Блуждающие токи и электрохимическая коррозия

Принцип возникновения вредного влияния систем ЭХЗ на сторонние объекты или как ЭХЗ может навредить

Электрохимическая защита от коррозии (ЭХЗ) — хорошо известное и могущественное оружие для защиты от электрохимической коррозии разнообразных объектов. Однако, как и всякий инструмент, она должна применяться обдуманно, иначе вред от ее использования может существенно превысить положительный эффект. Основным вредным последствием работы систем ЭХЗ, возникающим вследствие ошибок при проектировании и строительстве подобных систем, может быть ускоренная коррозия соседних с защищаемым металлических объектов. Обычно такая ситуация реализуется в многониточных близкорасположенных трубопроводных системах различного назначения, например, на нефтепромысловых трубопроводах, но может быть встречена и на других объектах, где выборочно применяются системы ЭХЗ, например, на промышленных площадках, нефтебазах и др.

Рис. 1. Распределение токов утечки с постороннего трубопровода при сближении с трубопроводом, защищенным катодными установками

Вредное влияние системы ЭХЗ защищаемого трубопровода на сторонние трубопроводы реализуется вследствие возникновения блуждающих токов. Величина такого тока может быть довольно велика, из практики до 50 А. Однако, сама по себе величина тока, протекающего на подземном сооружении, не определяет опасности коррозионного влияния. Существенной является плотность тока, которая возникает на анодных поверхностях при стекании тока с металлического сооружения в окружающую почву. Эта плотность зависит не только от величины тока, но и от площади поверхности анодной зоны. Согласно практике защиты подземных сооружений от блуждающих токов опасной средней суточной плотностью блуждающего тока для стальных трубопроводов считается 75 мА/м 2 .

При этом та часть металлического сооружения, из которой ток выходит в землю, является анодом, а та часть сооружения, где постоянный ток входит в него, является катодом. В анодных зонах при условии контакта сооружения с влажной почвой блуждающие токи вызывают электролиз и причиняют сооружению чрезвычайно большие коррозионные разрушения. Блуждающий ток в 1 А за один год «разъедает» в анодной зоне металлического сооружения около 9 кг железа.

Рис. 2. Повреждение трубопровода блуждающими токами

Скорость и интенсивность коррозии блуждающими токами совместно с почвенной коррозией особенно сильно возрастает при наличии частых и резких перепадов значений электрического сопротивления почв вдоль линейного сооружения. Объясняется это тем, что в этих условиях блуждающие и гальванические токи то входят в сооружение и проходят по нему, то выходят из сооружения и проходят по почве, создавая тем самым множество анодных и катодных зон. Установлено, что в почвах с высоким сопротивлением блуждающие токи более или менее полно собираются металлическим сооружением и протекают по нему. На участках, где почва имеет низкое сопротивление, эти токи покидают сооружение и частично переходят в почву. Места наиболее сильных утечек тока из сооружения, совпадающие с участками низкого сопротивления почвы, характеризуются наиболее интенсивными явлениями коррозии.

Таким образом, при наличии систем ЭХЗ на одном трубопроводе в коридоре и при отсутствии компенсирующих мероприятий сторонний трубопровод, находясь в зоне распространения токов ЭХЗ, привлекает на себя эти токи, передает их как проводник более низкого омического сопротивления и возвращает их через землю к источнику в анодных зонах, в которых и происходит его интенсивное разрушение (Рис. 1).

Решение подобной проблемы на существующих объектах должно начинаться с комплексного электрометрического обследования системы трубопроводов для оценки непосредственной опасности коррозионного разрушения стороннего трубопровода и поиска существующих анодных зон. После этого необходимо либо организовать полноценную совместную защиту объектов, либо разработать технические решения по снятию существующего вредного влияния. Последнее, кстати, лучше всего получается при проведении предварительных полевых испытаний применяемых решений, так как очевидная установка перемычек в районе точке дренажа действующей катодной станции может просто переместить анодную зону на соседний участок трубы, тем самым стимулировав электрокоррозию в другом месте. А самый лучший способ избежать таких проблем, это конечно предусмотреть все заранее при проектировании объекта на основании качественных, а не формальных инженерных коррозионных изысканий. Сделать хорошо сразу всегда проще, чем переделывать уже построенный объект!

Тэги: блуждающие токи, защита трубопроводов, коррозионное влияние, коррозия, система ЭХЗ, электрохимическая защита, электрохимическая коррозия, ЭХЗ

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.

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

№ 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

№ 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.

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.

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:

Электрокоррозия полотенцесушителя и водонагревателя

Электрокоррозия – это коррозия материалов под влиянием электрического тока от внешнего источника (коррозия блуждающих токов)

Признаки электрокоррозии – это единичные или множественные потемнения корпуса полотенцесушителя с образованием пор (мелких сквозных отверстий) на сварочных швах и ровных участках поверхности трубы.

Электрокоррозия на полотенцесушителе

К сожалению, у современных полотенцесушителей, какой бы вы ни выбрали: водяной, электрический, из нержавейки или комбинированный, — существует определенная проблема при их использовании, а именно электрокоррозия полотенцесушителя.

Если вы заметили, что полотенцесушитель (даже из нержавейки) начинает постепенно покрываться пятнами ржавчины, — это признаки электрокоррозии метала. Причины ее образования в том, что металлические конструкции, находящиеся в воде, подвергаются двум видам коррозии: гальванической и коррозии, которую вызывают блуждающие токи. Второй вариант возможен в том случае, если металл, по которому уже протекает электрический ток, дополнительно подвергается воздействию воды. Вследствие такой нагрузки появляются так называемые пробои, от которых распространяется коррозия металла.

Этот вид электрокорозии отличается от гальванической, хотя у них одна природа появления. Гальваническая коррозия возникает из-за соединения двух разных видов металла.

Блуждающие токи возникают не только из-за внешних, но и из-за внутренних источников, а именно в связи с коротким замыканием. Теоретически при правильном строительстве коротких замыканий в системе быть не должно, но на практике получается по-другому. В каких-то местах сварочное соединение заменяют на обычные сгоны или меняют кусок трубы на металлопласт, поэтому возникают блуждающие токи, и все это приводит к электрической и электрохимической коррозии.

Особенно подвержены этим видам электрокорозии подземные коммуникации, так как они проходят через разные виды грунта. Дополнительная опасность возникает, если эти коммуникации проложены рядом с местами с повышенными электрическими затратами. Сама проблема возникновения коррозии на полотенцесушителях заключается в том, что большинство людей сейчас пытается заменить старые трубы на пластиковые, предполагая, что от этого исчезнут блуждающие токи. Но чаще получается совсем наоборот.

Когда весь стояк состоит из металлических труб, а в квартирах их заменяют на пластиковые, возникают блуждающие токи из-за разных видов труб. Все это происходит потому, что все металлические трубы при постройке заземлены. В новых домах, например, заземление происходит через систему уравнения потенциалов, а в старых в подвалах — по контуру заземления. А при установке пластика эта металлосвязь между трубами и полотенцесушителем нивелируется, и появляются блуждающие токи. Следовательно, разрывается уже существующий потенциал: получается, что на стояке он будет один, а на полотенцесушителе — другой.

Как защитить полотенцесушитель от корозии

Как защитить новый полотенцесушитель от такой проблемы? Ответ достаточно прост: необходимо обеспечить серьезную металлическую связь между двумя трубами, а именно между трубами стояка и самим устройством. Тогда блуждающие токи устранятся. Проще говоря, нужно заземлить полотенцесушитель к металлическим трубам стояка. Если трубы водопровода в квартире выполнены из метала, вопросов об их дополнительном заземлении не должно возникнуть.

Каждая ванная комната также имеет заземление на трубопровод отдельным проводником, потому что у нее нет другой связи с водопроводной трубой.

Когда в моду вошло использование пластиковых труб, о заземлении стали мало задумываться, так как металлопластиковая труба похожа по токопроводимости на металлическую. Но это большое заблуждение. Не существует соединительных элементов, обеспечивающих контакт между алюминием и металлопластиковой трубой.

Получается так: вода имеет высокую токопроводимость, чтобы подвести накопившееся опасное напряжение в безопасное место, но она недостаточно проводима, чтобы защитить пользователя от нежелательного разряда тока. К тому же при движении вода трется о стенки труб и сама образует определенный заряд, который затем скапливается на металлических элементах, что тоже может привести к коррозии.

Как показывает практика, токи в системе отопления большой опасности не представляют, а вот их скопление и наличие в полотенцесушителях массово наносят вред здоровью пользователей, которые могли не знать, забыть или проигнорировать факт необходимости заземления металлопластиковых труб. Особенно это опасно, когда в доме находятся дети.

Итак, при установке металлопластиковых и пластиковых труб все металлические элементы существующей и новой системы водопровода необходимо заземлять (в том числе и отопительные батареи, полотенцесушители, раковины, ванны и другие металлические элементы, которые могут проводить скопившийся ток).

Заземление водонагревателя

Почему-то мало кто уделяет должное внимание вопроса как правильно заземлить водонагреватель.

Роль заземления в водонагревательном баке не ограничивается только своей функцией защиты человека от поражения электрическим током — существует и масса других причин, заставляющих не на шутку задуматься о его наличии. Дело в том, что в своём большинстве накопительная ёмкость для горячей воды производится из нержавеющей стали. С одной стороны это, конечно, хорошо — долговечный, неподверженный коррозии металл способен прослужить долгие годы. А вот с другой стороны нержавеющая сталь довольно-таки сильно подвержена воздействию блуждающих токов, для отвода которых как раз и используется защитное заземление, именно они способны поразить человека электрическим разрядом.
На нержавеющую сталь эти блуждающие токи влияют очень сильно — проходя через тонкий металл, ток оставляет в нём микроскопические поры, которые впоследствии становятся всё больше и больше, тем самым нарушая герметичность всей конструкции в целом. Чтобы немного уменьшить воздействие этого неблагоприятного фактора, в водонагревательный бак устанавливается анод — помимо избавления воды от солей и других примесей он выполняет функцию «громоотвода», собирая все блуждающие токи.
При отсутствии надлежащего заземления этим токам просто некуда будет деваться, и даже при наличии полноценного анода статистическое напряжение будет накапливаться и выводить из строя водонагревательный бак.

Характеристики химической коррозии и как ее устранить

Коррозия железа

Процесс коррозии железа чаще всего сводится к его окислению кислородом воздуха или кислотами, содержащимися в растворах, и превращению его в оксиды. Коррозия металлов (ржавление) вызывается окислительно-восстановительными реакциями, протекающими на границе металла и окружающей среды. В зависимости от механизма возникновения, различают такие виды коррозии железа, как: химическая, электрохимическая и электрическая.

Процесс химической коррозии железа

Окислительно-восстановительные реакции в данном случае проходят через переход электронов на окислитель. В процессе коррозии такого типа кислород воздуха взаимодействует с поверхностью железа. При этом образуется оксидная пленка, которая называется ржавчиной:

3Fe + 2O2 = Fe3O4 (FeO•Fe2O3)

В отличие от плотно прилегающих оксидных пленок, которые образуются в процессе коррозии на щелочных металлах, алюминии, цинке, рыхлая оксидная пленка на железе свободно пропускает к поверхности металла кислород воздуха, а также другие газы и пары воды. Это способствует дальнейшей коррозии железа.

Процесс электрохимической коррозии

Этот вид коррозии проходит в среде, которая проводит электрический ток. Металл в грунте подвергается, преимущественно, электрохимической коррозии. Процесс коррозии такого типа – это результат химических реакций с участием компонентов окружающей среды. Также электрохимическая коррозия возникает в случае контакта металлов, находящихся в ряду напряжений на некотором расстоянии друг от друга, в результате чего возникает гальваническая пара катод-анод.

Атмосферный и грунтовый процесс коррозии выражается схемой:

Fe + O2 + H2O → Fe2O3 · xH2O

В результате образуется ржавчина различной расцветки, что обусловлено тем, что образуются различные окислы железа. Какое именно вещество образуется в процессе коррозии железа, зависит от давления кислорода, влажности воздуха, температуры, длительности процесса, состава железного сплава, состояния поверхности изделия и т. д. Скорость разрушения разных металлов различна.

Процесс коррозии металла в растворах электролитов – это результат работы большого количества микроскопических гальванических элементов, у которых в качестве катода выступают примеси в металле, а в качестве анода – сам металл. В результате чего возникают микроскопические гальванические элементы.

Также атомы железа на разных участках имеют различную способность отдавать электроны (окисляться). Участки металла, на котором протекает этот процесс, выступают в роли анода. Остальные участки – катодные, на которых происходят процессы восстановления воды и кислорода:

H2O + 2e– = 2OH– + H2↑

O2 + 2H2O + 4e– = 4OH–

Результат – из ионов железа (II) и гидроксид-ионов образуется гидроксид железа (II). Далее идет его окисление до гидроксида железа (III) – основного компонента ржавчины:

Fe2+ + 2OH– = Fe(OH)2 Fe(OH)2 + O2 + H2O → Fe2O3 · xH2O

Для того чтобы гальванический элемент работал, необходимо наличие двух металлов различной химической активности и среды, которая проводит электрический ток, – электролита. При контакте железа и другого металла (например, цинка) коррозия железа замедляется, а более активного металла (цинка) – ускоряется. Это обусловлено тем, что поток электронов идет от более активного металла (анода) к менее активному металлу (катоду). Так, при контакте железа с менее активным металлом, коррозия железа ускоряется.

Процесс электрической коррозии

Такой вид разрушения металлических подземных конструкций, кабелей и сооружений могут вызывать блуждающие токи, исходящие от трамваев, метро, электрических железных дорог и различных электроустановок с постоянным током.

Ток с металлических конструкций выходит в грунт в виде положительных ионов металла – происходит электролиз металла. Участок выхода токов – это анодные зоны. Именно в них и протекают активные процессы электрической коррозии железа. Блуждающие токи могут достигать 300 А и действовать в радиусе нескольких десятков километров.

Блуждающими токами, исходящими от источников переменного тока, вызывается слабая коррозия подземных стальных конструкций, и сильная – конструкций из цветных металлов. Защита металлических конструкций от коррозии является очень важной задачей, так как она причиняет огромные убытки.

Коррозия в неэлектролитных жидкостях

Общие сведения

К жидким неэлектропроводным средам (а точнее, неэлектролитным жидкостям) можно отнести такие органические вещества, к примеру:

• Керосин.
• Бензол.
• Бензин.
• Хлороформ.
• Нефть.
• Спирты.
• Фенол.
• Тетрахлорид углерода.

Еще к таким жидкостям причисляют малое количество жидкостей неорганического типа, к примеру, жидкий бром и сера, которая расплавлена. При этом следует отметить, что растворители органического типа сами по себе не будут вступать в реакцию с металлами, но, при наличие маленького объема примесей появляется интенсивный процесс взаимодействий. Скорость коррозии увеличивают находящиеся в нефти элементов с содержанием серы.

Также, для усиления коррозийных процессов нужны высокие температуры. Влага будет интенсифицировать развитие коррозии по электромеханическому принципу. Еще одним фактором быстрого коррозийного развития – бром в жидком виде. При нормальной температуре он особенно разрушительно будет воздействовать на высокоуглеродистые стали, титан и алюминий. Менее существенно воздействие брома на никель и железо, а самую большую устойчивость к жидкому типу брома будут показывать тантал, свинец, платина и серебро.

Расплавленная сера будет вступать в агрессивные реакции практически со всеми металлами, и в первую очередь с оловом, свинцом и медью. На углеродистые марки титан и стали сера будет влиять меньше, а еще практически полностью разрушает алюминий. Защитные действия для металлических конструкций, которые находятся в неэлектропроводных средах жидкого типа, проводят добавлением устойчивым к определенной среде металлом (к примеру, сталей с большим содержанием хрома). Еще используются особые защитные покрытия (к примеру, в среде, где есть много серы, применяют алюминиевые покрытия).

Способы защиты от коррозии

Способы борьбы с коррозией будут включать в себя:

Обработку главного металла защитным слоем (например, нанесение лакокрасочного материала).

Подбор определенного материала будет зависеть от потенциальной эффективности (тут имеется виде финансовой и технологической) ее применения.

Современные принципы по защите металла от химической коррозии металла будут основаны на следующих методиках:

1. Улучшение споротивляемости химического типа. Себя смогли успешно зарекомендовать устойчивые материалы (стекло, высокополимерный пластик и керамика).
2. Изоляция материала от агрессивных сред.
3. Уменьшение агрессивности технологической среды – в роли примеров таких действий можно выполнить нейтрализацию и удалить кислотность в коррозионой среде, а еще применять различные ингибиторы.
4. Защита электрохимического типа (накладывание внешнего тока).

Указанные методики будут подразделяться на две группы:

• Повышение сопротивляемости химического типа и изолирование будет применяться до того, как металлическая конструкция запускается в использовании.
• Уменьшение агрессивности и защиты электрохимического типа применяется уже при применении изделий и металла. Использование обеих методик дает возможность внедрять новые защитные методы, и в результате защита будет обеспечиваться изменением эксплуатационных условий.

Одним из самых часто используемых методов защиты металла является антикоррозийное гальваническое покрытие, но это экономически нерентабельно при большой площади поверхности. Причина в больших тратах на процесс подготовки. Ведущее место среди методов по защите будет занимать покрытие металла лакокрасочным материалом.

Популярность такого способа борьба с коррозией обусловлена совокупностью факторов:

• Высокие свойства защиты (отталкивание жидкостей, гидрофобность, невысокая газовая проницаемость и паропроницаемость).
• Технологичность.
• Большие возможности для решений декоративного типа.
• Ремонтопригодность.
• Экономическая оправданность.

В то же время применение широкодоступных материалов тоже имеет недостатки:

• Неполное уважение поверхности металла.
• Нарушено сцепление покрытия с главным металлом, покрытием против коррозии, и начнет способствовать коррозии.
• Пористость, которая приводит к повышенному уровню проницаемости влаги.

И все-таки, окрашенная поверхность защищает металлы от процессов коррозии даже при локальном повреждении пленки, тогда как несовершенные покрытия гальванического типы способны даже ускорить коррозию.

Способы защиты от коррозии

Методы борьбы с коррозией включают:

обработку основного металла защитным слоем (например, нанесение краски);

Выбор конкретного материала зависит от потенциальной эффективности (в том числе технологической и финансовой) его использования.

Современные принципы защиты металла основываются на таких методиках:

1. Улучшение химической сопротивляемости материалов. Успешно зарекомендовали себя химически стойкие материалы (высокополимерные пластики, стекло, керамика).
2. Изолирование материала от агрессивной среды.
3. Уменьшение агрессивности технологической среды. В качестве примеров таких действий можно привести нейтрализацию и удаление кислотности в коррозийных средах, а также использование всевозможных ингибиторов.
4. Электрохимическая защита (наложение внешнего тока).

Указанные выше методики подразделяются на две группы:

1. Повышение химической сопротивляемости и изолирование применяются до того, как металлоконструкция запускается в эксплуатацию.
2. Уменьшение агрессивности среды и электрохимическая защита используются уже в процессе применения изделия из металла. Применение этих двух методик дает возможность внедрять новые способы защиты, в результате которых защита обеспечивается изменением эксплуатационных условий.

Один из самых часто применяемых способов защиты металла — гальваническое антикоррозийное покрытие — экономически нерентабелен при значительных площадях поверхностей. Причина в высоких затратах на подготовительный процесс.

Ведущее место среди способов защиты занимает покрытие металлов лакокрасочными материалами. Популярность такого метода борьбы с коррозией обусловлена совокупностью нескольких факторов:

• высокие защитные свойства (гидрофобность, отталкивание жидкостей, невысокие газопроницаемость и паропроницаемость);
• технологичность;
• широкие возможности для декоративных решений;
• ремонтопригодность;
• экономическая оправданность.

В то же время, использование широкодоступных материалов не лишено недостатков:

• неполное увлажнение металлической поверхности;
• нарушенное сцепление покрытия с основным металлом, что ведет к скапливанию электролита под антикоррозийным покрытием и, таким образом, способствует коррозии;
• пористость, приводящая к повышенной влагопроницаемости.

И все же, окрашенная поверхность защищает металл от коррозийных процессов даже при фрагментарном повреждении пленки, тогда как несовершенные гальванические покрытия способны даже ускорять коррозию.

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.

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.

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 и борьба с ними

Блуждающие токи, называемые также токами Фуко, являются одной из самых серьезных проблем для находящихся в земле металлоконструкций. Ещё совсем недавно, в XIX и начале XX века этого никогда не возникало. Причиной появления стали многочисленные мощнейшие источники постоянного тока, контактирующие с поверхностью земли. Метрополитен, троллейбусы и трамваи, различные электролитические установки, контуры заземления и прочие источники с электрическими полями порождают небольшие разряды, способные путешествовать на большие расстояния. Когда на их пути встречается металл, то происходит простейшая электролитическая коррозия.

Необходимо привести пример, для полного понимания этого явления. В одном из гаражей города, семья решила использовать недавно приобретенную бочку из нержавеющей стали для засолки овощей. Весной ёмкость дала сильную течь, а вскоре дно, которое от 2 мм истончилось до толщины фольги, полностью выпало. Эту работу проделали блуждающие токи. Это явление являются одним из самых каверзных, потому что оно не щадит ни один металл. Алюминий, медь, цинк и прочие элементы быстро разлагаются под действием сильнейшей коррозии.

Методы защиты от токов Фуко

Сделать это очень сложно, но многочисленные компании постоянно разрабатывают средства защиты. Они обладают определенной эффективностью, но также имеют большое количество нюансов, которые необходимо учитывать при использовании:

• Катодная защита металлоконструкций. На поверхность наносится специализированное напыление, а затем по всему корпусу пропускается электрический ток. Эта сложная мера эффективна только на особо крупных конструкциях. Например, так защищают нефтяные танкеры, протяженные ограды, большие ёмкости и хранилища, зарытые в земле. Единственным существенным недостатком такого метода является то, что вся система сама начинает порождать блуждающие токи. Тогда необходимо каждому находящемуся в грунте металлическому элементу придавать одинаковый отрицательный потенциал.
• Специализированные антистатические краски и покрытия. Их основная задача не допустить электролитических явлений на поверхности. Это позволяет быстро достичь определенного уровня защиты, но она неудобна тем, что рано или поздно слой вспучит ржавчина. А эти открытые места станут особо уязвимыми для коррозии.
• Подъём на диэлектрический фундамент. Именно с этой целью рекламные щиты прикручивают на шпильки, залитые в бетон. Большое количество различных изделий имеют конструкцию из двух материалов. В землю заглубляется твердый армированный пластик, а над землей находится металл.
• Отказ от металлов в конструкции. С учетом роста количества современных композитных материалов, это становится реальностью. Но стальным сплавам отдают предпочтение благодаря возможности сваривания металлов, чего нельзя сделать с пластиком.
• Тотальная гидроизоляция. Она позволяет избежать доступа реакций электролитической диссоциации к поверхности металлического объекта. А это значит, что токи не смогут вызвать электрохимическую коррозию.

Какие условия являются наиболее благоприятными

Наличие солей в почве способствует распространению токов с огромной скоростью. Как показывает практика, распространение практически не происходит в песках. Это обусловлено сухостью грунта, где токи сразу же теряются. Поэтому проблема практически не актуальна для стран Ближнего Востока, где конструкции в грунтах почти не страдают. Также токи не могут распространяться в условиях сухого климата. Заболоченные просоленные почвы, которыми изобилуют Карелия и Финляндия — это идеальный вариант.

Где нет блуждающих токов?

Они практически полностью отсутствуют в сельской местности, а также на различных удаленных объектах. Но если будет использован заземленный трансформатор, то тогда повреждений не избежать. Правда они будут значительно меньше, чем в условиях города. Сейчас борьба с этим явлением является одним из приоритетных направлений в своде наук, изучающих коррозию металлов. Особенно подвержены таким явлениям комплексные сплавы. В чистом виде не используется ни один металл, поэтому вопрос остаётся открытым.

Блуждающие токи

Электрическим током считается организованное движение отрицательно заряженных частиц – электронов. Принято, что направление движения частиц – от плюса к минусу. Но есть такое явление, которое называется блуждающие токи. Направление и появление их не всегда предсказуемы.

Что такое блуждающий ток (БТ)

Это движение электронов, возникающее тогда, когда происходит эксплуатация почвы для создания условий работы электроустановок (ЭУ). В этом случае грунт играет роль проводника электричества.

Внимание! Такие токи являются вредным и опасным явлением. Опасный фактор создаётся не только для человека, но и для подземных коммуникаций. К тому же их появление грозит перерасходом электроэнергии, значит, экономически невыгодно.

Причины возникновения

Основной причиной появления БТ является непосредственный контакт электрических элементов с землёй. Это обусловлено техническими решениями схем электроснабжения на следующих отраслях транспорта:

• электрифицированного железнодорожного;
• рудничного или карьерного;
• трамвайного.

Там, где рельсы, по которым движутся вагоны или вагонетки, являются электрическими проводниками и составляют часть цепи.

Механизм образования блуждающих токов

Рассмотреть алгоритм формирования БТ можно на примере электрической цепи, по которой осуществляется работа двигателя электровоза.

Электрическая подстанция, через линию электропитания (ЛЭП), передаёт ток на контактный (фазный) провод. Провод подвешен на электрических опорах на протяжении всего пути. Токоприёмник электровоза снимает его с провода и подаёт на двигатель, а оттуда – на колёса и рельсы (нулевой провод). Далее по рельсам цепь замыкается снова на электросеть подстанции.

Важно! Рельсы не отделены от почвы диэлектриком. Значит, в грунте появляется потенциал, такой же, как и на них. При нормальном положении дел этот потенциал должен быть одинаковым на всей протяжённости.

К сожалению, на практике это не так. Геометрические изломы реальной железной дороги неидеальны. Связь между металлом и грунтом не всегда одинаковая. Поэтому токи то растекаются по земле, то возвращаются в рельс. Там, где они сталкиваются с подземными коммуникациями: трубопроводами, металлоконструкциями, кабелями, проходят по ним (зона катода). Выходя из металлических проводников (зона анода), попадают снова в грунт. Потом блуждающие токи через землю опять возвращаются в рельс и далее уже попадают на подстанцию.

Связь между БТ и коррозией на металле

Такое разрушение металла называют электрокоррозией. Она не связана с воздействием на металл атмосферных или почвенных факторов. Электрохимическая реакция происходит в результате того, что БТ стараются двигаться по направлению наименьшего сопротивления. В анодной зоне БТ «затекает» в металл. Область металла в этом месте является катодом. Встретив по пути благоприятный участок перехода в рельсы, постоянный ток «вытекает» из металла в почву. При этом область металла на этом участке становится анодом, и молекулы металла с этого анода утекают следом. Это является причиной образования коррозии.

Воздействие на металлические объекты

Образование на металлических сооружениях, лежащих в зоне действия блуждающих постоянных токов, анодных участков приводит к коррозии металла в этих местах. При этом электрохимическому разрушению подвержены все металлы, даже цветные. Экономический урон в пересчёте на срок службы, отпущенный заводом изготовителем на металлическое изделие, смонтированное в земле, огромный. К примеру, труба из высококачественной стали, прошедшая все антикоррозийные обработки, в результате воздействия БТ может прослужить вместо 50 лет, всего два-три года и проржаветь.

К сведению. Страдают не только подземные сооружения, уложенные параллельно. Коррозийному разложению подвергаются подошвы рельс, плашки шпал и костыли. Это связано с тем, что каждой катодной зоне соответствует анодная зона конструктивных элементов ж/д.

Способы защиты

Блуждающие токи – явление вредное для металлов и опасное для человека. Существуют два вида защиты:

• пассивная;
• активная.

Названия говорят сами за себя, но только сочетание обоих видов помогает, если не свести на «нет», то хотя бы намного ослабить негативные влияния БТ.

Пассивная защита

Суть такого метода заключается в нанесении специальных защитных покрытий на металлические элементы, находящиеся в земле. В частности, поверхности трубопроводов покрываются специальными изоляционными покрытиями:

• битумными мастиками;
• смолами и полимерными соединениями;
• грунтовками;
• изоляционными лентами.

Монтаж защищённых таким способом конструкций требует особой осторожности. Механические повреждения защитного слоя превратятся в места активного электрокоррозирования.

Активная защита

В этом варианте контролируют протекание БТ, который сам по себе неуправляем изначально. Для этого используют катодную поляризацию. Устраивают катодную защиту, при которой выполняют замещение естественного отрицательного потенциала на искусственный. Отрицательный потенциал подаётся на защищаемую конструкцию.

Внимание! При устройстве подобной защиты применяются два метода: гальванический или с использованием источника тока (ИТ) постоянного направления. Первый – на почвах, имеющих сопротивление 50 Ом/м или менее. Второй – при превышении этого значения.

Гальваническое решение подразумевает использование анода, на котором собирается весь БТ. Подвергаться коррозии будет этот «жертвенный анод», а не сама конструкция. Материал для такого анода берётся с электроотрицательностью выше, чем у металла объекта.

Использование ИТ позволяет подавать разноимённые потенциалы непосредственно на конструкцию и анодный контур. При этом возможна регулировка величины потенциалов для различных видов почвы.

Защита водопроводных труб

Строительство водоводов при водоснабжении объектов выполняется с обязательным определением локации блуждающих токов в водопроводных трубах. Это реализуется при помощи замеров разности потенциалов. Для этого берутся (выборочно) две точки на поверхности грунта с перпендикулярным взаиморасположением. Для защиты водопроводов применяют оба способа: активный и пассивный.

Защита полотенцесушителей

В последнее время разводка воды в квартире выполняется пластиковыми трубами, но полотенцесушитель всегда выполнен из нержавеющего металла. В случае использования металлопластиковых труб алюминий, находящийся внутри, может быть соединён с сушилкой и подводит к ней БТ. Даже частичные вставки в контур водопровода, выполненный из изоляционного материала, может вызвать коррозию от БТ. Чтобы избавиться от таких токов и не допустить коррозии, выполняют следующее:

• соединяют между собой проводниками все металлические элементы в квартире: батарею, кран, смеситель, полотенцесушитель и др.;
• далее полученный контур присоединяют к заземляющим устройствам.

Подобным образом получают выравнивание потенциалов.

Защита газопроводов

Устранить влияние БТ на газопроводы помогает пассивная защита, наносимая на газовые трубы. Состояние изоляции периодически проверяется. Однако такая антикоррозийная броня – это дополнение к катодной защите, которая повсеместно используется в газовом хозяйстве.

Недостатки систем катодной защиты

Кроме главного плюса – наличия защитного потенциала, который позволяет снизить скорость коррозии трубопроводов до минимума, есть минусы. К недостаткам можно отнести то, что при неправильно выполненных расчётах возможна перезащита. В этом случае завышенное смещение потенциала только ускорит процесс разрушения. Сама установка становится источником БТ.

Дополнительные способы снижения действия БТ

К таким способам можно отнести следующие мероприятия:

• насыпи под рельсы выполнять материалами, имеющими низкую электропроводность;
• прокладывать подземные коммуникации и наружные ж/д ветки с максимальным разносом друг от друга;
• в системах энергообеспечения при проектировании переходить на типы заземлений ТN-S.

Применение неметаллических трубопроводов и запорной арматуры при новых прокладках и капитальных ремонтах убирает сам факт электрокоррозии.

Методы измерений

Чтобы проверить наличие БТ, используют устройства, позволяющие определить их присутствие и величину. Комплекс измерений включает в себя:

• тестирование напряжения и направления тока по оболочкам магистральных кабелей;
• нахождение разности потенциалов между точками: подземные коммуникации – рельсы;
• замеры на отдельных участках ж/д величины изоляции рельс от подсыпки;
• анализ степени утечки энергии с оболочек кабелей в землю.

Важно! Замеры на железнодорожных объектах проводят в часы наибольшей плотности потока составов поездов.

Применение комплекса защиты от БТ и правильный расчёт потенциала позволят свести к минимуму негативное воздействие токов. Немаловажную роль играет точное определение мест локализации БТ. Электрокоррозийная защищённость объектов снижает затраты на ремонт и замену пришедших в негодность трубопроводов и других подземных коммуникаций.

Видео

Блуждающие токи и полотенцесушитель

Многие люди, установив в ванной комнате новый водяной полотенцесушитель из нержавеющей стали, через какое-то время замечают, что на поверхности металла появились мелкие пятнышки ржавчины, диаметр которых обычно не превышает 5-6 мм. Эта «россыпь» – не что иное, как банальная коррозия металла. И дело тут вовсе не в бракованном сантехническом изделии или неправильной эксплуатации, а в блуждающих токах. Что это? Откуда они берутся? И как нейтрализовать их пагубное влияние на полотенцесушитель? Разбираемся в вопросе.

Что надо знать о блуждающих токах?

Любые находящиеся в воде или в земле металлические предметы, независимо от их назначения, подвержены воздействию коррозии, которая может быть:

Гальванической

Она связана с реакцией между разными металлами. Так, например, гальваническую пару, ведущую к разрушению, могут создать сталь и латунь или сталь и алюминий. Реакция начинается сразу, как только складывается «дуэт» из разных металлов и получившийся узел соприкасается с электролитом. В ситуации с полотенцесушителем роль электролита играет обычная водопроводная вода, вступающая в реакцию с металлами благодаря содержанию значительного количества минеральных веществ (такая же реакция будет и с морской водой, богатой солью). И чем выше температура воды, тем активней идет процесс разрушения металла. Именно поэтому корпуса судов, которые ходят по теплым южным морям, изнашиваются быстрей, чем корабли на северном флоте.

Коррозией блуждающих токов

Этот процесс вызывается так называемыми блуждающими токами, возникающими в земле, если она выполняет функцию токопроводящей среды. При этом разрушающему воздействию подвергаются не только металлические предметы, полностью находящиеся в земле, но и те, что только соприкасаются с ней. Но откуда берутся эти токи? Все просто: в большинстве случаев их появление является результатом утечки с линий электропередач. Также к этой группе относятся так называемые нулевые токи, присутствующие в незаземленных конструкциях.

Первые признаки коррозии

Определить, что ваш полотенцесушитель стал «жертвой» коррозионных процессов, можно по внешнему виду оборудования. Первыми признаками разрушения металла являются:

• вздутие декоративного слоя (краски) – сначала это происходит в местах соединений и на острых гранях конструкции;
• появление на пострадавшей поверхности заметного белесого налета, напоминающего мелкий порошок;
• образование на поврежденных участках небольших вмятин и углублений – создается впечатление, что металл поеден жучком.

Незначительные повреждения, как правило, являются результатом гальванической коррозии, вызванной разностью электрических потенциалов разнородных металлов, один из которых выступает в качестве катода, а другой – анода. А если добавить к этому еще и блуждающие токи, разрушения будут намного серьезней.

Немного о природе блуждающих токов и их опасности

Причина появления блуждающих токов, действующие на ваш полотенцесушитель, в разности потенциалов заземленных конструкций. А чтобы уравнять потенциалы, необходимо создать систему, в которой все металлические элементы будут контактировать с нулевым проводником в имеющемся вводно-распределительном устройстве.

Такая система позволит максимально обезопасить пользователя (если вы возьметесь рукой за трубу и заземленное оборудование, то не получите смертельный разряд). И это очень важно, ведь чем больше разность потенциалов, тем более серьезная опасность угрожает человеку. Так, например:

1. Если эта величина составляет 4 или 6B, вы можете получить удар тока силой 5 мА. Это будет чувствительно, но не смертельно.
2. Если же его сила будет 50 мА, может развиться фибрилляция сердца.
3. А при воздействии на тело человека тока 100 мА наступает смерть.

Но известны случаи, когда причиной летального исхода становилась даже небольшая разность потенциалов в 4B.

Разность потенциалов: причины возникновения

Но откуда берется разность потенциалов, если дом построен с учетом всех действующих норм? В теории при соблюдении строительных правил разности потенциалов быть не должно. Но на практике часто бывает так, что при сборке конструкций и инженерных систем сварные соединения заменяют сгонами. Еще один распространенный вариант – интеграция в схему дополнительных сопротивлений или металлических деталей. И то, и другое может стать причиной возникновения разности потенциалов на противоположных концах трубы и, соответственно, инициировать коррозию металла.

Не стоит забывать и о «конфликте» между металлом и пластиком, который тоже играет важную роль в разрушении различных периферических устройств (к ним относятся и полотенцесушители). Из-за того, что между сантехническим оборудованием из нержавеющей стали и металлическим стояком часто ставятся пластиковые трубы (их используют для выполнения разводки по квартире), связь между этими частями системы разрывается. И хотя стояк в любом случае будет заземлен (в новых многоэтажках это делается посредством системы уравнивания, а в домах старого фонда – через расположенный в подвале здания контур заземления), разность потенциалов все равно образуется. А при движении по трубам воды, которая демонстрирует отличную токопроводность, возникает еще и микротрение, гарантированно ведущее к появлению блуждающих токов. А они, в свою очередь, провоцируют коррозию. Круг замкнулся!

Почему раньше не возникало подобных сложностей?

Как ни странно это прозвучит, но причиной появления такой проблемы, как разность потенциалов в инженерных системах, стал прогресс. А именно, повсеместная замена металлических труб на пластиковые. Пока трубопроводы ГВС, ХВС и отопления были полностью металлическими, сложностей не возникало. Да и необходимости отдельно заземлять каждый радиатор, смеситель или полотенцесушитель тоже не было – все трубы заземлялись централизованно в подвале дома, в двух местах. И все металлические приборы в ванных комнатах и санузлах автоматически становились безопасными и защищенными от блуждающих токов.

Переход же на пластик все изменил: с одной стороны, трубопроводы стали служить дольше, а с другой стороны, возникла необходимость в дополнительной защите сантехнического оборудования. И тут дело не только в самих трубах, ведь по проводимости металлопластик близок к традиционному металлу, а еще и в фитингах – соединительных элементах. Точнее, в материалах, из которых их производят и которые не могут обеспечить электрический контакт с алюминиевым «сердечником» металлопластиковой трубы.

Заземление как защита от электрокоррозии

Чтобы предотвратить возникновение в системе блуждающих токов и защитить полотенцесушитель от электрохимической коррозии, нужно воссоздать устойчивую связь между ним и трубой стояка. Другими словами, нужно просто заземлить периферическое устройство, соединив полотенцесушитель проводом с металлическим стояком, или же смонтировать систему уравнивания потенциалов.

Это важно сделать еще и потому, что некоторые недобросовестные жильцы многоквартирных домов, желая сэкономить, ставят на свои электросчетчики жучки, а в качестве заземления используют трубопроводы систем отопления или водоснабжения. И тогда их соседям грозит реальная опасность, ведь даже простое прикосновение к металлической батарее даст человеку «шанс» получить смертельный удар током.

Полимерная обработка – решение проблемы без заземления

Но можно решить проблему и по-другому, обработав внутреннюю поверхность водяного полотенцесушителя из нержавеющей стали специальным полимерным составом. Он создаст изолирующее покрытие, которое будет эффективно «работать», препятствуя образованию разности потенциалов и возникновению коррозии.

Полимерная обработка водяных полотенцесушителей – дополнительная услуга, которая выполняется нашей компанией по запросу покупателя. А заказать ее можно онлайн на сайте ZIGZAG.