МАГИСТРАЛЬНЫЕ НЕФТЕПРОВОДЫ

Электрические процессы на поверхности подземного трубопровода

Металлический трубопровод в изоляции, уложенный в грунте, имеет несущественное взаимодействие с почвенной влагой через зазоры в слое покрытия изоляции. Почвенная влага является электролитом различной концентрации и состава. Взаимодействия металлической поверхности с почвенным электролитом приводит к образованию продуктов коррозии.

Если на металлической поверхности, находящейся в электролите, имеются участки с отличающимися электрическими потенциалами и они соединяются друг с другом через массу металла, то во внешней цепи, которая соединяется через электролит, ток проходит от потенциала с большим значением к более низкому. Участок с более высоким значением потенциала является анодом, а участок с более низким потенциалом - катодом.

На металлической поверхности трубопровода возможно возникновение катодных и анодных участков если присутствуют какие-либо разнородности электрохимического потенциала поверхности. Эта разнородность есть причина появления коррозионных элементов (коррозионных пар), которые приводят к местному разрушению поверхности металла. Причины разнородности электрохимических потенциалов:

• структурная разнородность металла;
• включения в структуре стали;
• неравномерное диспергирование деформированных зон (например, местный наклеп);
• местные напряжения;
• разное качество защитного покрытия изоляции или локальные дефекты в нем.

Причиной формирования коррозионных элементов (пар) могут послужить насечки и риски на металлической поверхности.

В местах покрытия изоляции с дефектами металл является более электроотрицательным, превращается в анод и подвергается разрушению.

Если к поверхности трубопровода уложенного в почве неравномерно подается воздух, то создаются участки аэрации, на поверхности которых происходит локальная коррозия.

Возникновение коррозионных элементов при неодинаковом содержании солей в почве	Возникновение коррозионных элементов при различном составе почвы	Возникновение коррозионных элементов при локальном нарушении покрытия изоляции
1 - небольшое содержание солей в почве; 2 - высокое содержание солей в почве; 3 - трубопровод; 4 - песок; 5 - глина; 6 - почва; 7 - дефектный участок в покрытии изоляции; К - катод; А - анод

Разнородный электрохимический потенциал также в состоянии создать недостаточную миграцию в почве растворенных кислот и солей по причине их слабой диффузии.

При электрохимической коррозии реакция, по которой взаимодействует металл с электолитом подразделяется на 2 независимо происходящих процесса: катодный и анодный.

Анодный процесс заключается в переходе ионов металла в растворенное состояние с почвенным электролитом, где осуществляется их гидратация. В следствие чего на анодных участках разрушается металл из-за выноса в почву ионов металла, а эквивалентное число электронов мигрирует на катод. Анодный процесс для металлической поверхности допустимо изобразить в виде реакции:

В следствие аккумулирования катионов в растворе и электронов в металле, сущесвтенно сдвигающих скачок электродного потенциала в отрицательном направлении, анодному процессу следовало бы прекратиться, при отсутсвии в системе других электродных процессов.

Рассмотрим механизм анодного процесса на подземной конструкции из стали. Основной элемент для стали - железо. Поэтому доминирующее место занимают процессы электро-химической природы на железе.

Первичным механизмом на железном аноде является миграция двухвалентного иона железа в состав электролита (в почву):

Процесс не заврешается на этом обычно. Двухвалентный ион железа может принимать участие в разных химических реакциях с элементами почвы, называемых вторичными процессами.

Ввиду того, что почвы характеризуются нейтральными или основными свойствами, в них имеются ионы ОН^-. Взаимодействия с ними происходит образование гидрата железа:

Если в составе электролита почвы, который примыкает к анодным участкам, в достатке имеется железо, то реакция гидратации железа будет происходить дальше:

Катодный процесс описывается ассимиляцией избыточного числа электронов, которые появились в металле, каким-нибудь деполяризатором D, имеющимся в растворе. Деполяризатором D может быть ион или атом, который может на катоде восстановиться:

В кислой почве произойдёт водородная деполяризация катодного процесса:

Чаще встречающимся катодным процессом в условиях почвы является кислородная деполяризация:

Чтобы кислородная деполяризация протекала в коррозионном процессе в условиях грунта необходимо присутствие кислорода в месте катодного процесса. Поэтому условия транспорта кислорода к месту осуществления катодного процесса в некоторой мере детерминируют ход процесса коррозии.

Анодный процесс происходит на участках с более отрицательным базовым потенциалом поверхности, катодный - с более положительным. Материальный результат процесса коррозионной деструкции металла доминирует на анодных участках, так как из конструкции выносятся в почву ионы железа.

На рисунке справа схематически представлены процессы анодной и катодной поляризации при функционировании коррозионного гальванического элемента.

Характеристики коррозионного элемента не являются неизменными по причине протекания тока в цепи гальванического коррозионного элемента. Вследствие чего потенциалы катода и анода меняются в сторону взаимного сближения. Их первоначальная разность V_К0 — V_А0 уменьшается до V_К — V_А. Это изменение потенциалов имеет название катодной или анодной поляризациb.

Анодной поляризацией называется смещение потенциала анода при прохождении анодного тока в положительную сторону.

Катодной поляризацией называется смещение потенциала катода при прохождении катодного тока в отрицательную сторону.

Приведенные на рисунке слева кривые имеют название поляризационных кривых анодного и катодного процессов:

• для анодного процесса - кривая Е_А-А;
• для катодного процесса - кривая Е_K-K.

Поляризационная кривая - это построенная графически функция потенциала электрода Е от плотности i проходящего тока.

Ток I гальванического элемента определяется разностью напряжений катода и анода и сопротивления электрической цепи:

Если сопротивление электрической цепи снизиться до нуля (R = 0), ток I не в состоянии расти бесконечно по причине существования поляризационных сопротивлений.

Производные потенциала по плотности тока dE_K/di_K и dE_A/di_A являются истинной поляризуемостью анода и катода при заданной плотности тока i. Численно они равняются тангенсам углов:

Мерой измерения свободы протекания электродного процесса является величина di/dE, которую допустимо назвать истинной эффективностью анодного или катодного процесса при известной плотности тока.