книги из ГПНТБ / Немкевич, А. С. Конструирование и расчет печатающих механизмов-1

4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ГЕТЕРОГЕННОСТЬ И ЗАЩИТА ПРОТЯЖЕННЫХ ДЕФОРМИРУЕМЫХ СООРУЖЕНИЙ

На поверхности металлических сооружений большой протя­ женности, находящихся в коррозионноактивной среде, создаются возможности для образования коррозионных макроэлементов значительной мощности. Одним из наиболее важных и распростра­ ненных видов таких сооружений являются трубопроводы различ­ ного назначения: коммуникационные магистрали (часто подземные или подводные), технологические линии на промышленных пред­ приятиях, теплообменная аппаратура и т. п. Поэтому в качестве объекта для исследования макроэлектрохимической гетероген­ ности используем геометрическую модель протяженного соору­ жения, обладающую цилиндрической симметрией.

Рассмотрим .прямолинейный однородный трубопровод беско­ нечной длины, по которому транспортируется электролитический продукт. Внешняя поверхность трубопровода не соприкасается с электропроводными телами и считается полностью изолиро­ ванной. Для упрощения задачи (без потери общности окончатель­ ных выводов) изучение проводится в пределах области линейной поляризации, что позволяет решать задачу стационарного поля потенциалов и токов коррозии, учитывая сопротивление электро­ химической реакции на границе металл—электролит путем

введения постоянной величины поляризационного сопротивления, включающего также все другие сопротивления току поляризации на границе фаз, в том числе сопротивления покровных пленок различной природы, изолирующих защитных покрытий и т. д.1.

В качестве удельных характеристик при решении задач поля удобно в дальнейшем относить ток поляризации и поляризацион­ ное сопротивление к поверхности трубопровода сечением радиуса а ([а] = м) на его отрезке единичной длины и называть их соот­

ветственно линейной плотностью тока утечки из металла в электро­ лит / ([/'] = А/м) и удельным сопротивлением изоляции R ([R] — = Ом-м).

К этим удельным характеристикам добавляются сопротивле­ ние металла отрезка трубопровода единичной длины току вдоль его оси, называемое удельным продольным сопротивлением тру­ бопровода г ([г] = Ом/м), и удельное электрическое сопротивле­ ние электролита р ( [р] = Ом-м).

Следует отметить, что поляризационный скачок электродного потенциала на границе раздела фаз металл—электролит опре­

деляется величиной плотности тока поляризации, поэтому доста­ точно исследовать распределение j (х) во всех точках х вдоль

трубопровода, чтобы иметь представление о распределении вариа­ ций электродного потенциала на поверхности металла, характе­ ризующих макроэлектрохимическую гетерогенность.

1 О допустимости приближения Линейной поляризации для полостей типа трубок говорилось выше.

210

Вид функции Ё (х) определяется физико-механическим состоя­

нием металла nB каждой точке, выражающимся величиной дефор­ мационного изменения стандартного потенциала, которая иссле­ довалась в - предыдущих главах.

Рассмотрим конкретные случаи неоднородной деформации трубопровода.

Контакт различно деформированных участков трубопровода

Рассмотрим вначале контакт двух полубесконечных участков. Распределение начальных электродных потенциалов для этого случая показано ступенчатой кривой на рис. 92 и эквивалентно включению в точке х = 0 генератора (с нулевым внутренним сопротивлением), создающего на зажимах э. д. с., равную 2U0, причем справа от х = 0 имеем U (0) = — U0 (анод), слева V (0) =

=+ £/° (катод).

Вэтом случае функция U (х) соответствует импульсу Е (х) =

Этот интеграл не выражается в замкнутом виде через извест­ ные функции, хотя может быть вычислен с любой степенью точ­ ности на ЭВМ. ■

Для исследования влияния различных параметров на распре­ деление тока и получения пригодного к практическому использо­ ванию метода расчета построим приближенные решения.

212

При достаточно больших R и относительно малых р

основной вклад в интеграл (300) дадут значения подын­ тегральной функции для об­ ласти малых значений_' со < < 0 ,1 , что позволяет исполь­ зовать приближенное соотно­ шение / ! (асй)«=*ш>/2, и тогда для х ^ 0

назовем коэффициентом затухания (так как эта величина является мерой затухания интенсивности коррозионного процесса с увели­ чением расстояния) 1. Такое распределение плотности тока будет,

вчастности, при наличии покровных пленок на внутренней поверх­ ности трубопровода, обладающих заметным электрическим со­ противлением (продукты коррозии, пленки осадочного происхо­ ждения, защитные пленки). При отсутствии таких пленок (ма­ лом R) аппроксимация функции 1г (асо) невозможна и прибли­

жение будем искать путем фиксации параметра преобразования

варгументе этой функции из условий наилучшего приближения подобно тому, как это делалось нами при анализе коррозионного процесса в капиллярной трубке.

Полагая постоянной величину

R

2яаш0/1 (асо0)

для некоторого фиксированного значения со 0, определяемого из условия наилучшего приближения, находим:

для х ^ 0

1 Коэффициент затухания представляет собой величину, обратную величине характеристической длины, рассмотренной выше.

213

Эти уравнения описывают распределение поляризации на стенке однородного протяженного трубопровода ограниченной или неограниченной длины (намного превышающей диаметр попе­ речного сечения), имеющего произвольную конфигурацию (х — длина трубопровода, отсчитываемая от условного начала). В от­ личие от предыдущего приближения (301) эти уравнения пригодны как в случае больших поляризаций, так и в случае R —>0. По­

следнее важно, так как деформированный металл характеризуется именно низким значением поляризационного сопротивления, обу­ словленного разрушением покровных пленок.

В случае сосредоточенного возбуждения [£ (х) = 0, кроме точки х = 0] неоднородное уравнение (309) переходит в однород­

ное и решается при заданных граничных условиях.

Для трубопровода ограниченной длины L решение неоднород­

ного уравнения имеет вид при нулевых граничных условиях по

Наиболее распространен в практике случай контакта произ­ вольного числа различно деформированных ограниченных участ­ ков. В приближении линейной поляризации можно воспользо­ ваться принципом суперпозиции электрических полей и склады­ вать функции возбуждения Et (х) от каждого i-того контакта уча­

стков с различным физико-механическим состоянием:

поле Е (х), равное сумме полей двух контактов, отстоящих на расстоянии 21. Пользуясь принципом суперпозиции, получаем

215

На рис. 93 показано распределение поляризации, соответствую­ щее полученному решению. Как видно из графика, максимальная плотность тока коррозии (/ (х) >- 0) достигается на контактных

границах. Максимальная плотность катодного тока также дости­ гается на границе и может вызвать опасность водородного ее ох­ рупчивания.

Решения (314), (315) и (316) без труда обобщаются на любое число участков различно деформированного металла путем супер­ позиции.

В случае наружной коррозии трубопровода (подземного или подводного) электрохимическая гетерогенность, вызванная неод­ нородным напряженным состоянием, описывается аналогичным образом с той лишь разницей, что в вышеприведенных прибли­ женных формулах величины сопротивления Rn и коэффициента а

относятся к токам утечки на внешнюю поверхность трубопро­ вода [146].

Расчет макроэлектрохимической гетерогенности внутренней и внешней поверхностей трубопровода требует задания функции U (х) и потенциалов поля точек земли по трассе проектируемого трубопровода v (х). Например, в случае поля блуждающих токов

в земле для приближенного определения разности потенциалов сооружение — близкая земля при проектировании защиты до

Рис. 93. Распределение поляризации, вызванной макроэлектрохнмнческой гетерогенностью на контакте двух различно деформированных участков трубопровода (штриховые линии) и на двух контактах трех последовательных участков трубопровода (сплошные линии), из кото* рых два крайних деформированы в одинаковой степени

216

укладки трубопровода предложена простая приближенная зави­ симость:

которая подвергалась опытной проверке на моделях с помощью электроинтегратора ЭГДА и в натурных условиях при строитель­ стве подземных трубопроводов.

На основе полученных распределений потенциала вдоль сооружения производится проектирование электрохимической за­ щиты катодной или анодной (для пассивирующихся металлов) поляризацией.

Контакт при наличии переходной зоны

Переход на границе между' двумя участками трубопровода с различным физико-механическим состоянием не является скач­ кообразным, а происходит в некоторой области конечной ширины путем плавного изменения свойств вдоль координаты х.

Реальное распределение свойств металла в пределах переход­ ной области испытывает влияние множества факторов, в том числе случайных и потому не поддающихся детерминированному ' учету. Статистическое распределение физико-механических свойств (а сле­ довательно, и величины начального локального электродного потенциала) металла в переходной области может подчиняться различным законам распределения, которые, однако, в пределе при достаточно большом числе случайных факторов весьма быстро приближаются к нормальному закону распределения, как это установлено центральной предельной теоремой Ляпунова.

Поэтому логично рассмотреть случай нормального распреде­ ления как предельный для всех возможных распределений и наи­ более вероятный в данных условиях множественности факторов, влияющих на реальное строение переходной области при неодно­ родной деформации трубопровода.

В качестве количественного выражения нормального распре­ деления воспользуемся функцией Лапласа Ф (г) (интеграл веро­ ятностей):

У я J

Тогда распределение.вариации электродного потенциала U {х),

обусловленной деформацией (рис. 92, плавная кривая) будет:

h >

217

мального распределения и определяет «ширину» переходной об­

ласти на оси х из условия ф / — которое, вообще

говоря, выполняется только на бесконечности, но может служить приближенной мерой переходной области для конечных значе­ ний х при заданной степени приближения U (х) к U0: например, уже для х!а |/ 2 == 2 величина U (х) = U° -0,9545, а для х/о 1/2 =

=4 она составляет U (а') = U -0,99994.

Подставляя выражение (318) в (298), получаем

В случае сужения переходной области так, что а —>0, выра­

жение (321) переходит в (299), как и следовало ожидать. Подставляя (321) в (297) и переходя к оригиналу, находим:

Фиксируя параметр со в величинах Rn (со) и а (со), как и выше,

получим для х ^ 0:

со

Этот интеграл получен для Re а > 0, Re (а2/2) > 0 и х > 0 (поэтому нельзя выполнить предельный переход при а —>0).

Как видно из выражения (322), подынтегральная функция

218

Является быстро убывающей, и основной вклад в величину йнтёграла вносят малые значения со. Если к тому же величина о также

к рассмотренному выше. Вместе с тем в 'непосредственной бли­ зости от точки „V= 0 (при о Ф 0) плотность тока утечки стремится

к нулю, как это видно из выражения (323), т. е. наличие пере­ ходной зоны конечной ширины уменьшает концентрирование тока утечки на границе участков и тем самым улучшает корро­ зионное состояние металла вблизи границы.

Электрохимическая гетерогенность сварного соединения

Одной из наиболее опасных причин появления макроэлектрохимической гетерогенности трубопровода в результате техноло­ гических процессов является наличие сварных стыков, в области которых металл не только находится в различном физико-меха­ ническом состоянии, но и имеет изменяющийся от точки к точке химический и фазовый состав из-за различия химического со­ става наплавки и основного металла, а также.вследствие проте­ кания физико-химических и теплофизических процессов в зоне шва при сварке. Поэтому функция U (х) имеет сложный вид

в зоне шва и ее можно определить специальными микроэлектро-

область непосредственно шва имела иной начальный потенциал,' чем остальная часть трубопровода. Расстояние между стыками (порядка 10— 12 м) намного превышает ширину зоны стыка (по­ рядка нескольких сантиметров). Следовательно, в окрестности стыка падение потенциала в металле пренебрежимо мало, и ме­ талл может считаться почти эквипотенциальным, т. е. принимаем

г—>0. В таком случае следует воспользоваться уравнением (260)

ирассматривать продольный ток I (х) внутри трубы (для случая

внутренней коррозии), распределение которого характеризуется

уравнением

1 Для экспрессных оценочных исследований можно определить начальные потенциалы путем измерения электродных потенциалов выделенных участков малой площади (величину которой выбирают из соображений разрешающей способности) при изолировании покрытием остальной поверхности.

219