Теория и технология электрохимических методов защиты от коррозии

Екатеринбург

Издательство Уральского университета

2016

ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

Рекомендовано методическим советом УрФУ

в качестве учебно-методического пособия для студентов,

обучающихся по программам бакалавриата и магистратуры

по направлениям подготовки 18.03.01, 18.04.01 «Химическая технология»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

УДК 544.6:620.197(075.8)
         Т33

В учебно-методическом пособии приводятся основные теоретические

положения почвенной (грунтовой) коррозии металлов. Описаны основные спо-
собы противокоррозионной защиты трубопроводов при их подземной эксплуа-
тации. Рассмотрены физические и математические основы проектных рас-
четов параметров электрохимической защиты.

Для студентов, изучающих дисциплины «Теория и практика противо-

коррозионной защиты. Защитные покрытия и композиционные материалы»,
«Теория и технология электрохимических методов защиты от коррозии», «Тех-
нология защиты металлов от коррозии».

Теория и технология электрохимических методов защи-

ты от коррозии : [учеб.-метод. пособие] / О. В. Ярославцева,
В. М. Рудой, Н. И. Останин, Т. Н. Останина, А. А. Трофи-
мов; [науч. ред. А. Б. Даринцева] ; М-во образования и науки
Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург : Изд-во
Урал. ун-та, 2016. – 96 с.

ISBN 978-5-7996-1754-7

Т33

ISBN 978-5-7996-1754-7
© Уральский федеральный университет, 2016

А в т о р ы:

О. В. Ярославцева, В. М. Рудой, Н. И. Останин,

Т. Н. Останина, А. А. Трофимов

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р

А. Б. Даринцева, кандидат химических наук, доцент

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра химии и процессов горения Уральского института
государственной противопожарной службы МЧС России

(и. о. начальника кафедры кандидат технических наук,

доцент Е. В. Гайнуллина);

О. В. Чемезов, кандидат химических наук

(Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН)

УДК 544.6:620.197(075.8)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ................................................................................................. 5

1. Коррозия объектов трубопроводного транспорта
и краткая характеристика основных методов защиты ...................... 7

1.1. Механизм коррозии ........................................................................ 7
1.2. Краткая характеристика коррозионных условий

эксплуатации трубопроводов ........................................................ 10
1.2.1. Атмосферная коррозия стальных конструкций ................. 10
1.2.2. Жидкостная коррозия трубопроводов ................................ 16
1.2.3. Подземная коррозия стальных сооружений ...................... 19

1.2.3.1. Грунт как коррозионная среда ............................... 20
1.2.3.2. Особенности подземной коррозии ........................ 28

1.2.4. Микробиологическая коррозия

стальных подземных сооружений ....................................... 33

1.2.5. Коррозия подземных стальных сооружений

блуждающими токами ......................................................... 36

1.3. Краткая характеристика основных методов защиты

подземных трубопроводов ............................................................ 39
1.3.1. Электрохимическая защита подземных трубопроводов ... 40
1.3.2. Пассивная защита трубопроводов ..................................... 52

1.3.2.1. Мастичные покрытия ............................................. 55
1.3.2.2. Полимерные покрытия ........................................... 56
1.3.2.3. Комбинированные покрытия ................................. 60

1.3.3. Электродренажная защита .................................................. 62

1.3.3.1. Прямой электродренаж .......................................... 62
1.3.3.2. Поляризованный электродренаж ........................... 63
1.3.3.3. Усиленный электродренаж ..................................... 64

2. Теоретические основы расчета электрохимической защиты ..... 66

2.1. Основные модельные представления, положенные

в основу расчета катодной защиты трубопроводов .................... 66

2.1.1. Распределение потенциала

в случае полубесконечной зоны защиты ............................ 72

2.1.2. Распределение потенциала

на защищаемом участке трубопровода длиной L .............. 73

2.2. Расчет защиты магистрального трубопровода

с помощью нескольких станций катодной защиты ..................... 83

2.3. Защита трубопровода небольшой протяженности

с помощью одной станции катодной защиты .............................. 86

2.4. Расчет анодного заземления ......................................................... 90

2.4.1. Расчет сопротивления растеканию тока

с анодного заземления ......................................................... 90

2.4.2. Определение расстояния анодного заземлителя

от магистрального трубопровода ........................................ 92

2.4.3. Расчет срока службы анодных заземлителей .................... 92
2.4.4. Расчет падения напряжения в дренажном кабеле ............. 93

2.5. Расчет необходимого напряжения на выходе

и выбор источника питания станции катодной защиты ............. 93

Библиографические ссылки ...................................................................... 95

ПРЕДИСЛОВИЕ

Нефть и газ имеют особое значение для экономики нашей страны. 
Из-за высокой коррозионной активности нефтепромысловых
сред добыча и транспортировка этих энергоресурсов сопряжена
с большими коррозионными рисками. Большие материальные потери 
от коррозии нефтепромыслового оборудования и транспортных
сетей, не говоря уже о крайне трудно восполняемом экологическом 
ущербе в случае их аварийного повреждения, предопределяют
повышенные требования к стойкости конструкционных материалов
и надежности применяемых методов защиты. Для практического
решения задач, связанных с проблемами коррозионного разрушения 
систем трубопроводного транспорта нефти и газа, необходимо
знание основополагающих закономерностей протекания коррозионных 
процессов, принципов, заложенных в основу применяемых
методов противокоррозионной защиты. Эти вопросы рассматриваются 
в рамках дисциплин «Теория и практика противокоррозионной 
защиты. Защитные покрытия и композиционные материалы»
и «Теория и технология электрохимических методов защиты от коррозии», 
которые предусмотрены учебным планом подготовки магистров 
по направлению 18.03.01 «Химическая технология».

В первой части предлагаемого пособия изложены основные

теоретические положения почвенной (грунтовой) коррозии металлов, 
способы противокоррозионной защиты при их подземной эксплуатации. 
Во второй части представлены физические и математические 
основы проектных расчетов параметров электрохимической 
защиты. Характер изложения материала в настоящем пособии
предполагает, что читатель знаком с основами электрохимии и
имеет представление о механизме электродных процессов при коррозии 
и катодной защите.

Данное пособие является итогом многолетней научной и методической 
работы кафедры технологии электрохимических производств. 
Настоящее издание дополнено разделами, рассматривающими 
особенности развития коррозионного процесса в грунте, здесь
более подробно изложены некоторые аспекты, касающиеся реализуемых 
на практике методов защиты от коррозии при подземной
эксплуатации металлических изделий. При представлении основ
проектирования катодной защиты в отличие от предыдущих изданий 
использована современная интерпретация некоторых явлений.

1. КОРРОЗИЯ ОБЪЕКТОВ

ТРУБОПРОВОДНОГО ТРАНСПОРТА

И КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ОСНОВНЫХ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ

1.1. Механизм коррозии

Магистральные трубопроводы – это капитальные инженерно-

технические сооружения, предназначенные для непрерывного регулируемого 
транспорта газа, нефти, нефтепродуктов и других продуктов 
на значительные расстояния. Согласно данным Росстата [1]
на конец 2012 г. общая протяженность магистральных трубопроводов 
в России составляла 250 тыс. км, 175 тыс. км из них – магистральные 
газопроводы, 55 тыс. км – магистральные нефтепроводы,
остальные – нефтепродуктопроводы.

Роль трубопроводного транспорта в экономике страны неуклонно 
растет. Это обстоятельство предопределяет требование надежности 
работы трубопроводных систем. Следует отметить, что проблема
обеспечения работоспособности и надежности магистральных трубопроводов 
многопланова, однако одно из первостепенных направлений – 
эффективная противокоррозионная защита, поскольку основная 
причина выявленных отказов на линейной части магистральных 
трубопроводов – коррозионное разрушение тела трубы (рис. 1.1).

Поскольку нефть и газ перед транспортировкой по магистральному 
трубопроводу проходят специальную подготовку, предполагающую 
в том числе удаление коррозионно-активных составляющих, 
то доля отказов на магистральных нефте- и газопроводах,
вызванных внутренней коррозией, не превышает 6 % от общего
количества отказов по причине коррозии [2]. То есть в процессе

эксплуатации коррозионному разрушению подвергается, как правило, 
наружная поверхность. Интенсивность взаимодействия трубопроводных 
сооружений с окружающей средой, протяженность прокладки 
в различных климатических и гидрогеологических условиях, 
площадь поверхности контакта с грунтом, теплосодержание
транспортируемого продукта и соответственно количество вносимого 
тепла (реже холода) в грунт, пересечение множества естественных 
и искусственных преград – все это обусловливает высокую
коррозионную нагрузку.

Большая часть оборудования нефте- и газотранспортной системы, 
в том числе и трубы, изготовлена из углеродистых и низколегированных 
сталей, которые вследствие их термодинамической
неустойчивости корродируют в большинстве природных и техноло-
гических сред. Стальные конструкции объектов трубопроводного
транспорта нефти и газа эксплуатируются на воздухе, под землей
и под водой, соответственно наружная поверхность подвергается
в основном электрохимической коррозии, коррозия по химическо-
му механизму протекает значительно реже.

Рис. 1.1. Основные причины отказов

на линейной части магистральных нефтегазопроводов
по данным основных транспортирующих компаний [2]

40

30

20

10

0

Внешняя
и внутрен-

няя

коррозия

Брак

строитель-
но-монтаж-
ных работ

Течь

запорной
арматуры

Меха-

нические
повреж-

дения

Прочие

Число аварий, %

Причины отказов

Электрохимическая коррозия подчиняется законам электро-

химической кинетики и представляет собой окисление металла
в электропроводных средах, сопровождающееся образованием и про-
теканием электрического тока. При этом принято говорить о диф-
ференцировании корродирующей поверхности на катодные и анод-
ные зоны, причем продукты коррозии образуются преимуществен-
но на анодных участках, а скорость коррозии определяется
сопряженными катодным и анодным процессами.

Электрохимический механизм коррозионного разрушения

стальных сооружений трубопроводного транспорта реализуется
в следующих случаях:

– при эксплуатации в атмосфере воздуха или в среде любого

влажного газа (атмосферная коррозия);

– при работе на погружение в жидких водных средах (жид-

костная коррозия);

– при подземной эксплуатации под воздействием почвенного

электролита и порового воздуха (почвенная коррозия);

– при подземной эксплуатации под воздействием блуждающих

токов, например, стекающих с рельсов электрифицированного же-
лезнодорожного транспорта или других промышленных электро-
установок, имеющих заземление (электрокоррозия);

– при эксплуатации в электропроводящих коррозионных средах

при наличии электрического контакта двух разнородных металлов,
имеющих различный электрохимический потенциал, или однород-
ных металлов с отличающейся структурой (контактная коррозия).

Химическая коррозия подчиняется законам химической ки-

нетики гетерогенных реакций, не сопровождается возникновени-
ем и протеканием электрического тока, а продукты коррозии обра-
зуются непосредственно на всей поверхности корродирующего ме-
талла. По химическому механизму возможно протекание коррозии:

– при окислении металла кислородом или другим газом при вы-

сокой температуре и полном отсутствии влаги на поверхности ме-
таллического изделия, например, коррозия лопаток газовых тур-
бин на компрессорных станциях газопроводов, дымогарных труб
котельных установок (газовая коррозия);

– при воздействии на металлическую поверхность неэлектро-

проводных или обладающих малой электропроводностью жидких
или газообразных агрессивных сред, например, коррозия внутрен-
ней поверхности трубопроводов и аппаратуры при перекачке высо-
косернистых сортов нефти.

Особо выделяют микробиологическую коррозию сталей – част-

ный случай коррозии, протекающей под воздействием микроор-
ганизмов. Как правило, в отношении металлов коррозионной агрес-
сивностью обладают продукты жизнедеятельности различных микро-
организмов, которые ускоряют коррозионные процессы. Например,
в результате жизнедеятельности сульфатвосстанавливающих бакте-
рий (СВБ) образуется сероводород, являющийся известным стимуля-
тором коррозии стали, поэтому в почвах и водах, загрязненных СВБ,
как правило, наблюдаются значительные коррозионные потери.

1.2. Краткая характеристика

коррозионных условий

эксплуатации трубопроводов

1.2.1. Атмосферная коррозия стальных конструкций
При наземной прокладке трубопроводов, для наружной поверх-

ности резервуаров, газгольдеров и прочих составляющих (комму-
никаций) газо- и нефтетранспортной инфраструктуры наиболее
характерна атмосферная коррозия. На скорость атмосферной корро-
зии существенное влияние оказывает степень увлажненности по-
верхности, т. е. толщина слоя влаги (рис. 1.2).

По степени увлажненности поверхности металла различают

следующие типы атмосферной коррозии:

– сухая атмосферная коррозия, реализуется при полном отсут-

ствии пленки влаги на поверхности металла. Механизм сухой корро-
зии металлов представляет собой чисто химический процесс взаи-
модействия агрессивных газов с окисленной поверхностью;

– влажная атмосферная коррозия, протекает при наличии на по-

верхности металла тончайшей невидимой пленки влаги, которая

образуется в результате конденсации при относительной влажнос-
ти воздуха ниже 100 %. При этом конденсация может быть капил-
лярной, адсорбционной или химической;

– мокрая атмосферная коррозия, имеет место при наличии на по-

верхности металла видимой пленки влаги, которая образуется либо
при капельной конденсации влаги на поверхности металла при от-
носительной влажности воздуха 100 %, либо при непосредствен-
ном попадании влаги на металл в результате прямого воздействия
атмосферных осадков или обливания конструкций водой.

В реальных условиях все эти типы атмосферной коррозии вза-

имно переходят друг в друга.

Особенностью атмосферной коррозии металлов является то,

что коррозионная микропара работает в тонком слое электролита
на поверхности металла. В связи с этим кислород воздуха достаточ-
но легко проникает к поверхности корродирующего металла. Отсю-
да следует, что с уменьшением толщины слоя электролита катод-
ный процесс атмосферной коррозии стального сооружения облег-
чается. В то же время на корродирующей поверхности образуются

Рис. 1.2. Зависимость скорости атмосферной коррозии (V)

от логарифма толщины слоя влаги (h) на поверхности металла:

I – сухая коррозия; II – влажная коррозия; III – мокрая коррозия; IV – коррозия

при полном погружении в электролит [3]

0
lg h
–6
–4
–2
2

V, мм/год

III
IV

II
I