удельное сопротивление грунта, анализатор коррозионной активности грунта
2019-02-25
автор Администратор Главный
Коррозионной активностью грунта называют его физико-химические особенности, которые могут негативно повлиять на состояние размещённых в нём металлических сооружений.
Коррозионная активность грунта не является постоянной величиной. На значение этого показателя может влиять множество факторов, среди которых температура грунта и металлической поверхности конструкции, структура, влажность и воздухопроницаемость почвы и т.п. Причём при увеличении влажности грунта до 11-13% вследствие подъема грунтовых вод или осадков, коррозионная активность будет увеличиваться, а при увеличении свыше 20-25% – начнёт снижаться. Наиболее опасной для металлов является переменная влажность, при которой влага и кислород могут воздействовать на поверхность конструкции одновременно.
Одним из важнейших показателей коррозионной активности грунта является его удельное сопротивление.
Фактически, удельное сопротивление грунта представляет собой величину, характеризующую уровень электропроводимости почвы, которую необходимо учитывать при установке заземления. Чем меньше будет уровень удельного сопротивления грунта, тем благоприятнее будут данные условия для установки крупногабаритных заземлителей, но тем выше будет уровень коррозионной опасности для металлических поверхностей. Этот параметр особенно важен при установке заземления, потому что для корректного монтажа последнего необходимо получить точное значение удельного сопротивления грунта.
Для измерения показателя удельного сопротивления грунта применяют два основных метода: метод контрольного электрода и метод четырёх электродов.
Первый метод подразумевает погружение в грунт электрода, аналогичного по своему размеру будущему заземлителю. После этого в грунт погружаются два вспомогательных электрода, и замеряют уровень сопротивления растеканию тока от контрольного. Как правило, этот метод используется при проектировании одиночных заземлителей.
При измерении методом четырёх электродов, как видно из названия, в грунт размещают четыре электрода на расстоянии 2-4 метров. При этом глубина размещения электродов в грунт может составлять 1/20 от расстояния между самими электродами. При этом полученное значение удельного сопротивления грунта будет справедливо для глубины, равной расстоянию между электродами.
В наши дни для измерения удельного сопротивления применяются анализаторы активности грунта. Как правило, это переносные приборы, предназначенные для работы как в полевых, так и в лабораторных условиях. Помимо непосредственно индикации уровня удельного сопротивления грунта, подобные устройства могут отображать значения плотности катодного тока, мгновенные значения потенциалов электродов относительно друг друга и прочие показатели. Большинство современных анализаторов активности грунта обладает энергонезависимой памятью, и отличается низкой погрешностью при проведении измерений. При этом они являются достаточно лёгкими, компактными и отличаются большим временем автономной работы.
Сопоставление коррозионного состояния действующих нефтегазопроводов Западной Сибири с удельным электрическим сопротивлением грунта и плотностью предельного тока кислорода
Тип грунта | Удельное сопротивление грунта, Ом м | Плотность предель-ного тока по кислороду, А/м2 | Глубина шурфа, м | Максимальная глубина коррозионных язв, мм |
Глина | 68 | 0,056 0,0026 | 0,8 | 1,1 |
Глина | 75 | 0,013 0,0004 | 1,0 | 0,3 |
Торф | 72 | 0,032 0,0001 | 0,7 | 0,3 |
Торф | 69 | – | в обваловке | 1,5 |
Торф | 81 | – | в обваловке | 3,6 |
Торф | 116 | – | в обваловке | 1,5 |
Торф | 108 | 0,048 0,004 | 0,90 | 0,5 |
Песок | 110 | 0,037 0,009 | 0,82 | 0,4 |
Песок | 160 | 0,116 0,019 | 0,50 | 2,0 |
Песок | 0,10 0,012 | 0,69 | 2,0 | |
Торф с песком | 73 | 0,050 0,003 | 0,69 | 1,2 |
Торф с песком | 66 | 0,028 0,002 | 1,0 | 0,3 |
Песок с глиной | 103 | 0,040 0,0014 | 0,72 | 1,0 |
Значения удельного
сопротивления грунтов является
необходимым параметром для расчета
катодной и протекторной защит.
На трассе
проектируемых трубопроводов удельное
электрическое сопротивление грунта
измеряют через каждые 100-500 м. За величину
удельного электрического сопротивления
принимается электрическое сопротивление
грунта, заключенного в объеме с поперечным
сечением 1 м2 и длиной 1 м. При этом удельное электрическое
сопротивление грунта имеет размерность
Ом
м.
Удельное электрическое
сопротивление грунтов измеряют, как
правило, с помощью четырехэлектродной
установки (метод Шлюмбердже). Применяются
также одно-, двух- и трехэлектродные
установки. Так как грунты в естественном
состоянии представляют собой
капиллярно-пористую, часто коллоидную
систему, поры которой заполнены поровым
воздухом, а мелкие капилляры – почвенным
электролитом. В то время как магистральные
трубопроводы практически всегда
прокладываются в зоне капиллярной каймы
водоносного горизонта, то удельное
электрическое сопротивление грунтов
по глубине от дневной поверхности до
трубопровода непрерывно изменяется.
Рис. 4.3. Схема измерения удельного электрического
сопротивления грунта
Между крайними
электродами А и В включают источник питания Б постоянного
тока и амперметр для измерения силы
тока (А).
В качестве источника тока применяют
аккумуляторные батареи или сухие
элементы напряжением 50 В. Возникающее
между электродами А и В электрическое поле распространяется
в толщу грунта на глубину, зависящую от
расстояния между электродами, возникает
электрическое поле, простирающееся в
грунт на глубину, которая зависит от
расстояния между электродами r.
Это электрическое поле анализируют с
помощью измерительных электродов
,
(4.
1)
где – коэффициент, зависящий от расстояния между электродами. Рекомендуемое расстояние между питающими электродами А и В выбирают в пределах 5 … 10 м или 2h АВ 4h, где h – глубина укладки подземного трубопровода до нижней образующей.
Для доказательства правомерности формулы (4.1.1) рассмотрим полуограниченное пространство с электропроводящей средой (рис. 4.1.2).
Рис. 4.4. Расчетная схема для точечного источника тока
Электрод, забитый
в грунт, имеет вокруг поверхности,
контактирующей с грунтом, полуограниченное
пространство толщи грунта с ионной
проводимостью. Для точечного источника
электрического тока, находящегося на
границе полуограниченного пространства,
эквипотенциальными поверхностями
являются полусферы. Причем с увеличением
радиуса полусфер (по мере увеличения
глубины) потенциал этих поверхностей
уменьшается, так как снижается плотность
тока, проходящего через эти поверхности.
, (4.2)
где – сила тока источника в точке О; – сопротивление элементарного полусферического слоя толщиной dr и радиусом r, равное .
Знак “минус” учитывает уменьшение потенциала в толще грунта, в направлении от источника тока.
После подстановки значения уравнение (4.1.1) перепишем в виде:
(4.3)
После интегрирования последнего выражения при условии, что потенциал стремится к нулю при бесконечном удалении от источника тока , получим:
(4.
4)Если в полупространстве одновременно действуют источник тока (электрод А) и сток тока (электрод В), то потенциал в какой-либо точке (М или N), находящейся в электрическом поле источника стока, будет определяться совместным воздействием электрического поля источника (электрод А) и стока (электрод В):
; (4.5)
Учитывая, что потенциал от стока (электрод А) определяется выражением (4.1.3), но со знаком минус, можем записать значения потенциалов в точках М и N:
(4.6)
Здесь: – расстояние между электродами АМ; = MB; – AN; = ВN.
На основе полученных выражений (4.1.5) определим разность потенциалов между электродами М и N:
(4.7)
При симметричном расположении электродов MN относительно электродов А и В:
;
; (4.8)
.
С учетом полученных выражений (4.1.7), потенциал между электродами M и N будет равен:
, (4.9)
Выражение (4.1.8) дает возможность определить значение удельного электрического сопротивления грунта:
,
(4.
10)
Для подземного стального трубопровода, заложенного в грунт на глубину 2,2 м (до нижней образующей), расстояние между электродами А и В на практике обычно принимают равным 10 м, а между электродами M и N – 2 м.
Для рассматриваемого случая удельное электрическое сопротивление грунта будет определяться выражением:
, (4.11)
Относительная погрешность определения удельного электрического сопротивления грунта по методу Шлюмбердже обычно на практике не превышаем 10%.
Измеренное значение
удельного электрического сопротивления
грунта в большой степени зависит от
плотности контакта электродов с грунтом.
В сухих щебенистых крупнообломочных
грунтах контакт, как правило, плохой и
погрешность измерений большая. Электроды
лучше всего забивать в грунт на заданную
глубину, которая принимается равной
около 1/20 значения а.
Чтобы исключить влияние блуждающих постоянных и переменных токов на результаты измерения четырехэлектродным методом, применяют измеритель заземлений типа М-416 (см. рис. 4.1.3).
Рис. 4.5. Общий вид прибора М-416
Прибор М-416 представляет собой генератор постоянного тока и лагометр с двумя рамками, рассчитанный на три диапазона измерений (0-1000, 0-100 и 0-10 Ом). Постоянный ток, вырабатываемый при вращении ручки генератора, с помощью коммутаторов преобразуется в переменный, поступающий во внешнюю измерительную цепь. Затем ток снова выпрямляется и поступает в цепь лагометра. Прохождение в измерительной цепи переменного тока исключает влияние поляризации электродов на значение измеряемого сопротивления. Электроды располагают на равном расстоянии друг от друга, равном а. Схема измерения с помощью прибора М-416 приведена на рис. 4.1.4.
Pис.
4.6. Схема
намерения удельного электрического
сопротивления грунта с помощью прибора
М-416
Внутренние электроды M и N подключают к потенциальным зажимам Е1 и Е2, а наружные электроды А и В – к токовым зажимам I1 и I2. Измерения производят в соответствии с заводской инструкцией пользования прибором М-416. Значение удельного сопротивления грунта рассчитывают по формуле:
, (4.12)
где – показание М-416; а – расстояние между электродами.
инженеров-испытателей – инженерно-строительные и консультационные услуги более 50 лет!
Коррозионно-активные почвы
Причины, последствия и смягчение последствий
Хоссейн Арбаби
ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ ИНЖЕНЕРЫ, ИНК.
Почвы, как и любая окружающая среда, могут вызывать коррозию. Если бы мы использовали почву только для посадки цветов и деревьев, нам, вероятно, было бы все равно, но в ее нынешнем виде грязь под нашими ногами поддерживает всевозможные искусственные сооружения, и большая часть нашей коммунальной инфраструктуры похоронена в ней. В то время как воздействие коррозионного грунта может привести к разрушению конструкции и финансовому бремени, смягчающие меры, принимаемые во внимание при проектировании и строительстве, а также понимание коррозионного потенциала конкретного грунта могут свести к минимуму эти проблемы.
Начало строительного проекта может включать в себя земляные работы, засыпку, добавление модификаторов грунта, обезвоживание — любое количество процессов, предназначенных для подготовки площадки к работе. Но какие факторы способствуют коррозионному потенциалу почвы? Основными контрольными показателями являются аэрация, содержание влаги (и/или время увлажнения), температура, pH и удельное сопротивление.
Ниже приводится более подробное описание того, каким образом каждый из вышеперечисленных факторов влияет на коррозионную активность почвы.
Аэрация Определяется как количество воздуха, попавшего в почву. Аэрация является важным фактором коррозии, поскольку она влияет на удержание воды и скорость испарения. Хорошо аэрированная почва более благоприятна с точки зрения (низкой) коррозионной активности, поскольку это обычно приводит к более низкому удержанию воды и более высокой скорости испарения. Размер и градация частиц в почве играют важную роль в определении степени аэрации. Песчаные почвы, как правило, желательны, так как относительно крупные частицы обеспечивают лучшую аэрацию и способствуют более высокой скорости испарения после того, как в почву была введена вода. Быстрый способ классифицировать почвы с точки зрения их аэрации — изучить их цвет. Красноватые, коричневые или желтые почвы указывают на хорошую аэрацию, а серые почвы — на плохую аэрацию.
pH (кислотность) – Почвы могут иметь широкий диапазон кислотности, достигающий от 2,5 до 10.
Поскольку уровень pH 5 или ниже может привести к экстремальной скорости коррозии и преждевременному точечной коррозии металлических предметов, нейтральный pH около 7 наиболее желательно свести к минимуму эту возможность повреждения. На собственный уровень pH почвы также могут влиять осадки.
Содержание влаги и удельное сопротивление Содержание влаги является более важным фактором коррозионной активности почвы, чем любая другая переменная. Поскольку вода является одним из трех компонентов, необходимых для электрохимической коррозии (двумя другими являются кислород и металл), коррозия не возникает, если почва полностью сухая. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что повышенное содержание влаги снижает удельное сопротивление грунтов, что, в свою очередь, увеличивает их коррозионный потенциал. Обратите внимание, что при достижении точки насыщения почвы дополнительная влага практически не влияет на удельное сопротивление.
Зависимость между удельным сопротивлением грунта, определенным классом грунта и коррозионной стойкостью оцинкованной стали представлена в следующей таблице.
Класс почвы | Коррозионная стойкость в | Удельное электрическое сопротивление, Вт -см |
Сэнди | Отлично | 6000 10000 |
Суглинки | Хорошо | 4 500 6 000 |
Глина | Ярмарка | 2000 4500 |
Торф/навоз | Плохой | 0 2000 |
Наоборот, взаимосвязь между удельным сопротивлением грунта и коррозионным потенциалом в стали без покрытия показана в таблице ниже.
Класс сопротивления стали без покрытия | Удельное сопротивление грунта, Ш -см | Потенциал коррозии |
Низкий | 0 – 2000 | Тяжелая |
Средний | 2000 – 10000 | Умеренная |
Высокий | 10000 – 30000 | Легкая |
Очень высокая | >30000 | Нет |
Температура Температура влияет на удельное сопротивление грунта и, как следствие, на коррозионный потенциал.
По мере приближения температуры почвы к 0°С удельное сопротивление в почве (при заданной влажности) постепенно увеличивается. Однако по мере того, как температура продолжает снижаться, возникает быстрое увеличение удельного сопротивления с соответствующим снижением коррозионного потенциала в почве.
Другими факторами, влияющими на коррозионную активность почвы, являются уровни сульфатов и солей. Обычно почвы считаются слабокоррозионными, если уровни сульфатов и хлоридов ниже 200 частей на миллион и 100 частей на миллион соответственно для почв с уровнями pH от 5 до 10 и удельным сопротивлением более 3000 Ом·см.
ПРИМЕР
Введение
Все мы видели в новостях сюжеты о прорыве водопровода, они всегда случаются на каком-нибудь крупном перекрестке прямо в час пик! Трафик завязан. Бизнес потерян, миллионы галлонов воды потрачены впустую, и тысячи и тысячи долларов потрачены на устранение повреждений.
Наши подземные коммуникации постоянно подвергаются воздействию коррозии, а в некоторых случаях отказы связаны с коррозией и внешними воздействиями. В следующем тематическом исследовании описывается исследование отказа заглубленной чугунной трубы, которая треснула из-за такой комбинации.
Обнаружена протечка из подземной чугунной трубы диаметром 8 мм, проложенной 15 лет назад. Чтобы исправить ситуацию, было снято и заменено 40 футов трубы. Сообщается, что типичное рабочее давление трубопровода составляет 125 фунтов на квадратный дюйм. Три фрагмента трубы были переданы в нашу лабораторию для оценки. Также был представлен образец грунта с участка, прилегающего к трубе.
Наблюдения
Фрагменты трубы были визуально осмотрены и сфотографированы в нашей лаборатории. Ниже представлены общие виды интерьера и экстерьера типичного разреза, фото 1 и 2 соответственно. Темные пятна на внешней стороне трубы представляют собой характерную для чугуна форму коррозии, известную как графитизация.
Это будет обсуждаться более подробно в следующем разделе. Химический состав и микроструктура материала труб были проанализированы и признаны соответствующими чугуну с типичным уровнем пористости.
Фото 1 Фото 2
На Фото 4 представлен грубо отполированный поперечный разрез с однотипной коррозией по всей стенке трубы (темная область обозначена стрелкой). 5.
Фото 6 представляет собой типичный спектр EDX, представляющий все найденные элементы.
Растворенные в почве компоненты также могут способствовать скорости коррозии. В этом случае измеренное низкое удельное сопротивление и низкий pH соответствуют коррозионной почве. Как только начнется утечка, содержание влаги в почве повысится, что значительно повысит коррозионный потенциал окружающей среды. Кроме того, сера, присутствующая на внешних поверхностях секции трубы, является убедительным признаком того, что коррозия также подвержена микробиологическому влиянию. Сера или соединения серы в почве могут способствовать росту сульфатредуцирующих или сероокисляющих бактерий, которые, в свою очередь, могут создавать химические условия, вызывающие графитизацию.
Чугуны по своей природе хрупкие и более чувствительны к излому, чем кованые материалы. Из-за значительной коррозии и потери материала на внешней стороне трубы трещина, скорее всего, возникла в области уменьшенного поперечного сечения и могла быть вызвана внутренними силами (давление воды) или какой-либо внешней силой, включая, но не ограничиваясь близлежащими строительными работами, расширением и сужением грунта, эрозией и/или осадкой грунта, окружающего трубу.
С помощью этого метода можно эффективно защитить как замененные участки трубы, так и существующие трубы.