CC BY
55УДК 53.083.1
A.A. делекторский, к.т.н, председатель технического комитета «Заземлители и заземляющие устройства различного назначения» при Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии, e-mail: [email protected]; в.Е. зубов, д.ф-м.н, профессор, гл.н.с., Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]; а.с. таблин, к.ф-м.н., ведущий менеджер; н.в. стефов, заместитель генерального директора, e-mail: [email protected], ООО «МИНАДАГС»
измерение удельного электрического сопротивления анизотропной цилиндрической токопроводящей резины в радиальном направлении
Широкое применение протяженных гибких анодов в электро-химзащите металлических конструкций определяется их уникальными электрическими и механическими свойствами. Разработаны методы измерения удельного электрического сопротивления эластомерной композиции цилиндрической формы в радиальном направлении модельным (разрушающим) и неразрушающим методами. Разработанные методы могут быть использованы, в частности, для контроля электрических свойств анодорастворимых проводов как в лабораторных, так и полевых условиях.
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время разработаны и широко применяются в электрохимической защите (ЭХЗ) металлических сооружений эластомерные протяженные электроды - протяженные гибкие аноды (ПГА). ПГА предназначены для применения в токоотдающих контурах анодных заземлений установок катодной электрохимической защиты от подземной коррозии, в том числе
- для защиты морских сооружений. Основная область их применения - трубопроводный транспорт (магистральные нефтепроводы,газопроводы,не-фтепродуктопроводы,трубопроводы
- водоканалы,водоводы,теплопроводы), нефтегазопромыслы, нефте-и газохранилища.
Применение ПГА имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с применением традиционных сосредоточенных анодов, выполненных из графита и металлических сплавов, при использо-
вании которых происходит неоправданный перерасход электроэнергии как вследствие неравномерного распределения тока защиты, так и из-за растекания тока защиты по участкам, не требующим защиты. Уменьшение трудозатрат при монтаже заземлителей, снижение воздействия на окружающую среду и долговечность делают применение ПГА эффективным и современным. Электрод из эластомерной токопроводящей композиции представляет собой резиновый провод с медным многожильным сердечником. Знание величины электрического сопротивления электрода необходимо для определения защитной зоны, мощности катодных установок защиты и других параметров. Важнейшим фактором в этом случае является знание удельного сопротивления токопроводящей резины. Причем известно [1], что эластомер, подвергающийся в течение длительного времени влиянию атмос-
ферных факторов, может существенно изменять свою электропроводность. Электрический ток в резиновой оболочке электрода протекает в радиальном направлении перпендикулярно оси провода. Поэтому эффективная работоспособность электрода будет определяться его электрическим сопротивлением в радиальном направлении. При наложении резинового покрытия на металлический сердечник методом экструзии появляется анизотропия электропроводимости резиновой оболочки провода: продольное и поперечное удельные электрические сопротивления резины могут различаться во много раз [1]. Традиционно удельное электрическое сопротивление резины измеряется на тонких полосках резины, вырезанных вдоль оси провода (ГОСТ 6433.2). В силу вышесказанного электросопротивление резины,измеренное традиционным методом, отличается от электросопротивления поперечного
направления, определяющего работу системы ЭХЗ.
В лабораторных условиях возможно провести измерение удельного электросопротивления резины на отрезке провода небольшого размера, отрезанного от одного из концов основного электрода, т.е. разрушающим методом. В полевых условиях такие измерения провести невозможно,поскольку электрод представляет собой законченное изделие определенной длины, от которого невозможно отделить отдельные части без разрушения изделия как целого. Кроме того, даже в лабораторныхусловиях необходимо измерять удельное сопротивление не только на концах протяженного провода, но и в любом предварительно заданном месте. Поэтому была поставлена задача разработки метода неразрушающего контроля удельного электрического сопротивления резиновой оболочки провода, а также электросопротивления всего электрода в любой произвольной точке в направлении, перпендикулярном оси провода.
Решение указанной задачи представлено в настоящей работе. Разработан также модельный метод измерения электрического сопротивления на отрезках цилиндрического резинового провода в направлении, перпендикулярном оси цилиндра.
2. МОДЕЛЬНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩЕЙ РЕЗИНЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ В РАДИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ Измерения электрического сопротивления эластичных полимерных материалов, содержащих электропроводящие наполнители, ставят вопрос о контактном сопротивлении между токовыми электродами приборов и самим полимером. Предлагаемые типы электродов [1] не решают проблем устранения контактного сопротивления. Неравномерное прилегание контактируемых поверхностей уменьшает площадь контакта, что приводит к неоднородности плотности тока при измерениях на испытуемом участке образца. Более плотное прилегание электрода, создающееся увеличением прижимного давления, приводит к сжатию резины, а вследствие
Рис. 1. Измерительная ячейка:
1 - корпус из текстолита
(1а, 1б - две половины корпуса);
2 - отверстия для крепления двух половин корпуса (8 шт.);
3 - отверстия для щупа
с потенциальными контактами;
4 - токовые контакты из луженой медной фольги (20 шт.).
сжатия - к уменьшению электрического сопротивления резины. Контактное сопротивление между проводящей резиной и металлическим электродом, как правило, сравнимо или превышает электрическое сопро-
тивление исследуемого образца резины. Поэтому для измерения удельного электросопротивления резиновых образцов нужно использовать 4-контактный метод, исключающий влияние токо-подводящих контактов на получаемые результаты.
Измерительная ячейка, в которую помещается исследуемый образец, показана на рисунке 1.
На рисунке 2 показан образец провода, длина которого (200 мм) равна длине ячейки. Образец помещается в измерительную ячейку. Потенциальные контакты, представляющие собой стальные иглы, вставляются в торцевую поверхность резиновой оболочки провода.
Одним из токовых контактов является проводящая медная жила провода, другим - луженая медная фольга, приклеенная на внутреннюю цилиндрическую поверхность ячейки. Две половины ячейки стягиваются болтами, которые вставляются в отверстия 2 (см. рис.1), с целью обеспечения равномерного электрического контакта ячейки со всей поверхностью провода. Давление электродов на провод должно соответствовать ГОСТ 6433.2. На внутреннюю цилиндрическую поверхность ячейки приклеены 20 токовых контактов (см. рис. 1), которые представляют собой луженые сегменты 4 из медной фольги. Разбиение наружного токового контакта на 20 сегментов выполнено для выравнивания плотности тока, протекающего через поверхность резиновой оболочки провода. Разбиение токового контакта на большое число отдельных элементов обусловлено тем, что контактное сопротивление «резина - электрод» может
Рис. 2. Образец: 1 - медная жила; 2 - токопроводящая резина; 3 - потенциальные контакты.
Рис. 3. Электрическая схема измерений:
R0 - сопротивление 5 кОм; V1 - вольтметр; V;, - микровольтметр; 1 - медная жила провода; 2 - оболочка провода из токопроводящей резины; 3 - потенциальные контакты; 4 - стабилизатор плотности тока в проводе.
быть различным на различных участках поверхности резины. Поэтому в случае одного электрода, охватывающего всю поверхность образца, возможно неоднородное распределение тока через его поверхность. В связи с вышесказанным в данной работе применялась схема стабилизации плотности тока через поверхность образца. Электрическая схема измерений представлена на рисунке 3. Роль стабилизатора тока заключается в том, чтобы добиться одинакового значения тока, протекающего через все 20 токовых электродов, расположенных на поверхности образца. Величина сопротивления R0 много больше сопротивления контактов «резина - электрод». Ток через образец провода определяется напряжением источника постоянного напряжения ИПН и сопротивлением R0. Рабочая плотность тока в проводе составляет <50 мА/м (ток на единицу длины провода), поэтому при длине образца 200 мм напряжение источника не должно превышать 50 В. Поскольку длина ячейки и длина исследуемого отрезка провода совпадают, то распределение тока в проводе обладает цилиндрической симметрией, причем ток в каждой точке резиновой оболочки направлен по радиусу от оси провода к его поверхности. Плотность тока во всех точках, расположенных на одинаковом расстоянии от оси провода, одинакова. Удельное сопротивление
резиновой оболочки провода определяется с помощью следующей формулы:
Р=
2тг1-1*
1 5
(1)
где L=200 мм - длина образца; ^=16 мм, г2=6 мм - расстояния дальнего и ближнего от оси провода потенциальных контактов (см. рис. 3); К - электросопротивление цилиндрического слоя резины с внешним и внутренним радиусами г1 и г2, соответственно, при распространении тока в радиальном направлении перпендикулярно оси кабеля. Электрическое сопротивление К определяется с помощью следующего соотношения:
(2)
где и2 - напряжение между потенциальными контактами 3, измеряемое микровольтметром V2 (см. рис. 3); I - ток через образец, определяемый по формуле:
(3)
где и1 - напряжение на сопротивлении К0 (см. рис. 3), измеряемое вольтметром
V!.
Применяемый метод относится к разрушающим методам контроля параметров, т.к. для определения удельного сопротивления резины необходимо отрезать от провода образец конечной длины.
Отметим, что потенциальные контакты можно располагать не только на торцах образца, но также и на его внутренних участках. Для этого в радиальном направлении в резине высверливаются отверстия небольшого диаметра (4-6 мм). В отверстие помещается щуп с потенциальными контактами. Описанные характеристики и возможности метода позволяют назвать его модельным. С его помощью можно измерять удельное сопротивление как на торцевых поверхностях, так и на внутренних участках образца. Точность определения удельного сопротивления можно повысить, если проводить измерения для 4 радиальных ори-ентаций потенциальных контактов: 00, 900,1800 и 2700, которые определяются положением 4 высверленных в ячейке отверстий 3 на рисунке 1, а также положением игольчатых потенциальных контактов на торцевой поверхности образца. Удельное электрическое сопротивление резины определяется как среднее арифметическое этих 4 измерений.
3. ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ТОКОПРОВОДЯЩЕЙ РЕЗИНЫ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ В РАДИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИИ НЕРАЗРУШАЮЩИМ МЕТОДОМ В этом случае используется та же измерительная ячейка, что и в предыдущем случае. Отличие состоит в том, что в ячейку помещается часть провода произвольной длины. Через отверстия 3 (см. рис. 1) в ячейке высверливаются каналы диаметром 4 мм в резиновой оболочке провода. Потенциальные контакты находятся в специальном щупе, который вводится в высверленные каналы через отверстия 3 в ячейке. Отверстия высверливаются в центре ячейки (после измерений отверстия «залечиваются»). Поскольку длина ячейки (200 мм) много больше, чем диаметр провода (36 мм), то влияние участков провода, выходящих за пределы ячейки, на величину измеряемого удельного сопротивления резиновой оболочки провода пренебрежимо мало. Определение электрического удельного сопротивления резины в поперечном направлении проводится с помощью формулы (1). Значения L=200 мм, г1=16 мм,
Таблица 1
ТОЧКА ИЗМЕРЕНИЯ ЛЕВЫЙ ТОРЕЦ ПРАВЫЙ ТОРЕЦ ТОЧКА 1 ТОЧКА 2 ТОЧКА 3
р, Ом.м 0,055 0,052 0,049 0,052 0,050
г2=6 мм. Как и в пункте 2, точность определения удельного сопротивления можно повысить, если проводить измерение для 4 ориентаций потенциальных контактов: 00, 900, 1800 и 2700, которые определяются положением 4 высверленных в ячейке отверстий 3 на рисунке
1. Удельное сопротивление определяется как среднее арифметическое из 4 измерений.
4. ИЗМЕРЕНИЕ КОНТАКТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕЖДУ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЖИЛОЙ ПРОВОДА И ЕЕ РЕЗИНОВЫМ ПОКРЫТИЕМ РАЗРУШАЮЩИМ И НЕРАЗРУШАЮЩИМ МЕТОДОМ 4.1 Разрушающий метод Для определения контактного электрического сопротивления Rм-р («металл
- резина») между металлической жилой провода и ее резиновым покрытием разрушающим методом используются результаты измерения объемного удельного сопротивления резины по пункту
2. Измерения проводятся по пункту 2. Отличие состоит в том, что микровольтметром V;, измеряется напряжение и2 между одним из потенциальных игольчатых контактов на рисунке 3 и медной жилой провода. Затем, используя формулы (2) и (3), вычисляют суммарное сопротивление между одним из потенциальных контактов и медной жилой Rсум, которое складывается из сопротивления цилиндрического слоя резины 1Рр с радиусами г (г - расстояние от центра провода до потенциального контакта) и гм (гм - радиус медной жилы) и контактного сопротивления «металл
- резина» 1*м.р:
С использованием формул (4) и (5) вычисляется 1Рм-п:
□ , о
(4)
р1п(—)
1 М
(5)
^м-р *\ум ^р
(6)
Сопротивление 1Рр вычисляется с помощью формулы
Контактное сопротивление «металл -резина» уменьшается с увеличением площади контакта 5=271^ в соответствии с законом
руд
п * м-р ,
""" Б
где 1Рудм-р - удельное электрическое сопротивление «металл-резина» на единицу площади контактной поверхности. Отсюда получаем выражение
для ^«м-р:
(7)
где используется значение р, полученное в пункте 2, 1_ - длина образца.
4.2 Неразрушающий метод
Определение контактного электрического сопротивления («металл - резина») между металлической жилой провода и ее резиновым покрытием неразрушаю-щим методом проводится аналогично его определению разрушающим методом по пункту 4.1. Отличие состоит в том, что в ячейку помещается часть провода произвольной длины. Еще одним отличием является то, что микровольтметром У2 измеряется напряжение и2 между одним из потенциальных контактов щупа, вставляемого в высверленное в резине отверстие, и медной жилой провода. Затем для вычисления 1Рм-р и 1Рудм-р используются формулы (4)-(7).
5. Результаты исследования кабеля ПАРМ 25-36
С помощью описанной выше методики были исследованы образцы провода ПАРМ 25-36.
5.1 Измерение удельной электропроводности резины в объеме
На образце длиной 200 мм по методике, описанной в пункте 2, были проведены модельные измерения объемной удельной электропроводности проводящей резины в радиальном направлении. Из-
мерения проводились как на торцевой поверхности образца, так и в отверстиях, высверленных в резине. В таблице 1 представлены значения удельного сопротивления резины в различных точках образца, полученные с использованием формулы (1) на основе измерения напряжения на потенциальных контактах при токовой нагрузке, равной 40 мА/м. Одно отверстие (№2) было высверлено в середине образца, два других отверстия - одно слева (№1), другое справа (№3) - располагались на расстоянии 50 мм от него. Внешний диаметр провода - 36 мм, диаметр проводящей медной жилы - 7 мм. Расстояние между потенциальными контактами составляло 10 мм (г1=16 мм, г2=6 мм, см. пункт 2). Потенциальные контакты на торцевой поверхности располагались так, как показано на рисунке 2. Ток через образец создавался стабилизированным источником постоянного тока Б3-205. Измерение тока проводилось путем измерения напряжения и1 на известном сопротивлении 1Р0 с помощью вольтметра В7-27 (см. рис. 3). Напряжение на потенциальных контактах У2 измерялось с помощью микровольтметра В7-41. Согласно техническим условиям, рабочий ток через провод ПАРМ не должен превышать величину 50 мА/м. Измерения показали, что при токовой нагрузке через образец <50 мА/м сопротивление кабеля не зависит от величины тока. Из таблицы видно, что расхождение значений удельного сопротивления в различных точках образца не превышает 10%.
Удельное электрическое сопротивление покрытия провода было измерено на полосках, вырезанных параллельно оси провода, 2-контактным методом с использованием омметра Щ-34 (ВНИ-ИКП). Получено значение р =0,141 Ом.м. Измерения р на полосках, вырезанных параллельно оси провода, 4-контактным методом дает значение р =0,090 Ом.м (МГУ, физический факультет). Отличие значений р, измеренного на полосках в двух случаях, по-видимому, связано с влиянием контактного сопротивле-
Таблица 2
ТОЧКА ИЗМЕРЕНИЯ ТОЧКА 1 ТОЧКА 2 ТОЧКА 3 ПРАВЫЙ ТОРЕЦ
р, Ом.м 0,049 0,052 0,050 0,052
Таблица 3
Rр Р м-р Кц-р
Ом Ом.м Ом Ом.м2 Кр
0,065 0,050 0,441 1,94х10-3 6,7
ния в случае 2-контактного метода. Контактное сопротивление приводит к получению завышенного значения р резинового покрытия. Сравнивая эти результаты с результатами, приведенными в таблице 1, можно утверждать, что продольное удельное сопротивление превосходит поперечное (перпендикулярное оси провода) в 2-3 раза. Это можно объяснить анизотропией физических свойств покрытия провода, обусловленной способом изготовления провода (об этом говорилось во Введении). О контактном сопротивлении подробнее написано ниже. На образце провода длиной 400 мм по методике, описанной в пункте 2, были проведены измерения объемной удельной электропроводности проводящей резины в радиальном направлении. Правый торец кабеля совмещался с краем измерительной ячейки. Левый торец выходил за пределы ячейки на 200 мм. В резине были высверлены 3 отверстия. Одно отверстие (№2) было высверлено в точке образца, расположенной в центре ячейки, два других отверстия - одно слева (№1), другое справа (№3) - располагались на расстоянии 50 мм от него. Измерения проводились на правой торцевой поверхности образца и в высверленных отверстиях. В таблице 2 представлены значения удельного сопротивления резины в различных точках образца. Из таблицы 2 видно, что отличие значений удельного сопротивления, измеренного в различных точках образца, незначительно. Этот результат обусловлен тем, что диаметр провода значительно меньше длины измерительной ячейки.
Этот вопрос уже обсуждался ранее в пункте 3. Следовательно, наличие отрезка провода, выходящего за пределы измерительной ячейки, практически не сказывается на измерениях электропроводности резины, производимых в центре ячейки. Приведенные результаты служат обоснованием описанного выше метода измерения удельного сопротивления резинового покрытия в любой точке провода произвольной длины.
5.2 Измерение контактного электросопротивления
По методике, описанной в пункте 4.1, были определены контактные сопротивления отрезка провода длиной L=200 мм. При вычислениях использовались следующие величины: гм=3,5 мм - радиус медной жилы, гвк=18 мм - радиус внешних токовых контактов, который совпадает с внешним радиусом резиновой оболочки кабеля. В таблице 3 приведены полученные значения р резиновой оболочки, полного сопротивления резиновой оболочки Rр (сопротивления цилиндрического резинового слоя с радиусами гм и гвк), контактного сопротивления «металл -резина» Км-р, удельного контактного сопротивления «металл - резина» Куям-р. Из таблицы 3 видно, что контактное сопротивление «металл - резина» почти на порядок превосходит сопротивление резиновой оболочки. Эти результаты подтверждают вывод о том, что удельное сопротивление резиновой оболочки можно измерять только 4-контактным методом, который исключает влияние контактных сопротивлений на получаемое значение р.
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработан метод измерения удельного электрического сопротивления токо-проводящей резины цилиндрической формы в радиальном направлении модельным (разрушающим) и нераз-рушающим методами. Разработан метод измерения удельного (на единицу поверхности) контактного сопротивления «металлическая жила - резина» в образцах резинового провода.
Установлено, что контактное электрическое сопротивление «металлическая жила - резина» резинового провода при распространении тока в радиальном направлении от металлической жилы к наружной поверхности резиновой оболочки существенно превосходит сопротивление самой резины. Разработанные методы могут быть использованы, в частности, для контроля электрических свойств аноднораство-римых проводов как в лабораторных, так и в полевых условиях.
МИНАДАГС
ООО «МИНАДАГС»
111024, г. Москва, ш. Энтузиастов,
д. 5, офис 1204 (ВНИИКП) Тел.: +7 (495) 225-87-76 Факс: +7 (495) 225-87-76 119435, г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1 (МИТХТ), этаж 2 Тел.: +7 (499) 246-27-41 факс: +7 (499) 246-27-41 е-таИ: [email protected] www.minadags.ru
Литература:
1. Гуль В.Е., Шенфиль Л.З. Электропроводящие полимерные композиции. - М.: Химия, 1984. - 240 с.
Ключевые слова: электрохимзащита, протяженные гибкие аноды, эластомеры, удельное электрическое сопротивление
токопроводящей резины, электропроводность
