Kas ir tērauda cauruļu katoda aizsardzība? Kā tas tiek veikts? Un kāda ir tā nozīme?

Tērauda cauruļu katodaizsardzība ir elektroķīmiska pretkorozijas tehnoloģija. Tās pamatā ir ārējā iejaukšanās, lai tērauda caurule darbotos kā katods elektrolīta vidē (piemēram, augsnē, ūdenī), tādējādi būtiski kavējot tās elektroķīmisko koroziju. Tā ir standarta pretkorozijas metode ieraktām/zemūdens tērauda caurulēm (naftas un gāzes, gāzes, ūdens apgādei un kanalizācijai).

Tālāk sniegts detalizēts skaidrojums no pieciem aspektiem: princips, metode, galvenie parametri, nozīme un darbība un apkope.

1. Tērauda korozijas būtība (elektroķīmiskā korozija)
Kad tērauda caurules (oglekļa tērauds) tiek apraktas vai iegremdētas ūdenī, materiāla, sprieguma un augsnes/ūdens nelīdzenuma dēļ uz virsmas veidojas neskaitāmas mikro{0}}elektroķīmiskas šūnas:

• Anoda zona:Dzelzs atomi (Fe) zaudē elektronus un kļūst par dzelzs joniem (Fe²⁺), kas izšķīst vidē → tērauda korozija (rūsēšana, perforācija);
• Katoda zona:Elektroni uzkrājas, kā rezultātā notiek skābekļa absorbcijas vai ūdeņraža izdalīšanās reakcijas, bez korozijas.

Vienkārši sakot: korozija ir process, kurā elektroni "atstāj" tērauda caurules virsmu.

2. Katodiskās aizsardzības princips (elektronu piegāde tērauda caurulei)

Izmantojot ārējās metodes (upurēšanas anodu/ārējo strāvu), elektroni tiek nepārtraukti papildināti uz tērauda caurules virsmu, izraisot caurules kopējā potenciāla negatīvu nobīdi, kļūstot par elektroķīmiskās šūnas katodu:

• Tērauda caurules virsmā ir elektronu pārpalikums, un dzelzs atomi nevar zaudēt elektronus → anoda korozijas reakcija tiek pilnībā nomākta;
• Aizsardzības standarts: Salīdzinot ar piesātinātā vara sulfāta atsauces elektrodu (CSE), tērauda caurules potenciāls ir stabils no -0,85 V līdz -1,20 V (nozares zelta diapazons).
• Zem -1,20 V:Pārmērīga -aizsardzība, ūdeņraža evolūcija izraisa tērauda caurules ūdeņraža trauslumu (stiprības samazināšanās, plaisāšana);
• Virs -0,85 V:Nepietiekama aizsardzība, turpinās korozija.

1. metode: upurējošā anoda metode (SACP)

• Princips: izmantojiet metālu, kas ir reaktīvāks (ar vairāk negatīvu potenciālu) nekā dzelzi (piemēram, magniju, cinku, alumīniju un to sakausējumus), kā anodu, elektriski savienojiet to ar tērauda cauruli un apglabājiet tajā pašā elektrolītā.

1. Reaktīvākais metāls (anods) vispirms zaudē elektronus un tiek korodēts ("upurējot" sevi);
2. Elektroni plūst caur vadu uz tērauda cauruli, padarot to par katodu → aizsargātu.

Parastie anoda materiāli:

1. Magnesium alloy: The most negative potential (-1.60V CSE), high driving voltage, suitable for environments with high soil resistivity (>100Ω·m);
2. Cinka sakausējums: potenciāls -1,10 V CSE, stabila strāva, piemērota zemas pretestības, mitrai videi (piemēram, piekrastes, purvainos apgabalos);
3. Alumīnija sakausējums: zemas izmaksas, liela ietilpība, piemērots jūras ūdens videi.

- Priekšrocības un trūkumi:
✅ Nav nepieciešams barošanas avots, vienkārša uzstādīšana, nav strāvu traucējumu, nav apkopes (nomainīt anodu ik pēc 3-5 gadiem);

❌ Izejas strāva ir maza, aizsardzības attālums ir īss (viena anoda aizsardzība vairākiem simtiem metru), piemērots īsiem cauruļvadiem, nelielām platībām, izkaisītām iekārtām (piemēram, pilsētas atzarojuma caurulēm, uzglabāšanas tvertnēm).

2. metode: ārēji pielietotā strāvas metode (piespiedu strāvas katodiskā aizsardzība, ICCP)

1. Princips: Sistēma sastāv no līdzstrāvas barošanas avota (konstanta potenciāla instrumenta), papildu anoda, atsauces elektroda un kabeļa:
2. Barošanas avota negatīvā spaile ir savienota ar tērauda cauruli (katodu), bet pozitīvais spaile ir savienota ar papildu anodu (grafīts, čuguns ar augstu silīcija saturu, titāna -oksīds);
3. Pēc strāvas padeves strāvas padeve piespiež elektronus ievadīt tērauda caurulē, izraisot katoda potenciāla negatīvu pāreju uz aizsardzības diapazonu;
4. Atsauces elektrods nepārtraukti uzrauga tērauda caurules katoda potenciālu un padod to atpakaļ nemainīga potenciāla instrumentam, kas automātiski pielāgo izejas strāvu/spriegumu, lai uzturētu stabilu potenciālu.

Priekšrocības un trūkumi:
✅ Liela izejas strāva, liels aizsardzības attālums (līdz pat vairākiem desmitiem kilometru vienai stacijai), vadāms un regulējams, piemērots liela attāluma-cauruļvadiem, liela mēroga-tīkliem un vidēm ar augstu pretestību;

❌ Nepieciešams ārējs barošanas avots, sarežģīts aprīkojums, nepieciešama profesionāla darbība un apkope, kā arī pastāv klaiņojošu strāvas traucējumu risks.

1. Protedarbības potenciāls:-0,85 V līdz -1,20 V (CSE), izņemot IR kritumu (iespējama kļūda, ko izraisa augsnes pretestība).

2. Strāvas blīvums:

• Tīra tērauda caurule: 50-100 mA/m²;
• Korozijizturīga -slāņa tērauda caurule (piemēram, 3PE, epoksīda akmeņogļu darvas piķis): 0,5-5 mA/m² (jo labāka ir korozijizturīgā slāņa kvalitāte, jo mazāka ir nepieciešamā strāva).

3. Anoda izkārtojums:

• Upura anods: atstatums 20-50 m, ierakšanas dziļums 1-2 m, sānos tuvu tērauda caurulei;
• Ārējās strāvas anoda gultne: sekla ierakšana (1-2 m, lineāra/apaļa) vai dziļurbums (20-50 m, augstas pretestības zonas).

1. Pilnībā novērsiet koroziju tās avotā, ievērojami pagarinot cauruļvadu kalpošanas laiku

• Neaizsargātas ieraktas tērauda caurules: perforācija notiek 3-5 gadu laikā augsnē, un smaga korozija notiek 10 gadu laikā;
• Katodaizsardzība apvienojumā ar augstas-kvalitātes pretkorozijas-pārklājumu: kalpošanas laiks var sasniegt vairāk nekā 50 gadus, tuvojoties projektētajam.

2. Divkārša aizsardzība, lai kompensētu pretkorozijas slāņa defektus-

• - Pretkorozijas slānis- (fiziskā izolācija): pakļauts bojājumiem, novecošanai un lobīšanai, ar "noplūdes punktiem";
• - Katodiskā aizsardzība (elektroķīmiskā aizsardzība): precīzi aizsargā atklātās tērauda caurules noplūdes vietās, veidojot "fizisku + elektroķīmisku" dubulto aizsardzību, bez aizsardzības aklo zonām.

3. Samazināt kopējās dzīves cikla izmaksas un sasniegt ievērojamus ekonomiskos ieguvumus

• Sākotnējās investīcijas: upurējiet anoda metodes zemās izmaksas (mērot metros) un vidējās ārējās strāvas metodes izmaksas (iekārtas + uzstādīšana);Ilgtermiņa-ieguvumi: samaziniet milzīgos izdevumus, piemēram, cauruļvadu nomaiņu, ražošanas apturēšanu avārijas remontdarbu dēļ un kompensāciju par vidēju noplūdi, samazinot kopējās dzīves cikla izmaksas par vairāk nekā 60%.

4. Nodrošināt drošību un samazināt vides riskus

• Novērst tērauda cauruļu koroziju, thiekļūšana un plaisāšana, kā arī vides (naftas, gāzes, ķīmisko vielu) noplūde, kas var izraisīt sprādzienus, ugunsgrēkus un vides piesārņojumu;
• Darba spriegums/strāva ir ārkārtīgi zema (<50V, <100A), eliminating the risk of electric shock, and the interference to surrounding metal facilities is controllable.

5. Atbilstoši nozares obligātajiem standartiem
Saskaņā ar tādiem standartiem kā Ķīnas GB/T 21448-2017 "Pazemes tērauda cauruļvadu katodaizsardzības tehniskā specifikācija" un ISO 15589-1: pazemes tērauda cauruļvadiem ir jāpieņem katoda aizsardzība.

• Potenciāla uzraudzība: katru mēnesi izmēriet tērauda caurules aizsardzības potenciālu, nodrošinot, ka tas ir robežās no -0,85 V līdz -1,20 V.
• Strāvas uzraudzība: izmēriet atlaišanas anoda izejas strāvu (normāls diapazons 0.1 - 1A) un izmēra ārējā strāvas anoda potenciostata izvadi (strāvas/sprieguma stabilitāte).
• Anoda pārbaude: ik pēc 3–5 gadiem nomainiet aizsarganodu (patēriņš virs 80%) un katru gadu izmēriet ārējās strāvas anoda zemējuma pamatnes zemējuma pretestību (< 5Ω).
• Korozijas aizsardzības slāņa pārbaude: regulāri izmantojiet tādas iekārtas kā PCM un CIPS, lai atklātu pretkorozijas aizsardzības slāņa bojātos punktus un savlaicīgi tos salabotu.

Katodaizsardzība ir galvenā tehnoloģija tērauda cauruļu aizsardzībai pret koroziju: izmantojot aizsarganodus (kas ir vienkārši un ekonomiski izdevīgi) vai ārēju strāvu (kas ir ļoti efektīva un piemērota izmantošanai lielos-attālumos), tērauda caurulēm tiek piegādāti elektroni, lai tās padarītu par katodu, tādējādi būtiski novēršot koroziju. Tas darbojas kopā ar pretkorozijas pārklājumu, ievērojami pagarinot cauruļvadu kalpošanas laiku, samazinot izmaksas un nodrošinot drošību. Tas ir neaizstājams "elektroķīmiskais sargs" ieraktām vai zemūdens tērauda caurulēm.