Анодные заземлители: материалы, свойства и использование при электрохимической защите

Что такое анодные заземлители?

Анодные заземлители — это рабочие электроды, используемые для обеспечения антикоррозионной защиты подземных сооружений. Благодаря этому способу электрохимзащиты металла от окисления возможна эксплуатация различных металлических объектов под землей. Задача заземлителя обеспечить стекание тока в землю, поэтому выбирают материал который хорошо проводит ток.

История создания

До появления современных анодных заземлителей применялись «жертвенные электроды» старого типа или установки катодной защиты. Охраняемый объект играл роль катода, а заземление — анода. В результате металлические конструкции служили дольше, но анодный заземлитель быстро повреждался и требовал замены.

Ранее такие аноды располагались горизонтально, но в условиях города такой подход трудно реализовать.

Решение проблемы придумал Роберт Кун, предложивший ставить заземлитель на большую глубину и вертикально. При первой проверке в 1952 году удалось установить анод на 90 метров.

Со временем специалисты пришли ко мнению, что такой способ защиты металлических конструкций лучше подходит для условий города.

Устройство

Работают анодные заземлители следующим образом. Находясь в электролите различные металлы, имеют отличные электродные потенциалы. Поэтому если по трубопроводу пустить «-» от постоянного источника электроэнергии, а в непосредственной близости от трубы разместить электрод, состоящий из магния алюминия или цинка, к которому будет подведён «+», то данные металлы по отношению к обычной стали в электролите будут выполнять функцию анода.

Этот элемент, в данной электрохимической системе, будут саморазрушаться в почве, тем самым предохраняя катод, то есть трубу газопровода или другой коммуникации, от воздействия коррозии.

Подобным образом могут быть защищены от разрушения, подземные металлические ёмкости, и другие объекты, которые изготовлены из материала подверженного коррозии. Для того чтобы была обеспечена защита подземных металлических объектов на должном уровне, необходимо не только выбрать качественный анодный заземлитель, но и правильно осуществить монтажные работы.

Принципы работы анодных заземлителей

Примерно в середине XX века ученые осознали, что преодолеть развитие коррозии расположенных под землей металлических конструкций за счет одних только защитных покрытий не представляется возможным. По причине неоднородной структуры, высокой влажности и кислотности грунта на поверхности металла возникают участки с противоположными электродными потенциалами. В результате возникают гальванические коррозионные образования.

Коррозионное разрушение металла дополнительно провоцируется воздействием блуждающих токов. Такие токи время от времени появляются в почве, на поверхности которой проходит электрический транспорт, расположены электроподстанции, сотовые вышки и т. п.

Чтобы избежать коррозионных процессов, используются установки катодной защиты. Объект оказывается в условиях отрицательной поляризации, где выступает в качестве катода. Роль анода отдается специальному заземлительному устройству.

Находясь в электролитной среде, разные виды металлы имеют отличные друг от друга электродные потенциалы. Если в стальном трубопроводе запустить минус от постоянного источника электричества, а рядом с трубой установить электрод из цинка, алюминия или магния с подведенным к нему плюсом, цветной металл выступит в качестве анода. Электролизная реакция на поверхности металла запускает восстановительные процессы, ржавление становится менее интенсивным, а анод подвергается разрушению. Такие аноды называют жертвенными электродами.

По указанной схеме защищаются всевозможные металлические конструкции, находящиеся под землей, в том числе емкости, колонны, трубопроводы. Для организации эффективной защиты важно не только правильно подобрать анодный заземлитель, но и безошибочно выполнить монтажные работы.

В условиях плотной застройки в городах анодный заземлитель часто невозможно разместить по горизонтали. Существует вероятность его отрицательного воздействия на окружающие объекты. В связи с этим американские ученые выдвинули предложение возможности установки заземляющих устройств на большой глубине в вертикальном положении. Первое воплощение идеи увидело свет в 1952 году в США. Анодный заземлитель был установлен на глубину 90 метров.

В дальнейшем на практике было доказано, что глубинные заземлители подходят не только для городов, но и для использования на участках, где верхние пласты почвы отличаются повышенным удельным сопротивлением. Удаляясь от поверхности, сопротивление должно сокращаться. Неприменима технология глубинного заземления только для скальных пород и заболоченной местности.

Виды анодных заземлителей

Катодная защита объектов, изготовленных из металла, осуществляется не только глубинными, но и поверхностными заземлительными устройствами. Поверхностный анодный заземлитель находится на одном уровне с защищаемой конструкцией. Такие заземлители характерны компактностью и ограниченным радиусом действия. Поверхностная система — электрод, произведенный из цинкового или магниевого сплава, соединенный кабель с источником электропитания.

Чтобы получить более дешевую конструкцию и не потерять в качестве, современные устройства производятся из железокремниевого материала, отличающегося стойкостью к ржавлению. Поверхностные заземлительные системы чаще всего выглядят как стержень с круглой отливкой и заизолированными участками соединения контактного проводника с заземлителем.

Обратите внимание! Количество анодных заземляющих устройств определяется специалистом на основе анализа многочисленных факторов окружающей среды.

Стержни соединяют с магистралью с помощью термитного сварочного процесса или особыми зажимами. Срок службы поверхностного заземлителя достигает 35 лет, если его корпус присыпан смесью кокса и других минеральных веществ. Такая смесь замедляет процессы распада анода в грунте.

Глубинные заземлители используются с той же целью, что и поверхностные устройства. Однако монтаж и конструкция глубинных систем существенно отличаются. Глубинные аноды стоят значительно дороже, а потому их использование оправдано только в случае невозможности монтажа поверхностной системы.

Глубинные системы отличаются большой массой из-за дополнительного элемента — коксо-минеральной смеси, наносимой на анодный заземлитель. Глубина заземления достигает 40 и более метров. Это еще одна причина дороговизны монтажных работ: необходимо механизированное бурение с помощью буровых установок.

Несмотря на большую стоимость, заземление глубинного типа значительно эффективнее поверхностного, когда речь идет о защите больших территорий. В условиях плотной городской застройки часто проще установить один заземлитель глубокого заложения, чем создавать множество поверхностных систем. Еще один довод в пользу глубокого заземления — меньшие расходы на электроэнергию, что обеспечивается значительным радиусом действия системы.

Обратите внимание! Сопротивление в анодном заземляющем устройстве не зависит от сезона. Электрод расположен на глубине, где исключено промерзания грунта. Стабильное сопротивление — веский аргумент для использования именно этой методики.

Глубинные заземлительные контуры характеризуются менее длительным сроком эксплуатации в сравнении с поверхностными. Объясняется это большим давлением почвы на конструкцию. В среднем система глубокого заложения функционирует в течение трех десятилетий.

Виды материалов для анодных заземлителей

Железо

Сплавы на основе железа относятся к растворимым материалам для АЗ. Анодное растворение железа проходит на скорости около 10 кг/(А • год). Такая высокая скорость растворения анодов — существенный минус, который не позволяет широко использовать сплавы на основе железа для системы катодной защиты. Кроме того, растворимые материалы имеют немало других отрицательных факторов. Например, при применении подобных АЗ грунтовые воды сильно загрязняются ионами железа. А из-за неэлектропроводности продуктов растворения такие аноды быстро выходят из строя.

Графит

Графит отличатся скоростью растворения около 1,2 кг/А*год. Наибольшая плотность тока — 5 А/м2. В зависимости от применяемых связующих материалов бывают гибкими и жесткими.

При значительном повышении уровня тока выделяется кислород, что повышает скорость повреждения изделия. Процесс останавливается при высокой концентрации хлора в грунте.

Преимущества:

• низкая скорость растворения — до 1,2 кг/А*год;
• большой выбор.

Минусы:

• высокое сопротивление графитного материала;
• отсутствие нормальной стойкости к грунту;
• высокая хрупкость (для чистых составов);
• небольшая рабочая плотность тока;
• риск «холодного горения».

Графитовые аноды, как правило, применяются в электрохимическом секторе, в морской среде и землях с высокой хлористостью. Подходят для объектов с минимальным защитным током и малым сроком службы.

Полимеры

В состав полимерных изделий входит пластификатор с углеродным наполнителем. Материал боится повышения анодного тока, из-за чего появляется тонкая анодная пленка.

Как результат, заземляющее изделие теряет свойства из-за появления на поверхности оксидной пленки.

Плюсы:

• стоимость;
• большой выбор полимерных изделий.

Недостатки:

• минимальная механическая надежность;
• низкие показатели максимального анодного тока;
• повышение переходного сопротивления контурного элемента;
• быстрая потеря эффективности.

Дополнительный минус полимерных анодных заземлителей — негативное влияние на экологию. Пластик на долгие годы остается в грунте и не разрушается.

Ферросилид

Кремниево-железные анодные заземлители применяются при небольших токах с минимальными потерями металла. Средний параметр «сжигания» материала во время эксплуатации — до 0,5 кг/А*год. Максимальная плотность — 100 А/м2.

Функцию защиты от окисления берет на себя диоксидо-кремниевая пленка, появляющаяся на фоне реакции кремния и О2. Через некоторое время она покрывает поверхность заземляющего устройства и защищает его от разрушения.

Преимущества:

• низкая скорость повреждения;
• высокая эффективность (больше, чем у графита);
• возможность применения в качестве точечных заземлителей.

Недостатки:

• высокая цена;
• дефицитность таких анодных заземлителей.

Ферросилид активно применяется в любых типах грунтов, в том числе в качестве глубинного и поверхностного заземлителя.

Магнетит

Магнетит — перспективный материал для изготовления анодных заземлителей. Представляет собой сплав на основе оксидов железа. Магнетитовые изделия производят путем отливок при высокой температуре с использованием специальных добавок. Литой электрод получается гладким, плотным и твердым, напоминая стекло. Скорость растворения магнетита — 0,02 кг/(А•год). Анодное растворение магнетита проходит по такому же принципу, как у ферросилида, но есть несколько отличий. Магнетит обладает большей допустимостью плотности тока, поэтому подходит для широкого применения в различных грунтах и морской воде. Но у него как у материала для анодных заземлителей есть существенные недостатки: сложный технологический процесс и высокая стоимость конечных изделий.

Платина и платинированные металлы

Современный опыт катодной защиты включает использование в качестве материала анодных заземлителей платинированного титана. Такие аноды имеют трубчатую форму и сердечник из меди. Их диаметр составляет от 3 до 25,6 мм. Изделия покрыты платиновым слоем толщиной 20 мкм. У платинированного титана как анода есть не только преимущества, но и недостатки: хрупкость, ломкость, высокая цена. Скорость растворения металла находится на уровне 0,08-0,15 кг/(А•год). Аноды на основе покрытого платиной тантала целесообразно применять в условиях высокого рабочего напряжения в системах катодной з ащиты, в которых возможна авторегулировка потенциала.

Поскольку пластина отличается высокой химической стойкостью, платинированные аноды допустимо использовать при плотности анодного тока в пределах 2000-3000 А/м2. Что касается применения чистой платины, то такая возможность ограничивается дефицитностью и высокой стоимостью металла. По этим причинам платину используют только в двух видах: как тонкослойное покрытие на подложке из подверженных пассивации металлов тантала, титана, ниобия или в виде сетки (проволоки), укрепленной в диэлектрической основе.

В процессе продолжительных испытаний при плотностях тока в пределах 4,4-40 А/м2 сплавов титана и никеля для анодов в системах катодной защиты было выявлено, что расход материала составляет 1-10 г/(А • год). Такие результаты были бы впечатляющими, не будь процесса образования питтингов. Если на поверхности анода выделяется кислород или хлор, скорость саморастворения анода возрастает из-за подкисления слоя при электроде пропорционально плотности тока. С учетом этого литые аноды из титана с никелем нельзя признать надежными в плане обеспечения работы катодной защиты.

Где нужно использовать анодное заземление

Возникновение коррозионных процессов и нарушения целостности труб и другие деталей становятся главной причиной аварийных ситуаций на линиях различных коммуникаций. Для продления срока эффективной службы важно организовывать их защиту.

Служит эффективным и необходимым способом защиты и обслуживания таких объектов:

• нефтепроводы и все подземные компоненты для их дополнения и хорошей эксплуатации;
• газопроводы, которые располагаются под землей;
• трубопроводы и огромное количество различных коммуникаций и элементов различных конструкций, которые могут подвергаться коррозионным процессам.

Особенности проектирования и установки

Проектирование и монтаж глубинного заземляющего устройства осуществляются в соответствии с определенными правилами:

1. Электроды, входящие в гирлянду, устанавливают исключительно ниже уровня промерзания почвы. Особенно четко это условие следует соблюдать в регионах с многолетними мерзлыми грунтами.
2. При превышении силы тока на катодной станции 25 Ампер понадобится установка на гирлянду перфорированной трубки для удаления газов, выделившихся в процессе работы оборудования. В противном случае газовая оболочка, возникающая возле анода, увеличивает сопротивление и сокращает радиус действия системы.
3. Чтобы продлить срок службы электродов, скважину засыпают не землей, а коксовой крошкой.

Установка глубинного анодного заземления

Глубинное анодное заземление устанавливается в скважину, которая проработана глинистым раствором. Крайне важно не допускать перерывов во время монтировки и установки заземления, поэтому сразу же после завершения бурения необходимо приступать к его установке.

Установка анодного заземления ведется секциями с использованием монтажного стола. Перед пуском глубинного анодного заземления следует проверить при помощи дефектоскопа качество изоляции. После завершения установки скважина заполняется глинистым раствором либо коксом, верхняя часть, в соответствии с рабочими чертежами и техпроектом – песком или гравием.

Лучшие модели анодного заземления

В настоящее время на рынке представлено большое количество различных моделей анодного заземления, как для поверхностного размещения, так и для установки на значительной глубине. В каждом конкретном случае монтажа этого оборудования, количество необходимых элементов должно быть правильно рассчитано и отображено в плане.

Немаловажным условием эффективности защиты, является выбор качественного устройства и надёжной питающей станции. Как правило, такие устройства реализуются в комплекте, состоящем из 10 — 20 заземлителей и одного источника питания. Из поверхностных заземлителей наиболее часто для защиты подземных металлических объектов используется следующие модели:

• «Менделеевец»–ММ — данный вид поверхностного заземлителя позволяет осуществлять эффективно предотвращать разрушение подземных коммуникаций. «Менделеевец»–ММ применяется преимущественно в сфере нефтегазовых коммуникаций, но может быть использован и для других подземных объектов, которые могут подвергаться коррозии. Скорость анодного растворения электрода составляет 300 г/год, поэтому при массе в 43 кг, защита может эффективно использоваться не менее 100 лет.
• «Менделеевец»–МТП — магнетитовый поверхностный заземлитель предназначенный для защиты магистральных трубопроводов. Особенностью этой модели, является возможность установки электродов для защиты портовых сооружений. Установленные заземлители отлично справляются с предохранением металлических сооружений, от возникновения коррозионных процессов в высокоагрессивной среде. «Менделеевец»–МТП отличнозагерметизирован в месте подключения питающего провода. Питание осуществляется рабочей электрической станцией, которая входит в комплект данного защитного устройства.

Среди глубинных моделей наибольшее распространение получили следующие приборы:

• «ГАЗ-М» — глубинный заземлитель отличного качества. Данный прибор отлично справляется с задачей предохранения подземных металлических объектов, в том случае, когда установка более дешёвого варианта поверхностной защиты невозможна. Рабочий ресурс заземлителя составляет не менее 30 лет, а максимальныйрабочий ток — 10 А.
• «Менделеевец»-МРКГ — малорастворимый глубинный заземлитель, который используется преимущественно в грунте с высоким удельным сопротивлением.

Данное устройство может быть размещено в одной скважине, в количестве до 24 шт. что позволяет защитить подземные объекты максимально эффективно.

Минимальный эксплуатационный срок, данного устройства составляет не менее 30 лет, при условии что монтаж анодного заземлителя был произведён по всем правилам.