Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов.

14.1. Классификация процессов старения Природные факторы старения Техногенные факторы старения.

Долговечность материалов электроэнергетического оборудования Долговечность – это способность материала конструктивных элементов оборудования сохранять свои функциональные свойства от момента изготовления до наступления предельного состояния. Количественно долговечность оценивается техническим ресурсом.

n Явление потери материалом своих полезных свойств под воздействием различных физических или химических процессов имеет общий термин – деградация. Различают деградацию, идущую по процессам старения и по процессам коррозии. ДЕГРАДАЦИЯ

С Т А Р Е Н И Е Старением материала называются необратимые процессы физических и химических превращений материала, происходящие под действием внешних физических и (или) биологических факторов, и вызывающие ухудшение электрических, механических или эстетических показателей материала.

Обычно, процессы старения рассматривают применительно к неметаллическим (полимерным) материалам, а процессы коррозии соответственно к металлам и сплавам. Именно поэтому «Химическое сопротивление материалов», как научная дисциплина изучающая коррозию, является разделом металлургии.

Классификация процессов старения. по механизму Химические процессы Физические процессы Деструкция Сшивание Смешанное Полимераналоговые превращения и внутримолекулярная циклизация Беспорядочная Цепная Фазовые превращения Стеклование Сорбционно-диффузионные процессы Релаксация и остаточные напряжения Изменение надмолекулярной структуры

Классификация процессов старения. По условиям эксплуатации Атмосферное Подземное Подводное Космическое Климатическое, Складское Почвенное, грунтовое Пресноводное, морское Световое, радиационное

по виду процесса старения Окислительное (оксида) Термическое (термо-) Радиационное (радио-) Световое (фото-) Кислородное, озонное Длительное, равномерное, циклическое Естественное, искусственное Видимый спектр, ультрафиолетовое излучение Классификация процессов старения.

по вкладу фактора старения Химическое Биологическое (био-) Механическое (механо-) Электрическое (электро-) Кислотное, щелочное, специфические загрязнения Грибы, бактерии, другие микро- организмы Внешние нагрузки, Внутренние нагрузки, Ультразвук, трение Прямое, наведение тока Влажностное (акво-) Набухание, Проникновение, Гидролиз

14.1. Природные факторы старения Рассмотрим некоторые факторы старения. Физические факторы. В первую очередь, это изменение температуры. Дело в том, что при изменении температуры меняются многие характеристики. Впрочем, об этом уже говорилось в той лекции, когда вводили понятия температурных коэффициентов, показывающих изменение физических свойств материалов: Ткl, Тк, Тк и т.п.

Одну из главных ролей играет температурный коэффициент расширения Ткl. Ясно, что различные материалы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Поэтому они удлиняются по-разному при нагревании, а соответственно и сокращаются по-разному при охлаждении. Поскольку любое изделие состоит из частей, изготовленных из различных материалов, то само механическое сочленение материалов при изменении температуры вызывает появление механических напряжений в обоих материалах.

Другим важным фактором старения, также связанным с изменением температуры, является переход через нулевую температуру. При замерзании воды ее объем увеличивается, поэтому, если вода попала в какую-нибудь трещину в материале, она при превращении в лед начнет расширяться, что вызовет рост этой трещины. При таянии вода заполнит свежие образованный участок трещины, а при повторном замерзании произойдет дальнейший рост трещины. Такой тип старения характерен для каменных материалов.

Из других физических воздействий отметим действие ультрафиолета и озона. Характеристиками светостойкостью и озоностойкостью должны обладать изоляторы, работающие на линиях электропередач. Актуально это только для полимерных изоляторов, т.к. фотоны света и активные молекулы озона могут приводить к деструкции полимера. На долговечность линий электропередач сильное влияние оказывают ветровые нагрузки. Это и т.н. "пляска проводов", возникающая при порывах ветра, и "парусность" опор и проводов. Возникающие при этом механические нагрузки в опорах, растяжках, проводах могут привести к их деформации и разрушению.

Химические факторы старения заключаются в действии химических агентов на элементы электроустановок. Чаще всего в качестве агентов, вызывающих старение фигурируют щелочи, кислоты и растворители. Например, резины, используемые для герметизации, набухают во многих растворителях, в том числе бензине, трансформаторном масле. При набухании они вылезают из уплотнений, что приводит к разгерметизации. Здесь же можно рассмотреть и влажностные факторы. Наиболее значительно влияние влаги на электрическую изоляцию, в особенности на жидкие диэлектрики и гидрофильные твердые диэлектрики (картон, бумага). Например, достаточно примерно 0.1% воды в трансформаторном масле, чтобы его электрическая прочность уменьшилась примерно в два раза. Соответственно, трансформатор, заполненный таким маслом, может выйти из строя при незначительных перенапряжениях, либо даже при рабочем напряжении. Влага уменьшает не только электрическую прочность, но и механическую прочность. Периодическое увлажнение и высушивание может привести к короблению изделий, расслоению, растрескиванию и т.д., что характерно для бумажной изоляции и картона.

Биологические факторы старения - это в первую очередь действие грибков и микроорганизмов. Для большинства видов электротехнических изделий в нашей стране они не актуальны. По- видимому опасны они только для деревянных элементов установок, в первую очередь для деревянных опор линий электропередач. Грибки вызывают гниение дерева, потерю механической прочности, что чревато замыканиями при падении опор. Вообще, на биологический фактор стали обращать пристальное внимание в последнее время, причем с несколько неожиданной стороны - экологической, что связано с загрязнением природы техногенными веществами. Это более актуально для жидких диэлектриков. Поскольку утечки диэлектриков из работающего оборудования всегда происходят, желательно чтобы природа сама справлялась с ними. Поэтому среди характеристик жидкостей появился такой параметр, как биоразлагаемость.

Вещество, при попадании в окружающую среду должно разлагаться, чтобы не происходило загрязнения природы. Этому условию отвечает обычное трансформаторное масло, а, например, хлордифенилы, или фторорганические вещества - не отвечают. Возвращаясь к биологическим факторам. Стойкость твердых материалов против грибков наиболее актуальна для тропических условий, поэтому при поставке энергооборудования в тропические страны, необходимо выбирать наиболее стойкие материалы.

Как унифицировать природные факторы, влияющие на работоспособность материалов и изделий? n Для этого предложили разделить весь мир на климатические зоны с более-менее одинаковыми условиями воздействия. Всего 7 климатических районов Название Обозн. (лат) Обозн. (рус) Темп. средне. Влажность Очень холодныйFFОХЛ= -60 ХолодныйFХЛ Вл< 30% УмеренныйNУ Вл<80% Тропич. влажныйТHТHТВТ > 20Вл>80% Тропич. сухойTТСТ=+45 Умеренно хол. морскойMМ Выше 30 с.ш. и ниже 30 ю.ш. Тропический морскойMTТМ Ниже 30 с.ш. и выше 30 ю.ш.

По условиям эксплуатации оборудования выделили 10 категорий пригодности Кл. зона УУ, ХЛ ТВТСТВ+ ТС Везде кроме ОХЛ (суша) МТМТМ +У Везде кроме ОХЛ Тип

14.2. Техногенные факторы старения. Из техногенных факторов старения, в первую очередь, выделим воздействие электрического напряжения. Это воздействие многообразно, целый ряд явлений происходит в материале: частичные разряды, дендриты, треки, дуга, водные тренинги, нагрев за счет диэлектрических и джоулевых потерь. Особенности старения неорганических диэлектриков - на переменном напряжении практически отсутствует старение, они склонны к старению на постоянном напряжении. При этом ионы, содержащиеся в диэлектрике, дрейфуют к соответствующим электродам и разряжаются на них. Катионы (например, ионы металлов) дрейфуют к катоду, анионы - к аноду. У катода образуется слой металла, причем в виде металлической веточки, растущей от электрода в теле диэлектрика. У анода структура кристалла начинает разрушаться за счет ухода оттуда ионов металла.

Органические диэлектрики мало стойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении они стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных тренингов. Рассмотрим это чуть подробнее. Частичные разряды появляются в порах диэлектрика при достижении на размерах пор пробивного напряжения. Воздействие высокой температуры, плазмы разряда, излучения разряда ведет к разложению материала и к появлению дендрита. Это древовидное образование в теле диэлектрика с частично обугленными краями. Частичные разряды в системе "пора + дендрит" выделяют все больше энергии, что ведет к прогрессирующему росту дендрита и к последующему пробою всего промежутка.

Водный тренинг или водный дендрит возникают в полимерных кабелях при одновременном действии переменного напряжения и высокой влажности. Возникает что-то вроде объемной сетки в теле диэлектрика, заполненной водой. Эта структура обладает высокой электропроводностью за счет ионизации различных вымываемых примесей из полимерного материала (стабилизаторы, пластификаторы, недополимеризованные фрагменты и т.п.). Рост водного дендрита, в конце концов, приводит к зарождению из области наиболее удлиненной части обычного электрического разряда.

Синергический эффект вызывает одновременное действие напряжения и загрязнения. Например загрязнение изоляторов ВЛ вблизи алюминиевых заводов алюминиевой пылью, вблизи цементных заводов - цементной пылью приводит к появлению перекрытий, которые в ряде случаев переходят к дуговым разрядам, эрозии изоляторов, более раннему выходу из строя. Грунтовые соль и пыль также вызывают ускоренное старение, т.к. осаждаясь на поверхности изоляторов, вызывают появление электропроводящих путей на поверхности, в особенности при последующем увлажнении. Ускоренное старение электротехнических изделий происходит в нестандартных условиях эксплуатации: в плазменных установках, электрофизических установках, криогенных устройствах.

14.3 Коррозия материалов. Коррозией материала называются химические превращения материала (прежде всего окисление), происходящие при участии внешней среды. Коррозия характерна для материалов, состав и структура которых далеки от природных. Традиционно термин "коррозия" применяют только к металлам.

n Продлить сроки эксплуатации различных металлоконструкций до их морального износа – основная цель решения многовековой проблемы коррозии металлов. До настоящего времени она не решена в мировом масштабе. Классификация процессов коррозии.

Металлофонд нашей планеты в виде машин, оборудования и сооружений составляет 6 млрд. тонн. Это лишь 30 % от произведенного за 3 тысячелетия металла. Остальной металл исчез из обращения, причем основной причиной были процессы коррозии

Трудность предотвращения коррозии в том, что разрушение металлов под влиянием факторов среды – естественный термодинамически выгодный процесс, направленный на сохранение равновесия в природе.

Обязательным условием возникновения коррозии является наличие влаги, причем по влаге должна осуществляться проводимость между участками, участвующими в процессе коррозии. Основной металл, который подвергается коррозии, и который необходимо защищать от коррозии - это железо, точнее сталь. Итог коррозии - образование каверн в монолите материала, заполнение этих каверн и окружающего пространства рыхлой рыжеватой массой, состоящей из гидроксида железа Fe(OH) 2, окисленного гидроксида Fe(OH) 3. Цвет ржавчины, в основном определяется цветом гидроксида трехвалентного железа.

Основные механизмы коррозии Коррозия во влажной неоднородной среде (в грунте, при увлажнении туманом, дождем и т.п.). Происходит при разделении поверхности металла на участки с разными электрохимическими характеристиками (анодные и катодные зоны). Разделение на зоны может быть связано с разной степенью доступа кислорода к различным участкам, с разными концентрациями, либо разными электролитами, либо разными температурами. В анодной зоне идет выход ионов металла из кристаллической решетки в окружающую среду и соединение с присутствующими там ионами. В катодной зоне приэлектродная реакция сводится к восстановлению отрицательных гидроксильных ионов: катодная зона: 2Н 2 О + О 2 +4e - = 4ОН - анодная зона: 2Fe ОН - = 2Fe(OH) 2 Ионы дрейфуют от катода к аноду, там соединяются с ионами железа, образуя гидроксид.

Коррозия во влажной среде металл 4 е - +О 2 +2Н 2 О = 4ОН - 2Fe ++ Катодная зона Анодная зона + mН 2 О = 2Fe(ОН) 2,, гидрозакись железа (коллоидный рыхлый белый осадок). При достаточном количестве кислорода: 4Fe(ОН) 2 + О 2 + 2Н 2 О 4Fe(ОН) 3 гидроокись железа - ржавчина

Контактная коррозия. Происходит при контакте между собой различных металлов во влажной среде. Более "благородные" из этих металлов являются катодом в паре с менее «благородным», корродирующим анодом. Электрохимических ряд металлов, применяемых в электроэнергетике, имеет следующий вид (вышерасположенные металлы более "благородны" по сравнению с нижерасположенными): медь свинец сталь в бетоне сталь в грунте алюминий цинк.

Существует огромное количество способов борьбы с коррозией, которые применимы в зависимости от условий. 1. Уменьшить влажность среды. 2. Защитить с помощью расположенного рядом "жертвенного" или "протекторного" анода (цинк, магний, алюминий). 3. Подать напряжение на объект с помощью источника постоянного тока, при этом "минус" подается на защищаемый металл. (Катодная защита). 4. Подать повышенное напряжение противоположной полярности. (Анодная защита). Когда подают повышенное напряжение, в некоторых случаях, происходит пассивация поверхности. 5. Сделать покрытия на поверхность металла. Существуют два типа покрытий: а) коррозионностойкие с помощью более благородных металлов (никелирование, омеднение, освинцовывание, хромирование), при этом недопускается наличие пор в покрытии. б) протекторные, (цинковые, алюминиевые, оловянные). 6. Покрыть поверхность изолятором. Это, например, эмалирование (посуды), покраска, покрытие лаком.

Электрокоррозия (коррозия под действием блуждающих токов). Схема рельсового транспорта, работающего на постоянном токе: 1 – тяговая подстанция; 2 – питающая линия; 3 – контактный провод; 4. – токоприемник; 5 – рельсы; 6 – катодная зона; 7 – знакопеременная зона; 8 – анодная зона; 9 – отсасывающая линия; пунктирные стрелки – блуждающие токи; сплошные стрелки – тяговый ток.

Источниками блуждающих токов являются: n 1. На региональном уровне: n железнодорожный транспорт, электрифицированный на постоянном токе, катодные защиты магистральных трубопроводов ЛЭП постоянного тока по системе «провод-земля» n 2. На уровне городского хозяйства: n наземный рельсовый транспорт, n метрополитен; n 3. В пределах промышленного объекта: n рудничный транспорт на постоянном токе, n электролизерные на металлургических заводах.

Переносчики блуждающих токов n Все протяженные металлические элементы, расположенные в грунте: n - трубопроводный транспорт любого назначения; n - линии электропередачи с заземленным грозозащитным тросом.

Объекты, разрушаемые под действием блуждающих токов n любые протяженные металлические сооружения и железобетонные конструкции, расположенные в грунте. В соответствии с законом Фарадея потери от электрохимической коррозии для железа составляют 9,1 кГ(А·год). При плотности тока 1 А/м 2 скорость коррозии с 1 м 2 поверхности железа равна 1,1 мм/(А·год)