Для обеспечения эффективной антикоррозионной электрохимической защиты (ЭХЗ) подземных металлических сооружений Корпорация ПСС предлагает анодные полимерные заземлители под зарегистрированной торговой маркой РАДУГА® — собственной разработки и с запатентованной технологией производства. АЗП-РА® обладают рядом неоспоримых преимуществ перед анодными заземлителями, изготовленными из металлосодержащих сплавов.
И эффективнее работают АЗП-РА® в условиях высокого удельного сопротивления грунтов (более 50 Ом∙м), поэтому для работы в условиях сложных грунтов неоднородного состава, в компании была разработана система гибридного анодного заземления (СГАЗ), объединяющая основные достоинства АЗП-РА и АЗЖК (или АЗФ).
Автор: Токмаков Дмитрий Степанович, менеджер проектов Корпорации ПСС.
Характеристики и особенности АЗП-РА®
Один из основных элементов системы ЭХЗ — анодные заземлители (АЗ). Они представляют собой рабочие электроды, обеспечивающие антикоррозионную защиту подземных сооружений. Заземлитель предназначен для обеспечения стекания тока в землю (чтобы снять корродирование с защищаемого объекта), поэтому для изготовления этих элементов выбираются материалы, максимально проводящие ток. Как правило, в системах ЭХЗ используют металлосодержащие заземлители — железокремниевые (АЗЖК) или ферросилидовые АЗ. Двумя основными показателями у АЗ являются: 1) хорошее (низкое) сопротивление растеканию тока в грунте близ защищаемого объекта и 2) скорость анодного растворения, которая влияет на срок эксплуатации АЗ.
Инновационные полимерные аноды АЗП-РА (аббревиатура номенклатуры — анодный заземлитель полимерный типа Радуга®) изготавливаются из электропроводного композита. По сути, это цельный электрод в полимерной матрице с надежным герметичным соединением кабеля, который крепится на теле с помощью термоусадочной трубки.
АЗП-РА® являются аналогом железокремниевых (ферросилидовых), а также магнетидовых заземлителей, но обладают рядом преимуществ, обеспечиваемых свойствами полимерного композита. В частности, анодное растворение технического углерода в композите осуществляется всем его объемом, а не только поверхностью, что позволяет АЗП-РА® полностью отрабатывать в течение всего заявленного срока эксплуатации. Помимо этого, благодаря структуре электропроводного композитного материала проводимость вдоль плоскости примерно в 100 раз больше, чем в поперечном направлении.
Таким образом, к преимуществам АЗП-РА® по сравнению с металлосодержащими и магнетидовыми АЗ можно отнести:
- Надёжность, лёгкость и простоту установки. Отсутствие металлического сердечника обеспечивает АЗП-РА® стойкость к агрессивным средам, прочность и гибкость. При падении и изломе они не трескаются и не ломаются, что часто происходит с АЗЖК и магнетидовыми АЗ. Компактные размеры и малый вес обеспечивают простоту транспортировки и монтажа. При этом АЗП-РА® поставляются в полной заводской комплектации, готовые к установке в скважину или траншею. И если вес АЗЖК с активатором достигает 70−80 кг, то вес АЗП-РА® вдвое меньше, поэтому его установка может быть произведена посредством грузовой обвязки без использования крановой техники;
- Экономичность и энергоэффективность. Отсутствие образования оксидной пленки на АЗП-РА® во время использования — второе и важнейшее преимущество. Эта уникальная характеристика полимерного анодного заземлителя даёт равномерное распределение защитного тока при запуске системы ЭХЗ, как при вводе в эксплуатацию, так и перезапуске после отключения от сети. А это — оптимальный оперативный выход на заданные параметры, отсутствие необходимости дополнительной регулировки станции катодной защиты (СКЗ), стабильная работа системы и высокая энергоэффективность — как минимум, на 20% выше металлосодержащих АЗ. АЗЖК же работают поверхностно, что приводит к неравномерному распределению защитного тока и, следовательно, к возникновению высокого сопротивления растеканию, что требует регулировки режима работы станций катодной защиты: обязательна подача «большого» тока на период 72 часа, что влечет высокие затраты на электроэнергию при перезапуске. В результате: стоимость одного года эксплуатации АЗП-РА® в разы ниже по сравнению с АЗЖК (АЗФ). (рис. 1);
- Долговечность АЗП-РА® обусловлена рекордной низкой скоростью растворения полимерного композита, которая составляет 0,01−0,06 кг/А∙год — уровень титановых заземлителей, которые стоят в разы дороже, а их установка целесообразна только в определённых особо агрессивных средах. Для сравнения, скорость растворения металлосодержащих анодов (железокремниевых, ферросилидовых) составляет 0,3 кг/А∙год (см. таблицу);
- Кроме того, к преимуществам АЗП-РА® следует отнести их экологичность, которая обеспечивается малым выносом материала и его безопасностью для окружающей среды. Так, при анодном растворении технического углерода (содержание углерода — 98−99,5% в составе АЗП-РА) образуются вода и углекислый газ, что экологически безопасно. Кроме того, при выработке гарантийного срока эксплуатации и полного анодного растворения технического углерода в грунте остается только полимерная матрица, которая не оказывает вредного воздействия на окружающую среду. Для сравнения: из металлосодержащих АЗ в течение года может выноситься 12−30 кг материала в одной скважине. Причем в процессе распада анода из металлосодержащего сплава образуется облако из оксидов железа (II) и (III), а в результате жизнедеятельности железо- и серобактерий — серная кислота. Все это распространяется в грунте, попадает в водоносные слои, нанося экологический ущерб.
Корпорация ПСС предлагает широкую линейку анодных заземлителей под любой проект: закольцованные и незакольцованные; глубинные комплектные, секционные и подповерхностные; протяженные, с большой распределенной площадью для защиты морских стационарных сооружений; с покрытием оксидами металлов, из титана, малорастворимые; а также судовые, корпусные ледовые (рис. 2).
В таблице (ниже) приведено сравнение заземлителей по материалу сердечника и базовым характеристикам. Измерения проводились в грунте с удельным сопротивлением 61,5 Ом∙м, диаметр анодных заземлителей составлял 50−73 мм, длина — 1500 мм.
Опыт применения АЗП-РА®
Анодные полимерные заземлители производства Корпорации ПСС установлены в разных регионах России и странах ближнего зарубежья. Количество установленных АЗП-РА® на сегодняшний день составляет более 25 000 единиц.
Об эффективности АЗП-РА® свидетельствуют результаты их применения, полученные нефтегазовыми компаниями. Так, по оценке одного из газораспределительных предприятий Пермского края: «…анодные заземлители АЗП-РА удобны в транспортировке и монтаже. В 2020 году одной бригадой за рабочую смену вертикальные заземлители были установлены на пяти объектах. В течение пяти лет эксплуатации заземлителей АЗП-РА на всех объектах изменения в работе установок катодной защиты не были зафиксированы. Средняя величина силы тока на объектах ЭХЗ составляет 2,0−2,5 А».
На одном из объектов в Первоуральске для создания эффективного защитного анодного поля в скальных грунтах были применены АЗП-РА-У (упакованные) в вертикальном и горизонтальном исполнениях. После запуска зафиксировано значительное (в семь раз) снижение удельного сопротивления грунта. В качестве одного из положительных моментов отмечается выход АЗП-РА на заданный режим работы в короткий срок. Аноды стабильно работают более четырех лет.
Еще один заказчик — газораспределительное предприятие Тверской области — отмечает возросшую эффективность работы электродов из полимерных материалов АЗП-РА® в высокоомных грунтах спустя 72 месяца с момента установки. По оценке предприятия, в высокоомных грунтах для станций катодной защиты более выгодно применение в качестве анодных заземлителей электродов АЗП-РА, чем ферросилидовых анодов.
Система гибридного анодного заземления СГАЗ
По данным исследования, проведённого инжиниринговым подразделением Корпорации ПСС «Евразия-Строй», вертикальное зондирование при проектировании схемы анодов в 90% случаев указывает на наличие сложных грунтов. Также в исследовании отмечается, что наиболее проблемным участком системы ЭХЗ при проектировании является анодное поле.
Так, на участках местности со сложными грунтами неоднородного состава и устройстве глубинных анодов фиксируются водоносные слои или слои с разным значением удельного сопротивления грунта (Δ от 10 до 500 Ом·м). При устройстве поверхностной цепи анодов встречаются грунты, меняющие удельное сопротивление со сменой сезона, например, временно затапливаемые в период паводков высокоомные грунты.
Для эффективной защиты оборудования в этих условиях было разработано решение — Система гибридного анодного заземления (СГАЗ), позволяющее объединить ключевые преимущества АЗП-РА® и металлосодержащих АЗ в связке-схеме.
СГАЗ применяется в качестве глубинного анодного заземления на участках, где на разных глубинах присутствуют водоносные слои, грунты с различным дельным сопротивлением. Так, на глубинах залегания высокоомных (50−500 Ом∙м) грунтов (суглинки, супесь, пески маловлажные, водонасыщенные, мергель, доломит, известняк) успешно будут работать полимерные аноды, а в низкоомных (10−50 Ом∙м) слоях (илистые почвы, глины, суглинок просадочный) — металлические АЗ. С учетом специфики грунта на разных глубинах подбирается вариант модификации СГАЗ.
СГАЗ позволяет учесть, что во влажные и засушливые периоды сезона металлические и полимерные аноды в связке работают с различной интенсивностью (рис. 4). Так, в местах со значительным перепадом сопротивления грунта в засушливый сезон будут эффективнее работать полимерные аноды, во временно затапливаемых высокоомных грунтах — металлические аноды.
Работа по организации на объекте СГАЗ организована следующим образом: при проектировании и установке поверхностных анодов определяются зоны анодного поля с высоким и низким удельным сопротивлением грунта, в зоны с высоким удельным сопротивлением устанавливаются АЗП-РА®, а в зоны с низким удельным сопротивлением — АЗЖК (железокремниевые, ферросилидовые аноды).
Данное решение позволяет эффективно использовать свойства анодов разного типа, а также уменьшить количество анодов для достижения нормативного значения сопротивления растеканию анодного поля. Для расчета можно принять удельное сопротивление грунта равным 50 Ом∙м, выше этого значения применяются АЗП-РА®, ниже — металлосодержащие АЗ.
Для расчёта условий применения анодных заземлителей и их максимальных значений сопротивлению растеканию тока в различных грунтах можно применить интерактивный график, который находится на сайте Корпорации ПСС в разделе «Сервисы для расчёта ЭХЗ». Для расчёта АЗЖК применима стандартная методика. Расчёт проводится для зоны с удельным сопротивлением грунта менее 50 Ом∙м, определяется общее количество анодов для получения нормативного сопротивления растеканию. Моделируется расположение всех анодов на местности, далее аноды, попадающие в зоны с высоким удельным сопротивлением грунта (более 50 Ом∙м), заменяются на АЗП-РА®.
Таким образом, применение СГАЗ позволяет, во-первых, сократить количество анодных заземлителей, во-вторых, обеспечить эффективную защиту подземного объекта.
Выдержки из обсуждения
Дмитрий Степанович, есть ли опыт применения АЗП на многолетнемерзлых грунтах с учетом их сезонного оттаивания?
Дмитрий Токмаков: такого опыта у нас не было, но в соответствии с нормами применения АЗП-РА® должны быть установлены ниже глубины промерзания грунта и не могут применяться в условиях многолетней мерзлоты.
Что происходит после окисления графита в процессе работы АЗП? По идее при окислении графит должен растворяться в композиции материала, в результате чего будет постепенно повышаться сопротивление растеканию тока. Проводились ли такого рода испытания?
Дмитрий Токмаков: испытания проводились на протяжении пяти лет, но в процессе работы эффективность АЗП только повысилась. Повышения сопротивления из-за растворения углерода выявлено не было.
Но ведь в результате растворения графита образуется углекислый газ, который выходит в грунт и повышает сопротивление…
Дмитрий Токмаков: возможно, это явление будет наблюдаться по истечении срока действия АЗП, то есть через 35 лет его работы. Пока таких анодов у нас нет, поэтому и это явление мы отследить не можем. Но обязательно изучим этот вопрос по истечении указанного срока эксплуатации.
Журнал «Инженерная практика» № 5/2024