Ing. Alexandru BĂLUȚĂ [303164]

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

Facultatea de Inginerie

TEMA LUCRĂRII DE DISERTAȚIE

Studiu privind protecția catodică a conductelor

pentru distribuția gazelor naturale

Conducător științific:

Prof. univ. dr. ing. Valentin Dan PETRESCU

Absolvent: [anonimizat]. [anonimizat], 2020 –

CUPRINS

REZuMAT

În această lucrare intitulată "Automatizarea și echiparea SCADA a [anonimizat]" [anonimizat], Petrol și Gaze.

[anonimizat], [anonimizat], precum și prezentarea principalelor componente tehnologice și funcțiile îndeplinite de acestea.

[anonimizat], sunt prezentate o [anonimizat] a [anonimizat], iar la finalul capitolului este relevată influența mediului de măsurare asupra unui sistem de achiziție de date.

[anonimizat] o continuare a [anonimizat], care este un tip de aplicație pentru sistemele de achiziție de date.

[anonimizat] (SCADA) este abordată în contextul capitolului al patrulea. Acest capitol cuprinde breviarul de calcul pentru instalația mecanică ([anonimizat], contoarelor etc.), breviarul de calcul pentru instalația electrică (stabilirea puterii și curentului maxim absorbit de consumatorii aferenți sistemului de monitorizare și teletransmisie), [anonimizat] a [anonimizat].

[anonimizat] a [anonimizat] a incendiilor precum și de protecție a mediului, [anonimizat].

Ultima parte a [anonimizat] “Concluzii”, tratează beneficiile pe care le aduce echiparea cu un sistem SCADA a [anonimizat].

ABSTRACT

In this paper entitled "Automating and equipping SCADA of a natural gas regulation and measuring station" [anonimizat] , Oil and Gas.

[anonimizat], [anonimizat], as well as presenting the main technological components and functions performed by them.

[anonimizat], a [anonimizat] a [anonimizat], and at the end of the chapter is revealed the influence of the environment measurement of a data acquisition system.

[anonimizat] a [anonimizat], which is a type of application for data acquisition systems.

The design of a redundant natural gas regulation / measurement station with automation and telemetry (SCADA) is addressed in the context of the fourth chapter. This chapter includes the computational brevity for the mechanical installation (selection of filters, regulators, counters, etc.), the brewery for the electrical installation (the determination of the power and the maximum current absorbed by the monitoring and teletransmission system), the choice of the lightning protection pole, the description the technological components and the SCADA system with which the station will be equipped, as well as the painting and anti-corrosion protection specifications.

The fifth chapter is dedicated to the presentation of concepts concerning sesuritatea and health, management of emergency situations, firefighting and prevention as well as environmental protection.

The last part of this paper, entitled Suggestions "Conclusions", deals with the benefits of bringing a SCADA system to a natural gas-regulating station.

ASPECTE TEORETICE PRIVIND COROZIUNEA METALELOR

Introducere

Coroziunea este o știință din domeniul ingineriei care se bazează pe principii ale chimiei și electrochimiei, termodinamicii, metalurgiei fizice, bacteriologiei, etc.

Majoritatea metalelor se găsesc în natură în stare combinată (oxizi, sulfuri, carbonați, etc.) și prezintă o entalpie liberă minimă, ΔG ˂ 0, caracteristică sistemelor stabile.

Prin prelucrarea minereurilor în vederea obținerii de metale și aliaje, se furnizează energie din mediul exterior crescând entalpia liberă, ΔG ˃ 0.

Corodarea sau degradarea materialelor metalice reprezintă procesul prin care se manifestă tendința acestora de a reveni la starea naturală de compuși cu entalpie liberă minimă, după cum se poate observa în fig. 1.1.

Fig. 1.1. Reprezentarea schematică a tendinței de coroziune a metalelor

Procesul de degradare în urma contactului cu mediul exterior se manifestă la toate materialele: beton, lemn, sticlă, materiale plastice, ceramice, compozite, etc. De aceea, coroziunea este un caz particular de degradare a materialelor metalice.

Absolut toate mediile pot fi corozive față de un anumit material, de exemplu: aerul, apa, razele ultraviolete (UV), substanțele chimice, hidrocarburile, saliva, etc.

De asemenea, un anumit agent extern poate să nu dăuneze unui material, pe când pe altul poate să-l distrugă. În acest sens, se exemplifică următoarea situație: oțelul nu este influențat de prezența azotului (N2) din aer, acest element reprezentând aproximativ 79 % din compoziția atmosferei, însă titanul (Ti) în contact cu atmosfera și la temperaturi ridicate este atacat de azot.

Coroziunea metalelor se definește ca fiind totalitatea proceselor prin care un material metalic la interacțiunea cu mediul exterior suferă transformări de la starea metalică la cea combinată. [3]

Cu alte cuvinte, coroziunea metalelor este distrugerea parțială sau în întregime a acestora, ca urmare a reacțiilor chimice, electrochimice sau biochimice dintre materialul metalic și diverși agenți ai mediului exterior.

Sistemul de coroziune este alcătuit din materialul metalic, în stare solidă, și mediul exterior coroziv, lichid sau gazos, aceste elemente aflându-se în contact nemijlocit iar procesele de coroziune având loc la interfața dintre metal și mediul coroziv sub formă de reacții eterogene.

Rezistența la coroziune a materialelor metalice este o proprietate de interfață și depinde de condițiile de folosire a metalelor, nefiind o proprietate intrinsecă a materialului. Deci, rezistența la coroziune a metalelor depinde de sistemul de coroziune.

În majoritatea cazurilor efectele coroziunii sunt dăunătoare pentru proprietățile materialului, ducând chiar și la distrugerea acestuia. Pe lângă asta pot duce la oprirea producției, accidente tehnice sau umane, poluarea mediului, etc. [4]

Există însă și situații în care efectele coroziunii pot fi benefice, precum următoarele:

acumulatorul de la autovehicule produce curent electric prin reacții de coroziune;

distrugerea materialelor biodegradabile precum ambalajele;

coroziunea estetică (brunarea) sculelor, armelor, armurilor, etc.;

acoperirea edificiilor și operelor de artă din bronz cu o peliculă de culoare verzuie la contactul cu dioxidul de sulf (SO2) din atmosferă, care împiedică oxidarea ulterioară;

tăierea oțelului în apă de mare, aceasta fiind electrolit cât și mediu de răcire. [3]

Clasificarea proceselor corozive

În practică fenomenele de coroziune sunt complexe, aparând sub diferite forme, motiv pentru care, o clasificare riguroasă a acestora nu este posibilă, între diferite clase existând anumite suprapuneri.

Coroziunea poate fi clasificată utilizând mai multe criterii, dintre care cele mai importante sunt trecute în revistă.

După mecanismul procesului de distrugere, coroziunea se clasifică în:

coroziune chimică sau în gaze uscate (constă în degradarea metalelor în gaze uscate, precum și în lichide organice și soluții anorganice nepolare, care nu conduc curentul electric);

coroziune electrochimică sau în medii umede (constă în degradarea metalelor ce se află în contact cu o soluție de electroliți, fiind însoțită de generarea unui curent electric prin metalul corodat);

coroziune biochimică sau biocoroziune (constă în degradarea metalelor datorită activității metabolice a unor microorganisme, însoțind coroziunea electrochimică).

După mediul în care se produce, coroziunea poate fi:

coroziune atmosferică (se produce în atmosferă);

coroziune subterană (se produce în sol);

coroziune biochimică (se produce în medii care conțin microorganisme);

coroziune prin curenți de dispersie sau vagabonzi (se produce în câmp electric). [1]

Fig. 1.2. Clasificarea coroziunii după mecanismul procesului și natura mediului

După posibilitatea de asociere cu diverse solicitări mecanice, procesele corozive se împart astfel:

coroziune sub tensiune statică (tensiuni de întindere, răsucire, etc.);

coroziune în condiții de oboseală (solicitări alternative cu diferite frecvențe);

fisurare corozivă (coroziune accelerată provocată de prelucrările mecanice sau tratamentele termice);

coroziune erozivă (distrugerea peliculelor protectoare ale metalului de către un lichid coroziv ce posedă o viteză ridicată);

coroziune în condiții de cavitație (distrugerea peliculelor protectoare și a metalului de către un lichid coroziv ce posedă o viteză ridicată);

coroziune prin frecare sau tribocoroziune. [1]

Fig. 1.3. Clasificarea coroziunii după aspectul metalului corodat

După aspect, procesele corozive pot fi:

coroziune continuă (afectează întreaga suprafață metalică):

coroziune uniformă (viteza de coroziune este constantă);

coroziune neuniformă (viteza de coroziune nu este constantă);

coroziune locală (afectează anumite porțiuni din suprafața metalului):

puncte de coroziune sau pitting (prezintă o suprafață mică și o adâncime profundă);

plăgi de coroziune (prezintă o suprafață relativ mică și o adâncime mare);

pete de coroziune (prezintă o suprafață relativ mare și o adâncime mică).

După caracterul distrugerii structurii materialului metalic, coroziunea se clasifică în:

coroziune intercristalină (distrugerea limitelor dintre grăunți);

coroziune intracristalină sau transcristalină (distrugerea cristalelor);

coroziune fisurantă (se răspândește intercristalin și intracristalin ca urmare a acțiunii simultane a mediului coroziv și a unor solicitări de întindere);

coroziune selectivă (afectează numai o anumită fază din structura aliajului);

coroziune sub suprafață (se răspândește în interiorul metalului sub un strat aparent nealterat). [1]

Coroziunea chimică

Coroziunea chimică (în gaze) reprezintă procesul de degradare a materialelor metalice prin reacții pur chimice (fără schimb de sarcini electrice) la temperaturi ridicate și în urma contactului cu gaze uscate agresive (conțin O2, S, halogeni, etc.) sau soluții de neelectroliți (hidrocarburi lichide, uleiuri, etc.).

Ecuația generală de echilibru a reacției de oxidare a metalelor în gaze uscate este:

Coroziunea chimică depinde din punct de vedere termodinamic de presiunea parțială a componentului agresiv (O2) și se apreciază cu ajutorul variației entalpiei libere (potențial izoterm-izobar). Această variație este dată de următoarea relație:

unde: reprezintă variația entalpiei libere ;

– coeficient stoechiometric din relația (1.1);

– constanta universală a gazului ideal (perfect); ;

– temperatura ;

– presiunea parțială a oxigenului din oxid respectiv din atmosferă .

În funcție de valorile presiunilor parțiale ale oxigenului pot apărea trei cazuri:

→ (coroziunea este posibilă);

→ (metalul nu se corodează, oxidul fiind stabil);

→ (reacția este la echilibru, coexistă atât oxidul cât și metalul corodat). [3]

În atmosferă presiunea parțială a oxigenului este de aproximativ 0,2 atm și au loc reacții de corodare a metalelor, rezultând pelicule de oxizi cu .

Pe baza valorii entalpiei libere de oxidare a materialelor metalice, s-a stabilit o succesiune de creștere a tendinței de oxidare a unor metale după cum urmează: [3]

Coroziunea în gaze duce la apariția unei noi faze, de obicei un oxid, care se interpune între metal și mediul coroziv, formând o peliculă de coroziune care poate fi protectoare dacă este continuă, aderentă și neporosă, împiedicând desfășurarea ulterioară a coroziunii.

Aceste pelicule de coroziune se clasifică după grosime în:

pelicule subțiri (sunt invizibile cu grosimi mai mici de 400 ; );

pelicule medii (sunt vizibile și colorate, având grosimi de 400 … 5 000 );

pelicule groase (au grosimi de ordinul µm sau chiar mm).

Coeficientul de expansiune reprezintă raportul dintre volumul molar al oxidului ce formează pelicula și volumul molar al metalului corodat.

unde: reprezintă coeficientul de expansiune;

– volumul molar ;

– masa molară ;

– densitatea ;

– numărul de atomi de metal din molecula de oxid;

– numărul de atomi de oxigen din molecula de oxid;

– masa atomică a metalului .

În funcție de valorile acestui coeficient se poate aprecia caracterul protector sau neprotector al peliculei, utilizând următoarele criterii:

dacă atunci pelicula nu acoperă toată suprafața metalului, este poroasă și nu protejează metalul (se întâlnește la Na, K, Ca, Mg, etc.);

dacă atunci în peliculă apar tensiuni și se exfoliază (la Fe, W, etc.);

dacă (de obicei ) atunci pelicula este continuă, neporoasă, aderentă și protejează metalul (se întâlnește la Al, Cu, Cr, Ti, Ni, etc.). [3]

Coroziunea electrochimică

Coroziunea electrochimică (umedă) reprezintă procesul de degradare a materialelor metalice prin contactul metalului cu un electrolit (bun conducător de curent electric) în soluții lichide, topituri de săruri sau metale, și în atmosfere gazoase umede și impurificate.

Aceasta se supune legilor cineticii electrochimice, este însoțită de apariția unui curent electric și se caracterizează prin potențialul electrochimic de coroziune . Cele mai corozive medii sunt soluțiile de electroliți (acizi, baze, săruri, etc.). [3]

Coroziunea electrochimică este posibilă și sub acțiunea curenților de dispersie sau vagabonzi, care provin de la rețelele de tracțiune electrică sau de la cablurile electrice subterane, și care circulă prin sol afectând instalațiile metalice subterane cu defecte de izolație.

Coroziunea umedă se produce pe suprafața metalului la contactul cu mediul coroziv sub forma a două reacții de electrod simultane, de sens contrar și cu viteze egale. Deși se petrec în locuri diferite dar foarte apropiate, reacțiile sunt legate între ele prin transferul aceluiași număr de electroni , fiind denumite reacții electrochimice conjugate (reacții redox).

Aceste reacții se desfășoară printr-un proces anodic de oxidare (coroziune) a metalului și unul catodic de reducere a unui mediu depolarizant capabil să accepte electronii proveniți din ionizarea metalului (fig. 1.4).

Fig. 1.4. Reprezentarea schematică a mecanismului coroziunii electrochimice

Reacția generală a procesului anodic de oxidare (ionizare) are următoarea formă:

Metalul se oxidează (corodează) cu formarea de ioni care trec în mediul coroziv și apoi se combină cu substanțele prezente în acest mediu formând oxizi, hidroxizi sau săruri. Prin oxidare ionii pozitivi părăsesc rețeaua cristalină a metalului, trec în mediul coroziv și lasă pe suprafața învecinată cei electroni. Dacă numărul ionilor care părăsesc metalul este egal cu cel al ionilor care revin pe metal, atunci metalul nu se corodează și este caracterizat prin potențialul de echilibru . Cum de obicei în mediul coroziv există un depolarizant care este foarte avid de electroni, atunci trecerea metalului în mediu sub formă de ioni va continua, producându-se consumul acestuia (coroziunea) și apariția unui curent anodic pozitiv .

Reacția generală a procesului catodic de reducere (depolarizare) are următoarea formă:

Cei electroni eliberați de metal sunt acceptați de către depolarizantul aflat în mediul coroziv, procesul fiind însoțit de apariția unui curent catodic negativ . Dacă numărul ionilor care se depolarizează este egal cu cel al ionilor care nu se reduc, atunci depolarizantul se caracterizează prin potențialul de echilibru . [3]

În funcție de natura mediului coroziv, depolarizantul poate fi: hidrogenul (pentru medii acide) sau oxigenul (pentru medii bazice și neutre).

Relația de interdependență dintre potențialul de echilibru al metalului , potențialul de coroziune și potențialul de echilibru al depolarizantului , este următoarea:

În urma acestor reacții redox rezultă un echilibru atunci când , formându-se pe suprafața de separație metal-mediu un strat dublu electric în care metalul se încarcă negativ iar mediul coroziv acumulează sarcini pozitive. Ca urmare apare și o cădere de potențial, de ordinul volților, care poate fi măsurată cu un electrod de comparație și se numește tensiune absolută de electrod .

Fiecare element chimic este caracterizat printr-un potențial de electrod . Se consideră că hidrogenul are potențialul de electrod egal cu zero și în funcție de acesta celelalte elemente chimice pot fi: electronegative () sau electropozitive ().

Cei mai utilizați electrozi de comparație (referință) sunt: [3]

electrodul standard (normal) de hidrogen cu ;

electrodul de Cu/CuSO4 cu ;

electrodul de calomel Hg/Hg2Cl2 cu ;

electrodul de Ag/AgCl cu .

Fig. 1.5. Reprezentarea schematică a curbelor de polarizare și a curbei de coroziune: [3]

1 – curba anodică de polarizare a metalului (Fe); 2 – curba catodică de polarizare a depolarizantului (H+); 3 – curba de coroziune a metalului în mediul coroziv.

Punctul unic la care are loc schimbul de electroni dintre anod și catod se caracterizează printr-un potențial mixt denumit potențial de coroziune . Pe diagrama trasată în coordonate densitate de curent și potențial, prezentată în fig. 1.5, potențialul de coroziune se plasează în punctul geometric care îndeplinește condiția: . [3]

Curba 1 este curba anodică de polarizare a metalului (de exemplu Fe) aflat într-un mediu care conține numai ionii săi . Dacă în mediu există și un depolarizant (reducător), de exemplu , începe procesul de coroziune și se trasează curba 2. În timpul procesului de coroziune cele două curbe se deplasează și se unifică rezultând curba 3. Curba anodică caracterizată prin potențialul de echilibru al metalului se deplasează spre valori mai pozitive cu valoarea supratensiunii anodice pozitive , apropiindu-se de curba catodică, în timp ce curba catodică caracterizată prin potențialul de echilibru al depolarizantului se deplasează spre valori mai negative cu valoarea supratensiunii catodice negative , apropiindu-se de curba anodică. Valoarea densității de curent corespunzătoare potențialului de coroziune se numește densitatea curentului de coroziune .

Cinetica coroziunii electrochimice ne oferă informații referitoare la viteza de coroziune . Aceasta este proporțională cu masa de metal corodată, masa atomică a metalului corodat și cu densitatea curentului generat de coroziune, și invers proporțională cu valența metalului corodat și cu numărul lui Faraday, .

Viteza de coroziune se poate exprima sub mai multe forme:

densitate de curent de coroziune ;

Rezistența de polarizare este dată de relația Stern-Geary, pantele Tafel obținându-se din curbele de polarizare: [3]

Fig. 1.6. Reprezentarea unei curbe de polarizare Tafel [3]

indice gravimetric ;

Reprezintă variația masei metalului supus coroziunii pe unitatea de suprafață și în unitatea de timp. Poate avea valori negative sau pozitive și este definit în relația (1.12):

indice de penetrație .

Reprezintă adâncimea medie de pătrundere a coroziunii în masa materialului metalic și se folosește doar pentru evaluarea coroziunii uniforme, nu și pentru evaluarea coroziunii locale, penetrante sau selective.

unde: reprezintă pantele Tafel (anodică respectiv catodică);

– rezistența de polarizare ;

– coeficient;

– variația masei metalului corodat ;

– suprafața metalului corodat ;

– timpul de expunere a metalului în mediul coroziv ;

– densitatea metalului . [3]

Coroziunea biochimică

Unele microorganisme prin activitatea lor vitală intervin în procesele de coroziune a metalelor și de degradare a altor materiale: de construcție, plastice, ceramice, asfalt, lemn, sticlă, etc. Atacul microorganismelor favorizează aproximativ 40 % din formele de coroziune.

Biocoroziunea se manifestă localizat sub formă de picuri sau tuberculi.

Modurile de acțiune a microorganismelor în procesele de coroziune sunt următoarele:

intervin direct în reacțiile anodice sau catodice;

creează medii corozive;

modifică rezistența peliculei protectoare prin produșii rezultați datorită metabolismului acestora (acizi organici, H2S, CO2, etc.);

formează zone eterogene pe suprafața metalelor (celule electrolitice);

modifică pH-ul;

depolarizează catodic metalul prin consumul de H2.

În funcție de toleranța microorganismelor la oxigen, acestea se clasifică în: [3]

microorganisme aerobe (au nevoie de oxigen pentru metabolism);

microorganisme anaerobe (nu pot trăi în prezența oxigenului);

microorganisme anaerobe facultativ (pot trăi cu sau fără prezența oxigenului);

microorganisme microaerofile (utilizează cantități foarte mici de oxigen).

Microorganismele anaerobe se întâlnesc foarte rar și apar doar în microclimate anaerobe, fiind reprezentate în principal de bacteriile reducătoare de sulfați și nitrați, care produc metan.

Microorganismele aerobe sunt reprezentate de bacterii ale sulfului, fierului, fungi, etc. Aceste bacterii au lungimi mai mici de 10 µm și trăiesc în colectivitate în medii cu limite largi temperatură, pH și concentrație de oxigen, dezvoltându-se de preferință în medii ce conțin substanțe cu carbon.

Principalele clase de microorganisme care favorizează coroziunea biochimică (microbiană) sunt prezentate în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1. Clasele de microorganisme care favorizează coroziunea microbiană

După tipul de metabolism, microorganismele se împart în:

microorganisme care se hrănesc cu compuși ai carbonului;

microorganisme care dezvoltă procese biochimice pentru a respira și să își producă energia;

microorganisme care acumulează anumite elemente chimice prin procese biologice proprii.

Bacteriile anaerobe precum cele sulforeducătoare și sulfooxidante, se găsesc în sol, ape dulci și sărate, nămol, sonde petroliere, conducte de apă, etc. Condițiile favorabile de dezvoltare a acestora sunt: pH între 5,5 și 8,5, absența oxigenului, prezența substanțelor organice, concentrație medie de sulfați, etc.

Bacteriile aerobe precum ferobacteriile și bacteriile feruginoase, se găsesc în sol, ape dulci de suprafață și subterane, etc. Acestea își obțin energia prin oxidarea sărurilor feroase la săruri ferice.

Ciupercile sunt plante inferioare aerobe sau anaerobe, saprofite sau parazite, care produc substanțe corozive prin metabolismul lor, precum: acid tartric, citric, oxalic, etc. Ele se dezvoltă în zone calde și umede, atacând metale, mase plastice, asfalt, cauciuc natural și sintetic, etc.

Algele sunt plante inferioare, uni sau pluricelulare, care trăiesc în mări, râuri, lacuri, izvoare reci și termale, etc. Atacul coroziv al acestota poate fi:

direct (provoacă coroziunea metalelor și betoanelor prin substanțele pe care le secretă sau consumă și astfel modifică mediul înconjurător, mărind conținutul de oxigen dizolvat și modificând pH-ul și puritatea apei);

indirect (formând precipitate gelatinoase sau cruste pe pereții rezervoarelor și conductelor de apă, locuri în care apoi se dezvoltă bacterii și ciuperci corozive). [3]

Fig. 1.7. Reprezentarea schematică a proceselor ce au loc în timpul coroziunii microbiologice

Coroziunea conductelor subterane pentru distribuția gazelor naturale

Coroziunea subterană este de natură electrochimică și afectează toate structurile îngropate, total sau parțial, fiind factorul determinant al mentenabilității și fiabilității conductelor metalice subterane de distribuție a gazelor naturale, expuse degradării, respectiv implicațiilor ce decurg din aceasta, scurgeri și infiltrații necontrolate de gaze, ceea ce reprezintă un risc deosebit de explozii și incendii, cu implicații sociale, economice și ecologice deosebite. [1]

Generalități

Complexitatea proceselor de coroziune subterană rezultă în primul rând din multitudinea rețelelor metalice subterane (gaze, apă, cabluri electrice, etc.), plasate în sol cu încărcare mineralogică și bacteriologică, rețele ce pot interacționa galvanic.

Un alt factor hotărâtor în evidențierea complexității acestei probleme îl reprezintă poluarea excesivă a solului, poluare atât chimică (scurgeri de ape reziduale, etc.) cât și electromagnetică (curenți de dispersie).

Solul conține o gamă foarte variată de compuși: apă în combinație cu oxigenul existent în sol, substanțe acide sau bazice dizolvate în apa din sol, soluții de săruri, ape reziduale, microorganisme care schimbă compoziția solului, etc.

Condițiile și factorii de favorizare și accelerare a coroziunii conductelor subterane sunt:

aerarea diferențială;

alternarea rocilor de natură diferită (argile, grohotișuri, etc.) cu permeabilități diferite pentru oxigen;

suprafețele mari acoperite de straturi impermeabile pentru oxigen (planșee din beton sau asfalt alternând cu sol afânat);

aciditatea solului și încărcarea bacteriologică a acestuia;

curenții de dispersie în curent continuu, produși de transportul urban în curent continuu (tramvai, metrou, etc.), respectiv de zonele puternic industrializate (instalații de producere a electrolizei, etc.);

curenții de dispersie în curent alternativ, în regim liniar sau deformant (nesinusoidal), produși de liniile de transport energie electrică de medie și înaltă tensiune (dezechilibre ale rețelei de transport energie electrică), acționările cu tiristoare, căile ferate electrificate, emițătorii radio, TV și GSM, etc. [7]

Coroziunea electrochimică a conductelor metalice subterane pentru distribuția gazelor naturale presupune desfășurarea a două reacții care au loc paralel și simultan: procesul anodic de oxidare (ionizare) a metalului și procesul catodic de reducere (depolarizare) a oxigenului.

Procesul anodic de oxidare (ionizare) a metalului este descris de următoarea reacție:

Procesul catodic de reducere (depolarizare) în sol (mediu neutru și aerat) are loc pe seama oxigenului, care în mediul umed decurge după următoarea reacție chimică:

Procesul global de coroziune în sol (mediu neutru, aerat și umed), este dat de ecuația (1.16), produșii de coroziune putând fii: oxidul de fier (III) sau oxidul feric (hematita) , sau oxi-hidroxidul feric .

Viteza de coroziune a conductelor metalice subterane pentru distribuția gazelor naturale, localizată în zona mai puțin aerată, se mărește odată cu creșterea potențialului de coroziune , efectul distructiv fiind cu atât mai puternic cu cât zona mai puțin aerată este mai redusă. [3]

Tipuri de procese corozive ce pot afecta conductele subterane

La conductele pentru distribuția gazelor naturale coroziunea este în general de natură electrochimică și mai puțin de natură chimică. Apa din sol include, pe lângă oxigen, o serie de săruri dizolvate care îi determină conductivitatea electrică și caracterul de electrolit. În timp, proprietățile apei din sol nu rămân aceleași. Toate modificările compoziției acesteia au o influență directă asupra agresivității apei. Scăderea conținutului în oxigen și în dioxid de carbon, de exemplu, reduce agresivitatea, în timp ce poluarea cu diverse substanțe solubile în apă, îi dau un caracter acid și îi măresc agresivitatea. [6]

În continuare sunt trecute în revistă principalele categorii de coroziune care afectează conductele metalice subterane pentru distribuția gazelor naturale.

Coroziunea galvanică

Coroziunea galvanică rezultă în urma contactului electric al conductei cu un alt material metalic ce posedă un potențial electrochimic diferit, conducta constituind anodul pilei galvanice ce se va forma. [6]

Coroziunea uniformă

Coroziunea uniformă reprezintă forma uzuală de manifestare exterioară și interioară a coroziunii și constă în degradarea cvasiconstantă a grosimii peretelui conductei, când zonele anodice și catodice sunt adiacente. [6]

Coroziunea prin aerare diferențială

Coroziunea prin aerare diferențială apare atunci când conducta prezintă regiuni cu umiditate ridicată și regiuni uscate sau cvasiuscate. Acest proces coroziv se întâlnește la conductele care traversează zone relativ accidentate de relief. [6]

Coroziunea în puncte

Coroziunea în puncte (pitting) este definită ca o formă localizată de degradare a materialelor metalice. După distrugerea peliculei de protecție a metalului, mediul agresiv atacă și provoacă degradarea rapidă a peretelui țevii metalice.

Un caz particular de coroziune, din păcate foarte des întâlnit la conductele subterane perforate, este cel al contactului cu un corp dur, cum este o piatră (fig. 1.8). [6]

Fig. 1.8. Coroziunea la contactul cu un corp dur (a) și efectul acesteia asupra conductei (b)

Coroziunea interstițială

Coroziunea interstițială (tip cavernă sau crevasă) afectează componentele metalice asamblate ce prezintă spații (interstiții) foarte înguste, cu adâncimi de ordinul mm și lățimi de ordinul µm, și care pot fi considerate spații aproape închise. Piesele asamblate afectate pot fi: îmbinările cu flanșe, îmbinările cu filet, etanșările, suporturile de susținere a conductelor aeriene, ghidajele pentru deplasarea conductelor în caz de dilatare-contracție, etc. [6]

Coroziunea fisurantă sub tensiune

Conductele confecționate din oțeluri carbon situate într-un mediu coroziv și supuse unor solicitări mecanice de întindere și/sau forfecare, prezintă un proces de coroziune aparte denumită coroziune fisurantă sub tensiune.

Potențialul electrochimic al oțelului se deplasează sub acțiunea solicitărilor de tracțiune către domeniul anodic. Această deplasare a potențialului poate atinge valori de 30 … 80 mV atunci când oțelul atinge limita de curgere.

Există o multitudine de factori care favorizează coroziunea fisurantă sub tensiune dintre care cei mai importanți sunt: structura metalografică eterogenă, tensiunile de întindere și/sau forfecare, calitatea suprafeței, conținutul în hidrogen generat prin electroliză, natura mediul de lucru, etc.

După o lungă perioadă de exploatare a conductelor metalice subterane, izolate cu bitum sau benzi adezive, la exteriorul acestora apar multiple fisuri, sub formă de colonii, în adiacența cordoanelor de sudură. [6]

Prin controlul defectoscopic cu ultrasunete aceste colonii de fisuri sunt identificate și evaluate. Chiar dacă la început se consideră că nu sunt importante, luând în considerare situarea acestor fisuri lângă cordoanele de sudură, la următoarea inspecție a conductei acestea trebuie evaluate din nou și se inițiază măsuri corective înainte ca fisurile să ajungă la mărimea critică.

Coroziunea în prezența hidrogenului sulfurat

Coroziunea în prezența hidrogenului sulfurat apare atunci când concentrația acestuia în gazele naturale vehiculate prin conductă este superioară valorii de . [6]

Coroziunea în condiții de deformare locală

Coroziunea în condiții de deformare locală a peretelui conductei poate fi provocată de:

cutarea conductei sub greutatea proprie în timpul lansării în șanț atunci când distanța dintre punctele de lansare este mare;

loviturile directe care determină apariția indentațiilor în zona de impact;

contactul chiar și pentru o scurtă perioadă de timp cu componentele active ale unor utilaje de construcții. [6]

Coroziunea microbiană

Coroziunea microbiologică este provocată de acțiunea bacteriilor ce trăiesc în apa inertă din sol. Aceste bacterii atacă indirect oțelul prin generarea unor produși agresivi. Coroziunea microbiană se poate desfășura cu sau fără oxigen. Unele bacterii, precum cele sulfooxidante, oxidează sulful generând acid sulfuric și micșorând astfel pH-ul apei. [6]

Coroziunea în condiții de oboseală

Solicitarea la oboseală a conductelor metalice subterane pentru distribuția gazelor naturale este provocată de vibrațiile generate de circulația rutieră. [6]

Impactul coroziunii asupra distribuției de gaze naturale

Datele statistice actuale dezvăluie că la nivel global există peste 70 000 km de conducte pentru transportul țițeiului și peste 1 000 000 km de conducte pentru transportul gazelor naturale.

Produsele petroliere sunt transportate la temperaturi foarte mari și sunt deosebit de agresive, determinând atât coroziunea interioară cât și cea exterioară a conductelor și provocând pagube mari. Coroziunea crește dacă împreună cu țițeiul se vehiculează și apă sărată, aceasta fiind un electrolit puternic.

Conductele corodate se pot sparge și provoacă pe de o parte pierderi mari de metal, iar pe de altă parte generează efecte negative profunde asupra mediului înconjurător, prin scurgerea țițeiului, gazelor naturale și a apei sărate.

Corodarea și spargerea conductelor pentru distribuția gazelor naturale pot provoca hazarduri uriașe datorită riscului de incendiu, explozie și intoxicație pe care îl generează, cu implicații sociale, economice și ecologice deosebite. Se aproximează că pierderile provocate de scurgerile de gaze din conducte sunt mai mari de 5 %. [3]

Având în vedere aceste considerente, problematica de combatere a coroziunii rețelelor metalice subterane de distribuție a gazelor naturale are o importanță deosebită.

PROTECȚIA ANTICOROZIVĂ A CONDUCTELOR PENTRU DISTRIBUȚIA GAZELOR NATURALE

Generalități

Unul dintre factorii deosebiți care contribuie la menținerea capacității portante a conductelor metalice subterane pentru distribuția gazelor naturale îl constituie protejarea anticorozivă eficientă a acestora care poate fi: pasivă (asigurată de învelișurile de protecție aplicate pe conducte) sau activă (asigurată de sistemele de protecție catodică). [2]

Protecția anticorozivă pasivă și cea activă constituie procedee complementare, neexcluzându-se între acestea. Protecția pasivă o constituie izolația anticorozivă ce separă materialul metalic al conductei de electrolitul agresiv, reprezentat de sol. Protecția activă o constituie totalitatea metodelor ce previn coroziunea prin folosirea unui curent electric.

Pe lângă cele două metode de protecție anticorozivă complementare, conductele metalice pentru distribuția gazelor naturale mai necesită aplicarea unor procedee conexe de protecție împotriva curenților de dispersie din sol generați de surse exterioare, sarcinilor electrostatice, descărcărilor atmosferice ce pot afecta zonele aeriene ale conductelor, curenților de protecție catodică ce pot afecta interiorul conductelor datorită naturii fluidului vehiculat, etc. [11]

Protecția anticorozivă pasivă

Principalele procedee de protecție anticorozivă pasivă exterioară a conductelor metalice subterane sunt următoarele:

acoperirea cu bitum de petrol sau gudron de cărbune, cu sau fără armătură din fibre de sticlă (filler), având la exterior un înveliș din hârtie sau benzi din materiale sintetice;

acoperirea prin pulverizare cu materiale sintetice;

izolarea prin înfășurarea la rece a țevilor grunduite sau nu, cu benzi adezive din petrolatum sau polimeri;

izolarea prin înfășurarea la cald a țevilor grunduite sau nu, cu benzi bituminoase;

izolarea prin înfășurare cu benzi termocontractabile sau prin tragerea de tuburi termocontractabile;

acoperirea prin extrudare cu polietilenă de înaltă densitate (realizată la fabricarea țevilor conductei);

acoperirea suplimentară cu beton.

Alegerea unuia dintre sistemele de protecție pasivă prezentate anterior se face luând în considerare următoarele date: posibilitățile de aplicare, mijloacele tehnice existente, costul aplicării protecției anticorozive, durata de asigurare a protecției, siguranța în exploatare a conductelor protejate, etc. [2]

Materialele destinate acoperirii exterioare a conductelor în vederea protejării anticorozive se stabilesc în funcție de următorii factori: caracteristicile constructiv-tehnologice ale tubulaturii, condițiile locale ale amplasamentului conductei, condițiile de vecinătate ale conductei (formarea de macropile galvanice, interferența cu alte structuri subterane protejate catodic), posibilitățile de acces la conductă; durabilitatea conductei și costul mentenanței acesteia, existența sistemelor de protecție catodică, etc.

Alegerea corectă a sistemului de protecție nu este suficientă dacă nu se acordă o atenție deosebită caracteristicilor materialelor de acoperire, tehnologiei de aplicare a acestora și controlului după aplicare, toate în strânsă legătură cu durata planificată de exploatare a conductei.

În general, calitățile care trebuie îndeplinite de acoperiri sunt următoarele: [2]

rezistență dielectrică înaltă, pentru a preveni circulația curentului din conductă în sol și invers, fără a forma un ecran pentru protecția catodică;

cerințe ușoare de aplicare, inclusiv în condiții de șantier, la temperaturi care să nu afecteze calitatea acoperirilor de fabrică existente (în funcție de condițiile speciale de aplicare, acoperirile pot fi încadrate în următoarele clase: clasa L – materiale ce pot lucra între – 20 … – 5 °C, clasa VL – materiale ce pot lucra la temperaturi mai mici de – 20 °C, și clasa UV – materiale rezistente la acțiunea razelor ultraviolete);

compatibilitate cu celelalte straturi care formează sistemul de protecție;

capacitate de udare ridicată, dacă materialele se aplică în stare lichidă, astfel încât să fie acoperite toate detaliile suprafețelor cu un strat uniform, fără defecte;

plasticitate bună și aderență ridicată la suprafața metalică a tubulaturii conductei;

rezistență la deteriorarea mecanică (conform EN 12068:1998, acoperirile se încadrează în următoarele clase: clasa A – acoperiri de slabă rezistență mecanică, clasa B – acoperiri cu rezistență mecanică medie, și clasa C – acoperiri cu rezistență mecanică ridicată);

rezistență la îmbătrânire, care se asigură de obicei prin lipsa componentelor care au tendință de dizolvare, polimerizare sau saponificare (în funcție de temperatura maximă de lucru, acoperirile sunt clasificate în următoarele clase: clasa A – materiale folosite până la temperatura de 30 °C, clasa B – materiale utilizate până la temperatura de 50 °C, și clasa HT – materiale ce pot lucra la temperaturi mai mari de 50 °C);

rezistență la atacul microorganismelor din sol;

permeabilitate scăzută pentru umiditate și oxigen;

stabilitate/neutralitate în prezența gazelor transportate, în cazul spargerii conductei;

stabilitate la aplicarea protecției catodice prin menținerea suficient de ridicată a rezistivității pe durata planificată de protecție.

Principalele tipuri de acoperiri anticorozive utilizate la conductele îngropate din oțel pentru distribuția gazelor naturale sunt trecute în revistă în cele ce urmează.

Acoperirea la cald pe bază de bitum

Acoperirile la cald pe bază de bitum de petrol sau gudron de cărbune, denumite conform SR 7335/3-97 sisteme AC, cuprind: un strat de grund specific materialului de izolare, materialul de izolare aplicat la cald, și înfășurarea exterioară cu bandă de protecție mecanică.

În funcție de condițiile de lucru și de agresivitatea solului, sistemele AC de izolare pot fi:

sisteme de tip N pentru soluri puțin agresive și cu o variație mică a umidității, compuse din următoarele elemente: un strat de grund, un strat de material de izolare, și opțional o înfășurare exterioară pentru protecția mecanică;

sisteme de tip R pentru soluri agresive, cu variații importante de umiditate pe durata unui an, compuse din următoarele elemente: un strat de grund, un strat de material de izolare, o înfășurare de armare, un al doilea strat de material de izolare, și o înfășurare exterioară pentru protecția mecanică;

sisteme de tip S pentru conducte ce lucrează la temperaturi mai mari de 50 °C, similare cu cele de tip R, cu deosebirea că atât grundul cât și materialul de izolare trebuie să aibă punctul de înmuiere mai mare de 100 °C.

La tipurile R și S de protecții, consolidarea stratului se face prin înfășurarea de benzi din pânză (STAS 1046-79) pentru temperaturi de lucru mai mici de 50 °C, sau din fibre de sticlă gudronate (STAS 7916-80) pentru temperaturi de până la 70 °C.

Conductele subterane plasate în soluri normale, puțin agresive, se acoperă mai întâi cu grund după care se aplică la cald un strat de bitum de 4 mm grosime. Aplicarea la cald a bitumului se face pe stratul de grund perfect uscat, iar înainte de răcire, pe stratul din bitum se poate înfășura cu presare o bandă textilă cu fibre de sticlă.

În solurile agresive, în care nu acționează curenții de dispersie, acoperirea cu bitum de 4 mm grosime este dublată de protecția catodică. Dacă nu se aplică sau nu este posibilă protecția catodică, grosimea stratului de bitum se va mări la 7 mm. În solurile puternic corozive sau cu o activitate intensă a microorganismelor, stratul de bitum se acoperă prin înfășurare cu benzi din policlorură de vinil (PVC) sau polietilenă (PE). [2]

Acoperirea la rece cu benzi izolante

Acoperirile la rece cu benzi izolante aparțin, conform SR 7335/3-97, sistemului AR, fiind compuse din următoarele elemente: grund sau adeziv specific benzii folosite, opțional mastic pentru netezirea suprafețelor, bandă înfășurată din material de izolare, și bandă înfășurată pentru protecția mecanică exterioară.

Acest sistem de protecții are avantajul asigurării unei productivități ridicate la aplicarea pe conducte în fir continuu, chiar în condiții de șantier. În același timp, izolarea mai bună conduce la dublarea duratei de protecție și la reducerea considerabilă a consumului de curent pentru protecția catodică. Capacitatea de protecție prin înfășurarea benzilor suprapuse parțial, este dependentă de felul cum se îmbină între ele spirele alăturate. Existența în zona de suprapunere a unor mici rosturi, ca urmare a strângerii insuficiente sau a lipsei adezivului, fac posibilă pătrunderea capilară a apei către conductă. [2]

Pentru realizarea acestor acoperiri se utilizează benzi din poli-izobutilenă, cauciuc butilic, PVC, polietilenă, polipropilenă, etc., care au grosimi de 1 … 4,5 mm și lățimi ce pot ajunge la 1 m. Principalele caracteristici care se au în vedere la alegerea materialului benzii sunt: rezistența la tracțiune, alungirea la rupere, alungirea remanentă, duritatea Shore (specifică materialelor plastice), rezistența la penetrația unui corp dur, flexibilitatea în intervalul – 20 … + 40 °C, capacitatea de absorbție a apei, rezistența la contactul cu produsele agresive din sol sau a celor provenite din conducta fisurată, rezistența la bacterii, rozătoare, rădăcini, etc. [2]

Acoperirea cu materiale termocontractabile

Acoperirile cu materiale termocontractabile aparțin, conform SR 7335/3-97, sistemului AC, fiind compuse din următoarele elemente: adeziv, material de izolare din material termocontractabil (folie, bandă sau tub), și opțional izolator exterior.

Izolația de tip N constă în aplicarea unei singure înfășurări suprapuse, iar izolația de tip R, constă din două înfășurări elicoidale dispuse în cruce. Sunt învelișuri realizate pe bază de materiale polimerice reticulate, care la încălzire directă (95 °C) se contractă cu până la 40 %, asigurând astfel strângerea și aderența pe țevile pe care sunt aplicate.

Termocontracția este un proces în care materialele polimerice trec din starea nereticulată, caracterizată prin lanțuri moleculare libere, nelegate, în starea reticulată, cu legături tridimensionale ale lanțurilor macromoleculare. Starea reticulată se poate obține prin metode chimice sau radiochimice.

Cele mai utilizate materiale termocontractabile (sub formă de tuburi sau benzi) sunt: PVC, etilenpropilena și, mai ales, polietilena de înaltă densitate reticulată prin iradiere. [2]

Acoperirea prin extrudare

Acoperirile prin extrudare se realizează în principal cu polietilenă de înaltă densitate, direct pe țevile preîncălzite, acoperite în prealabil cu grund epoxidic și adeziv copolimeric de tip etilen-butil-acrilat. Încălzirea țevilor se face prin inducție, până la 200 … 230 °C.

Pe țeava încălzită se proiectează pulbere de rășină epoxidică astfel încât grosimea acestui prim strat să fie de aproximativ 150 μm. Înainte ca stratul epoxidic să fie reticulat complet se extrudează succesiv un prim strat cu grosimea medie de 300 μm din etilen-butil-acrilat cu adaos de anhidridă maleică și un al doilea strat din polietilenă de înaltă densitate cu grosimea de 3 mm. Capetele țevii se curață mecanic pe o distanță de 100 … 150 mm.

Acest tip de protecție este recomandată pentru solurile foarte agresive, fiind mai economică pentru protecția țevilor de diametru mic. Creșterea protecției mecanice se obține prin încorporarea în masa de polietilenă a fibrelor de sticlă scurte.

În starea inițială a acoperirii, polietilena extrudată are o rezistență de izolație de 1011 , față de 107 a izolației din bitum de petrol. Datorită îmbătrânirii în sol, rezistența de izolație scade la polietilenă până la 108 , iar la bitum până la 106 , această scădere fiind mai mare la straturile subțiri. [2]

Acoperirea prin pulverizare de materiale polimerice

Acoperirile prin pulverizare de materiale polimerice se realizează în condiții uzinale, la fabricarea conductelor, prin proiectarea unui jet de granule fine din material plastic pe țeava încălzită la 300 … 350 °C. Materialul pulverulent folosit în mod obișnuit este polietilena de înaltă densitate. Pe suprafața metalică pregătită și încălzită, aflată în mișcare lentă de rotație, se formează un prim strat, extrem de subțire, de polietilenă oxidată, care asigură o bună aderență a straturilor succesive care se depun ulterior pentru a forma acoperirea compactă de protecție. Se pot aplica prin pulverizare și materiale polimerice duroplastice sau termorigide, cum ar fi: rășinile epoxidice, poliuretanul sau amestecul poliuretan-gudron. [2]

Acoperirea suplimentară cu beton

Acoperirea suplimentară cu beton se aplică parțial sau complet atunci când se impune lestarea conductei pentru a nu fi ridicată de forța hidrostatică a pânzei freatice sau protecția mecanică a conductelor ce traversează albiile râurilor. Este alcătuită din următoarele elemente: strat de grund sau vopsea pe suprafața curată, izolația termică cu poliuretan, strat impermeabil din polietilenă, și strat exterior de beton rezistent la apă curgătoare sau apă de mare cu grosimea de 25 … 100 mm. [3]

Protecția anticorozivă activă

Protecția anticorozivă activă a conductelor pentru distribuția gazelor naturale este de tip protecție catodică și este unul dintre mijloacele importante de reducere a vitezei coroziunilor generale sau celor localizate. Viteza de coroziune în condițiile aplicării corecte a protecției catodice este de ordinul 0,01 mm/an, iar când protecția catodică este insuficientă, depășește 0,3 mm/an și poate atinge 1,2 mm/an când se află sub acțiunea curenților de dispersie. [2]

Fig. 2.1. Evoluția vitezei de coroziune în funcție de condițiile la care este supusă conducta

Protecția anticorozivă electrochimică constă în reducerea vitezei de coroziune prin modificarea potențialului electrochimic al metalului în condițiile date prin polarizare.

Conform diagramei de polarizare relevată în fig. 1.5, metalele pot fi protejate prin:

protecție catodică (aducerea potențialului metalului în domeniul de imunitate când coroziunea este imposibilă din punct de vedere termodinamic: );

protecție anodică (aducerea potențialului metalului în domeniul de pasivitate când coroziunea este frânată cinetic de produșii de coroziune: , unde se numește potențial de pasivare și îndeplinește condiția ). [3]

Fig. 2.2. Clasificarea metodelor de protecție anticorozivă activă (electrochimică)

Se deosebesc două sisteme pentru protecția catodică a conductelor metalice îngropate:

sistemul cu anozi galvanici (protectori/de sacrificiu/reactivi) atașați conductei;

sistemul cu sursă exterioară de curent (cu injecție de curent/cu stație de curent).

Potențialele electrochmice ale conductelor subterane din oțel se măsoară cu ajutorul electrodului nepolarizabil Cu/CuSO4, valorile potențialelor fiind calculate în raport cu acest electrod. Prin măsurarea potențialului natural conductă-sol pe toată lungimea conductei se obține o diagramă de potențial, aceasta reprezentând o metodă de verificare simplă a stării izolației conductei. Potențialul se măsoară în toate punctele accesibile de la suprafața solului și conectate la materialul tubular al conductei, cum ar fi: prizele de potențial, părțile componente aeriene ale conductei (refulatoare, robinete, separatoare de lichide, traversări aeriene de obstacole, etc.), etc.

Potențialul conductei trebuie măsurat în următoarele regimuri de funcționare a sistemului de protecție catodică:

regimul ON (toate stațiile de protecție catodică amplasate pe traseul conductei sunt pornite);

regimul OFF (toate stațiile de protecție catodică amplasate pe traseul conductei sunt oprite).

Potențialul OFF al conductei metalice subterane trebuie să aibă următoarele valori:

în soluri fără bacterii sulforeducătoare: – 850 … – 1 200 mV;

în soluri abundente în bacterii sulforeducătoare: – 900 … – 1 100 mV. [12]

Aplicarea protecției catodice la o conductă mai veche trebuie efectuată având la bază niște rapoarte de evaluare a stării tehnice a izolației și a materialului tubular.

La conductele care nu sunt protejate catodic și posedă un potențial natural conductă-sol mai pozitiv decât – 550 mV, trebuie aplicată cu prioritate protecția catodică.

Aplicarea protecției catodice necesită asigurarea continuității electrice pe întregul traseu al conductei îngropate de protejat, îmbinările demontabile de pe traseul conductei fiind prevăzute cu cabluri de ocolire izolate după cum urmează:

un cablu cu secțiunea de cel puțin 10 mm2 pentru conducta cu DN ≤ 200 mm;

două cabluri cu secțiunea de cel puțin 10 mm2 pentru conducta cu DN > 200 mm.

În timpul aplicării protecției catodice cu injecție de curent, potențialul OFF al conductei în orice punct nu trebuie să fie mai mare de – 1 200 mV.

Instalarea sistemului de protecție catodică cu sursă exterioară de curent (stație) nu trebuie să modifice cu mai mult de 100 mV potențialul conductelor adiacente sau al oricărei structuri metalice subterane din vecinătate.

În timpul verificării periodice a stării protecției catodice se fac măsurători ale potențialului conductei de distribuție gaze naturale, precum și a potențialelor structurilor și conductelor metalice din vecinătate. O asemenea verificare permite identificarea sursei de influențare și evaluarea riscului de coroziune. Neutralizarea curentului de influență prin drenare trebuie efectuată în maximum 3 luni de la identificarea acestuia. [12]

Protecția catodică cu anozi galvanici

Protecția catodică cu anozi galvanici se face prin conectarea electrică directă a conductei de protejat cu un anumit număr de anozi confecționați dintr-un material cu potențial mult mai electronegativ decât cel al conductei pentru distribuția gazelor naturale de protejat (fig. 2.3).

Prin scurtcircuitare între cele două metale se creează un element galvanic, metalul mai electronegativ devenind anod și se dizolvă (consumă), iar conducta de protejat devine catod. Circuitul între anod și catod se realizează prin solul cu conductibilitate mare (rezistivitate mică).

Fig. 2.3. Reprezentarea schematică a protecției catodice cu anozi galvanici

Condițiile pentru aplicarea eficientă a acestui sistem sunt următoarele:

alegerea corectă a materialului anodic;

polarizarea conductei până la un potențial suficient de negativ;

calcularea masei anozilor pentru o protecție îndelungată.

Pentru protejarea conductelor metalice subterane pentru distribuția gazelor naturale se folosesc anozi confecționați din zinc (Zn), magneziu (Mg) sau aluminiu (Al).

De obicei în jurul anozilor se introduce un strat cu conductivitate mare, numit backfill și format din: 50 % argilă, 25 % ghips (CaSO4·2H2O) și 25 % sulfat de sodiu (Na2SO4). [3]

În funcție de material, potențialul anozilor de sacrificiu măsurat față de electrodul nepolarizabil Cu/CuSO4 variază între – 1 100 … – 1 700 mV.

Numărul, materialul, construcția și amplasamentul anozilor de protecție trebuie să asigure un potențial de – 850 mV pentru conducta protejată.

Rezistivitatea solului în care se amplasează anozii din zinc trebuie să fie mai mică de 20 , iar pentru anozii din magneziu, mai mică de 60 .

Rezistența de dispersie anozilor galvanici trebuie să fie de cel mult 10 Ω. [12]

Protecția catodică cu injecție de curent

Protecția catodică cu injecție de curent (stație) se folosește la conductele metalice îngropate acoperite cu materiale adezive electroizolante. [12]

Conform reacțiilor de oxidare (anodică) și de reducere (catodică), atunci când potențialul metalului (anod) este deplasat prin polarizare catodică în direcție negativă, mai mulți electroni sunt disponibili pentru ambele reacții.

Astfel, în conformitate cu legea acțiunii maselor, o cantitate mai mare de electroni micșorează viteza reacției de oxidare (crește viteza reacției de reducere) și astfel se reduce și viteza de coroziune , ceea ce înseamnă că metalul este protejat catodic.

Criteriul teoretic al protecției catodice constă în polarizarea metalului la un potențial mai mic decât potențialul lui de echilibru în condițiile date: .

Protecția catodică cu sursă exterioară de curent se realizează prin conectarea conductei de protejat la polul negativ al unei surse de curent continuu (stație de protecție catodică), concomitent cu introducerea în același mediu a unui anod sau anozi (priză anodică) legați la polul pozitiv al sursei de curent (fig. 2.4). De-a lungul unei conducte se pot monta mai multe stații de protecție catodică iar distanța dintre acestea se calculează astfel încât fiecare tronson de conductă să primească un potențial minim de protecție (fig. 2.5).

Suprapolarizarea catodică (depășirea valorilor lui ) produce degajare de hidrogen (H2) care deteriorează izolația și fragilizează oțelul.

Anozii folosiți la acest tip de protecție catodică pot fi confecționați din: materiale active (oțel carbon, aluminiu, etc.), materiale pasive (aliaje Fe-Si, Pb-Sb, etc.) sau inerte (grafit, platină pe titan, etc.). [3]

Prizele anodice folosite la acest tip de protecție pot fi: priză de suprafață orizontală, priză de suprafață verticală sau priză verticală de adâncime (forată). [11]

Fig. 2.4. Reprezentarea schematică a protecției catodice cu injecție de curent (stație):

1 – cablu catodic (–); 2 – sursa de curent continuu (stația de protecție catodică); 3 – cablu anodic (+); 4 – anod; 5 – conducta de protejat; 6 – punct de drenaj; 7 – izolația conductei.

Condițiile pentru aplicarea eficientă a acestui sistem de protecție sunt următoarele:

în jurul conductei să fie un mediu conductibil (sol umed, soluție de electrolit, etc.);

prezența în sol a unor anozi plasați la o distanță care să permită închiderea circuitului prin stratul conductibil până la conductă;

suprafața conductei să fie izolată de mediu prin acoperiri protectoare. [3]

Stația de protecție catodică (SPC) cu reglaj manual este alcătuită din:

transformator de curent;

redresor, acesta putând fi:

cu reglare manuală a curentului de injecție (cu diode);

cu reglare automată a curentului de injecție (cu tiristori);

priză anodică cu unul sau mai mulți anozi;

priză de împământare în vederea protecției cabinei stației precum și a altor elemente metalice interioare;

bloc de măsură și protecție/control (BMP);

priză de potențial (post de măsurare a potențialului);

cabluri de legătură.

Stația de protecție catodică cu reglaj automat și monitorizată de la distanță, cuprinde în plus următoarele elemente:

electrod permanent de referință nepolarizabil Cu/CuSO4, situat în vecinătatea conductei și care trebuie verificat în fiecare an;

întrerupător ciclic sincronizat prin satelit, situat pe cablul ce face conexiunea cu conducta și controlat de la distanță pentru măsurarea potențialului ON și OFF;

unitate RTU de teletransmisie și telecontrol a parametrilor funcționali și de notificare a funcționării stației în regim de avarie sau a scoaterii din funcțiune. [12]

Fig. 2.5. Variația potențialului de protecție de-a lungul unei conducte

Transformatorul stațiilor de protecție catodică este prevăzut pe secundar cu multiple prize de tensiune pentru alimentarea redresorului. Protecția acestuia este asigurată printr-un dispozitiv de protecție la supratensiune (descărcător) precum și prin siguranțe inerte sau lente.

Redresorul stațiilor de protecție catodică se alimentează de la transformatorul care reduce tensiunea. La bornele de ieșire ale blocului redresor, tensiunea curentului continuu are valori cuprinse între 0 … 40 V. Borna negativă aferentă redresorului este conectată direct pe suprafața metalică a conductei de protejat, în timp ce borna pozitivă este legată la priza anodică.

Aparatele de măsură și control a potențialului conductei sunt situate pe panoul rabatabil al cabinei stației de protecție catodică și sunt specifice categoriei stației (manuală sau automată). Aceste aparate se instalează în cabina metalică, protejată împotriva degradării prin vopsire, iar ușa este prevăzută cu un sistem de blocare cu încuietoare. Intrările și ieșirile cablurilor sunt situate la partea inferioară a stației și sunt prevăzute cu presetupe electroizolante. Pe interiorul ușii este recomandat să fie vizibilă schema bloc a stației de protecție catodică. Cablurile de alimentare cu energie electrică a stației de protecție catodică se montează subteran.

Pe lângă anozii din aliaj Fe-Si, pentru o anumită perioadă de timp se pot utiliza anozi confecționați din deșeuri de oțel carbon sau slab aliat (prăjini de foraj, șine de cale ferată, etc.). Toți anozii trebuie să fie plasați într-un pat de cocs fărâmițat. [12]

În funcție de densitatea de curent suportată de materialul anodului și de necesarul de curent pentru protecția conductei, priza anodică poate fi alcătuită dintr-un anod sau o grupare de anozi. Rezistența de dispersie aferentă prizei anodice trebuie să nu depășească 1 Ω. La amplasarea prizei anodice trebuie respectate distanțele de siguranță (securitate) față de dispozitivele de legare la pământ a instalațiilor de tensiune înaltă, și evaluată influența prizei anodice față de alte conducte sau structuri metalice îngropate.

Cablurile de legătură între redresorul stației, priza anodică și conducta metalică îngropată, trebuie să fie izolate și să posede o secțiune de cel puțin 16 mm2.

Prizele de potențial (fig. 2.6) amplasate pe traseul conductei au cablurile sudate sau lipite pe suprafața metalică a conductei și asigură măsurarea potențialelor și evaluarea eficacității protecției catodice. Acestea trebuie să fie amplasate: [12]

la distanțe de 500 … 1 000 m de-a lungul traseului conductei;

la intersectarea conductei cu alte conducte sau structuri metalice îngropate;

înainte și după traversările subterane și supraterane ale conductei;

la tuburile de protecție protejate catodic;

înainte și după îmbinările electroizolante;

în vecinătatea stației de protecție catodică, având conexiuni cu priza anodică și conducta protejată catodic;

după fiecare al treilea nod galvanic;

în zone critice ale reliefului.

Priza de punere la pământ aferentă stației de protecție catodică are scopul de a preveni punerea în pericol a personalului de deservire și distrugerea echipamentelor electrice ca urmare a apariției unui defect de izolație.

Fig. 2.6. Priză de potențial (a) și blocul de contacte aferent acesteia (b)

Electrozii aferenți prizei de împământare sunt confecționați din țevi și platbande de oțel zincat sau din anozi galvanici speciali. Rezistența de dispersie a prizei de punere la pământ trebuie să nu depășească 4 Ω.

Dispozitivele de protecție cu eclator sunt elemente componente ale sistemului de protecție împotriva trăsnetului aferent stațiilor de protecție catodică și conductelor aeriene.

În cazul prezenței curenților de dispersie se pot monta dispozitive de drenare în zonele cu intensitate anodică foarte ridicată. [12]

Criteriul teoretic al protecției catodice cere ca materialul tubular al conductei să fie polarizat la un potențial mai mic sau cel puțin egal cu valoarea potențialului de echilibru dintre acesta și solul în care este îngropat.

Protecția catodică cu stație de curent (fig. 2.7, a) constă în legarea conductei de protejat la polul negativ al unei surse de curent, concomitent cu introducerea în același mediu a unui anod legat la polul pozitiv al sursei. Polul pozitiv al sursei de curent este legat de o priză anodică specială (fig. 2.7, b), introdusă în pământ, în apropierea conductei protejate. Curentul care se scurge de la priza anodică în sol se răspândește și ajunge pe conducta protejată, polarizând-o catodic până la potențialul de protecție, după care este colectat în punctul de drenaj, de unde, printr-un conductor special, este dirijat spre polul negativ al sursei de curent. Potențialul pe care-l capătă conducta trebuie să fie cât mai omogen repartizat pe ansamblul conductei.

Pentru un pH al electrolitului (mediului în care este amplasată conducta) cuprins între 4 și 9, oțelul are un potențial electrochimic de – 550 … – 600 mV și se admite drept criteriu de protecție catodică asigurarea unui potențial sub valoarea de – 850 mV, măsurat în raport cu electrodul nepolarizabil Cu/CuSO4.

Aspectele tehnice pe care le ridică realizarea unei protecții catodice eficiente cu sursă de curent externă, sunt următoarele:

potențialul de protecție, care reprezintă valoarea la care procesul de coroziune încetează, adică potențialul de echilibru al metalului în condițiile date (criteriul teoretic al protecției catodice cere ca materialul tubular al conductei sa fie polarizat la un potențial mai mic sau cel puțin egal cu valoarea potențialului de echilibru dintre acesta și solul în care este îngropat, în timp ce criteriul practic admite ca potențial de protecție acea valoare la care coroziunea metalului devine nesemnificativă);

densitatea de curent, care reprezintă intensitatea de curent necesară pentru atingerea potențialului de protecție (densitățile de curent care trebuie asigurate în mod obișnuit pentru protecția catodică a conductelor îngropate din oțel sunt dependente de caracteristicile de agresivitate ale mediul în care este amplasată conducta și de caracteristicile acoperirilor de protecție anticorozivă pasivă folosite);

sistemul de protecție anticorozivă pasivă a conductei;

caracteristicile anozilor, care pot fi confecționați din materiale active (oțel carbon, Al, etc.), pasive (aliaje fero-siliciu, plumb-stibiu, etc.) sau inerte (grafit, platină pe suport de titan (Ti), tantal (Ta) sau niobiu (Nb), etc.). [2]

Fig. 2.7. Stație de protecție catodică (a) și priza anodică aferentă acesteia (b)

STUDIU DE CAZ: ALEGEREA UNUI SISTEM DE PROTECȚIE CATODICĂ PENTRU O REȚEA DE DISTRIBUȚIE GAZE NATURALE

Necesitatea și oportunitatea implementării protecției catodice

În conformitate cu Normele tehnice pentru proiectarea, executarea și exploatarea sistemelor de alimentare cu gaze naturale din 2018 și standardul specific pentru protecția catodică, SR EN 12954:2019, protecția catodică se aplică tuturor rețelelor subterane de gaze naturale din oțel în vederea prevenirii degradării prin coroziune a conductelor, în scopul evitării scurgerilor necontrolate de gaze.

Efectele aplicării protecției catodice sunt următoarele: asigurarea unei mentenabilități și fiabilități sporite a rețelelor de distribuție gaze naturale din oțel, creșterea siguranței în exploatare prin reducerea defectelor de coroziune, reducerea costurilor de exploatare, și implicit creșterea duratei de viață a conductelor.

În cazul prezenței curenților de dispersie (vagabonzi), în curent continuu sau alternativ, proveniți de la sisteme de tracțiune în curent continuu, instalații industriale, respectiv de la rețelele de transport și distribuție a energiei electrice (poluare electromagnetică), se implementează sisteme complexe de protecție catodică, care au ca scop nu numai reducerea coroziunii naturale a conductelor metalice dar și a factorilor industriali acceleratori de coroziune (curenți de dispersie). [3]

În momentul actual sistemele pentru distribuția gazelor naturale au în jur de 1 000 de stații pentru protecția catodică. Durata de viață pentru conductele protejate catodic este de aproximativ două ori mai mare, 40 … 60 ani, decât cea a conductelor fără protecție catodică. În jur de 95 % din conductele și branșamentele (racordurile) aflate în exploatare de operatorii sistemelor de distribuție gaze naturale au protecție catodică. [9]

Aplicarea eficientă a protecției catodice implică realizarea criteriului de protecție catodică, respectiv deplasarea potențialului natural conductă-sol înspre valori mai negative situate în domeniul de imunitate a oțelului (– 850 … – 1 200 mV față de electrodul de referință Cu/CuSO4). Deplasarea potențialului se obține prin injectarea unui curent catodic în conductă, injectare care se poate realiza prin două metode: sistemul cu sursă exterioară de curent, sau sistemul cu anozi de sacrificiu (reactivi). În funcție de particularitățile tehnice ale rețelei și ținând cont de criteriul eficienței economice, se alege una dintre metodele amintite mai sus.

Având în vedere strategia companiilor pentru distribuția gazelor naturale privind protecția anticorozivă activă a rețelelor de gaze naturale din oțel, care se aplică atât conductelor noi, cât și conductelor mai vechi, care merită protejate și sunt într-o stare tehnică bună, este necesară și oportună aplicarea soluțiilor de protecție catodică pentru rețelele de distribuție gaze naturale din oțel.

Caracteristicile tehnice ale rețelei de distribuție de protejat

Caracteristicile tehnice ale rețelei din oțel pentru distribuția gazelor naturale, căreia i se dorește aplicarea unui sistem de protecție catodică, sunt sintetizate în tabelul 3.1.

Tabelul 3.1. Caracteristicile tehnice aferente rețelei de gaze naturale de protejat

Repartiția lungimii conductelor în funcție de anul pozării este relevată în fig. 3.1.

Fig. 3.1. Repartiția lungimii conductelor în funcție de anul pozării

În urma măsurătorilor în teren s-au obținut următoarele valori pentru parametrii fizico-chimici și electrici, precum rezistivitatea solului (ρ) și potențialul natural conductă-sol (ε), măsurat față de electrodul de referință nepolarizabil Cu/CuSO4:

;

.

Rețeaua de distribuție gaze naturale din oțel care se studiază în vederea aplicării unui sistem de protecție catodică este foarte complexă, fiind alcătuită dintr-o varietate de elemente componente și întinzându-se pe mai multe străzi (tabelul 3.2).

Tabelul 3.2. Tabel de sinteză cu principalele elemente tehnice aferente rețelei de protejat

Având în vedere valoarea rezistivității solului și datele din tabelul 3.3, rezultă că solul în care este amplasată rețeaua de distribuție de protejat are o agresivitate medie.

Tabelul 3.3. Agresivitatea solului în funcție de valoarea rezistivității acestuia [7]

Diametrul mediu aferent fiecărui tronson specificat în tabelul 3.2 este unul ponderat fiind calculat cu următoarea formulă:

unde: reprezintă diametrul unui tronson de pe o stradă ;

– lungimea tronsonului de pe o stradă ;

– lungimea totală a rețelei de protejat ; .

Diametrul mediu ponderat final al rețelei de protejat se obține prin adunarea tuturor diametrelor medii aferente fiecărui tronson și are valoarea dată de relația (3.2):

Suprafața materialului tubular aferent fiecărui tronson de conductă s-a calculat cu relația:

Analiza tehnico-economică privind alegerea sistemului de protecție

Selecția tipului de sistem de protecție catodică pentru rețeaua de distribuție gaze naturale de protejat, cu anozi protectori sau cu sursă externă de curent (stație de protecție catodică), se face ținând cont de o analiză tehnico-economică riguroasă.

Analiza tehnico-economică se face având la bază următoarele criterii fundamentale: [11]

durata de viață a sistemului de protecție catodică (sistemul de protecție cu anozi de sacrificiu are o perioadă scurtă de viață (5 … 7 ani), iar sistemul de protecție catodică cu stație de curent are o perioadă mai mare de viață, de până la 30 ani);

curentul de protecție necesar (rețelele cu lungime mare sau mai multe conducte scurte aflate în aceeași arie necesită un curent de protecție ridicat care nu poate fi generat de un sistem de protecție cu anozi galvanici);

rezistivitatea solului (anozii galvanici prezintă o eficiență scăzută în solurile cu rezistivitatea mai mare de 100 , având o capacitate de curent scăzută);

starea izolației rețelei de protejat (aceasta fiind evaluată printr-o investigație DCVG);

prezența surselor de alimentare cu energie electrică (sistemul de protecție catodică cu injecție de curent necesită o sursă de alimentare cu energie electrică);

prezența curenților de dispersie sau vagabonzi (în caz de prezență a curenților vagabonzi, în curent continuu sau alternativ, se va folosi obligatoriu un sistem de protecție catodică cu sursă exterioară de curent);

prezența altor sisteme de protecție catodică aferente conductelor din adiacență poate avea efecte negative asupra rețelei de distribuție gaze naturale de protejat;

criteriul economic (dacă sunt îndeplinite criteriile tehnice se va aplica sistemul de protecție care respectă și criteriul economic referitor inclusiv la costurile pentru mentenanța sistemului de protecție catodică analizat).

Rețelele cu diametre și lungimi scăzute montate în soluri fără curenți de dispersie sau alte sisteme de protecție catodică cu injecție de curent se pot proteja cu anozi galvanici de sacrificiu, în timp ce rețelele cu lungime mare și/sau cu diametre mari se protejează cu stație de protecție catodică. [11]

Criteriile de analiză tehnico-economică privind alegerea unui sistem de protecție catodică pentru o rețea de distribuție gaze naturale sunt sintetizate în tabelul 3.4.

Tabelul 3.4. Comparație tehnico-economică între sistemele de protecție catodică

Având în vedere criteriile relevate în tabelul 3.4 și caracteristicile tehnice ale rețelei de distribuție de protejat, se alege pentru această rețea un sistem de protecție catodică cu sursă exterioară de curent, întrucât suprafața rețelei este mare (5 588 m2) iar raportul preț-suprafață protejată este unul foarte avantajos pentru acest tip de protecție catodică.

Un pas important în alegerea sistemului de protecție catodică pentru rețeaua de distribuție a gazelor naturale a fost făcut. Mai rămâne să se stabilească tipul prizei anodice pentru sistemul de protecție catodică cu injecție de curent (stație): de suprafață sau de adâncime (forată).

Pentru acest lucru trebuie făcută o comparație tehnică cu avantaje și dezavantaje, precum și o analiză economică, sintetizată în tabelul 3.5.

Avantajele prizei anodice de suprafață sunt următoarele: [11]

se poate realiza verificarea fiecărui anod în parte, iar atunci când se constată anumite defecte, anodul poate fi înlocuit;

costurile cu execuția acesteia sunt scăzute.

Dezavantajele prizei anodice de suprafață sunt următoarele:

este necesară o suprafață de amplasare mare;

prezența altor instalații metalice în vecinătate poate genera curenți vagabonzi care să o afecteze în mod negativ;

datorită adâncimii de îngropare reduse a anozilor există o variație relativ mare a umidității solului în funcție de anotimp, cu efecte asupra funcționării prizei anodice.

Avantajele prizei anodice de adâncime sunt următoarele:

este necesară o suprafață de amplasare mică;

prezența altor instalații metalice în vecinătate nu poate genera curenți vagabonzi care să o afecteze în mod negativ;

datorită adâncimii de îngropare mare, stratul de apă de deasupra prizei anodice îi asigură o umiditate permanentă și o funcționare eficientă.

Dezavantajele prizei anodice de adâncime sunt următoarele: [11]

nu se poate realiza înlocuirea unui anod defect;

costurile cu execuția acesteia sunt ridicate.

Tabelul 3.5. Analiză economică între sistemul de protecție catodică

cu priză anodică de suprafață și cel cu priză anodică verticală de adâncime [10]

Se observă că sistemul de protecție catodică cu priză anodică verticală de adâncime (forată) este mai scump cu aproximativ 15 % decât sistemul de protecție catodică cu priză anodică de suprafață orizontală.

În urma analizei tehnico-economice privind alegerea unui sistem de protecție catodică pentru rețeaua de distribuție gaze naturale de protejat a rezultat că cea mai optimă metodă este cea cu sursă exterioară de curent (stație de protecție catodică) cu priză anodică de suprafață.

Pregătirea rețelei de distribuție pentru aplicarea protecției catodice

Măsurile de pregătire a rețelei pentru aplicarea protecției catodice constau în separarea electrică a acesteia față de alte rețele metalice neprotejate și de punerile la pământ accidentale.

Pentru acest lucru sunt necesare următoarele operațiuni: [8]

convertirea flanșelor și vanelor;

montarea de covoare de cauciuc sub conductele aparente;

refacerea izolației conductelor și branșamentelor la tranziția subteran-suprateran.

Montarea îmbinărilor electroizolante monobloc sau cu flanșe, ca și a niplurilor electroizolante, au ca rol separarea electrică a rețelelor protejate de cele care nu sunt protejate catodic, precum și de instalațiile de utilizare. Această separare se realizează conform normelor tehnice în vigoare: SR EN 12954:2019 și STAS 7335/7-1985. Montarea îmbinărilor electroizolante se poate face subteran sau aparent. În cazul montării subterane a îmbinărilor electroizolante, fără cămin de vizitare, acestea se vor conecta la un post de măsură a potențialului (priză de potențial), în care se vor scurtcircuita cele două contacte la conductă: de o parte și de alta a îmbinării electroizolante. În vederea separării electrice a instalațiilor de utilizare de rețeaua de distribuție gaze naturale care se protejează este necesară montarea de nipluri electroizolante la fiecare branșament.

Separarea electrică a conductele aparente față de suporții de susținere se realizează prin montarea de manșoane de cauciuc cu grosimea de 4 mm, cu inserție textilă, și totodată luându-se măsuri împotriva stagnării apei între manșonul de cauciuc și conductă.

Refacerea izolației la tranziția subteran-suprateran, la conductele și branșamentele cu izolația deteriorată, se face pe o lungime de 0,6 m subteran și 0,3 m suprateran. [8]

Dimensionarea sistemului de protecție catodică

Sistemul de protecție catodică cu injecție de curent ales pentru rețeaua de distribuție gaze naturale de protejat este compus din următoarele elemente (fig. 3.2):

racord electric cu bloc de măsură și protecție/control (BMP);

sistem transformator-redresor (stație de protecție catodică);

priză anodică orizontală de suprafață cu anozi din fontă silicioasă (Fe-Si);

circuit anodic (legătura stației cu priza anodică);

circuit catodic (legătura stației cu conducta de protejat);

electrod de referință permanent Cu/CuSO4;

prize de potențial (posturi de măsurare a potențialului conductă-sol);

întrerupător ciclic sincronizat prin satelit;

unitate terminală comandată de la distanță RTU (Remote Terminal Unit) pentru telecontrolul și teletransmisia prin modem GSM/GPRS a parametrilor funcționali.

Fig. 3.2. Schema bloc aferentă sistemului de protecție catodică cu injecție de curent: [9]

1 – contor monofazat de energie electrică; 2 – priză măsurare tensiune de alimentare;

3 – cablu de Cu tip CYY 2×2,5 mm2; 4 – electrod de referință permanent Cu/CuSO4; 5 – sistemul transformator-redresor; 6 – priză măsurare tensiune redresată; 7 – priză măsurare intensitate curent de protecție; 8 – conductor de punere la pământ; 9 – întrerupător ciclic sincronizat prin satelit; 10 – cablu catodic de legătură cu conducta metalică subterană; 11 – cablu anodic de legătură cu priza anodică; 12 – priză de potențial (post de măsurare potențial).

Concepția și proiectarea echipamentelor aferente sistemului de protecție catodică presupune parcurgerea următoarelor etape:

stabilirea izolației conductelor;

dimensionarea sursei de curent:

determinarea curentului maxim debitat;

determinarea tensiunii la borne;

concepția și dimensionarea anodului de injecție:

alegerea materialului și calculul masei active;

calculul rezistenței de dispersie, amplasarea și pozarea anozilor, a cablurilor de legătură și a redresoarelor;

determinarea numărului de locații și de anozi;

stabilirea geometriei anozilor;

dimensionarea cablurilor de legătură. [8]

Având în vedere faptul că rețeaua de protejat are o configurație complexă fiind pozată în perioade diferite de ani, diamtrele și lungimile sunt variate, iar starea izolației conductelor este satisfăcătoare spre bună, conform STAS 7335-11/200, luăm în considerare o densitate de curent de protecție cuprinsă între 0,5 … 2 mA/m2, în funcție de starea izolației conductelor.

Pentru rețeaua de protejat prezentată în acest studiu de caz se alege o densitate de curent de protecție .

Numărul stațiilor de protecție catodică se calculează ținând cont de următoarele criterii:

este necesară o rezervă de curent și tensiune de 100 % pentru fiecare stație;

lungimea rețelei protejate cu o stație în zone urbane este de 10 km, iar în zone rurale de 20 km.

Rezistența de dispersie a prizei anodice trebuie să fie mai mică de 1 Ω. [8]

Determinarea curentului de protecție

Necesarul de curent de protecție se determină cu următoarea relație:

Curentul maxim de protecție (de calcul) se obține cu ajutorul formulei (3.5):

unde: reprezintă necesarul de curent de protecție ;

– densitatea de curent de protecție ;

– suprafața totală a rețelei de distribuție gaze naturale de protejat ;

– curentul maxim de protecție ;

– coeficient de siguranță (k = 1 … 4).

Se alege un coeficient de siguranță k = 2, acesta fiind dat de starea izolației conductelor și terenul în care acestea sunt amplasate. [8]

În urma calculului se obțin următoarele valori pentru necesarul de curent de protecție și curentul maxim de protecție:

Dimensionarea prizei anodice

Având în vedere valoarea rezistivității solului și existența spațiului public, se alege soluția construcției unei prize anodice de suprafață orizontale compusă din anozi de fontă silicioasă (Fe-Si).

Masa prizei anodice se calculează pe baza duratei de viață a acesteia (de obicei 30 ani) și în funcție de curentul maxim de protecție , cu următoarea relație de calcul: [8]

unde: reprezintă masa prizei anodice ;

– rata de consum a anodului ; ;

– durata de exploatare a prizei anodice ; ;

– constantă electrochimică aferentă anodului de fontă silicioasă; ;

– factor de utilizare priză anodică; .

După înlocuire se obține următoarea valoare pentru masa prizei anodice:

Numărul de anozi de fontă silicioasă necesari este dat de relația (3.10):

unde: reprezintă numărul de anozi de injecție;

– masa unui anod de injecție ; .

După înlocuire se obține următoarea valoare pentru numărul anozilor necesari:

Priza anodică orizontală de suprafață aferentă sistemului de protecție catodică necesită un număr de 12 anozi de Fe-Si și va avea o masă totală .

Lungimea prizei anodice orizontale se determină cu următoarea formulă: [8]

unde: reprezintă lungimea prizei anodice ;

– lungimea unui anod de injecție ; ;

– distanța dintre anozi ; .

În urma calculului se obține:

Se ia în considerare o lungime a prizei anodice de 70 m, cu respectarea unei distanțe de aproximativ 6 m între anozii de fontă silicioasă și a unei distanțe de 1 m la ambele capete ale șanțului.

Rezistența de dispersie a prizei anodice se determină cu formula (3.14): [8]

unde: reprezintă rezistența de dispersie a prizei anodice ;

– rezistivitatea solului ;

– adâncimea de pozare a prizei anodice ; ;

– lățimea patului anodic ; .

După înlocuire se obține următoarea valoare pentru rezistența de dispersie:

Factorul de ecranare dintre anozi se determină cu următoarea formulă de calcul: [8]

După înlocuire se obține următoarea valoare pentru factorul de ecranare dintre anozi:

Rezistența totală a anodului se obține cu următoarea formulă: [8]

După înlocuire se obține următoarea valoare pentru rezistența totală a anodului:

Dimensionarea unității transformator-redresor

Parametrii unității transformator-redresor sunt: [10]

tensiunea maximă la bornele redresorului, ;

curentul maxim de protecție injectat, .

Rezistența transformatorului se calculează cu următoarea relație:

După înlocuire se obține următoarea valoare pentru rezistența transformatorului:

Se poate observa faptul că este îndeplinită relația (3.22):

Tensiunea la bornele redresorului se calculează cu relația (3.23): [8]

unde: reprezintă tensiunea la bornele redresorului ;

– potențialul maxim de protecție ; ;

– potențialul anodic ; .

După înlocuire se obține următoarea valoare pentru tensiunea la bornele redresorului:

Se poate observa faptul că este îndeplinită relația (3.25):

Se observă că parametrii stației de protecție catodică ( și ) permit o rezervă de 100 % în ceea ce privește tensiunea la borne și curentul de protecție , în cazul în care se dorește o densitate de curent .

Determinarea lungimii rețelei protejate

Calculul lungimii rețelei protejate și a numărului de stații de protecție catodică se face cu următoarea formulă: [8]

unde: reprezintă lungimea rețelei de distribuție protejate ;

– grosimea de perete aferentă conductei cu diametrul mediu ponderat egal cu

360 mm; ;

– conductivitatea electrică aferentă oțelului ; ;

– variația potențialului de protecție ;

– densitatea de curent de protecție .

După înlocuire se obține următoarea valoare pentru lungimea rețelei protejate:

Numărul de stații de protecție catodică se determină cu relația (3.29):

unde: reprezintă lungimea rețelei de distribuție protejate ;

– lungimea totală a rețelei de protejat ; .

După înlocuire se obține următoarea valoare pentru numărul stațiilor de protecție (SPC):

Dimensionarea întregului sistem de protecție catodică cu injecție de curent este sintetizată în tabelul 3.6.

Tabelul 3.6. Tabel de sinteză privind dimensionarea sistemului de protecție catodică

Descrierea tehnică a sistemului de protecție catodică

În acest subcapitol se vor descrie din punct de vedere tehnic principalele echipamente care alcătuiesc sistemul de protecție catodică cu stație de injecție curent: stația de protecție catodică, priza anodică, racordul anodic (+), racordul catodic (–), electrodul de referință permanent Cu/CuSO4, postul de măsură a curentului pe conducta de distribuție (fig. 3.3).

Fig. 3.3. Sistemul de protecție catodică cu stație de injecție curent [10]

Stația de protecție catodică (SPC)

Alimentarea stației de protecție catodică cu energie electrică, aceasta având puterea instalată de 1 kW, se va face prin intermediul unui racord electric subteran din cablu tip CYABY 3×2,5 mm2 de la blocul de măsură și protecție (BMP) până la cabina stației de protecție catodică.

Stația de protecție catodică se va instala în domeniul public la o distanță de 2 m față de conducta de gaze naturale.

Unitatea transformator-redresor a stației de protecție catodică va furniza un curent continuu cu tensiunea maximă 40 V și curentul maxim 25 A.

Sistemul transformator-redresor este montat într-o cabină din fibră de sticlă amplasată pe un soclu care se montează atât subteran cât și aparent. Partea subterană a soclului se va stabiliza prin umplere cu beton (fig. 3.4).

Atât cabina cât și soclul vor fi prevăzute cu orificii și presetupe pentru cablurile de legătură. Sistemul de protecție va fi de tip IP56 (protecție la praf precum și împotriva jeturilor de apă puternice).

Echipamentul electric al stației se leagă la pământ prin centura de împământare proprie.

De asemenea stația este prevăzută cu protecție la tensiune scăzută, supratensiune precum și la trăsnet. [7]

Fig. 3.4. Vedere exterioară a stației de protecție catodică (a) și vedere interioară (b)

Priza anodică

Priza anodică de suprafață orizontală constă într-un șant orizontal în lungime de 70 m, adâncime de 1,6 m și lățime de 0,4 m, în care se introduc 12 anozi de fontă silicioasă (Fe-Si).

Anozii care compun priza anodică sunt înconjurați de un pat de cocs metalurgic. Este foarte important ca anozii să fie amplasați la o distanță de siguranță corespunzătoare față de alte rețele metalice subterane neprotejate pentru evitarea interferențelor cu acestea.

Priza anodică se va amplasa în domeniul public la o distanță de 50 m față de conducta de gaze naturale din oțel de protejat.

Construcția prizei anodice orizontale este prezentată în fig. 3.5.

Etapele construcției prizei anodice orizontale de suprafață sunt următoarele: [7]

se sapă un șanț cu dimensiunile 70 × 0,4 × 1,6 m în care se așază un strat de aproximativ 20 cm grosime de cocs metalurgic cu granulația de 10 … 20 mm;

peste stratul de cocs metalurgic se montează sistemul de anozi; anozii se află la o distanță de aproximativ 6 m unul față de altul și sunt echipați fiecare cu cablu de legătură tip CYY 2×4 mm2;

peste fiecare anod se așază încă un strat de cocs metalurgic cu grosimea de 20 cm;

se împrăștie manual un strat de pământ mărunțit cu grosimea de 20 cm pe toată lungimea șanțului după care șanțul se acoperă mecanizat cu pământ până la adâncimea de 0,8 m;

Fig. 3.5. Schematizarea prizei anodice orizontale de suprafață

se conectează anozii la cablul principal tip CYY 4×6 mm2 prin intermediul unei mufe de legătură, echipată cu conector metalic și rășină epoxidică bicomponentă ca material de izolare și etanșare;

se acoperă cu pământ mufa de conexiune, doar după întărirea rășinii (după cel puțin 30 minute de la aplicare);

se instalează două borne metalice care să indice poziția prizei anodice de o parte și de cealaltă a acesteia.

Racordul anodic

Cablul anodic face legătura dintre stația de protecție catodică și priza anodică orizontală, fiind conectat la borna (+) aferentă stației.

Acesta se amplasează subteran la adâncimea de 0,8 m, are lungimea de 50 m și este de tip CYY 4×6 mm2. Cablurile aferente racordurilor anodic și catodic se pozează, conform normelor în vigoare, în pat de nisip cu grosimea de 10 cm, peste care se montează banda avertizoare specifică cablurilor electrice, la adâncimea de 0,5 m față de nivelul solului. În cazul în care cablurile anodic, catodic și cel al electrodului de referință permanent au traseu comun, acestea se pot amplasa în același șanț la o distanță de 10 cm unul față de celălalt. [7]

Conexiunea cablului anodic cu anozii este relevată în fig. 3.6.

Fig. 3.6. Schematizarea conexiunii dintre cablul anodic și anodul de Fe-Si:

1 – anod de fontă silicioasă (Fe-Si); 2 – șurub M10×60 mm; 3 – cablu de Cu tip CYY 2×4 mm2; 4 – tub de protecție din polietilenă termocontractabilă; 5 – pastă de silicon pentru etanșare;

6 – rășină epoxidică; 7 – papuc cablu (OL37); 8 – piuliță; 9 – șaibă Grower; 10 – teacă anod.

Racordul catodic

Cablul catodic de injecție face legătura dintre stația de protecție catodică și conducta de gaze naturale de protejat. Acesta se conectează în stația de protecție catodică la borna (–) și se montează subteran, în tub de protecție, la adâncimea de 0,8 m, având o lungime de 2 m.

Racordul electric la conducta de distribuție gaze naturale se execută prin sudură de fișe plate pe conductă cu ajutorul unui aparat special de sudat fișe plate cu dimensiunile 6,3 × 0,8 mm (fig. 3.7). Acesta urmează să fie conectat cu cablul catodic, care este din cupru tip CYY 4×6 mm2, prin papuci din cupru care se presează și se cositoresc, urmărindu-se un contact ohmic perfect. [7]

Aceste contacte se vor izola ulterior cu un strat de bitum/mastic cu grosimea de 4 mm. Pentru asigurarea unei mentenabilități ridicate, imediat după executarea sudurilor, peste stratul de bitum se vor aplica benzi din polietilenă și cauciuc butilic.

Fig. 3.7. Schematizarea racordului catodic la conducta de gaze naturale de protejat

Electrodul de referință permanent

Este utilizat drept senzor de viteză de coroziune, având o construcție specială și fiind de tipul Cu/CuSO4 conform STAS 7335/4-88, astfel încât să funcționeze în condiții bune pe toată durata de exploatare a sistemului de protecție catodică.

Fig. 3.8. Schematizarea electrodului de referință nepolarizabil Cu/CuSO4 (a)

și măsurarea potențialului natural conductă-sol cu acesta (b):

1 – tub de plastic; 2 – sârmă de cupru; 3 – dop poros de plută; 4 – dop de cauciuc;

5 – soluție saturată cu cristale de Cu/CuSO4.

Electrodul de referință constă dintr-un recipient care conține o bară de cupru pur în soluție saturată de sulfat de cupru (CuSO4). Forma constructivă a acestui electrod este prezentată în fig. 3.8.

Acest electrod se amplasează în sol, la nivelul conductei de distribuție gaze naturale, în poziție verticală, la o distanță de 0,5 … 1 m față de aceasta (fig. 3.9).

Legătura dintre electrodul de referință permanent și stația de protecție catodică se face printr-un cablu de cupru tip CYY 2×2,5 mm2, pozat în același șanț cu cablul catodic, la 10 cm unul față de celălalt.

Capătul cablului de legătură se dezizolează și se conectează la stația de protecție catodică, la borna corespunzătoare acestuia.

Rolul acestui electrod este de a măsura potențialul conductei față de sol, fiind o semipilă galvanică al cărui potențial rămâne stabil în timp și față de care se măsoară și se reglează toți parametri funcționali ai stației de protecție catodică.

Înainte de punerea în funcțiune a sistemului de protecție catodică, electrodul de referință permanent se activează prin umectarea solului din jurul acestuia, folosind aproximativ 40 litri de apă per electrod de referință permanent Cu/CuSO4. [7]

Fig. 3.9. Schematizarea amplasării electrodului de referință permanent Cu/CuSO4

Priza de potențial

Prizele de potențial sau posturile de măsurare a curentului pe conducta de gaze naturale sunt amplasate pe traseul rețelei de distribuție și au cablurile sudate sau lipite pe suprafața metalică a conductei, asigurând măsurarea potențialelor și evaluarea eficacității protecției catodice. Construcția unui astfel de post de măsurare a curentului pe conductă este prezentată în fig. 3.10. [12]

Fig. 3.10. Schematizarea unei prize de potențial amplasată de-a lungul traseului conductei

Automatizarea sistemului de protecție catodică

Sistemul de monitorizare și control SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) care poate fi implementat sistemului de protecție catodică cu injecție de curent este alcătuit în principiu din trei categorii de elemente: [5]

unul sau mai multe RTU sau PLC (Programmable Logic Controller);

centrul de comandă cu interfața HMI (Human Machine Interface);

rețeaua de comunicație GSM/GPRS (Global System for Mobile Communications/ General Packet Radio Service).

Întrerupătorul ciclic sincronizabil îndeplinește următoarele roluri: [11]

permite măsurarea curentului și tensiunii de ieșire din redresorul stației de protecție catodică după 0,1 … 0,3 s de la activarea regimului OFF;

permite măsurarea potențialului OFF după o perioadă de timp predefinită și îl convertește într-un semnal ce va fi stocat în memoria unității de control RTU;

întrerupe conexiunea electrică dintre redresorul stației și conducta protejată.

Unitatea de monitorizare, control și teletransmisie parametrii RTU (fig. 3.11) se montează în interiorul cabinei stației de protecție catodică, fiind dotată cu o aplicație care să colecteze, proceseze și înregistreze informațiile necesare, având rolul de a trimite acești parametri la centrul de control prin intermediul rețelei GSM/GPRS.

Unitatea RTU aferentă stației măsoară, monitorizează și reglează următorii parametrii:

tensiunea de ieșire aferentă redresorului stației;

curentul de ieșire din stație;

potențialele ON și OFF;

pornirea, oprirea și programarea întrerupătorului ciclic sincronizat;

reglarea de la distanță a curentului de ieșire;

energia electrică consumată;

perioada de funcționare a stației. [11]

Fig. 3.11. Unitatea RTU de monitorizare, control și teletransmisie

Sistemul de automatizare a protecției catodice îndeplinește următoarele funcții: [11]

măsoară, analizează și memorează semnalele analogice și digitale;

întreruperea curentul de ieșire din stație cu ajutorul întrerupătorului ciclic sincronizat cu celelalte întrerupătoare montate în stațiile de pe întregul traseu al conductei;

monitorizează și controlează parametri de ieșire ai stației de protecție catodică;

transmite informațiile stocate la centrul de comandă (stația master);

comunică cu serverul central folosind rețeaua GSM/GPRS;

stochează informațiile și poate să le afișeze local;

asigură managementul evenimentelor și alarmelor.

Sistemul de monitorizare și control memorează următoarele informații: [11]

tensiunea de ieșire din stație (media în ultimele 30 zile);

tensiunea de ieșire din stație (media măsurătorilor dintr-un minut);

curentul de ieșire din stație (media în ultimele 30 zile);

curentul de ieșire din stație (media măsurătorilor dintr-un minut);

potențialul ON al conductei (valoarea instantanee);

potențialul ON al conductei (valoarea minimă din ultimele 30 zile);

potențialul ON al conductei (valoarea maximă din ultimele 30 zile);

potențialul OFF al conductei (media în ultimele 30 zile);

potențialul OFF al conductei (valoarea instantanee);

durata potențialului inferior valorii minime setate;

durata potențialului superior valorii maxime setate;

durata efectivă de funcționare.

Din punct de vedere al managementului evenimentelor și alarmelor, sistemul de monitorizare și control recepționează semnale de intare digitale pe care le convertește în evenimente care sunt stocate cu ștampila de timp (ora și ziua evenimentului).

Recepția acestor evenimente se face în camera de comandă care este dotată cu un server cu două porturi seriale RS232. De asemenea, camera de comandă trebuie să fie dotată și cu o imprimantă și un monitor cu diagonala minimă de 21". [11]

Anumite evenimente predefinite pot fi transformate în alarme și vor fi transmise în mod automat sub formă de SMS (Short Message Service) către camera de comandă.

Următoarele evenimente trebuie memorate de sistemul de telecontrol: [11]

alarmă furt (ușa cabinei stației este deschisă iar alarma este pornită);

alarmă normală (ușa cabinei stației este deschisă iar alarma este oprită);

unitatea transformator-redresor este pornită;

unitatea transformator-redresor funcționează în regim ON/OFF;

curentul de ieșire al stației este mai mic decât limita setată;

curentul de ieșire al stației este oprit o perioadă mai mare de 10 minute;

tensiunea de ieșire a stației este mai mică decât limita setată;

receptorul GPS (Global Positioning System) este activat;

prezența tensiunii de alimentare;

lipsa tensiunii de alimentare pentru o perioadă mai mare de 10 minute.

Fig. 3.12. Schema bloc aferentă unui sistem de protecție catodică automatizat [10]

Sistemul de monitorizare și control va genera alarme către camera de comandă pentru următoarele evenimente: [11]

alarmă furt (ușa cabinei stației este deschisă iar alarma este pornită);

curentul de ieșire al stației este oprit o perioadă mai mare de 10 minute;

lipsa tensiunii de alimentare pentru o perioadă mai mare de 10 minute.

Controlul de la distanță se realizează prin intermediul mesajelor SMS trimise către numărul de GSM al fiecărei stații în parte sau prin intermediul serverului din camera centrală.

Impactul sistemului de protecție catodică asupra mediului

Instalarea sistemului de protecție catodică nu are niciun efect negativ asupra mediului. Dimpotrivă, asigurarea potențialului de protecție pe traseul conductelor de distribuție gaze naturale conduce la prevenirea corodării acestora și la prelungirea duratei de viață a conductelor.

Ca urmare, aplicarea protecției catodice are un impact benefic major asupra mediului prin reducerea și eliminarea evenimentelor provocate de coroziunea rețelelor de gaze naturale.

Orice eveniment care se produce pe rețelele de distribuție gaze nasturale, provocat de coroziunea conductelor neprotejate catodic, poate conduce la poluarea mediului precum și la pierderi financiare.

În ceea ce privește deșeurile care rezultă în urma folosirii materialelor necesare la construirea unui sistem de protecție catodică, acestea trebuie adunate, sortate și stocate în diferite ambalaje și transportate în locuri special amenajate pentru depozitarea deșeurilor:

plasticul, ce poate rezulta de la cablurile electrice, banda avertizoare, ambalajul masticului autocompactizant, banda autoadezivă folosită la izolarea tuturor cablurilor electrice, etc., este colectat și transportat în locuri special amenajate pentru depozitarea deșeurilor de plastic;

lemnul care nu mai poate fi refolosit, rezultat din confecționarea cofrajelor pentru susținerea pereților șanțului patului anodic, pentru cofrajele fundației de beton a cabinei stației de protecție catodică, etc., este colectat și transportat în locuri special amenajate pentru depozitarea deșeurilor de lemn;

deșeurile feroase, rezultate de la toate elementele de fixare folosite (șuruburi, șaibe, piulițe, cleme, coliere, etc.), sunt colectate și transportate în locuri special amenajate pentru depozitarea deșeurilor feroase;

ambalajul rezultat în urma golirii cocsului metalurgic este colectat și transportat în locuri special amenajate pentru depozitarea deșeurilor de hârtie, carton și materiale textile (rafie, cânepă, etc.).

MENTENANȚA SISTEMULUI DE PROTECȚIE CATODICĂ

Generalități

Mentenanța sistemelor de protecție catodică constituie ansamblul activităților de inspecție, monitorizare, întreținere, reparare și înlocuire, care asigură siguranța în exploatare a sistemelor de protecție catodică. [9]

Se cunosc trei sisteme de mentenanță pentru rețelele de distribuție a gazelor naturale:

mentenanța preventivă sau planificată (constă în întreținerea clasică și intervenția asupra instalațiilor la intervale regulate de timp pentru efectuarea unor reparații indiferent de starea lor);

mentenanța predictivă (constă în întreținerea instalațiilor pe bază de monitorizare și diagnosticare, stabilindu-se întâi defectele și în funcție de diagnoză se planifică reparațiile; se previne astfel intervenția atunci când nu este cazul și se poate interveni prompt atunci când pot să apară defecte periculoase);

mentenanța reactivă sau corectivă (constă în intervenția după momentul defectării, fiind cea mai scumpă și aplicându-se atunci când nu se justifică celelalte sisteme de mentenanță).

În ceea ce privește sistemul de protecție catodică, din punct de vedere economic se recomandă un echilibru între sistemele de mentenanță preventivă și predictivă, cu reducerea mentenanței reactive (corective) sub 30 %. [3]

Protecția catodică este considerată eficientă dacă potențialul natural conductă-sol se situează între – 850 … – 1 200 mV, față de electrodul de referință Cu/CuSO4. Măsurarea potențialului se face în puncte de măsură bine stabilite ale rețelei, cum ar fi: branșamente, prize de potențial, părți componente aeriene (supraterane), etc.

Descrierea sistemului de mentenanță

Monitorizarea stării sistemului de protecție catodică face parte integrantă din strategia de mentenanță a sistemului de distribuție a gazelor naturale și se bazează pe: [9]

prevenirea și evitarea defectării componentelor stației de protecție catodică ce ar afecta funcționarea în condiții de siguranță a conductei;

detectarea promptă a deficiențelor apărute în vederea luării deciziilor de rezolvare operativă a acestora.

Condițiile care trebuie să facă obiectul monitorizării pe parcursul exploatării sistemului de protecție catodică sunt următoarele:

funcționarea normală a componentelor stației de protecție catodică, stabilită prin măsurarea următorilor parametri ai stației: tensiunea de alimentare a unității transformator-redresor , tensiunea de ieșire a unității transformator-redresor , curentul injectat în conductă , potențialul conductei în regim de funcționare a stației , potențialul conductei atunci când stația este oprită , rezistența de dispersie a prizei anodice , rezistența de dispersie a prizei de împământare și consumul de energie electrică;

potențialul conductă-sol de pe traseul conductei protejate catodic;

starea tehnică a izolației exterioare a conductei prin efectuarea de măsurători de potențial, folosind una sau mai multe metode specifice, precum și prin măsurători directe (grosime, aderență, continuitate, etc.);

starea tehnică a izolației exterioare în zona traversărilor aeriene, robinetelor, răsuflătorilor, etc.;

starea tehnică a separărilor electrice aferente elementelor de susținere a traversărilor aeriene, subtraversărilor de obstacole prevăzute cu tuburi de protecție, îmbinărilor electroizolante, etc.;

rezistivitatea solului în punctele critice (mlaștini, gunoaie menajere, dejecții, cele cu potențial de protecție necorespunzător, etc.). [9]

Activitățile de mentenanță aferente sistemului de protecție catodică se desfășoară pe baza unui sistem preventiv și corectiv integrat.

Din punct de vedere al protecției catodice, mentenanța preventivă trebuie să asigure următoarele obiective: [9]

menținerea permanentă a sistemelor de protecție catodică într-o stare care să garanteze siguranța în exploatare a conductelor și branșamentelor de gaze naturale împotriva coroziunii;

reducerea producerii de evenimente critice generate de pierderile necontrolate de gaze naturale apărute ca urmare a lipsei protecției catodice;

efectuarea unor lucrări de calitate, care să asigure scăderea costurilor aferente exploatării și investițiilor suplimentare.

Toate activitățile de mentenanță aferente stațiilor de protecție catodică trebuie să asigure criteriile de calitate și eficiență a protecției catodice, și anume:

stații de protecție catodică eficiente:

sisteme de protecție catodică la care potențialul OFF măsurat în orice punct al rețelei de distribuție gaze naturale are valori cuprinse între – 750 … – 1 200 mV;

sisteme de protecție catodică la care 75 % din punctele măsurate au potențialul OFF în intervalul – 700 … – 1 200 mV și la care prin efectuarea de reglaje la stațiile de protecție catodică sau prin eliminarea unui tronson prin piese electroizolante, contacte, puneri la pământ, etc., se poate ajunge la valoarea de – 750 mV;

stații de protecție catodică ineficiente, la care potențialul OFF măsurat în orice punct al rețelei de distribuție gaze naturale protejate este mai mic decât – 750 mV;

stații de protecție catodică parțial eficiente, care nu se încadrează la niciun punct de mai sus. [9]

Sistemul de mentenanță al stațiilor de protecție catodică trebuie să îndeplinească următoarele cerințe: [9]

să asigure că toate componentele sistemului de protecție catodică sunt la parametrii proiectați și permit realizarea tuturor cerințelor funcționale;

să permită planificarea lucrărilor de mentenanță în perspectiva apropiată și îndepărtată, astfel încât acestea să poată fi pregătite corespunzător, iar durata lor să fie estimată;

să permită evaluarea și planificarea finanțării lucrărilor de mentenanță și să asigure un nivel minim al cheltuielilor legate de efectuarea lucrărilor de mentenanță.

Mentenanța sistemelor de protecție catodică cuprinde activități pe termen scurt, mediu sau lung, după cum urmează:

activități pe termen scurt, după punerea în funcțiune, în cadrul cărora se planifică lucrările de mentenanță preventivă și sunt efectuate lucrările pentru rezolvarea incidentelor ce intervin în mod neașteptat;

activități pe termen mediu, în cadrul cărora sunt stabilite intervențiile de mentenanță preventivă, având la bază media timpului de bună funcționare sau evoluția indicatorilor funcționali;

activități pe termen lung, în cadrul cărora se analizează sistemele de protecție catodică în legătură cu posibilitatea de înlocuire a echipamentelor în funcție de evoluția costului exploatării acestora. [9]

Mentenanța sistemelor de protecție catodica se împarte în:

mentenanța planificată (preventivă) a sistemelor de protecție catodică;

mentenanța neplanificată a sistemelor de protecție catodică;

reparații ale sistemelor de protecție catodică.

Mentenanța preventivă

Sistemul de mentenanță planificată (preventivă) programează și realizează verificarea echipamentelor și elementelor din compunerea stațiilor de protecție catodică.

Mentenanța planificată cuprinde următoarele activități: [9]

verificarea la 2 luni a potențialului conductă-sol în fiecare punct stabilit;

verificarea funcționării stației și a 4 puncte considerate critice în fiecare lună;

controlul la 6 luni al prizei anodice și al prizei de împământare;

revizia anuală a stațiilor de protecție catodică și a elementelor componente (de exemplu verificarea electrodului de referință);

verificarea detaliată a potențialului pentru fiecare sistem de protecție catodică la fiecare 3 ani folosind metoda „din branșament în branșament”, prin care se măsoară potențialul conductă-sol pe fiecare branșament sau priză de potențial;

identificarea ocazională a defectelor de izolație prin metoda DCVG (Direct Current Voltage Gradient), mai rar prin metoda CIPS (Close Interval Potential Survey) combinată cu metoda DCVG care returnează informații despre defectele de izolație în funcție de variația potențialelor ON, OFF și lateral de-a lungul conductei (fig. 4.1);

semnalarea problemelor constatate în urma verificărilor periodice (de exemplu, verificarea detaliată a potențialului sau identificarea defectelor de izolație) sau produse ca urmare a unor incidente.

Fig. 4.1. Diagrama de potențial CIPS aferentă rețelei de distribuție protejată catodic

Planificarea activităților de supraveghere și întreținere, precum și monitorizarea funcționării sistemelor de protecție catodică este relevată în tabelul 4.1.

Tabelul 4.1. Planificarea activităților de monitorizare a funcționării

și mentenanță a sistemelor de protecție catodică [9]

Supravegherea și întreținerea presupun controlul modului de funcționare a instalațiilor și componentelor din cadrul stațiilor de protecție catodică, depistarea primelor semne ale funcționării anormale a acestora și evidențierea primelor semne ale degradării componentelor.

Activitatea de supraveghere și întreținere a stațiilor de protecție catodică cuprinde: [9]

măsurarea parametrilor de funcționare aferenți stației de protecție catodică și înregistrarea acestora (fig. 4.2);

reglajul stației de protecție catodică;

măsurarea potențialului conductă-sol pe rețelele protejate catodic;

măsurarea și supravegherea stării de funcționare a prizei anodice;

lubrifierea încuietorilor și balamalelor cabinei stației de protecție catodică;

întreținerea prizelor de potențial de pe traseul rețelei protejate;

curățarea vegetației în jurul stațiilor de protecție catodică;

curățarea interioară a cabinei stației de protecție catodică.

Fig. 4.2. Monitorizarea parametrilor funcționali aferenți stației de protecție catodică

Mentenanța neplanificată și reparațiile

Sistemul de mentenanță neplanificată se referă la mentenanța corectivă, de urgență sau de depanare, și este specific întreruperii funcționării sistemului electric al instalației de protecție catodică. Mentenanța reactivă constă în efectuarea unei reparații de îndată ce defectul a fost constatat. Reparațiile sunt intervenții care se execută în baza constatărilor făcute cu ocazia verificărilor, având ca scop remedierea sau eliminarea defectelor la componentele echipamentelor stației de protecție catodică. [9]

Reparațiile neplanificate tip 1 constau în remedierea unor defecte minore sau moderate, înlocuirea unor componente simple ale echipamentelor și instalațiilor sistemului de protecție catodică și efectuarea unor intervenții cu caracter provizoriu sau permanent.

Principalele activități aferente reparațiilor neplanificate tip 1 sunt următoarele: [9]

înlocuirea cablurilor și conductoarelor necorespunzătoare;

înlocuirea dispozitivelor de protecție defecte;

reabilitarea prizei de legare la pământ a stației de protecție catodică;

vopsirea interioară și exterioară a cabinei stației de protecție catodică;

înlocuirea componentelor electrice uzate ale stației de protecție catodică (întrerupătoare, siguranțe, prize, aparate de măsură, etc.);

înlocuirea, repararea sau construirea prizei de potențial sau a postului de testare;

înlocuirea sau repararea electrodului de referință permanent;

repararea componentelor defecte din cadrul ansamblului transformator-redresor sau înlocuirea întregii cabine a stației de protecție catodică;

repararea instalației de alimentare cu energie electrică.

Reparațiile neplanificate tip 2 constau în remedierea unor defecte mari, înlocuirea unor echipamente sau componente ale instalațiilor sistemului de protecție catodică și realizarea unor lucrări de reparații de mare amploare cu caracter definitiv.

Aceste reparații se fac în urma unui studiu tehnico-economic.

Principalele activități aferente reparațiilor neplanificate tip 2 sunt următoarele: [9]

reabilitarea sistemului de protecție catodică al conductelor și racordurilor;

reabilitarea sau înlocuirea prizelor anodice de suprafață sau de adâncime.

Reparațiile neplanificate tip 3 constau în lucrări necesare menținerii separării electrice a rețelei protejate catodic față de alte instalații (instalații de utilizare, stații de reglare-măsurare, suporți de susținere, etc.). Aceste lucrări se realizează cu ocazia reviziei periodice a posturilor de reglare-măsurare, branșamentelor, conductelor sau stațiilor de reglare-măsurare.

Principalele activități aferente reparațiilor neplanificate tip 3 sunt următoarele: [9]

reechiparea posturilor de reglare-măsurare cu nipluri sau flanșe electroizolante;

remedierea separării electrice a conductei supraterane față de elementele de susținere;

reechiparea stațiilor de reglare-măsurare cu flanșe electroizolante care să delimiteze rețeaua protejată catodic;

montarea flanșelor electroizolante pe traseul rețelei protejate catodic.

Pe durata efectuării unor lucrări de reparații prin sudare la conductă, pentru a se evita defectarea sau distrugerea componentelor electrice și electronice ale stațiilor de protecție catodică (punți de diode, tiristoare, plăci de comandă și reglare, transformator, aparate de măsură, etc.), trebuie să fie oprită funcționarea stațiilor de protecție catodică aferente conductei. În acest sens se deconectează din șirul de cleme al stației cablurile de legătură la conductă. [9]

CONCLUZII

ASDF

BIBLIOGRAFIE

Bibu, M.: Tehnologii uzuale pentru protecția anticorozivă și remedierea conductelor de transport gaze naturale, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2015.

Lața, E. I.: Mentenanța rețelelor de transport și distribuție gaze naturale, Suport de curs, 2019.

Nemeș, T.: Coroziune și protecție anticorozivă, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2014.

Petrescu, V., Urdaș, V.: Coroziunea metalelor și protecția suprafețelor, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2003.

Stoica, A., Băluță, A.: Automatizarea instalațiilor mecanice în industria gazelor naturale, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2019.

Tudor, I., ș.a.: Protecția anticorozivă și reabilitarea conductelor și rezervoarelor, Editura Universității Petrol-Gaze din Ploiești, 2007.

*** Normativ I 14-1976. Normativ pentru protecția contra coroziunii a structurilor metalice îngropate.

*** SR EN 12954:2019. Principii generale ale protecției catodice a structurilor metalice îngropate sau imersate.

*** http://new.transgaz.ro/sites/default/files/uploads/users/admin/ntsm_spc_%20final_0 .pdf [12.12.2019].

*** https://docplayer.org/49610624-Constructia-statiilor-de-protectie-catodica-impotri va-coroziunii-prezentare-pe-data-de-la-eon-gaz-romania-bucuresti-romania.html [30.03.2020].

*** https://docplayer.gr/76643736-Standard-de-firma-conpet-proiect-nr-150-1757-20 13.html [31.10.2019].

*** https://meliorelectroinstal.blogspot.com/2012/10/protectia-catodica-aplicata-conductelor_25.html [22.01.2020].

OPIS

Prezentul proiect de diplomă conține:

……… pagini scrise

……… figuri

………… tabele

………… ecuații

………… desene formate

Absolvent:

………………………..

Sunt de acord cu prezentarea Proiectului de diplomă în sesiunea iunie-iulie 2018 a candidatului ……………………………………………………………………………. cu tema rezolvată în prezentul proiect.