Ochrona katodowa a połączenie wyrównawcze główne — dlaczego podłączenie rurociągu może zniweczyć ochronę, dla której go zainstalowano

Przewodnik o korozji galwanicznej przy elektrodach uziemiających omawia niepożądaną, bierną parę galwaniczną, powstającą, gdy miedź i stal zostają niezamierzenie połączone ze sobą w gruncie. Ten artykuł omawia lustrzane odbicie tej sytuacji: przypadek, w którym metalowy rurociąg lub zbiornik jest celowo chroniony katodowo przed korozją, a samo połączenie wyrównawcze, którego wymaga norma instalacyjna dla bezpieczeństwa elektrycznego — główne połączenie wyrównawcze — może samo osłabić tę celową ochronę.

Co robi ochrona katodowa

Ochrona katodowa (KB) to technika ochrony przed korozją dla zakopanych lub zanurzonych konstrukcji metalowych — rurociągów gazowych, zbiorników na olej, ścianek szczelnych, systemów rurociągów — działająca poprzez elektrochemiczne przekształcenie chronionego metalu w katodę, tak aby sam się nie korodował. Odbywa się to na dwa sposoby:

• Anody protektorowe: metal mniej szlachetny (zwykle cynk, magnez lub aluminium) jest elektrycznie połączony z chronionym rurociągiem i koroduje preferencyjnie sam, chroniąc rurociąg poprzez parę galwaniczną — ten sam mechanizm leżący u podstaw niepożądanej pary miedź-stal z powiązanego przewodnika, lecz tutaj zastosowany celowo i w sposób kontrolowany.
• Prąd wymuszony (impressed current): prostownik wymusza prąd stały przez grunt do rurociągu za pośrednictwem dedykowanych, często obojętnych anod, utrzymując rurociąg na wystarczająco ujemnym potencjale względem gruntu, aby tłumić korozję.

Dlaczego połączenie wyrównawcze może to zniweczyć

Przewodnik o głównym połączeniu wyrównawczym obcych części przewodzących omawia wymóg normy instalacyjnej, aby obca część przewodząca wchodząca do budynku — w tym metalowe systemy rurociągów — była podłączona do głównej szyny uziemiającej, aby zapobiec powstaniu dotykowego, niebezpiecznego napięcia między tą częścią a innymi częściami uziemionymi w przypadku usterki w innym miejscu instalacji. Wymóg ten jest całkowicie niezależny od ochrony katodowej tego samego rurociągu i nie uwzględnia jej.

Problem: gdy tylko chroniony katodowo rurociąg zostanie bezpośrednio, niskoimpedancyjnie połączony z główną szyną uziemiającą budynku — a tym samym, poprzez instalację uziemiającą, z dużo większym, niekontrolowanym systemem innych uziemionych części metalowych — znaczna część prądu ochronnego (lub, przy systemie z anodą protektorową, znaczna część prądu galwanicznego) może uciekać przez to niskoimpedancyjne połączenie do reszty instalacji uziemiającej, zamiast nadal płynąć do samego rurociągu. Skutkiem jest to, że potencjał ochronny rurociągu przestaje być utrzymywany na zamierzonym poziomie, a rurociąg może nadal korodować mimo poprawnie zwymiarowanego skądinąd systemu KB — a jednocześnie instalacja uziemiająca budynku niechcący przejmuje część prądu wymuszonego lub galwanicznego.

Uwaga: nie jest to argument za pominięciem połączenia wyrównawczego — naruszałoby to wymóg ochrony dotykowej z §411.3. Chodzi o to, że oba wymagania (bezpieczeństwo elektryczne poprzez połączenie wyrównawcze i ochrona przed korozją poprzez KB) mogą być spełnione jednocześnie tylko za pomocą urządzenia zaprojektowanego specjalnie do tego połączenia, a nie za pomocą prostego, bezpośredniego przewodu.

Rozwiązanie praktyczne: złączka izolacyjna plus odsprzęglacz DC

Powszechne rozwiązanie łączy dwa elementy:

1. Złączka izolacyjna (insulating flange) w samym rurociągu, w miejscu, w którym wchodzi on do budynku, oddzielająca elektrycznie chroniony katodowo odcinek zewnętrzny rurociągu od jego części wewnątrz budynku.
2. Odsprzęglacz DC (np. ogniwo polaryzacyjne lub odsprzęglacz oparty na półprzewodnikach) podłączony równolegle do tej złączki izolacyjnej, który przy normalnych, niskich napięciach (typowe różnice potencjałów DC systemu KB) prezentuje wysoką impedancję — tak aby prąd KB nie uciekał przez budynek — lecz który staje się przewodzący wystarczająco szybko podczas awarii elektrycznej, która spowodowałaby niebezpieczne napięcie na złączce, aby nadal spełnić wymóg połączenia wyrównawczego i ochrony dotykowej.

W ten sposób rurociąg wewnątrz budynku pozostaje, dla celów bezpieczeństwa, skutecznie połączony wyrównawczo z resztą instalacji, gdy tylko jest to potrzebne, bez zwierania ochrony katodowej odcinka zewnętrznego przez instalację uziemiającą budynku w normalnej, bezawaryjnej eksploatacji.

Znaczenie praktyczne

W budynku lub na terenie, gdzie chroniony katodowo rurociąg lub zbiornik wchodzi do budynku — częste przy instalacjach przemysłowych, stacjach paliw, dystrybucji gazu lub większych obiektach rolniczych/użyteczności publicznej — projekt głównego połączenia wyrównawczego musi zostać wyraźnie uzgodniony ze stroną odpowiedzialną za ochronę katodową (często wyspecjalizowany inżynier korozji, a nie projektant elektryczny): czy obecna jest złączka izolacyjna z odsprzęglaczem DC, czy trzeba ją dodać, i czy istniejące połączenie wyrównawcze nie odprowadza już niepostrzeżenie prądu KB. Prosta kontrola wzrokowa (czy rurociąg jest bezpośrednio spawany lub zaciskany kablem do głównej szyny uziemiającej, bez pośredniego urządzenia?) często daje już pierwszą wskazówkę o problemie.

Najczęstsze błędy

1. Podłączanie rurociągu bezpośrednio, niskoimpedancyjnie, do głównej szyny uziemiającej bez złączki izolacyjnej, zwierając ochronę katodową przez instalację uziemiającą budynku.
2. Pomijanie połączenia wyrównawczego w celu zachowania skuteczności KB — może to rozwiązać problem KB, lecz narusza wymóg ochrony dotykowej z §411.3 dla obcych części przewodzących.
3. Brak konsultacji ze stroną odpowiedzialną za KB przy projektowaniu lub zmianie głównego połączenia wyrównawczego, przez co zmiana w instalacji elektrycznej niepostrzeżenie wyłącza system KB działający od lat.
4. Zastosowanie odsprzęglacza DC, który nie spełnia wymaganego prądu przewodzenia i napięcia dla funkcji ochrony dotykowej — element ten musi zarówno blokować prąd KB podczas normalnej pracy, jak i stać się przewodzący wystarczająco szybko podczas awarii elektrycznej.

Powiązane

• Korozja galwaniczna przy elektrodach uziemiających — wybór materiału miedź versus stal
• Główne połączenie wyrównawcze — obce części przewodzące
• Prądy błądzące z równoległych ścieżek N-PE w TN-C-S