубы с грунтом, так образуется гальваническая пара, способствующая выносу металла из трубы. Чем больше трещин и их размеры, тем больше металла выносится. Таким образом происходит гальваническая коррозия, в которой течет ток ионов металла, т.е. электрический ток.

Раз течет ток, то возникла замечательная идея взять внешний источник тока и включить его на встречу этому самому току, из-за которого происходит вынос металла и коррозия. Но возникает вопрос: какой величины этот самый рукотворный ток давать? Вроде бы такой, чтобы плюс на минус давал ноль тока выноса металла. А как измерить этот самый ток? Анализ показал, что напряжение между металлической трубой и грунтом, т.е. по обе стороны изоляции, должно находиться в пределах от -0,5 до -3,5 В (это напряжение называется защитным потенциалом).

Задача СКЗ

Задачей СКЗ является не только обеспечивать в цепи ЭХЗ ток, но и поддерживать его таким, чтобы защитный потенциал не выходил за принятые рамки.

Так, если изоляция новая, и она не успела получить повреждений, то ее сопротивление электрическому току высокое и нужен небольшой ток для поддержания нужного потенциала. При старении изоляции ее сопротивление падает. Следовательно, требуемый компенсирующий ток от СКЗ возрастает. Еще больше он возрастет, если в изоляции появились трещины. Станция должна уметь измерять защитный потенциал и менять свой выходной ток соответствующим образом. И ничего более, с точки зрения задачи ЭХЗ, не требуется.

Режимы работы СКЗ

Режимов работы ЭХЗ может быть четыре:

· без стабилизации выходных значений тока или напряжения;

· I стабилизации выходного напряжения;

· стабилизации выходного тока;

· I стабилизации защитного потенциала.

Скажем сразу, что в принятом диапазоне изменений всех влияющих факторов полностью обеспечивается выполнение задачи ЭХЗ только при использовании четвертого режима. Что и принято как стандарт для режима работы СКЗ.

Датчик потенциала выдает станции информацию об уровне потенциала. Станция изменяет свой ток в нужную сторону. Проблемы начинаются с момента, когда надо ставить это самый датчик потенциала. Ставить его нужно в определенном расчетном месте, нужно копать траншею для соединительного кабеля между станцией и датчиком. Тот, кто прокладывал какие-либо коммуникации в городе, знает, какая это морока. Плюс к этому датчик требует периодического обслуживания.

В условиях, когда возникают проблемы с режимом работы с обратной связью по потенциалу, поступают следующим образом. При использовании третьего режима принимают, что состояние изоляции в краткосрочном плане меняется мало и ее сопротивление остается практически стабильным. Следовательно, достаточно обеспечить протекание стабильного тока через стабильное сопротивление изоляции, и получаем стабильный защитный потенциал. В среднесрочном и долговременном плане необходимые корректировки может производить специально обученный обходчик. Первый и второй режимы не предъявляют к СКЗ высоких требований. Эти станции получаются простыми по исполнению и как следствие дешевыми, как в изготовлении, так и в эксплуатации. Видимо это обстоятельство и обуславливает применение таких СКЗ в ЭХЗ объектов, находящихся в условиях невысокой коррозионной активности среды. В случае если внешние условия (состояние изоляции, температура, влажность, блуждающие токи) изменяются до пределов, когда на защищаемом объекте образуется недопустимый режим - эти станции не могут выполнять свою задачу. Для корректировки их режима необходимо частое присутствие обслуживающего персонала, иначе задача ЭХЗ выполняется частично.

Характеристики СКЗ

В первую очередь, СКЗ необходимо выбирать исходя из требований, изложенных в нормативных документах. И, наверное, самым главным в этом случае будет ГОСТ Р 51164-98. В приложении «И» этого документа говорится, что КПД станции должен быть не ниже 70%. Уровень индустриальных помех, создаваемых СКЗ, должен быть не выше значений, указанных ГОСТ 16842, а уровень гармоник на выходе соответствовать ГОСТ 9.602.

В паспорте СКЗ обычно указываются: I номинальная выходная мощность;

КПД при номинальной выходной мощности.

Номинальная выходная мощность - мощность, которую может отдавать станция, при номинальной нагрузке. Обычно эта нагрузка составляет 1 Ом. КПД определяется как отношение номинальной выходной мощности к активной мощности, потребляемой станцией в номинальной режиме. И в этом режиме КПД самый высокий для любой станции. Однако большинство СКЗ работают далеко не в номинальном режиме. Коэффициент загрузки по мощности колеблется от 0,3 до 1,0. В этом случае реальный КПД для большинства выпускаемых сегодня станций будет заметно падать при снижении выходной мощности. Особенно это заметно для трансформаторных СКЗ с применением тиристоров в качестве регулирующего элемента. Для бестрансформаторных (высокочастотных) СКЗ падение КПД при уменьшении выходной мощности существенно меньше.

Общий вид изменения КПД для СКЗ разного исполнения можно видеть на рисунке.

Из рис. видно, что если вы используете станцию, к примеру, с номинальным КПД равным 70%, то будьте готовы к тому, что еще 30% полученной из сети электроэнергии вы истратили бесполезно. И это в самом лучшем случае номинальной выходной мощности.

При выходной мощности на уровне 0,7 от номинальной вы должны быть готовы уже к тому, что ваши потери электроэнергии сравняются с полезно затраченной энергией. Где же теряется столько энергии:

· омические (тепловые) потери в обмотках трансформаторов, дросселей и в активных элементах схемы;

· затраты энергии для работы схемы управления станцией;

· потери энергии в виде радиоизлучения; потери энергии пульсаций выходного тока станции на нагрузке.

Эта энергия излучается в грунт от анода и не производит полезной работы. Поэтому так необходимо использовать станции с низким коэффициентом пульсаций, иначе бесполезно тратится недешевая энергия. Мало, того, что при больших уровнях пульсаций и радиоизлучения растут потери электроэнергии, но кроме этого эта бесполезно рассеянная энергия создает помехи для нормальной работы большого количества электронной аппаратуры, расположенной в окрестностях. В паспорте СКЗ указывается также необходимая полная мощность, попробуем разобраться с этим параметром. СКЗ забирает из электросети энергию и делает это в каждую единицу времени с такой интенсивностью, какой мы позволили ей это делать ручкой регулировки на панели управления станции. Естественно, что из сети можно брать энергию с мощностью, не превышающей мощность этой самой сети. И если напряжение в сети меняется синусоидально, то и наша возможность брать энергию из сети меняется синусоидально 50 раз в секунду. К примеру, в момент времени, когда напряжение сети переходит через ноль, из нее нельзя взять никакой мощности. Однако же, когда синусоида напряжения достигает своего максимума, то в этот момент наша возможность забирать из сети энергию максимальна. В любой другой момент времени эта возможность меньше. Таким образом, получается, что в любой момент времени мощность сети отличается от ее мощности в соседний момент времени. Эти значения мощности называются мгновенной мощностью в данный момент времени и таким понятием трудно оперировать. Поэтому договорились о понятии так называемой действующей мощности, которая определяется из воображаемого процесса, в котором сеть с синусоидальным изменением напряжения заменяется на сеть с постоянным напряжением. Когда подсчитали величину этого постоянного напряжения для наших электросетей, то получилось 220 В - ее назвали действующим напряжением. А максимальное значение синусоиды напряжения назвали амплитудным напряжением, и равно оно 320 В. По аналогии с напряжением ввели понятие действующего значения тока. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока называют полной потребляемой мощностью, и ее значение указывают в паспорте СКЗ.

А используется полная мощность в самой СКЗ не полностью, т.к. в ней имеются различные реактивные элементы, которые не тратят энергию, а используют ее как бы для создания условий, чтобы остальная энергия прошла в нагрузку, а затем возвращают эту настроечную энергию обратно в сеть. Эту возвращаемую обратно энергию назвали реактивной энергией. Энергию, которая передается в нагрузку, - активной энергией. Параметр, который указывает отношение между активной энергией, которая должна быть передана в нагрузку, и полной энергией, подводимой к СКЗ, называется коэффициентом мощности и указывается в паспорте станции. И если мы согласуем свои возможности с возможностями питающей сети, т.е. синхронно с синусоидальным изменением напряжения сети отбираем из нее мощность, то такой случай называется идеальным и коэффициент мощности СКЗ, работающей с сетью таким способом, будет равен единице.

Активную энергию станция должна как можно эффективнее передать для создания защитного потенциала. Эффективность, с которой СКЗ это делает, и оценивается коэффициентом полезного действия. Сколько она тратит энергии, зависит от способа передачи энергии и от режима работы. Не вдаваясь в это обширное поле для обсуждения, скажем только, что трансформаторные и трансформаторнотиристорные СКЗ достигли своего предела совершенствования. У них нет ресурсов для улучшения качества своей работы. Будущее за высокочастотными СКЗ, которые с каждым годом становятся надежней и проще в обслуживании. По экономичности и качеству своей работы они уже превосходят своих предшественников и имеют большой резерв для совершенствования.

Потребительские свойства

К потребительским свойствам такого устройства как СКЗ можно отнести следующее:

1. Размеры , вес и прочность . Наверно, не нужно говорить, что чем меньше и легче станция, тем меньше затрат на ее транспортировку и установку как при монтаже, так и при ремонте.

2. Ремонтопригодность . Очень важна возможность быстрой замены станции или узла на месте. С последующим ремонтом в лаборатории, т.е. модульный принцип построения СКЗ.

3. Удобство в обслуживании . Удобство в обслуживании, кроме удобства транспортировки и ремонта, определяется, по нашему мнению, следующим:

наличие всех необходимых индикаторов и измерительных приборов, наличие возможности дистанционного управления и слежения за режимом работы СКЗ.

Выводы

Исходя из вышесказанного можно сделать несколько выводов-рекомендаций:

1. Трансформаторные и тиристорно-трансформаторные станции безнадежно устарели по всем параметрам и не отвечают современным требованиям, особенно в области энергосбережения.

2. Современная станция должна иметь:

· высокий КПД во всем диапазоне нагрузок;

· коэффициент мощности (cos I) не ниже 0,75 во всем диапазоне нагрузок;

· коэффициент пульсаций выходного напряжения не более 2%;

· диапазон регулирования по току и напряжению от 0 до 100%;

· легкий, прочный и малогабаритный корпус;

· модульный принцип построения, т.е. иметь высокую ремонтопригодность;

· I энергоэкономичность.

Остальные требования к станциям катодной защиты, такие как защита от перегрузок и коротких замыканий; автоматическое поддержание заданного тока нагрузки - и прочие требования, являются общепринятыми и обязательными для всех СКЗ.

В заключении предлагаем потребителям таблицу сравнения параметров основных выпускаемых и применяемых сейчас станций катодной защиты. Для удобства в таблице представлены станции одинаковой мощности, хотя многие производители могут предложить целую гамму выпускаемых станций.