Меню

Как разрушают блуждающие токи

Блуждающие токи

Блуждающие токи — электрический ток, возникающий в толще грунта, при использовании его в качестве токопроводящей среды. Простейший пример, при пробое изоляции электрических силовых кабелей происходит утечка на землю. Грунт обладает высоким удельным сопротивлением, поэтому, если в процессе растекания заряда на его пути встречается металлический трубопровод, возникает электрический ток, который начинает двигаться по пути наименьшего сопротивления.

Опасность связана с тем, что в месте выхода блуждающего тока из металлического проводника активизируются коррозионные процессы. Причём ущерб, получаемый в данном случае, достигает такой величины, что приходится продумывать и реализовать системы защиты от воздействия.

  1. Виды и появления блуждающих токов
  2. Причина появления тока в домашнем быту
  3. Как измерить величину блуждающего тока
  4. Коррозия от блуждающих токов
  5. Способы устранения
  6. Активная и пассивная защита
  7. Защита полотенцесушителей
  8. Защита водопроводных труб
  9. Защита газопроводов

Виды и появления блуждающих токов

Одна из причин связана с массовым применением рельсового электротранспорта. Электрифицированные ЖД магистрали, трамваи и метро, рудничная локомотивная контактная откатка становятся причиной появления блуждающих токов и наносят ущерб газовым трубопроводам, водопроводным линиям, бронированным кабельным сетям, металлоконструкциям.

блуждающие токи в водопроводе

Общая схема происходящего в этом случае следующая:

  1. Рельсовый путь используется в качестве проводника, по которому ток возвращается к обратному фидеру тяговой подстанции.
  2. На участках, которые плохо изолированы от земной поверхности, происходит утечка части энергии в грунт. Так как потенциал в этой точке максимален, появляется блуждающий ток, который движется в зону с небольшим потенциалом. А таким участком и становится труба или кабель в оплётке, любая металлическая конструкция, расположенная в земле.
  3. Пройдя по металлу, как по пути наименьшего сопротивления, в зону, где потенциал существенно уменьшается, ток выходит в грунт и возвращается в рельсовый путь.

В результате таких процессов в анодных зонах, участки выхода токов из рельсов и трубопровода, возникает процесс электрохимической коррозии. При этом скорость разрушения металлов может достигать десятка миллиметров в год. Для рельсового пути такие повреждения несущественны из-за большой толщины стали, хотя также снижают срок службы конструкции.

А вот для труб с небольшой стенкой такие повреждения становятся критичными. Выглядят они как сквозные отверстия небольшого диаметра. Если трубопровод находится в зоне длительного воздействия блуждающих токов без надлежащей защиты, может возникнуть ситуация, когда его поверхность напоминает решето.

Среди двух других потенциальных источников возникновения блуждающих токов выделяют:

заземлители

  1. Трансформаторные подстанции, распределительные устройства с заземляющим оборудованием, линии ЛЭП с глухозаземлённой нейтралью. В случае постоянных небольших утечек на землю, уровень которых не достигает предела срабатывания защитных устройств, в зоне вокруг этих сооружений также возникают паразитные блуждающие токи.
  2. Электрокабельные сети подземного заложения также становятся причиной подобного эффекта при снижении диэлектрических свойств изоляции или её пробое.

Объяснение схемы выше: нулевой провод (PEN) одним концом соединен с ЗУ электроподстанции, а вторым подключен к шине PEN потребителя, которая соединена с заземляющим устройством объекта. Соответственно, разница электрических потенциалов между выводами нулевого проводника будет передаваться ЗУ, что создаст условия для образования цепи. Величина утечки будет незначительной, поскольку основная нагрузка пойдет по пути наименьшего сопротивления (нулевому проводнику), но, тем не менее, часть ее пойдет по земле.

Понятно, что в большинстве случаев разрушающее воздействие в таких условиях будет меньше, чем в зонах расположения рельсовых путей электротранспорта, но оно также оказывает своё влияние.

Причина появления тока в домашнем быту

Существует ещё один вид блуждающего тока, который правда не связан с процессами, происходящими в земле. Речь идёт о появлении аналогичных повреждений на стальных полотенцесушителях, радиаторов отопления, установленных в обычных зданиях. Основной причиной становится разница потенциалов на этих устройствах и заземлённых участках водопровода или системы отопления.

Раньше все эти сети монтировались из металлических труб и обязательно заземлялись. Поэтому в пределах одного здания разницы потенциалов на отдельных участках или элементах системы не существовало или она была настолько минимальной, что не приносила никакого вреда.

Сейчас ситуация кардинально изменилась, и причиной этого стало массовое применение полипропиленовых и металлопластиковых труб. Полимерные материалы обладают высоким удельным сопротивлением, поэтому их можно считать хорошими диэлектриками. В результате получают изолированные друг от друга участки сети. При этом вода остаётся хорошим проводником, она отлично переносит скапливающийся статический заряд.

Поэтому и происходит появление эффекта блуждающих токов, вызванного разницей потенциалов на заземлённом участке сети и отдельных полотенцесушителях или батареях. В этом случае электрохимическая коррозия быстро разрушает тонкостенные металлические устройства.

Как измерить величину блуждающего тока

Наличие потенциальной опасности в обязательном порядке проверяют при проектировании новых трубопроводов в зоне их предполагаемой укладки. Для этого используют мультиметры высокого класса точности, внутренне сопротивление которых должно быть не менее 1 МОм, и специальные электроды, с минимальной паспортной разницей потенциалов.

Измерения проводят по следующей схеме:

методы измерения

  • Вдоль всей будущей трассы, устанавливая электроды через 1000 м.
  • По двум перпендикулярным направлением, с установкой электрода на расстоянии 100 м от точки пересечения линий.

Основная задача — определить существующую разницу потенциалов между точками. Если этот показатель превышает 0,04 В, на участке действуют блуждающие токи.

В районе расположения действующих рельсовых путей электротранспортной системы контроль выполняют за счёт следующих замеров:

  • Сопротивления изоляции между рельсами и грунтом.
  • Разницы потенциалов между рельсовым полотном и расположенными в земле металлическими конструкциями.
  • Плотности утечек через оболочки кабельных проводников.

Весь комплекс измерений выполняют при помощи специального оборудования.

Более подробно про измерения можете прочитать в инструкции(откроется в новой вкладке): Читать инструкцию

Коррозия от блуждающих токов

Под воздействием блуждающих токов происходит процесс электрохимической коррозии. Его интенсивность зависит от состава почвы, степени обводнённости и характеристик грунтовых вод. Разрушение металла происходит из-за разности окислительно-восстановительных потенциалов, присущих стали и окружающей её почвы.

корозия

Под воздействием проходящего через трубу тока происходит образование гальванической пары в месте его выхода в почву. При этом железо, которое обладает меньшим окислительно-восстановительным потенциалом в результате процесса разрушается. И чем больше вокруг аварийного участка образуется солей, тем быстрее проходят все эти химические процессы.

В отличие от обычной коррозии, связанной с окислительными свойствами кислорода, интенсивность появления ржавчины зависит от величины разницы потенциалов. Поэтому бороться с электрохимической коррозией можно только путём устранения предпосылок, способствующих её появлению.

Способы устранения

Единственный способ предотвращения появления блуждающих токов — убрать возможность утечки из проводников, в качестве которых выступают те же рельсы, в землю. Для этого и устраивают насыпи из щебня, устанавливают деревянные шпалы, которые нужны не только для получения прочного основания под рельсовый путь, но и повышают сопротивление между ним и грунтом.

Дополнительно практикуется монтаж прокладок из диэлектрических материалов. Но все эти способы больше подходят для ЖД магистралей, трамвайные пути изолировать таким способом сложно, так как это приводит к увеличению уровня рельсов, что в городских условиях нежелательно.

В случае с распределительными пунктами и подстанциями, ЛЭП, ситуацию можно исправить применением более совершённых систем автоматического отключения. Но возможности такого оборудования ограничены, да и постоянное отключение электроснабжения, особенно в промышленных условиях, нежелательно.

Поэтому в большинстве случаев прибегают к защите трубопроводов, бронированных кабелей и металлических конструкций, расположенных в зоне действия блуждающих токов.

Активная и пассивная защита

Существует два основных способа защиты:

    Пассивная — предупреждает контакт металла за счёт применения покрытий из диэлектрических материалов. Именно для этой цели применяют обмазку битумными мастиками, обмотку диэлектрическими изолентами, комбинацию этих способов. Но такие трубы стоят дороже, а проблема полностью не решается, потому что при глубоких повреждениях подобных покрытий защита практически не работает.

Пасивная защита

Пассивная защита
Активная — основана на отводе блуждающих токов от защищаемых магистралей. Может быть выполнена несколькими способами. Считается наиболее эффективным решением.

Активная защита

Активная защита

В различных условиях применяют отличающиеся способы защиты от электрохимической коррозии. Рассмотрим несколько основных примеров.

Защита полотенцесушителей

Главное отличие — находятся на открытом воздухе, поэтому изоляция не поможет, а отвести блуждающие токи некуда. Поэтому единственно допустимый вариант — выравнивание потенциалов.

Для решения этой проблемы применяют простое заземление. То есть восстанавливают те условия, которые были до разрыва цепи при помощи полимерных труб. При этом требуется заземление каждого полотенцесушителя или радиатора отопления.

Защита водопроводных труб

В этом случае больше подходит протекторная защита с применением дополнительного анода. Такой способ применяется и для предотвращения образования накипи в электрических водонагревательных баках.

Анод, чаще всего магниевый, соединяется с металлической поверхностью трубы, образуя гальваническую пару. При этом блуждающие токи выходят не через сталь, а через такой жертвенный анод, постепенно разрушая его. Металлическая труба при этом остаётся целой. Следует понимать, что время от времени требуется замена защитного анода.

Защита газопроводов

Для защиты этих объектов применяют два способа:

  • Катодная защита, при которой трубе придают отрицательный потенциал за счёт применения дополнительного источника питания.
  • Электродренажная защита предполагает соединение газопровода с источником проблем проводником. При этом предотвращается образование гальванической пары с окружающим магистраль грунтом.

Отметим, что ощутимый ущерб, наносимый металлическим конструкциям, требует применения комплексных мер. Они включают защиту и предотвращение появления опасных факторов.

Источник

Все об блуждающих токах

Время на чтение:

Блуждающие токи — это те, которые возникают на земле в момент их нахождения под землей или на ней. Они разрушают систему водопровода и приводят к другим неприятным последствиям. Более точное определение, характеристика токовых источников в водопроводе и то, как происходит защита трубопроводов от блуждающих токов, далее.

Читайте также:  Почему крупные птицы гибнут от тока

Описание явления

Блуждающими токами называются те, которые появляются в земле, когда ее используют как токопроводящую среду. Создают коррозию металла, который целиком или частично находится под поверхностью земли, а иногда только соприкасается с земельными наделами. Наблюдаются на трамвайном и железнодорожном пути, электрифицированной дороге. Иногда становятся причиной короткого замыкания и аварийной ситуацией.

Разрушительное явление

Отличаются от обычных стационарных электротоков тем, что они появляются внезапно и в самом непредсказуемом участке. От того, какое они имеют направление, зависит происходящий процесс на объекте, через который начинает протекать электроток. Если объект обладает положительным потенциалом относительно иного объекта, при контакте с ним появляется электроток с коррозией и окислением проводов. Если объект обладает отрицательным потенциалом, то на нем восстанавливаются параметры того вещества, которое находится в жидкости состава среды, где течет электроток.

Обратите внимание! Поскольку химактивность элементов, которые контактируют с жидкой средой или электролитом, не понятна, то сложно предугадать время с местом появления блуждающего типа электротока. В настоящее время его наличие приводит к коррозии объекта с положительным потенциалом.

Источники в водопроводе

Главные источники блуждающего земельного электротока это электрифицированная железная магистральная и пригородная железная дорога, трамвай, промышленный с карьерным и рудным транспортом.

Уровень их зависит от того, какой имеется электрохимический потенциал у объекта протекания электротока. Также он зависит от того, какой есть электролит у объекта, есть ли электромагнитное поле, которое бы пронизывало объект и его электролит. Кроме того, блуждающий ток в системе водоснабжения зависит от расстояния, изменения электромагнитного поля и радианной энергии.

Список источников

Защита водопровода

Для защиты водопровода используется пассивный и активный метод. Активный состоит в постановке устройства, которое генерирует встречный электрический сигнал. Пассивный способ заключается в применении изолятора. Кроме того, как метод защиты водопровода от блуждающего электротока используется профилактика и комплексная трубопроводная защита. Специалисты покрывают трубы полимерным составом. В результате не происходит коррозия металла.

Пассивный вариант

Пассивный вариант — основная мера избавления любой установки от блуждающего электротока. Носит название катодная защита. Благодаря ей устраняется коррозия в протяженных трубопроводах. Чтобы сделать катодную защиту, на трубопровод подается высокий отрицательный потенциал. Он гарантирует сохранение отрицательного трубного потенциала, вне зависимости от параметровых значений, вызываемых блуждающими электротоками в трубопроводных системах. Как правило, подается потенциал, равный 6 киловатт.

Обратите внимание! Считается, что в таком случае, вне зависимости от среды и электролита, положительного заряда нет. Так защищается трубопровод.

Этот способ эффективный, но обладает одним существенным недостатком: элементы, которые находятся в среде, осаждаются на ее внутренней поверхности. Это элементы в виде парафинов, существенно уменьшающих диаметр трубы и увеличивающих затраты энергии, которая нужна, чтобы перекачать содержимое труб. Чтобы восстановить исходный внутренний трубный диаметр и удалить парафиновые отложения, обычно используют механическую чистку ершиком.

Пассивный вариант

Активная защита

Единственным эффективным способом защитить трубопровод от коррозии, создаваемой блуждающей энергией, считается сведение к нулю токов, протекающих на разных участках. Для этого трубу мастер разбивает на участки. На них он подает напряжение. Благодаря такому уравнительному способу электричество не вызывает коррозию. При этом возникающий ноль от уравнения поддерживается автоматическим образом аналоговой электроникой.

Воздействие на водопровод

Блуждающий электроток разрушает водопровод, поскольку частицы электричества съедают металлические молекулы. Когда трубы постоянно подвергаются воздействию энергии, их стенки истончаются. В результате появляется повреждение, которое приводит к необходимости делать полную замену водопровода. Для исключения проблемы необходимо правильно выбрать способ защиты изделий.

Истончение водопроводных стенок как фактор токового воздействия

Как их убрать

Убрать блуждающие токи можно перечисленными выше методами. Самым радикальным способом защиты водопровода является замена на пластик. Тогда магистрали служат в течение долгих лет, и менять трубы не требуется из-за стойкости к агрессивной внешней среде. Кроме того, они прекрасные диэлектрики. Убрать блуждающие токи также помогут мастера, используя современные материалы для защиты труб.

Замена труб на пластиковые модели

Блуждающие токи — те, что приводят к истончению стенок труб водопровода и мешают нормальной работе системы водоснабжения. Появляются они при соприкосновении земли и проводника. Избавиться от них можно, действуя пассивно, активно и радикально.

Источник

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

См. также № 13/2006, с. 19

Цели. Сформировать представления о коррозии с точки зрения окислительно-восстановительных процессов; показать значение коррозии для народного хозяйства; продолжить формирование у учащихся умений устанавливать причинно-следственные связи между строением и свойствами металлов.

Оборудование. Железные гвозди из поставленных ранее опытов по их коррозии в водопроводной воде и «морской» воде (гвоздь без контакта с другим металлом и гвозди в контакте с медью и цинком). (Эксперимент мог быть домашним заданием.)

Коррозия вызывается окислительно-восстановительными реакциями, в которых металл в результате взаимодействия с каким-либо веществом из своего окружения превращается в нежелательное соединение. Одним из наиболее известных коррозионных процессов является ржавление железа. 20% железа, производимого ежегодно в США, идет на замену железных изделий, пришедших в негодность из-за ржавления.

Различают несколько видов коррозии.

А. По площади и характеру поражения: сплошная, точечная, язвенная, межкристаллическая.

Б. По природе агрессивных сред: воздушная, почвенная, морская, биологическая (вызванная водорослями, моллюсками, плесенью), коррозия в смазке, газовая.

В. По механизму возникновения: химическая, электрохимическая, электрическая (под действием блуждающих токов).

Химическая коррозия

При химической коррозии идет окисление металла без возникновения цепи электрического тока:

Для поверхности алюминия этот процесс благоприятен, т.к. оксидная пленка плотно прилегает к поверхности металла и нет дальнейшего допуска кислорода к металлу.

Почему не рекомендуют варить овощи в алюминиевой посуде? (Кислая среда растворяет оксидную пленку, и алюминий в виде солей поступает в организм человека.)

Оксидная пленка железа очень рыхлая (вспомните какой-либо ржавый предмет – как только вы берете его в руки, остаются следы ржавчины) и не прилегает плотно к поверхности металла, поэтому кислород проникает все дальше и дальше, коррозия идет до полного разрушения предмета.

Электрохимическая коррозия одного металла

При электрохимической коррозии возникает электрическая цепь. При этом могут быть случаи коррозии как одного металла, так и металлов в контакте. Для возникновения электрохимической коррозии нужно наличие кислорода и воды.

Рассмотрим случай, когда контакта металлов нет, причем металл (железо) находится в воздухе.

Некоторые участки поверхности железа служат анодом, на котором происходит его окисление
(E° – стандартный электродный потенциал):

Fe (тв.) = Fe 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,44 B.

Образующиеся при этом электроны перемещаются по металлу к другим участкам поверхности, которые играют роль катода. На них происходит восстановление кислорода:

Этот процесс иллюстрируется на рис. 1.

Рис. 1.
Схема электрохимической коррозии железа
без контакта с другими металлами

В восстановлении кислорода участвуют ионы Н + . Если концентрация Н + понижается (при повышении рН), восстановление О2 затрудняется. Замечено, что железо, находящееся в контакте с раствором, рН которого выше 9–10, не корродирует.

В процессе коррозии образующиеся на аноде ионы Fe 2+ окисляются до Fe 3+ :

Поскольку роль катода обычно играет та часть поверхности, которая лучше всего обеспечена притоком кислорода, ржавчина чаще всего появляется именно на этих участках. Если вы внимательно осмотрите лопату, простоявшую некоторое время на открытом воздухе с налипшей на лезвии грязью, то заметите, что под грязью на поверхности металла образовались углубления, а ржавчина появилась повсюду, куда мог проникнуть О2.

С усилением коррозии в присутствии солей часто сталкиваются автомобилисты в тех местностях, где в зимнее время для борьбы с гололедицей дороги обильно посыпают солью. Влияние солей объясняется тем, что образуемые ионы создают электролит, необходимый для возникновения замкнутой электрической цепи.

Наличие анодного и катодного участков на поверхности железа приводит к созданию на ней двух неодинаковых химических окружений. Они могут возникнуть вследствие присутствия примесей или дефектов в кристаллической решетке (по-видимому, обусловленных напряжением внутри металла). В местах, где есть примеси или дефекты, микроскопическое окружение конкретного атома железа может вызвать некоторое увеличение или уменьшение его степени окисления по сравнению с «нормальными» атомами в кристаллической решетке. Поэтому такие места способны играть роль анодов или катодов. Сверхчистое железо, в котором количество подобных дефектов сведено к минимуму, намного меньше корродирует по сравнению с обычным железом.

Кутубская колонна
в Индии

Классический пример – знаменитая Кутубская колонна в Индии близ Дели, которая уже почти полторы тысячи лет стоит и не разрушается, несмотря на жаркий и влажный климат. Сделана она из железа, в котором почти нет примесей. Как удалось древним металлургам получить такой чистый металл, до сих пор остается загадкой.

В начале прошлого столетия по заказу одного американского миллионера была построена роскошная яхта «Зов моря». Днище ее было обшито монель-металлом (сплав меди и никеля), а рама руля, киль и другие детали были изготовлены из стали. Когда яхту спустили на воду, возник гигантский гальванический элемент, состоящий из катода (монель-металла), стального анода и раствора электролита – морской воды.

Читайте также:  Номинальные параметры трансформаторов тока в таблице

Последствия были ужасными! Еще до выхода в открытое море яхта полностью вышла из строя, так что «Зов моря» остался в истории мореплавания как пример конструкторской недальновидности и самонадеянного невежества. Попробуем разобраться, что же произошло.

Рассмотрим контакт двух металлов на примере олова и железа.

Железо часто покрывают другим металлом, например оловом, цинком или хромом, чтобы защитить от коррозии. Так называемую «белую жесть» получают, покрывая тонким слоем олова листовое железо. Олово защищает железо до тех пор, пока защитный слой остается неповрежденным. Стоит его повредить, как на железо начинают воздействовать воздух и влага, олово даже ускоряет процесс коррозии, потому что служит катодом в электрохимическом процессе. Сравнение окислительных электродных потенциалов железа и олова показывает, что железо окисляется легче олова:

Fe (тв.) = Fe 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,44 B,

Sn (тв.) = Sn 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,14 B.

Поэтому железо служит в этом случае анодом и окисляется, как показано на рис. 2.

Рис. 2.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и олова

Оцинкованное железо получают, покрывая его тонким слоем цинка. Цинк защищает железо от коррозии даже после нарушения целостности покрытия. В этом случае железо в процессе коррозии играет роль катода, потому что цинк окисляется легче железа (рис. 3):

Zn (тв.) = Zn 2+ (водн.) + 2e, E °окисл = 0,76 B.

Следовательно, цинк играет роль анода и корродирует вместо железа.

Рис. 3.
Схема электрохимической коррозии
при контакте железа и цинка

Электрическая коррозия (электрокоррозия)

Блуждающие токи, исходящие от трамвая, метро, электрических железных дорог и различных электроустановок, работающих на постоянном токе, вызывают электрокоррозию. Такие токи разрушают подземные металлические сооружения, трубопроводы, электрокабели, приводят к появлению на металлических предметах, находящихся в земле, участков входа и выхода постоянного тока. Вследствие этого на металле образуются катодные и анодные зоны, причем анодные зоны, т.е. места выхода тока, подвергаются коррозии (рис. 4).

Рис. 4.
Схема электрокоррозии
под действием блуждающих токов:
1 – провод; 2 – рельс; 3 – влажный грунт;
4 – труба; 5 – электродвигатель трамвая;
6 – сопротивление в стыке рельса

Блуждающие токи достигают 300 А и действуют в радиусе нескольких десятков километров. Процесс в анодных зонах:

Fe – 2e = Fe 2+ .

Процессы в катодных зонах:

2H + + 2e = H2

Блуждающие токи от источников переменного тока вызывают слабую коррозию у подземных изделий из стали и сильную у изделий из цветных металлов.

Коррозия металлов протекает непрерывно и причиняет огромные убытки. Подсчитано, что прямые потери от коррозии железа составляют около 10% от его ежегодной выплавки. В результате коррозии металлические изделия теряют свои ценные технические свойства.

Ежегодные потери металла при коррозии оборудования, используемого только в животноводстве, составляют около 60 тыс. тонн. Поэтому защита металлов от коррозии – очень важная задача.

Основные способы защиты от коррозии

1. Защищаемый металл играет роль катода. Такой способ защиты называется катодным (другое название – протекторная защита). Тот металл, который заведомо будет разрушаться в паре, называется протектором. Примеры такой защиты – оцинкованное железо (железо – катод, цинк – анод), «белая жесть» (оловом покрывают листовое железо), контакт магния и железа (магний – протектор). Магниевый анод окружают смесью гипса, сульфата натрия и глины, чтобы обеспечить проводимость ионов. Труба играет роль катода в гальваническом элементе (рис. 5).

Рис. 5.
Катодная защита
железных водопроводных труб

2. Электрозащита. Конструкция, находящаяся в среде электролита, соединяется с другим металлом (обычно куском железа, рельсом и т.п.), но через внешний источник тока. При этом защищаемую конструкцию подключают к катоду, а металл – к аноду источника тока. В этом случае электроны отнимаются от анода источником тока, анод (защищающий металл) разрушается, а на катоде происходит восстановление окислителя. Электрозащита имеет преимущество перед протекторной защитой: радиус действия первой около 2000 м, второй – 50 м.

3. Если металл, например хром, создает плотную оксидную пленку, его добавляют в железо, и образуется сплав – нержавеющая сталь. Такие стали называются легированными.

Многие сплавы, которые содержат незначительное количество добавок дорогих и редких металлов, приобретают замечательную устойчивость к коррозии и прекрасные механические свойства. Например, добавки родия или иридия к платине так сильно повышают ее твердость, что изделия из нее – лабораторная посуда, детали машин для получения стекловолокна – становятся практически вечными.

4. Металл можно пассивировать – обработать его поверхность так, чтобы образовалась тонкая и плотная пленка оксида, которая препятствует разрушению основного вещества. Например, концентрированную серную кислоту можно перевозить в стальных цистернах, т.к. она образует на поверхности металла тонкую, но очень прочную пленку.

5. Ингибиторы (замедлители) коррозии тоже переводят металл в пассивное состояние, образуя на его поверхности тонкие защитные пленки. Пример такого замедлителя коррозии – гексаметилентетрамин (CH2)6N4. В последние годы разработаны летучие, или атмосферные, ингибиторы. Ими пропитывают бумагу, которой обертывают металлические изделия. Пары ингибиторов адсорбируются на поверхности металла и образуют на ней защитную пленку.

6. Защитить металл можно, препятствуя проникновению к нему влаги и кислорода, – например, нанося на металл слой краски или лака. (На покраску Эйфелевой башни уже затратили средств больше, чем при ее создании.)

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

За неделю до урока были поставлены опыты по коррозии металлов в пробирках с водопроводной (№ 1–4) и «морской» (№ 5–8) водой (рис. 6).

Рис. 6.
Гвозди, помещенные в водопроводную
(пробирки с темными крышками) и «морскую»
(пробирки со светлыми крышками) воду

№ 1 и № 5 – железный гвоздь;

№ 2 и № 6 – железный гвоздь в контакте с цинком;

№ 3 и № 7 – железный гвоздь в контакте с медью;

№ 4 и № 8 – железный гвоздь, покрытый лаком для ногтей.

«Морскую» воду готовят, растворяя в ней соли кальция, магния и натрия.

Рис. 7 демонстрирует результаты опытов по коррозии металлов в «морской» воде.

Рис. 7.
Гвозди, вынутые через неделю
из «морской» воды

№ 5 – наличие слабой ржавчины;

№ 6 – гвоздь не подвергся коррозии, но цинк уменьшился в размере;

№ 7 – наличие сильной ржавчины, гвоздь уменьшился в размере;

№ 8 – гвоздь не подвергся коррозии (покрыт лаком).

1. Рассмотрите коррозию железа в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 1 и № 5). Где процесс протекает быстрее и чем вы это объясните?

(П р и м е р н ы й о т в е т. В «морской» воде более заметно выражены все проявления коррозии из-за агрессивности среды, которая создается растворимыми солями (гидролиз солей).)

2. Сравните результаты опытов по коррозии при контакте железа и цинка в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 2 и № 6).

(П р и м е р н ы й о т в е т. При контакте железа с цинком явление коррозии железа практически не выражено. В данном случае электрохимическая коррозия затронула цинк, как более активный металл.)

3. Сравните результаты опытов по коррозии при контакте железа и медной проволоки в водопроводной и «морской» воде (пробирки № 3 и № 7).

(П р и м е р н ы й о т в е т. При контакте железа с медью усиливается разрушение железа вследствие электрохимической коррозии, т. к. железо более активный металл, чем медь (в электрохимическом ряду напряжений металлов железо стоит левее меди).)

4. Зарисуйте результаты опытов. Используя рис. 1–3, составьте схемы реакций, происходящих в каждом опыте.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Напишите схему коррозии на яхте «Зов моря».

2. Поставьте опыты по коррозии железных гвоздей в «Фанте» и в растворе соды. Через неделю принесите гвозди в школу, чтобы обсудить результаты опытов.

3. Рассмотрите процесс коррозии при соединении медной трубы с гальванизированной (оцинкованной) стальной трубой, если обе трубы находятся в земле.

4. Как будет протекать процесс коррозии в том случае, если железную водосточную трубу прибить к дому алюминиевыми гвоздями?

(О т в е т. В местах соприкосновения двух металлов образуется гальванический элемент. Металл, который окисляется легче, играет при этом роль анода, а второй металл – роль катода. Из сравнения стандартных электродных потенциалов алюминия и железа следует, что алюминий будет играть роль анода. Таким образом, вблизи алюминиевого гвоздя водосточная труба будет защищена от коррозии, потому что железо в этой паре играет роль катода. Однако алюминиевый гвоздь в этих условиях быстро корродирует, и в конце концов труба упадет.)

5. Почему цинк не используют при изготовлении консервных банок для покрытия им железа?

(О т в е т. Цинк менее пригоден, чем олово, при изготовлении консервных банок, т. к. расположен левее олова в ряду напряжений металлов, поэтому цинк легче подвергается действию кислот, содержащихся во фруктовых соках.)

Литература

Маршанова Г.Л. 500 задач по химии. М.: Издат-школа «РАЙЛ», 1997; Хомченко Г.П., Цитович И.Г. Неорганическая химия, М.: Высшая школа, 1987; Фримантл М. Химия в действии. М.: Мир, 1991; Браун Т., Лемей Г.Ю. Химия в центре наук. М.: Мир, 1983; Химия. Пособие-репетитор. Под ред. А.С.Егорова. Ростов-на-Дону: Феникс, 1996; Венецкий С.И. Рассказы о металлах. М.: Металлургия, 1986.

Источник



Блуждающие токи и способы борьбы с ними

Всем знакомо понятие электрического тока. Есть проводник, по нем движутся заряженный частицы, на противоположных концах (или в двух произвольных точках) возникает разность потенциалов. Использование этого физического явления для организации электропитания — безусловное благо цивилизации. Появляется возможность передавать электроэнергию на значительные расстояния, приводить в движение механизмы, получать тепло, изображение, звук, преобразовывать электрическую энергию в механическую.

А если движение заряженных частиц возникает в естественном проводнике, например — в грунте? Это явление называется «блуждающие токи». Их появление не сулит ничего хорошего: возникает опасность поражения электротоком, разрушаются элементы металлических конструкций, расположенных в земле. Кроме того, на «обеспечение» блуждающих токов тратится определенное количество энергии. То есть, возникает незапланированный перерасход.

Как возникает это явление

Рассмотрим блуждающие токи на примере электрифицированной железной дороги, под которой проложен трубопровод.

Блуждающие токи 1

Питание электропоезда осуществляется с помощью двух контактных линий: фазный провод — это контактная сеть, расположенная на опорах-столбах и подвешенная на массивных изоляторах. А нулевой «провод» — это рельсы. На всем пути следования располагаются тяговые подстанции, которые работают по одинаковому принципу: нулевой потенциал соединен с физической «землей» в качестве заземления (зануления).

Блуждающие токи 2

Поскольку рабочее заземление в любом случае имеет физический контакт с грунтом, это абсолютно безопасно.

Для информации:

Не следует путать прохождение виртуальной линии проводника заземления с шаговым напряжением, возникающим из-за разности потенциалов на небольшом участке. Точки разности потенциалов в ситуации с блуждающими токами разнесены на сотни метров, а то и километры.

Между нулевым и фазным проводниками (рельсы и контактный провод) протекает рабочий электрический ток. Он штатно возникает при соединении колес с рельсами и пантографа электровоза с контактной линией. Поскольку рельсы непосредственно связаны с грунтом, можно предположить, что в земле также возникает потенциал, равный потенциалу нулевого проводника. Если он одинаковый на всем протяжении рельсового пути – нет проблем, это нормальная и безопасная ситуация. Но железная дорога редко прокладывается по прямой. Кроме того, электрическая связь между физической землей и металлом ж/д пути не всегда стабильна. Получается, что от одной тяговой подстанции до рядом стоящей (несколько десятков километров) электрический ток может протекать как по рельсу, так и по грунту. То есть, электроны могут блуждать по кратчайшему пути.

Вспоминаем про кривизну ж/д пути, и получаем те самые блуждающие токи, протекающие в толще грунта.

Блуждающие токи 3

А если в этом месте проложены коммуникации (например, стальной трубопровод), то электроны протекают по его стенкам (смотреть иллюстрацию).

Где проблема

По аналогии с обычными электрическими процессами, возникает электрохимическая реакция. Блуждающий ток стремится по пути наименьшего сопротивления (мы же понимаем, что грунт в сравнение с металлической трубой является худшим проводником). В том месте, где проводимость между рельсами и трубопроводом самая высокая (мокрая земля, железистый грунт, и другие причины), возникает так называемая катодная зона с точки зрения трубопровода. Электрический ток как бы «затекает» в трубу. Пока еще это не опасно: трубопровод расположен в грунте, разницы потенциалов нет, у вас из крана не потечет вода под напряжением 3000 вольт.

Пройдя по трубе до благоприятного места перетекания в рельсы, электроны устремляются по грунту в сторону «штатного» проводника. Возникает анодная зона, электроток «вытекает» из трубы, прихватывая за собой частички металла (на молекулярном уровне).

По всем законам протекания электрохимических процессов, на этом участке интенсивно развивается коррозия. Водопроводчики недоумевают: труба из качественной стали, прошла все возможные антикоррозийные обработки, уложена согласно техническим условиям, срок эксплуатации минимум 50 лет. И вдруг прорыв и проржавевшая дыра размером с ладонь. И это все за каких-то пару лет. Причем электрохимической коррозии подвергается любой металл, будь то сталь, медь или алюминий.

Блуждающие токи 4

Никакой связи с влажностью почвы нет, разве что блуждающие токи выбирают «мокрое место» для формирования анодной и катодной зоны. Это страшный сон аварийных бригад водоканала. Если не согласовывать проекты между отраслевыми ведомствами — проблема становится неконтролируемой.

Побочный эффект, усугубляющий потери

Напротив катодной зоны «жертвы», то есть трубопровода, возникает анодная зона рельсового пути. Это логично: если электроток куда-то входит, он должен откуда-то выходить, точнее вытекать. Это ближайшее с точки зрения электропроводности грунта место, где рельс имеет электрический контакт с физической землей (грунтом). В этой точке происходят аналогичные электрохимические разрушения металла железнодорожного полотна. А вот это уже проблема, связанная с безопасностью людей.

Блуждающие токи 5

Кстати, эта ситуация характерна не только для магистральных железных дорог и трубопроводов. Да и прокладываются они не всегда параллельно друг другу. А вот в городе, где рядом с многочисленными подземными коммуникациями проходят трамвайные пути, возникает такое количество разнонаправленных блуждающих токов, что впору задуматься о комплексных мерах защиты.

Блуждающие токи 6

На примере железной дороги, мы разобрали принцип негативного влияния паразитных токов. Эти процессы запрограммированы (если можно так сказать) самой конструкцией,

А где еще существует «блуждающая» проблема

Там, где генерируется электрическая энергия (что довольно логично). Разумеется, в эту «группу риска» входят не только электростанции. Там более, что на таких объектах подобных проблем практически не существует. Блуждающие токи возникают на пути следования электроэнергии к потребителю. Точнее, в точках преобразования напряжения: в зонах действия трансформаторных подстанций.

Блуждающие токи 7

Нам уже понятно, что для появления этих самых паразитных токов необходима разность потенциалов. Представим типовую трансформаторную подстанцию, в которой применяется система заземления TN-C. При изолированной нейтрали, заземляющие контуры соединены между собой нулевым проводником, обозначаемым аббревиатурой PEN.

Блуждающие токи 8

Получается, что по этому проводнику протекает рабочий ток всех потребителей на линии, с одновременным их заземлением. Эта линия (PEN) имеет собственное сопротивление, соответственно в разных ее точках происходит падение напряжения.

PEN (он же заземляющий проводник) получает банальную разность потенциалов между ближайшими контурами заземления. Возникает «неучтенный» ток, который по описанному выше принципу протекает и по физической земле, то есть в грунте. Если на его пути появляется попутный металлический проводник, блуждающий ток ведет себя так же точно, как в трубе под железнодорожным полотном. То есть, в анодной зоне разрушает металл проводника (трубопровод, арматура железобетонных конструкций, оболочка кабеля), а в катодной зоне уничтожает PEN-проводник.

Пробой изоляции

Ситуация с нарушением изолирующей оболочки кабеля может возникнуть где угодно. Вопрос в том, какие будут последствия.

Предположим утечку фазы в грунт на значительном расстоянии от рабочего контура заземления. Если сила тока достаточно большая (точка пробоя большой площади), созданы «благоприятные» условия: влажный грунт, и прочее — достаточно быстро сработает защитная автоматика, и линия будет отключена. А если сила тока меньше, чем ток «отсечки» автомата? Тогда между «пятном» утечки и «землей» возникают долгоиграющие блуждающие токи. А дальше вы знаете: попутный трубопровод, кабель в металлической оболочке, анодная зона, электрохимическая коррозия…

Собственно, группа риска определена:

  • Трубопроводы с металлическими стенками. Это может быть вода, канализация, нефте- или газопроводы.
  • Кабельные линии (силовые, сигнальные, информационные) с металлической оболочкой.
  • Металлическая арматура в конструкциях дорог или зданий.
  • Габаритные цельнометаллические сооружения. Например, емкость (танк) для хранения нефтепродуктов.

Защита от блуждающих токов

На самом деле, полноценной защиты от этой проблемы нет. Ее просто не может быть с точки зрения физики. Единственный действенный метод — подсунуть всепожирающим блуждающим токам иную жертву, которую не так жалко. Мало того, у этого приспособления и название соответствующее: «жертвенный анод». А методика именуется катодной защитой.

Принцип работы в исключении анодных зон на защищаемом объекте. Вместо них используются те самые жертвенные аноды, которые меняют по мере их электрохимического разрушения. А вокруг объекта формируются лишь безопасные для него катодные зоны.

Для того, чтобы система функционировала, требуется дополнительная энергия. В критических местах устанавливаются так называемые станции катодной защиты, которые запитаны от линий электропередач.

Блуждающие токи 9

Это связано с некоторыми затратами, которые несравнимы с потерями на ремонт и восстановление испорченных объектов (трубопровода, кабеля и прочего).

А если защищаемый объект относится к опасной категории (например, нефтехранилище, в котором в результате электрохимической коррозии может произойти утечка продукта), то стоимость защитных устройств вообще не берется во внимание.

Блуждающие токи 10

Недостатки систем катодной защиты

Методика отнюдь не универсальна, необходимо строить каждый объект под конкретные условия эксплуатации. При неправильных расчетах силы защитного тока, происходит так называемая «перезащита», и уже катодная станция является источником блуждающих токов. Поэтому, даже после монтажа и введения в строй, катодные системы постоянно контролируются. Для этого в разных точках монтируются специальные колодцы для замера силы тока защиты.

Блуждающие токи 11

Контроль может быть ручным или автоматическим. В последнем случае устанавливается система слежения за параметрами, соединенная с аппаратурой управления катодной станцией.

Дополнительные способы защиты от блуждающих токов

  • Применение кабельных магистралей с внешней оболочкой, которая является хорошим диэлектриком. Например, из сшитого полиэтилена.
  • При проектировании систем энергоснабжения, использовать только системы заземления типа TN-S. В случае капитального ремонта сетей, заменять устаревшую систему TN-C.
  • При расчете маршрутов железнодорожных путей и подземных коммуникаций, по возможности разносить эти объекты.
  • Использовать под рельсами изолирующие насыпи, из материалов с минимальной электропроводностью.

Видео по теме

Источник