Инженерная защита металлоконструкций и сооружений

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

С. С. Виноградова, А. А. Додонова

ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА 
МЕТАЛЛОКОНCТРУКЦИЙ 

И СООРУЖЕНИЙ

Учебно-методическое пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 621.357:620.193(075)
ББК 34.661я7

В49

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. О. С. Сироткин
канд хим. наук, доц. А. В. Желовицкая

В49

Виноградова С. С.
Инженерная защита металлоконcтрукций и сооружений : 
учебно-методическое пособие / С. С. Виноградова, А. А. Додонова; 
Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. 
ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 116 с.

ISBN 978-5-7882-2754-2

Описываются методы электрохимической защиты и алгоритмы коррозионных 
расчетов. Приводятся примеры численных расчетов и варианты заданий для 
самостоятельной работы.

Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 

18.03.01 «Химическая технология» по профилям «Технологии электрохимических 
производств» и «Технологии защиты от коррозии», а также для магистров, 
обучающихся по направлению подготовки 18.04.01 «Химическая технология» по 
программам «Коррозия и защита металлов» и «Инжиниринг в электрохимических 
производствах и защите от коррозии».

Подготовлено на кафедре технологии электрохимических производств.

ISBN 978-5-7882-2754-2
© Виноградова С. С., Додонова А. А., 2019
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 621.357:620.193(075)
ББК 34.661я7

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................5

Часть I. ОСНОВЫ ТЕОРИИ...........................................................................................6

1. Электрохимические методы противокоррозионной защиты оборудования.....6

1.1. Принцип действия электрохимических методов защиты от коррозии.........6

1.2. Агрессивность грунтов .....................................................................................7

1.3. Принцип катодной защиты..............................................................................9

1.3.1. Конструкции анодных заземлителей....................................................12

1.3.2. Материалы анодных заземлителей .....................................................14

1.3.3. Катодные преобразователи..................................................................20

1.4. Протекторная защита.....................................................................................23

1.4.1. Принцип действия протекторной защиты.........................................23

1.4.2. Материалы протекторов .....................................................................24

1.4.3. Назначение и состав активатора ........................................................25

1.5. Анодная защита..............................................................................................26

1.6. Электродренажная защита............................................................................28

Часть 2. ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ .............................................................................31

2. Катодная защита трубопровода с внешней поляризацией ...............................31

2.1. Удельное электросопротивление грунта......................................................31

2.2. Продольное сопротивление трубопровода..................................................32

2.3. Переходное сопротивление трубопровод–грунт.........................................33

2.4. Входное сопротивление изолированного трубопровода............................35

2.5. Постоянная распределения потенциалов и токов вдоль защищаемого 
трубопровода........................................................................................................36

2.6. Расчетные значения потенциалов.................................................................37

2.7. Расчетные зависимости для распределения наложенной разности 
потенциалов и тока защиты вдоль трубопровода ..............................................38

2.7.1. Станция катодной защиты «бесконечной» длины.............................38

2.7.2. Катодная защита магистрального трубопровода............................39

2.8. Оптимизация параметров установок катодной защиты..............................41

2.8.1. Сопротивление растеканию тока с анодного заземления.................41

2.8.2. Мощность, потребляемая СКЗ. Выбор типа СКЗ ................................47

2.8.3. Количество электродов анодного заземления ....................................49

2.8.4. Срок службы анодного заземления........................................................51

2.8.5. Сечение дренажного провода катодной установки............................53

2.9. Катодная защита с протяжными анодами из токопроводящей резины.....54

2.10. Оптимальные параметры катодной защиты магистрального 
трубопровода........................................................................................................61

3. Протекторная защита трубопроводов и резервуаров .......................................67

3.1. Протекторная защита магистрального трубопровода .................................67

3.2. Протекторная защита резервуаров...............................................................72

3.2.1. Защита днища резервуара одиночными протекторными 
установками......................................................................................................72

3.2.2. Защита днища резервуара групповыми протекторными 
установками......................................................................................................77

3.2.3. Защита внутренней поверхности резервуаров от коррозии 
при контакте с подтоварной водой...............................................................79

4. Защита морских гидротехнических сооружений................................................84

4.1. Катодная защита ............................................................................................84

4.2. Протекторная защита.....................................................................................93

5. Электродренажная защита от блуждающих токов ............................................99

Список литературы.................................................................................................103

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................104

Приложение А .....................................................................................................104

Приложение Б .....................................................................................................108

Приложение В .....................................................................................................110

Приложение Г......................................................................................................112

Приложение Д.....................................................................................................115

В В Е Д Е Н И Е

Борьба с коррозией металлов является одной из важнейших про-

блем современной техники. Преобладающее большинство металличе-
ских конструкций подвергается разрушению вследствие протекания
коррозионного процесса по электрохимическому механизму. Это разру-
шение металлических изделий в пресной и морской воде, в атмосфере,
в почве, разрушение машин и аппаратов в химической промышленности,
потери металлов при удалении с них окалины в травильных растворах
и др. Электрохимическая коррозия металла может возникнуть во всех
тех случаях, когда имеет место граница раздела фаз металл–электролит.

В настоящее время разработаны расчетные методы, которые дают

возможность рассчитать скорость коррозии металла в агрессивной
среде; определить токи, протекающие между металлами в коррозион-
ных системах; оценить распределение потенциала и тока по поверхно-
сти металлов коррозионных систем или систем электрохимической за-
щиты. Однако литература, в которой рассматривается приложение со-
временных расчетных методов к решению задач коррозии и защиты ме-
таллов, как правило, трудна для понимания и не содержит примеров
численных расчетов, вследствие чего возникла необходимость в до-
ступном изложении методов и алгоритмов расчета систем электрохи-
мической защиты.

Пособие состоит из двух частей: теоретической и расчетной. В тео-

ретической части рассмотрены электрохимические методы защиты обо-
рудования. Расчетная часть содержит 23 задачи, касающиеся вопросов
катодной защиты трубопровода с внешней поляризацией, протекторной
защиты трубопроводов и резервуаров, защиты морских гидротехниче-
ских сооружений и электродренажной защиты от блуждающих токов.

В основу пособия положены типовые расчеты противокоррозион-

ной защиты металлических сооружений нефтегазопроводов и нефтебаз
под редакцией В.Ф. Новоселова. Дополнительно включены расчеты
протяженных электродов – гибких анодов, которые в настоящее время
широко применяются в электрохимической защите (ЭХЗ) металличе-
ских сооружений. Рассмотрены также вопросы электрохимической за-
щиты от коррозии металлоконструкций морских гитдротехнических
сооружений в подводной зоне. В приложении приводятся варианты за-
даний для самостоятельной работы, среди которых тринадцатый при-
мер может быть использован для курсового проектирования.

ЧАСТЬ I. ОСН ОВ Ы ТЕО РИИ

1 . Э Л Е К Т Р О Х И М И Ч Е С К И Е М Е Т О Д Ы

П Р О Т И В О К О Р Р О З И О Н Н О Й З А Щ И Т Ы О Б О Р У Д О В А Н И Я

1 . 1 . П р и н ц и п д е й с т в и я э л е к т р о х и м и ч е с к и х м е т о д о в
з а щ и т ы о т к о р р о з и и

Защита от коррозии проводится в том случае, когда процесс корро-

зии протекает при потенциале, которому соответствует скорость иони-
зации металла, превышающая технически допустимую, обеспечиваю-
щую необходимую долговечность конструкции. В этом случае потен-
циал коррозии ЕСТ находится в области активного растворения металла

Е

1

СТ или в области нарушения пассивного состояния Е

11

СТ (рис. 1.1).

Уменьшить скорость растворения до приемлемой величины jдоп

можно, сместив потенциал к достаточно низкому значению в активной
области, например к Eзащ, или сместив его в пассивную область, напри-

мер до Е

11

защ. Добиться требуемого

смещения потенциала можно с по-
мощью 
электрохимической
за-

щиты. Для смещения потенциала
от Е

1

ст к Е

1

защ или от Е

11

ст к Е

11

защ

металл необходимо поляризовать
катодно.

Добиться смещения потенци-

ала в этом направлении можно,
пользуясь внешним источником
тока. Этот метод принято называть
катодной защитой от внешнего ис-
точника. Катодную поляризацию
можно осуществить, соединив за-
щищаемый металл с другим метал-
лом,
имеющим
более
отрица-

Рис. 1.1. Полная анодная 
поляризационная кривая

тельный потенциал. Этот метод получил название катодной защиты
с помощью анодных протекторов. Протектор в данном случае работает
как анод. Для смещения потенциала от Е

1

стдо Е

11

защметалл необходимо

поляризовать анодно. В случае поляризации от внешнего источника
тока метод называют анодной защитой. Возможно также осуществле-
ние анодной поляризации за счет соединения защищаемого металла
с протектором, имеющим более положительный потенциал. Этот метод
называется анодной защитой с помощью катодного протектора. Про-
тектор в этом случае работает как катод.

Электрохимическая защита металлов от коррозии в растворах элек-

тролитов основана на зависимости скоростей растворения от потенци-
ала. При катодной защите используют снижение скорости растворения
металла в активной области при смещении потенциала в отрицательную 
сторону, т. е. положительный протект-эффект. Анодная защита использует 
принцип перевода металла в пассивное состояние.

1 . 2 . А г р е с с и в н о с т ь г р у н т о в

Почва и грунт содержат различные химические реагенты и влагу и

обладают ионной электропроводностью. Это делает их коррозионно-
активными электролитами по отношению к эксплуатируемым в них металлическим 
конструкциям, что приводит к электрохимической коррозии 
конструкции.

По месту выполнения работ методы определения коррозионной активности 
грунтов делятся на лабораторные, полевые и лабораторно-полевые.


Лабораторные методы требуют отбора грунтов на трассе или площадке 
в выбранных точках с последующим лабораторным испытанием
образцов. Коррозионная активность грунтов по отношению к подземным 
металлическим сооружениям оценивается по плотности поляризующего 
тока.

Согласно закону Ома сила тока какого-либо электрического процесса 
прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна 
сопротивлению. В цепи источник тока–грунт–подземное металлическое 
соединение–источник тока имеются анодные и катодные
участки с соответствующими напряжениями Vа, Vк, сопротивлениями
Rа, Rки, Rг. Отсюда следует, что, создавая внешним источником

постоянного тока разность потенциалов ∆V = Vа − Vк и измеряя силу
тока в цепи, можно определить сопротивление коррозионному процессу, 
возникающее на аноде, катоде или окружающей среде. На этом
и основана методика оценки коррозионной активности грунта по отношению 
к углеродистой стали по поляризационным кривым.

Лабораторно-полевые методы требуют отбора проб образцов

грунта, но необходимые измерения производятся в передвижной лаборатории 
на месте забора проб. Отбор проб грунта (1,5–2 кг) осуществляют 
с глубины укладки подземного сооружения. Если пробу анализируют 
не сразу, то ее помещают в полиэтиленовый мешок и плотно завязывают. 
В этом случае каждую пробу сопровождают паспортом с указанием 
места и глубины отбора пробы и порядкового номера. Если
грунт исследуют сразу, то его отправляют в передвижную лабораторию
на подготовку.

Коррозионная активность грунтов по отношению к подземным металлическим 
сооружениям оценивается по удельному электрическому
сопротивлению грунта ρг . Под удельным электросопротивлением
почвы принято понимать сопротивление растеканию электрического
тока в условном почвенном проводнике, имеющем площадь поперечного 
сечения 1 м2 и длину 1 м. Единица измерения удельного электросопротивления 
Ом·м.

По удельному электросопротивлению грунта можно оценить его

коррозионную активность, получив сведения для расчета эффективной
электрозащиты подземных сооружений, выбора конструкции и расчета
анодного заземления при катодной защите. Коррозионная активность
грунтов в зависимости от их удельного сопротивления по отношению
к углеродистой стали приведена в табл 1.1.

Таблица 1.1

Коррозийная активность грунтов

Коррозийная активность
Ом∙м

Низкая
Свыше 100

Средняя
Свыше 20 – до 100

Повышенная
Свыше 10 – до 20

Высокая
Свыше 5 – до 10

Весьма высокая
До 5

Значения удельного сопротивления грунтов используют в расчетах

анодного заземления при катодной защите. На трассе проектируемых
трубопроводов удельное электрическое сопротивление грунта измеряют 
через каждые 100–500 м. При этом погрешность определения
среднего значения удельного электрического сопротивления грунтов не
превышает 10 %.

Измеряют удельное электрическое сопротивление грунтов с помо-

щью электродных установок. Применяются установки с числом элек-
тродов от четырех до одного. Так как грунты в естественном состоянии
представляют собой капиллярно-пористую систему, заполненную вла-
гой с растворенными в ней солями, то удельное электрическое сопро-
тивление грунтов по глубине непрерывно изменяется. В связи с этим
измеряемое удельное электрическое сопротивление будет характеризо-
вать грунт на некоторой глубине от поверхности (обычно чуть больше
глубины заложения трубопровода). Данное значение называют кажу-
щимся удельным электрическим сопротивлением грунта. Кажущееся
удельное сопротивление грунтов достаточно сложно зависит от взаим-
ного расположения электродов и строения грунтов на обследуемой глу-
бине. В целях упрощения расчетов применяют линейное симметричное
расположение электродов.

1 . 3 . П р и н ц и п к а т о д н о й з а щ и т ы

Катодную защиту внешним током (КЗВТ) широко применяют для

защиты подземных и гидротехнических сооружений. Практически ка-
тодную защиту можно использовать всегда, когда это экономически
обосновано и имеются источники электроэнергии. Применимость ка-
тодной защиты зависит от характера катодной реакции коррозионного
процесса. Если коррозия протекает с водородной деполяризацией, то
для достижения полной защиты металла необходим защитный ток,
плотность которого во много раз превышает плотность коррозионного
тока. Практически это означает, что использование катодной защиты
в таких условиях невозможно из-за больших количеств выделяющегося
водорода и значительных энергетических затрат. Например, для за-
щиты стали в 0,3 М H2SO4 защитная плотность тока должна быть при-
мерно 300 А/м2. Если же коррозия металла идет с кислородной деполя-
ризацией, например, в грунтах, то защитная плотность тока в основном

зависит от скорости диффузии кислорода. При этом величина защит-
ного тока будет расти только при увеличении степени аэрации. Обычно
КЗВТ используется совместно с различными изоляционными покрыти-
ями наружной поверхности защищаемого сооружения. Преимущества:

− высокая эффективность (почти 100 % защита);
− возможность защиты протяженных металлических поверхно-

стей, имеющих поврежденную изоляцию и вообще лишенных ее 
в средах с различным удельным сопротивлением;

− возможность регулирования защитного тока в процессе эксплуа-

тации;

− возможность автоматизации процесса защиты.
К недостаткам метода можно отнести высокую начальную стои-

мость работ, необходимость систематического контроля и профилакти-
ческого ремонта, а также возможное вредное влияние на соседние не-
защищенные металлические конструкции.

Катодная защита внешним током, осуществляемая с помощью по-

дачи постоянного тока от внешнего источника, к отрицательному по-
люсу которого (т. е. в качестве катода) присоединяется защищаемая
конструкция, а к положительному полюсу (т. е. в качестве анода) – до-
полнительный электрод, для случая защиты подземного трубопровода
схематично показана на рис. 1.2.

От отрицательного полюса источника тока 1 через провод 2 отри-

цательные заряды поступают в пункте дренажа 3 на защищаемую трубу
4 и текут по ней, попадая через дефектные места изолирующего покры-
тия 5 в грунт. Из грунта ток переходит на анодное заземление 6, откуда
по проводу 7 возвращается к положительному полюсу своего источ-
ника. Поверхность металлической трубы при этом поляризуется ка-
тодно и защищается от коррозионного разрушения, а анодное заземле-
ние, для которого обычно применяются ненужные стальные балки,
рельсы или другой металлический лом, активно разрушается. Электри-
ческая схема катодной защиты внешним током приведена на рис. 1.2б.
Источник постоянного тока I дает на зажимах напряжение Е, необходи-
мое для защиты определенного участка трубопровода. Ток (отрицатель-
ные заряды) от отрицательного полюса источника по проводу с сопро-
тивлением R1 попадает в точке дренажа на защищаемую трубу, сопро-
тивление которой R2. Затем следует сопротивление R3, являющееся пе-
реходным сопротивлением между трубопроводом и грунтом, которое
тем больше, чем в лучшем состоянии находится защитная изоляция

трубопровода, выполняемая обычно из диэлектрических материалов.
Сопротивление грунта на пути между трубопроводом и анодным зазем-
лением в большинстве случаев во внимание не принимается вследствие
незначительной его величины, но учитывается, если переходное сопро-
тивление грунт–труба весьма невелико, например при сильно разру-
шенной или отсутствующей изоляции на поверхности трубопровода.
Ток из грунта попадает на анодное заземление, сопротивление которого
R4 включает переходное сопротивление грунт–анод, и затем по проводу
с сопротивлением R5 возвращается к положительному полюсу источ-
ника тока.

а
б

Рис. 1.2. Схема катодной защиты внешним током: 

а – принципиальная схема: 1 – источник постоянного тока; 

2 – соединительный провод; 3 – пункт дренажа; 4 – защищаемая 

труба; 5 – изолирующее покрытие; 6 – анодное заземление; 

7 – соединительный провод; б – электрическая схема: I – источник 
постоянного тока; 𝑅1 – сопротивление соединительного провода;
𝑅2 – сопротивление трубы; 𝑅3 – переходное сопротивление между 

трубопроводом и грунтом; 𝑅4 – сопротивление анодного заземления; 

𝑅5 – сопротивление соединительного провода

Катодная защита применяется главным образом для предохранения

металлических конструкций от коррозии в условиях не очень агрессив-
ных сред. Обязательным является наличие вокруг защищаемого метал-
лического сооружения электролита. Электролит должен окружать кон-
струкцию толстым слоем, чтобы ток мог равномерно распределяться по
всей металлической поверхности. Поэтому электрохимическая защита

неэффективна в условиях периодического заполнения и опоражнива-
ния аппарата и атмосферной коррозии.

Для достижения достаточной полноты защиты необходимо преду-

смотреть установление оптимальной катодной плотности тока на всей
поверхности защищаемой конструкции. На эффективность электрохи-
мической защиты оказывает также влияние расположение анодов. Они
должны быть расположены так, чтобы на поверхности защищаемой
конструкции был обеспечен ток равномерной плотности.

1 . 3 . 1 . К о н с т р у к ц и и а н о д н ы х з а з е м л и т е л е й

Выбор вариантов устройства анодных заземлителей определяется

технико-экономическими соображениями при проектировании си-
стемы катодной защиты.

Наиболее простая и дешевая конструкция анодного заземлителя

показана на рис. 1.3. Стержни (электроды) анодного заземлителя 1
укладывают в траншею на глубину, превышающую глубину промерза-
ния грунта. При этом стержень должен иметь постель и присыпку из
коксовой мелочи 4, о назначении которой несколько позже. Все электроды 
посредством тщательно изолированных от земли контактных зажимов 
3 электрически подсоединяются к общему кабелю 2, выходящему 
к контактному устройству анодного заземлителя.

Рис. 1.3. Горизонтальный анодный заземлитель из графитопластовых

электродов: 1 – электрод; 2 – кабель одножильный в виниловой
оболочке АВВГ 1×25; 3 – разветвительная коробка; 4 – коксовая

засыпка в приямке 3000×400