Введение к работе
Актуальность проблемы, для защиты от коррозии подземных и подводных коммуникаций и строительных конструкций широкое применение нашли управляемые системы катодной защиты. Применение управляемых систем катодной защиты позволяет устранить почти полностью коррозионное разрушение, при относительно небольших затратах. В последние годы управляемые системы катодной защиты нашли широкое применение для защиты от коррозии наружной обливки кораблей ->сех назначений. Управляемые системы катодной защиты применяются так-е для защиты от коррозии балластных танков, морских и печных буёв и других стальных конструкций, находящихся ч морской воде (пирсы, опоры мостов, тпунтовые стенки и т.п.) и в грунте (газопрокопы, водополу. кабели СВЯЗИ и т.д.). Размеры коррозии металла зависит как от внешних условий, так и от состава и свойств солей в водах и грунтах. Скорость коррозии, в зависимости от внешних условий, составляет 0.3 - 0.5 мм/год. Это значит, что стальная обшипка тол диной, например, a 20 мм через 10 - 12 лет станет тоньше на 20 - 25">, поотому по техническим условиям у. этому времени листы приходится менять, а газопроводы с толщиной стенки в 9 мм выходят из строя через 6-3 лет. В случае коррозии отдельных участков кавернами, скорость коррозии в ряде случаев составляет 0.7-1 мм/год.
Отказы из-за коррозии трубопроводов в нефтяной и газовой промьпллгнностях сохраняют лидиру-г^ее положение до настоящего "ррмени. Сбои в работе системы поалемннх трубопроводов, связанных с их разгерметизацией поп воздействием "оргюзийного разпу-ігечия. везут к потере транспортируемого продукта, загрязнение о^цу^аю^ей среты. нарушение экологического баланса, к дорогостоящим знрпго- v. матетаяттьчо-трудоемким восстячопительчым работам.
При этом, если прямой ущерб, вызванный потерями продукта, восстановительными работами, снижением добычи нефти и газа, мо'*ет быть оценен, то косвенные потери, особенно экологический ущерб, а такте человеческие гиэни, очень трудно поддаются оценке, если яообще она возможна. Как видим, ущерб, наносимый коррозией, огромен. При этом заметим, что до настоящего времени как в России, так и за рубежом не разработано достаточно научно-обоснованного и подтвержденного практикой, удовлетворительного критерия полноты- защиты, особенно для условий,насыщенных источниками питания катодной защиты. В этих условиях возникает необходимость как в модификации и усовершенствовании традиционных методов решения указанных задач, так и в разработке новых способов, автоматически систем и устройств стогной защиты. Таким образом, птгативокорпози онная защита, как процесс и средство, обеспечивакхцее безаварийную работу сооружений и трубопшводо», язляртся актуальнейшей проблемой.
Управляемые системы катодной защиты нельзя рассматривать вне их связи с объектом управления. В общем случае зти системы .являются замкнутыми, в которых взаимодействуют объект и устройства уп равления. В. системах катодной защиты, как правило, процесс управления включает источник вещества или энергии, приемник вещества или энергии, линии передачи управляющего воздействия и органы управления процессом. Совокупность отих элементов составляет объект противокоррозионного процесса. Свойство процесса характеризуется многочисленными Физическими параметрами и их величинами, такими кяк давление в трубопроводе, его температура, сплошность изоляции, удельное сопротивление грунта и т.д. При ГТОМ СЛО'ПЮСТЬ коррозионных явлений, связанных с многообразием грунтозого макро и микромира, определяемого воздействиями изменяющихся во времени
химических, Физических и биологических ^акторов, е. так*е с такими показателями, как структурность, химический и механический состав грунта, новообразования и включения, плотность грунта, приводит к категорической неповторяемости экспериментальных результатов. Ото в значительной степени затрудняет разработку критериев полноты защиты, изучение влияния электромагнитной энергии на изменение протекания коррозионного процесса на границе фаз подземное сооружение - грунт и определение параметров электрической энергии, затрачиваемой на подавление процесса коррозии. Одним из наиболее патных критериев полноты катодной защиты, используемого в настоя-цее время, является поляризационный потенциал защищаемого сооружения. Однако при проектировании средств члектро-химической защиты этот критерий не является достоверным. Исследования показывают, что правильно запроектированные КСС (катодные станции сетевые) по "Опытным" данным, нередко оказывают взаимное вредное влияние друг на друга. В результате этого влияния критерий полноты катодной защиты по поляризационному потенциалу может оказаться недостаточным, а п ряде случаев ошибочным, сто положение затрудняет разработку управляемых систем катодной защиты, поскольку для осуществления автоматического поддержания необходимой полноты катодной защиты сигнал обратной связи и критерий полноты органически взаимосвязаны, а данные их параметров являются базой при разработке. Поэтому автор считает, что для решения задачи контроля эМективности действия системы катодной защиты необходим принципиально новый путь исследований, заключающийся в определении параметров энергии на границе раздела электрод-электролит, при этом надо "договориться о нуле" системы. Только в этих условиях появится исключительная возможность использования исследований различных ученых и исследователей для решения актуальнейшей задачи. В этих условиях обостряется интерес к достижениям
науки и практики в процессе истории, происходит пересмотр имеющихся интерпретаций и оценок прошлого, и анализ современных положенні осуществляется в тесной связи с достижениями прошлого. Новая П03НІ вательная ситуация,возникшая в защите стальных подземных сооружений, потребовала более пристального внимания к комплексу вопросов касающихся темы полноты и контроля катодной защиты, воздействия внешнего источника на процесс защиты. Ока актуализировала задачу исследования механизмов проникновения внешних по отношению к противокоррозионной науки факторов в создаваемый концепции, идеи, представления, то есть в содержание противокоррозионного исследовг ния и его методологические принципы. Стало очевидным, что одной констатации факта влияния поляризационного потенциала на защищенность в грунтах и водных средах недостаточно. Потребовалось более полное описание и объяснение механизмов взаимодействия внешних и внутренних Факторов источника катодной защиты и среды, а так>же результатов их взаимного превращения. Актуальность исследований влияния электромагнитной энергии на процессы, происходящие на границе раздела *аз металл-среда,во многом определяется также естественной апологией Физических явлений, с которыми приходится сталкиваться в оптике, физике твердого тела, квантовой теории поля.элем химии, олектродинамике, ионотехнике,технике датчиков автоматизированных систем и т.д. Теоретические и экспериментальные исследовг ния всего комплекса явлений, возникающих в проводниках второго рода под воздействием постоянной ЗДС,в последние годы представляй собой одну из наиболее активных разрабатываемых проблем благодаря успехам в создании мощных источников геопрогнозированич. а также в связи с потребностью разработки систем защиты от коррозии стальных сооружений и развития гальванотехники. Следует особо подчеркнуть, что сведения, получаемые при использовании систем защиты от коррозии, являются единственным источником информации о прев-
ранениях параметров электрического сопротивления грунтового и водного электролитов под воздействием источника электромагнитной энергии. В грунтовых и водных средах важным является вопрос о влиянии ионного поля на процессы взаимодействия металла с электролитом. Таким образом, развитие исследований влияния электромагнитной энергии на процессы, протекающие на границах металл-электролит, металл-грунт стимулируются не только широким кругом вакных зада" прикладного характера- , но и внутренней логикой развития электротехники и автоматики.
Цели и задачи диссертационного исследования обусловлены степенью изученности поставленной проблемы.
Целью диссертационной работы является всестороннее осмысление и обоснование исходной концепции полноты и котроля катодной защиты. Достижение этой цели предполагает исследование изменения параметров системы анодное заземление - защищаемое сооружение под воздействием источника катодной защиты, выявление конкретных Форм и способов использования этих параметров в качестве критерия полноты катодной защиты, а также получения надежного первичного преобразователя з цепи обратной связи управляемой системы катодной станции. Разработка такой концепции потребовала поставить и решить ряд вопросов, большинство из которых имеют самостоятельное значение.
В работе были определены следующие основные задачи:
выявить особенности электрической цепи катонной защиты, определить^чем вызваны эти особенности^ разработать надетый критерий полноты катодной защиты по выходным параметрам электромагнитной энергии;
раскрыть содержание характера превращения параметров электрического сопротивления в грунтовых электролита* под воздействием постоянной или выпрямленной Е Д С , облегчить определение тїфективности действия защиты и тем самым способствовать сохране-
нига металла от разрушения коррозией;
исследовать распределение потенциалов в зоне действия источника катодной защиты;
изучить физические положения поведения материальных частиц в системе катодной защиты с целью использования законов распределения электромагнитной энергии, вектора Пойтинга и закона Эйнштейна, а также закона Снеллиуса, закона действия масс и преобразования Лоренца для обоснования концепции полноты катодной защиты;
разработать схему замещения системы катодной защиты;
разработать принципиально новую автоматическую катодную станцию, сигнал обратной связи в которой был бы согласован с изменениями параметров источника и системы анодное заземление - защищаемое сооружение , независимо от того, чем они вызваны Сгрунтовыми, атмосферными, тепловыми, световыми, водными или иными возмущающими факторами);
выОрать или разработать математический аппарат для описания процесса изменения токов под воздействием превращения параметров электрического сопротивления, которые, в свою очередь, происходят под воздействием возмущающих факторов источника и системы анодное заземление - защищаемое сооружение .
Научная новизна работы определена как совокупностью поставленных задач, так и способами их решения. Анализируемая проблема исследована на основе современных представлений науки и техники с учетом особенностей эксплуатации и проектирования катодных станций. Ьыводы, полученные в результате проведенного исследования, имеют теоретическую, методологическую и практическую значимость. Автором работы предложена по сути новая, оооснованная концепция полноты и контроля катодной защиты, восходящая к квантовому подходу распределения электромагнитной энергии.
Специфика нашеги подхода позволила как конкретизировать и уг-луоить некоторые имеющиеся выводы и результаты исследования проб-
лемы-контроля катодной защиты, так и получить ряд нивых.
Новые научные результата, выносимые на защиту, состоят в следующем :
-
С позиции идеи полноты катодной защиты по параметрам электромагнитной энергии выявлена и раскрыта осиоенносаь изменения электрическоги сопротивления в цепи кагодной защиты.
-
Впервые установлена и исследована закономерность превращения параметров электрического сопротивления грунтового электролита в системе анодное заземление - защищаемое сооружение , под воздействием постоянной или выпрямленной ЭДС.
-
На базе многофакторного анализа полноты катодной защиты сформулировано основное правило совместной защиты, а именно: при совместной защите двух и более сооружений необходимо гальванически развязывать их и потенциально уравновешивать .
-
Обоснована концепция полноты катодной защиты е условиях двух и более источников, влияющих друг на друга, с позиции современных представлений о распределении электромагнитной энергии.
о. Різработаш методики расчета полноты катодной защиты по параметрам электромагнитной энергии и выбран математический аппарат для описания параметров электрической цепи катодной защиты.
6. Разработана схема замещения системы катодной защиты, позволяющая как объяснить процессы, происходящие в системе анодное заземление - защищаемое сооружение . так и использовать ее с целью контроля полноты катодной защиты и разработки математических моделей.
?. Разработана принципиально новая автоматическая катодная станция, базирующаяся на теоретических предпосылках, рассматривающихся в работе. Проделанная работа позволяет по новому взглянуть на проблему катодной защиты и ее контроля; взаи-
мссвязг источников запиты и системы анодное заземление - зэщпщае мое ссоруяонпе ; взаимодействия электрон - иен; показать сложный, неоднозначный по результатам процесс мировоззрения детерминации незнания полноты кат сдай защиты л ее контроля; еыяе;;ть :: уточнит; спеидЗпческге черты содержания воздействий на развитие событий на границе раздела деух ;jas под воздействием постоянно!! или выпрямленной ЗДС.
8. Установлено, что эффективная полнота катодно" зашиты мотет бить достигнута только при достижении условия равенства мощностей источника защиты і; коррозионный пар. Ни с кэко:: защищенности стал ных кедззмнн;: и подводных сооружении говорить нельзя, если это ус ловке не выполняется.
В основу диссертации пелоэзны работы автора по е опросам теории эффективности контроля катодное защиты (I - 3] и теории управлення коррозией по параметрам электромагнитной энергии [4 - 10 Ямі работы принадлежат к числу первых работ, в которые был постав, лен и рекен вопрос высокоэффективного контроля полноты катодной запиты пне зависимости от потенциального состояния электродов
[її - ІЄІ . Псследовакпя, проведенные р плане изучения превраке-нпя параметров электрического сопротивления, позеолплп более грамотно анализировать :г оптимизировать регулирующие к стабплизирун-Піїе устройства, пепояьзуззщпеся е системам катодно" защиты [l7-23] Разработанный метод расчета эффективности полноты катеднеі'і зашиты позволил разработать принципиально новые регулпр/шпе устройства и способы автоматизации педдернакия защитного потенциала [24 - 34
ГІ р а к т л ч е с к а я ценность. Репенне проблемы влияния электромагнитной энергии на процессы, препскедя'оле на гра нице раздела двух фаз, имеет два практически ваяны;: аспекта. С одної- стороны, г. задачах, связанны:;.с воздействием электромагнитной энергии к передаче": отрицательного потенциала в точку дренаги распределенного по певзр-дюстп сооружения, с цельи получения за-
щитнсгс эддекта от ксррсзшз^стансЕптся источником гальванических тсксб, б ряде случаев существенно снизивших полноту катодной защи-ты. 3 связи с этил исследование влияния электромагнитной энергии на защищаемое сооружение л определение момента полноты катодной защиты является необходимым этапом при разработке и проектировании пак катодных источников, так и защитных систем р целил. С другой стороны, установление органической связи соотношения превращения параметров сопротиЕлешш электрической цепи в системе типа анод-катод с законом Снеллиуса в оптике, законен действия масс в сінзи-ческой :спшз я преобразованиями Лоренца в дігзикє, позволяет ре-пить задач:/ исследования различных сред. Эти два основных аспекта проблеми в той или иней мере прсяЕляится во многих срактігческих задачах: в зашле от коррозии, влиянии на хзлгческле реакц:л:,визучении электролитов и вообще, образовании электрического тока в проводниках второго рола.
Реализация результатов работы. Подученные в работе результаты позводили, е частности, дать достаточно полную пнтерпрптащнэ многочисленных экспериментов контроля полноты катоднеіі запили. Предлскены и внедрены принципиально ноЕые методы катодной защиты подводных к подземных сооружений от коррозии. Предлскенс и внедрено устройство, позволяющее реализовать усовершенствование существушей методики измерения поляризационных потенциалов. Предложено Еысскоздуектпвнее устройстве, реализующее упрЗГЛОНЛе КОррОЗПеЙ Л КОНТРОЛЬ ПОДВОДНЫХ Я ПОДЗЄМННХ сооружений от коррозии' по параметрам электромагнитной энергии. Разработана автоматическая катодная станция.
Апробация результатов. Материалы работы сообщались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ордена Трудового Красного Знамени Нижегородского архитектурно-строительного института им.3.П.Чкалова и представителей проектных и производственных организаций Г.Н.Новгорода
Ъ ГС73, 1979, I9u), I9C2, I9C3, 1985, 1987, I9G9, 1991, 1992 г г. на УЛ Зсессззнш совещании пс магнитным элементам автоматик:; її вычислительно;] техники, г.Тагл:ект, 1958 г.; на Всесспзкых каучне-технггческхх конференциях "Разработка і: промышленное применение пс лупреведнлкевкх преобразователе!; частоты в ма:;:г.нсстрсешш", r.VTa 1373, IS77 г г.; на Всесоазис" конференции секции "Рэщхта ст коррозии подземных сооружений і: металлических конструкций", г.Саратов, ІССЗ г.; на нгучнс-технлчзсксГ: конференція: "Актуальные проблемы электроэнергетики", г.П.Новгород, ІСС2 г.; на нзучне-технп-чєскгх конференциях "Новые матерпэлы л технологи: для заплты от коррозии", г.Н.Новгород, 1977, I960 гг.; на нгучне-техтгчесісігх конференция:: пс прсбдеглаїл заппгы от керрозш:", г.Н.Новгород,I97G, IS7C, 1979, ІССІ, 1282 г г.; на УІ научно-технической конференции пс вопросам автоматизация производства, г.Тсмск, IS69 г.; на семи паре "Саппта подземных ссеруаекій ст коррозии", г.ЛеккнградДЭЭСг
II у б л е :с а ц л к. Основные результаты работы пзлекекы в двух монографиях, двух брегщрах, 30 печатных статьях, в тал числе б изобретения;:.
О б :> е и работы. Работа состоят к з веєдєшш, пестп глав, заключения, трех приложений и содер;;іпт текста 315 с, рисунков х графхг.сг; 92, библиографии из 201 названі;;;; обпій объем 372 стр.
30 ВВаПЗПШ обосновывается актуальность тег.ш диссертации, проводится анаяня научно-технической литературы, сформулированы задачі^ диссертационной работы,
намечаются основные пути их решения. Показано, что в системе катодной защиты надо различать два поля. Одно поле распространяется со скоростью света С, а другое-со скоростью в электролите С*. Плотность тока в электролите определяется по закону Ома
/^%)^ * ГДЄ ^ " ЧИСЛа ФаРЭДеЯ Н Ав0ГадР; %Г валентность положительных ионов а единице объема электролита} ft^g)-
чиоло положительных ионов в единице объема электролита^^ -Ц^ -подвижности, соответственно, положительного и отрицательного ио-иов, под действием электрического поля Ер . Поскольку в системе катодной защиты концентрация ионов единице объема неопределяема, то плотность тока в электролите определить нельзя; следовательно любой путь исследований, основанный на измерениях потенциального состояния защищаемого сооружения, без учета изменения электролита, носит приближенный характер, а в ряде случаев ошибочен.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ -"Управляемые системы катодной защиты"- приводится описание современных управляемых систем катодной защиты и рассматриваются их недостатки. Показано, что для решения задачи устранения недостатков существующих систем предварительно необходимо разработать принципиально новые способы и устройства, основанные на определении полноты катодной защиты по ее параметрам, с целью последующего сравнительного анализа и оценки нового.
Рассмотрены принципиально новые способы и устройства, способствовавшие решению задач, поставленных в работе.
Основываясь на теоретическом обосновании эффективности контроля катодной защиты, разработанного автором, делается предварительная оценка споЛов и устройств.
Общие вопросы теории эффективности контроля катодной защиты приводятся также в первой главе.
Катодная защита стальных сооружена:': представляет собой электрическую систему, состоящую из источника постоянного или выпрямленного тока, анодного заземления, сооружения и соединительных кабелей.
Состояние защищенности в системе катодной защити достигается изменением выходныл. параметров источника. При атом известно, что скорости материальных частиц, вылетающих из металла под действием напряжения, очень разнообразны, подчиняются закону каксвелла и органически связаны с ьеличиной выходных параметров источника. Поскольку во всяком электромагнитном луие заключается не только определенная энергия, но и определенный импульс, всегда совпадающий с направлением луча, то, следовательно, квант энергии заключает в себе определенный квант импульса, который и сообщает материальной частице толчек, совершая таким образом работу выхода материальной частицы в электр"лит. При переходе частиц с поверхности металла в грунт или водную среду происходит потеря(отражение) . энергии, зависящая от диэлектрической и магнитной проницае-мостей электролита, под влиянием которых существует та или иная контактная разность потенциалов металл-электролит.
По волновой теории света отражение всегда происходит без изменения длины волны. Исходя же из квантовой теории длина волны может изменяться, если величина кванта энергии изменится.
Ксли теперь представим, что при определенном напряжении катодной защиты ьь создали систему испускания квантов энергии от анодного заземления в электролит, то, очевидно, такая система характеризуется процессом испускания "анодных" материальных частиц в произвольном направлении определенной величины импульса. Связывая величины токов энергии импульса
кванта в электролите и измеряемого тока, можновести контроль полноты катодной защиты по выходным параметрам источника, т.е. по параметрам электромагнитной энергии. Поэтому электродный процесс, происходящий на границе раздела фаз металл-электролит, можно представить в виде системы, которая испускает, поглощает и отражает кванты энергии в произвольном направлении с определенным импульсом тока, рис.1.
Рис. X *~ Оценка длины вектора по его компонентам, по случаАным, направлениям движения частиц.
Такая система может быть описана методом оценки вектора по его случайным проекциям на плоскость или оценки длины вектора по его компонентам, по случайным направлениям движения частиц. Во второй главе работы - "Параметры электрохимиче ской системы и распределение потенциалов в зоне активной защиты" - анализируются явления, происходящие на границе раздела фаз электрод-водный раствор и характер распределения потенциалов в однородной ограниченной фазе и в фазе металл-грунтовый электролит в зоне активной защиты.
Поскольку в процессе окисления металл приобретает отрицательный потенциал, а'раствор - положительный, то, исходя из закона сохранения энергии,можно утверждать, что металл приобретает такой же по величине отрицательный потенциал, какой раствор приобретает положительный.
Для наглядности изобразим на числовой оси потенциал металла и потенциал раствора в начале реакции, рис.2. Если
1-5'
ja-
l JU Лі U Co
JV^_
v.
й.. fcj йі &
Цепям
л—
JVL.
4-й
Рис.** Графическое изображение вольта-потенциала в процессе окислительно-восстановительной реакции,
вольта-потенциал равен разности ^,-^= ^,, а равновесный
потенциал металла приобретается им при %-0 , то, по-
тенциал металла в этом случае будет равен:
%=% , %*0. Тогда (I)
из уравнения Нернста, %= %-[0,Q29i2-Uf4(l'ft)]lgC , а с
учетом (І) %*%-Іо,аг9*2-\а'\і-і*№9С , гдв
[0,029-*2-iO-4{t-i^lgC=fp поэтому % = %-%.
Анализируя это выражение, можно говорить о вполне реаль
ном потенциале данного раствора в определенных условиях.По
этому для динамического равновесия имеем Зр~%"%.
Пусть до погружения металла в раствор металл обладает потен
циалом + ^м), а раствор - потенциалом~Ур, т.е. до погружения
металла в раствор вольта-потенциал системы равен сумме потен-
циалов %=& + (-$).
Исследуя это выражение и учитывая, что процесс, в результате которого наблюдается адсорбция и образование двойного электрического слоя, единый, можно утверждать о существовании точки, относительно которой
Так как при наступлении динамического равновесия $HTJy а %~ » т0 величина равновесного потенциала на границе раздела фаз металл-раствор определяется его максимальным значением. Поэтому в момент погружения металла в раствор на границе раздела фаз вольта-потенциал равен:
Тогда из (I) и (3) Л'Ум'й . В любой промежуточный момент прохождения реакции потенциал можно определить только теоретически.
Допустим, потенциал, металла в момент < равен Jw , а раствора - Jp< и в последующие моменты t ,ts ^.соответственно Л»г uJpi', ^3 и Jms ', %н и Хр . Тогда на основании (2) зз.тт-
Таким образом, в любой момент времени процесса адсорбции и возникновения двойного электрического слоя'вольта-потенциал системы металл-раствор не изменяется. Кажущееся изменение (увеличение) потенциала % в процессе реакции надо отнести на счет смещения потенциалов J» и J? в противоположных направлениях. Очевидно, поэтому работа системы металл--раствор определяется величиной вольта-потенциалом этой системы и количеством прореагирующего вещества - /4 = ^2 г .
Следовательно, если в момент погружения энергий адсорбции максимальна, то в момент установления динамического равновесия она близка к 0. Энергия электрического поля двойного электрического слоя близка к 0 в первоначальный момент и максимальна при установлении динамического равновесия. При наличии активной защиты в грунте существует электрическое поле. Это поле характеризуется совокупностью силовых и эквипотенциальных линий, его напряженностью. Между напряженностью поля и потенциалом на поверхности
грунта существует связь интегрального и дифференциального вида if0y"
-df/dt=E, A%-ld?/dx+Jd!f/dy+J
Разность потенциалов в первой и второй точках зависит от положения этих точек в электрическом поле. Разность потенциалов между А и К и представляет собой напряжение, приложенное к электродам, рис. 3; а
Рис. О'. Распределение потенциалов по линиилсоединяю-
щеЙ анод с катодом.* '
а — одна фаза ограниченного объема: б — фаза неограниченного объема (грунт).
Как видимураспределение напряжения между электродами в одной фазе характеризуется наклоном прямой ВС, т.е.
При распределении электрического поля в одной фазе
ИЛИ ОДИНАКОВЫХ УСЛОВИЯХ ДЛЯ ЭЛеКТрОДОВ А И К li=lt>
Учитывая, что при переходе тока из среды с одной проводимостью в среду с другой проводимостью значение векторов напряженности и плотности на границе раздела фаз
изменяются скачксм, рассмотрим распределение потенциа-
щ лов между двумя электродами при переходе одной среды
(металл) в другую (грунт), рис. 3, б.
Как видим, кривая распределения потенциалов между двумя элентродами в этом случае характеризуется величиной напряжения источника, геометрическими размерами электродов и расстоянием между ними. При этом кривая распределения тем положе, чем больше по размерам электроды. С увеличением геометрических размеров электродов криваяраспределения потенциалов меяду электродами при переходе тока из металла в грунт стремится к прямой ВС, которая характеризует, как мы уже убедились, распределение потенциалов в одной фазе.
В третьей главе- "Превращения параметров электрического сопротивления в системе катодной защиты" - показано, что различие характера распределения потенциалов в однородной фазе и в фазе металл-грунт зависят от диэлектрических, магнитных и структурных свойств электролита, к'оторые^обладая свойствами активного сопротивления, емкостными и индуктивными, под воздействием внешнего источника (источника защиты) могут проявлять или их утрачивать, т.к. ивВёЮ/dt
1и*1„-СОвУ, ' (4),
где Ю - электрическое смещение, о - площадь, In ток в грунте, lu - измеряемый ток.
Численное значение отмеченных превращений зависит
от уровней внешнего поля и поля, образуемого электродами, последнее зависит от материала, его размеров и свойств электролита. Это положение затрудняет использование обобщенного закона Ома для электрических цепей с постоянной ЭДС, приложенной к электродам в электролитах. Поэтому до сегодняшнего дня нет единого мнения о преобразованиях, происходящих на границе раздела фаз металл-электролит, и нет единой методологии изучения явлений, происходящих в электролитах.
Для практических же расчетов, как правило, используется упрощенный закон Ома для изотропной среды "в виде'^-^ь (а не j-tfEp>>- ), сопровождаемый дополнительными коэффициентами, поправками, нередко "новыми" понятиями.
Если теперь представить плотность тока переноса электромагнитной энергии в системе металл-электролит в виде луча, отражающегося и преломляющегося как свет, рис.4, то можно показать соответствующие преобразования параметров электрического сопротивления электролита под воздействием постоянной ЭДС.
Такое представление согласуется с ньютоновской механикой и не противоречит современным понятиям квантового характера движения частиц. Результаты такого представления хорошо согласу-
20 '
ются с вероятностной оценкой электрических параметров в электролиге, рис.1,и подтверждают понятие разделения (в неразвет-вленной электрической цепи) постоянного тока на токи фарадееве-кий и заряжения.
.В соответствии с рис.4
sincL/sinf-Vnr. (5)
Выразим угол преломления из треугольника через электрические параметры системы:
L/l^CQSi. (б)
С другой стороны,
COS Y=\/1-Sin2 f. (?)
Решая совместно уравнения (5),(7), находим
откуда ^____
COSY^l/f-S/n'cL/SjT. (8)
Из равенства (6) и выражения (8) запишем*. ;
l«lln=\ll-sin4/.M . (9)
Выражая активную мощность системы через параметр тока источника и активное сопротивление системы г~1цК , учитывая (6), найдем
I^Vp/coPTF. сю)
Подставляя в COS У его значения из (8), произведя деление
электрического напряжения Уп , действующего в цепи системы,
на левую и правую части полученного выражения, учитывая%/L-Z,
Р/Пд , получим ,
Z=V{(EJltshil
Полученное нами уравнение (II) представляет собой основное соотношение изменяющихся электрических параметров сопротивлений в рлектродной цепи под воздействием источника энергии, в зависимости от диэлектрической и магнитной проницаемостей среды.
Ситуация здесь аналогична хорошо известному случаю эмиссии.
Выходя из металла, квазичастица преодолевает потенциальный
барьер, совершая при этом "работу выхода". Квазичастица ведет
себя как электронный газ, частицы которого имеют различные
скорости. Не каждая квазичастица, преодолевшая потенциаль
ный барьер, может быть зафиксирована в виде оо dg/dt . Здесь
ширина энергетической зоны зафиксированной квазичастицы зна
чительно меньше всех других энергий и может рассматриваться
как.волна флуктуации массы, как квант энергии . Однако с рос
том напряжения частота фиксации растет. Поэтому, если опреде
лять сопротивление, используя обычные формулы для квазистаци
онарных процессов то параметр R с увеличение** V
практически не изменяется, при этом остается меньше аналогич
ного изменяющегося параметра, определяемого исходя из актив
ной мощности R <" P/I , Из приведенных выше простых
соображений следует, таким образом, весьма важный вывод пре
образований электрических параметров сопротивления постоян
ному току. Эти преобразования таковы, что их значения нахо
дятся в интервале R_zZ , Z^R^ , где R_) R^, - коэффи- '
циенты квадрата тока джоулевского тепла за единицу времени,
соответственно, при постоянной и переменной ЭДС; К - вход
ное сопротивление, зависящее от изменяющихся параметров9.ДС_,
,У ,ЛІ, , определяется в виде Z^Vu/lp В четвертой главе работы - "Контроль электрических параметров, в системе катодной защиты" - рассматриваются возможные режимы источника защиты; дается оценка мощностей в электролите при наложении внешнего поля- выбран математический аппарат с целью нахождения Еектора тока в электролите.
Электрический ток в цепи катодной защиты неразрывно связан с магнитным и электрическим полями. Электромагнитная эне-
ргия в рассматриваемой цепи определяется: I) величиной энергии, преобразовавшейся в тепло ; 2) величиной энергии, отразивщейся от проводника; 3) энергией, преобразовавшейся в химическую.
В цепи катодной защита, как и в любой другой электрической цепи, нельзя выделить какого-либо участка, с которым не были бы связаны эти явления. При этом заменить реальную цепь идеализированной цепью или расчетной схемой, составленной из элементов, каждый из которых учитывает одно из этих явлений, также не представляется возможным. Объясняется это тем, что электролит -под действием электрического поля резко изменяет электрические-и магнитные параметры, а характер изменения зависит от случайных ситуаций.
Поэтому при одной и той же энергии в электрической цепи величины перечисленных выше энергий могут принимать различные значения. Для того,чтобы упростить исследование процессов в реальной цепи катодной защиты, представляется целесообразным применение вероятностного определения векторных величин по случайным проекциям на плоскость.
Особенность работы источника тока катодной защиты заключается в том, что он оказывается включенным одноименными полюсами В ЗДС гальванического элемента, образованного анодным заземлением и сооружением.
При этом величины ЗДС и внутреннего сопротивления изменяются в зависимости от величины напряжения источника и коррозионных явлений, происходящих на границах раздела электроды-электро-лит. Поэтому изменение тока в цепи сопровождается совершением рйоты против ЗДС гальванического элемента и изменениемего работы. Работу источника катодной защиты по созданию энергии для подавления процессов коррозии можно условно разбить на две стадии: стадию А , стадию Б.
В стадии А работа затрачивается на создание энергии маг
нитного и электрического полей. Стадия А существует до тех
пор, пока изменение тока выпрямителя сопровождается изменени
ем действия гальванического элемента 01 = \ис\ / Z =
= Ldi/dtz .
Как только изменения гальванического элемента принимают определенную постоянную величину, работа выпрямителя переходит в стадию Б. При этом работа источника полностью идет на создание энергии магнитного поля Р-1 (1*6і) dt f
поэтому полная энергия в электрической цепи катодной защиты
ч для стадий А и Е работы источника за время di будет равна
. Токи гальванического элемента в цепи катодной защиты существуют при незначительном токе источника. Рост величины тока источника изменяет действия гальванического элемента. Поскольку dA ' Н d В 'V ( Л - напряженность магнитного поля, & - индукция, 1/ - объем>в котором создано однородное поле), то при наличии тока гальванического элемента источник защиты работает в режиме А, и работа не может быть приравнена энергии магнитного поля, созданного источником. Так как магнитная энергия по заверше--нии цикла перемагничивания Н и В будет иметь первоначальную величину, то работа dk идет не на создание энергии магнитного поля. Сна идет на увеличение внутренней энергии гальванического источника, на его нагревание. Следовательно, источник катодной защиты в режиме А работает на изменение внутренней энергии гальванического элемента, на его электрохимическое превращение.
При переходе источника в режим Б он начинает работать на создание магнитного поля. Очевидно, можно предположить, что коррозионные действия грунтового электролита могут быть
сведены до минимума только в том случае, если изменится направление тока в системе гальванического элемента.
При эксплуатации катодной защиты весьма важным является контроль режимов, в которых могут работать источник гальванического элемента и источник катодной защиты. Таких отличительных друг от друга режимов можно назвать четыре. Первый режим относится к случаю работы гальванического источника при отключенном источнике катодной защиты: а) источник отключен с первичной стороны обмотки трансформатора; б) источник отключен таким образом, чтобы вторичная цепь выпрямителя была разомкнутой.
В этих случаях ток от источника катодной защиты в гальванический источник не поступает. Ток в цепи образуется под воздействием ЭДС только гальванического элемента. Однако распределение токов для указанных случаев различно, а поскольку сопротивление гальванического элемента больше сопротивления источника защиты, то разрушающее воздействие гальванического тока в случае б) будет меньше.
Второй режим относится к случаю, когда источник катодной защиты включен одноименными полюсами на гальванический .источник, и оба источника поддерживают ток в цепи.
Требуемое распределение токов между источниками может регулироваться величиной ЗДС источника катодной защиты. Токи источников будут пропорциональны их сопротивлениям.
В третьем режиме источники включены точно также, как и во втором режиме, питание осуществляется от источника катодной защиты, однако ток в цепи гальванического источника отсутствует. Это достигается тем, что напряжение источника катодной защиты на концах кабелей поддерживается равным ЗД гальванического источника. Распределение токов в отом режиме остается таким же, как во втором режиме, однако ток
гальванического источника равен нулю.
И, наконец, четвертый режим может быть осуществлен в том случае, если напряжение на концах кабелей поддерживать таким, чтобы оно было больше ЭДС гальванического источника. В этом случае гальванический источник становится сам токоприемником, а ток в гальваническом элементе изменит направление. Если ток электролита 1п (рис.1), обусловленный движением ионов электролита во все стороны от анодного заземления вектором I , абсолютное значение каторого равно In , то можно измерить составляющую тока, перпендикулярную направлению вектора Iu . Из геометрических построений (рис.1) видим, что плотность вероятности перпендикулярной составляющей в отдельном случае равна L, поэтому ^ /1н при 041и*1я
' I "' ч/ і 0 в остальных случаях.
Предположим, что мы измерили только пер-лендикулярные
составляющие J=JU)Iy,IMjJw. Вероятность получить набор I
равна „ , г если 04ju
ні l)*(f/l) f ниях
і "> і \ і "I L О, в остальных случаях.
Как видно, условие Р Цп,1), равное максимуму при In~I, даёт 1-і mav, гдеі/nav- наибольшая из составляющих величины 1 при измерениях. Действительно, с убыванием! 1„ вероятность P(ZtiI/ возрастает до тех пор, пока Г„ не станет меньше какого-нибудь измеренного значения I . Данное рассмотрение даёт значение Гг , хотя распределение сильно отличается от гауссова.
Если вести оценку длины вектора по его компонентам t по случайным направлениям материальной ча.стицы, учитывая,
ч*то при определенных условиях будет фиксироваться продольная компонента импулься тока 1„ , то Iu-U'OOS т , здесь У изменяется в пределах O-f Wy1, причем все значения в этом интервале равновероятны- Тогда для плотности
значений V имеем: , . Г2#шри о « ^4Л/г
Р №Н
L о в остальных случаях.
Плотность распределения значений 1м равна Р(1п,1и)= и тогда распределение I/ измеренных значений itf имеет вид
р (inMH2/(TLin)f=nj<-iL/i:r* t
Условие Я(/„,/и)рявное максимуму при 1п~1п имеет разумное
решение ТОЛЬКО В ТОМ Случае, ЄСЛИ ПОЛОЖИТЬ 1„'1иП)ОХ , но
при этом значении In функция PfJ^IJJcTaHOBHTCfl сингулярной.
Значение импульса тока зависит от величины сопротивления, поэтому каждому импульсу тока соответствует определенное электрическое сопротивление, при этом любое измеренное значение тока будет меньше действительного ±п , a R >Z , так как КУ„ (1ПЫ VU /J„ .Способ оценки длины вектора по его случайным проекциям на плоскость оказался приемлемым для определения тока в электролите потому, что при реальной катодной защите угол между измеряемым током iu и током в электролите находится в пределах
1 ! 0$ У $" 90.
Пятая глава- "Расчет полноты катодной защиты"-посвящается разработке методов достижения защитной полноты катодной системы в точке дренажа. Предложено четыре метода: аналитический, графоаналитический, по параметрам стороннего поля и по параметрам электромагнитной энергии. Все методы, приведенные в работе, сопровождаются примерами расчета. Дана сравнительная оценка с точки зрения применимости их
27 ' .
на различных этапах проектирования и эксплуатации к
В расчетах учтено основное условие квазистационарности неустановившегося электрического процесса на границе раздела сооружение-электролит, при рассмотрении электрического контура системы. Дело в том, что при любом изменении электрического состояния в какой-либо части контура, электрическое возмущение распространяется вдоль кйнтура с конечной скоростью, равной
Сі-С/уЕЛІ , Именно это условие и было исходным для получения расчетной формули (II).
Принято во внимание, что суммарное электрическое поле сме
щения в микроконденсаторах двойных приэлектродных слоев и ток
в дренажных кабелях связаны соотношением (4). Отсюда следует,
что меняющееся поле микрокондесаторов приэлектродных слоев
вызывает такое же магнитное поле, как ток силой
Поэтому в формуле Jn =} + СІЮ/at оба члена могут принимать
и одинаковые знаки, и противоположные.
Аналитический расчет наиболее целесообразно использовать в первоначальный период исследования реальных подземных строительных конструкций. Данные для расчзта берутся из "опытных" которые являются неотъемлемой частью проектирования катодных установок. Этот метод расчета выгодно отличается на этом этапе проектирования от других методов тем, что он может одновременно явится и элементом контроля правильности получения исходных данных для проектирования. Он также позволяет сравнить несколько вариантов и выбрать наиболее целесообразное решение совместно с высококвалифицированными специалистами, не принимавшими участие в проведении "опытных".
Графический метод наиболее нагляден, но менее точен (как
и все графические). Он хорошо иллюстрирует взаимодействие
внешнего источника катодной защиты и источника, образованного
коррозионными парами.
Расчет по параметрам стороннего поля хорошо подтверждает положение необходимости учета тока смещения в электродных системах. Особенно важно отметить здесь возможность возникновения равенства тока полного и тока проводимости, что и определяет критерий полноты катодной защиты.
С методом расчета полноты катодной защиты по-параметрам
стороннего поля неразрывно связан метод расчета по параметрам
электромагнитной энергии, является его дополнением и связыва
ет электрические параметры катодной защиты с параметрами эле
ктролита. Максвеллово уравнение J-"~J*Jc автомати
чески включает принцип постоянства скорости света в вакууме
в любых инерциальных системах, йоэтому, учитывая, что частицы
вещества и света материальны и обладают массой, а также ка
чественную разницу между частицами вещества и частицами света
(а именно: I) частицы вещества имеют "массу покоя" и могут
двигаться с любыми скоростями, всегда меньшими скорости света
в пустоте ҐП.^й 03 Cf 4 С ,2) частицы света не имеют массы
покоя и могут двигаться только со скорость?»света, Л70=0; C1~CJ.
ложно физическую картину в электродной системе представить
следующим образом. Электромагнитная энергия от анода к катоду
распространяется,как свет : претерпевает преломление при вы
ходе из анода в среду и из среды в катод. При этом скорость
распространения энергии в проводниках можно принять равной
скорости фотона С, а скорость распространения энергии в среде
за Ст, она оказывается ниже скорости движения фотонов С. По
скольку электромагнитное поле в общем виде связано интеграль
ными зависимостями с током и напряжением, очевидно, масса ве
щества Z П) , перешедшая в среду и связанная со скоростями
распространения электромагнитной энергии в проводнике и среде
Zti) = m,/i/f-c?/c* '
будет также связана с током и напряжением в электродной цепи.
Электродная система характеризуется тем, что при определенном напряжении на электродах и определенном токе в проводнике наступает состояние "равновесия" на границе раздела одного из электродов со средой. Тогда Zm*- тек , что соответствует изолированной системе катода. Движение же материальных частиц становится ограниченным и происходит (рис.5) между
Рис. «-^. Ограниченность движения материальных частиц на границе раздела фаз катод—среда.
ХтР&з ., как говорят, частица находится в потенциальной яме. Движение частиц осуществляется по окружности с радиусом Xq. Ни ближе ни дальше частица находиться не может, поскольку кинетическая энергия и/* станет отрицательной. В отличие от примера заряжающего конденсатора, где энергия не затрачивается на "создание" конденсатора и ток в проводнике становится близким к нулю, ток в проводнике электродной системы равным нулю быть не может, так как для создания "изолированной" системы затрачивается энергия, сосредотачиваемая в микроконденсаторе, изменяющемся в результате движениямикрочастиц под воздействием ЕДС, приложенной к электродам.
Момент создания "изолированного" катода достигается при смене знака результирующего заряда и сил на границе сооружение-электролит.
В шестой главе работы - "Потенциальное состояние^
схемы замещения и контроль полноты катодной защиты" - рассма
триваются возможные варианты потенциального состояния в от
дельности анодного и катодного электродов, а также в системе
защиты. Показано, что в системе катодной защиты, надо разли
чать две исходные энергетические ситуации, каждой из которых
должна соответствовать расчетная эквивалентная схема. Уста
новлены принципиальные различия емкостных свойств двойного
электрического слоя металл-электролит и плоского конденсатора.
В плоском конденсаторе емкость не зависит от приложенного на
пряжения, а емкость двойного электрического слоя зависит как
от полярности приложенного напряжения, так и от его величины.
Поэтому при анализе систем катодной защиты следует учитывать
перераспределение величин зарядов в процессе изменения прило
женного напряжения в анодной и катодной емкостях. Показана
аналогия векторных диаграмм режимов систем катодной защиты с
диаграммами различных режимов синхронного двигателя при неиз
менной механической нагрузке и при изменении его возбуждения.
Это положение позволяет упростить проблему контроля полноты,
катодной защиты, указав на особенность взаимодействия двух
полей, отражающих известное явление обратимости машин Э.Х.Лен
ца и Б.С.Якоби. Тогда энергетический баланс системы катодной
защиты можно записать в виде Р-Іфї< +1 qZz , где
Хф - электронный т)ок; 1 - ионный ток; 1<, tj - сопротивления электронному и ионному токам, соответственно.
Поскольку эффективная полнота может быть достигнута при
т2 т2
условии Іфіі>J.Q 1t i выразим, соответственно, электронный
и ионный токи из энергетического баланса найдем их значения,
выраженные через мощность, доступную измерению. Учитывая, что
мощность, в свою очередь, определяют электронный и ионный токи,
экспериментальное определение которых затруднено (а ионного
тока, с достаточной для практики точностью, невозможно), при
неизвестной нелинейности сопротивлений її и І2 выразим ток системы через их величины. Ток системы оказывается равен средней квадратической величине электронного и ионного токов. Поэтому нетрудно убедиться, что эквивалентная проводимость обусловлена параллельно включенными сопротивлениями электронному и ионному токам, соответственно. Анализируя изложенное на основе энергетического баланса исследуемой системы, составлена схема замещения процесса превращения электрического сопротивления в катодной защите, рис б. В этой схеме ток,
Рис. 6. Эквивалентная схема замещения системы катодной защиты, доступный измерению в реальной системе, есть среднеквадратичное значение тока, определяемого величинами ЗДС источника защиты, сопротивлениями источников, кабелей и величиной тока, образованного гальванической системой. При регулировании напря жения происходит изменение величины и характера сопротивления в системе (в результате процессов в микроконденсаторах) , перераспределение участия источников защиты и гальванического в образовании тока в системе. При достижений тока защиты.равного току гальванической системы, ток в электролите должен изменить направление. Дальнейшее увеличение напряжения приведет ь тому, что источник гальванического тока станет токоприемником и тогда заряды на микроконденсаторах сменят знаки. Это и будет характеризовать то, что источник, образованный гальваническими
коррозионными парами, нейтрализован и коррозия, определяемая ионным током, прекратит, ся. ІІ заключении отметим, что в любой электродной системе при увеличении напряжения характер изменения измеряемого тока в конечном счете зависит от величины и скорости изменения зарядов на микроконденсаторах, а они, в свою очередь, зависят от состава и концентрации электролита.
В приложении приводятся акты об использовании изобретений, рассматриваемых в работе, справка на конкурсную работу "Исследование, разработка и внедрение диагностики и управления коррозией стальных подземных сооружений по параметрам электромагнитной энергии", экспериментальные зависимости основных параметров катодной защиты от Бремени года и рекомендации по определению полноты катодной защиты.
В заключении, отметим, что приведенные в работе исследования являются составной частью многолетней работы по хоздоговорной и госбюджетной НИР, выполненной при непосредственном участии автора.
