О преимуществах импульсных токов перед постоянным током при защите трубопроводов от коррозии «Интеграл» упоминалось ранее [1], однако физическая и экономическая стороны этого дела выходили за рамки рассмотрения. Настоящая статья имеет своей целью восполнить этот пробел.
Преимущества импульсных токов перед постоянным током в основном сводятся к следующему:
многократная экономия электроэнергии при максимальных значениях тока нагрузки и выходного напряжения;
отсутствие газовыделения, приводящего к отслаиванию защитной изоляции;
устранение наводораживания трубной стали, приводящего к ее охрупчиванию;
более равномерная защита трубопровода, обусловленная более равномерным распределением потенциала поляризации;
значительное уменьшение расхода материала анодного заземлителя.
Какие же физические явления обуславливают эти преимущества?
Специальными экспериментами было показано [2], что в импульсном режиме необходима такая же плотность тока, что и при защите постоянным током, поэтому электроэнергия экономится за счет промежутков между импульсами. Экономия электроэнергии η определяется в основном отношением периода следования импульсов к длительности импульса τ. Учитывая, что период следования импульсов является суммой промежутка между импульсами Т и длительностью импульса τ, получим соотношение для вычисления экономии электроэнергии:
η = ( 1+Т / τ) 100%
Как было показано в [3], максимальное значение отношения промежутка между импульсами к длительности импульса не должно превышать отношения времени обратной диффузии к времени направленного движения отрицательно заряженных ионов под действием импульса электрического поля или:
η = ( 1/τ +μφ / 2D) 100%,
где μ — подвижность отрицательных ионов, вызывающих коррозию металла, φ — поляризационный потенциал и D — коэффициент диффузии этих ионов в среде. Эта формула указывает на связь экономии электроэнергии с физическими свойствами коррозионно-опасной среды. Даже при небольшом превышении оптимального режима защиты на поверхности трубопровода происходит диссоциация воды и выделение газообразного водорода и кислорода, что приводит к отслаиванию изоляции от поверхности трубы. В импульсном режиме устанавливается такая продолжительность импульса, в течение которой разноименно заряженные ионы кислорода и водорода не растаскиваются электрическим полем за пределы кулоновского радиуса. После снятия поля (окончания импульса) ионы опять соединяются, образуя молекулы воды. Именно поэтому при импульсном режиме не должно происходить газовыделения и наводораживания. Фото 1, 2 иллюстрируют вышесказанное. На фото изображены пластинки из терморасширенного графита. Пластинки были помещены в водопроводную воду, и через них пропускался постоянный и импульсный ток одинаковой плотности 0,26 А/м2. Через трое суток на пластинке, через которую пропускался постоянный ток, появились вздутия (на фото справа), вызванные выделением водорода, а на пластинке, через которую пропускался импульсный ток, таких вздутий не было обнаружено (фото слева). Этот эксперимент со всей очевидностью показывает, что при импульсном режиме даже при значительном превышении оптимальной плотности защитного тока газовыделения не происходит. Аналогичные процессы имеют место и в трубной стали при превышении плотности защитного тока сверх оптимального ее значения. В случае использования постоянного тока выделяющийся водород проникает в межкристаллитное пространство трубной стали, с течением времени накапливается в ней, вызывая колоссальные внутренние напряжения. Поэтому порой достаточно бывает небольшого сотрясения, чтобы стальная труба, находящаяся под давлением в десятки атмосфер, лопалась, как стеклянная.
Фотографии 1 и 2 также демонстрируют более равномерное распределение потенциала поляризации при пропускании импульсного тока. Окрашивание поверхности графитовых пластинок обусловлено разложением хлора, растворенного в водопроводной воде. Областям, имеющим одинаковую окраску, можно сопоставить одинаковую плотность тока, протекающего через них. Поэтому по окраске поверхности пластинок можно судить о распределении потенциала поляризации. На фотографиях видно, что пластинка, через которую пропускался постоянный ток (на фото справа), заполяризовалась практически полностью с внутренней стороны (со стороны источника тока), в то время как на внешней стороне этой пластинки потенциал разложения хлора (за исключением области токоввода) так и не был достигнут. При пропускании импульсного тока практически вся внутренняя сторона и более половины внешней стороны графитовой пластинки приобрела потенциал, превышающий потенциал разложения хлора.
Более равномерная защита трубопровода поясняется рисунками 1 и 2. Во время действия импульса тока распределение напряженности электрического поля соответствует распределению линий тока так же, как и при защите постоянным током (рис. 1). После окончания импульса в металле происходит быстрое перераспределение полученного во время импульса заряда, и распределение поля становится таким, как показано на втором рисунке (рис. 2). В последующий промежуток времени через зону недостаточной защиты проходит дополнительный ток. Примерно такие же процессы происходят и в продольном направлении, увеличивая зону охвата катодной защитой протяженных трубопроводов.
Уменьшение расхода материала анодного заземлителя обусловлено уменьшением количества электричества, проходящего через поверхность раздела (анодный заземлитель — почвенный электролит в импульсном режиме). На сегодняшний день разработано три разновидности импульсных устройств: одно предназначено для защиты городских подземных коммуникаций от коррозии; другое — для защиты магистральных водо-, нефте- и газопроводов, питающаяся от сети переменного тока 220 В, 50 Гц; третье — для защиты газопроводов при отсутствии подвода к ним электричества. Основные параметры этих устройств представлены в таблице.
Все они выгодно отличаются по своим параметрам и эксплуатационным характеристикам от наиболее продвинутой в техническом отношении станции катодной защиты постоянным током «Минерва — 3000» производства ЗАО «Катодъ», технические параметры и эксплуатационные характеристики которой представлены в правом столбце таблицы. Сравнение близких по параметрам импульсных устройств для защиты протяженных объектов и станции катодной защиты «Минерва — 3000» демонстрирует преимущества импульсных систем перед системами защиты от коррозии постоянным током. В настоящее время вдоль газопроводов прокладывают линии электропередач, устанавливают трансформаторные подстанции и другие электротехнические устройства, чтобы снабжать электроэнергией станции катодной защиты, системы связи, автоматики и телемеханики. Распределенная стоимость одного километра притрассовой ЛЭП составляет один миллион рублей. Во многих случаях экономически нецелесообразно тянуть ЛЭП и устанавливать подстанцию только для того, чтобы отобрать несколько киловатт электроэнергии для катодной защиты участка трубопровода и запитать телефонный усилитель. Дешевле использовать автономные источники электроснабжения, например, каталитические термоэлектрические генераторы (КАТЭГ), работающие на природном газе. Опыт применения КАТЭГов имеется в «Севергазпроме» и Западной Сибири. Одна импульсная станция катодной защиты, использующая в качестве источника электроэнергии КАТЭГ, успешно проходит испытания на Урале. Принцип действия КАТЭГ (окисление природного газа на каталитических пластинах при температуре 2900°С) обеспечивает получение стабилизированного постоянного напряжения и полную взрывобезопасность при эксплуатации, что выгодно отличает их от автономных источников тока (АИТов), в которых горит пламя. В автономной станции катодной защиты импульсным током установлен ультракап — накопительный конденсатор большой емкости (150Ф), обеспечивающий кратковременную отдачу тока величиной в несколько сотен ампер и постоянно подзаряжающийся от КАТЭГ малым током. Поэтому автономную станцию катодной защиты, снабженную накопительным конденсатором большой емкости, можно использовать в качестве источника тока большой мощности в тех случаях, когда потребление тока кратковременно (открытие и закрытие кранов, передача радиосигналов большой мощности и другие применения).
Если емкости конденсатора, устанавливаемого в настоящее время в автономную станцию катодной защиты, окажется недостаточно, чтобы обеспечить потребляющее устройство электроэнергией в течение заданного промежутка времени, то можно установить накопитель большей емкости, производимый АО «ЭСМА». Автономная станция катодной защиты газопроводов импульсным током способна охватить защитой от коррозии участок газопровода большого диаметра от 10 до 20 км в зависимости от качества изоляции. Простой расчет показывает, что применять автономные станции для защиты газопроводов от коррозии, питать от них системы автоматики и телемеханики экономически более выгодно, чем наращивать установленную мощность автономных источников электроснабжения и еще более выгодно, чем тянуть ЛЭП и устанавливать понижающие трансформаторы. Применение импульсных станций катодной защиты, питающихся от сети в конечном счете также становится экономически обоснованным, так как стоимость электроэнергии, потребляемой на электрохимическую защиту 1 м2 поверхности трубопровода, уменьшается в 5 – 20 раз.
