Книга УМК ЭХЗ Кульбей готовый
.pdfУстановить электроды, а также МСЭ в емкость с водой (см. рис. 2.3). Для измерения потенциалов металлов необходимо составить гальваническую пару, в которой одним электродом будет один из трех метал-
лов (Zn, Cu, Fe), вторым – МСЭ.
Для измерения потенциала каждой пары подключить клемму МСЭ к отрицательной клемме милливольтамперметра, а металлического электрода – к положительной клемме.
По значениям потенциалов электродов составить электрохимический ряд напряжений и оценить их коррозионную активность.
Составить гальванические пары Zn/Fe, Fe/Cu, Cu/Zn. Затем (по очереди) подключить к клемме милливольтамперметра и определить силу тока и его направление.
По полученным результатам (для каждой пары) определить, какой из металлов будет выполнять функцию анода, а какой – катода.
По величине тока (для каждой пары) определить время полного разрушения электрода-анода (вес анода устанавливается преподавателем) по формуле
|
|
|
|
τ = Q n F |
, с |
|
|
|
(2.1) |
||
|
|
|
|
|
A I |
|
|
|
|
|
|
где Q – вес анода; n – валентность металла-анода; |
F =96500 k (число |
||||||||||
Фарадея); A – атомная масса металла-анода, |
г/моль; |
|
I – значение силы |
||||||||
тока данной пары, А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Полученные результаты и наблюдения записываются в табл. 2.2. |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.2 |
|
|
Значения потенциала электродов и силы тока гальванических пар |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
Результаты измерения |
|
|
|
|
||||
|
|
потенциалов |
|
|
|
|
токов |
|
|
|
|
наименоваэлектрние. |
|
значение потенциала |
сравнительная |
|
гальвани- |
значение силы |
тока |
направление тока |
|
время разрушения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
коррозионная |
|
ческие |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
анода, мин |
||
|
|
|
активность |
|
пары |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Zn |
|
|
|
|
Zn/Cu |
|
|
|
|
|
|
Fe |
|
|
|
|
Cu/Zn |
|
|
|
|
|
|
Cu |
|
|
|
|
Fe/Zn |
|
|
|
|
|
|
* оценка активная, малоактивная, неактивная.
Оформление работы:
1.Составить конспект работы.
2.Зарисовать схему лабораторной установки.
3.Сделать выводы о проделанной работе.
161
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1.Виды коррозии. Сформулируйте механизм химической и электрохимической коррозии.
2.Какие жидкости являются электролитами для подземных сооружений?
3.Расскажите о механизме возникновения двойного электрического слоя.
4.Дать определение электродного, нормального естественного потенциала металла.
5.Как определяется нормальный электродный потенциал? Написать закон Фарадея.
6.Объясните, почему железо сильно корродирует, а золото – нет?
7.Имеются гальванические пары Zn/Cu, Cu/Fe, Mg/Au, Ni/Fe. Определите, какой из материалов каждой пары является анодом.
8.Нарисуйте и объясните работу гальванического элемента.
Лабораторная работа № 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЛИНЫ УЧАСТКА ТРУБОПРОВОДА, ЗАЩИЩАЕМОГО СТАНЦИЕЙ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ
Цель работы: определить длину защитной зоны трубопровода при катодной защите магистральных трубопроводов.
В ходе работы студент знакомится с особенностями устройства и эксплуатации станции катодной защиты.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основным принципом катодной защиты является катодная поляризация защищаемой поверхности с приданием ей отрицательного потенциала относительно окружающей среды при помощи какого-либо внешнего источника постоянного тока.
Принципиальная схема катодной защиты приведена на рис. 3.1. Положительный полюс источника постоянного тока 4 присоединяется
к специальному металлическому заземлению 5 (аноду) с помощью дренажного кабеля 3, а отрицательный полюс – к защищаемому трубопроводу 1 в дренажной точке 2 (точке присоединения соединительного кабеля).
Таким образом, защищаемое сооружение становится катодом, а металлическое заземление – анодом. Анод разрушается, в то время как трубопровод остается защищенным. О степени защищенности подземного металлического трубопровода судят по величине наложенной разности потенциалов труба – грунт.
162
(3.1)
где UH – величина наложенной разности потенциалов труба – грунт в рассматриваемой точке защищаемого трубопровода, измеренная относительно медно-сульфатного поляризующего электрода сравнения (МСЭ.);U XСКЗ –
величина разности потенциалов труба – грунт, измеренная в той же точке трубопровода при включенной станции катодной защиты относительно того же медно-сульфатного электрода сравнения; U X – естественная разность
потенциалов труба – грунт, измеренная в точке Х без включенной станции катодной защиты, относительно той же МСЭ.
Изменение величины наложенной разности потенциалов труба – грунт защищаемого магистрального трубопровода различно для случая, когда имеет место отдельная одиночная станция на защищаемом трубопроводе и когда на трубопроводе расположено рядом несколько станций катодной защиты.
При отдельно расположенной станции катодной зашиты на магистральном трубопроводе, которая создает так называемый защищаемый участок «бесконечной длины», изменение наложенной разности потенциалов труба – грунт вдоль защищаемого трубопровода происходит до экспоненциальной зависимости, как показано на рис. 3.2.
163
Рис. 3.2. График изменения кривой наложенной разности потенциалов для участка «бесконечной длины» (обозначения те же, что и на рис.3.1)
Для участка «бесконечной длины» кривая изменения наложенной разности потенциалов от максимального своего значения в точке дренажа 2, достигнув своего минимального значения в точке 1, продолжает снижаться, асимптотически приближаясь к нулю в бесконечности, откуда и происходит название этого случая.
Другой случай имеет место, когда рядом, вдоль защищаемого трубопровода, расположено несколько станций катодной защиты, каждая из которых влияет на распределение потенциала соседней станции, заметно сокращая непроизводительные расходы тока. График изменения наложенной разности потенциалов представлен на рис. 3.3. В этом случае кривая распределения потенциалов определяется линией гиперболического косинуса. Этот участок в отличие от первого носит название участка «конечной длины». Две встречные цепи тока как бы «отжимают» обратно ток, распределяемый с соседней станции.
В лабораторной работе рассмотрен только первый случай, для которого наложенный потенциал в любой точке защищаемого участка определяется по формуле
UHX =Umax e−kX , |
(3.2) |
где UHX – наложенная разность потенциалов в рассматриваемой точке на расстоянии X от точки дренажа относительно МСЭ; Umax – максимально на-
164
ложенная разность потенциалов в точке дренажа также относительно МСЭ; k – коэффициент затухания наложенной разности потенциалов
|
|
|
k = |
|
RТР |
|
, |
|
|
(3.3) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИЗ |
|
|
|
|
|
||
где RТР – продольное сопротивление единицы длины трубопровода |
||||||||||||||
|
R |
=ρ |
1 |
|
=ρ |
4 |
|
; |
(3.4) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
ТР |
|
|
|
S |
|
|
|
|
|
π D2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ρ |
– удельное электрическое |
сопротивление |
материала |
трубопровода, |
||||||||||
ρ = 0,245 (Ом мм2)/м; D – внешний диаметр трубопровода; RИЗ – сопро- |
||||||||||||||
тивление единицы длины изоляционного покрытия |
|
|||||||||||||
|
R |
|
=ρ |
|
|
|
δИЗ |
|
|
(3.5) |
||||
|
|
|
|
π D |
|
|
||||||||
|
ИЗ |
|
|
ИЗ |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИЗ |
|
|
|
ρИЗ |
– удельное электрическое сопротивление материала изоляционного |
|||||||||||||
покрытия; δИЗ – толщина слоя изоляционного покрытия; |
DИЗ – средний |
|||||||||||||
диаметр изоляционного покрытия. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рис. 3.3. График изменения кривой наложенной разности потенциалов для участка «конечной длины»
165
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Приборы и материалы:
1.Модель трубопровода в среде электролита.
2.Катодная станция сетевая СКЗТ-3000.
3.Милливольтамперметр М-231 или прибор УКИГС-56.
4.Медно-сульфатный неполяризующийся электрод сравнения.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
Работа проводится путем измерения потенциала труба – грунт на модели трубопровода (рис. 3.3).
Трубопровод 1, выполненный в виде провода высокого омического сопротивления, укреплен в ящике из плексигласа, в который залита водопроводная вода, имитирующая электролит.
Трубопровод оборудован сетевой катодной станцией 4, подключаемой к сети переменного тока с напряжением 220 В. Отрицательный полюс сетевой катодной станции подключен в точке дренажа 2 к трубопроводу, а положительный – к анодному заземлению 5, выполненному из медной пластины и погруженной в раствор электролита.
На трубопроводе имеется пять выводов 8, расположенных на различных расстояниях х от точки дренажа, в которых с помощью милливольтамперметра 7 и медно-сульфатного электрода 6 измеряется потенциал труба – грунт.
Сначала измеряется естественный потенциал труба – грунт (как при прямом ходе, так и при обратном) без включенной станции катодной за-
щиты UК0 . Затем включается станция катодной защиты и вновь в тех же точках измеряется потенциал труба – грунт UKСКЗ (измерение производят также дважды, как при прямом ходе, так и при обратном). Результаты измерений записываются в табл. 3.1, после чего вычисляются среднеарифметические значения потенциалов труба – грунт UК0 и UKСКЗ.
На миллиметровой бумаге в системе координат (U, х) по полученным значениям строится график наложенного потенциала и проводится прямая естественного потенциала. Отмечается точка их пересечения, которая и символизирует границу защитной зоны станции катодной защиты.
Результаты работы оформляются каждым студентом в специальной тетради (табл. 3.1).
166
отточки |
х, см |
Расстояние |
дренажа |
0
30
60
90
120
150
|
Результаты выполненных измерений и вычислений |
Таблица3.1 |
||||
|
|
|||||
|
Результаты измерений |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
при прямом ходе |
при обратном ходе |
Среднее |
Среднее |
Наложенная |
||
|
|
|
|
разность |
||
показание |
показание |
показание |
показание |
значение |
значение |
потенциалов |
прибора |
прибора |
прибора |
прибора |
U XEСΡ , В |
U XСКЗСΡ , В |
труба – грунт |
U XE , В |
U XСКЗ , В |
U XE , В |
U XСКЗ , В |
|
|
UНХ =U XCКК −U XE |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лабораторнаяработа№4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ
НАЛОЖЕННОГО ПОТЕНЦИАЛАПРИКАТОДНОЙЗАЩИТЕ МАГИСТРАЛЬНЫХ ТРУБОПРОВОДОВ
Цель работы: определить коэффициент затухания наложенного потенциалапри катодной защите магистральных трубопроводов.
В ходе работы студент знакомится с особенностями устройства и эксплуатации катодной защиты
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Основным принципом катодной защиты является катодная поляризация защищаемой поверхности с приданием ей отрицательного потенциала относительно окружающей среды при помощи какого-либо внешнего источника постоянного тока.
Модель трубопровода в среде электролита приведена на рис. 4.1. Положительный полюс источника постоянного тока 4 присоединяется
к специальному металлическому заземлению 5 (аноду) с помощью дренажного кабеля 3, а отрицательный полюс – к защищаемому трубопроводу 1 в дренажной точке2 (точкеприсоединениясоединительногокабеля).
Таким образом, защищаемое сооружение становится катодом, а металлическое заземление анодом. Анод разрушается, в то время как трубопровод остается защищенным. О степени защищенности подземного металлического трубопроводасудятповеличиненаложеннойразностипотенциаловтруба– грунт.
167
Рис. 4.1. Модель трубопровода в среде электролита:
1 – защищаемый трубопровод; 2 – точка дренажа; 3 – соединительный (дренажный) кабель; 4 – станция катодной защиты; 5 – анодное заземление; 6 – медно-сульфатный неполяризующийся электрод; 7 – миллиамперметр; 8 – место измерения наложенного потенциала; 9 – ящик из плексигласа; 10 – раствор электролита
Величинаналоженнойразностипотенциаловтруба– грунтравна |
|
UН =U XСКЗ −U X , |
(4.1) |
где UH – величина наложенной разности потенциалов труба – грунт в рассматриваемой точке защищаемого трубопровода, измеренная относительно медно-сульфатного электрода сравнения; U XСКЗ – величина разности потен-
циалов труба – грунт, измеренная в той же точке трубопровода при включенной станции катодной защиты относительно того же медно-сульфатного электрода сравнения; U X – естественная разность потенциалов труба – грунт,
измереннаявточкеХбез включенной станции катодной защиты относительно той же установки МСЭ.
Наложенный потенциал в любой точке защищаемого участка трубопровода определяется по формуле
UHX =Umax e−kX |
(4.2) |
где UHX – наложенная разность потенциалов в рассматриваемой точке на расстоянии X от точки дренажа относительно МСЭ; Umax – максимальная на-
ложенная разность потенциалов в точке дренажа также относительно МСЭ; k – коэффициентзатуханияналоженнойразностипотенциалов
168
k = |
RТР |
, |
(4.3) |
|
R |
||||
|
|
|
||
|
ИЗ |
|
|
где RТР – продольное сопротивление единицы длины трубопровода
R =ρ |
1 |
=ρ |
4 |
; |
(4.4) |
|
|
||||
ТР |
S |
|
π D2 |
|
|
|
|
|
|
ρ– удельное электрическое сопротивление материала трубопровода
ρ= 0,245 (Ом мм2)/м;
D – внешний диаметр трубопровода; RИЗ – сопротивление единицы длины изоляционногопокрытия
R |
=ρ |
|
δИЗ |
, |
(4.5) |
|
π D |
||||||
ИЗ |
из |
|
|
|
||
|
|
|
ИЗ |
|
|
ρИЗ – удельное электрическое сопротивление материала изоляционного покрытия; δИЗ – толщина слоя изоляционного покрытия; DИЗ – средний диаметризоляционногопокрытия.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯЧАСТЬ
Приборыиматериалы:
1.Модель трубопровода в среде электролита.
2.Катодная станция сетевая СКЗТ-3000.
3.МилливольтамперметрМ-231 илиприборУКИГС-56.
4.Медно-сульфатныйнеполяризующийсяэлектродсравнения.
ПОРЯДОК РАБОТЫ
В работе проводится измерение потенциала труба – грунт на модели трубопровода(см. рис. 4.1).
Трубопровод 1, выполненный в виде проводки высокого омического сопротивления, укреплен в ящике из плексигласа, в который залита водопроводнаявода, имитирующаяэлектролит.
Трубопровод оборудован сетевой катодной станцией 4, подключаемой к сети переменного тока с напряжением 220 В. Отрицательный полюс сетевой катодной станции подключен в точке дренажа 2 к трубопроводу, а положительный – к анодному заземлению 5, выполненному из медной пластины и погруженномувраствор электролита.
169
На трубопроводе имеется пять выводов 8, расположенных на различных расстояниях Х от точки дренажа, в которых с помощью милливольтамперметра7 имедно-сульфатногоэлектрода6 измеряетсяпотенциалтруба– грунт.
Сначала измеряется естественный потенциал труба – грунт (как при прямом ходе, так и при обратном) без включенной станции катодной защи-
ты UК0 . Затем включается станция катодной защиты и вновь в тех же точках измеряется потенциал труба – грунт UKСКЗ (измерение производят так же
дважды, как при прямом ходе, так и при обратном). Результаты измерений записывают в табл. 4.1, после чего вычисляют среднеарифметические значе-
ния потенциалов труба – грунт UК0 и UKСКЗ.
ОФОРМЛЕНИЕ РАБОТЫ
Величинакоэффициентазатуханияподсчитываетсяпоформуле
k = |
1 |
2,3 lgUmax , |
(4.6) |
|
X |
||||
|
UHX |
|
где Umax – величина наложенной разности потенциалов в точке дренажа 2. Ве-
личина k определяется для каждой из пяти точек, после чего вычисляется среднеезначениеk.
Послеопределениявеличиныk длякаждогоучасткаизформулы
k = RТР
RИЗ
определяется также значение RИЗ для каждого участка и величина RИЗ
средняя. Результаты работы оформляются каждым студентом в специальной тетради(табл. 4.1).
Таблица4.1
Результаты выполненных измерений и вычислений
отточки |
х, см |
Расстояние |
дренажа |
0
30
60
90
120
150
|
Результаты измерений |
|
|
|
|
|
при прямом ходе |
при обратном ходе |
Среднее |
Среднее |
Наложенная |
||
|
|
|
|
разность |
||
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
значение |
значение |
|
показание |
показание |
показание |
показание |
потенциалов |
||
прибора |
прибора |
прибора |
прибора |
U XEср, В |
U XСКЗср , В |
труба – грунт |
U XE , В |
U XСКЗ , В |
U XE , В |
U XСКЗ , В |
|
|
UНХ =U XCКК −U XE |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
170