Измерение сопротивления растеканию заземлений

По методу Ампера-Вольтметра

 

Сущность метода амперметра-вольтметра заключается в измерении падения напряжения между измеряемым заземлением и вспомогательным заземлителем, а также в измерении силы тока, проходящего через измеряемое заземление.

Тема измерения заземления изображена на рис. 6.25. Измерительная схема получает питание через разделительный трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 110 - 127 В и мощностью, отдаваемой в измерительную цепь 100 - 500 Вт.

 

Рис. 6.25. Схема измерения сопротивления заземлений

по методу амперметра-вольтметра

При выполнении измерений после включения источника тока отмечают по вольтметру и амперметру их показания и определяют их сопротивление заземления (в Ом) по формуле

R_x» U_x / I                                         (6.32)

где U_x - показания вольтметра, В; I – показания амперметра, А.

В качестве заземлителей R ₁ и R ₂ могут использоваться стальные штыри длиной 1 м. Расстояния между заземлителями указанны на рис. 6.25.

 

Приложение I

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ

 

Студенты-заочники выполняют 1 контрольное задание. Студент выполняет тот вариант контрольного задания, номер которого соответствует последним двум цифрам его зачетной книжки. Если номер шифра оканчивается нулем, выполняется десятый вариант контрольного задания. Каждая контрольная работа состоит из 2 задач.

Контрольные задания необходимо оформить в письменном виде в отдельной ученической тетради. Оформление должно содержать условие задачи, решение и выводы. Решение задач должно вестись в международной системе СИ. Расчеты рекомендуется производить с точностью до одного знака после запятой. Материалы, требующие графического оформления, выполняются в виде схем или эскизов, сделанных от руки.

Страницы и рисунки контрольной работы следует пронумеровать, при этом на все рисунки в тексте должны быть ссылки. В конце контрольных заданий дан список литературы, необходимой для решения задач.

 

Задачи к контрольным работам

Задача 1

Определить мощность и число СКЗ магистрального трубопровода диаметром Д, мм, с толщиной стенки d, мм, протяженностью км. Трубопровод проложен на местности с удельным электросопротивлением r _гр, Ом×м. Анодное заземление проектируется выполнить из вертикальных упакованных электродов, дренажную линию - воздушной с подвеской из алюминиевого провода или уложенного в траншею (см. вариант).

Начальное переходное сопротивление «трубопровод-грунт» R _пн, Ом×м². Средняя стоимость электроэнергии С_э, руб/кВт×час.

Таблица 1

Вариант	Д, мм	d, мм	Zобщ, км	rгр, Ом×м	Марка электрода	Тип дренажной линии	Rпн, Ом×м2	Сэ, руб/кВт× час
1	720	10	800	10	АК-1	воздушн.	104	0,007
2	820	10	900	20	АК-3	…	9000	0,01
3	1020	10	1000	30	АК-1	…	8000	0,02
4	1220	11	1200	40	АК-3	…	7000	0,03
5	720	9	1300	10	ЗЖК-12КА	…	6000	0,04
6	820	11	1400	5	…	…	5000	0,01
7	1020	11	1500	10	АКЦ	АСБ-1 в траншее	104	0,02
8	1220	12	1600	15	АК-1	…	9000	0,03
9	720	8	1700	20	АК-3	…	8000	0,04
10	820	9	1800	25	АК-1	…	7000	0,007
11	1020	9	2000	30	АК-3	…	6000	0,01
12	530	6	1000	5	ЗЖК-12КА	…	5000	0,02
13	820	9	900	6	…	воздушн.	104	0,03
14	1220	13	800	7	АКЦ	…	9000	0,04
15	530	5	1220	8	АК-1	…	8000	0,007
16	720	7	1100	9	АК-3	…	7000	0,01
17	820	7	1300	10	ЗЖК-12КА	…	6000	0,02
18	530	7	1400	15	АК-1	АСБ-1 в траншее	5000	0,03
19	1020	12	1500	20	АК-3	…	104	0,04
20	1020	15	1600	25	ЗЖК-12КА	…	4000	0,02

 

Задача 2 (с 1 по 10 вариант)

Требуется определить протяженность защитной зоны протекторной установки и срок службы протекторов, подключенных к магистральному трубопроводу диаметром Д, мм, уложенному в грунт с удельным сопротивлением r _гр, Ом×м. Трубопровод имеет изоляционное покрытие с переходным сопротивлением R _пн, Ом×м².

Протекторы установлены на глубине h = 2 м, на расстоянии a = 5 м друг от друга в группе.

 

Таблица 2

Вари- ант	Д, мм	r гр, Ом×м	R пн, Ом×м2	N, штук число протекторов	В, м, расстояние от протектора до трубы	Марка протектора
1	530	50	5×103	3	10	ПМ-5У
2	630	40	6×103	4	9	ПМ-5У
3	720	30	7×103	3	8	ПМ-10У
4	820	20	8×103	4	7	ПМ-10У
5	920	10	9×103	5	6	ПМ-20У
6	1020	15	10×103	4	7	ПМ-20У
7	1220	20	9×103	5	8	ПМ-10У
8	1420	30	8×103	6	9	ПМ-20У
9	530	40	7×103	5	10	ПМ-5У
10	630	50	5×103	3	6	ПМ-10У

 

Задача 3 (с 11 по 20 вариант)

Требуется определить срок службы и число протекторов типа ПМ для защиты днища резервуара РВС, установленного на площадке с увлажненным песком r _гр, Ом×м. Расстояние от резервуара до протектора в м.

Таблица 3

Вариант	Тип протектора	r гр, Ом×м	Тип резервуара, м3	В, м, расстояние от резервуара до протектора
11	ПМ-5У	30	РВС-100	5
12	ПМ-5У	30	РВС-200	6
13	ПМ-5У	25	РВС-300	7
14	ПМ-10У	20	РВС-400	8
15	ПМ-10У	15	РВС-700	9
16	ПМ-10У	10	РВС-1000	10
17	ПМ-20У	5	РВС-2000	9
18	ПМ-20У	5	РВС-1000	8
19	ПМ-5У	10	РВС-700	7
20	ПМ-10У	15	РВС-2000	6

Приложение II

Лабораторная работа № 1

Тема

Измерение разности потенциалов между трубопроводом и землей.

Цель

Получить навыки измерения разности потенциалов между трубопроводом и землей для выявления участков трубопроводов, находящихся в зонах коррозийной опасности.

Теория

Трубопроводы, уложенные в грунт, защищены от воздействия агрессивной окружающей среды изоляционным покрытием. С течением времени изоляция стареет и разрушается, вследствие чего поверхность трубы в местах поврежденной изоляции начинает контактировать с почвенным электролитом. Поверхность трубопровода, как и любого другого металла, состоит из короткозамкнутых гальванических микроэлементов, которые при контакте металла с электролитом начинают действовать, что приводит к разрушению металла и образованию двойного электрического слоя вследствие перехода ионов металла в электролит или из электролита в металл.

Такой переход возможен до тех пор, пока не установится равновесие, которому соответствует определенный электрохимический потенциал. Электрохимический потенциал трубопровода измеряют с помощью электрода сравнения.

При помощи измерительного прибора невозможно определить потенциал одного электрода или металлического сооружения. Значение стационарного потенциала трубопровода представляет собой разность между его электрохимическим потенциалом и потенциалом электрода сравнения по отношению к грунту.

Для измерения потенциалов подземных сооружений относительно земли используются различные электроды сравнения (стальные, медно-сульфатные). Наибольшее распространение получили медно-сульфатные неполяризующиеся электроды сравнения различных конструкций. Устройство этих электродов представлено на рис. 8.1, 8.2, 8.3.

Медно-сульфатный электрод сравнения (МЭС) сохраняет свой потенциал при контакте с любым электролитом. Его постоянный скачок потенциала + 0,316 В (по отношению к стандартному нормальному водородному электроду) сравнивается со скачком потенциала на границе защищаемого стального сооружения и окружающей почвы при помощи приборных измерений. Замеры потенциалов по трассе магистрального трубопровода производятся в контрольно-измерительных колонках, расположенных вдоль трубопровода. МЭС применяют в тех случаях, когда амплитуда колебаний разности потенциалов не превышает 1 В.

Стационарный потенциал «труба-грунт» зависит от состояния поверхности трубопровода и физико-химических свойств грунтов, обычно находится в пределах – 0,23... 0,72 В по медно-сульфатному электроду сравнения (МЭС), в расчетах принимается равным – 0,55 В.

В плотных, влажных, плохо аэрируемых глинистых грунтах стационарный потенциал более отрицателен, чем в песчаных почвах. В практике коррозионных обследований магистральных трубопроводов стационарный потенциал принято называть естественным потенциалом U _ест, подразумевая при этом отсутствие на трубопроводе блуждающих и других наведенных токов.

Критерием защищенности металлического сооружения от коррозии является потенциал U _защ «труба-грунт», который устанавливается после включения станции катодной защиты. Практически считается, что подземные стальные сооружения защищены на 80 - 90% от коррозии при достижении разности потенциалов значения – 0,85 В.

Приборы и схема измерения потенциала «труба-грунт» на модели трубопровода (см. «Установка» - рис 8.4).

 

Рис. 8.1. Неполяризующийся медно-сульфатный электрод сравнения ЭН-1:

1 – контакт; 2 – резиновая прокладка; 3 – пластмассовая крышка;

4 – пористая керамическая чашка; 5 – медный стержень

 

 

Рис. 8.2. Медно-сульфатный электрод сравнения НМ-СЭ-58:

1 – медный электрод; 2 – корпус; 3 – кольцо; 4 – колпачок; 5 – диафрагма;

6 – резиновое кольцо; 7 – подвеска; 8 – пробка

 

Рис. 8.3. Стационарный медно-сульфатный электрод сравнения с датчиком

электрохимического потенциала

Установка

Рис. 8.4.

1 - модель трубопровода; 2 - милливольтамперметр М-231;

3 – медно-сульфатный неполяризующийся электрод сравнения ЭН-1;

4 - соединительные провода

 

Порядок проведения работы

Схема собирается согласно рис. 8.4. Перемещая магнит по поверхности трубы, проводят замеры стационарного потенциала «труба-грунт» в различных точках трубопровода по милливольтамперметру. Интервал между отсчетами принимают 5 - 10 сек. Определяют среднее значение потенциала. В работе следует проследить, как изменяется естественный потенциал в грунтах с различной влажностью и плотностью.

 

Контрольные вопросы

1. Образование двойного электрического слоя.

2. Понятие электродного потенциала металла, нормального потенциала металла.

3. Образование потенциала «труба-земля».

4. Значение потенциалов, критерий защищенности сооружения от коррозии.

5. Электроды сравнения (норм. водородный, МЭС, стальной).

 

Требование к отчету

Отчет по выполненной работе должен содержать:

1. Название лабораторной работы и ее цель.

2. Схема лабораторной установки, ее описание.

3. Таблицу измеренных и рассчитанных параметров.

4. Анализ полученных результатов.

 

 

Лабораторная работа № 2

Тема

Протекторная защита магистральных трубопроводов

Цель

1. Изучение процесса замены трубопровода гальваническим анодом.

2. Ознакомление с одним из экспериментальных методов определения потенциалов «труба-грунт».

3. Получение навыков в проведении эксперимента.

4. Изучить последовательность проведения работы, измерений при контроле установки протекторной защиты.

5. Определить разность потенциалов «труба-грунт».

Теория

Протекторная защита (защита гальваническими средствами) является одной из разновидностей катодной защиты. Ее существенной особенностью является отсутствие в защитной системе специального источника постоянного тока. Необходимый для осуществления защиты ток получается путем создания гальванического элемента, в котором роль катода выполняет металл защищаемого сооружения, а роль анода - более электроотрицательный металл, чем защищаемый. Принципиальная схема протекторной защиты приведена на рис. 8.5.

 

Рис. 8.5. Схема протекторной защиты магистральных трубопроводов:

1 – защищаемый трубопровод; 2 – протектор;

3 – соединительный изолированный кабель; 4 – слой активатора

 

При протекторной защите магистральных трубопроводов энергоотдача в гальваническом элементе (труба-протектор) сравнительно невелика, благодаря чему гальванические аноды приходится часто располагать вдоль защищаемого трубопровода.

Как следует из принципа протекторной защиты, в качестве материалов для анодов, образующих с защищаемым металлом гальванический элемент, могут быть взяты металлы более электроотрицательные, чем защищаемые.

Наиболее широкое применение в протекторной защите магистральных трубопроводов получили металлы: цинк, магний, алюминий и их сплавы.

Характеристика этих металлов приведена в табл. 8.1. Наиболее широкое распространение получили протекторы типа МГА - 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8.

Эксплуатация гальванических анодов показала, что на их поверхности во многих случаях образуются защитные пленки, снижающие их электродный потенциал, благодаря чему резко снижается их защитное действие. Для устранения этого недостатка гальванические аноды окружают слоем активатора, представляющего собой сплав сернокислых солей магния, натрия, кальция и глины.

Таблица 8.1

Основные физико-химические свойства магния, цинка,

алюминия и железа

Показатели	Магний	Цинк	Алюминий	Железо
1. Атомный вес	24,32	65,38	26,97	95, 83
2. Валентность	2	2	3	2 и 3
3. Плотность, г/см3	1,74	7,10	2,70	7,97
4. Температура плавления, 0C	650	420	659	1599
5. Электрохимический эквивалент а, час/кг	2200	820	2980	960
6. Нормальный потенциал металла С (по водородному электроду), b	- 2,34	- 0,76	- 1,767	- 0,44

Установка

Необходимые приборы к работе:

1. Модель трубопровода, оборудованного протекторной защитой (см. рис. 2.2).

2. Милливольтметр М-231 (или прибор УКИП-56).

3. Медно-сульфатный неполяризующийся электрод.

 

Рис. 8.6. Модель протекторной защиты магистрального трубопровода:

1 - защищаемый трубопровод, протектор;

2 - медно-сульфатный неполяризующийся электрод;

3 - милливольтамперметр М-231 (УКИП-56);

4 - ящик из плексигласа; 5 - электролит

 

Порядок проведения работы

Работа проводится в несколько этапов.

1. Проведение работы

1. Определяется естественный потенциал «труба-грунт» на расстоянии X от протектора (таких точек - 5). На данном этапе протекторы должны быть вынуты из плексигласового ящика.

2. В плексигласовый ящик опускается только один левый протектор, после чего производится замер потенциала «труба-земля» в тех же точках, что и в первом случае.

3. Левый протектор из плексигласового ящика вынимается, а правый протектор спускается и вновь в тех же точках производится замер потенциала «труба-грунт».

4. Опускаются оба протектора, и снова производится замер потенциала «труба-грунт».

2. Оформление работы

Результаты замеров записываются в таблицу 8.2.

Таблица 8.2

№	Результаты измерений
	прямой ход	обратный ход
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.

 

где  – потенциал «труба-грунт» при вынутых протекторах;  – потенциал «труба-грунт» при опущенном левом протекторе;  – потенциал «труба-грунт» при опущенном правом протекторе;  – потенциал «труба-грунт» при обоих опущенных протекторах.

По результатам таблицы 8.2 строятся графики, вид которых изображен на рис. 8.7.

При построении графиков учитываются средние значения потенциалов «труба-грунт». Затем определяется взаимное влияние двух протекторов на защитное действие магистрального трубопровода.

Рис. 8.7. График потенциала «труба-грунт»

 

Для этого на графике (рис 8.7) определяется значение потенциала «труба-грунт» на пересечении двух кривых  и . Допустим значение этого потенциала будет равно . Затем определяется значение потенциала в процентах от действия 2-х протекторов . Взаимное влияние в процентах определяется по формуле (в %)

Аналогичные вычисления производятся для точек X₂, X₃, X₄, X₅.

 

Контрольные вопросы

1. Физико-химическая сущность протекторной защиты.

2. Область использования протекторных установок.

3. Материалы протекторов.

4. Расчетные зависимости, определяющие зону действия протекторной установки.

5. Устройство опытной установки.

6. Обработка опытных данных.

Требование к отчету

Отчет по выполненной работе должен содержать:

1. Задание.

2. Краткое описание работы.

3. Принципиальную схему установки.

4. Журналы наблюдений.

5. Результаты обработки измерений.

6. Графики измерения зависимостей разностей потенциалов «труба-грунт» по длине защищаемого участка.

7. Сравнение полученных результатов с данными полевых измерений (приведены в табл. 8.3).

Таблица 8.3

8,00	3,50	3,50	4,80
7,88	2,70	4,20	5,40
7,88	2,00	5,90	7,60
7,60	1,30	9,00	8,00
7,80	4,20	2,70	5,65
8,00	5,80	2,00	7,55
7,80	9,00	1,35	7,95

 

Лабораторная работа № 3

Тема

Изучение плотности анодного тока при неоднородной аэрации

Цель

1. Изучить механизм и физико-химические процессы неоднородной аэрации.

2. Составить прогноз возможности коррозионных процессов при неоднородной аэрации.

Теория

При неоднородной диффузии кислорода воздуха к различным частям трубопровода или другого подземного металлического трубопровода возникает коррозионная гальваническая микропара неоднородной аэрации. При этом участок с большим поступлением кислорода воздуха становится катодом по отношению к участку с меньшим поступлением кислорода, который становится анодом. Возникновение катодного и анодного участка обусловлено тем, что кислород воздуха является активным катодом - деполяризатором, который поглощает электроны, выделяющиеся на аноде. Вследствие этого на участке, куда поступает больше кислорода, ощущается недостаток электронов по сравнению с соседним участком, куда кислород поступает в меньших количествах. Первый участок при этом становится катодом, а второй - анодом.

 

Установка

Рис. 8.8.

 

Модель коррозионной пары представляет собой две металлические пластинки, лежащие в сосуде с увлажненным песком. Нижняя часть центральной пластинки обмазана глиной. Обе пластинки соединены проводом через микроамперметр.

Порядок проведения работы

1. Измерение величины коррозионного тока в цепи.

2. Измеряется площадь центрального диска – анода.

3. Определяется плотность анодного тока.

 

Контрольные вопросы

1. Почвенная коррозия.

2. Поляризация электродов.

3. Реакции, протекающие на аноде и катоде.

 

Требование к отчету

Отчет по выполненной работе должен содержать:

1. Задание.

2. Краткое описание работы.

3. Принципиальную схему установки.

4. Журналы наблюдений.

5. Обработку результатов опыта.

 

Лабораторная работа № 4

Тема

Определение удельного сопротивления грунтов.

Цель

1. Получить навыки измерения удельного электросопротивления грунтов различными методами.

2. Оценить коррозийную активность грунтов.

Теория

Под удельным электросопротивлением почвы (r _r) принято понимать сопротивление растеканию электрического тока в условном почвенном проводнике площадью поперечного сечения 1 м² и длиной 1 м.

Единица измерения удельного электросопротивления – Ом·м.

Удельное электросопротивление почвы находится в зависимости от ее влажности и повышений солесодержания.

По удельному электросопротивлению грунта можно оценить его коррозионную активность, получив таким образом сведения для расчета эффективной электрозащиты подземных сооружений, выбора конструкции и расчета анодного заземления при катодной защите.

Коррозионная активность грунтов в зависимости от их удельного сопротивления по отношению к углеродистой стали приведена в табл. 8.4.

Таблица 8.4

Коррозийная активность грунтов

Коррозийная активность	Ом·м
низкая	свыше 100
средняя	свыше 20 до 100
повышенная	свыше 10 до 20
высокая	свыше 5 до 10
весьма высокая	до 5

Установка

1. Метод измерения четырехэлектродной установкой

Удельное электросопротивление грунта измеряют при помощи четырехэлектродной установки по схеме (рис 8.9).

Измерительные электроды размещаются в одну линию, которая для проектируемого сооружения должна совпадать с осью трассы, а для уложенного в землю сооружения - проходить параллельно последнему. На одной линии забивают в грунт 4 электрода. Между крайними электродами А и В включают источник постоянного тока (в данной работе через выпрямитель электроды подключены к электросети).

Возникающее между электродами А и В электрическое поле распространяется в земле на глубину, зависящую от расстояния между электродами. Рекомендуемое расстояние между питающими электродами А и В находится в следующих пределах 2 h £ AB £ 4 h, где h - глубина прокладки подземного сооружения.

 

Рис. 8.9

 

2. Измерение удельного электросопротивления грунта измерителем заземления МС-08

Схема измерения представлена на рис. 8.10.

При измерении удельного электросопротивления грунта по трассе трубопровода прибором МС-08 расстояние между электродами принимается одинаковым и равным двойной глубине закопки сооружения.

 

Рис. 8.10

Порядок проведения работы

Измерение удельного электросопротивления грунта необходимо провести методом измерения четырехэлектродной установкой и измерителем заземления МС-08.

 

1. Метод измерения четырехэлектродной установкой

При помощи 2-х других электродов M и N определяют разность потенциалов в созданном электрическом поле по показанию вольтметра. Зная разность потенциалов Δ U (B) и силу тока I (A), можно найти величину кажущегося удельного электрического сопротивления грунта (Ом·м) по формуле

,                                          (8.1)

где K – коэффициент, зависящий от расстояния между электродами, м.

При одинаковых расстояниях между электродами
(AM = MN = NB = a) К = 2πа.

Удельное электросопротивление r _r определяют по формуле

,                                         (8.2)

где R – показания прибора, Ом; a – расстояние между двумя соседними электродами, м.

Глубина забивки h _э электродов в грунт должна быть более 1/20 а.

 

Контрольные вопросы

1. С какой целью определяют удельное электросопротивление грунта?

2. Как влияет влажность и концентрация солей на удельное электросопротивление почвы?

3. Как снизить сопротивление растеканию тока с анодного заземления?

4. В каких грунтах (с большим или меньшим электросопротивлением) лучше устанавливать анодные заземления?

5. Как влияет влажность грунта на скорость коррозии? Показать на коррозийной диаграмме.

 

Требование к отчету

Определив удельное электросопротивление различных грунтов различной влажности на нескольких участках трубопровода двумя способами, необходимо оценить коррозийную активность грунтов и сделать выводы. Результаты занести в табл. 8.5.

Таблица 8.5