Принцип катодного захисту
При катодному захисті на газопровід накладають негативний потенціал, тобто переводять всю захищену ділянку газопроводу в катодну зону. Як анод застосовують старі сталеві труби, рейки та інші відходи чорного металу, котрі встановлюють у грунт поблизу газопроводу. Негативний полюс джерела постійного струму з'єднують з газопроводом, а позитивний – з анодом. Таким чином при катодному захисті з'являється замкнутий контур електричного струму, який протікає від позитивного полюса джерела живлення по ізольованому кабелю до анодного заземлення, від анодного заземлення струм розтікається по грунту і потрапляє на захищений газопровід у місцях пошкодження ізоляції. Далі він тече по газопроводу, а від нього по ізольованому кабелю, повертається до негативного полюса джерела живлення. Електричний струм виходить з анода у вигляді позитивних іонів металу, тому внаслідок розчинення металу анод поступово руйнується, а газопровід відновлюється. Електричний потенціал, який наскладується на газопровід, складає -1,2 до -1,5 В.
Рис. 9.12. Схема катодного захисту
1 – газопровід, що захищається; 2 – джерело постійного струму; 3 – анодний заземлювач; 4 – з’єднувальний кабель.
Монтаж установок катодного захисту
Монтуючи СКЗ у польових умовах, випрямляч встановлюють на ділянці, найзручнішій для обслуговування (рис. 9.13). Визначивши місця розташування конструктивних елементів СКЗ – випрямляча (А), точки підключення станції до газопроводу (точки дренажу) (Б), анодного заземлення (В), а також уточнивши місце підключення до діючої мережі змінного струму, розбивають кабельні лінії та приступають до монтажних робіт. Опори повітряних ліній СКЗ встановлюють через 30-80 м. Після встановлення опори з залізобетонною приставкою (3) монтують гачки КН-18 з фарфоровими ізоляторами ТФ-2. Жолобки ізоляторів встановлюють паралельно осі лінії. Перш ніж накрутити ізолятори на гачки, на їх верхню завершену частішу накладають промаслене клоччя. Ізолятори на гачках закріплюють цементним розчином. У гніздо ізолятора, на 2/3 заповненого цементним розчином, встановлюють гачок. Гачки з ізоляторами розташовують на опорі в шаховому порядку, щоб відстань між провідниками при напрузі лінії до 250 В була не більше 30 см, відстань від нижнього провідника марка і переріз яких передбачені проектом.
Рис. 9.13. Монтаж СКЗ з випрямлячем, підключеним до ЛЕП з напругою 220 В на трасі газопроводу.
1 - електрод захисного заземлення; 2 - з'єднувальна шина; 3 - залізобетонний стовп (або приставка); 4 – стовп огорожі; 5 - сітка; 6- випрямляч (катодна станція); 7 - опора; 8 - труба газова; 9 - хомут; 10 - ввід змінного струму; 11 - плашковий зажим; 12 - ЛЕП напругою 220 В; 13 - ізолятори ТФ-2; 14 - ввід випрямленого струму; 15 - дріт анодного заземлення; 16 - болтовий контакт; 17 - шина анодного заземлення; 18 - анодне заземлення в коксовій засипці; 19 - газопровід; 20 - точка дренажу; 21 – катодний вивід в залізобетонному стовпчику; 22 - кабель; 23 - труба кабельного вводу; 24 - опора зв'яжу газопроводу; L - відстань між анодним заземленням і газопроводом (100-800 м); N - відстань між опорою СКЗ і газопроводом (5 м, за наявності опор зв'язку 10м).
Переріз провідників з мідними жилами повинен бути не менше 6 мм, з алюмінієвими жилами - 16 мм. Переріз провідників і тип ізолятора повинні відповідати один одному.
Дроти після їх натягування і регулювання стріли провисання кріплять на ізоляторах в'язальним дротом: кабель прокладають на опорі, виконуючи захист від механічних пошкоджень кутовою сталлю або в трубі. У грунті кабель вкладають на глибину 0,8 м. Кабель із закільцьованим наконечником, приєднують до клем випрямляча.
Під час монтажу з'єднувальних ліній СКЗ повинні використовуватись кабелі, ізольовані та голі дроти, виготовлені з однакового металу.
Після того, як встановлено катодний вивід, кабель підключають до газопроводу електрозварюванням. Газ з газопроводу перед приварюванням перекривають. Підключення кабелю може проводитись термічним зварюванням. Підземну частину залізобетонних опор і приставок ліній СКЗ захищають від ґрунтової корозії бітумною мастикою, яку наносять на очищений бетон шаром - 4-5 мм. При низьких температурах в мастику додають 0,5-1% поліізобутилену або зеленого масла.
У дерев’яну опору вкручують гачки (на залізобетонній опорі кріплять сталевими скобами), розташування яких залежить від профілю лінії. Траверси з встановленими штирями закріплюють гвинтами і підкосами.
Земляні роботи під час монтажу залізо-кремнієвих анодних заземлювачів, встановлений у коксовий дріб’язок та графітових анодних заземлювачів виконують так само як і монтаж сталевих.
Кожен електрод приєднують до горизонтальної шини, розташованої в коксовому дріб'язку або до окремо ізольованого провідника. Провідники вводять в контрольно-вимірювальну колонку і з'єднують з кабелем, який прокладають до анодного провідника випрямної установки або до позитивної клеми випрямляча. Дня сталевого анодного заземлення замість кабелю прокладають сталеву шину. Необхідно ретельно ізолювати з'єднувальну шину анодного заземлення залізобетонної опори і приставки з причини можливості руйнування сталеної арматури струмами, які стікають. Особливо ретельно ізолюють підземну ділянку шини.
Якщо на СКЗ виконують глибинні анодні заземлення, для монтажу бурять свердловини станками АБВ-400, УГБ-4, УРБ-5. При обсадці ствола свердловини, муфти бурильних труб обварюють електрозварюванням, труби зварюють, у свердловину опускають сталевий електрод, зварений з труб. Простір між трубами заповнюють коксовим дріб'язком і втрамбовують штангою. Робочим електродом слугує внутрішня труба, включена в ланцюг СКЗ, або залізо-кремнієві електроди.
При великих опорах фунту навколо робочих електродів, його підсолюють (35-40кг сухої солі на один електрод). Іноді трубчасті сталеві електроди перфорують (свердлять у них отвір). Це дозволяє підсолювати грунт, заливаючи розсіл у труби.
Захисне заземлення монтують так само як анодне.
Після натягування провідників анодний провідник від’єднують до сталевої шини за допомогою гвинтового контакту. Кінець шини обслуговують або до неї приварюють оцинкований наконечник. Подвійне кріплення провідників на опорах виконують плашками.
Після закінчення монтажу СКЗ, перевірки опорів розтіканню струму анодного і захисного заземлень та всього ланцюга СКЗ, влаштування огорожі і встановлення попереджувальних знаній станцію підключають до живильної лінії електропередач.
9.9.3. Електродренажний захист.
Принцип електродренажного захисту полягає в підведенні блукаючих струмів від газопроводу в рейкову частину ланцюга електротяги або на збірну шину відвідних кабелів тягової підстанції залізничної дороги. До газопроводу підключають дренажну установку в точці дренажу за допомогою дренажного кабелю, який також підключають до рейкової мережі електрифікованого транспорту. Під час утворення позитивної різниці потенціалів між газопроводом і рейками в ланцюгу "газопровід-рейки" потече струм Ідр. Дренажний захист магістрального газопроводу на стійких анодних ділянках діє постійно, на знакозмінних - періодично, при появі на газопроводі позитивних потенціалів.
За допомогою дренажу забезпечується найдешевший захист однією дренажною установкою досягають створення максимальної зони захисту (до 5 км і більше). Для захисту металевих підземних споруд застосовують три типи дренажів: прямий (простий), поляризований і посилений. Два останніх найбільш часто застосовані.
Прямий дренаж володіє двосторонньою провідністю. Дренажний кабель можна приєднати тільки до негативної шини, коли вимкнена можливість витікання струмів на захисну споруду. Як правило дренажні кабелі до рейок не приєднують. Пояснюється це тим, то при обриві рейкового шляху (при порушенні стикових з'єднань) на рейках може виникнути потенціал зворотного, тобто позитивного знака, в зв'язку з чим електричний струм великої сили потече на газопровід. У цьому основний недолік прямих (простих) дренажів. Тому, не беручи до уваги простоту, прямі дренажі на міських мережах не застосовують.
Рис. 9.14. Схема прямого (простого) дренажу
1 - захищений газопровід; 2 - регулювальний реостат; 3 - амперметр; 4 – запобіжник; 5 - негативна шина.
Поляризаційний дренаж на відміну від прямого, володіє тільки односторонньою провідністю: від газопроводу до джерела.
У склад станції дренажного захисту входять установка електродренажу, катодний вивід газопроводу, контактне обладнання з рейковим ланцюгом, з'єднувальні електролінії. Захист здійснюється за допомогою поляризаційних або посилених станцій дренажного захисту. При стійкій позитивній різниці потенціалів "труба - рейка", яка визначає виникнення на газопроводі стійкої анодної ділянки, може використовуватись прямий дренаж, при знакозмінній різниці потенціалів "труба-рейка" - поляризаційний дренаж, який забезпечує прохід блукаючих струмів з газопроводу на рейки. Для захисту газопроводу на анодних і на знакозмінних ділянках використовують посилений поляризований дренаж, принцип роботи якого подібний до принципу роботи СКЗ, у ланку якого замість анодного заземлення включена рейкова мережа. По стійкій негативній різниці потенціалів "труба-рейка" (направлення блукаючих струмів з рейок на трубу), яка виявляє виникнення на газопроводі стійкої катодної ділянки, електричний дренаж не використовується.
Нині у зв'язку з широким використанням електродренажного захисту в сталевих підземних трубопроводах великих діаметрів, а також повернення електронів у контактну мережу електровозами ділянки рейкової мережі в районі тягової підстанції мають знакозмінний потенціал, тому пряме використання електричних дренажів, які є неавтоматизованими пристроями, на магістральних газопроводах не виключається.
Підключення дренажною кабелю в рейкову ланку залізничної дороги не повинно порушувати її роботу. Рейкова дорога на ділянці електротяги створює ланку постійного тягового струму і ланку сигналізації змінного струму. Він розбитий на окремі блок-ділянки, обмежені встановленими ізолюючими стиками. Кожна ділянка обладнана сигнальним шляховим реле, має окреме електроживлення змінним сигнальним струмом. Коротке замикання рейкових ізолюючих стиків, є небезпекою збудження шляхових реле від джерела живлення суміжної рейкової ланки, появою помилкових сигналів і виходом з ладу системи автоблокування.
На однониткових рейкових ланках тяговий струм подасться по одній рейді, друга рейка секціонована на блок-ділянки довжиною 550-900 м і служить для сигнальних струмів. На двониткових рейкових ланках постійний тяговий і змінний сигнальний струм подасться по двох нитках одночасно. Для пропуску тягового струму через ізолюючий стик на сусідню рейкову ланку використовують шляхові дроселі, які мають дуже малий опір (біля 5x10-4 Ом) для постійного тягового струму і значно більший опір (0,3-0,6 Ом) для змінного сигнального струму. З обох рейок ланки до середньої точки дроселя в протилежному напрямку пропускається тяговий струм приблизно рівний величині і має повітряний зазор у сердечнику, виключається можливість намагнічування заліза дроселя і зниження його опору змінному струму. В деяких випадках використовують дросель-трансформатори з доповнювальною підвищувальною обмоткою, через яку рейкова ланка підключається до джерела живлення і реле. Дроселі і дросель-трансформатори встановлюються через 1500-3000 м.
При однонитковій рейковій ланці дренажний кабель підключають до тягової рейки, для чого використовують спеціальний контактний "башмак", при двонитковій - до середньої точки дроселя, що не дозволяє перетікання сигнальних струмів між блок-ділянками через дренажні кабелі і газопроводи. Всі відвідні кабелі і міжшляхові перемички також підключають до рейки через середні точки дроселів. Якщо дроселі встановлені на залізній дорозі далеко від міста, де здійснюють підключення дренажного кабелю, на залізній дорозі встановлюють допоміжний дросель.
Рис. 9.15. Принципова схема електродренажного захисту
1 - газопровід; 2 - контакт катодного виводу; 3 - катодний вивід; 4 - точка дренажу на газопроводі; 5 - поляризована електродренажна установка; 6 - контактний пристрій з рейковою мережею; 7 - рейкова мережа; 8 - дренажний кабель.
При підключенні дренажного кабелю до негативної шини тягової підстанції, СДЗ працює більш ефективно: збільшується величина дренажного струму, тому що зменшується загальний опір дренажної ланки за рахунок виключення опору рейкової ланки. Проектні рішення по підключенню дренажних кабелів до рейкової мережі потрібно узгодити із службою сигналізації, централізації і блокування (СЦБ), а також службами залізничного шляху, а до відсмоктувальних ліній тягових підстанцій - зі службою електрифікації та енергетичного господарства. Дренажний кабель в рейкову мережу підключають разом з робітником СЦБ, які перевіряють режим рейкових ланок. Підключення дренажних кабелів до відсмоктувальних ліній тягових підстанцій, здійснюється за присутності робітників тягових підстанцій.
Поляризовані і підсилені дренажі можна під'єднати до середніх точок шляхових дроселів при двониткових рейкових ланцюгах не частіше, ніж через три рейкові ланцюги (через 2 дросельних стики на 3). Для запобігання корозії рейок серед нього динний струм всіх установок дренажного захисту підключених до рейкового шляху чи збірної шини негативних живлячих ліній тягової підстанції, не повинен перевищувати 25% загального навантаження даної-тягової підстанції.
Для дренажних ліній елекгродренажів всіх типів застосовують електрокабелі, дроти й шини. Використовують одножильні кабелі (силовий кабель, освинцьований, броньований) алюмінієвими жилами на напругу до 1 кВт). Вибір поперечного перерізу кабелю залежить від відвідного струму та довжини дренажної ланки. Із збільшенням довжини кабелю збільшується площа поперечного перерізу для зменшення опору.
Електричні поляризовані дренажні установки
Всі СДЗ використовуються на магістральних газопроводах, є автоматичними. За принципом регулювання їх поділяють на СДЗ з автоматичним регулюванням напрямку струму й на СДЗ з автоматичним регулюванням потенціалу. До СДЗ з автоматичним регулюванням напрямку струму відносять поляризовані й підсилені. Електродренажні установки - цих станції регулюють напрямок струму в системі "труба-рейка". Поляризовані дренажні установки поділяють на електромагнітні (УПДУ-57, ПДУ-60, ДП-63 та ін.), у схемі яких використовують електромагнітне реле й контактори для вмикання в установку при прямих вимкненнях її при зворотному струмі, та вентильні (ПД-ЗА, ПГД-200, ІПГД-150 та ін.) у схемі яких використані напівпровідникові діоди-вентилі. Перевага вентильних у порівнянні із електромагнітними відсутність рухливих частин та контактів. Але вони більш чутливі до підвищення температур і миттєвих перевантаженнях у прямому і зворотному напрямі. Характеристика дренажу залежить від вентилів, що використовуються в схемі. Електромагнітні установки можуть використовуватись у схемі посиленого дренажу.
Схема електромагнітної дренажної установки складається з двох паралельних ланцюгів: основного (для відведення номінальних струмів дренажу) та допоміжної (для живлення вмикаючої обмотки контактора та вмикання дренажного ланцюга). Головний елемент дренажного ланцюга - електромагнітний контактор. Його котушка має дві обмотки (або одну двосекційну): вмикаючу та дренажну. У дренажному ланцюгу встановлений регулювальний реостат, амперметр з шунтом, вимикач та запобіжник. У вмикаючій обмотці встановленні: діод, анод якого ввімкнений у дренажний ланцюг до контактора. Для захисту вентиля встановлений запобіжник.
Рис. 9.16. Принципові схеми електродренажних установок
а - поляризованих електромагнітних; б - поляризованих вентильних; в - посилених; 1 - регулювальний реостат; 2 - контакти контактора; 3 - дренажна обмотка котушки контактора; 4 - шунт; 5 - вимикач постійного струму; 6 - запобіжник дренажу; 7 – амперметр; 8 - вмикаюча обмотка котушки контактора; 9 - напівпровідниковий діод; 10 - запобіжних вмикаючого ланцюга; 11 - силовий напівпровідниковий вентиль; 12 - балансний резистор; 13 - вимикач змінного струму; 14 - запобіжник змінного струму; 15 - трансформатор; 16 - випрямляючий блок; Г - газопровід, Р - рейка.
Принцип роботи електродренажної установки. За відсутності різниці потенціалів між газопроводом і рейками струм у дренажі відсутній. Якщо потенціал газопроводу стає більш додатнім, ніж потенціал рейок, струм з газопроводу проходить у рейковий ланцюг через реостат, вмикаючи обмотку котушки контактора, амперметр з шунтом, ввімкнений вимикач і запобіжник. При досяганні певної величини для даного дренажу величини струм вмикаючої обмотки вмикає контакт контактора і блукаючий струм йде по обох ланцюгах у співвідношеннях, зворотно-пропорційних їх опорам. Якщо значення потенціалів між газопроводом і рейками стає більше нуля, потенціал рейок більш позитивний ніж потенціал газопроводу, сила зворотного струму, що проходить через вмикаючу обмотку котушки контактора і напівпровідниковий діод, стає недостатньою для утримання контакту контактора. Він відкривається під дією пружини та своєї ваги. При втраті діодом уніполярної (односторонньої) провідності (при тепловому або електричному пробиванні) зворотний струм у вмикаючій обмотці не буде обмежений і контактор залишиться у ввімкненому положенні, що викличе поступовий на газопровід тягового струму з рейкової мережі та відповідну корозійну небезпеку. Ось чому так важливий захист діода в електромагнітних дренажних установках при нещільному контакті в контакторі (окислення, підгоряння контактів) опір дренажного ланцюга збільшується і струм між ланцюгами перерозподіляється: через вмикаючий ланцюг проходить дренажний струм перенавантаження, який вище допустимого, що викликає пробивання діода, хоча запобіжник у багатьох випадках витримує значно більші струмові навантаження, ніж діод. Для усунення перенавантаження діода необхідне більш раннє вмикання контактора, а також належне утримання контактних поверхонь під час експлуатації.
У схемі вентильної електродренажної установки використовують потужні кремнієві вентилі. Залежно від величини відведеного струму паралельно встановлюють необхідну кількість вентилів. У деяких конструкціях послідовно з вентилями передбачають встановлення резисторів, які балансують навантаження між вентилями. Вентилі пропускають струм з газопроводу в рейки. Коли потенціал рейок стає позитивнішим потенціалу газопроводу, в зворотному напрямку протікає дуже малий струм (величина його залежить від характеристик зворотного струму використаних вентилів). Застосування потужних силових кремнієвих вентилів, розрахованих на більші струми і високі зворотні напруги, значно підвищують надійність вентильних дренажних установок.
Поляризовані дренажі - пристрої періодичної дії. За відсутності різниці потенціалів між газопроводом і рейками струм у системі не протікає. При ньому можливий випадок, коли потенціал газопроводу не досягне захисних значень, що призведе до необхідності допоміжної установки СКЗ або заміні поляризованого дренажу посиленим.
Посилений дренаж - це дренажний пристрій, у ланцюг якого підключено джерело постійного струму. Його використовують у тому випадку, якщо застосування поляризованого дренажу не забезпечує захисного ефекту на газопроводі. Блок-випрямляч забезпечує одночасну односторонню провідність дренажу від газопроводу до рейок і підсилює ефект електрохімічного захисту газопроводу за рахунок накладеного струму катодної станції, яка живиться через трансформатор від мережі змінного струму напругою 220 В. Промисловість випускає посилену дренажну установку УДУ-2400 з максимальною потужністю на виході 2400 Вт.
Поляризовані та підсилені дренажні установки з автоматичним регулюванням напрямку струму, не забезпечують автоматичного регулювання потенціалу газопроводу в місці підключення. Для автоматичного регулювання потенціалу газопроводу при електрохімічному захисті в полі блукаючих струмів застосовують автоматичні посилені дренажні установки, принцип регулювання і конструктивне виконання яких відповідає автоматичним СКЗ. Існують автоматичні дренажі на магнітних підсилювачах (УДА-2400) й тиристорах (ДАУ-2). На базі автоматичного перетворювача катодного захисту серії ПАСК створений автоматичний перетворювач дренажного захисту серії ПАД, який автоматично підтримує захисний потенціал газопроводу на заданому рівні переважно в анодному і знакозмінних полях блукаючих струмів.
9.9.4. Комплексний захист.
Для повного захисту газопроводів від корозії одночасно приймають ізоляційні покрили й електрохімічний захист. Залежно від корозійних умов застосовують різні ізоляційні покритгя й електрохімічний захист. На ділянках вражених ґрунтовою корозією застосовують ізоляційні покриття в відношеннях з електрохімічним захистом за допомогою СДЗ, СКЗ автоматичних протекторних установок. Використовують каюдні, дренажні, протекторні системи захисту.