Моделювання роботи статичного перетворювача тягової передачі електровозу Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 620.197:621.643

ШЕВЕЛЬОВ Д. А., ДЬЯКОВ В. О. (ДНУЗТ)

ДОСЛ1ДЖЕННЯ ПРОТИКОРОЗ1ЙНОГО ЗАХИСТУ П1ДЗЕМНИХ МЕТАЛЕВИХ СПОРУД НА ЕЛЕКТРОЛ1ТИЧН1Й МОДЕЛ1

Представив д.т.н., професор Гетьман Г.К.

Вступ

В наш час св^ова громадсьюсть вступила в яюсно новий стан, одним з показниюв якого е глобальна штенсифшащя техногенних проце-сiв, пов'язаних з розвитком рiзного роду кому-шкацш, процесiв енергообмiну. В зв'язку з цим в геометричнш прогреси вщбуваетъся забруд-нення навколишнього середовища електромаг-нiтним випромiнюванням, що тягне за собою безповоротш змiни в бюлопчнш, генетичнiй та соцiальнiй структурах. Тому, електромагштнш сумiсностi сумiжних пристро!в в наш час при-дiляеться шдвищена увага. Одним з аспектiв електромагштно! сумiсностi е протикорозiйний захист тдземних металевих споруд.

Процес корозн

Корозiя металу - це процес природного руйнування, викликаний хiмiчною або електро-хiмiчною дiею зовнiшнього середовища з пос-лiдуючим окисненням металу та появою про-дуктiв корози.

Розрiзняють два види корози: хiмiчну та електрохiмiчну. До першого виду вщносять: газову корозiю та корозiю в неелектролгах. До другого: атмосферну, корозда в розчинах елек-тролiту, корозда в розплавах солей, грунтову та електрокорозда (або корозiю струмами витоку). Звичайно, електрокорозiя супроводжуеться грунтовою корозiею, хоча перша значно прева-люе над другою.

Процеси електрохiмiчноl корози протiкають у водних розчинах. При контакт металева по-верхня - розчин електрол^у частки металу у вигщщ гiдратованих iонiв намагаються перейти у розчин. В цьому випадку протшае два про-цеси:

- Перехщ iонiв з металу в розчин та утво-рення пдратованих iонiв (окиснення або анод-ний процес);

Ме + тН2 О ^ Ме"+ ■ тН2О + не"

- Та перехщ цих iонiв з розчину з видшен-ням !х на поверхнi металу у вигщщ нейтральних атомiв (вiдновлення або катодний процес).

mH++me ^mH2t

При цьому в MeTani з'являеться е^валентна кiлькiсть вiльних eлeктронiв. Цей анодний процес називасться само розчиненням металу. Йо-му вiдповiдний катодний процес, який предста-вляе собою асимшящю, тобто утворення над-лишкових eлeктронiв в мeтaлi будь-якими атомами, молекулами чи юнами розчину (деполяризаторами), що знаходяться поблизу поверхш металу.

Швидкост прямого та оберненого переходу в загальному випадку не однаковь Якщо розчи-нення металу протшае швидше, нiж його оса-дження, то метал по вщношенню до електрол> ту заряджаеться негативно. В результат швид-кiсть розчинення металу знижуеться, а швид-юсть осадження - зростае.

На рис. 1 приведений розрiз металевого трубопроводу з локальними порушеннями пок-риття, на приклaдi якого можна пояснити про-тiкaння рeaкцiй на поверхш металу при контак-тi з розчином електрол^у, що проникае через дефекти в iзоляцil. 1они металу (катюни) Me+, що переходять з анодних дшянок в розчин, за-лишають в мeтaлi електрони, яю утворюють електродний потeнцiaл, яким для кожного да-ного металу приблизно характеризуеться праг-нення металу перейти в юнний стан.

З розчину до поверхш металу рухаються ю-ни, молекули, атоми, що виконують функци дeполяризaторiв та вщбираючи нaдлишковi електрони з катодних дшянок металу.

В залежносп вiд конкретних умов можуть протiкaти i iншi кaтоднi реакци деполяризаци.

В бшьшост випaдкiв протiкaння електрох> мiчноl корози характеризуеться локaлiзaцiею анодного та катодного процешв на рiзних дшя-нках поверхш металу, як вiдрiзняються сво1'ми електродними потeнцiaлaми. Цi дiлянки з'еднаш мiж собою шаром металу, зануреш в розчин eлeктролiту та утворюють замкнуте електричне коло.

Рис. 1. Розрiз металевого трубопроводу (а); схема, що пояснюе процес корозшного руйнування металевого трубопроводу (б): 1 - зона дефекту в 1золяци;

2 - iзоляцiя; 3 - металевий трубопровiд; 4 - продукти корозп металу; 5 - бульбашки газш (Н2,02)

Анодний струм викликае корозшш руйнування в мюцях його переходу з металу в роз-чин. На катодних д1лянках такого процесу не мае, а на поверхш металу вщбуваеться процес деполяризаци з вившьненням газ1в (Н2,02), як викликають вщшарування (порушення адгезп) та розриви 1золяц1йного покриву металевих т-дземних споруд. На поверхш металу утворю-ються корозшш пари, як можуть бути р1зними - вщ неявно виражених (мшропари) до розр1з-шихся в анодш та катодш зони на споруд1 (макропари).

Корозшш пари утворюються як гальвашчш елементи - в результат р1зниц1 потенщатв окремих дшянок металу, що знаходиться в еле-ктролт. Звщси можна стверджувати, що причиною утворення корозшних пар е неоднорщ-ност1, як мютяться як у самому метал^ так i у зовшшньому середовищ^ Ц неоднорщносп являються причиною того, що окрем1 дшянки металу, яю занурено в електролщ здобувають р1зн1 потенщали. Утворюються анодш та катодш зони.

Найбшьшу небезпеку для металевих тдзем-них споруд (м.п.с.) представляе електрокороз1я, при якш струми витоку значно бшьш^ шж при грунтовш корозп, що призводить до бшьш ш-тенсивного корозшного руйнування споруд.

Критерп корозшноТ небезпеки

Для забезпечення протикорозшного захисту шдземних металевих споруд необхщно здшс-нювати катодну поляризащю постшним стру-мом, що протшае з грунту в споруду шд д1ею

прикладено1 р1зниц1 потенц1ал1в «грунт - споруда». В цьому випадку споруда по вщношен-ню до оточуючого 11 грунту являеться катодом. В мюцях доторкування металево! поверхш з грунтом струм втшае в споруду, тим самим за-хищаючи 11 вщ корозп. Причому, максимальний потенщал споруди по вщношенню до грунту мае бути не бшьше шж -0,87 В (за мщно-сульфатним електродом пор1вняння), а мш1ма-льний - не менше -1,95 В (з урахуванням ом1ч-но1 складово1 втрати напруги в шар1 «грунт -споруда»). При зменшенш потенщалу «споруда - грунт» порушуеться зв'язок ¡золяцшного пок-риття з металом за рахунок вщшарування ¡зо-ляци (порушення адгезп).

Електрокорозiя (корозiя стумами витоку)

В аноднш зош на м.п.с. блукаючи струми спкають в грунт (рис. 2) та викликають елект-рсшъпчш корозшш руйнування споруди.

1

у/Л\у/а\у/а\у/д\у7а\7/л\у/

■16

16-

Анодна зона

Каю дна зона

Рис. 2. Схема пропкання тягових струмiв та розмь щення потенцiальних зон на шдземнш металевiй Cпорудi: 1 - тягова пiдстанцiя; 2 - контактна тдтска;

3 - рейкова мережа; 4 - електрорухомий склад;

5 - металева пiдземна споруда

Для усунення небезпечно1 дi1 блукаючих струмiв необхiдно виконати наступнi заходи:

а) питомий перехвдний опiр вiд рейки до зе-млi для одноколшно1 дiлянки мае складати не менше шж 0,25 Ом-км;

б) для зменшення витоку тягових струмiв з локальних дiлянок рейок (тунелi, депо, стан-цiйнi колi1) рекомендуеться застосовувати вен-тильне секцiонування рейкових коли;

в) сумiжнi споруди та конструкцп, якi ма-ють електричне з'еднання з рейками повиннi бути iзольованi вiд землi;

г) для зменшення поздовжнього опору рейок необхiдно застосовувати безстиковi коли, а при наявностi збiрних неiзольованих стикiв 1х опiр не повинен перевищувати: при довжиш рейок 12,5 м - 3 м цшо1 рейки, при довжиш рейки

© Електрифшащя транспорту, № 1. - 2011.

65

25 м - 6 м цшо! рейки;

д) необхщно застосовувати мiж колшш з'еднувачi;

е) в межах великих мют з розвиненою мережею м.п.с. рекомендуеться зменшувати вщс-тань мiж тяговими пiдстанцiями.

Протикорозшш захисти

Повнiстю позбутися блукаючих струмiв в реальних умовах неможливо. В зв'язку з цим забезпечення протикорозшного захисту м.п.с. поряд з обмеженням струмiв витоку на !х дже-релах потрiбно застосовувати пасивнi та актив-нi методи захисту.

Для пасивного захисту м. п. с. проводять на-ступш заходи:

а) вибiр рацюнально1 траси прокладки спо-руди;

б) нанесення тдсиленого протикорозшного покриття;

в) прокладка м.п.с. в iзолюючiй каналiзацil;

г) наявшсть у споруд, що захищаються, еле-ктрично1 iзоляцil вiд споруд та конструкцш, якi мають електричне з' еднання з рейковою мережею;

д) пристро1 поздовжнього електричного се-кцiонування м.п.с., яке виконуеться для трубо-проводiв iзолюючими фланцями, а для кабелiв - iзолюючими муфтами;

е) заземлення м.п.с., що мае яюсне протико-розiйне покриття.

Активний захист м.п.с. под^еться на елект-родренажний, катодний та протекторний. Основ-ними рiзновидами електродренажу е поляризова-ний, ушфшований та пiдсилений дренаш.

Опис електролггичноТ моделi

На стадп проектування та дослщження но-вих методiв протикорозшного захисту тдземних споруд можна використовувати фiзичне моделювання. Для ще1 мети було використано електролiтичну модель, яка дозволила яюсно та кшьюсно оцiнити ефективнiсть протикорозш-ного захисту тдземних споруд. В лаборатори електромагштно1 сумiсностi ДИИТу побудова-на електрол^ична модель. Вона представляе собою металеву ванну, заповнену електролiтом, в яку зануреш фiзичнi моделi тягово1 рейково1 мережi та металевих пiдземних споруд. На цш моделi були проведеш дослiдження ефективно-стi електродренажного захисту металевих т-дземних споруд.

Схема замiщення електрол^ично1 моделi приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема замщення електролггично1 модел1.

Результати вим1р1в

В результат були отримаш значення потен-цiалiв рейки, вимiряних по вiдношенню до «да-леко1 землi» (рис. 4,а), та значення потенцiалiв споруди, вимiряних по вiдношенню до сталево-го електроду порiвняння (СЕП) (рис. 4,б кривi 2 та 5) та мщно-сульфатного (МСЕП) (рис. 4,б

тродренажу; 7 - максимальний потенц1ал споруди (-0,87 В)

Як бачимо, отримаш кривi за СЕП (рис. 4,б, кривi 2 та 5) не вщображають фiзичного смислу протiкаючих процешв. Причини цьому можна пояснити за допомогою рис. 5, який представлено нижче.

жУ - -

Да налымегра

Рис. 6. Мвдно-сульфатний електрод пор1вняння:

1 - мщний дрщ 2 - мщний купорос (СиБ04); 3 - пластма-сова трубка; 4 - розчин електролпу в ванш; 5 - пористий матер1ал; 6 - споруда.

Перевагою цього типу електроду е те, що вш мае стацiонарний потенцiал, величина якого вщома i визначаеться рiзницею потенщатв на границi роздiлу мiдний провщник - мiдний купорос.

Схема вимiрювання потенцiалiв споруди за допомогою мщно-сульфатного електроду пор> вняння приведена на рис. 7.

Рис. 5. Сталевий електрод пор1вняння:

1 - розчин електролпу; 2 - СЕП; 3 - шар рж1 на поверхш СЕП; 4 - 1золююча трубка; 5 - споруда

З цього рисунка видно, що поверхня електроду покрита шаром рж^ Це вносить значну похибку в вишрювання. Також те, що сталевий електрод не мае стацюнарного потенщалу, то на роздш електрод - електролп можуть прот> кати рiзнi процеси, яю залежать вiд хiмiчного складу самого електролпу та iнших факторiв.

На основi приведених вище аргументiв мо-жна зробити висновок, що використання стале-вих електродiв порiвняння дае невiрнi резуль-тати, що призводить до неможливосп досл> дження корозiйних процешв.

Для отримання достовiрних даних потрiбно використовувати мiдно-сульфатний електрод пор1вняння, що не поляризуеться (рис. 6).

До волымегра

Рис. 7. Схема вим1рювання потенщалу споруди:

1 - рейка; 2 - споруда; 3 - МСЕП; 4 - корпус ванни;

5 - верхня кришка ванни; 6 - розчин електролпу;

7 - еквшотенщальш лшп

Стiкаючi з рейки струми створюють рiзни-цю потенщатв в електролiтi. Струм протшае по ланцюгам: рейка - розчин електролпу - (точка А) - споруда (точка В); рейка - розчин еле-ктролпу - (точка А) - мщний купорос - мщний провiдник - вольтметр - споруда (точка В). Схема замщення цього ланцюга представлена на рис. 8.

ГС" 1п

-

I

В

ГС,

Ъз I

у

ГСе

I

Рис. 8. Схема замщення ланцюга пропкання струму: Яд - отр дренажних з'еднань; - отр 1золяцп з дефектами з урахуванням поляризац1йно1 складово1; - внутршнш отр вим1рювального приладу; - отр розтжанню м1дно-сульфатного електрода пор1вняння; Е - Е.Р.С. мщно-сульфатного електрода пор1вняння (Е=-0,55В); 1у - струм витоку; 1п - струм, що протжае через вим1рювальний прилад

З рис. 7 видно, що електрод порiвняння зна-ходиться на еквiпотенцiальнiй лшп, тобто по-

© Електрифiкацiя транспорту, № 1. - 2011.

67

тенщал буде вимiрюватися безпосередньо мiж спорудою та прилягаючим електролiтом.

Виходячи з вище приведених MipKyBaHb, мщ-но-сульфатний електрод порiвняння було розмь щено над спорудою (рис. 7). В результат вимь рювань, були отримаш наступт кривi потенща-лiв споруди, яю покaзaнi на рис. 4,б кривi 3 та 6.

Висновок

Анатзуючи приведенi вище кривi (рис. 4,б кривi 3 та 6) можна сказати, що вони цшком вщображають фiзичнi процеси, якi проткають на пiдземнiй метaлевiй спорyдi.

Проведет дослщження ефективностi елект-родренажного захисту тдземно1 металево1 споруди в лабораторних умовах показали адекват-шсть моделi реальним умовам гaльвaнiчного впливу тягово1 мережi постiйного струму на сyмiжнi споруди.

Використання мiдно-сyльфaтних електродiв порiвняння, що не поляризуються, дозволить

студентам набути навичок вимiрювaння потен-цiaлiв пiдземних металевих споруд.

Б1БЛЮГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК

1. Система газопостачання. Газопроводи пвдзем-m сталев1. Загальш вимоги до захисту в1д корози: ДСТУ Б В.2.5-29:2006. - [Чинний ввд 2006-12-22]. -К. Мшбуд Украши, 2006.-120с.-(Нацюнальш стан-дарти Украни).

2. Семенова И.В. Коррозия и защита от коррозии [Текст]/ И.В. Семенова, Г.М. Флорианович, А.В. Хорошилов. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002, - 336с.

Ключовi слова: протикорозiйний захист, шдземш споруди, електролiтичнa модель.

Ключевые слова: противокоррозионная защита, подземные сооружения, электролитическая модель.

Keywords: anticorrosive protection, underground installations, electrolytic model.