7.2.2.3. Определение коррозии металлов блуждающим током

Коррозия металлов блуждающими токами является частным, но имеющим большое практическое значение, случаем влияния электрического поля в электролите на процесс электрохимической коррозии металлов.

Электрический ток в грунте, ответвляющийся от своего основного пути, называют блуждающим. Источником блуждающего тока могут быть электрические железные дороги, электролизеры, сварочные аппараты, катодные установки, линии электропередач и др. Грунт является параллельным проводником, например рельсов, и, в зависимости от величины электросопротивления рельсов и грунта, ток иногда весьма значительной величины (сотни ампер) проходит по земле. Блуждающие токи имеют радиус действия до десятков километров в сторону от токонесущих конструкций.

Условные обозначения 1 – направление движения тока; 2 – направление движения электронов; 3 – направление движения ионов

Рис. 7.6. Коррозия трубопровода от блуждающих токов электрифицированных железных дорог [77]

Рассмотрим влияние блуждающих токов от электрифицированного рельсового транспорта на коррозию подземных сооружений (рис. 7.6). При протекании тягового тока по рельсам вдоль них происходит падение напряжения и рельсы получают некоторый положительный потенциал относительно земли, а несовершенная изоляция рельсов от земли вызывает утечку тока в окружающий грунт. И чем больше продольное сопротивление и меньше переходное электросопротивление, тем больше суммарный ток утечки в землю. Вблизи подстанций и пунктов присоединения кабелей токоотводов к рельсам существуют участки постоянной отрицательной полярности рельсов, а на значительном удалении от них – постоянной положительной полярности. Протекающие в земле блуждающие токи, встречая на своем пути металлические сооружения, проникают в них и текут по ним на некотором протяжении, создавая анодные и катодные зоны.

Особенность процесса коррозии металла в поле блуждающих токов заключается в том, что это электролитический процесс, который протекает по законам электролиза. На катодных участках сооружения будет протекать реакция восстановления водорода, на анодных участках – реакция окисления металла.

Наличие катодных и анодных участков на сооружении определяется направлением тока. Участок сооружения входа тока или выхода электронов является катодом, участок сооружения выхода тока или входа электронов является анодом.

Если электрический ток постоянный, то участки металла, с которых положительные ионы поступают в электролит, являются анодами и подвергаются электрокоррозии; участки, на которых положительные ионы переходят из электролита в металл, являются катодами, на которых протекает процесс восстановления. Скорость коррозии пропорциональна протекающему току.

Переменный блуждающий ток также коррозионноопасен, но в меньшей степени, чем постоянный. Интенсивность процесса коррозии металла в поле блуждающих токов, как правило, намного больше, чем интенсивность грунтовой коррозии. Эти два процесса накладываются друг на друга. При этом совпадение анодных зон коррозионных элементов и блуждающих токов приводит к усилению коррозии. При достаточно больших потенциалах блуждающих токов последние подавляют ток катодного микроэлемента, возникающего в процессе коррозии, распространяя разрушение на все микроучастки сооружения в анодной зоне блуждающих токов.

Под действием блуждающих токов величина поляризационного потенциала сооружения смещается в анодных зонах в положительную сторону относительно стационарного потенциала, в катодных – в отрицательную. Величина скорости коррозии определяется плотностью тока утечки [78].

Определение наличия блуждающих токов в земле [45]. Необходимое оборудование для определения блуждающих токов включает: вольтметры с внутренним сопротивлением не менее 1 МОм с пределами измерений: 0,5–0–0,5 В; 1,0–0–1,0 В; 5,0–0–5,0 В или другими, близкими к указанным пределам, два медно-сульфатных электрода сравнения, медно-сульфатные электроды располагают параллельно будущей трассе сооружения, а затем перпендикулярно к оси трассы.

Разность потенциалов на трассе проектируемого сооружения измеряют между двумя точками земли через каждые 1000 м по двум взаимно перпендикулярным направлениям при разносе измерительных электродов на 100 м для обнаружения блуждающих токов. Показания вольтметра снимают через каждые 10 с в течение 10 мин в каждой точке. Если измеряемое значение превышает (по абсолютной величине) 0,040 В или наибольший размах колебаний измеряемой величины (разность наибольшего и наименьшего значений) во времени превышает 0,040 В (в обоих случаях с учетом различия потенциалов между применяемыми электродами сравнения), то в данном пункте измерения регистрируют наличие блуждающих токов.

Определение опасного влияния блуждающего постоянного тока [45]. Образцами для определения опасного влияния блуждающего постоянного тока являются участки подземных сооружений. Применяется следующее оборудование: вольтметр с внутренним сопротивлением не менее 1 МОм, электрод сравнения медно-сульфатный, электрод в виде стального стержня.

Измерения проводят в контрольно-измерительных пунктах, колодцах, шурфах или с поверхности земли на минимально возможном расстоянии (в плане) от трубопровода. Положительную клемму вольтметра присоединяют к сооружению, отрицательную – к электроду сравнения. Продолжительность и режим измерений, а также шаг между точками измерения по трассе устанавливают по нормативным документам. При измерениях в зонах действия блуждающих токов, где амплитуда колебаний измеряемой разности потенциалов превышает 0,5 В, могут быть использованы стальные электроды вместо медно-сульфатных электродов сравнения, за исключением измерений на сооружениях связи.

Стационарный потенциал подземного сооружения определяют при выключенных средствах электрохимической защиты путем непрерывного измерения и регистрации разности потенциалов между сооружением и медно-сульфатным электродом сравнения в течение достаточно длительного времени – вплоть до выявления практически не изменяющегося во времени значения потенциала (в пределах 0,04 В). Как правило, это относится к периоду перерыва в движении электрифицированного транспорта, например, в городах в ночное время суток, когда блуждающий ток отсутствует. За стационарный потенциал сооружения принимают среднее значение потенциала при разности измеренных значений не более 0,04 В.

Если измерить стационарный потенциал невозможно, его значение относительно медно-сульфатного электрода сравнения принимают равным:

• минус 0,70 В – для стали;

• минус 0,4 В – для свинца;

• минус 0,70 В – для алюминия.

Разность ΔU, В, между измеренным потенциалом сооружения и стационарным потенциалом вычисляют по формуле:

ΔU=U_изм–U_ст,

где U_изм – наиболее отрицательная или наиболее положительная мгновенная разность потенциалов между сооружением и медно-сульфатным электродом сравнения, В; U_ст – стационарный потенциал сооружения, В.

Если наибольший размах колебаний потенциала сооружения, измеряемого относительно медно-сульфатного электрода сравнения (абсолютная разность потенциалов между наибольшим и наименьшим значениями) не превышает 0,04 В, смещение потенциала не характеризует опасного действия блуждающих токов.