Ткаченко В.Н. Электрохимическая защита трубопроводных сетей

Подождите немного. Документ загружается.

282

Таким образом, если вы потратили усилия и средства на изготовле-

ние высококачественной изоляции, но сэкономили на установке изоли-

рующих фланцев, то при R

из

= 1000 Ом

и Z

= 1 Ом (отличная изоля-

ция!) фактически будете защищать трубопровод, имеющий R

из.экв

= 50

Ом

, что означает, что вы потратитесь еще раз - на эксплуатации защи-

ты, так как ток защиты будет превышать требуемый в 20 раз.

Скупой платит дважды.

283

Глава 12. Железобетонная конструкция как

эквивалентная трубопроводная сеть

12.1. Арматурная сеть железобетона

Металлические элементы таких железобетонных конструкций как

свайные опоры зданий и сооружений, ленточные и сплошные фундамен-

ты, опоры мостов, ограждения гидро- и очистных сооружений, железо-

бетонные трубы и т.д. могут быть подвержены:

- собственной коррозии, причем с разрушением как металла так и ок-

ружающего их цементного камня;

- воздействию блуждающих токов и токов соседних установок элек-

трохимической защиты;

- влиянию соседних металлических сооружений благодаря образова-

нию с их участием протяженных коррозионных гальванических пар.

Поэтому при рассмотрении причин коррозии и параметров защиты

сетей подземных металлических трубопроводов, особенно в городах и на

территориях промышленных предприятий, нельзя игнорировать наличие

арматурных сетей множества всевозможных железобетонных конструк-

ций, особенно если учесть, что задача расчета распределения тока в арма-

турной сети - одна из разновидностей сетевой задачи, представленной в

главе 6.

Действительно, не имеет значения, из каких элементов построена

сеть проводников с утечкой - из труб или стержней - лишь бы эта сеть

имела электрохимическую связь с окружающей средой и была гальвани-

чески едина. Бетон, окружающий арматурные стержни, в мокрых и влаж-

ных средах проводит электрический ток не хуже земли, поскольку бетон -

пористый материал.

Под коррозией железобетона понимают

- электрохимическое растворение металлических элементов - армату-

ры и различных закладных деталей;

284

- химическое и механо-химическое разрушение бетона.

Оба вида разрушения способствуют друг другу. Цементный камень,

основа которого - гидроокись кальция, может разрушаться с образовани-

ем или рыхлых веществ, которые далее вымываются водой, или, напро-

тив, кристаллов солей в порах, вызывающих растягивающее действие на

бетон и появление трещин. И то и другое - губительно для стальной ар-

матуры: образуются каналы для доставки воды и кислорода и начинается

электрохимический процесс разрушения металла.

Сплошной слой бетона вокруг арматуры - своеобразная антикоррози-

онная изоляция. Несмотря на то, что бетон - пористое тело, которое к то-

му же может быть полностью насыщено водой, электрохимическая кор-

розия на поверхности арматуры не наблюдается, если защитный слой бе-

тона достаточно толстый, если бетон достаточно плотный, если основные

компоненты химически стойки и пр. Но самое главное защитное свойство

бетона - его высокая щелочность, о чем - ниже.

12.2. Бетон как электропроводная среда

Бетон представляет собой трехфазную систему - твердый каркас,

жидкость и воздух, т.е. он является капиллярно-пористым телом.

Твердая фаза состоит из песка и щебня, склеенных между собой про-

реагировавшими с водой частичками, например, силиката кальция

CaO

SiO

- в случае применения широкораспространенного портланд-

цемента, о котором в основном и пойдет речь ниже. Пористость бетона

из портландцемента составляет не менее 25% от внешнего объема гид-

ратных новообразований.

Следует заметить, что земляной грунт - это также капиллярно-

пористое тело с объемом пор от 30 % (песок) до 90 % (торф), что делает

грунт и бетон принципиально неразличимыми с точки зрения специали-

ста по ЭХЗ.

Воздушная фаза в порах бетона представлена компонентами окру-

жающей атмосферы. Кислород, попавший в поры при изготовлении и пе-

ремешивании цементного теста, остается в бездействии до тех пор, пока

не будет востребован возникшей по каким-либо причинам коррозионной

парой, где кислород нужен для катодного процесса. И когда коррозион-

285

ный процесс на металле в глубине бетона все же возник, то кислорода

будет достаточно для поддержания процесса, поскольку проблема его

доставки из атмосферы за счет диффузии ничем не отличается от анало-

гичных проблем для грунтов, где о полном торможении коррозионных

процессов по этой причине не может быть и речи.

Жидкая фаза - это, в основном, насыщенный раствор гидроокиси

кальция Ca(OH)

в воде, попавшей по разным физическим причинам в

поры бетона. Вода присутствует также и в химически связанном виде как

часть гидратированных ионов, и в виде адсорбционной влаги. В бетоне

месячного возраста количество химически связанной влаги составляет

примерно 70% , а физически связанной - 30% воды затворения. Благодаря

связям между порами и пустотами, заполненными водой, бетон - элек-

тропроводящее тело. В жидкой фазе содержатся в основном ионы Ca

гидроксила OH

−

, образующие гидроокись кальция Са(ОН)

, и - в мень-

шей степени - ионы AlO

−

SiO

− −

, SO

− −

и FeO

−

Поскольку концентрация основных ионов в жидкой фазе цементного

камня из портландцемента различных составов примерно одинакова, то и

удельное электрическое сопротивление жидкой фазы обычно колеблется

незначительно и находится в пределах ρ = 1...100 Ом

м, что очень хоро-

шо совпадает с диапазоном изменения реальной величины удельного

электрического сопротивления наиболее распространенных типов грун-

тов.

Следовательно, если не заданы более точные сведения об удельном

электрическом сопротивлении рассматриваемого железобетонного со-

оружения в земле, то можно принять, что ρ бетона равно ρ окружаю-

щей среды.

Диффузия в тело бетона иона хлора, если он присутствует в окру-

жающей водной среде, может уменьшить электрическое сопротивление

жидкой фазы в 3...5 раз.

Вследствие насыщения бетона ионами Ca

и OH

−

жидкая фаза имеет

явно выраженный щелочной характер. По многочисленным данным во-

дородный показатель жидкой фазы бетона находится в пределах рН =

12,2...12,7, в то время как для почвенной влаги рН = 6,5...7,5.

Щелочный характер поровой влаги бетона является причиной высо-

кой коррозионной устойчивости арматуры и цементного камня. Это не

должно показаться удивительным, поскольку еще в первых главах было

286

отмечено, что процесс на катоде сопровождается подщелачиванием сре-

ды. Пусть щелочная среда ассоциируется с некоррозионной средой.

Часто говорят, что в щелочной среде при рН >11,8 металл переходит

в пассивное состояние с признаками почти полного отсутствия каких-

либо коррозионных проявлений. Поэтому любое проникновение в поры

бетона веществ, снижающих щелчность поровой влаги от 11,8 и ниже,

ведет к усилению коррозии. К таким коррозионным агентам относят

прежде всего ионы хлора и углекислый газ. Как только в каком-либо месте

снижается щелочность, тут же изменяется потенциал металла в этом

месте и возникает коррозионная пара. В работу вступает основной агент

коррозии - кислород, всегда ожидающий своего времени в толще бетона.

Скорость проникновения газов, и прежде всего кислорода, в тело бе-

тона связана с водонасыщенностью последнего. Если все поры заполнены

водой (подводные конструкции), то диффузия кислорода может быть на

три порядка медленнее по сравнению диффузией при воздушно-

влажностном состоянии. Полная водонасыщенность может практически

полностью затормозить развитие коррозии арматуры. В то же время кор-

розия прекращается при снижении относительной влажности воздуха до

60 %.Следовательно, наиболее агрессивными можно считать влажные

бетоны во влажных грунтах, что в общем не противоречит здравому

смыслу.

12.3. Электрохимические параметры арматуры

12.3.1. Электрохимический потенциал

Высокая щелочность бетона обуславливает высокий потенциал

стальной арматуры. Известно, что электрохимический потенциал стали

увеличивается в положительную сторону примерно на +0,06 В с увеличе-

нием рН среды на единицу, т.е.

U= 0,059 рН , (12.1)

где

- смещение потенциала стального электрода относительно своего

стационарного состояния.

287

Так, потенциал арматуры в щелочной среде при рН=13 будет поло-

жительнее потенциала такого же стального электрода в нейтральной

среде (при рН=7 и тех же физических условиях) на величину

U = 0,35 В.

Это - одна из основательных причин возникновения следующих коррози-

онных гальванопар:

- сталь в бетоне - сталь открытая;

- араматура под сплошным слоем бетона - арматура под слоем бетона

в трещинах;

- открытый торец закладной металлической детали в бетоне - тело

этой детали в толще бетона и пр.

Во всех перечисленных случаях сталь в бетоне работает катодом,

а сталь открытая - анодом. Так, если открытый стальной электрод имеет

потенциал ϕ

= −0,55 В, то под слоем бетона ϕ

= −0,2 В. Возможны и

иные значения потенциалов в зависимости от физико-химических усло-

вий окружающей среды.

12.3.2.Катодное поляризационное сопротивление

На рис.12.1 приведены типичные поляризационные характеристики,

снятые на стальном образце под слоем бетона. Катодное смещение по-

тенциала, вызванное током плотностью j = 100 мА/м

, примерно равно

= −0,3 В. Это соответствует катодному удельному поляризационные

сопротивлению Р

= 3 Ом

. При плотности тока меньше 100 мА/м

поляризационное сопротивление больше.

С величиной удельного катодного поляризационного сопротивления

порядка Р

= 2...4 Ом

мы уже встречались при обосновании расчетных

параметров для вычисления поляризационных потенциалов на трубопро-

водах, т.е. при анализе поляризационных явлений на открытой металли-

ческой поверхности в нейтральных средах (см. главу 6). Судя по сравни-

ваемым данным, количественные различия параметров катодной поляри-

зационной характеристики стали в нейтральной и щелочной средах неве-

лики.

288

Рис.12.1. Типичные анодная и катодная поляризационные харак-

теристики стального электрода в бетоне из портландцемента

Поэтому можно принимать в качестве расчетного параметра для ар-

матурных сеток величину удельного катодного поляризационного со-

противления близкую к Р

= 3 Ом

12.3.3. Анодное поляризационное сопротивление

Из кривой U

рис.12.1 следует, что плотности тока j = 200 мА/м

со-

ответствует анодное смещение потенциала примерно

= 1 В и удель-

ное анодное поляризационное сопротивление Р

= 5 Ом

Анодное поляризационное сопротивление стального электрода в бе-

тоне имеет явную особенность: его величина на один-два порядка боль-

ше, чем Р

для стального открытого электрода.

Как известно, свежезачищенная поверхность анода в нейтральной

среде может иметь Р

= 0,1...0,5 Ом

, в то время как под слоем бетона

> 5 Ом

. Но это не покажется удивительным, если иметь в виду, что

именно высокое поляризационное сопротивление - свидетельство высо-

кой коррозионной стойкости металла и его способности к самопассива-

ции. Такая особенность присуща всем стальным электродам, находящим-

ся в щелочной среде.

Таким образом, для железобетонной конструкции с оголенной арма-

турой, работающей анодом, величину Р

следует принимать много мень-

шей, чем для арматуры под надежным слоем бетона.

289

12.4. Арматурная сетка как эквивалентная трубопроводная

сеть

Поскольку арматурная сетка является цельной сварной конструкци-

ей, то ее можно рассматривать как сеть проводников с утечкой и решать

ее в соответствии с теорией главы 6. Тогда в программах пакета АРМ-

ЭХЗ-7П везде под термином “трубопровод” следует понимать стержень

арматуры диаметром d и толщиной стенки t = d / 2. Удельное сопротив-

ления изоляции (R

из

) такого трубопровода должно соответствовать

удельным поляризационным сопротивлениям Р

и Р

арматуры.

Конфигурацию эквивалентной трубопроводной сети - уже при ее

формировании - целесообразно представить, по возможности, более уп-

рощенной. Рассмотрим ситуации, возникающие при построении расчет-

ных схем эквивалентных трубопроводных сетей.

12.4.1. Пучек из стержней

Пучек из N прутков диаметром d

ст

, сваренных вместе и образующих

единый стержень, целесообразно заменить одним эквивалентным трубо-

проводом диаметром

d = ηnd

ст

, (12.2)

где η - коэффициент экранирования, для которого можно принять сле-

дующие значения: при n = 2 η = 0,9, при n = 3 η = 0,88, при n = 4 η =

0,85.

Будем полагать, что удельное (поверхностное) сопротивление изоля-

ции (R

из

) прутка и эквивиалентного трубопровода равны друг другу.

12.4.2. Сетка участка конструкции

290

Рассмотрим характерный участок арматурной сетки протяженной

конструкции, имея ввиду постановку и решение двух следующих задач.

А. Исследование распределения локальных токов между стержнями

сетки, например, при ее гальванической неоднородности или при под-

ключении к какой-либо точке внешнего источника тока.

Б. Определение параметров эквивалентного трубопровода, заме-

щающего участок сетки и всю строительную конструкцию в целом.

При решении задачи А эквивалентная трубопроводная сеть, заме-

щающая сетку, должна моделировать эту сетку достаточно подробно, но

не детально. Так, целесообразно группировать поперечные перемычки

между продольными стержнями в пучки и включать эти пучки только в

узлах дискретизации. Возможны и другие упрощения, если они подтвер-

ждаются численным экспериментом.

При подготовке расчетной схемы для гальванически неоднородной

сетки определяют - исходя из условий ее работы - катодные и анодные

области, вводят в узлы дискретизации соответствующие стационарные

потенциалы и назначают удельные поляризационные сопротивления.

Ниже, в примере расчета 1 даны некоторые практические рекомен-

дации, полученные при решении задачи А.

Решение задачи Б и соответствующие примеры рассмотрены далее.

Пример расчета 1

Исследуем токи коррозии арматуры железобетонной сваи по рис.12.2

длиной 10 м, сечением 350×350 мм, погруженной в землю с удельным

электрическим сопротивлением ρ = 20 Ом

м. Арматурная сетка имеет по-

перечник 300×300 мм, выполнена из стержней 20 мм диаметром, которые

объединены поперечными связями, распределенными равномерно. Будем

полагать, что та или иная часть сваи покрыта трещинами и здесь армату-

ра работает анодом (ϕ

= −0,4...−0,6 В = var, P

= 2 ...0,2 Ом

= var), а не-

разрушенная часть, следовательно, катодом (ϕ

= −0,2 В, P

= 2 Ом

Шаг дискретизации эквивалентной трубопроводной сети принят не-

равномерным: по концам сваи

L = 0,5 м, в средине -

L = 1...3 м.

291

Рис.12.2. Железобетонная свая в земле (а), эквивалентная трубопроводная

сеть (б) и эпюра потенциала земли ϕ

по оси 0х при у = 0, z = 0 с анодом в

узлах 1...9.

Задача 1. Пусть в процессе строительства была разрушена верхняя

часть сваи на участке 0...0,5 м, где в узлах 1,10,19 и 28 стационарный по-

тенциал арматуры стал отрицательнее относительно потенциала осталь-

ной части сетки. В зависимости от количества трещин и площади оголе-

ния металла его анодное удельное поляризационное сопротивление мо-

жет изменяться в диапазоне 0,1< Р

< 2 Ом

, где нижний предел - для

полностью открытой поверхности, верхний - для поверхности под слоем

в тонких трещинах. Можно предполагать, что по мере раскрытия трещин

величина стационарного потенциала будет меняться от ϕ

ст

= −0,2 В (ка-

тодное состояние под слоем бетона) до ϕ

ст

= −0,6 В (анодное состояние

открытой поверхности).

Результаты расчета по вариантам набора данных приведены в

табл.12.1. При этом под v

max

понимается скорость локальной коррозии на

дне трещины в отличии от средней скорости коррозии, определенной для

единицы площади поверхности арматуры.