Катодний захист проти головної системи вирівнювання потенціалів — чому підключення трубопроводу може звести нанівець сам захист

Посібник про гальванічну корозію на заземлювальних електродах розглядає небажану, пасивну гальванічну пару, яка виникає, коли мідь і сталь ненавмисно з'єднуються одна з одною в ґрунті. Ця стаття розглядає дзеркальне відображення цієї ситуації: випадок, у якому металевий трубопровід або резервуар навмисно захищається катодно від корозії, і в якому саме те з'єднання вирівнювання потенціалів, якого вимагає норма установки для електробезпеки — головна система вирівнювання потенціалів — може сама підірвати цей навмисний захист.

Що робить катодний захист

Катодний захист (КЗ) — це техніка захисту від корозії для закопаних або занурених металевих конструкцій — газопроводів, резервуарів для нафти, шпунтових стінок, трубопровідних систем — яка працює за допомогою електрохімічного перетворення металу, що захищається, на катод, щоб він сам не піддавався корозії. Це досягається двома способами:

• Протекторні аноди: менш благородний метал (зазвичай цинк, магній або алюміній) електрично з'єднується із захищуваним трубопроводом і переважно сам піддається корозії, захищаючи трубопровід за допомогою гальванічної пари — той самий механізм, що лежить в основі небажаної пари мідь-сталь із пов'язаного посібника, але тут застосовуваний навмисно та контрольовано.
• Накладений струм (impressed current): випрямляч нагнітає постійний струм через ґрунт до трубопроводу через виділені, часто інертні аноди, утримуючи трубопровід при достатньо від'ємному потенціалі відносно ґрунту для придушення корозії.

Чому система вирівнювання потенціалів може звести це нанівець

Посібник про головне вирівнювання потенціалів сторонніх провідних частин розглядає вимогу норми установки про те, що стороння провідна частина, яка входить у будівлю — включно з металевими системами трубопроводів — повинна бути підключена до головної заземлювальної шини, щоб запобігти виникненню доступної для дотику небезпечної напруги між цією частиною та іншими заземленими частинами в разі несправності в іншому місці установки. Ця вимога повністю незалежна від катодного захисту того самого трубопроводу і не враховує його.

Проблема: щойно катодно захищений трубопровід виявляється безпосередньо, з низьким імпедансом з'єднаний із головною заземлювальною шиною будівлі — а тим самим, через заземлювальний пристрій установки, з набагато більшою, неконтрольованою системою інших заземлених металевих частин — значна частина захисного струму (або, при системі з протекторним анодом, значна частина гальванічного струму) може витікати через це низькоімпедансне з'єднання в решту заземлювальної установки, замість того щоб продовжувати текти до самого трубопроводу. Результатом є те, що захисний потенціал трубопроводу перестає утримуватися на заданому рівні, і трубопровід може й надалі піддаватися корозії, попри в інших відношеннях правильно розраховану систему КЗ — водночас заземлювальна система будівлі ненавмисно бере на себе частину накладеного або гальванічного струму.

Зверніть увагу: це не аргумент на користь простого виключення з'єднання вирівнювання потенціалів — це порушило б вимогу захисту від дотику за §411.3. Суть у тому, що обидві вимоги (електробезпека через вирівнювання потенціалів і захист від корозії через КЗ) можуть бути виконані одночасно лише за допомогою пристрою, спеціально спроєктованого для цього поєднання, а не простим прямим з'єднанням.

Практичне рішення: ізолювальна муфта плюс пристрій розв'язки постійного струму

Поширене рішення поєднує два елементи:

1. Ізолювальну муфту (insulating flange) у самому трубопроводі, в місці його входу в будівлю, яка електрично відокремлює катодно захищену зовнішню ділянку трубопроводу від його частини всередині будівлі.
2. Пристрій розв'язки постійного струму (наприклад, поляризаційну комірку або напівпровідниковий розв'язувач), підключений паралельно цій ізолювальній муфті, який при нормальних, низьких напругах (типові різниці потенціалів постійного струму системи КЗ) демонструє високий імпеданс — щоб струм КЗ не витікав через будівлю — але стає провідним достатньо швидко під час електричної несправності, яка спричинила б небезпечну напругу на муфті, щоб усе ж виконати вимогу вирівнювання потенціалів і захисту від дотику.

Таким чином трубопровід усередині будівлі залишається ефективно вирівняним за потенціалом із рештою установки для цілей безпеки щоразу, коли це потрібно, без короткого замикання катодного захисту зовнішньої ділянки через заземлювальну установку будівлі під час нормальної, безаварійної експлуатації.

Практична значущість

У будівлі або на території, де катодно захищений трубопровід або резервуар входить у будівлю — часто на промислових установках, заправних станціях, при розподілі газу або на більших сільськогосподарських/ комунальних об'єктах — проєкт головної системи вирівнювання потенціалів має бути явно узгоджений зі стороною, відповідальною за катодний захист (часто спеціалізований інженер із корозії, а не електротехнічний проєктувальник): чи присутня ізолювальна муфта з пристроєм розв'язки постійного струму, чи її потрібно додати, і чи не відводить уже наявне з'єднання вирівнювання потенціалів непомітно струм КЗ. Проста візуальна перевірка (чи приварений або затиснений трубопровід кабелем безпосередньо до головної заземлювальної шини, без проміжного пристрою?) часто вже дає першу вказівку на проблему.

Типові помилки

1. Підключення трубопроводу безпосередньо, з низьким імпедансом, до головної заземлювальної шини без ізолювальної муфти, замикаючи катодний захист через заземлювальну установку будівлі.
2. Виключення з'єднання вирівнювання потенціалів заради збереження ефективності КЗ — це може вирішити проблему КЗ, але порушує вимогу захисту від дотику за §411.3 для сторонніх провідних частин.
3. Відсутність консультації зі стороною, відповідальною за КЗ, під час проєктування або зміни головної системи вирівнювання потенціалів, через що зміна в електричній установці непомітно вимикає систему КЗ, що функціонувала роками.
4. Застосування пристрою розв'язки постійного струму, який не відповідає необхідному струму провідності та напрузі для функції захисту від дотику — компонент повинен як блокувати струм КЗ під час нормальної роботи, так і ставати провідним достатньо швидко під час електричної несправності.

Пов'язані матеріали

• Гальванічна корозія на заземлювальних електродах — вибір матеріалу мідь проти сталі
• Головне вирівнювання потенціалів — сторонні провідні частини
• Блукаючі струми через паралельні шляхи N-PE в TN-C-S