Размещено на http://www.allbest.ru/

Новые протяженные гибкие аноды для защиты теплосетей от коррозии и особенности их применения

О конструкции гибких анодов

В настоящее время в эксплуатации установок электрохимической защиты (ЭХЗ) в «Тепловых сетях филиала ОАО «МОСЭНЕРГО» находят все более широкое применение протяженные гибкие аноды кабельного типа из токопроводя-щей резины типа ЭР (электроды резиновые) [1 ].

Применение протяженных анодов серии ЭР позволяет:

¦ равномерно распределить ток защиты вдоль защищаемого участка теплосети;

¦ снизить потребление электроэнергии ЭХЗ теплосетей;

¦ уменьшить вредное влияние ЭХЗ на смежные подземные сооружения;

¦ исключить необходимость в отводе земельной площади для установки анодного заземления.

Вышеизложенное вполне удовлетворяет требованиям защиты подземных сооружений, на которых есть опасность коррозии на локальных участках, что в первую очередь касается теплопроводов канальной прокладки, где имеется возможность расположить анодные заземлите-ли непосредственно в каналах [2].

Однако при неоспоримом преимуществе по сравнению с другими типами электродов анодного заземления (железокремниевые, графитовые, металлооксидные и др.), используемые в установках электрохимической защиты тепловых сетей, эластомерные аноды имеют два недостатка. Они обусловлены химической природой электропроводной резины:

¦ узкий температурный диапазон применения (от -50 ОС до +50 ОС);

¦ жесткое регулирование плотности анодного тока, превышение которого выше заданного значения приводит к преждевременному выходу электрода из строя.

Если второй недостаток легко устраняется современными средствами автоматического регулирования параметров ЭХЗ и конструкцией анодов, то первый потребовал разработки новых составов резиновых смесей и технологии изготовления на их основе новых электродов анодного заземления.

В 2003 г. в «Тепловых сетях филиала ОАО «МОСЭНЕРГО» начато применение опытных электродов серии ЭР, изготовленных на основе «проводов анодорастворимых резиновых теплостойких» - ПАР-Т (ТУ 16.К71 -299-2000). Одновременно в Академии коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова были начаты стендовые испытания на износостойкость указанных электродов.

Электроды были разработаны с учетом конструктивных особенностей тепловых сетей канальной прокладки, условий эксплуатации, а также опыта строительно-монтажных работ по устройству средств ЭХЗ.

Электроды на основе ПАР-Т кардинально отличаются от электродов ЭР-2, ЭР-6, ЭР-6М, используемых ранее для защиты теплосетей:

¦ в качестве полимерной основы используется каучук, резина на основе которого выдерживает температуру до 120 ОС в течение длительного времени (десятки лет) без значительных изменений физико-химических свойств;

¦ в качестве электропроводного наполнителя используется комбинация электропроводного технического углерода и графита;

¦ токопроводной жилой с площадью поперечного сечения 25 мм2 является тонкая медная проволока (ТУ 16.К71-087-90), что обеспечивает низкое продольное сопротивление в сочетании с высокой гибкостью электрода;

¦ электроды имеют диаметр не менее 50 мм и изготавливаются с гладкой, а не рифленой (каку ЭР-6М) активной поверхностью, обеспечивающей равномерное стекание анодного тока с электрода;

¦ в качестве дренажного используется кабель, шланговая оболочка которого обладает термодинамическим сродством к материалу электрода, что обеспечивает надежный контакт в зоне соединительных узлов, которые проходят проверку на электрогерметичность в воде по ГОСТ 3345-76.

Исследование нового анодного материала ПАР-Т в условиях эксплуатации тепловых сетей

Для проведения стендовых испытаний были отобраны два образца ПАР-Т диаметром 50 и длиной 200 мм, к которым по традиционной кабельной технологии были подсоединены два отрезка кабеля. Нерабочая часть образцов была загерметизирована с использованием починочной

резины, кремнийорганической ленты «ЛЭТСАР» и термоусаживаемых полиэтиленовых трубок.

Физико-механические характеристики резины, из которой были изготовлены образцы для стендовых испытаний, приведены ниже:

При испытаниях электродов на основе ПАР-Т контролировали следующие факторы:

¦ температурно-влажностный режим эксплуатации электродов;

¦ плотность тока утечки с электродов с учетом возможных перегрузок;

¦ участок перехода от контакта электрода с водой к контакту электрода с воздушной средой - «участок ватерлинии».

Минимальная продолжительность испытаний с целью изучения состояния электродов составляет один год при прогнозируемом сроке службы электродов в нормальном режиме 10 лет.

На рис. 1 приведена схема стенда для проведения испытаний образцов электродов.

Испытания начались 3 февраля 2003 г. В процессе испытаний проводились:

¦ контроль и поддержание температуры электролита (70 ± 5 ОС);

¦ сохранение заданного уровня электролита;

¦ контроль и регулирование значений токосъема с образцов электродов Э-1 и Э-2 - 200 и 300 мА/п. м соответственно (ежедневно);

¦ контроль напряжения между электродами и кюветой (ежедневно);

¦ периодический визуальный контроль (1 раз в месяц) состояния поверхности образцов.

Результаты испытаний показывают, что характер изменения переходного сопротивления Rпер связан в основном с изменением электрического сопротивления анодного материала электрода (сопротивление растеканию на поверхности электрод-электролит постоянно).

По изменению Rпер можно судить о природе физико-химических процессов, проходящих в наполненной эластомерной матрице и связанных с ними структурных преобразованиях анодного материала.

Как видно из рис. 2, Rпер обоих образцов монотонно возрастало до 5,5 месяцев, после чего практически стабилизировалось для электрода Э-1 и упало для образца Э-2, с последующим возрастанием. Через один месяц от начала испытаний у образца Э-2 на поверхности была обнаружена небольшая шероховатость. Через 5,5 месяцев от начала испытаний в зоне фазового разделения электролит-воздух («ватерлиния») по всему периметру электрода были обнаружены вздутия резины различных размеров.

Следует отметить, что для разных точек превышение тока в 1,5 раза от нормативного приводит к вздутию покрытия на границе ватерлинии.

Поскольку время образования вздутий по «ватерлинии» и уменьшения Rпер для образца Э-2 совпадают, можно предположить, что у образца Э-2 произошел разрыв вздутия, и электролит вошел под отслоившийся поверхностный слой, тем более что образец своей работоспособности не потерял (монотонное возрастание Rпер - кривая 2 на рис. 2).

При очередном визуальном контроле состояния поверхности образцов через 10,5 месяцев испытаний было принято решение электрод Э-2 снять со стенда и подвергнуть его материал структурному анализу.

Для проведения исследований электрод Э-2 был разделен на 3 части:

¦ первая линия разреза - по границе раздела электрод-вода («ватерлиния»);

¦ вторая линия разреза - по середине электрода;

¦ третья линия разреза - по концу электрода, где образец был герметизирован.

Одновременно было проведено вскрытие узла контакта электрод-кабель с целью проверки на электрогерметичность.

Анализ срезов показывает, что имеется один четкий визуальный раздел между слоями электрода по диаметру на глубину 2 мм. В зоне «ватерлинии» наблюдается деформация и отслаивание верхнего слоя, по-видимому, под действием выделяющихся газов.

Было проведено фотографирование образцов электрода от поверхности к центру и установлено:

¦ наличие микро- и макропор в образце и характер их распределения;

¦ послойное изменение удельной плотности материала электрода;

¦ послойное изменение электрического сопротивления образца.

На рис. 3 представлены фотографии срезов образца Э-2, расположенные от поверхности электрода (а) к центру (б) и эталон до испытаний (в). Съемка проводилась с помощью оптического микроскопа МБИ-6 в отраженном свете в темном поле, увеличение - 300х.

Был сделан поперечный срез Э-2 толщиной около 2 мм, из которого был вырезан радиальный исследуемый образец, такой же толщины таким образом, чтобы на одном образце можно было увидеть всю толщину электрода до токо-проводящей жилы.

На снимках наблюдается четкое изменение структуры материала по радиусу электрода, прежде всего, изменения характера микро- и макропор в материале и их направленность. В эталоне (фото 3в) наблюдается незначительное количество микропор, а частицы электропроводного наполнителя (графита), как и должно быть, равномерно распределены по поверхности среза. В процессе эксплуатации электрода количество и размеры пор (темные частицы) увеличиваются, количество графита (светлые частицы) уменьшается, причем, чем ближе к поверхности электрода, тем размеры пор больше и они носят явно выраженный туннельный характер (рис. 3а, б).

Анализ образцов, выполненных по ГОСТ 263-77, показал, что удельная плотность материала электрода также уменьшилась. Плотность верхнего слоя стала 1150 кг/м3, плотность приграничного к медному токовводу слоя также изменилась и стала 1170 кг/м3. Плотность материала до испытаний составила 1220 кг/м3.

Результаты исследования электропроводности образцов материала анода после испытаний, приведенные на рис. 4, 5, показали, что электросопротивление материала медленно увеличивается от центра электрода к периферии от 0,19 до 1,43 Ом вплоть до верхнего двухмиллиметрового слоя, электросопротивление которого резко возросло до 5540 Ом. Изменение структуры поверхностного слоя электрода, а именно наличие в нем открытых и закрытых микро- и макропор, подтверждается экспериментально по изменению электрического сопротивления поверхностного слоя образца. После одного часа выдержки в воде электросопротивление образца уменьшилось с 5540 Ом до 656 Ом, а после 40 минут выдержки на воздухе возросло с 656 Ом до 820 Ом с последующим увеличением до начального значения, что подтверждает наличие открытых пор.

Все это позволяет сделать выводы о сложности и многообразии процессов, происходящих в эластомерном материале анода под действием электрического тока.

Электрохимические процессы, по-видимому, идут одновременно на границе раздела электролит-анод, и в массе полимера, но с разной скоростью, сильно зависящей от плотности тока в аноде, площади контактирующих поверхностей и состава материала анода. Процесс, идущий на границе раздела вода-анод, в первом приближении, - это разложение молекул воды с выделением атомарного кислорода. Взаимодействие атомарного кислорода с электропроводным наполнителем с образованием оксида углерода и взаимодействия атомарного кислорода с эластомерной матрицей каучука [4]. Результатом чего является потеря эластичности и образование кожеподобного верхнего слоя на аноде с большим количеством микро- и макропор,которые по мере их образования, как было установлено, заполняет электролит.

Можно предположить, что аналогичные процессы, только более сложные и замедленные вследствие высокой вязкости полимера, проходят и в массе каучука.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что срок службы эластомерных анодов зависит от нескольких процессов:

¦ идущих на поверхности электрода с разложением электролита воды и разрушением верхнего каучукового слоя по известным механизмам;

¦ идущих внутри электрода, в эластомерной матрице каучука и в значительной степени определяющихся скоростью диффузии газообразных продуктов «внутреннего» электролиза на поверхность раздела фаз.

Одним из определяющих факторов, влияющих на скорость и характер протекающих процессов, является, по определению, величина плотности электрического тока. Подтверждение этому дает анализ образцов электрода Э-1, испытанного под воздействием тока 200 мА/п м.

На поверхности образцов Э-1 после одного года работы не обнаружено вздутий и разрывов, хотя также имеется четкий визуальный раздел, расположенный от поверхности на глубине 1,5 мм. Значение удельной плотности первого слоя, по сравнению с образцом Э-2, увеличилось и стало равным 1170 кг/м3, второго также -1190 кг/м3. Одновременно уменьшилось электросопротивление верхнего слоя до 3000 Ом (по сравнению с образцом Э-2 - 5540 Ом).

Все это указывает на то, что процессы электрохимического разрушения электрода Э-1 также имеют место, однако выражены в значительно меньшей степени.

Анализ узла герметизации токоввода обоих электродов показывает, что технология герметизации токоввода с использованием починочной резины и кремнийорганической ленты «ЛЭТСАР» для применения в условиях эксплуатации в теплофикационных каналах надежна и может быть рекомендована к применению при обеспечении требуемого качества его монтажа.

Заключение

1. Проведены стендовые испытания электродов кабельного типа на основе ПАР-Т и установлена эффективность их применения при защите от коррозии тепловых сетей канальной прокладки.

2. Определены степень и характер разрушения материала жертвенных электродов ПАР-Т под действием анодного тока и установлено наличие двух механизмов электрохимического разрушения материала, идущих: на поверхности электрода, в массе материала электрода. Наличие двух механизмов разрушения материала электродов и их явная зависимость от плотности анодного тока позволяют реально прогнозировать срок службы и эффективность работы анодного заземления.

3. Поскольку в реальных условиях эксплуатации плотность тока утечки с электродов анодного заземления может быть неравномерной, установлено, что при проведении расчетов ЭХЗ целесообразно не превышать значение токовой нагрузки на электроды из ПАР-Т более 150 мА/п. м.

4. Учитывая, что удельное электросопротивление медной проволоки сечением 25 мм2, применяемой в электродах типа ПАР-Т, равно 0,0007 Ом/м, то длина плеча электрода анодного заземления может быть увеличена до 120-130 м, вместо 60-65 м в случае использования электродов ЭР-6М.

анод гибкий сеть тепловой

Литература

1. Сурис М.А., Липовских В.М. Защита трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии. М.: Энергоиздат, 2003.

2. Типовая инструкция по защите трубопроводов тепловых сетей от наружной коррозии. РД 153-34.0-20.518-2003. М.: Новости теплоснабжения, 2003.

3. Стругацкий М.К., Надеинский Б. П. Общая химия. М.: Высшая школа, 1965.

4. Догадкин Б.А., Донцов А.А., Шершнев В.А. Химия эластомеров. М.: Химия, 1981.

5. Кошельков Ф.Ф., Корнев А., Буканов А.М. Общая технология резины. М.: Химия, 1978.

Размещено на Allbest.ru