Блуждающие токи: причины возникновения, способы защиты от коррозии водопроводных труб

Что такое блуждающие токи и как от них избавиться?

Последние 10-20 лет во многих мегаполисах наблюдается резкое снижение срока службы подземных металлических сооружений (трубопроводов горячего и холодного водоснабжения, системы отопления и т.д.). После проведения ряда экспертиз было установлено, что основная причина разрушения металла — электрохимическая коррозия, которую вызывают блуждающие токи. Из данной статьи Вы узнаете о природе этого явления, а также получите представление о способах защиты подземных сооружений и инженерных коммуникаций от гальванической коррозии.

Что такое блуждающий ток?

Как известно, земля является проводником электрического тока, что позволяет применять это свойство для создания заземляющих устройств. Но в тоже время, когда почва выступает в качестве токопроводящей среды, в ней образуются утечки. Поскольку нельзя спрогнозировать в какое время начнется процесс, и где он будет протекать, то такие проявления получили термин «блуждающие».

Причины и источники возникновения

Как мы помним из школьного курса физики, для образования электрического тока необходимо, чтобы возникла разность потенциалов между двумя участками цепи. Принцип возникновения блуждающих токов – аналогичный. Только роль проводника в данном случае исполняет земля.

На территории современных городов и населенных пунктов находится множество электрифицированных объектов, начиная от ЛЭП и заканчивая рельсовым транспортом, включая оборудование тяговых подстанций. Их объединяет один фактор – расположение на земле. Это приводит к довольно специфичному взаимодействию с последней, проявляющемуся в виде появления блуждающих токов. Ниже представлена таблица, которой приводятся их потенциальные источники и условия образования электросвязи связи с почвой.

Таблица 1. Потенциальные источники.

Название объектаВзаимосвязь с землей
Различные виды распределительных устройств, оборудование подстанций, ВЛ с нулевым проводником (глухозаземленная нейтраль), подключенным к повторным заземлителям.При наличии на объекте ЗУ.
ВЛ сетей с изолированной нейтралью, кабельные магистрали.Возникает при повреждении изоляционного покрытия токонесущих элементов кабелей.
Рельсовый электротранспорт, системы с заземленной нейтралью.Наличие технологической связи между одним из проводников и землей.

Механизм образования блуждающих токов

В таблице мы привели в качестве примера несколько источников, теперь рассмотрим подробно, как в них образуется интересующий нас процесс. Как уже упоминалось выше, чтобы он появился, между двумя точками на земле должно произойти возникновение разности потенциалов. Такие условия создаются контурами ЗУ систем с глухоизолированной нейтралью.

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.

Образование блуждающих токов между ЗУ нулевого провода

Практически аналогичные условия образуются, когда возникают проблемы с изоляцией проводов (разрушение оболочек) кабельных магистралей или ВЛ. При возникновении КЗ на землю, в этой точке потенциал равный или близкий к фазе. Это вызывает образование тока утечки к ближайшему ЗУ с потенциалом PEN-провода.

В приведенном примере о постоянной утечке переменных токов речь не идет, поскольку согласно действующим нормам на поиск и устранение повреждения отводится два часа. При этом, в большинстве случаев, отключение поврежденной линии или локализация участка с КЗ производится автоматически. Процесс может существенно затянуться, если сила тока КЗ ниже аварийного порога.

Как показывает практика, наибольшая доля источников токов постоянной утечки приходится на городской и пригородный рельсовый электротранспорт. Механизм их образования продемонстрирован ниже.

Рельсовый электротранспорт в качестве источника блуждающих токов

Обозначения:

  1. Контактный провод, от которого получает питание силовая установка электротранспорта.
  2. Питающий фидер (подключен к контактному проводу).
  3. Одна из тяговых подстанций, питающая сети трамваев.
  4. Дренажный фидер (подключен к рельсам).
  5. Рельсы.
  6. Трубопровод на пути прохождения блуждающих токов.
  7. Анодная зона (положительные потенциалы).
  8. Катодная зона (отрицательные потенциалы).

Как видно из рисунка, постоянное напряжение в тяговую сеть поступает с подстанции и по рельсам возвращается обратно. При недостаточном сопротивлении рельсовых путей относительно земли, в грунте возникают электрические блуждающие токи. Если на пути распространения утечки блуждающих токов находится трубопровод или другая металлическая конструкция, то она становится проводником электричества.

Это связано с тем, что ток распространяется по пути наименьшего сопротивления. Соответственно, как только появляется проводник, ток будет распространяться по металлу, поскольку его электрическое сопротивление меньше, чем у земли. В результате участок трубопровода, через который проходит электроток, будет в большей степени подвержен коррозии металла. О причинах этого рассказано ниже.

Связь блуждающего тока и коррозии на металле

Ввиду наличия в земле воды и растворенных в ней солей любая металлическая конструкция в почве подвержена коррозии. Но если металл помимо этого подвергается воздействию блуждающих токов, то процесс приобретает электролитическую природу. Согласно закону Фарадея скорость электрохимической реакции напрямую зависит от тока, протекающего между анодом и катодом. Следовательно, на скорость коррозии металлической трубы (уложенной в грунте) будет влиять электрическое сопротивление почвы, а также сложная природа процессов, протекающих в катодной и анодной зоне.

В результате металлическая конструкция помимо обычной коррозии подвергается воздействию токов утечки. Это может стать причиной образования гальванической пары, что существенно ускорит процесс коррозии. На практике отмечались случаи, когда участок трубопровода системы водоснабжения, подвергавшийся гальванической коррозии выходил из строя через два года, при расчетном сроке эксплуатации 20 лет. Пример такого воздействия представлен ниже.

Труба после воздействия блуждающих токов

Способы защиты от блуждающих токов

Для предотвращения пагубного воздействия электрохимического потенциала применяются методы защиты, которые могут отличаться в зависимости от особенностей металлических конструкций. Рассмотрим в качестве примера способы защиты водопроводных труб, полотенцесушителей и газопроводов, начнем в порядке данной очередности.

Видео про различные защиты от блуждающих токов

Защита водопроводных труб

Для проложенных в земле металлоконструкций, в частности водопроводных труб, применяются две методики защиты: пассивная и активная. Подробно опишем каждую из них.

Пассивная защита

Данная методика предусматривает нанесение на поверхность металлоконструкций специального изолирующего слоя, образующего защитный барьер между землей и металлической оболочкой. В качестве изоляционного материала используются полимеры, различные виды эпоксидных смол, битумное покрытие и т.д.

Пример защитного покрытия трубы для подземной укладки

К сожалению, современная технология не позволяет создать защитный барьер, обеспечивающий полную изоляцию. Любое покрытие обладает определенной диффузионной проницаемостью, поэтому при данном способе возможна только частичная изоляция от грунта. Помимо этого следует учитывать, что в процессе транспортировки и монтажа может быть нанесено повреждение защитному слою. В результате на нем образуются различные дефекты изоляции в виде микротрещин, царапин, вмятин и сквозных повреждений.

Поскольку рассмотренный метод не обладает достаточной эффективностью, он применяется в качестве дополнения активной защиты, о которой пойдет речь далее.

Активная защита

Под данным термином подразумевается управление механизмами электрохимических процессов, которые протекают в местах контакта металлических конструкций с образующимся в грунте электролитом. Для этой цели применяется катодная поляризация, при которой отрицательный потенциал смещает естественный.

Реализовать такую защиту можно гальваническим методом или используя источник постоянного тока. В первом случае применяется эффект гальванической пары, в которой анод, подвергается разрушению (жертвенный анод), защищая при этом металлоконструкцию, у которой потенциал несколько ниже (см. 1 на рис.5). Описанный способ эффективен для грунтов с низким сопротивлением (не более 50,0 Ом*м), при более низком уровне проводимости данный метод не применяется.

Применение источника постоянного тока в катодной защите позволяет не зависеть от сопротивления грунта. Как правило, источник изготовлен на базе преобразователя, запитанного от электрической цепи переменного тока. Конструктивное исполнение источника позволяет задать уровень защитных токов в соответствии со сложившимися условиями.

Рисунок 5. Варианты реализации катодной защиты

Обозначения:

  1. Применение жертвенного анода.
  2. Метод поляризации.
  3. Проложенная в земле металлоконструкция.
  4. Закладка в грунте жертвенного анода.
  5. Источник постоянного тока.
  6. Подключение к источнику малорастворимого анода.

Защита полотенцесушителей

Полотенцесушителям и другим оконечным металлическим устройствам на водопроводных трубах (смесителям) коррозия, вызванная блуждающими токами, не угрожала до тех пор, пока в быту не стали широко применяться пластиковые трубы. Даже, если в Вашем стояке установлены металлические трубы, не факт, что у соседа снизу они не пластиковые, да и для отводов в ванную и кухню наверняка используется пластик.

Чтобы обеспечить защиту от аварийных утечек тока и не допустить электрокоррозии, необходимо выровнять потенциалы, заземлив полотенцесушитель, водопроводные трубы в стояке, а также батарею отопления.

Защита газопроводов

Защита подземных газопроводов от блуждающих токов, которые вызывают коррозию, осуществляется точно так же, как и для водопроводных труб. То есть применяется один из двух вариантов активной катодной защиты, принцип работы которой рассматривался выше.

Как измерить блуждающие токи?

Для оценки опасности от токов утечки производится комплекс измерительных работ, куда входит:

  • Измерение уровня тока и направление его движения по оболочкам кабелей магистральной линии.
  • Измерение разности потенциалов между контактных рельсов (рельсовой сетью) и проложенными в земле металлическими конструкциями.
  • Измерение изоляции рельсов от грунта на контрольных участках рельсового полотна.
  • Оценка плотности тока утечки с оболочки кабельных линий в грунт.

Измерения величины блуждающих токов производятся специальными приборами. При этом выбирается время, на которое приходится максимальный трафик рельсового электротранспорта.

Набор инструментов для измерения блуждающих токов

Процесс измерения блуждающих токов выполняется в трансформаторных и тяговых подстанциях расположенных рядом с рельсовыми путями. При этом один из электродов, подключенных к измерительному прибору, соединяют с ЗУ, а второй, втыкается в землю в 10-и метрах от тяговой подстанции. Если между потенциалами на электродах появляется разность, она фиксируется прибором.

Рекомендуем также почитать:

Коррозия трубопроводов – причины и последствия. Часть 2. Трубопроводы водоснабжения

Продолжим цикл наших публикаций о коррозии трубопроводов различного назначения. В данном обзоре затронем вид трубопроводов, с которым мы очень часто сталкиваемся в повседневной жизни: в домашнем хозяйстве, в учебных заведениях, в медицинских учреждениях, в ресторанах, в гостиницах и на производстве – трубопроводы систем горячего и холодного водоснабжения. Современный человек не может жить без постоянной работы этих водопроводных систем. Короткий летний период отключения горячей воды для профилактических работ воспринимается некоторыми городскими жителями катастрофой. Однако, не всем известно, что для обеспечения безаварийной эксплуатации водопроводных систем приходится прикладывать много усилий. Коррозия водопроводных труб ежегодно приводит к огромному количеству аварий и потерям сотен миллионов рублей. О видах коррозии водопроводов и способах ее предотвращения мы и поговорим в настоящем обзоре.


На сегодняшний день для холодного (ХВС) и горячего водоснабжения (ГВС), а также отопления применяются металлические трубы: из углеродистой стали оцинкованные и неоцинкованные (ГОСТ 3262-75, ГОСТ 10704-91, ГОСТ 8732-78), из нержавеющей стали (ГОСТ 9941-81) или меди (ГОСТ Р 52318-2005). Трубы водоснабжения обычно подвержены наружной почвенной коррозии при прямом контакте поверхности трубопровода с грунтом или водой и внутренней коррозии в случае агрессивных коррозионных свойств самой транспортируемой водной среды.

Наружная коррозия водопроводов протекает в случае прокладки трубопроводов в земле или в тоннелях, заполняемых постоянно или сезонно водой, и может быть разделена на электрохимическую, биокоррозию и коррозию под действием блуждающих токов. Основные механизмы такой коррозии аналогичны соответствующим механизмам, присущим магистральным и промысловым трубопроводам (о них можно прочитать более подробно здесь или здесь ). В данной статье остановимся только на некоторых нюансах наружной коррозии, характерных именно для водопроводных систем.

Одним из таких нюансов является коррозия трубопроводов, проложенных в различных подземных каналах и тоннелях. В случае слабой герметизации таких тоннелей их постоянно или сезонно, в период наибольшей увлажненности грунта, может затапливать почвенными водами, причем как полностью, так и частично. В таком случае, для увеличения эффективности катодной защиты, необходимо применять специальные системы защиты. Одним из нестандартных вариантов является применение так называемых стержневых протекторов, устанавливаемых на поверхности трубопроводов или на поверхности теплоизоляционной конструкции водопроводных систем и систем теплоснабжения. Варианты схем расположения таких протекторов выбираются в зависимости от потенциальной опасности затопления канала – полностью или частично. Примеры схем размещения таких протекторных систем на поверхности трубопровода показаны на рисунке ниже. Для более подробного ознакомления с системами противокоррозионной защиты внешней поверхности трубопроводов канальной (и бесканальной) прокладки рекомендуем обратиться к СТО НОСТРОЙ 2.18.116-2013 «Инженерные сети наружные. Трубопроводы тепловых сетей. Защита от коррозии. Технические требования, правила и контроль выполнения работ», разработанному ООО «Трансэнергострой».

Расположение стержневых протекторов на поверхности трубопровода

Перейдем к процессам внутренней коррозии водопроводных систем и теплосетей. Сразу следует отметить, что во многих случаях коррозионный отказ водопровода или теплопровода связан с совместным действием процессов наружной и внутренней коррозии. Механизм совместного действия примерно такой. Самые распространённые внутренние коррозионные дефекты стенок трубопровода – сквозные язва и питтинг, маленькие отверстия в стенке трубы. Потери воды через такие «дырки» невелики, поэтому их трудно вовремя обнаружить и устранить. Выходящая вода из такого отверстия растекается по наружной поверхности металла тонким слоем. Этот слой поверхностной воды является электролитом, в котором протекают электрохимические реакции, способствующие протеканию наружной коррозии на большой площади трубы, а также разрушающие гидро- и теплоизоляцию. В результате стенки трубопровода на большой поверхности утончаются, что приводит к отказу с масштабными потерями воды. Таким образом, внутренняя коррозия является первопричиной многих отказов на трубопроводах водоснабжения и теплосетей, хотя на первый взгляд причиной является наружная коррозия.

Основной механизм коррозии водопроводов и тепловых сетей – электрохимический. Скорость внутренней коррозии теплосети и систем водоснабжения зависит от состава и характеристики воды: значения водородного показателя рН, содержания растворенного кислорода, углекислого газа, наличия хлоридов и сульфатов, микроорганизмов, температуры, давления, скорости движения воды, эрозии, контактной коррозии (наличие фасонных частей из разноименных металлов).

Главная сложность в определении механизмов коррозионного разрушения – разностороннее действие большинства вышеописанных факторов внутреннего коррозионного разрушения. В зависимости от внешних условий и сочетаний всех факторов изменения в каком-то одном факторе могут приводить как к торможению, так и к ускорению внутренней коррозии водопроводных систем. Например, наличие в воде растворенного углекислого газа и, соответственно, карбонатов кальция, магния или натрия может приводить как к образованию стабильных гомогенных защитных пленок нерастворимых карбонатов на всей поверхности трубы и торможению процесса коррозии, так и к образованию нестабильных осадков и негомогенных пленок, что ускоряет коррозионное разрушение.

Влияние кислорода на скорость коррозии стали также проявляется в двух противоположных направлениях. С одной стороны кислород увеличивает скорость коррозионного процесса, так как эффективно деполяризует катодные участки, с другой стороны – оказывает пассивирующее действие на поверхность стали, замедляя коррозию. Следует отметить, что кислородная коррозия стали в горячей воде носит, преимущественно, язвенный характер и приводит к образованию сквозных дефектов.

Читайте также:  Замкнутая электрическая цепь: определение элементов, описание режимов работы

Внутренняя коррозия трубопровода ГВС – до и после очистки от продуктов коррозии

Внутренняя кислородная коррозия может ускоряться хлоридами и сульфатами, содержащимися в воде. Эти вещества являются активаторами коррозионного процесса, разрушая пассивные защитные пленки на поверхности металла. Например, хлорид-ионы при некоторых условиях замещают собой кислород в защитной оксидной пленке, что приводит к образованию в ней пор, в которых и начинается ускоренное локальное коррозионное разрушение с образованием язв. Сульфаты ускоряют коррозию непосредственно, увеличивая электропроводность водной среды, и косвенно, способствуя развитию биологической коррозии.

С повышением температуры водной среды скорость коррозии стали обычно возрастает. Но для открытых систем, из которых растворенный кислород может улетучиваться в атмосферу, т.е. концентрация растворенного кислорода в воде уменьшается, скорость коррозии после 80 °C падает до очень низкого значения, хотя в закрытых системах скорость коррозии продолжает расти по линейной зависимости. Следует отметить, что оптимальная температура горячей воды для продления срока службы трубопроводов и их защиты от коррозии должна быть в границах от 45 дo 50 °C. Однако, в связи с санитарными требованиями по предотвращению развития в трубопроводных системах бактерии Legionella, температура горячей воды поддерживается не менее 60 °C.

В сетях горячего водоснабжения также иногда наблюдается биокоррозия при температурах 60-70 °C при малых скоростях движения воды – застое, при наличии в воде органических веществ и сульфатов. Многие виды бактерий являются активными коррозионными агентами. Наибольшее значение имеют группы бактерий, участвующих в превращениях железа и серы. Железобактерии, например Gallionella, поселяясь в трубах, образуют на их стенках слизистые скопления, обладающие высокой механической прочностью и поэтому не смываемые током воды. Участки под колониями бактерий оказываются изолированными от воды и доступ кислорода к ним затруднен. Таким образом, развитие железобактерий приводит к образованию на поверхности трубы зон с различной степенью аэрации, т.е. создаются условия для развития коррозии.

Сульфатредуцирующие бактерии восстанавливают сульфат-ионы, содержащиеся в водной среде до сероводорода H2S, который химически растворяет сталь с образованием сульфидов железа, придающего воде темный цвет и неприятный сероводородный запах. Еще один тип бактерий, тионовые, окисляют серу, тиосульфаты, тионаты до серной кислоты, которая также напрямую участвует в химической коррозии стали.

Одним из дополнительных и необычных механизмов коррозионного разрушения внутренних водопроводных систем является коррозия с участием токов утечки. Токи утечки – это токи других электропотребителей, которые тем или иным способом попадают в трубопровод. Трубопровод является протяженным проводником, поэтому место выхода такого тока из трубопровода, которое и является основным местом его разрушения, может быть довольно далеко от места входа. Действие токов утечки на водопроводные системы в целом приводит к тем же последствиям, что и коррозионное действие постоянных и переменных блуждающих токов, хотя токи утечки могут активировать и процессы электрохимической коррозии.

Основными причинами возникновения токов утечки и попадания их на трубопроводы являются:

  • непрофессиональная эксплуатация действующей системы электроснабжения, например, преднамеренное использование трубопроводных систем в качестве нулевых рабочих проводников, подключение нулевого рабочего проводника к клемме нулевого защитного и наоборот и т.д.;
  • неправильное подключение электропотребителей (водонагревательные котлы, стиральные машины и т.д.), связывающих трубопроводные системы с системой электроснабжения зданий;
  • возникающие в процессе эксплуатации повреждения изоляции кабельных линий и/или электрооборудования, механические повреждения нулевых рабочих проводников.

Выявление токов утечки в водопроводных системах – сложный и трудоемкий процесс. Обычно данные работы выполняются в следующей последовательности:

  • Определение наиболее вероятных источников тока и возможности их попадания на металлоконструкции и трубопроводы здания.
  • Выполнение комплекса диагностических электрометрических работ по выявлению токов утечки.
  • Выполнение полного комплекса стандартных проверок электроустановки здания.
  • Выполнение проверок наличия, правильности выбора сечений и монтажа нулевых защитных проводников.
  • Устранение токов утечки.

Диагностика токов утечки

Переходя к технологиям защиты от коррозии трубопроводных систем, также обратим особое внимание на внутренний коррозионный процесс. Наружная поверхность таких трубопроводов обеспечивается средствами противокоррозионной защиты аналогично любым другим трубопроводам. Защита внутренней поверхности в основном сконцентрирована на 2х направлениях – создание барьерных защит между металлом и средой, и снижение коррозионной активности самой среды. Использование более коррозионно-стойких нержавеющих труб в данной статье рассматриваться не будет – при наличии интереса к данной тематике с кратким обзором коррозионных свойств нержавейки можно ознакомиться здесь .

В качестве примера первого способа защиты следует указать на применение защитных покрытий из материалов, обладающих более благоприятной противокоррозионной стойкостью по сравнению с углеродистой сталью – лакокрасочные, цинковые покрытия и т.д. Здесь, правда, опять может проявиться «разносторонность» коррозионных процессов. Например, цинковое покрытие, служащее коррозионным барьером и, при необходимости, жертвенным анодом, при повышении температуры выше 60-70 °C начинает ускорять коррозию самой углеродной стали.

Примерами снижения коррозионной активности среды являются:

  • коррозионно-безопасные технологии устройства водопроводных систем (исключение подсосов воздуха, застойных зон, наличие постоянной циркуляции воды, поддержание оптимальной температуры, создание условий для образования стабильных естественных защитных слоев и т.д.).
  • стабильное поддержание в воде заданных эксплуатационных норм допустимого содержания взвешенных веществ, солей, органических примесей.
  • деаэрация воды.
  • ингибирование воды.

Универсальных средств защиты от микробиологической коррозии не существует. Применяется химическая дезинфекция – хлорирование и купоросование воды (в месте водозабора), а также обработка воды ионами меди и серебра, йодом и озоном, и физическая дезинфекция с помощью ультрафиолетового и ультразвукового облучения.

Подводя итоги написанному, можно сказать, что проблема внешней и внутренней коррозии систем теплоснабжения и ГВС стоит очень остро. Решать ее необходимо, разбирая каждый частный случай отдельно, особенно, если рассматривается система индивидуального отопления и подготовки и потребления горячей воды, так как в этом случае подготовка воды для систем осуществляется, как правило, самостоятельно, без использования подготовленной воды на ТЭЦ или тепловых пунктах.

Тэги: блуждающие токи, водопроводы, водоснабжение, ГВС, защита от коррозии, кислород, коррозия, коррозия водопроводных труб, теплосети, токи утечки

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.

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.

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:

  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:

  • 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.

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.

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

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.

Читайте также:  Как работает 3-фазное реле напряжения: от чего защищает трёхфазный прибор, модели

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.

Блуждающие токи. Коррозия блуждающими токами.

Разрушение металла в зависимости от почвы. Подземная коррозия трубопроводов.

Металлические изделия служат нам не только в атмосферных условиях, но часто находятся в земле. Трубопроводы, по которым текут вода, газ, нефть, очень часто делают из металла и прокладывают под землей. Под землей также размещают кабели, по которым подают электрический ток или осуществляют телеграфно-телефонную связь. Почва, как вам известно, представляет собой смесь различных веществ. В ее состав входят минералы и различные органические вещества, являющиеся продуктами гниения. Почвенная вода всегда содержит растворы солей и кислот, т. е. она электролит. Вот почему так тщательно покрывают изоляционными материалами металлические трубы, прежде чем они будут зарыты в почву. Правда, по своим свойствам почва может быть различна. При раскопке трубопроводов в окрестностях Батуми, проложенных в 1878 г., т. е. труб, которые пролежали в почве около ста лет, выяснилась интересная картина. На отдельных участках не осталось и следа от металлических труб, так как они полностью были разрушены. В то же время в тех местах, где трубы проходили по глинистой почве, они полностью сохранились. Вид их был такой, как будто бы они только что были зарыты в землю. Следовательно, в глинистой почве не было доступа к металлу электролитов и кислорода, способствующих разрушению металла. Трубы здесь были изолированы самой почвой. Вот такую же роль играет покрытие труб различного рода смолами. Однако в больших городах такого рода покрытия не всегда сохраняют металл от разрушения. Коварную роль здесь играет электрический ток.

Причина попадания электрических токов в почву?

В основном электрические токи, или как их еще называют «блуждающие», появляются в больших городах, причинами попадания в почву являются:

городской транспорт (трамваи, метро);

заводы и предприятия, которые используют на своем производстве электросварочные аппараты, электролизные ванны.

В общем можно сказать, что блуждающие токи появляются там, где используют установки постоянного тока.

Находящиеся под землей кабельные сети, трубопроводы и разные металлические сооружения, подвергаются сильной коррозии, в районах расположения электротяговых устройств постоянного тока, поскольку в таких случаях в качестве обратного провода используют рельсы, зачастую не имеющие достаточной электрической изоляции относительно земли. Таким образом ток оказывается в почве.

Несмотря на то, что в почве находятся растворы солей, она оказывает хорошее сопротивление блуждающим токам. В случае же наличия металлических проводников, какими будут являться трубы, блуждающий ток устремляется в трубы. Ток не вызывает разрушении при входе в металлическую конструкцию под землей, а при выходе из нее, он разрушает металл.

Зоны блуждающих токов

Чтобы узнать, как ведут себя блуждающие токи, рассмотрим простую схему коррозии подземного трубопровода (рис. 1) в случае, когда обратный ток протекает по рельсам.

Рис.1. Коррозия трубопровода блуждающим током.

В рабочий воздушный провод поступает электрический ток от положительного полюса и по рельсам возвращается обратно к отрицательному полюсу. На некоторых участках пути, рельсы соприкасаются с почвой и часть тока уходит в почву. Также в случае пролегания вблизи рельс стального трубопровода, ток уже потечет не по почве, а по трубе. Итак, путь прохождения блуждающего тока делится на три части:

— Катодная зона, она не является опасной в коррозионном отношении, на этом участке блуждающий ток переходит на трубопровод из почвы.

— Зона, где ток протекает по трубопроводу. На этом участке нет переходов тока. Такая зона тоже не является опасной.

— Анодная зона. На этом участке происходит переход тока из металлического трубопровода в почву. Тут и возникает коррозия трубопровода, которая зависит от величины блуждающего тока. На этом участке возможно появление глубоких язв коррозии и даже разрывов в трубе.

Рис. 2. Чугунная труба, пострадавшая от коррозии вследствие блуждающих токов.

Известны случаи протекания по трубопроводу тока силой до 300 а. Зная силу тока, можно по закону Фарадея подсчитать разрушение металла. Так, например, ток силой до 1 а в течение года разрушает около 9 кг железа, 11 кг меди и 34 кг свинца. Эти цифры показывают, к какому разрушению подземных сооружений может привести блуждающий ток, учитывая, что радиус Действия блуждающего тока, входящего в землю с рельсов электрифицированных железных дорог, определяется иногда несколькими десятками километров. Вот почему в больших городах, где имеется много подземных сооружений, а также разветвленная система подземных сооружений и наземных проводников постоянного электрического тока, необходимо тщательно защищать подземное хозяйство от губительного действия блуждающих токов. Руководители городского хозяйства при постройке новых подземных сооружений должны строго учитывать этого врага металлических изделий, который может нанести непоправимый ущерб и даже бедствие городскому хозяйству. Например, разрушенная блуждающим током труба газопровода может вызвать выход газа из трубы, в которой он протекает, что связано с опасностью возникновения пожара. Нужно сказать, что такие случаи принесли большой ущерб не только городскому хозяйству, по и населению.

На рисунке 2 приведена фотография трубы, пострадавшей от коррозии блуждающим током. Как видите, блуждающий ток разрушил трубу так, что в ней образовались сквозные отверстия.

С действием блуждающих токов можно ознакомиться на простом опыте. Соберите установку по схеме,
изображенной на рисунке 3. Здесь медный провод АВ соединен с источником постоянного тока и погружен в 5-процентный раствор поваренной соли в таком количестве желатины, чтобы получилась студенистая масса. К желатине добавьте несколько капель концентрированного раствора красной кровяной соли. Ниже медного провода в желатину погрузите железную пластинку, как это показано на рисунке.

Рис.3. Лабораторный эксперимент для обнаружения блуждающих токов

В цепь постоянного тока включают сопротивление (реостат). Когда сопротивление проводника мало, то весь ток потечет к проводнику и не попадет на железную пластинку. Но если увеличить сопротивление проводника при помощи реостата, то часть тока пойдет по пути наименьшего сопротивления, т. е. через раствор и пластинку. На месте выхода блуждающего тока с железной пластинки обнаружится посинение, указывающее на разрушение железной пластинки, т. е. ее растворение, с образованием ионов железа, которые, взаимодействуя с красной кровяной солью, образует железосинеродистое железо, имеющее синюю окраску. Желатина вводится для того, чтобы образовавшееся синее пятно не расплывалось.

Защита от блуждающих токов при подземной коррозии.

Для борьбы с блуждающими токами в настоящее время разработан ряд мероприятий. Нетрудно понять, что эти мероприятия сводятся к сравнительно простым способам. К таким способам относится тщательная изоляция токонесущих систем, а с другой стороны — так называемый электродренаж. Он заключается в отводе тока по специальным проводам от подземных сооружений на отрицательный полюс электростанции.

Для защиты от коррозии трубопроводов, прокладываемых в земле, обычно применяют битумные покрытия, а для кабеля джутовую обмотку, пропитанную битумными составами.

Кроме этих методов, применяют так называемую катодную защиту.

Блуждающие токи в водопроводных трубах: как устранить проблему

Согласно исследованиям, ускоренное разрушение подземных коммуникаций из металла происходит по причине возникновения электрохимической коррозии. Ее причиной является целенаправленное перемещение заряженных частиц, являющихся блуждающими токами. Такая ситуация указывает на то, что для обеспечения сохранности металлоконструкций необходимо разобраться, как устранить блуждающие токи под землей в трубах для водоснабжения.

Определение понятия

Блуждающие токи – это заряженные электрочастицы с определенной траекторией движения, возникающие в земле, являющейся проводником. Термин блуждающие возник из-за того, что невозможно предугадать локализацию частиц и начало возникновения процесса. Влияние блуждающих электрочастиц крайне негативно сказывается на металлических изделиях, находящихся над землей и под ней.

Подобные процессы возникают из-за растущего количества электрифицированных объектов, являющихся основой современных стран. А так как почва проводник для электричества, происходит взаимодействие между элементами.

Возникают блуждающие частицы подобно электрическим, для взаимодействия которых требуется сопоставление разности потенциалов в 2-х произвольных точках, только для блуждающего варианта проводник – это земля. В результате находящийся металлический материал вблизи процесса разрушается быстрее из-за коррозии.

Процесс формирования

Причиной для возникновения блуждающих токов служит большое количество оборудования, работающего от электрического заряда, в результате потенциальными источниками являются следующие элементы:

  • наличие ЗУ в таких объектах как подстанции, ВЛ с нулевым проводником, распределители;
  • возникновение активности, как результат разрушения изоляционного слоя проводов, несущих ток в кабелях и ВЛ сетях, где нейтраль изолирована;
  • присутствие связующего технологического звена между проводником и почвой в конструкциях с заземленной нейтралью и рельсовых транспортах, движимых током.

Механизм возникновения спонтанных разрядов можно рассмотреть на примере одного из приведенных пунктов.

Один конец нулевого провода соединен с ЗУ электростанции, а другой присоединен к шине PEN потребляющего энергию, обладающей присоединением к ЗУ. Отсюда следует, что разница потенциалов электрического значения между выводами формирует блуждающие токи, так как энергия станет передаваться на ЗУ, что в свою очередь сформирует цепь.

В данном случае объем потерь не имеет большого процента, так как пройдет по пути самого малого сопротивления, однако определенная часть попадет в землю.

Аналогично происходит утечка энергии и в случае с повреждением изоляции проводки.

При этом постоянная бесперебойная утечка не имеет места, так как о ее возникновении сигнализирует система и происходит автоматическая локализация участка, а также согласно нормативам, существует определенный период времени, отведенный на устранение неполадок.

Важно! Cогласно статистике, основные места формирования утечки электроэнергии и образования блуждающих токов приходятся на городские и пригородные зоны, где существует наземный транспорт, зависящий от энергосети.

При использовании городского электрифицированного транспорта, подается напряжение из подстанции в тяговую систему, переходящее на рельсы и совершающее обратный цикл. Если рельсы как железная основа относительно проводника недостаточно устойчивы, это ведет к образованию в почве локаций блуждающих токов, тогда любая металлоконструкция, появившаяся на их пути, например, сантехнические изделия, выступают в качестве проводника.

Важно! Происходит такое взаимодействие из-за того, что ток перемещаясь, выбирает путь наименьшего сопротивления, которое у металла ниже, чем у земли.

Все это приведет к ускоренному разрушению металлических изделий.

Взаимосвязь токов и коррозийных процессов

Любой водопровод, находящийся в почве, повреждается коррозией за счет воздействия на него влаги и солей, однако если сюда еще подключить и активность токов, то возникает электролитический процесс. При этом на скорость электрохимической реакции воздействует заряд, протекающий между анодом и катодом. Отсюда следует, что на активность повреждения изделий из металла будет влиять сопротивление почвы движению зарядов, а также сложность течений, находящихся в анодной и катодной зоне.

В такой обстановке система водоснабжения подвержена обычной коррозии под влиянием токов утечки. Воздействие формирует гальваническую пару, ускоряющую развитие коррозии. В истории существует немало моментов, когда укладываемый трубопровод должен был служить 20 лет, а на самом деле разрушение происходило через 2 года.

Варианты возможной защиты

Чтобы защитить изделия из металла от пагубного воздействия применяются различные методы, разделяющиеся по природе их применения на пассивные и активные.

Пассивный вариант

Этот вариант является применением различного изолирующего материала, формирующего защиту между проводником и металлом. В качестве изоляции применяется:

  • эпоксидная смоляные смеси;
  • включение в состав полимеров;
  • покрытие из битума.

Но если ограничиться только этим вариантом, то полноценной защиты не получится, так как изоляционный материал не является стопроцентным барьером из-за наличия диффузионной проницаемости. Поэтому изоляция происходит в частичный способ. Кроме этого в процессе перемещения труб такой слой может быть поврежден, в результате чего возникают значительные царапины, надрезы, сквозные дыры и прочие изъяны.

Важно! Поэтому использовать пассивный метод защиты можно только в качестве дополнения.

Активная защита

Указывает на применение активных способ локализации источника воздействия посредством применения катодной поляризации, где отрицательный заряд смещает естественный.

Чтобы подобную защиту реализовать необходимо применение одного из двух инструментов:

  • Гальванического метода – эффект гальванической пары, выполняется разрушение жертвенного анода, обеспечивая тем самым защиту металлоконструкции. Метод активен при сопротивляемости грунта до 50 Ом на метр, если сопротивляемость ниже метод не действенен.
  • Источника постоянного тока – обеспечивает избегание зависимости от силы сопротивляемости грунта. Используется катодная защита, источник которой заключен в сформированном преобразователе, подключенному к электрической цепи переменного тока. Так как источник специально сформирован посредством его регулирования можно задать необходимый уровень защиты тока, в зависимости от сложившихся обстоятельств.

Активная изоляция

Подобный способ может обеспечить и негативное воздействие:

  • перезащита – превышение необходимого потенциала, как результат происходит разрушение металлического изделия;
  • неверный расчет защиты – приводящий к ускоренному коррозийному разрушению близ расположенных металлических объектов.

Приведенные примеры можно рассмотреть на защите такого изделия как полотенцесушитель.

Коррозийные процессы на таких изделиях или прочих оконечных водопроводных изделиях никогда не происходили, но это было реально до начала применения металлопластиковой трубы, где существует контакт с алюминием внутри стенки. В результате формирование блуждающих элементов происходит не только из-за применения пластиковых труб в непосредственном помещении, но и в прочих, так как в многоквартирном доме они могут быть применены у соседа с другого этажа.

Важно! Чтобы избежать негативного влияния образовавшихся токов на собственную конструкцию необходимо выровнять потенциалы, за счет обеспечения полотенцесушителя, батареи и водопроводных труб элементом заземления.

При этом использование так необходимого заземления происходит в отношении любой коммуникации, которая выполнена из металлических труб, например, газопровода в земле.

Правила выполнения замеров

Чтобы оценить всю степень сложившейся ситуации с утечкой электрозарядов необходимо выполнить ряд мероприятий:

  • измерение напряжения и устремление тока по оболочкам кабелей магистрали;
  • определение разности потенциалов между контактными рельсами и находящимися в почве трубопроводами;
  • проверка уровня изоляции рельсов от грунтового покрытия, использовав для эксперимента участок полотна;
  • оценка плотности утечки энергии с оболочки кабелей в грунт.

Чтобы выполнить замеры, применяется специальный прибор, если мероприятия проводить на железнодорожных полотнах необходимо выбирать час пик движения транспорта.

Читайте также:  Как работает компаратор: характеристики и описание принципа действия, использование схем сравнения напряжения

Инструменты для замера

Для проверки применяют трансформаторы и подстанции у линии движения – электрод, подключенный к прибору, соединяют с ЗУ и втыкают в 10 метрах от подстанции. Вся возникающая разность фиксируется прибором.

Если предстоит укладка линии труб для водоснабжения важно выявить локацию блуждающих токов, с этой целью определяется разность потенциалов между двумя выборочными точками поверхности земли, размещенными перпендикулярно друг к другу с соблюдением равного расстояния. Такое определение важно выполнять систематически с разрывом в километр.

При этом используемые приборы обязательно должны иметь класс точности не ниже 1,5, а сопротивление оборудования от 1 МОм. Применение измеряющих электродов с разностью потенциалов выше 10 мВ. Время проведения одного замера обязательно проходит в пределах 10 мин, а разрыв между процессами 10 сек.

Заключение

Вычислением потенциала и определением места локализации блуждающих электрических частиц не следует пренебрегать, так как от этого зависит качество работы водопроводной системы, кроме этого следует применять одновременно оба способа защиты, которые урегулируют возникающее напряжение и обеспечат полную защиту трубопровода.

Блуждающие токи: причины возникновения, способы защиты от коррозии водопроводных труб

Атмосферная коррозия

Атмосферная коррозия – это коррозия металлов в условиях земной атмосферы (во влажном воздухе и температуре окружающей среды). Она наиболее распространена. Имеет ряд специфических ее особенностей. Коррозионной средой (электролитом) является вода, в которой присутствуют кислород воздуха (окислитель), атмосферные газы, пыль. Вода появляется на поверхности металла или непосредственно после осадков или в результате конденсации. Здесь определяющая роль у влажности воздуха. Выделяется три случая: мокрая коррозия, влажная и сухая.

При относительной влажности, близкой к 100 %-й в результате конденсации, а так же из-за осадков, на поверхности образуется видимый слой воды или ее капли. Это случай мокрой коррозии.

При влажности воздуха 60–70 % на поверхности появляется невидимая адсорбционная пленка воды (порядка нескольких молекулярных слоев) – влажная коррозия.

При влажности менее 60 % на поверхности вода отсутствует ­– сухая коррозия. Сразу отметим, что она носит химический характер (см. далее). На поверхности металлов при реакции с кислородом образуется защитная оксидная пленка (металл лишь тускнеет). Скорость химической атмосферной коррозии невелика (из-за невысоких температур) по сравнению с остальными видами. Существенной роли она не играет.

Когда поверхность влажная (появляется электролит) скорость коррозии уже существенна. Коррозия при этом носит электрохимический характер. Рассмотрим реакции при атмосферной коррозии железа с кислородной деполяризацией

Первичный продукт коррозии Fe(ОН)2 светло-зеленоватого цвета неустойчив и быстро доокисляетсядо коричневатого Fe(ОН)3

и затем превращается в ржавчину – гидрат оксидов железа переменного состава хFeО·yFe2О3·zН2О.

В случаи влажной коррозии, когда кислород легко проникает через пленку воды, процесс контролируется анодной реакцией и омической составляющей

среды. При мокрой коррозии наблюдается катодное торможение, так как доступ кислорода через утолщенные пленки затруднен.

Далее рассмотрим основные специфические факторы, которые увеличивают скорость атмосферной коррозии.

1. Повышение влажности атмосферы. Как уже отмечалось, увеличение

влажности более 60 % приводит к конденсации воды и, следовательно, к возрастанию коррозии. На влажность влияет погодный фактор. В определенные времена года увеличивается продолжительность и число циклов смачивания. Осенью (в более дождливый период) коррозия интенсивней, чем летом. В зимний период при отрицательных температурах на поверхностях вообще отсутствует жидкая вода и коррозией можно пренебречь.

2. Температура может действовать двояко. При повышенной влажности

(например, во время дождливого времени года в тропических зонах) повышение температуры значительно ускоряет коррозию. При переходе весной от отрицательных к положительным температурам коррозия увеличивается. Но часто повышение температуры тормозит коррозию: падает влажность воздуха, высыхает поверхность металлов, снижается растворимость кислорода в воде.

3. Значительное влияние оказывает загрязнение воздуха различными газа-

ми, пылью, дымом. Это меняет состав влажной пленки на поверхности и ускоряет коррозию в десятки раз. Наиболее агрессивные газы: SО2, NО2, HCl, H2S. При растворении в воде они создают кислую среду, разрушающую защитные пленки. Сероводород H2S опасен для серебра (электротехника). Аммиак NН3 в воде дает щелочную среду (опасен для алюминия, цинка, свинца, олова) и хороший комплексообразователь (опасен для меди). В прибрежных морских районах воздух содержит агрессивные хлориды солей. Пыль, оседая на поверхность, способствует конденсации и удерживанию влаги. Чистый влажный воздух не так опасен. Так, если в относительно чистой атмосфере сельских районов скорость коррозии обычных сталей составляет около 0,1–0,15 мм/год, то в промышленной сильно загрязненной атмосфере 0,45–0,5 мм/год.

В среднем скорость атмосферной коррозии в городских условиях для различных металлов составляет по возрастанию, в мм/год: 0,004 Pb; 0,008 Al; 0,012 Cu и Sn; 0,05 Zn; 0,2 Fe. Интересно, что поверхность меди в присутствии атмосферного СО2 и воды может покрывается зеленоватым налетом из основного карбоната (СuОH)2СО3. К наиболее стойким металлам на воздухе относится Ti, ряд редких металлов (из-за защитных оксидных пленок) и благородные металлы. Но, серебро немного темнеет (аналогично и медь) в присутствии сероводорода

Почвенная коррозия

Протекает в почве и грунте (грунт под почвой и не содержит органики). Ей подвержены трубопроводы, сваи, резервуары, опоры и др. Коррозия носит электрохимический характер. Механизм ее такой же, как при атмосферной коррозии (в случае невысокой влажности), или в электролитах.

Скорость коррозии металлов зависит от влажности, состава, величины рН и пористости почвы, наличия микроорганизмов. По агрессивности грунты подразделяются на несколько видов. Максимальная коррозия происходит при влажности 15–25 %. Свыше затруднен доступ кислорода из-за насыщения грунта водой. Минерализация почв меняется в широких пределах – от 10 до 300 мг/л разных солей. Оба фактора, а также гранулометрический состав, определяет омическое сопротивление грунта. Чем меньше сопротивление, тем грунты агрессивней (табл. 2.2).

Удельное сопротивление грунта и его коррозионная агрессивность

Удел.соп- ротивление, Ом·м100
Агрессив- ность грунтаОсобо высокаяВысокаяПовышеннаяСредняяНизкая

Кислые болотистые и гумусовые почвы с рН = 3–6 отличаются высокой агрессивностью. Здесь окислителем является и Н + , иO2. Встречаются и щелочные почвы – суглинки и солончаки с рН = 7,5–9,5, с окислителем кислородом. У большинства почв значение рН составляет 6–7,5. Большое значение имеет воздухопроницаемость почв: чем она выше, тем больше коррозия. По этой причине песчаные почвы часто более агрессивны, чем глинистые. При сочетании песчаных и глинистых участков очень опасна дифференциальная аэрация. В некоторых случаях анодные и катодные участки могут находиться далеко друг от друга. Так, на трубах (рис. 2.13) на расстоянии до 2 км могут возникать макрогальванические элементы с разностью потенциалов 0,5 В, приводящие значительному питтингообразованию.

Рис. 2.13. Схема коррозионного макрогальванического элемента

подземного трубопровода при различном доступе кислорода

Там, где доступ кислорода облегчен (песчаный участок) – катодный участок, где затруднен (глина) – анодный. Коррозия сваи с учетом грунтовых вод показана на рис. 2.14.

Рис. 2.14. Коррозия стальной сваи в грунте: 1– верхний слой грунта с большим содержанием кислорода; 2 – катодный участок сваи; 3 – уровень грун-

товых вод; 4 – анодный участок с продуктами коррозии

И в целом, из-за недостаточного поступления кислорода, почвенная коррозия носит местный (локальный) характер. Это приводит к скважному ржавлению в местах язв и питтингов.

Коррозия блуждающими токами (электрокоррозия) и защита

Выделяется в отдельный вид из-за специфичности. Возникает в земле при протекании токов утечки от источников постоянного тока: вблизи электрифицированных железных дорог (наиболее опасна), линий трамваев, электролизных производств и даже сварочных установок.

При прохождении электровоза часть рельсового тока из-за неполной изоляции стекает (ответвляется) в землю (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Возникновение блуждающих токов вблизи ж /д

Если в зоне блуждающих токов оказываются металлические сооружения (труба и др.), то они становятся частью цепи и подвергаются коррозии (часто усиленной). Точная схема токов утечек сложна и зависит от ряда факторов: загрязнения и влажности балласта насыпи; электропроводности самой земли (иногда токи распространяются на многие километры от дороги); удаленности тяговой подстанции, куда в итоге возвращается ток (у трамвайных линий тяговые подстанции располагаются близко друг от друга, и токи утечек не так велики, как на ж/д); мощности локомотива; возможностью смены направления движения; перемещением анодной и катодной зоны и др. Причем можно считать, что за счет внешнего тока происходит электролиз, поэтому и электрокоррозия. Несколько упрощая, можно дать следующую принципиальную картину процессам.

Анодными зонами с более положительным потенциалом (в обычной коррозии анод отрицательней катода) являются на рельсе места стекания тока в грунт, а на трубе места выхода тока обратно в рельс

И наоборот, катодные зоны для рельса – выход тока из грунта и для трубы –вход тока в трубу с двумя основными реакциями

Центральная часть трубы составляет нейтральную зону. Для самой железной дороги электрокоррозия наиболее интенсивно наблюдается в тоннелях, где нет проветривания пути от влаги. Так, основная причина замены рельсов в тоннелях – электрокоррозия подошвы рельса.

Главное для уменьшения электрокоррозии – борьба с утечками тока: поддержание в хорошем состоянии балласта и отвод от него воды; прочистка зазоров между балластом и рельсами; электроизоляция рельсов неэлектропроводными прокладками от полотна и шпал; повышение проводимости стыков (хорошее состояние стыковых токовых соединителей, затяжка болтов); применение бесстыкового пути; уменьшения расстояния между тяговыми подстанциями.

Для защиты сооружений вблизи дорог используют электродренаж. Коррозию можно практически исключить, если соединить их проводом с рельсом. Тогда ток пойдет не через грунт и ту же трубу, а через проводник обратно в рельс. Чтобы направление тока не влияло на защиту, в дренажную цепь ставят вентили – диоды. В целом дренаж достаточно сложное техническое решение. Можно использовать и другие способы защиты: катодные станции (см. далее), когда защищаемая конструкция находится на большом расстоянии от дороги (свыше 1км); или протекторы.

2.9. Биокоррозия и защита

Это – коррозия металлов при воздействии микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности. Опасны не бактерии как таковые, а продукты их жизнедеятельности. Микроорганизмы способны вырабатывать не только органические кислоты – муравьиную, уксусную, лимонную, щавелевую, но и сильные неорганические – серную, азотную.

Различают аэробные и анаэробные микроорганизмы, действие которых на металлы различно.

Аэробные развиваются только в присутствии кислорода. Они подразделяются на тионовые, нитрифицирующие и железобактерии.

Тионовые сначала окисляют соединения серы из почвы (сульфиды, например, FeS2) до серной кислоты, а затем появляется еще ионы трехвалентного железа: FeS2 +O2 + Н2О → Н2SO4 + FeSO4+ O2 → Fe2(SO4)3.

И Н2SO4 и Fe2(SO4)3 окисляют далее металлы. Известен пример влияния биокоррозии при строительстве Киевского метро. Грунтовые воды закислились серной кислотой и стальные конструкции при контакте с ними разрушились за четыре месяца на 40%.

Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак из воздуха и воды до агрессивной азотной кислоты: NH3 +O2 + Н2О → НNO3.

Железобактерии любят поселяться в трубах (в местах неровностей) с проточной водой. Образуя скопления они вызывают кислородную дифференциальную аэрацию при электрохимической коррозии с последующим до окислением двухвалентного железа до трехвалентного: Fe + O2 → Fе 2+ +O2→ Fе 3+ +Fe→ Fе 2+ и т.д.

В глубине почвы при низкой концентрации кислорода или без него могут развиваться анаэробные бактерии. Они способны в слабокислой среде восстанавливать сульфат ионы: Fe + SО4 2- + H + → Fе 2+ + FeS +H 2S + Н2О.

К методам защиты от биокоррозии относятся следующие. Применение лакокрасочных покрытий с бактерицидными (биоцидными) добавками. Поддержание по возможности оптимальных внешних условий: влажности не более 80 %, температуры не более 20 о С. Наличие хорошей вентиляции. Удаление загрязнений (питательной среды) с поверхностей. При необходимости применение электрохимической защиты (протекторной или катодной).

Контактная коррозия

Если, в электролите в контакте находятся металлы с разными потенциалами (разность более 0,25 В), то скорость коррозии их существенно меняется, по-сравнению с отсутствием контакта. Очевидно, что более отрицательный металл будет – анодом и скорость его усилится, а положительный – катодом и коррозия его уменьшится или прекратится. Усиление коррозии одних металлов при контакте с другими принято называть контактной коррозией.

Многие конструкции, машины, приборы нельзя построить из одного металла. Всегда будут в наличии покрытия другими металлами, сварные или паяльные соединения, болты и др. Да и сами сборные конструкции включают применение разных сплавов. В этих случаях нельзя допускать ошибок.

Приведем примеры ошибок. Первый исторический ­– времен парусного флота. В определенный момент английские корабли получили преимущество в быстроходности над французскими парусниками. Деревянные днища английских судов стали обшивать медными листами. Но через некоторое время листы дорогостоящей меди стали отваливаться в море. Причина – крепление меди осуществлялось железными гвоздями, которые быстро аноднокорродировали. Понятно, что их надо заменить на медные. В ракетостроении (60-е годы) были неприятные ошибки. Например, быстро выходили из строя подшипники, состоящие из латуни и стали. Пришлось все детали в подшипниках хромировать. Или ряд примеров без непосредственного контакта металлов. Стальные и алюминиевые баки для нагрева растворов неожиданно быстро корродировали. Оказалось, что змеевики в них были медные (но, подчеркнем, без прямого контакта). В раствор попадало небольшое количество ионов меди из змеевиков. Далее они восстанавливались на поверхности баков:Cu 2+ +Al(Fe) → Cu + Al 3+ (Fe 2+ ). Образовывались микрогальванические элементы (с катодом из Cu) с дальнейшей усиленной коррозией баков. Еще пример. Титановые листы покрывались налетом ржавчины?! Оказалось, что они подвергались поверхностной очистке стальной дробью. Следы стали оставались в титане и ржавели.

Нельзя соединять напрямую медный провод с алюминиевым на открытом воздухе. В месте контакта алюминий станет анодом и при попадании влаги начнет окисляться. Со временем будет нарушена проводимость. Нежелательно на медь ставить стальной болт (анод). Продукты коррозии могут не позволить его свободно демонтировать.

Рассмотрим совместимость важнейших практических контактных пар металлов при атмосферной коррозии.

Al-сталь, Al-Ti в большинстве случаев контакт допускается (алюминий защищен оксидной пленкой), кроме морского воздуха.Al-Zn, Al-Cd, Al-Pb хорошо совместимы.Al-Cu нельзя использовать, даже при анодированном алюминии.Fe-Niопасная пара для первого.Fe-нержавеющая сталь, Fe-Cu нежелательные пары (особенно в морских условиях).Fe-Pb, Pb-Cu хорошо совместимы.

Если нельзя избежать контактирования, то места соприкосновения надо заизолировать: лаками, смазками, мастиками, полимерными прокладками (шайбы пластмассовые под болты). В электрических контактах используют промежуточный металл: между алюминием и медью прокладывается сталь.

Добавить комментарий