Катодная защита против главной системы уравнивания потенциалов — почему подключение трубопровода может свести на нет саму защиту

Руководство о гальванической коррозии на заземляющих электродах рассматривает нежелательную, пассивную гальваническую пару, которая возникает, когда медь и сталь непреднамеренно соединяются друг с другом в грунте. Эта статья рассматривает зеркальное отражение этой ситуации: ситуацию, в которой металлический трубопровод или резервуар намеренно защищается катодно от коррозии, и в которой то самое соединение уравнивания потенциалов, которое требует норма установки для электробезопасности — главная система уравнивания потенциалов — может сама подорвать эту намеренную защиту.

Что делает катодная защита

Катодная защита (КЗ) — это техника защиты от коррозии для закопанных или погружённых металлических конструкций — газопроводов, резервуаров для нефти, шпунтовых стенок, трубопроводных систем — которая работает посредством электрохимического превращения защищаемого металла в катод, чтобы он сам не подвергался коррозии. Это достигается двумя способами:

• Протекторные аноды: менее благородный металл (обычно цинк, магний или алюминий) электрически соединяется с защищаемым трубопроводом и преимущественно сам подвергается коррозии, защищая трубопровод посредством гальванической пары — тот же механизм, лежащий в основе нежелательной пары медь-сталь из связанного руководства, но здесь применяемый намеренно и контролируемо.
• Наложенный ток (impressed current): выпрямитель нагнетает постоянный ток через грунт к трубопроводу через выделенные, часто инертные аноды, удерживая трубопровод при достаточно отрицательном потенциале относительно грунта для подавления коррозии.

Почему система уравнивания потенциалов может свести это на нет

Руководство о главном уравнивании потенциалов сторонних проводящих частей рассматривает требование нормы установки о том, что сторонняя проводящая часть, входящая в здание — включая металлические системы трубопроводов — должна быть подключена к главной заземляющей шине, чтобы предотвратить возникновение доступного для прикосновения опасного напряжения между этой частью и другими заземлёнными частями в случае неисправности в другом месте установки. Это требование полностью независимо от катодной защиты того же трубопровода и не учитывает её.

Проблема: как только катодно защищённый трубопровод оказывается напрямую, с низким импедансом соединён с главной заземляющей шиной здания — а тем самым, через заземляющее устройство установки, с гораздо большей, неконтролируемой системой других заземлённых металлических частей — значительная часть защитного тока (или, при системе с протекторным анодом, значительная часть гальванического тока) может утекать через это низкоимпедансное соединение в остальную часть заземляющей установки, вместо того чтобы продолжать течь к самому трубопроводу. В результате защитный потенциал трубопровода перестаёт удерживаться на заданном уровне, и трубопровод может по-прежнему подвергаться коррозии, несмотря на в остальном правильно рассчитанную систему КЗ — при этом заземляющая система здания непреднамеренно принимает на себя часть наложенного или гальванического тока.

Обратите внимание: это не аргумент в пользу простого исключения соединения уравнивания потенциалов — это нарушило бы требование защиты от прикосновения по §411.3. Суть в том, что оба требования (электробезопасность через уравнивание потенциалов и защита от коррозии через КЗ) могут быть выполнены одновременно только с помощью устройства, специально спроектированного для этого сочетания, а не простым прямым соединением.

Практическое решение: изолирующая муфта плюс устройство развязки постоянного тока

Распространённое решение сочетает два элемента:

1. Изолирующую муфту (insulating flange) в самом трубопроводе, в месте его входа в здание, которая электрически отделяет катодно защищённый наружный участок трубопровода от его части внутри здания.
2. Устройство развязки постоянного тока (например, поляризационную ячейку или полупроводниковый развязыватель), подключённое параллельно этой изолирующей муфте, которое при нормальных, низких напряжениях (типичные разности потенциалов постоянного тока системы КЗ) представляет высокий импеданс — чтобы ток КЗ не утекал через здание — но становится проводящим достаточно быстро при электрической неисправности, которая вызвала бы опасное напряжение на муфте, чтобы всё же выполнить требование уравнивания потенциалов и защиты от прикосновения.

Таким образом трубопровод внутри здания остаётся эффективно уравненным по потенциалу с остальной частью установки в целях безопасности всякий раз, когда это необходимо, без короткого замыкания катодной защиты наружного участка через заземляющую установку здания при нормальной, безаварийной эксплуатации.

Практическая значимость

В здании или на территории, где катодно защищённый трубопровод или резервуар входит в здание — часто на промышленных установках, заправочных станциях, при распределении газа или на более крупных сельскохозяйственных/коммунальных объектах — проект главной системы уравнивания потенциалов должен быть явно согласован со стороной, ответственной за катодную защиту (часто специализированный инженер по коррозии, а не электротехнический проектировщик): присутствует ли изолирующая муфта с устройством развязки постоянного тока или её нужно добавить, и не отводит ли уже существующее соединение уравнивания потенциалов незаметно ток КЗ. Простая визуальная проверка (приварен или зажат ли трубопровод кабелем напрямую к главной заземляющей шине, без промежуточного устройства?) часто уже даёт первое указание на проблему.

Типичные ошибки

1. Подключение трубопровода напрямую, с низким импедансом, к главной заземляющей шине без изолирующей муфты, замыкая катодную защиту через заземляющую установку здания.
2. Исключение соединения уравнивания потенциалов ради сохранения эффективности КЗ — это может решить проблему КЗ, но нарушает требование защиты от прикосновения по §411.3 для сторонних проводящих частей.
3. Отсутствие консультации со стороной, ответственной за КЗ, при проектировании или изменении главной системы уравнивания потенциалов, из-за чего изменение в электрической установке незаметно отключает систему КЗ, функционировавшую годами.
4. Применение устройства развязки постоянного тока, не соответствующего требуемому току проводимости и напряжению для функции защиты от прикосновения — компонент должен как блокировать ток КЗ при нормальной работе, так и становиться проводящим достаточно быстро при электрической неисправности.

Связанные материалы

• Гальваническая коррозия на заземляющих электродах — выбор материала медь против стали
• Главное уравнивание потенциалов — сторонние проводящие части
• Блуждающие токи через параллельные пути N-PE в TN-C-S