Použití automaticky ízených saturáží k ú inné ochran proti bludným proud m. František Mí ko Úvod Na minulé konferenci o protikorozní ochran kovových úložných za ízení OK08 jsem jižpo n kolikáté upozor oval na možná nebezpe í, která se promítnou do ekonomických oblastí jednotlivých majitel a správc kovových úložných za ízení, pokud nebude vypracována koncepce ú inného ešení protikorozní ochrany proti ú ink m bludných proud . Ta musí být jednotná a nekompromisní. Není správné ešit samostatn jen ochranu plynovod , vodovod a jiných produktovod atd. Všem odborník m pracujících v protikorozní ochran je jasné, že spole ná aktivní ochrana vyžaduje jednotný p ístup k ešení dané lokality. Ve m stech se zavedenou tramvajovou dopravou je tento p ístup zásadní. P edpokladem úsp šného ešení je spole né technické ešení a to jižod jeho samotného návrhu. Realizátorem by m l být vždy p vodce bludných proud . Na p íklad v Ostrav by to m l být z izovatel Dopravního podniku provozující tramvajovou dopravu, která je hlavním p vodcem bludných proud , vedle eských drah provozující železnici. Z izovatelem Dopravního podniku v Ostrav je Magistrát sta Ostravy. Ten by se tedy m l postarat nejen o vypracování pilotního projektu vycházejícího ze zásad navrhované koncepce, ale m l by také nést rozhodující ást realiza ních náklad na realizaci takového projektu. P edpokládám, že majitelé a správci všech bludnými proudy dot ených kovových úložných za ízení by se na nákladech podíleli podle rozsahu využití tohoto projektu. Problémem by nem la být ani koordinace jednotlivých etap spolupráce mezi organizacemi. V sou asné dob je možné takovouto spolupráci zajistit, v etn organizace jednotlivých postup pomocí regionálních orgán Hospodá ské Komory nebo pomocí specializovaných organizací, nap íklad v Moravskoslezském kraji Sdružení pro obnovu a rozvoj Severní Moravy a Slezska. Podobná snaha byla p ed 40 léty korunována úsp chem, kdyžse této koordina ní funkce ujal útvar Hlavního inženýra m sta Ostravy, který vytvo il ze zástupc jednotlivých organizací zodpov dných za stav inženýrských sítí a dopravy v Ostrav „kabinet protikorozní ochrany“, za jehožpráci odpovídal hlavní inženýr m sta. Po t íleté innosti, kdy jižbyla vypracována koncepce založena na d sledné instalaci m icích vývod , elektrických polarizovaných drenáží, propojovacích objekt a postupném vytvá ení korozní mapy m sta Ostravy se sb rem všech hodnot provedených pr zkumných m ení, byla innost kabinetu zrušena v d sledku zrušení útvaru hlavního inženýra m sta Ostravy. Útvar hlavního architekta sta p evzal n které jeho innosti, ale o spole nou protikorozní ochranu kovových úložných za ízení nem l zájem. P esto ásti výsledk této t íleté innosti mají p íznivý vliv na n která ochranou opat ena potrubí dodnes.
1. Návrh koncepce spole né ochrany Magistrát sta Ostravy má vypracovanou mapovou elektronickou dokumentaci všech kovových úložných za ízení a to v etn propojení s velkými pr myslovými podniky, energetickými zdroji, rozsáhlými kabelovými rozvody a dopravním systémem - GIS. Tato skute nost nabízí vytvo it v této dokumentaci „samostatnou vrstvu“, kterou bychom mohli ozna it „protikorozní elektrochemickou ochranou“, p edevším proti korozním ú ink m bludných proud .
Takto pojmenovanou vrstvu bychom mohli, pro lepší srozumitelnost pracovn nazvat „korozní mapou“. Vše, co by se o innosti a korozních ú incích projevujících se na území sta d lo, by se srozumitelným zp sobem zmapovalo. Prost ednictvím obecních vyhlášek by bylo uloženo všem majitel m a správc m kovových úložných za ízení, soustavn dopl ovat tuto dokumentaci provád nými korozními pr zkumy. Korozní mapa by musela být rozd lena na logické oblasti, o rozlohách od 2 do 5 km2.
2
Koncepce by vycházela ze sou asn jižzmapované sít kovových úložných za ízení, etn kolektoru, sít napájecích a zp tných kabel p edevším tramvajové trakce a všech kolejí uložených na území m sta. V Ostrav používá napájecí trak ní systém tramvajové dopravy kladnou polaritu kolejí. Na rozdíl od eských drah, kde mají koleje zápornou polaritu. Všechny tramvajové koleje p edstavují rozsáhlé anody, k nimžby se v jednotlivých korozních oblastech i sektorech p ipojovaly automaticky ízené saturáže (A S). Takto vypracována základní sí A S by se podle lenitosti jednotlivých úložných za ízení dopl ovala elektrickými polarizovanými drenážemi (EPD) i samostatnými stanicemi katodické ochrany vybavenými hloubkovými anodami (SKAO HU). Prakticky od po átku sb ru dat by se musela vytvá et data báze informací o již provedených a sou asn provád ných korozních pr zkumech a zavést co nejdokonalejší sb r chto dat pro další použití. Nap .u nových staveb a jejich p ipojení k ochrannému systému. Myšlenka je to jednoduchá. Vyžaduje však d sledné provedení p ípravných inností, které nebudou správci a majitelé úložných za ízení ochotni bez výhrad akceptovat. Proto je nutné podchytit, nejlépe formou obecních stavebních vyhlášek tyto innosti a správce k jejímu provád ní ve vlastním zájmu p inutit. Jediná cesta vedoucí k úsp šné realizaci je vytvo it tým ze zástupc organizací, kterým kovová úložná za ízení a dopravní systém pat í, zástupc samosprávy - tedy Magistrátu sta, který by m l zajistit všechny organiza ní a ídící vazby a vztahy, v etn autora této myšlenky, který konec konc m že být po rozb hnutí této innosti bu vedoucím nebo jen neopomenutelným poradcem. V dalších, jižodborných innostech se bude jednat p edevším o: Ø zajišt ní pr žné elektrické vodivosti sít , eventueln její rozd lení do funk ních ástí, Ø odd lení t ch za ízení, která mají nízký ohmický odpor, Ø zajišt ní dostate velkého odporu izolace jednotlivých povrch kovových úložných za ízení v etn všech potrubních sítí, domovních p ípojek a armatur.
1.A) Elektrické odd lení za ízení uzem ujících potrubí. Do p ípravných prací je nutné také zahrnout : •
elektrické odizolování domovních instalací od domovních p ípojek (izola ními mezikusy-tvarovkami p erušujícími podélnou elektrickou vodivost-v tšinou vybavenými jisk išti jako ochrany proti atmosférickému p ep tí ap), • vytý ení všech objekt , které se mají chránit (liniových i neliniových kovových úložných za ízení, zemnících soustav, železobetonových základ budov, most a ostatních za ízení), eventueln prov ení míst k ížení pro dodate nou montážPO, SO ap), • odstran ní všech kontakt potrubí s jinými kovovými za ízeními, která jej uzem ují, mimo t ch, ježbudou sloužit katodické ochran , • ozna it všechna místa, kde byly provád ny zásahy na potrubí (k ížení s jinými úložnými za ízeními, opravy potrubí, dodate né vsazování odbo ek a p ípojek ap), • kontrola funkce stávajících izola ních p írub, spojek, izola ních mezikus , armatur a kompenzátor ,
3
• kontrola chráni ek a kolektor , • kontrola diodových len jak v trase potrubí, tak u mostních p echod a obdobných za ízení, • vyhledání všech vad v izolaci potrubí (m ení je vhodné provést až po odizolování domovních instalací od domovních p ípojek a spojit je s potenciálovými a proudovými eními).
1.B) Lokalizace úložných za ízení, vad v izolaci potrubí a p izemn ných míst.
Vlastní práce za ínají vyhledáváním úložných za ízení, která se budou chránit v etn ch za ízení, které se ke katodické ochran p ipojí. Lokalizaci ostatních vadných míst ve všech m stských oblastech je možné provést nap . n kterou ze stejnosm rných metod. Izola ní p íruby, spoje, izola ní mezikusy a fitinky je nutné prom it z hlediska jejich izola ní funkce. Správná izola ní schopnost má zna ný vliv na efektivnost realizované ochrany.
Izola ní mezikusy (tvarovky) a izola ní spojky. Potrubí, které hodláme chránit katodickou ochranou musíme od uzemn ných za ízení odd lit pomocí izola ních mezikus (tvarovek), izola ních spojek, ap. P i katodické ochran vodovodních potrubí se vnit ní plocha izola ního mezikusu musí na stran p iléhající k ásti potrubí, které bude katodicky chrán no, navíc chránit povlakem s vysokým odporem, aby se zabránilo na p íklad tomu, že sloupcem vody uvnit potrubí nebude protékat nep ípustn vysoký proud. Nebo do obvodu vložit alespo 1 m dlouhý nevodivý mezikus (shodného DN). Plynovody zpravidla odd lujeme až na konci domovních p ípojek v rámci vybavení HUP, eventueln p ed vstupem do sk ky HUP, nebo je vhodné tzv.vymíst ní HU do HUP umíst ného zpravidla na vn jší ásti budovy (nap .p es sklepní okno).
Chráni ky. Chráni ka bývá v tšinou p ekážkou pro katodickou ochranu vlastního potrubí. P esto její ochranná funkce má z hlediska bezpe nostního zásadní význam. Zdá se, že nejú inn jším je použití mechanicky velice pevných trubek s kombinovanými továrními PE izolacemi. Zkratované chráni ky zna omezují ochranný dosah instalované katodické ochrany. Je nezbytné elektrický zkrat chráni ky s potrubím odstranit.
1.C) Rezistivita izolace potrubí. Zjistíme-li p i korozním pr zkumu, že je vlastní rezistivita izolace potrubí dostate vysoká, m žeme po ítat se zna nými výhodami p i provozu katodické ochrany. Zejména : •
nízkou spot ebou ochranného proudu, 4
• •
dosažením optimálního rozložení ochranného proudu, minimálními problémy spojenými s interferencemi mezi ostatními kovovými úložnými i neúložnými za ízeními.
Úprava p dního prost edí mineralizací, nebo fyzická oprava nalezených vad. Úpravou p dního prost edí mineralizací vytvo íme velice p íznivé podmínky pro budoucí katodickou ochranu. Podstatn se sníží pot eba proudu a sou asn zvýší ochranný dosah jednotlivých napájecích stanic. Fyzickou opravou nalezených vad v izola ním systému docílíme ješt vyššího ochranného efektu, nebo se ihned po oprav sníží pot eba proudu ke katodické polarizaci (pochopiteln za mnohem vyšších náklad ).
1.D) P íprava realizace spole né katodické ochrany. Pot ebné projek ní podklady. •
•
• • • • • • • • •
Schéma rozvodné sít v etn projektových a skute ných podklad jednotlivých potrubí, armatur a domovních p ípojek s informacemi o použitých izolacích, izola ních spojkách, izola ních mezikusech, kompenzátorech, kontrolních icích vývodech, propojovacích objektech a provedených ochranách p ed vlivy bludných proud a vlivy vn a vvn (p izemn ní pomocí diodových len ap). Údaje o použitém materiálu a zp sobu spojování trubek. Údaje o jednotlivých délkách, pr rech, síle st n, jakoži létech instalace jednotlivých potrubí a domovních p ípojek, které se mají chránit. Údaje o zp sobech provedení továrních izolací, zp sobech jejich oprav p i stavb , izolace jednotlivých svar potrubí, izolace armatur, izola ních spoj , izola ních mezikus , všech pomocných za ízení jak na jednotlivých potrubích, tak i na domovních p ípojkách. Výsledky m ení velikosti a sm ru toku bludných proud a m rné rezistivity p dy, jakoži ostatní údaje o cizích ochranách a vedení elektrizovaných tratí, umíst ní a proudovém zatížení m níren na stejnosm rný proud,uložení kolejí a jednotlivých situacích o podloží kolejnic, zp sobech vedení potrubí v chráni kách ap. Údaje o dosavadních korozních poruchách, opravách izolací a jiných d vodech obnažení izolací potrubí. Údaje o vadách v izola ním povlaku potrubí. Údaje o hodnotách zdánlivého m rného odporu p dy v profilu uložených potrubí. Údaje o potenciálech jednotlivých úložných potrubí. Údaje o dosažitelných potenciálech jednotlivých úložných potrubí. Obdobné údaje o dalších kovových úložných za ízeních (v etn neliniových za ízení).
5
Rozd lení sít na samostatné ochranné celky. Je vhodné, s p ihlédnutím k místním podmínkám a charakteru sít , rozd lit katodicky chrán né sít na samostatné celky o rozloze 2 až5 km2, cožm že zahrnovat 5 až 20 km potrubí a p ípojek. Vymezují se také specifická místa u složit vedených domovních p ípojek, regula ních a erpacích stanic. V tšinou se k elektrickému rozd lení používají fítinky,izola ní spoje nebo izola ní mezikusy. Nov instalovaná ást rozvodné sít opat ená katodickou ochranou se rovn žod starší nechrán né ásti elektricky odd luje obdobným zp sobem.
Zjišt ní spot eby ochranného proudu. • pro potrubí stará, dnes jižz obtížn rozeznatelnou asfaltovou (bitumenovou) izolací 2 mA/m2, • pro ostatní potrubí opat ená asfaltovou izolací (dle SN 42 0021 a SN 42 0022) 1 mA/m2, • pro potrubí s polyetylenovou izolací 20 mikroA/m2.
2. Základní ochranná za ízení.
2. A) Automaticky ízené saturáže.
Základním za ízením, které by za jistých okolností mohlo být dokonce v majetku správce i p ímo majitele Dopravního podniku, provozujícího tramvajovou dopravu, budou za ízení automatických saturáží A S (respektive ESA). Ta poskytnou ohroženým úložným za ízením nejen svod bludných proud zp t do kolejí, ale umožní úložné za ízení také katodicky chránit. Za tuto druhou funkci mohou od majitel chrán ných úložných za ízení inkasovat vypo itatelné odm ny.
To je v podstat hlavní myšlenka celé koncepce.
D ív jší obavy výzkumných pracovník z nekontrolovatelných interferen ních vliv , které by mohla za ízení automaticky ízených saturáží ve m stech zp sobit v p ípadech, kdy by se o jejich provoz nikdo nestaral, spole s nar stající pot ebou dob e vyškolených specialist -tehdy korozních technik -podstatn omezily další rozvoj celé této technické discipliny. Dnes je zdánliv situace stejná. Stále mají projektanti zna ný respekt z nasazení saturáží. P i emžpráv pomocí automaticky ízených saturáží je možné úložnému za ízení velice citliv dávkovat požadovanou energii k omezení korozního procesu. Je t eba si sou asn uv domit, že rozsah katodické ochrany je relativn malý, a že nechceme-li si vytvá et další problémy, musíme se doslova „trefit“do t chto mezí. Jinak nedosáhneme optimální protikorozní ochranu.
6
Cožje patrné z diagramu potenciálu (E –pH) :
pasivita
koroze
KAO imunita
i jakémkoli hodnocení korozního stavu úrovn protikorozní ochrany si vždy musíme uv domit, že hodnotícím potenciálem kovové konstrukce-p dy je jedin hodnota EIR free tedy polariza ního potenciálu a nikoli potenciálu zapínacího Eon .
7
Prototyp první automaticky ízené saturáže byl vyroben jako ochranné za ízení vybavené elektronickými prvky vyvinutými v ÚVP B chovicích. Jednalo se o typy AIKO I. ažV.
Na fotografii z roku 1974 je uvedeno za ízení, jimžse prom ovala ochrana na primárním horkovodním p ivad i 2 x DN 600 z T ebovické elektrárny do Poruby. Výsledky byly pozoruhodné, ochrana se však nerealizovala. Proto také pozd ji docházelo k opakovaným vým nám celých úsek horkovodního ádu. Coži v té dob dosahovalo mnoho desítek milión K s.
8
Sou asný stav první instalované automaticky ízené saturáže na plynovodech v SSR. Stanice je vybavena posledním typem ATESAT, vybavený odrušovacím filtrem.
Z následujícího korela ního diagramu, který byl zm en v Ostrav Porub na V.obvodu vyplývá:
9
1) v p ípad provozu za ízení: potenciální rozdíl mezi potrubím a kolejemi v míst p ipojení je nap tí od –0,5 do + 10,8. Zapínací potenciál potrubí-p da je od –0,49 do –2,7 V, se st ední hodnotou –1,49 V v i m né referen ní elektrod . 2) v p ípad výpadku za ízení: potenciální rozdíl mezi potrubím a kolejemi je od –3,8 do + 9 V. Zapínací potenciál potrubí-p da je od –0,5 do –0,74 V, se st ední hodnotou - 0,62 V v i m né referen ní elektrod , cožje jižmimo oblast katodické ochrany potrubí. Je tedy velice d ležité nep ipustit výpadky za ízení. Proto je nutné, aby všechny saturáže byly vybaveny dálkovou kontrolou se signalizací poruchových stav . Sou asn provozovaná za ízení automaticky ízených saturáží v Ostrav jsou ízená m nými referen ními elektrodami, které jsou nastaveny tak, aby za ízení využívalo ke katodické ochran p edevším bludné proudy v dob , kdy do potrubí tyto proudy vtékají. V p ípad , že bludné proudy nejsou p ítomny, dodává ochranný proud vlastní d.c.zdroj umíst ný v za ízení saturáže. Velikou výhodou tohoto zp sobu ochrany je blízká p ítomnost anody –kolejí, z nichžproud vytéká sm rem k potrubí a vstupuje do n ho v místech poškozeného izola ního povlaku.
2.B) Elektrické polarizované drenáže. Také tato za ízení budou pat it mezi základní ochranná za ízení. P edevším proto, že ú inn dopl ují systém ochrany v místech, kde by složitost kovových úložných za ízení mohla zp sobit interferen ní problémy.
10
V sou asné dob jsou jiždo zna né míry problémy s p ipojováním v oblasti kladné polarity kolejí vy ešeny. Také sou asný po et elektrických polarizovaných drenáží bude již jen dopl ován podle nových korozních pr zkum . Po ty elektrických polarizovaných drenáží a automaticky ízených saturáží ( uvedeny také jako ESA) instalované v plynárenských spole nostech RWE jsou uvedeny v následující tabulce z roku 2008. Tabulka byla letos zve ejn na na internetu. Plynárenská spole nost JMP Net, s.r.o. P Net ,s.r.o. SMP Net, s.r.o. STP Net, s.r.o. P Net, s.r.o. P Net, s.r.o. RWE Transgas Net, s.r.o. RWE CZ celkem
Druhy ED a jejich p ipojení ke koleji dopravní cesty (ks) EPD EPD ESA tramvaj železnice tramvaj
75 1 88 0 0 3 1 167
Celkový po et ED p ipojených ke koleji dopravní cesty (ks) ED ED ED tramvaj železnice celkem
10
11
86
10
96
0 18 0 0 4∗ 3
0 6 0 0 0 0
1 94 0 0 3 1
0 18 0 0 4∗ 3
1 112 0 0 7 4
35
17
185
35
220
Poznámka Elektrickými drenážemi (ED) se rozumí elektrické polarizované drenáže (EPD) a zesílené drenáže –saturáže (ESA); ESA p ipojené ke koleji železni ní dopravní cesty nejsou budovány 4∗4 ks EPD ke kolejím d lní dopravní cesty (DDC)
Z ostatních plynárenských, vodárenských a ostatních spole ností nebyly údaje k disposici.
2.C) Stanice katodické ochrany vybavené hloubkovými anodami (SKAO HA). Koncepce spole né aktivní ochrany p edpokládá, že v tšinu energie pot ebné pro katodickou ochranu dodají automaticky ízené saturáže(A S) spole s bludnými proudy. ibude n kolik desítek A S, EPD a zna né množství SKAO HA. Ty budou dodávat energii tam, kde nebude dostate ný ochranný potenciál, nebo kde bude korozní situace jinak ohrožena. Samoz ejm p edpokládám co nejv tší využití alternativních zdroj d.c.. Zejména solárních lánk s denní akumulací a no ním dobíjením z ve ejné rozvodné sít . V závislosti na izola ním stavu potrubních systém bude nutné provést také nejr zn jší stavební úpravy. Bude t eba dokonale zvládnout i výstavbu hloubkových anod. P edpokládají se hloubky od 30 do 120 m. Nemusí být výjimkou i využití starších bá ských d l. To vše ukáže realizace nové koncepce elektrochemické protikorozní ochrany, pokud se jí poda í prosadit.
3. Záv r ty icetileté zkušenosti z provozu ochranných za ízení ve složitých m stských provozech, nám nabízejí nový pohled na technické ešení spole né protikorozní ochrany všech kovových úložných za ízení. Nová koncepce vychází ze sou asné korozní situace dopravního systému, který má budoucnost v ekonomickém provozu, ale který nem že odstranit n která svá specifika principieln daná. Tou rozhodující jsou bludné proudy. Ty je možné nejen odvád t zp t k jeho zdroji, ale i využít k ochran . Je nutné sou asn s kolejemi a napájecím systémem budovat i automaticky ízené saturáže, které umožní i ve velmi složitých oblastech vytvá et p íznivé podmínky ke katodické ochran kovových úložných za ízení. Vlastní systém AS by dopl ovaly EPD a SKAO HA. K tomuto systému by se mohly p ipojovat i všechny nov budované stavby, které mohou být bludnými proudy ovliv ovány.
11
M sto Ostrava, ale jist i ostatní statutární m sta, dnes disponují pom rn dokonalými digitálními mapami nejen svého dopravního systému, ale i všech ostatních staveb, v etn sítí kovových úložných za ízení. V sou innosti s pokra ováním tvorby této dokumentace se nabízí vypracovat „korozní mapy“m stských oblastí pro pot eby nejen stavebních ú ad , ale i majitel a správc kovových úložných za ízení. Je v kompetenci Magistrát m st donutit ke spolupráci všechny správce kovových úložných za ízení ve smyslu platných SN EN a p edpis .
Literatura Mí ko F.
M ení, vyhodnocení a návrh ešení elektrické protikorozní ochrany ásti m stské plynovodní sít v oblasti tramvajové dopravy, používající k provozu plusovou polaritu kolejí . Diplomová práce. Ostrava, erven 1970. Boubela L., Radomil M.: Koroze a protikorozní ochrana. O PP. Praha. 1976. Sokólski W.Elektrochemiczne metody wykrywania i eliminowania anodowych stref korozyjnych na podziemnych kostrukcjach metalowych w miastach. Praca doktorska. Gda sk 1980. Baeckmann W. Jacob R.: Korrosionsschutz von Gas-und Wasserrohrleitungen.Kap.7: Martin D.: Využití katodické protikorozní ochrany u potrubí místních rozvodných sítí a u domovních p ípojek. Hattingen.Vulkan-Verlag, Essen,1995. Dziuba W. Sie powrotna i prady b dz ce. Institut Elektrotechniki. Varszawa 1995. Sokólski W. Charakterystyki drena y elektrycznych. VI Krajowa Konferencja: Pomiary Korozyjne w Ochronie Elektrochemicznej. Jurata, 2000. íp. J. Katodická ochrana proti ú ink m bludných proud . ATEKO, Ostrava, 2007 Mí ko F. Katodická ochrana místních rozvod . ATEKO, OK08, Morávka, 2008
12
