METODE DE PROTECŢIE ANTICOROZIVĂ PASIVĂ ŞI ACTIVĂ A CONDUCTELOR Protecţia pasivă contra coroziunii exterioare a conductelor Izolarea anticorozivă a conductei montată subteran se va realiza în conformitate cu standardele în vigoare. Protecţia pasivă contra coroziunii externe a conductei subterane se realizează prin izolarea conductei, tipul de izolaţie se poate alege în funcţie de: agresivitatea şi structura solului; prezenţa curenţilor de dispersie; clasa de locaţie a conductei; diametrul conductei; condiţiile de montaj. În zonele în care sunt prezenţi curenţii de dispersie izolaţia conductei este de tip foarte întărită pentru izolaţie cu benzi sau întărită pentru izolaţie cu materiale aplicate prin extrudare. Izolaţia pe bază de răşini epoxidice se poate utiliza în zonele în care a fost evidenţiată prezenţa curenţilor de dispersie, numai dacă prin agrementul tehnic este specificat acest lucru. Sistemul de izolare ce se aplică pe conductă poate fi: sistem de izolare cu benzi aplicate la rece; sistem de izolare cu benzi aplicate la cald; sistem de izolare cu materiale aplicate prin extrudare; sistem de izolare cu răşini epoxidice Materialele folosite la realizarea izolaţiei exterioare a conductelor trebuie să fie certificate prin buletine de analiză şi de calitate, ce trebuie să însoţească livrarea. Dacă supervizorul constată sau suspectează neconcordanţe între documentele de însoţire şi materialele livrate, poate cere furnizorului o nouă certificare a calităţii. Verificarea calităţii izolaţiei tronsoanelor de conductă furnizate pe şantier se va executa de către constructor sub supravegherea dirigintelui de şantier. Se verifică cel puţin următorii parametrii: aspect, aderenţă, grosime, continuitate, rezistenţa specifică a izolaţiei. Aspectul izolaţiei se controlează vizual verificându-se dacă aceasta este uniformă, fără denivelări, crăpături. Izolaţia nu trebuie să prezinte pori, fisuri, bule de aer sau corpuri străine. Aspectul se controlează pe toată suprafaţa izolată. Aderenţa izolaţiei se execută la temperatura ambiantă de 15...25°C. Aderenţa se execută funcţie de sistemul de izolare în modul următor: a. pe loturi de câte 30 cupoane, câte o încercare pe lot, în cazul că izolaţia se constată a fi aderentă b. pe fiecare cupon al lotului, în cazul în care testarea de la punctul "a" în dică izolaţie neaderentă în diferite puncte Pentru izolarea cu răşini epoxidice aderenţa se verifică conform normelor impuse de SR ISO 2409:2007. Modul de lucru pentru verificarea aderenţei strat-strat (numai în cazul izolării cu benzi) este următorul: 1. se execută o tăietură în izolaţie, cu ajutorul unui cuţit pe o lungime de 100 mm, astfel încât vârful cuţitului să fie în contact cu suprafaţa metalică; 2. perpendicular pe tăietura de mai sus se execută o altă tăietură de 20 mm astfel încât vârful cuţitului să fie în contact cu suprafaţa metalică; 3. capetele tăieturilor de mai sus se unesc sub forma unui dreptunghi; 4. se dezlipeşte un capăt al dreptunghiului, pe o lungime de 20 mm, de suprafaţa metalică. Pe această lungime se dezlipesc straturile de izolaţie unul faţă de altul sau bitumul faţă de banda de protecţie;
5. se prinde capătul dezlipit al stratului superior (sau a benzii de protecţie în cazul izolaţiei cu bitum) cu ajutorul unui dinamometru şi se trage cu o viteză de 100 mm/min citindu-se forţa F(kgf); 6. se calculează aderenţa în N/10mm (din formula F(kgf)x5) care trebuie să respecte cerinţele din Anexa 4.5 partea B punct 7. Aderenţa izolaţiei va fi măsurată cu un dinamometru etalonat iar rezultatul măsurării va fi consemnat într-un buletin de măsurare. Buletinul de măsurare va fi elaborat de un laborator acreditat. Dacă se constată lipsa aderenţei pe loturi, conform subpunctelor a) şi b), lotul va fi refuzat. Grosimile minime ale izolaţiei vor trebui respectate, funcţie de sistemul de izolare şi de tipul izolaţiei. Măsurarea se execută manual, nedistructiv, cu un aparat omologat metrologic de tip magnetic sau electromagnetic, aprobat în prealabil de supervizor. Cu acordul scris al supervizorului, pe fiecare metru de lungime de ţeavă izolată se poate accepta o suprafaţă de maxim 5 cm2 cu grosime mai mică cu 10% decât minimul prevăzut. Grosimea izolaţiei va fi măsurată cu un aparat etalonat iar rezultatul măsurării va fi consemnat într-un buletin de măsurare. Buletinul de măsurare va fi elaborat de un laborator acreditat. Continuitatea izolaţiei se verifică la temperatura mediului ambiant, cu defectoscopul cu scântei, numit şi "izotest". Electrodul de testare va fi obligatoriu circular, acoperind complet circumferinţa ţevii izolate. Tensiunile de încercare sunt funcţie de sistemul de izolare utilizat. Se controlează întreaga suprafaţă izolată la fiecare cupon. Locurile unde se produc scântei se marchează ca defecte de izolaţie. Dacă există mai mult de 2 defecte cu o suprafaţa mai mică de 5 cm2 pe fiecare metru liniar de cupon, cuponul va fi refuzat. Măsurarea rezistenţei specifice a izolaţiei constă din determinarea curentului, la potenţial electric constant, ce străbate izolaţia, între un electrod de suprafaţă determinată şi ţeavă, cuponul sau conducta fiind izolată (Figura 1.1). Se execută o singură verificare pe câte un lot de 30 de cupoane. În cazul unei rezistenţe de izolaţie necorespunzătoare, se va verifica fiecare cupon al lotului respectiv. Cupoanele cu rezistenţă specifică mai mică decât rezistenţa specifică impusă vor fi eliminate. Metoda constă din determinarea curentului, la potenţial electric constant, ce străbate izolaţia între un electrod de suprafaţă determinată şi conducta metalică izolată. Aparatura folosită este următoarea: Voltmetru cu clasa de precizie 1,5; Microampermetru cu clasa de precizie 1,5; Potenţiometru (reostat) cu rezistenţa până la 1 k Ω şi putere 1 W; Sursă de tensiune continuă cu tensiunea la borne 30 V; Conductori de legătură din cupru, izolaţi cu secţiunea minimă 2,5 mm2; Electrod din tablă cu grosime 0,2 – 0,4 mm, lungimea egală cu circumferinţa conductei şi lăţimea de 0,3 m; Bandă textilă (molton, pâslă) cu lăţimea 0,3 m şi lungimea egală circumferinţa conductei; Soluţie 3% NaCl.
Figura 1.1. Montajul de măsură a rezistenţei specifice de izolaţie
Peste conducta izolată se aplică o bandă textilă de 0,3 m lăţime îmbibată în soluţie 3% NaCl, pe toată circumferinţa conductei. Peste banda textilă se aplică electrodul din tablă, curăţat la luciu metalic, pe întreaga circumferinţă a conductei şi care se strânge pe conductă printr-un procedeu adecvat. La aproximativ 0–10 cm de la marginea benzii textile, se 2
îndepărtează izolaţia de pe conductă, se curăţă la luciu metalic şi se execută un contact electric bun, printr-un procedeu adecvat. Izolarea sudurilor se execută cu benzi aplicate la rece sau manşoane termocontractile după o tehnologie dată de furnizorul de materiale. Izolaţia la suduri va respecta compatibilitatea cu tipul izolaţiei de pe traseul conductei. Toate materialele utilizate vor avea agremente tehnice iar procedura de aplicare va fi agreată de beneficiar. Materialele pentru izolare se depozitează în locuri uscate, închise în ambalajul original. Materialele nu se vor expune razelor de soare, ploii, zăpezii, prafului. Ţevile şi elementele izolaţiei trebuie să fie ţinute la o temperatura cu 3 grade Celsius peste dew point/punctul de rouă înainte de izolare. Se va evita păstrarea îndelungată la temperaturi de peste 350 C sau sub -200 C. Aplicarea izolaţiei pe ţeavă pe întreaga suprafaţă, se execută în staţii fixe, cu excepţia a 0,3 – 0,5 m liniari , de fiecare din capetele ţevii. Marginile izolaţiei existente pe ţeavă vor fi curăţate (sau eventual raşchetate pe o lăţime de 50 mm, prin intermediul unui cuţit) , pentru o bună aderenţă a benzii sau a manşonului termocontractil la suprafaţa izolaţiei aplicate în staţiile fixe. Marginile izolaţiei ţevii aplicate în staţii fixe vor fi şanfrenate la 450 C astfel încât la aplicarea izolaţiei în dreptul sudurilor, trecerea între izolaţia existentă pe ţeavă şi izolaţia aplicată la sudură izolaţia să fie corespunzătoare ( practic să nu existe spaţii libere). Verificarea izolaţiei aplicate la suduri se execută după procedurile prezentate anterior, (evident în loc de cupon verificarea se referă la o sudură). Furnizorul de materiale de reparaţie a defectelor va fi acelaşi cu furnizorul de izolaţie. Toate materialele utilizate la reparaţii vor avea certificate de calitate. Furnizorul de izolaţie are obligaţia de a instrui personalul constructorului ce execută reparaţiile, în utilizarea corespunzătoare a materialelor şi a tehnologiei de reparaţii. Defectele de izolaţie vor fi reparate printr-o tehnologie pusă la dispoziţie de furnizorul de materiale. Se consideră defect de izolare la un cupon sau conductă, orice punct sau suprafaţă indiferent de mărimea sa care nu corespunde calitativ cerinţelor. Pentru repararea defectelor de izolaţie se taie din izolaţia existentă, cu ajutorul unor scule ascuţite adecvate, un dreptunghi care să cuprindă suprafaţa defectă. Marginile izolaţiei se taie pe verticală sub un unghi de 45° (şanfrenare). Se îndepărtează izolaţia până la oţelul conductei. Se curăţă suprafaţa metalică a conductei. Se aplică la rece grundul, prin pensulare atât pe suprafaţa metalică curăţată cât şi în afara acesteia, depăşindu-se marginile dreptunghiului cu cel puţin 50 mm de jur-împrejur. Stratul de grund se aplică la temperatura ambiantă şi trebuie să fie uniform, fără incluziuni de aer sau praf. Se aplică peticul de izolaţie conform tehnologiei furnizorului de izolaţie. Toate reparaţiile se execută în prezenţa supervizorului. Orice reparaţie, împreună cu eventualele observaţii, se înregistrează în "Raportul de Reparaţii", care va servi şi la întocmirea procesului verbal de lucrări ascunse. Înainte de lansarea în şanţ izolaţia se verifică pe toată suprafaţa ei cu izotestul. Materiale utilizate în realizarea protecţiei pasive Materialele destinate acoperirii exterioare se stabilesc în funcţie de următorii parametrii: caracteristicile tubulaturii; condiţiile locale ale amplasamentului conductei: conducte subterane: natura şi caracteristicile mecanice, fizico-chimice şi microbiologice ale solului, tensiunile mecanice din conductă create de sol, prezenţa curenţilor de dispersie; conducte imersate în apă: tipul şi activitatea microbiologică ale apei, viteza de deplasare a apei, solicitările mecanice la amplasarea conductei; conducte supraterane: tipul atmosferei, condiţionarea sau nu a aerului din canale, tunele sau subtraversări, încastrarea conductei în pereţi; condiţiile de vecinătate ale conductei (formarea de macropile galvanice, în terferenţa cu alte structuri subterane protejate catodic); 3
accesul la conductă; temperatura de serviciu; temperatura ambiantă şi solicitarea mecanică la aplicarea acoperirii, pe durata transportului, depozitării şi efectuării probelor hidraulice; durabilitatea conductei şi costul mentenanţei; aplicarea protecţiei active (catodice); condiţiile economice. Acoperirea ţevilor se poate face în ateliere specializate sau pe şantier şi poate fi cu strat subţire sau cu strat gros. Acoperirea cu strat subţire, are o grosime mai mică de 100 µ m, se realizează cu grund sau materiale sintetice polimerizabile şi constituie primul strat de protecţie pasivă. Acoperirea cu strat gros are peste 100 µ m, este constituită din produse pe bază de bitum, gudron sau mase plastice, toate caracterizate prin rezistenţa ridicată la dezlipire şi la trecerea curentului electric. Durabilitatea acoperirii groase poate fi stabilită după o perioadă mai lungă de supraveghere deoarece coroziunea sub stratul de protecţie se manifestă lent. Frecvenţa maximă a degradărilor de izolaţie se constată în zonele de îmbinare realizate pe şantier şi a celor reparate ca urmare a deteriorării mecanice. Din aceste motive se impune ca pe întregul flux tehnologic de acoperire trebuie să se exercite un control riguros. Aceste activităţi fac parte din aşa numitele "lucrări ascunse", ale căror efecte se constată după un anumit timp de la darea în exploatare a conductei. Toate porţiunile din acoperire ce prezintă defecte trebuie refăcute în mod corect. De asemenea, se constată degradări frecvente ale izolaţiilor conductelor de transport din apropierea staţiilor de compresoare, unde temperatura gazelor poate ajunge la 90 0C. O operaţie importantă, care influenţează direct durabilitatea protecţiei, este cea de lansare a conductei. Datorită curburii pe care o capătă conducta la coborârea în şanţ, acoperirea de protecţie este puternic deformată. Dacă se depăşeşte limita de elasticitate a materialului de protecţie, în special pe timp rece, fisurile din strat compromit întreaga lucrare de acoperire. Aşezarea conductei în şanţ pe corpuri dure va duce la imprimarea acestora în stratul ductil de protecţie, micşorând local grosimea protecţiei. Acelaşi efect distructiv îl are şi umplerea şanţului cu pământ amestecat cu pietre. Pentru a preveni aceste situaţii, după aşezarea pe patul de nisip din şanţ, conducta se acoperă cu un strat suficient de gros de nisip. Astfel se evită şi procesul continuu de curgere a izolaţiei sub acţiunea presiunii pe care o exercită terenul din jurul conductei. La conductele, care pe traseu prezintă şi tronsoane aeriene, zona cea mai expusă coroziunii este cea din apropierea nivelului solului. Pentru a face faţă acţiunii corozive puternice a silicaţilor, produselor organice, sărurilor dizolvate, umezelii şi oxigenului, se recomandă aici aplicarea protecţiei întărite. Aceasta constă în aplicarea unui strat de grund şi unul de răşină epoxidică, sau un strat de răşină epoxidică armat cu ţesătură din fibre de sticlă peste care se înfăşoară suprapus în două straturi banda auto adezivă din material plastic. Tot ca protecţie pasivă se poate considera şi cea realizată prin joncţiuni electroizolante, plasate între tronsoanele de conductă cu potenţiale electrochimice mult diferite. Distanţa dintre două joncţiuni izolante se stabileşte în funcţie de situaţia concretă de pe traseu. La conductele paralele, dispuse alăturat, distanţele dintre joncţiunile izolante trebuie să fie aceleaşi. Fiecare din sistemele de protecţie pasivă prezentate dă satisfacţie pentru un anumit mediu agresiv sau pentru anumite condiţii de lucru. Pornind de la această constatare, proiectarea sistemului de protecţie trebuie făcută pentru fiecare caz în parte, fără a se neglija prezenţa concentratorilor sau perturbatorii exteriori de coroziune. Criterii care stau la baza clasificării acoperirilor protectoare ale conductelor subterane, dar şi a altor structuri metalice, sunt: rezistenţa la degradare mecanică; temperatura de lucru; condiţiile de aplicare pe suprafaţa metalică. Din punctul de vedere al degradării mecanice, clasificarea se face în funcţie de rezultatele obţinute în urma efectuării următoarelor încercări: rezistenţa la şoc; rezistenţa la penetrare sub sarcină; rezistenţa la desprindere de pe suprafaţa metalică, între straturi sau de pe izolaţia de fabrică. La acestea se adaugă: 4
rezistenţa specifică de izolare electrică; rezistenţa la desprindere catodică. Clasele de rezistenţă mecanică, conform EN 12068: 2002 sunt următoarele: clasa A - acoperiri cu o slabă rezistenţă mecanică; clasa B - acoperiri cu rezistenţă mecanică medie; clasa C - acoperiri cu rezistenţă mecanică ridicată. Din punctul de vedere al temperaturii maxime de lucru, clasificarea se face pe baza rezultatelor următoarelor încercări: rezistenţa la penetrare sub sarcină; rezistenţa la desprindere de pe suprafaţa metalică, între straturi sau de pe izolaţia de fabrică; rezistenţa la forfecare; rezistenţa la desprindere catodică; rezistenta la îmbătrânire termică. În funcţie de temperatura maximă de lucru se stabilesc trei clase: clasa A - materiale folosite până la temperatura de 30 0C; clasa 50 - materiale utilizate până la temperatura de 50 0C; clasa HT - materiale care pot lucra la temperaturi Tmax > 50 0C, temperatura de lucru permanent fiind indicată în paranteză. Clasificarea în funcţie de condiţiile speciale de aplicare este: clasa L - materiale ce pot lucra între -20 şi -5 0C; clasa VL - materiale care pot lucra la temperatura Tmin < -20 0C indicată în paranteză; clasa UV - materiale rezistente la acţiunea razelor ultraviolete, specifice tronsoanelor aeriene. Materialele sintetice folosite pentru protecţie nu trebuie să permită difuzia lichidelor şi gazelor agresive din mediul înconjurător sau din mediul de lucru. Difuzia acestora prin stratul protector conduce la coroziunea sub strat şi la desprinderea de pe suprafaţa metalică. Factorii cei mai importanţi care influenţează difuzia sunt presiunea şi temperatura. Din aceste motive, materialele plastice de acoperire se supun unor teste standardizate pentru a se stabili absorbţia, desorbţia şi permeabilitatea. Asemenea teste sunt de lungă durată, ele trebuind continuate până la stabilizarea parametrului urmărit. Materiale plastice pentru protecţia exterioară a conductelor Materialele plastice, prin proprietăţile lor deosebite, formează o grupă distinctă de materiale destinate protecţiei contra coroziunii conductelor prin acoperire. Ele pot fi împărţite în două mari grupe: materiale termoplastice: policlorura de vinil, polietilena, poliamida etc; materiale termorigide: poliesteri, poliuretani, răşini epoxidice, răşini fenolice etc. La alegerea lor ca materiale de acoperire pentru combaterea coroziunii se ţine seama de: rezistenţa la acţiunea agenţilor corozivi; tendinţa de absorbţie a apei; difuzia apei sub acţiunea curentului electric (electroosmoză); rigiditatea dielectrică; temperatura de lucru a conductei; aderenţa la oţel. Toate aceste caracteristici cerute sunt dependente de natura şi structura masei plastice. Din aceste motive, atât materialele cât şi tehnologiile de aplicare trebuie omologate înainte de a se trece efectiv la acoperire. Materiale termoplastice Materialele termoplastice au o bună rezistenţă faţă de agenţii corozivi. Folosirea lor este totuşi limitată de rezistenţa relativ mică la rupere şi de temperatura nu prea ridicată de lucru. Dintre materialele termoplastice, cele mai folosite sunt: policlorura de vinil, polietilena de înaltă densitate, polipropilena poliamida, şi clor-cauciucul. Policlorura de vinil (PVC) este un polimer termoplastic a cărui unitate structurală (monomer) este pe bază de acetilenă şi acid clorhidric. Produsele din PVC se prelucrează uşor la cald, se pot îmbina prin sudare cu aer încălzit la 2200C, sunt bune izolatoare termic, rezistă bine în apă, apă de mare etc., dar au o rezistenţă redusă la solvenţi. 5
Polipropilena este un produs pe bază de olefine se comportă mai bine la coroziune decât PVC-ul. Produsele din polipropilenă se pot îmbina prin sudare, de preferinţă prin suprapunere. Acestea rezistă foarte bine la toate soluţiile apoase alcaline sau acide din sol. Temperatura de îmbătrânire este de 135 0C. Sub acţiunea oxigenului şi razelor solare polipropilena se depolimerizează în timp, iar efectele directe sunt înrăutăţirea caracteristicilor mecanice şi apariţia fisurilor (îmbătrânire). Rezistenţa la acest tip de degradare se îmbunătăţeşte prin introducerea în masa polipropilenei a unor adaosuri cu efecte antioxidante şi stabilizatoare. Polipropilena nu favorizează depunerea de săruri din lichidele de lucru şi nici nu permite dezvoltarea bacteriilor pe suprafaţa sa. Polietilena este un material termoplastic obţinut prin polimerizarea etilenei la presiune înaltă sau la presiune joasă. Polietilena de înaltă presiune are o densitate scăzută, este moale şi permeabilă la oxigen, dioxid de carbon, alte gaze. O asemenea polietilenă nu se recomandă pentru protecţiile anticorozive. Polietilena de joasă presiune, numită şi polietilenă de înaltă densitate, are o greutate moleculară mare, densitate ridicată (0,92 - 0,95 g/cm3), este impermeabilă la gaze, ceea ce o recomandă ca material de protecţie contra coroziunii. Poliamidele fac parte din categoria polimerilor termoplastici parţial cristalini, cu rezistenţă şi duritate relativ ridicate. Unele proprietăţi ale poliamidelor sunt următoarele: rezistenţa la rupere la tracţiune 60 ... 80 N/mm2; rezistenţa la compresiune 80 .... 100 N/mm2; temperatura maximă de lucru + 130 DC; 0 absorbţia de apă (7 zile la +20 C) 0,4 ... 1,0%. Poliamidele, sunt folosite în principal ca straturi de acoperire pentru protejarea metalelor contra coroziunii şi uzării. Ele sunt rezistente faţă de produsele petroliere, solvenţi etc. Stratul aplicat prin extrudare este dur, tenace, aderent la oţel, rezistent la şocuri şi frecare. Pe suprafeţele acoperite cu poliamide nu se pot forma cruste prin depunerea de săruri din apele dure. Cu poliamide pot fi acoperite rotoarele şi carcasele pompelor centrifuge. Clor-cauciucul este folosit cu bune rezultate pentru protecţia prin acoperire a suprafeţelor expuse coroziunii. Acesta se caracterizează prin: aplicare uşoară, aderenţă bună, rezistenţă foarte bună la umezeală şi apă (apă dulce, apă de mare), soluţii alcaline sau acide. Clorcauciucul este dizolvat de hidrocarburile aromatice fără benzen şi de esteri. Aplicarea clorcauciucului se face la temperaturi de +5 - +3 0 C pe suprafeţe sablate, degresate şi grunduite, după max. 4 ore de la terminarea pregătirii. Reglarea vâscozităţii se face prin adăugarea de diluant în proporţie de 3 - 5 % la aplicarea cu pensula şi de 5 - 20 % la pulverizare cu aer. Grosimea unui strat uscat timp de 3 ore la 23 ± 2 0 C este de 30 - 35 µ m. La aplicarea clorcauciucului se în terzice utilizarea echipamentelor electrice sau prezenţa surselor de foc deschis, materialul metalic de acoperit se leagă la pământ, toate acestea, deoarece punctul de în flamabilitate se află sub +210 C. Materiale termorigide Materialele plastice termorigide, folosite în domeniul protecţiei contra coroziunii oferă o serie de avantaje cum ar fi: materialele ce se prezintă în iţial ca lichide vâscoase pot fi aplicate prin pensulare sau pulverizare, iar cele sub formă de pulbere, plin pulverizare electrostatică; stratul întărit este perfect aderent şi subţire (200 – 1000 µ m, în funcţie de material şi solicitare) şi asigură o protecţie garantată a substratului metalic; Dintre dezavantaje, pot fi amintite: necesită un consum important de energie termică pentru întărire; suprafaţa nu rămâne întotdeauna perfect netedă;
6
Materiale termocontractibile Materialele termocontractibile sunt materiale de tip polimer reticulat, care la încălzire directă se contractă, asigurând astfel creşterea strângerii şi etanşării pe ţeavă. Termocontracţia este un proces în care produsele trec din starea nereticulară, caracterizată prin lanţuri moleculare libere, nelegate, în starea reticulată, cu legături tridimensionale ale lanţurilor macromoleculare. Starea reticulată se obţine prin metode chimice sau radiochimice. Marea majoritate a produselor termocontractibile au la bază, polietilena de înaltă densitate reticulată prin iradiere. Pe lângă proprietăţile deosebite de izolare şi etanşare, aceste materiale prezintă o mare rezistenţă la solicitări mecanice, precum şi la îmbătrânire în condiţii meteorologice particulare, cum ar fi radiaţiile ultraviolete şi atmosfere agresive. Îmbunătăţirea etanşării, în special a tuburilor termocontractibile, se obţine prin acoperirea în terioară a acestora cu un adeziv, dar acest fapt face ca temperatura maximă de lucru să nu depăşească 80 ... 90 0C. Materiale de protecţie aplicate la cald I. Bitumul de petrol Bitumul de petrol este un produs de culoare închisă, brună până la negru, cu aspect mat sau lucios, obţinut prin oxidarea unor reziduuri cu caracter asfaltos rezultate în instalaţiile de distilare în vid, dezasfaltare, cracare etc. Din punct de vedere fizic, bitumul este un sistem coloidal, cu calităţi termoplastice, constituit din uleiuri, răşini, asfaltene, carbon, parafină. Modificarea cantitativă a oricărui component atrage după sine modificarea importantă a tuturor proprietăţilor (penetraţie, ductilitate, aderenţă, temperatură de înmuiere). Prin mărirea conţinutului în ulei se măreşte penetraţia şi se micşorează ductilitatea. Prin mărirea concentraţiei în răşini cresc ductilitatea şi temperatura de înmuiere. Mărirea cantităţii de asfaltene face să scadă penetraţia şi ductilitatea, dar se măreşte aderenţa la oţel. Depăşirea unui anumit conţinut în parafine face să crească penetraţia şi plasticitatea şi să scadă mult aderenţa. II. Gudronul de cărbune Gudronul de cărbune este un derivat al gudroanelor de cocserie, cu un conţinut moderat în produse aromatice, amestecat cu uleiul nevolatil provenit tot din cărbune. Prin distilare se extrag din gudron apă şi uleiurile volatile. Gudronul destinat acoperirii conţine o cantitate apreciabilă de pulberi fine de cărbune, materiale minerale inerte sau fibre dispersate în amestecul încălzit la o temperatură apropiată de cea de fierbere. Gudronul de cărbune are o acţiune polară mult mai puternică decât bitumul de petrol, ceea ce conferă o aderenţă superioară şi permite aplicarea directă pe suprafaţa sablată, fără a fi necesar ca suprafaţa să fie grunduită în prealabil. Când intervalul de timp între momentul pregătirii suprafeţei metalice pentru acoperire şi acoperirea propriu-zisă este mare, se aplică un grund pe bază de gudron de cărbune fără umplutură, fluidizat cu un solvent. Poate fi folosit şi un grund sintetic cu uscare rapidă pe bază de clor-cauciuc. Pe un asemenea grund, gudronul de cărbune se aplică având o temperatură de 210 - 220 0C. Gudronul de cărbune este indicat pentru protecţia conductelor ce transportă produse petroliere deoarece nu este dizolvat de acestea. Protecţia catodică (activă) a conductelor metalice îngropate În prezent protecţia catodică este unul din mijloacele importante de reducere a vitezei de coroziune, în special în cazul structurilor metalice de dimensiuni mari, în contact cu medii naturale. Criteriul teoretic al protecţiei catodice cere ca metalul să fie polarizat la un potenţial mai mic sau cel puţin egal cu valoarea potenţialului său de echilibru, în condiţiile date. Se protejează prin această metodă, în mod curent, construcţii cum ar fi: conducte metalice subterane, instalaţii portuare, platforme de foraj, nave, rezervoare de depozitare şi alte 7
echipamente. Metoda poate fi aplicată teoretic pentru orice metal, în orice mediu conductibil şi este eficientă pentru combaterea atât a coroziunii generale cât şi a celei localizate. Aplicarea protecţiei catodice cu sursă exterioară de curent. Pentru ca protecţia catodică să poată fi aplicată, trebuie îndeplinite următoarele condiţii: prezenţa în jurul suprafeţei de protejat a unui mediu conductibil: soluţie de electrolit, sol umed, apa de mare, etc. stratul conductibil care înconjoară suprafaţa să fie suficient de gros pentru a permite închiderea circuitului, anod-suprafaţa de protejat, şi pentru repartizarea uniformă a curentului pe această suprafaţă construcţia de protejat nu trebuie să aibă configuraţie prea complicată; proeminenţele şi adânciturile mari ale construcţiei complică mult sistemul de anozi necesari pentru protecţie, iar uneori fac imposibilă protejarea anumitor părţi datorită fenomenului de ecranare pentru reducerea densităţii de curent necesară protecţiei, suprafaţa metalului este izolată de mediu prin acoperiri cu straturi protectoare. Metoda de protecţie constă în legarea instalaţiei de protejat la polul negativ al unei surse de curent, concomitent cu introducerea în acelaşi mediu a unui anod legat la polul pozitiv al sursei. Problemele care le ridică realizarea protecţiei catodice cu sursă de curent externă, aşa numita "protecţie electrică" sunt: potenţialul de protecţie; densitatea de curent necesară pentru atingerea acestui potenţial ; acoperirile de protecţie ale suprafeţei metalice; caracteristicile anodului şi aspectele economice. Potenţialul de protecţie este, teoretic, acea valoare la care procesul de coroziune încetează, adică potenţialul de echilibru al metalului în condiţiile date. Calcularea cu acurateţe a potenţialului de echilibru, în condiţiile mediilor practice, foarte complexe (sol sau apa de mare), este foarte dificilă, de aceea valorile folosite în practică sunt rezultatul experienţei practice în domeniu. Criteriul practic, aplicat uzual, admite ca potenţial de protecţie acea valoare, la care coroziunea metalului devine nesemnificativă. Primii cercetători au sugerat, ca potenţial de protecţie pentru oţel în sol, valoarea de -0,85 V, măsurată în raport cu electrodul Cu/CuSO 4 saturat. Potenţialul de protecţie al oţelului în apa de mare şi în noroi sărat anaerobic, recomandabil este -0,8 V faţă de Cu/CuS04 saturat, şi respectiv -0,9 V faţă de Ag/AgCl/apa de mare. Măsurarea potenţialului structurii protejate este de cea mai mare importanţă, deoarece reprezintă criteriul general acceptat şi folosit de ingineri în practică. În cazul structurilor subterane, electrodul de Cu/CuS04 saturat (având potenţialul 0,316 V) este recomandat şi utilizat din cauza simplicităţii şi uşurinţei realizării lui, chiar în condiţii de şantier (Figura 1.2.)
8
Figura 1.2. Electrodul de referinţă Cu/CuS04 saturat: 1—tub de plastic; 2—sârmă de cupru; 3— închidere poroasă (dop de plută, spre ex.); 4—dop de cauciuc; 5—soluţie CuS04 saturată plus cristale de CuSO4
Potenţialul unei structuri protejate catodic se determină cel mai bine, prin plasarea electrodului de referinţă cât mai aproape posibil de structura, astfel încât sa se evite erorile cauzate de căderea de tensiune, prin mediu. În practică, pentru conducte îngropate, o poziţie de compromis este aleasă la suprafaţa solului, chiar deasupra conductei îngropate. Densitatea de curent necesară pentru atingerea potenţialului minim de protecţie este în funcţie de mediul în care se găseşte metalul. Asemenea valori nu se pot calcula şi se stabilesc experimental, aplicând densitatea de curent, care permite să se atingă valoarea potenţialului dorit. În Tabelul 1.1 sunt date câteva valori pentru densitatea de curent de protecţie, în funcţie de mediu. Densitatea de curent mA/m2 5,4-16,1 27-64,4 54-161,0 54-64 54-270 54-270 350.000 0,1-0,2
Mediu Sol uscat, curat Sol umed Sol acid Apă curată staţionară Apa de mare Soluţii acide/alcaline (in rezervoare) HCl în , agitare Sol divers-oţel izolat cu bitum
Tabelul 1.1. Densitatea minimă de curent pentru protecţia catodică a oţelului. Curentul necesar protecţiei unei structuri metalice îngropate, poate varia în limite foarte largi, depinzând de natura mediului, dacă structura a fost sau nu izolata şi de calitatea izolaţiei. Spre exemplu, dacă pentru protecţia unei structuri de oţel neizolate este nevoie de un curent de 3 A (presupunând o distribuţie uniformă, în cazul când este izolată-corect şi de calitate) curentul poate să scadă la 30 µ A (adică de 105 ori). Totuşi, nu trebuie să se presupună că în cazul unei structuri izolate, curentul necesar este foarte mic. Un material de acoperire de calitate slabă (sau chiar un material excelent, dar prost aplicat) conduce la curenţi mult mai mari, spre exemplu, 15 mA, ceea ce înseamnă de 500 de ori mai mult decât 30 µ A. Asemenea diferenţe pot să apară când se protejează structuri de dimensiuni mari.
9
Acoperirile de protecţie fac obiectul unei deteriorări gradate, a cărei viteză depinde de calitate şi de mediu. Astfel, este necesar să se efectueze teste periodice de rezistenţă ale izolaţiei în timpul exploatării, pentru a se evalua performanţele acoperirii. Caracteristicile anodului-anozii, utilizaţi în cazul protecţiei catodice cu sursă exterioară de curent, pot fi confecţionaţi din materiale active, pasive sau inerte în condiţiile date. Ca materiale active utilizate curent servesc oţelul, carbonul şi aluminiul (profile uzate). Dintre materialele pasive se folosesc aliaje de fero-siliciu, aliaje plumb-stibiu (cu sau fără argint), iar ca materiale inerte-grafitul şi platina pe suport de titan, tantal sau niobiu. Domeniile de aplicare ale protecţiei catodice cu sursă exterioară de curent nu sunt limitate, teoretic, din punct de vedere al posibilităţilor de protecţie pe care le oferă metoda. Limitările sunt determinate doar de aspectul economic, evident foarte important. În special când este vorba de instalaţii mici, protecţia prin alte metode (sau chiar construcţia din alte materiale) poate reveni mai ieftin decât aplicarea protecţiei catodice. Lucrurile se schimbă, atunci când este vorba de instalaţii şi construcţii de dimensiuni mari, costisitoare. Calculele arată că, mai ales când se referă la timp lung de lucru, protecţia catodică este unul din procedeele cele mai economice de protecţie.
Sisteme de injecţie de curent cu redresoare pentru conducte metalice subterane În Figura 1.3.a) este prezentată schema de principiu a protecţiei catodice cu sursă exterioară de curent, aplicată la o conductă îngropată. Polul pozitiv al sursei de curent este legat de o priză anodică, specială, introdusă în pământ, în apropierea construcţiei protejate. Curentul care se scurge de la priza anodică în sol, se răspândeşte în acesta şi ajunge pe conducta protejată, polarizând-o catodic, până la potenţialul de protecţie. Curentul ajuns pe conducta protejata este colectat în punctul de drenaj, de unde, printr-un conductor special, este dirijat spre polul negativ al sursei de curent.
Figura 1.3. Schema protecţiei catodice cu sursă exterioară de curent. a)Schema de principiu: 1—sursa de curent continuu (redresor); 2—conductori de legătură; 3—punct de drenaj; 4— conducta; 5—izolaţie; 6—priza anodică b) Schema electrică: 1—sursa de curent continuu; rezistenţele electrice ale conductorilor de legătura (Rc,1, Rc,2), metalului conductei (Rm), izolaţiei (Ri) şi prizei anodice (Ra). Detalierea diferitelor rezistenţe, în circuitul general de protecţie, este dată în Figura 1.3.b. Rezistenta totală a circuitului este alcătuită dintr-o serie de rezistenţe separate, legate în serie. Unele dintre ele au o valoare mică, încât pot fi neglijate. Rezistenţa totală a sistemului de protecţie este dată de relaţia : R=Rc+Rm+Ri+Ra unde R este rezistenţa însumată a 10
conductoarelor de legătură ,Rm este rezistenţa metalului conductei; Ri este rezistenţa izolaţiei; Ra este rezistenţa prizei anodice. Sistemul de protecţie catodică cu sursă exterioară de curent al conductelor îngropate în sol are două variante: a) protecţia conductei este asigurată de o singură staţie de lungime în finită în care variaţia polarizaţiei catodice de-a lungul conductei, se supune unei legi exponenţiale (Figura 1.4.).
Figura 1.4. Schema de repartizare a potenţialului pe un sector de lungime infinită Polarizaţia catodică, scăzând de la valoarea maximă, E0 (în punctul de drenaj) până la valoarea minimă de protecţie, Ep, continuă să se reducă şi mai departe, apropiindu-se asimptotic de valoarea zero, pe care o atinge teoretic la în finit. Polarizaţia catodică la distanţa x de punctul de drenaj este dată de relaţia: R m E x = E 0 exp − X ( 1.1.) R i unde: E0 şi Ex reprezintă diferenţa dintre potenţialul polarizat (sub curent exterior), în punctul de drenaj, respectiv la distanţa x şi potenţialul de coroziune al metalului, stabilit în absenţa curentului exterior; x este distanţa de la punctul de drenaj; Rm este rezistenţa electrică a metalului conductei pe unitatea de lungime, în Ω conductei cu lungimea de un metru, în Ω
m ; Ri este rezistenţa electrică a izolaţiei
m.
La x = l1 =L / 2, jumătate din lungimea porţiunii de conductă protejată de o staţie de lungime infinită, Ex = Ep astfel încât se stabilesc următoarele relaţii: R m R m E p = E 0 exp − l1 , ( V ) ; E 0 = E p exp l1 , ( V) ( 1.2.) R i R i care permit calculul lungimii porţiunii de conductă protejate de o staţie de lungime infinită pentru valori date ale E0 şi Ep . b) protecţia conductei este asigurată de mai multe staţii de lungime finită; dacă de-a lungul conductei se montează mai multe staţii de protecţie, fiecare din ele influenţează potenţialului staţiei vecine şi repartizarea potenţialului se supune unei legi hiperbolice (Figura 1.5).
11
Figura 1.5. Schema de repartizare a potenţialului pe un sector de lungime finită. Polarizaţia catodică scade de la valoarea maximă E0 (în punctul de drenaj) până la valoarea polarizaţiei minime de protecţie, Ep şi începe din nou să crească până la valoarea maximă a staţiei vecine. Astfel pentru aceeaşi polarizaţie maximă, lungimea porţiunii de conductă protejată de o staţie de lungime finită este mai mare decât în cazul staţiei de lungime infinită, adică: l2>11. Polarizaţia necesară în punctul de drenaj poate fi calculată cu relaţia: Rm E 0 = E p cosh l 2 Ri
, ( V )
( 1.3.) Priza anodică de pământ, are drept scop introducerea curenţilor de protecţie în sol. Ea trebuie să corespundă următoarelor cerinţe: rezistenţa minimă la trecerea curentului, dimensiuni reduse, montare simplă, execuţie din materialul cel mai durabil şi nedeficitar, care să asigure lucrări minime de refacere pe durata funcţionării şi un cost minim. Legarea la pământ se construieşte din prize de pământ izolate, aşezate în trei poziţii principale: orizontală, verticală sau combinată. Greutatea metalului necesară pentru priza anodică poate fi calculată cu relaţia: G=k× gi× τ × IS în care: G este greutatea metalului pentru priza anodică, kg; g i este greutatea medie a metalului care se consumă la trecerea unui curent de 1A timp de un an, kg; τ este timpul de funcţionare, pentru care se calculează priza anodică, ani; IS este curentul sursei de alimentare a staţiei de protecţie catodică, (A); k este un coeficient de siguranţa ( ≈ 1,5). Prize de potenţial. Atât la punerea în funcţiune, cât şi la exploatarea instalaţiilor de protecţie catodică este necesar să se măsoare, periodic, potenţialul conductei. În acest scop se montează pe conducta prize de potenţial (Figura 1.6.) la distanţe de maxim 500 m una de alta. Cu toată eficacitatea sa ridicata, protecţia catodică cu sursa exterioară de curent, poate crea un pericol pentru instalaţiile subterane vecine, datorită apariţiei de curenţi vagabonzi care determină intensificarea coroziunii acestor instalaţii. Acest pericol poate fi prevenit, cel mai sigur, prin realizarea unei protecţii catodice complexe a tuturor construcţiilor pe sectorul dat.
Figura 1.6. Priza de potenţial: 12
1—capac de fontă; 2—conductor izolat; 3—bitum Protecţia catodică cu anozi reactivi metalici Protecţia catodică cu anozi protectori constă în conectarea electrică la construcţia de protejat a unui anumit număr de anozi (blocuri sau plăci de metal) cu un potenţial mai electronegativ decât metalul construcţiei. Cele două metale scurtcircuitate formează un element galvanic, în care metalul mai electronegativ devine anod şi se dizolva motiv pentru care procedeul este numit şi cu "anozi de sacrificiu", în timp ce metalul protejat devine catod, pe el desfăşurându-se preponderent reacţia catodică de coroziune . În majoritatea structurilor care se protejează, poate exista o rezistenţă electrică importantă între anodul şi catodul cuplului galvanic, în special în cazul mediilor având conductibilitatea electrică scăzută, cum este solul. În acest caz curentul galvanic este cu atât mai mic cu cât rezistenţa, R, a mediului este mai mare, ceea ce va reduce protecţia oferită de anod. Realizarea protecţiei catodice cu anozi protectori ridică următoarele probleme: Alegerea materialului anodic Prin alegerea adecvată a materialului anozilor protectori se realizează de cele mai multe ori şi polarizarea suficientă a metalului de protejat. Când acest lucru nu este posibil modificarea potenţialului de coroziune al sistemului bimetalic se poate realiza şi pe alte căi. Spre exemplu, prin corectarea compoziţiei mediului adiacent anodului (folosirea materialelor de umplutură) se modifică şi curba de polarizare a acestuia şi implicit, potenţialul sistemului(reducerea polarizaţiei anodului are ca efect deplasarea potenţialului spre valori mai negative). Asigurarea polarizării instalaţiei de protejat până la un potenţial suficient de negativ Polarizaţia anodului protector este determinată de mulţi factori, dar unii dintre cei mai importanţi sunt formarea şi prezenţa filmelor pasive pe suprafaţa metalului. O curbă de polarizare anodică a aliajului destinat folosirii ca anod protector în condiţiile de mediu cât mai apropiate de cele de lucru va da o măsură directă şi imediată a polarizaţiei acestuia. Anozii protectori pentru protecţia oţelului sunt confecţionaţi în prezent din trei metale: zinc, magneziu şi aluminiu. Zincul are potenţialul faţă de oţel în jur de -0,25 V în condiţii de utilizare, valoare suficient de negativă pentru a asigura protecţia catodică a oţelului în medii cu rezistenţa nu prea mare, cum ar fi apa de mare. În cazul folosirii zincului în sol, este necesar ca mediul adiacent anodului să fie prelucrat pentru mărirea conductibilităţii şi evitarea pasivării zincului. Pentru aceasta se recomandă un amestec format din 25% gips, 25% sulfat de sodiu şi 50% argilă, care înconjoară anodul într-un strat de câţiva centimetrii. Eficienţa protecţiei cât şi durata de funcţionare a anozilor de Zn depind de puritatea zincului folosit. În special conţinutul în fier este principalul responsabil pentru distrugerea prematură a anozilor. Efectele negative ale prezenţei fierului în zinc pot fi anulate parţial prin adaosuri de Al, Şi sau Cd, în prezenţa cărora viteza de coroziune a zincului nu este prea mare. Magneziul, datorită potenţialului său mai electronegativ, asigură protecţia oţelului chiar şi în soluri cu rezistivitate mare, până la 4000 Ωcm. În general, magneziul utilizat pentru anozi de sacrificiu este aliat cu 6% Al şi 3% Zn. Ca şi la Zn, se impun limite severe pentru conţinutul în fier. Drept material de umplutură în jurul anozilor se utilizează un amestec format din 20% bentonită, 75% gips şi 5% sulfat de sodiu. În condiţiile în care suprafaţa de protejat este bine acoperită cu o izolaţie corespunzătoare (straturi de hârtie cu bitum), un anod de magneziu poate proteja o conductă îngropată în sol pe o distanţă de 8 km. În cazul unei conducte neizolate, distanţa este de numai 30 m. Aluminiul ar avea teoretic avantaje pentru utilizare ca material pentru anozi protectori, faţă de magneziu şi zinc (un potenţial destul de negativ şi un echivalent electrochimic mai mic), însă tendinţa pronunţată spre pasivăre a aluminiului limitează domeniul de aplicabilitate. Acest inconvenient poate fi depăşit prin alierea aluminiului cu mici cantităţi de alte metale sau prin adăugarea de mici cantităţi de săruri metalice potrivite, soluţiei de electrolit. Se pare 13
ca cea mai buna activare se obţine prin alierea aluminiului cu două sau mai multe elemente activatoare, cum ar fi zinc şi ridiu sau zinc şi mercur. Folosirea aluminiului ca material pentru anozi protectori, este avantajoasă în cazul protecţiei interioare a rezervoarelor pentru apă potabilă. Sărurile de aluminiu ce rezultă prin dizolvarea sa anodică nu sunt toxice. Mai mult, dat fiind valoarea pH-ului în acest caz, precipită hidroxidul de aluminiu care favorizează procesul de limpezire al apei.
14
