XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Влияние блуждающих токов на коррозию металлов
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проекта:
Последние десятилетия в больших городах наблюдается резкое снижение срока службы металлических подземных конструкций. Основной причиной быстрого износа и разрушения магистральных трубопроводов, является коррозия металла, которую вызывают блуждающие токи. Блуждающие токи могут появиться и в доме, став причиной коррозии полотенцесушителя.
Актуальность данной темы очевидна, так как, каждый раз, когда электричество попадает в почву, оно создаёт возможность для возникновения блуждающих токов, и их разрушительного воздействия. Знание того, что такое блуждающие токи, позволяет выстроить эффективную защиту от них.
Эта тема меня очень заинтересовала, и я решил выявить существующие методики поиска блуждающих токов, оценить уровень опасности и продумать способы защиты.
Проблема проекта:
Активное использование человеком электрической энергии порождает как пользу, так и проблемы, так как в некоторых случаях действие тока происходит скрыто. Одной из таких проблем использования электрической энергии является появление блуждающих токов.
Каждый раз, когда электрический ток попадает в почву, он создаёт возможность возникновения блуждающих токов и их разрушительного воздействия. Почва обладает высоким удельным сопротивлением, но если на ее пути встречается металлический трубопровод, то ток, который всегда движется по пути наименьшего сопротивления, начинает течь по металлическим трубам.
В месте выхода блуждающего тока из металлического проводника он вызывает электрокоррозию, которая в скором времени приводит к его непригодности. Приведу вам пример: стальные трубопроводы, которые рассчитаны для использования на протяжении 20 лет, могут прийти в непригодность всего за 3 года. Таким образом, блуждающие токи являются причиной серьезного разрушения различных металлических подземных конструкций, кабелей, трубопроводов, железнодорожных и трамвайных рельсов, а также полотенцесушителей в быту.
Важным фактом является то, что полностью контролировать образование блуждающих токов невозможно, и их опасность может угрожать любым металлическим элементам, которые контактируют с землёй. Блуждающие токи являются вредным явлением для металлов и опасным для человека.
Чтобы обеспечить сохранность металлических конструкций и устранить угрозу жизни человеку от влияния блуждающих токов, необходимо выяснение природы данного явления, причин его возникновения, а также в способах защиты от него. Все это поможет решить проблему процесса контроля и устранения блуждающих токов на территории школы.
Цель проекта:
Целью проекта я поставил изучить влияние блуждающих токов на подземные металлические сооружения, выявить существующие методики поиска блуждающих токов, оценить уровень опасности и продумать способы устранения и защиты.
Новизна проекта:
Новизна проекта заключается в выявлении блуждающих токов на территории Ломоносовской школы-Зеленый мыс, и определении их уровня опасности.
Практическая значимость проекта
Практическая значимость проекта заключается в обращении внимания на проблему блуждающих токов и их вредного влияния на подземные металлические конструкции , человека, и определение способов решения этой проблемы.
Обращения внимания на регулярный контроль и замеры блуждающих токов на территории школы.
Задачи:
изучить теорию возникновения блуждающих токов;
взять интервью у специалиста;
изучить влияние их на подземные металлические сооружения;
подготовить и провести эксперименты по замеру блуждающих токов в разных местах территории школьного участка;
продумать способы защиты;
выбрать оптимальный вариант защиты.
Объект исследования: блуждающие токи
Предмет исследования: коррозия металлов
Рабочая гипотеза проекта: провести исследования и проверить гипотезу о том, что блуждающие токи, возникающие в земле при взаимодействии с землёй, когда она выступает в качестве проводника оказывают огромное влияние на металлы, что приводит к коррозии металла и разрушению металлических конструкций, находящихся в почве или даже соприкасающихся с ней, в чём и заключается основная опасность.
Методы исследования:
Теоретический анализ литературы.
Моделирование.
Интервью.
Наблюдение.
Эксперимент.
Анализ полученных данных.
Обобщение.
II ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
1. Что такое Блуждающие токи
1.1. Возникновение Блуждающих токов
Что же такое блуждающие токи?
Блуждающими токами являются вредные электрические токи в земле при использовании её в качестве токопроводящей среды, под действием которых возникает электролиз и происходит быстрое окисление и разрушение металлических подземных конструкций.
Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах, это упорядоченное движение свободных электронов. Чтобы возник электрический ток, необходимо:
наличие свободных заряженных частиц,
наличие электрического поля, под действием которого создается разность потенциалов в двух точках электрического проводника, и заряженные частицы приходят в движение, создавая электрический ток.
Блуждающие токи появляются по такому же принципу, но проводником здесь является почва, то есть блуждающие токи возникают в земле при её использовании в качестве токопроводящей среды. Сам грунт обладает высоким удельным сопротивлением, но если на пути электрической энергии встречаются различные металлические сооружения, удельное сопротивление которых намного меньше удельного сопротивления земли, то электрический ток, начинает двигаться по пути наименьшего сопротивления, то есть по металлическим трубам. Зона, через которую электрический ток входит в грунт, называется «катодной зоной», а через которую выходит – «анодной зоной».
Причина появления блуждающих токов
Откуда же появляется ток в земле? В современных городах имеется большое количество электрифицированных объектов, находящихся на земле. Это линии электропередач ЛЭП, трансформаторные подстанции, подземные кабельные сети, электрифицированные железнодорожные магистрали, трамваи, метро.
На участках, которые плохо изолированы от земной поверхности, происходит утечка части энергии в грунт. Так как потенциал в этой точке большой, появляется блуждающий ток, который движется в зону с небольшим потенциалом. А таким участком и становится труба, кабель, любая металлическая конструкция, расположенная в земле.
Пройдя по металлу, как по пути наименьшего сопротивления, в зону, где потенциал существенно уменьшается, ток выходит в грунт и возвращается в рельсовый путь.
Причина появления блуждающего тока в домашнем быту
На практике существует ещё один вид блуждающего тока, который приводит к повреждениям стальные полотенцесушители, радиаторы отопления. Основной причиной становится разница потенциалов на этих устройствах и заземлённых участках водопровода или системы отопления.
Раньше все эти сети монтировались из металлических труб и обязательно заземлялись. разницы потенциалов на отдельных участках была настолько минимальной, что не приносила никакого вреда.
Современные полипропиленовые и металлопластиковые трубы, применяющиеся в домах, обладают высоким удельным сопротивлением, поэтому их можно считать хорошими диэлектриками. Вода остаётся хорошим проводником, и отлично переносит скапливающийся статический заряд.
Происходит появление эффекта блуждающих токов, вызванного разницей потенциалов на заземлённом участке сети и отдельных полотенцесушителях или батареях. В этом случае электрохимическая коррозия быстро разрушает тонкостенные металлические устройства.
Иногда блуждающие токи возникают из-за утечки тока от неисправных электроприборов. Таких как утюг, микроволновка, пылесос, холодильник, эти токи гуляют по металлическим стоякам и взаимодействуют с протекающей там водой, из-за чего позже возникают точечные электрические пробои, которые со временем становятся источниками возникновения ржавчины.
1.2. Последствия влияния блуждающих токов на коррозию металла
Блуждающие токи вызывают коррозию металлических предметов, которые находятся под землёй, или соприкасаются с поверхностью земли.
Возникает электрохимическая коррозия и приводит в состояние непригодности металлические конструкции, если утечка блуждающих токов происходит постоянно. При этом скорость разрушения металлов может достигать десятки миллиметров в год. Рельсы разрушаются в местах входа токов в землю, но их повреждения из-за большой толщины стали меньше, а на выходе из земли разрушаются уже подземные коммуникации.
Для труб с тонкой стенкой такие повреждения становятся опасными. Они представляют собой сквозные отверстия. Если трубопровод находится долго в зоне воздействия блуждающих токов без надлежащей защиты, тогда его поверхность может напоминать решето.
Для того, чтобы понять природу данного явления, нужно серьезно разобраться в причинах его возникновения, а также в способах защиты от него.
1.3. Интервью Воронина Ивана Ивановича, генерального директора фирмы ООО ФИРМА "ЭМСП"
Как давно все это было!!!... 35 лет назад!!!
Катодную защиту делали в основном на новые коммуникации и больше всего на газопроводы. Катодная защита всегда является частью огромных проектов...... Мы же выполняли часть большой работы-монтаж.
Последний, помню газопровод в Самаре на новую ТЭЦ. Протяженность газопровода не помню, мы ставили 6 станций защиты. Нам выдавали уже готовые проекты, где все расписано. как прокладывать, какое оборудование, все таблицы напряжений. Перед этим, я думаю, проводились изыскания, анализы грунтов, замеры разности потенциалов. Мы приезжали на объект, были уже забурены огромные электроды и делали обвязку всего. Прокладывали кабели, устанавливали трансформаторы, ставили станции катодной защиты.
Затем оформляли все документы и сдавали наладчикам, которые включают все, настраивают и в свою очередь сдают в эксплуатацию.
Раньше я помню была организация, которая непосредственно эксплуатировала все эти станции, в Жигулевске она была.
Теперь еще нюанс ......, газопровод или еще что пересекают ведь и другие коммуникации, трассы, железные дороги, так вот они (коммуникации) прокладывались в металлических гильзах, а их ведь тоже надо защищать. Для этого существует протекторная защита, около каждой гильзы закапываются протекторы и присоединяются к гильзе. Протектор, это мешок, как из под сахара, наполненный графитовой смесью, и еще чем-то (не помню), и когда в землю закапываешь, все это начинает работать как батарейка. Помнишь, раньше батарейки круглые были и сердечник был из графита. Они и сейчас такие же, но в прежних лучше видно было, так вот, протектор работает по принципу батарейки. И так же по проекту, какое напряжение надо, столько мешков и закапываешь. От мешка отходит проводок, как тросик, только изолированный, его и присоединяешь к гильзе.
2. Способы защиты подземных металлических конструкций
Примерное решение проблемы сводится к защитным мероприятиям. Самый лучший способ, защищающий от блуждающих токов является предотвращение попадания тока в землю. Но что делать если электрический ток всё же попал землю? Для предотвращения отрицательного воздействия на металлические установки применяются методы защиты, которые отличаются друг от друга особенностью конструкций.
Существуют пассивная и активная защита, но только сочетание обоих видов помогает, хотя бы намного ослабить негативные влияния блуждающих токов.
Пассивная защита заключается в нанесении специальных защитных покрытий на металлические элементы, находящиеся в земле, это битумные мастики, смолы, грунтовки, изоляционные ленты.
Активная защита использует катодную защиту или электрический дренаж.
При катодной защите естественный отрицательный потенциал заменяют на искусственный. Отрицательный потенциал подаётся на защищаемую конструкцию. Катодную защиту можно разделить на делится на два варианта.
Первый вариант катодной защиты осуществляется при помощи постоянного электрического тока внешнего источника. Отрицательный полюс источника тока подключается к защищаемому трубопроводу, а положительный к специальному заземлению – аноду.
Во втором варианте, который называется «Гальваника», заготовка касается металлической пластины, заряженной отрицательным потенциалом. В данном случае используют анод, на котором собирается весь блуждающий ток, его называют «жертвенным анодом», именно он и будет подвергаться коррозии, а не сама конструкция. В настоящий момент катодная защита считается самой эффективной антикоррозионной защитой.
Есть еще защита, которая называется «Электрический дренаж».
В этом метод защиты отводят блуждающие токи из анодной зоны трубопровода в рельсовую сеть, разность потенциалов рельсов должна быть больше разности потенциалов земли или газопровода.
Экспериментальная часть
3.1. Как измерить величину блуждающего тока
Простые способы поиска утечек в быту
Чтобы определить наличие блуждающих токов в быту, вначале можно сделать обычный осмотр, даже он может дать неожиданный результат. Искать нужно разрушения изоляции на проводах, можно проверить концы проводки электроплиты, стиральной машины.
Идеальным прибором для поиска токов утечки токов является индикаторная отвертка. Необходимо найти участок металла без краски и коснуться измерительным контактом. Электроприбор включить в рабочий режим и коснуться отверткой проблемных мест.
Можно использовать бытовой мультиметр для определения сопротивления изоляции, оно обеспечивает безопасность при значении более 20 МОм. Если сопротивление меньше установленного значения, возможна утечка и пробой потенциала на корпус. Чтобы правильно замерить сопротивление изоляции в электроустановке нужно отключить электроприбор от питания, установить режим работы измеряющего прибора в положение МОм, один измерительный щуп присоединить на контакт вилки питания, второй щуп приложить к неокрашенным частям корпуса электроприбора. В ходе измерения нельзя касаться контактов и оголенных частей корпуса руками.
Измерения блуждающих токов с помощью специального оборудования
Специалисты проводят электроразведку блуждающих токов, используя специализированное оборудование. Профессиональный прибор для измерения тока утечки, предназначенный для работы с проводниками без отключения электропитания, это токовые клещи. Истинное назначение клещей — бесконтактное определение токов нагрузки на силовых линиях.
Наличие потенциальной опасности в обязательном порядке проверяют при проектировании новых трубопроводов в зоне их предполагаемой укладки. Для этого используют мультиметры высокого класса точности, внутренне сопротивление которых должно быть не менее 1 МОм, и специальные электроды, с минимальной паспортной разницей потенциалов.
Измерения проводят устанавливая электроды вдоль всей будущей трассы. Основная задача — определить существующую разницу потенциалов между точками. Если этот показатель превышает 0,04 В, на участке действуют блуждающие токи.
В районе расположения действующих рельсовых путей электротранспортной системы замеряют сопротивление изоляции между рельсами и грунтом, разницу потенциалов между рельсовым полотном и расположенными в земле металлическими конструкциями. Весь комплекс измерений выполняют при помощи специального оборудования.
3.2. Измерения блуждающих токов
Оборудование:
Для определения блуждающих токов на территории школы мы приготовили комплект приборов, в который входят: универсальный мультиметр DT-830B, переносные электроды, металлический зажим, соединительный изолированный одножильный гибкий провод длиной 20 м.
Результаты измерения:
Измерения блуждающих токов проводилось в зимнее время на территории школы.
Был выполнен замер разности потенциалов металлических конструкций внутри здания школы с помощью мультиметра.
Был выполнен замер разности потенциалов металлических конструкций (различных металлических столбов и столбиков) на территории школы с помощью мультиметра. Почти на всех металлических столбах отсутствовала разность потенциалов. Это говорит о том, что металлические конструкции хорошо изолированы от земли.
Выполнен замер разности потенциалов металлических труб для холодной воды, выходящих на улицу. В этом случае была обнаружена небольшая разность потенциалов
Выполнен замер на определение разности потенциалов полотенцесушителе в пансионе. Измерения были выполнены в комнатах первого и второго этажей. В этом случае была обнаружена небольшая разность потенциалов, значит есть наличие блуждающих токов. Также в нижней части полотенцесушителя были обнаружены следы коррозии.
Профилактика блуждающих токов в быту
Блуждающие токи могут доставлять мелкие неприятности, в виде помех в радиоприемнике, выходе из строя аппаратуры, повышенный расход электроэнергии, даже при выключенной технике, так и представлять серьезную опасность поражения электротоком, ведь никакое устройство не рассчитано на протекание электрического тока через корпус.
Поэтому все электроприборы, особенно выполненные в металлическом корпусе, должны быть заземлены! Заземление должно быть обязательно работоспособным и правильно организованным. Тогда любое нарушение изоляции или иная неисправность, которая приводит к появлению опасного потенциала на корпусе, приведет к срабатыванию защитных автоматов. Лучшим средством профилактики является установка устройства защитного отключения, которое при утечке будет срабатывать и сигнализировать о поиске проблемы, и, конечно, защищать жильцов.
Защита полотенцесушителей. В последнее время разводка воды в квартире выполняется пластиковыми трубами, но полотенцесушитель всегда выполнен из нержавеющего металла. Чтобы избавиться от таких токов и не допустить коррозии, нужно соединить между собой проводниками все металлические элементы в квартире: батарею, кран, смеситель, полотенцесушитель и далее полученный контур присоединить к заземляющим устройствам. Подобным образом получают выравнивание потенциалов.
Защита от блуждающих токов
Требования к защите сооружений от коррозии установлены ГОСТ 9.602-2005. Согласно этому документу при наличии в грунте блуждающих токов для безопасной и долговременной эксплуатации применяют:
электрохимическую защиту (катодная поляризация с помощью катодных установок, гальванических анодов, поляризованных и усиленных дренажей);
защитные покрытия;
ограничение утечек тока из источника (изоляция блуждающих токов).
III РЕЗУЛЬТАТЫ
Результаты исследования
В результате исследований удалось выполнить замер разности потенциалов металлических конструкций с помощью мультиметра внутри здания школы, измерить разность потенциалов металлических объектов находящихся на территории школы. Выполнен замер разности потенциалов полотенцесушителей в комнатах на 1 и 2 этажах пансиона. Так как измерения проходили в зимний период, то исследования выполнены согласно этому периоду, то есть не выполнялись замеры относительно земли.
Результаты измерений показали, что
разность потенциалов на металлических конструкциях, находящихся на территории школы не была обнаружена;
разность потенциалов на металлических конструкциях, находящихся внутри здания школы не была обнаружена;
была обнаружена небольшая разность потенциалов разность потенциалов на металлических трубах водопровода, выходящего из здания школы;
разность потенциалов на полотенцесушителях в комнатах на 2 этаже пансиона , не была обнаружена;
была обнаружена небольшая разность потенциалов на полотенцесушителе в крайней комнате на 1 этаже;
были обнаружены небольшие следы коррозии на полотенцесушителе в крайней комнате на 1 этаже пансиона.
Вывод:
Исходя из исследований и полученных результатов измерений разности потенциалов на наличие блуждающих токов, можно сделать вывод о том, что металлические конструкции, находящиеся на территории школы, так как в них отсутствуют блуждающие токи, хорошо защищены от земли, и они безопасны;
Внутри здания школы блуждающие токи тоже отсутствуют;
Была обнаружена небольшая разность потенциалов разность потенциалов на металлических трубах водопровода, выходящего из здания школы. Хотя разность потенциалов небольшая, это указывает на то, что, в этом месте нужно периодически выполнять замер разности потенциалов на наличие блуждающих токов.
Также небольшая разность была обнаружена на полотенцесушителе в крайней комнате на 1 этаже, на этом же полотенцесушителе были обнаружены следы коррозии.
Следовательно, наша гипотеза о том, что блуждающие токи приводят к коррозии металла и разрушению металлических конструкций, подтвердилась. Это как раз видно из обнаруженных следов коррозии на полотенцесушителе в крайней комнате первого этажа пансиона, и на нем же обнаружен небольшой блуждающий ток.
Подтверждение гипотезы также служит обнаруженные блуждающие токи на полотенцесушителе в доме, и на нем обнаружены же следы коррозии.
2. Практическая значимость и перспективы развития проекта
Наш исследовательский проект имеет огромную практическую значимость, так как влиянию блуждающих токов подвергаются многие металлические конструкции, и неизвестно, где могут появится блуждающие токи, таящие в себе опасность, то периодически нужно выполнять замеры разности потенциалов на наличие блуждающих токов, особенно в местах, где находятся дети.
В перспективах развития проекта входит определение блуждающих токов на территории школы в теплое время года, когда можно будет выполнит их замер в земле.
IV СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Физика. 10 класс: учеб, для общеобразоват. организаций: базовый уровень / Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н., Просвещение, 2019
Афанасьев, И. П. Блуждающие токи и методы борьбы с ними в системах электроснабжения железных дорог / И. П. Афанасьев. // Молодой ученый. — 2022. — № 5 (400). — С. 20-23.
Александров О.Ю. Совершенствование проектных решений и методик эксплуатации магистральных газонефтепроводов, подверженных воздействию блуждающих токов/ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук /Научный руководитель:д-р техн. наук, профессор Р.В. Агиней/Ухта– 2018
Блуждающие токи и условия безопасной эксплуатации электрифицированного транспорта/Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»/Глухарев Ю.Д., Гладков М.Н.
https://ofaze.ru/teoriya/bluzhdayushhie-toki
https://drova-pil.ru/montazh-i-remont/bluzhdayushchie-toki-v-vodoprovodnyh-
https://www.asutpp.ru/bluzhdayuschie-toki.html
https://electroinfo.net/raznoe/tok-utechki-chto-jeto-takoe-osobennosti-put-
https://infourok.ru/samostoyatelnye-raboty-po-elektrotehnicheskim-osnovam-
https://odstroy.ru/utecka-toka-zasita-opasnost-priznaki-priciny-i-sposoby-
https://profazu.ru/elektrosnabzhenie/bezopasnost-elektrosnabzhenie/kak-proverit-
https://motherhouse.ru/design/katodno-anodnaya-zashchita-katodnaya-zashchita-
https://www.ruscable.ru/info/pue/4-2.html
http://www.news.elteh.ru/arh/2001/7/08.php
https://www.chem21.info/info/348152/