Инженерная защита металлоконструкций и сооружений

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

С. С. Виноградова, А. А. Додонова

ИНЖЕНЕРНАЯ ЗАЩИТА 
МЕТАЛЛОКОНCТРУКЦИЙ 

И СООРУЖЕНИЙ

Учебно-методическое пособие

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 621.357:620.193(075)
ББК 34.661я7

В49

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. О. С. Сироткин
канд хим. наук, доц. А. В. Желовицкая

В49

Виноградова С. С.
Инженерная защита металлоконcтрукций и сооружений : 
учебно-методическое пособие / С. С. Виноградова, А. А. Додонова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. 
ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 116 с.

ISBN 978-5-7882-2754-2

Описываются методы электрохимической защиты и алгоритмы коррозион
ных расчетов. Приводятся примеры численных расчетов и варианты заданий для 
самостоятельной работы.

Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению подготовки 

18.03.01 «Химическая технология» по профилям «Технологии электрохимических производств» и «Технологии защиты от коррозии», а также для магистров, 
обучающихся по направлению подготовки 18.04.01 «Химическая технология» по 
программам «Коррозия и защита металлов» и «Инжиниринг в электрохимических 
производствах и защите от коррозии».

Подготовлено на кафедре технологии электрохимических производств.

ISBN 978-5-7882-2754-2
© Виноградова С. С., Додонова А. А., 2019
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 621.357:620.193(075)
ББК 34.661я7

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................5

Часть I. ОСНОВЫ ТЕОРИИ...........................................................................................6

1. Электрохимические методы противокоррозионной защиты оборудования.....6

1.1. Принцип действия электрохимических методов защиты от коррозии.........6

1.2. Агрессивность грунтов .....................................................................................7

1.3. Принцип катодной защиты..............................................................................9

1.3.1. Конструкции анодных заземлителей....................................................12

1.3.2. Материалы анодных заземлителей .....................................................14

1.3.3. Катодные преобразователи..................................................................20

1.4. Протекторная защита.....................................................................................23

1.4.1. Принцип действия протекторной защиты.........................................23

1.4.2. Материалы протекторов .....................................................................24

1.4.3. Назначение и состав активатора ........................................................25

1.5. Анодная защита..............................................................................................26

1.6. Электродренажная защита............................................................................28

Часть 2. ИНЖЕНЕРНЫЕ РАСЧЕТЫ .............................................................................31

2. Катодная защита трубопровода с внешней поляризацией ...............................31

2.1. Удельное электросопротивление грунта......................................................31

2.2. Продольное сопротивление трубопровода..................................................32

2.3. Переходное сопротивление трубопровод–грунт.........................................33

2.4. Входное сопротивление изолированного трубопровода............................35

2.5. Постоянная распределения потенциалов и токов вдоль защищаемого 
трубопровода........................................................................................................36

2.6. Расчетные значения потенциалов.................................................................37

2.7. Расчетные зависимости для распределения наложенной разности 
потенциалов и тока защиты вдоль трубопровода ..............................................38

2.7.1. Станция катодной защиты «бесконечной» длины.............................38

2.7.2. Катодная защита магистрального трубопровода............................39

2.8. Оптимизация параметров установок катодной защиты..............................41

2.8.1. Сопротивление растеканию тока с анодного заземления.................41

2.8.2. Мощность, потребляемая СКЗ. Выбор типа СКЗ ................................47

2.8.3. Количество электродов анодного заземления ....................................49

2.8.4. Срок службы анодного заземления........................................................51

2.8.5. Сечение дренажного провода катодной установки............................53

2.9. Катодная защита с протяжными анодами из токопроводящей резины.....54

2.10. Оптимальные параметры катодной защиты магистрального 
трубопровода........................................................................................................61

3. Протекторная защита трубопроводов и резервуаров .......................................67

3.1. Протекторная защита магистрального трубопровода .................................67

3.2. Протекторная защита резервуаров...............................................................72

3.2.1. Защита днища резервуара одиночными протекторными 
установками......................................................................................................72

3.2.2. Защита днища резервуара групповыми протекторными 
установками......................................................................................................77

3.2.3. Защита внутренней поверхности резервуаров от коррозии 
при контакте с подтоварной водой...............................................................79

4. Защита морских гидротехнических сооружений................................................84

4.1. Катодная защита ............................................................................................84

4.2. Протекторная защита.....................................................................................93

5. Электродренажная защита от блуждающих токов ............................................99

Список литературы.................................................................................................103

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................104

Приложение А .....................................................................................................104

Приложение Б .....................................................................................................108

Приложение В .....................................................................................................110

Приложение Г......................................................................................................112

Приложение Д.....................................................................................................115

В В Е Д Е Н И Е

Борьба с коррозией металлов является одной из важнейших про
блем современной техники. Преобладающее большинство металлических конструкций подвергается разрушению вследствие протекания
коррозионного процесса по электрохимическому механизму. Это разрушение металлических изделий в пресной и морской воде, в атмосфере,
в почве, разрушение машин и аппаратов в химической промышленности,
потери металлов при удалении с них окалины в травильных растворах
и др. Электрохимическая коррозия металла может возникнуть во всех
тех случаях, когда имеет место граница раздела фаз металл–электролит.

В настоящее время разработаны расчетные методы, которые дают

возможность рассчитать скорость коррозии металла в агрессивной
среде; определить токи, протекающие между металлами в коррозионных системах; оценить распределение потенциала и тока по поверхности металлов коррозионных систем или систем электрохимической защиты. Однако литература, в которой рассматривается приложение современных расчетных методов к решению задач коррозии и защиты металлов, как правило, трудна для понимания и не содержит примеров
численных расчетов, вследствие чего возникла необходимость в доступном изложении методов и алгоритмов расчета систем электрохимической защиты.

Пособие состоит из двух частей: теоретической и расчетной. В тео
ретической части рассмотрены электрохимические методы защиты оборудования. Расчетная часть содержит 23 задачи, касающиеся вопросов
катодной защиты трубопровода с внешней поляризацией, протекторной
защиты трубопроводов и резервуаров, защиты морских гидротехнических сооружений и электродренажной защиты от блуждающих токов.

В основу пособия положены типовые расчеты противокоррозион
ной защиты металлических сооружений нефтегазопроводов и нефтебаз
под редакцией В.Ф. Новоселова. Дополнительно включены расчеты
протяженных электродов – гибких анодов, которые в настоящее время
широко применяются в электрохимической защите (ЭХЗ) металлических сооружений. Рассмотрены также вопросы электрохимической защиты от коррозии металлоконструкций морских гитдротехнических
сооружений в подводной зоне. В приложении приводятся варианты заданий для самостоятельной работы, среди которых тринадцатый пример может быть использован для курсового проектирования.

ЧАСТЬ I. ОСН ОВ Ы ТЕО РИИ

1 . Э Л Е К Т Р О Х И М И Ч Е С К И Е М Е Т О Д Ы

П Р О Т И В О К О Р Р О З И О Н Н О Й З А Щ И Т Ы О Б О Р У Д О В А Н И Я

1 . 1 . П р и н ц и п д е й с т в и я э л е к т р о х и м и ч е с к и х м е т о д о в
з а щ и т ы о т к о р р о з и и

Защита от коррозии проводится в том случае, когда процесс корро
зии протекает при потенциале, которому соответствует скорость ионизации металла, превышающая технически допустимую, обеспечивающую необходимую долговечность конструкции. В этом случае потенциал коррозии ЕСТ находится в области активного растворения металла

Е

1

СТ или в области нарушения пассивного состояния Е

11

СТ (рис. 1.1).

Уменьшить скорость растворения до приемлемой величины jдоп

можно, сместив потенциал к достаточно низкому значению в активной
области, например к Eзащ, или сместив его в пассивную область, напри
мер до Е

11

защ. Добиться требуемого

смещения потенциала можно с помощью 
электрохимической
за
щиты. Для смещения потенциала
от Е

1

ст к Е

1

защ или от Е

11

ст к Е

11

защ

металл необходимо поляризовать
катодно.

Добиться смещения потенци
ала в этом направлении можно,
пользуясь внешним источником
тока. Этот метод принято называть
катодной защитой от внешнего источника. Катодную поляризацию
можно осуществить, соединив защищаемый металл с другим металлом,
имеющим
более
отрица
Рис. 1.1. Полная анодная 
поляризационная кривая

тельный потенциал. Этот метод получил название катодной защиты
с помощью анодных протекторов. Протектор в данном случае работает
как анод. Для смещения потенциала от Е

1

стдо Е

11

защметалл необходимо

поляризовать анодно. В случае поляризации от внешнего источника
тока метод называют анодной защитой. Возможно также осуществление анодной поляризации за счет соединения защищаемого металла
с протектором, имеющим более положительный потенциал. Этот метод
называется анодной защитой с помощью катодного протектора. Протектор в этом случае работает как катод.

Электрохимическая защита металлов от коррозии в растворах элек
тролитов основана на зависимости скоростей растворения от потенциала. При катодной защите используют снижение скорости растворения
металла в активной области при смещении потенциала в отрицательную сторону, т. е. положительный протект-эффект. Анодная защита использует принцип перевода металла в пассивное состояние.

1 . 2 . А г р е с с и в н о с т ь г р у н т о в

Почва и грунт содержат различные химические реагенты и влагу и

обладают ионной электропроводностью. Это делает их коррозионноактивными электролитами по отношению к эксплуатируемым в них металлическим конструкциям, что приводит к электрохимической коррозии конструкции.

По месту выполнения работ методы определения коррозионной ак
тивности грунтов делятся на лабораторные, полевые и лабораторно-полевые.

Лабораторные методы требуют отбора грунтов на трассе или пло
щадке в выбранных точках с последующим лабораторным испытанием
образцов. Коррозионная активность грунтов по отношению к подземным металлическим сооружениям оценивается по плотности поляризующего тока.

Согласно закону Ома сила тока какого-либо электрического про
цесса прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. В цепи источник тока–грунт–подземное металлическое соединение–источник тока имеются анодные и катодные
участки с соответствующими напряжениями Vа, Vк, сопротивлениями
Rа, Rки, Rг. Отсюда следует, что, создавая внешним источником

постоянного тока разность потенциалов ∆V = Vа − Vк и измеряя силу
тока в цепи, можно определить сопротивление коррозионному процессу, возникающее на аноде, катоде или окружающей среде. На этом
и основана методика оценки коррозионной активности грунта по отношению к углеродистой стали по поляризационным кривым.

Лабораторно-полевые методы требуют отбора проб образцов

грунта, но необходимые измерения производятся в передвижной лаборатории на месте забора проб. Отбор проб грунта (1,5–2 кг) осуществляют с глубины укладки подземного сооружения. Если пробу анализируют не сразу, то ее помещают в полиэтиленовый мешок и плотно завязывают. В этом случае каждую пробу сопровождают паспортом с указанием места и глубины отбора пробы и порядкового номера. Если
грунт исследуют сразу, то его отправляют в передвижную лабораторию
на подготовку.

Коррозионная активность грунтов по отношению к подземным ме
таллическим сооружениям оценивается по удельному электрическому
сопротивлению грунта ρг . Под удельным электросопротивлением
почвы принято понимать сопротивление растеканию электрического
тока в условном почвенном проводнике, имеющем площадь поперечного сечения 1 м2 и длину 1 м. Единица измерения удельного электросопротивления Ом·м.

По удельному электросопротивлению грунта можно оценить его

коррозионную активность, получив сведения для расчета эффективной
электрозащиты подземных сооружений, выбора конструкции и расчета
анодного заземления при катодной защите. Коррозионная активность
грунтов в зависимости от их удельного сопротивления по отношению
к углеродистой стали приведена в табл 1.1.

Таблица 1.1

Коррозийная активность грунтов

Коррозийная активность
Ом∙м

Низкая
Свыше 100

Средняя
Свыше 20 – до 100

Повышенная
Свыше 10 – до 20

Высокая
Свыше 5 – до 10

Весьма высокая
До 5

Значения удельного сопротивления грунтов используют в расчетах

анодного заземления при катодной защите. На трассе проектируемых
трубопроводов удельное электрическое сопротивление грунта измеряют через каждые 100–500 м. При этом погрешность определения
среднего значения удельного электрического сопротивления грунтов не
превышает 10 %.

Измеряют удельное электрическое сопротивление грунтов с помо
щью электродных установок. Применяются установки с числом электродов от четырех до одного. Так как грунты в естественном состоянии
представляют собой капиллярно-пористую систему, заполненную влагой с растворенными в ней солями, то удельное электрическое сопротивление грунтов по глубине непрерывно изменяется. В связи с этим
измеряемое удельное электрическое сопротивление будет характеризовать грунт на некоторой глубине от поверхности (обычно чуть больше
глубины заложения трубопровода). Данное значение называют кажущимся удельным электрическим сопротивлением грунта. Кажущееся
удельное сопротивление грунтов достаточно сложно зависит от взаимного расположения электродов и строения грунтов на обследуемой глубине. В целях упрощения расчетов применяют линейное симметричное
расположение электродов.

1 . 3 . П р и н ц и п к а т о д н о й з а щ и т ы

Катодную защиту внешним током (КЗВТ) широко применяют для

защиты подземных и гидротехнических сооружений. Практически катодную защиту можно использовать всегда, когда это экономически
обосновано и имеются источники электроэнергии. Применимость катодной защиты зависит от характера катодной реакции коррозионного
процесса. Если коррозия протекает с водородной деполяризацией, то
для достижения полной защиты металла необходим защитный ток,
плотность которого во много раз превышает плотность коррозионного
тока. Практически это означает, что использование катодной защиты
в таких условиях невозможно из-за больших количеств выделяющегося
водорода и значительных энергетических затрат. Например, для защиты стали в 0,3 М H2SO4 защитная плотность тока должна быть примерно 300 А/м2. Если же коррозия металла идет с кислородной деполяризацией, например, в грунтах, то защитная плотность тока в основном

зависит от скорости диффузии кислорода. При этом величина защитного тока будет расти только при увеличении степени аэрации. Обычно
КЗВТ используется совместно с различными изоляционными покрытиями наружной поверхности защищаемого сооружения. Преимущества:

− высокая эффективность (почти 100 % защита);
− возможность защиты протяженных металлических поверхно
стей, имеющих поврежденную изоляцию и вообще лишенных ее 
в средах с различным удельным сопротивлением;

− возможность регулирования защитного тока в процессе эксплуа
тации;

− возможность автоматизации процесса защиты.
К недостаткам метода можно отнести высокую начальную стои
мость работ, необходимость систематического контроля и профилактического ремонта, а также возможное вредное влияние на соседние незащищенные металлические конструкции.

Катодная защита внешним током, осуществляемая с помощью по
дачи постоянного тока от внешнего источника, к отрицательному полюсу которого (т. е. в качестве катода) присоединяется защищаемая
конструкция, а к положительному полюсу (т. е. в качестве анода) – дополнительный электрод, для случая защиты подземного трубопровода
схематично показана на рис. 1.2.

От отрицательного полюса источника тока 1 через провод 2 отри
цательные заряды поступают в пункте дренажа 3 на защищаемую трубу
4 и текут по ней, попадая через дефектные места изолирующего покрытия 5 в грунт. Из грунта ток переходит на анодное заземление 6, откуда
по проводу 7 возвращается к положительному полюсу своего источника. Поверхность металлической трубы при этом поляризуется катодно и защищается от коррозионного разрушения, а анодное заземление, для которого обычно применяются ненужные стальные балки,
рельсы или другой металлический лом, активно разрушается. Электрическая схема катодной защиты внешним током приведена на рис. 1.2б.
Источник постоянного тока I дает на зажимах напряжение Е, необходимое для защиты определенного участка трубопровода. Ток (отрицательные заряды) от отрицательного полюса источника по проводу с сопротивлением R1 попадает в точке дренажа на защищаемую трубу, сопротивление которой R2. Затем следует сопротивление R3, являющееся переходным сопротивлением между трубопроводом и грунтом, которое
тем больше, чем в лучшем состоянии находится защитная изоляция