Ochrona katodowa rurociągów wodnych od strony wewnĊtrznej

Ochrona katodowa rurociągów wodnych od strony wewnĊtrznej

Ochrona katodowa ruroci gów wodnych od strony wewn trznej
Wojciech Sokólski
SPZP CORRPOL Gda sk, Polska [email protected]
1. Wprowadzenie
Ochrona katodowa posiada szereg zastosowa przemys owych. Wykorzystywana jest
wsz dzie tam, gdzie metale techniczne, g ównie stal, kontaktuje si z odpowiednio grub
warstw rodowiska elektrolitycznego. Najwi ksze zastosowania ochrony katodowej dotycz
stalowych ruroci gów umieszczonych w ziemi oraz jednostek p ywaj cych i konstrukcji
hydrotechnicznych w wodzie morskiej. O ile na podziemnych konstrukcjach nie wida
bezpo rednich skutków dzia ania ochrony katodowej, to na statkach i konstrukcjach
hydrotechnicznych jest to widoczne go ym okiem. Na fot. 1 pokazany zosta statek
wprowadzany do doku na remont kwalifikacyjny w stoczni –bia e osady na kad ubie w cz ci
podwodnej statku pokazuj miejsca, w których pr d ochrony katodowej wp ywa do
metalowej powierzchni blach okr towych – w miejscach drobnych uszkodze w warstwie
pow oki malarskiej na onej w cz ci podwodnej statku.
Fot. 1. Powierzchnia kad uba okr towego pokryta w cz ci podwodnej osadami katodowymi.
Pomimo tego, e zastosowania ochrony katodowej do wewn trznej powierzchni
aparatów i pojemników zawieraj cych rodowisko elektrolityczne, np. wymienniki ciep a,
zbiorniki na wod i cieki, znane s niemal tak samo d ugo jak w odniesieniu do ruroci gów
podziemnych, zakres wykorzystania tej technologii w tych urz dzeniach jest znacz co
mniejsze, a ilo
specjalistów rozumiej cych wyst puj ce tam problemy techniczne –
niewielka. Najwi ksze zastosowanie, bo masowe, znalaz a ochrona katodowa wewn trznych
powierzchni bojlerów i podgrzewaczy wody, gdzie powszechnie stosuje si magnezowe anody
galwaniczne. Podobna technika stosowana jest do powszechnie w energetyce do ochrony
wymienników ciep a –skraplaczy w elektrowniach termicznych.
50
Prezentowany referat dotyczy do rzadkiego zastosowania ochrony katodowej do
wewn trznej powierzchni podziemnych ruroci gów transportuj cych wod ch odz
w elektrowni. Prace nad do wiadczalnym odcinkiem ruroci gu w Elektrowni „ aziska”
wykonano wspólnie z Politechnik Gda sk , kolejne ok. 1200 mb ruroci gów SPZP CORRPOL
obj ochron katodow w latach 1996-98, a w 1999 r. ok. 2000 mb ruroci gów. Aktualnie
rozbudowywana instalacja ochronna jest przedmiotem systematycznej kontroli i nadzoru.
Rozwi zanie nagrodzono br zowym medalem na wystawie wynalazków “Brussels Eureka'95”.
2. Chroniony ruroci g wody ch odz cej –zagro enie korozyjne
Uk ady ch odz ce w elektrowniach i elektrociep owniach nara one s z regu y na korozyjne
oddzia ywanie wody obiegowej. Procesy technologicznego uzdatniania wody opracowywane s w
zale no ci od charakteru obiektu (otwarte lub zamkni te) g ównie pod k tem usuwania
zanieczyszcze i stabilizacji wody (zapobieganie wytr caniu osadów w glanowych), natomiast
zazwyczaj nie uwzgl dniaj parametrów korozyjnych wody i nie jest ona pod tym wzgl dem w
jakikolwiek sposób uzdatniana. Ze wzgl du na du e zu ycie wody, pobierana jest ona najcz ciej
z dost pnych w pobli u elektrowni otwartych zbiorników wodnych, rzek, kana ów lub wyrobisk
kopalnianych.
Woda z wyrobisk kopalnianych jest szczególnie agresywna. Jest to przewa nie rodowisko
silnie zasolone i natlenione, mog ce wywo ywa bardzo intensywn korozj materia ów
konstrukcyjnych, z których wykonane s obiegi ch odz ce. Do przesy ania wody pomi dzy
ch odniami kominowymi i skraplaczami turbin parowych stosowane s ruroci gi wielko rednicowe
(o rednicach od ok. 1 do 2,5 m), których podstawowym materia em jest stal w glowa zwyk ej
jako ci.
Problem korozji z du si ujawni si w Elektrowni „ aziska”, w której zaobserwowano
rozleg e uszkodzenia korozyjne stalowych ruroci gów wody ch odz cej. Po ok. 20 letniej
eksploatacji stwierdzono na ich powierzchni wewn trznej g bokie ubytki korozyjne, w wyniku
których grubo
cianek z pocz tkowej warto ci 16 ÷ 18 mm, uleg a lokalnie zmniejszeniu do
zaledwie 3 ÷ 6 mm, zagra aj c dalszej bezpiecznej eksploatacji obiektu. Ruroci gi zasilane s wod
kopalnian o bardzo wysokiej zawarto ci tlenu i jonów agresywnych: chlorków - 500 ÷ 2000
mg/dm3 i siarczanów - 750 ÷ 1100 mg/dm3. Oszacowana szybko korozji stali wynosi a w tych
warunkach do 0,5 mm/rok. W niektórych miejscach dosz o do lokalnej perforacji ruroci gów.
Ruroci gi wody ch odz cej znajduj si do g boko pod ziemi i dost p do nich jest wy cznie od
strony wewn trznej. St d te prace konserwatorskie, polegaj ce na nak adaniu na wewn trzne
powierzchnie ruroci gu pow ok malarskich nie mog gwarantowa uzyskanie efektu ochronnego
przy jednocze nie wysokiej pracoch onno ci i kosztach tego rodzaju zabezpieczenia
przeciwkorozyjnego.
W wyniku przeprowadzonych bada opracowano koncepcj zastosowania ochrony
katodowej powierzchni wewn trznej ruroci gów w Elektrowni „ aziska” z wykorzystaniem
zewn trznego ród a pr du i anod trudnoroztwarzalnych. Metoda ta jako jedna z nielicznych
pozwala na d ugotrwa e i efektywne zahamowanie dalszej korozji ruroci gów, pozwalaj c
jednocze nie na znaczne przed enie ich niezawodnej eksploatacji. Ze wzgl du na prototypowy
charakter przedsi wzi cia, w pierwszym etapie zdecydowano si na obj cie ochron wytypowanego do wiadczalnego odcinka ruroci gu o d ugo ci ok. 40 m i rednicy 1,6 oraz 2,0 m. Wkrótce
jednak uzyskane pozytywne wyniki spowodowa y znaczne rozszerzenie zakresu wdro enia.
51
3. Koncepcja ochrony katodowej ruroci gu –rozwi zania techniczne
Na podstawie laboratoryjnych bada korozyjnych ustalono, e spolaryzowanie konstrukcji
stalowej o ok. 100 mV w kierunku ujemnym w rodowisku wody ch odz cej z Elektrowni
aziska”jest wystarczaj ce do ograniczenia jej pr du korozyjnego, a tym samym szybko ci korozji
o ok. 90 %. Stwierdzono, e pocz tkowa g sto pr du ochronnego, koniecznego do osi gni cia
za onej warto ci potencja u wynosi ok. 2 A/m2, lecz ju po kilkunastu godzinach polaryzacji
zmniejsza si do kilkudziesi ciu mA/m2. Po d szym czasie polaryzacja katodowa pog bia si i po
kilku dobach wymagana g sto pr du wynosi ok. 30 mA/m2. Bior c pod uwag , e polaryzacja
konstrukcji stalowej bez pow oki ochronnej znacznie zwi ksza zapotrzebowanie pr dowe,
postanowiono je obni
poprzez wytworzenie na jej powierzchni specjalnej warstwy kryj cej,
zawieraj cej trudnorozpuszczalne zwi zki wapnia i krzemu.
Na podstawie bada modelowych ustalono zasi g oddzia ywania polaryzacji katodowej.
Okre lono wspó czynnik rozp ywu pr du i obliczono konduktancj skro , charakteryzuj
wytworzon mineraln warstw ochronn na powierzchni polaryzowanej katodowo konstrukcji
stalowej. Pos uguj c si modelowaniem matematycznym obliczono wymagane odleg ci mi dzy
anodami umieszczonymi wewn trz ruroci gu, aby uzyska po dan zmian potencja u przy
za eniu minimalnej i maksymalnej warto ci potencja u ochronnego. Obliczone odleg ci wynios y
dla poszczególnych rednic ruroci gu:
D1 = 1,6 m
l1 = 16,5 m
D2 = 2,0 m
l2 = 18,7 m
W projekcie instalacji ochrony katodowej ruroci gów wody ch odz cej w Elektrowni
aziska” przyj to ok. dwukrotnie mniejsze odleg ci mi dzy anodami bior c pod uwag takie
niekorzystne czynniki jak:
- intensywny przep yw wody przez ruroci g (ponad 2 m/sek),
- podwy szona temperatura (do ok. 40oC),
- wysokie natlenienie wody (nasycenie),
- mniej dok adne w warunkach technicznych pokrycie powierzchni wewn trznej
ruroci gu warstewk ochronn .
Wykonano instalacj ochrony katodowej z on z nast puj cych uk adów:
- anodowego wraz z konstrukcj no ,
- zasilaj cego ( ród o pr du sta ego),
- elementów kontrolno - pomiarowych.
Na podstawie wst pnych bada , zaproponowano anody z tytanu pokrytego warstewk
aktywnych tlenków. Zastosowano zespo y anodowo-kablowe typu LIDAR wykonane w postaci
cylindrycznych anod po czonych mi dzy sob odcinkami kabla i tworz ce w ten sposób rodzaj
cucha. Odleg
mi dzy anodami wynosi a 7 ÷ 8 m. Zaprojektowano i wykonano konstrukcj
anodow , która polega na zawieszeniu zespo u anodowo-kablowego na odpowiednim olinowaniu
wzd osi ruroci gu i ogranicza mo liwo jego uszkodze mechanicznych.
Podzespo y musia y by tak dobrane, aby wytrzyma y w warunkach eksploatacji
nieprzerwan prac ok. 3 lat, poniewa w takich mniej wi cej odst pach czasowych dokonuje si
ównych remontów w elektrowni. Schemat instalacji ochrony katodowej od strony wewn trznej
ruroci gu zilustrowano na rys. 1. Fotografi fragmentu zamontowanego wewn trz ruroci gu
uk adu anodowego przedstawiono na fot. 2.
52
Rys. 1. Schemat instalacji ochrony katodowej ruroci gu od strony wewn trznej.
Fot . 2. Centralnie w ruroci gu umieszczona anoda typu Ti/MMO.
Przewody od anod wyprowadzone zosta y w studzienkach na zewn trz ruroci gu
i pod czone do wolnostoj cych w terenie stacji ochrony katodowej. Stacje pod czone zosta y
do rozdzielnic potrzeb w asnych elektrowni.
4. Monitorowanie skuteczno ci ochrony katodowej ruroci gu
Specjaln uwag po wi cono monitorowaniu skuteczno ci dzia ania zastosowanej ochrony
katodowej.
Dok adn ocen prawid owo ci pracy instalacji ochronnej umo liwia uk ad
elementów kontrolno - pomiarowych zamontowanych w chronionym obiekcie.
W instalacji zastosowano:
- cynkowe elektrody odniesienia do pomiarów potencja u,
- sondy rezystometryczne do pomiaru szybko ci korozji,
- kupony do bada grawimetrycznych szybko ci korozji.
53
Sondy rezystometryczne oraz kupony do bada grawimetrycznych umieszczone zosta y na
powierzchni wewn trznej ruroci gu naprzeciwko anod, w po owie odleg ci mi dzy anodami oraz
w celach porównawczych na s siednim odcinku ruroci gu niechronionego przed korozj .
Elektrody odniesienia zamontowano na do wiadczalnym odcinku ruroci gu w 12 punktach.
Rozk ad warto ci potencja u na wewn trznej powierzchni ruroci gu podczas jego polaryzacji
katodowej umo liwia ocen doboru zastosowanych elementów i parametrów instalacji ochronnej.
Pozwala równie na obliczenie rzeczywistych warto ci wspó czynników koniecznych do
projektowania ochrony katodowej. W instalacji docelowej ilo elektrod pomiarowych zosta a
znacz co zredukowana.
Metoda korozymetrii rezystancyjnej jako jedna z nielicznych pozwala ocenia ilo ciowo
skuteczno ochrony elektrochemicznej. W celu kontroli skuteczno ci ochrony katodowej
konstrukcji przemys owych instaluje si na nich odpowiednie czujniki rezystancyjne, które zwiera
si elektrycznie z konstrukcj chronion . Systematycznie dokonywane pomiary rezystancji
umo liwiaj ocen stopnia zabezpieczenia konstrukcji przed korozj .
5. Wyniki bada eksploatacyjnych
UBYTEK KOROZYJNY, [ µm ]
Przez ca y okres eksploatacji ochrony katodowej ruroci gu utrzymywano takie warto ci
pr du ochronnego, aby potencja chronionej powierzchni stali by obni ony co najmniej o 100 mV
w stosunku do jej potencja u korozyjnego. Na rys. 2 przedstawiono wykres zmian ubytków
korozyjnych w ci gu dwóch lat na odcinku niechronionym (P0) i odcinku z ochron katodow (P1)
okre lone na podstawie wyników korozymetrii rezystancyjnej.
200
Blok 11
P0 (bez OK)
150
P1 (z OK)
100
50
0
0
100
200
300
400
500
600
700
CZAS, [ doba ]
Rys. 2. Ubytki korozyjne w ruroci gu na odcinku chronionym i niechronionym katodowo.
Po rocznej polaryzacji katodowej wewn trznej powierzchni ruroci gu g sto ci pr du
ochronnego wynosi y 7-10 mA/m2. Przyj to, e s to parametry pr dowe docelowe, przy których
kontynuowana b dzie ochrona katodowa ruroci gu (oprócz okresu postoju).
Po kilkumiesi cznej polaryzacji katodowej ca a chroniona katodowo powierzchnia
osi gn a potencja ochronny, tzn. poni ej 200 mV wzgl. elektrody cynkowej (poni ej -780 mV
wzgl. nasyconej elektrody kalomelowej).
Wyniki bada grawimetrycznych oraz rezystometrycznych, na podstawie których
oszacowano skuteczno ochrony katodowej, przedstawiono w tabeli 1. Na zdj ciach fot. 3 i fot. 4
54
zaprezentowano te same miejsca wewn trz ruroci gu przed zastosowaniem ochrony katodowej
oraz po 3 latach eksploatacji systemu ochronnego.
Tabela 1. Zestawienie wyników pomiarów rezystancyjnych i grawimetrycznych
skuteczno ci ochrony katodowej ruroci gów wody ch odz cej
Skuteczno
ochrony katodowej, %
Punkt
Po 7 mies. eksploatacji
pomiarowy
Pomiary
Pomiary
grawimetryczne
rezystometryczne
Pomiary
grawimetryczne
Pomiary
rezystometryczne
P1
84,4
84,1
90,2
83,8
P2
83,2
82,4
89,9
82,7
Po 12 mies. eksploatacji
Fot. 3.
Fot. 4.
Wygl d powierzchni wewn trznej ruroci gu wodnego przed zastosowaniem i po trzyletniej
eksploatacji ochrony katodowej.
5. Podsumowanie
Osi gni ty stopie polaryzacji katodowej wskazuje, e zastosowana metoda ochrony
hamuje zgodnie z za eniami korozj wewn trznych cian stalowego ruroci gu wody ch odz cej w
Elektrowni „ aziska”. Badania grawimetryczne i rezystancyjne wykaza y wysok skuteczno
zastosowanej ochrony w zakresie ok. 82 ÷ 90 %. Oznacza to, e szybko korozji stali uleg a
obni eniu z ok. 0,2 ÷ 0,5 mm/rok do dopuszczalnego poziomu 0,020 ÷ 0,035 mm/rok pozwalaj c
na dalsz bezpieczn eksploatacj obiektu.
Wytworzona mineralna warstewka ochronna wspó pracuje z ochron katodow
zapewniaj c korzystniejszy rozk ad pr du oraz zmniejszaj c zapotrzebowanie na pr d ochronny.
Ca a instalacja ochronna - w tym konstrukcja no na uk adu anodowego - pracuje dotychczas
bezawaryjnie. Instalacja jest serwisowana przez SPZP CORRPOL.
55
Wyniki prac badawczych i eksploatacyjnych opublikowane zosta y wielokrotnie przez
ównych wykonawców instalacji - Panów Jana Szukalskiego i Jezmara Jankowskiego z SPZP
CORRPOL w Gda sku. Równie informacje dotycz ce zastosowanych technologii mo na znale
na stronach Elektrowni „ aziska” po wi conych systemowi ochrony katodowej:
http://www.ellaz.pl/polska/kat.htm oraz http://www.ellaz.pl/technologie/6/poz19.htm.
56