3. Токи коррозии

3.1. Задачи коррозионных исследований

Выявление токов коррозии, определение их интенсивности и зоны действия относится к предпроектным работам, которые должны обеспечить инженера-проектировщика исходными данными, определяющими объем и содержание проекта защиты, а также  очередность выполнения антикоррозионных мероприятий.

Объем коррозионных исследований планируют исходя из требований нормативной документации и особенностей объекта в зависимости от характера металлического сооружения и условий его эксплуатации.

Основная цель коррозионных исследований - определение степени агрессивности окружающей среды.

Фактический объем изыскательских работ определяет проектная организация. Основные виды работ обсуждены ниже.

3.2. Определение агрессивности грунта

В соответствии с действующими стандартами одним из критериев коррозионной опасности для стальных подземных металлических сооружений является коррозионная агрессивность среды, которую  определяют два показателя:

1) удельное электрическое сопротивление грунта по трассе трубопровода ( r );

2) удельное катодное поляризационное сопротивление ( P_к ), определяемое по плотности тока поляризации образца-свидетеля в условиях, близких к условиям трассы трубопровода.

Роль этих показателей как критериев коррозионной опасности станет очевидной, если рассмотреть формулы (2.5) и (2.6), которые в совокупности дают

Рекомендуемые материалы

I = E / R;                                                              (3.1)

  R = R_з + R_к + R_а,              

 где  I - ток коррозии, Е - э.д.с. коррозионной гальванопары, R - полное сопротивление току коррозии.

Первая составляющая R_з есть “земляной” участок цепи гальванического элемента. Она однозначно определяется величиной удельного электрического сопротивления грунта (r ) как обыкновенная омическая составляющая электрической цепи. Здесь очевидно, что чем меньше r  и, следовательно, меньше R_з , тем больше ток коррозии.

Второй участок цепи R образует катодное поляризационное сопротивление R_к. Этот  участок  контролируетcя  удельным  катодным  поляризационным сопротивлением сооружения ( Р_к ), покольку R_к^. = P_к / S_к, где S_к - площадь катодных участков. Здесь справедливо аналогичное правило: чем меньше Р_к , тем больше ток коррозии.

Третий участок - анодное поляризационное сопротивление R_а  -  подобен катодному (R_к ), но техническими нормами как критерий коррозионной опасности не рассматривается, хотя этот параметр также управляет величиной тока коррозии.

Не учтена нормами также и величина  э.д.с. ( Е ) гальванопары в связи с отсутствием надежных экспериментальных способов ее контроля.

3.2.1. Измерения удельного электрического сопротивления  грунта

Измерения удельного электрического сопротивления грунта (r ) в полевых условиях выполняют с помощью четырехэлектродной установки по схеме рис.3.1.

Метод построен на использовании известной формулы для вычисления потенциала в поле точечного источника тока в полупространстве, например, короткого стержня-заземлителя, расположенного у поверхности земли

j = Ir / (2pr) ,                                                             (3.2)

где j - потенциал в исследуемой точке земли, В; I - ток точечного источника, А;  r - расстояние от источника до исследуемой точки, м;     r - удельное электрическое сопротивление грунта, Ом^.м.

Обычно измеряют непосредственно величину R, для чего используют не амперметр и вольтметр, как условно показано на схеме, а логометр - прибор, измеряющий отношение двух электрических величин. Источником тока может служить батарея из сухих элементов или генератор переменного  тока с ручным приводом.

Расчет справедлив для однородного грунта. Речь может идти лишь о среднем значении r  в районе измерительной установки. Анализ показывает, что измеренное r характеризует слой земли между потенциальными электродами M и N глубиной равной примерно AB / 2  (см.закрашенную область рис.3.1).

Коррозионная агрессивность грунта по ГОСТ 9.602-89 определяется по графе 2 табл.3.1: чем меньше удельное сопротивление грунта, тем он агрессивнее.

3.2.2. Определение агрессивности грунта по плотности

 тока поляризации

Данный метод относится к альтернативным методам оценки. При использовании этого метода фактически измеряется  катодное поляризационное сопротивление  R_к = P_к / S  стального образца площадью S в грунте, взятом с трассы трубопровода. Как отмечено выше, чем меньше удельное  поляризационное сопротивление ( Р_к ), тем больше ток коррозии гальванопары.

Стальной образец помещают в ячейку с грунтом и катодно поляризуют в течение заданного интервала времени (10-40 мин.), поддерживая катодное смещение потенциала на уровне DU_к = -100 мВ = const, после чего фиксируют среднюю плотность тока катодной поляризации j и оценивают коррозионную агрессивность по графе 3 табл.3.1.

                                                                                                            Таблица 3.1

Удельное катодное поляризационное сопротивление при необходимости вычисляют по формуле

Р_к = DU_к / j.                                                              (3.5)

Как следует из таблицы, при Р_к £ 0,5 Ом^.м² грунт считается высокоагрессивным, а при  Р_к ³ 2 Ом^.м² - неагрессивным, т.е. чем меньше Р_к, тем агрессивнее грунт.

3.3. Полевые исследования работы коррозионных 

 макропар

3.3.1. Метод градиента потенциала

Местоположение анодов протяженных коррозионных макропар на трубопроводах в ряде случаев легко обнаруживается с поверхности земли. На рис.3.2  продемонстрированы для этой цели возможности метода градиента потенциала.

Два измерительных электрода (устройство таких электродов описано ниже) перемещают по трассе трубопровода (а) или поперек ее (б) с некоторым постоянным шагом. При отсутствии каких-либо токов в земле и равенстве собственных потенциалов электродов (в худшем случае собственные потенциалы электродов различаются на 1...2 мВ, что можно учесть в результатах измерения как систематическую ошибку) милливольтметр покажет нуль напряжения, т.е.    DU= 0.

Прежде чем заняться анализом представленной на рис.3.2 эпюры потенциалов, необходимо воспользоваться следующими замечаниями.

Для измерений берут милливольтметр, имеющий шкалу с нулем посредине или цифровой прибор. Обычно у стрелочного измерительного прибора “плюсовая” клемма расположена на корпусе справа. Поэтому отклонение стрелки измерительного прибора вправо от нуля, т.е. в сторону зажима “+”,  фиксирует положительное значение измеряемой величины (DU > 0), означающее, что потенциал на зажиме “+” больше, чем на зажиме “-” и ток в измерительном приборе протекает, как и положено, от большего к меньшему, т.е. от “плюса” к “минусу”. Следовательно, и в земле направление такое же: от “плюсового” электрода к “минусовому”.

Пусть в результате измерений оказалось, что установка слева на рис.3.2,а  фиксирует DU > 0, т.е. стрелка отклонилась вправо и, следовательно, электрод, подключенный к  зажиму “+”, имеет более положительный потенциал, чем электрод, подключенный к зажиму “-”. Отсюда следует, что между электродами в земле существует ток, направленный от точки 1 к точке 3.

Рис.3.2. Определение местоположения анода коррозионной макропары методом градиента потенциала.

И, наоборот, пусть установка справа на рис.3.2,а  фиксирует     DU < 0. Здесь ток в земле уже направлен слева направо, от точки 1 к точке 2.

Но изменение направления тока в земле, а это в нашем примере имеет место в точке 1, может быть зафиксировано в реальной ситуации только в том случае, если между левой и правой измерительными установками “фонтанирует” ток некоего источника. Если других предположений нет, то этим источником будет трубопровод, а центр “фонтана” (точка 1) есть  центр анода гальванической макропары, как  это и показано на рис.3.2,а.

3.3.2. Метод  выносного электрода.

Как известно из предыдущего, анод - более электроотрицательный электрод. Поэтому первым признаком присутствия анода гальванопары в данной точке трубопровода служит ее более электроотрицательный потенциал относительно соседней точки.

Рассмотрим эту ситуацию несколько подробнее. Но прежде определимся с одним из часто используемых в практике терминов - стационарным потенциалом металлического сооружения. Будем называть стационарным потенциалом трубопровода - разность потенциалов “труба-земля” при отсутствии поля токов внешних источников.

Стационарный потенциал реального металлического сооружения - не очень строгий термин из электрохимического лексикона. В общем случае это есть разность потенциалов

U_ст = j _т - j _з ,                                                              (3.6)

где  U_ст - стационарный потенциал трубопровода;  j_т - потенциал тела трубопровода относительно бесконечно удаленной точки земли, т.е. относительно той точки, где полем токов коррозии можно пренебречь;j_з - потенциал земли вблизи трубопровода, также отсчитанный относительно “далекой” земли и вызванный токами коррозии.

В электрохимии чаще говорят о стационарном потенциале металла j_ст  как потенциале обособленного электрода малого размера.

При измерении стационарного потенциала трубопровода “плюс” вольтметра подключают к трубе, “минус” - к  измерительному электроду, который располагают возможно ближе к  трубопроводу.

Метод выносного электрода , представленный на  рис.3.3,  предполагает, что передвижной измерительный электрод находится на поверхности земли и для анализа протяженной гальванопары его перемещают с небольшим шагом (10...20 м) вдоль трассы трубопровода, соединив ”+” прибора с  ближайшей доступной точкой трубопровода. Докажем, что наиболее отрицательному значению стационарного потенциала U_ст  соответствует центр анода.

Пусть, например,  в трех соседних точках трубопровода измерены стационарные потенциалы U_ст.1 , U_ст.2, U_ст.3, причем

U_ст.1 > U_ст.2  < U_{ст.3 .}

В соответствии с формулой (3.6) и принятым условием должно быть

j _т1 - j _з1  >  j _т2 - j _з2 < j _т3 - j _з3 .

Поскольку эти точки расположены недалеко друг от друга, то можно допустить

 j _т1 = j _т2 = j _т3, 

 т.е. можно пренебречь падением потенциала в теле трубопровода (это допущение легко доказывается, если учесть, что удельное продольное сопротивление трубопровода чрезвычайно мало и составляет 10^-4...10^-5 Ом/м). Отсюда, сокращая все j _т и меняя знаки неравенства на противоположные,  получим

  j _з1 < j _з2 > j _з3.

 Это означает, что

- ток в земле направлен от точки 2 к точкам 1 и 3;

- вблизи точки 2 находится “фонтан” тока, т.е. анод, а в точках 1 и 3 - катоды.

Таким образом,  коррозионно опасными точками вдоль трубопровода являются точки с более электроотрицательной разностью потенциалов труба-земля, если рядом имеются точки с более положительным потенциалом.

3.5. Численный анализ работы коррозионной макропары

Ниже использован метод расчета, представленный в нашей книге, и реализованный в одной из программ комплекса АРМ ЭХЗ-6П.

Решается система уравнений N-го порядка, где N – число узлов дикретизации. Эту систему для анализа удобнее представить в виде двух матричных уравнений

(BA - E)j = -Bj_cт ;

 R_изj + j_cт = U,                                                                                                  (3.10)

где  j - искомый вектор плотности тока трубопровода; R_из - вектор удельного сопротивления изоляции; В,A - матрицы, определяющие параметры трубопровода, его конфигурацию, взаимовлияния участков и связи между N узлами дискретизации; E - единичная матрица; j_cт - электродные (стационарные) потенциалы каждого из отрезков дискретизации; U - вектор измеренных значений разности потенциалов труба-земля.

При плохой и удовлетворительной изоляции коэффициент пористости обычно более s_пор>0,05, а для  очень плохой - s_пор < 0,2.

После решения задачи (3.10) действительную плотность тока и скорость коррозии вычисляют по формулам

j_кор = j / (pds_пор) ;                                              (3.11)

     v = 1,18 j_кор,

где  j_кор - действительная плотность тока коррозии в порах покрытия, А/м²; j - расчетная плотность тока на единице длины трубопровода, А/м; d - диаметр трубопровода, м; v - скорость коррозионного проникновения, мм/год (см.формулу  (2.9)).

На рис.3.5  приведены искомые зависимости скорости коррозии ( v ) от удельного сопротивления грунта (r ) для достаточно мощных макропар различной протяженности. При этом за длину макропары ( L ) принята длина участка трубопровода между двумя катодами и одним анодом между ними, например, как это показано на рис.3.3,  а величина DU есть предельное изменение потенциала вдоль оси трубопровода, т.е. DU = U_max - U_min , где U_max, U_min - предельные  значения измеренной разности потенциалов труба-земля на исследуемом участке.

Из графиков, представленных на рис.3.6, следует, что скорость коррозии, вызываемая токами гальванопары, практически линейно зависит от удельной электропроводимости грунта (1 /r ) и изменения потенциала по трассе трубопровода ( DU ). Такая особенность позволяет построить простейшие эмпирические формулы.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 8 Методика исчисления себестоимости продукции других отраслей животноводства.

Прочие результаты расчета показали, что мощная макропара при   DU > 0,3 В может быть только при очень плохой изоляции, т.е. с R_из < 10 Ом.м. При R_из > 150 Ом.м. следует ожидать DU <0,05 В. Поэтому, как косвенный результат расчета, следует  отметить: чем больше градиент потенциала DU, тем хуже изоляция трубопровода.

Если для оценки скорости коррозии ориентироваться на значения  DU = 0,2 ± 0,05 В  и  L = 50 ±20 м, встречаемые на практике, то можно ожидать при r = 20 Ом^.м  коррозию со скоростью  v = 0,15...0,2 мм/год. Для сравнения отметим, что коррозия в однородной среде (при отсутствии макропар) имеет скорость на порядок ниже, а именно  v = 0,01...0,05 мм/год, что считают безопасным.

При DU<0,05 В коррозионной гальванопары практически нет.

Использование компьютерных программ комплекса ЭХЗ-5П сводится к диалогу при вводе данных, где требуется назвать все упомянутые выше параметры, а также такие как глубина заложения трубопровода, относительные координаты узлов дискретизации и ряд других, обычно известных для рассматриваемого участка сети. Значение удельного сопротивления изоляции R_из задается приближенно и затем автоматически уточняется.