Надежность электрических соединений, в условиях электрохимической коррозии медного кабеля и соединительных алюминиевых шин

Актуальной проблемой надежности контактной сети является повреждение фундаментных частей железобетонных опор, они подвержены химической и электрической коррозии. В настоящее время отсутствуют методы контроля их состояния.

На основе статистических данных, представленных в [4], сформирован перечень опасностей контактной сети, которые приводят к рискам, связанным с безопасностью движения. При анализе рисков, связанных с контактной сетью, следует в первую очередь учитывать опасности с большим удельным весом - разрегулировки контактной подвески и повреждение изолятора. Их удельный вес от общего числа повреждений составляет 22 и 17 % соответственно. Вероятный риск, связанный с возникновением данных событий - задержка одного или нескольких поездов на 1 час и более.

Среди прочих источников опасностей с большим удельным весом следует отметить разрегулировку воздушных стрелок, разрушение зажимов контактной сети, повреждение или обрыв проводов (тросов), обрыв поддерживающих струн, повреждение разъединителей, фиксаторов и прочие.

Вопросами повышения надежности работы устройств контактной сети занимаются в научно-исследовательской лаборатории САПР КС УрГУПС. Планируется разработка автоматизированной системы, которая позволила бы ускорить процессы расчета показателей надежности различных элементов контактной сети, оценивала возможные риски, их величину, а также вероятность их возникновения.

Литература:

1. Концепция комплексного управления надежностью, рисками, стоимостью жизненного цикла на железнодорожном транспорте. - М.: ОАО «РЖД», 2010.

2. Методика оценки рисков для контактной сети. Управление Ресурсами, Рисками и Надежностью на этапах жизненного цикла (УР-РАН). - М.: 2012. - 40 с.

3. Распоряжение ОАО «РЖД» от 11.12.2011 г. № 2409р «О внесении изменений в распоряжение ОАО «РЖД» от 24.11.2005 г.»

4. Анализ работы хозяйства электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» в 2013 году. - М.: ОАО «РЖД», 2014. - 98 с.

5. Галкин А.Г. Математическое моделирование и информационные технологии в задачах диагностики контактной сети электрифицированных железных дорог: монография / А.Г. Галкин, А.Н. Митрофанов, С.А. Митрофанов. — Екатеринбург: УрГУПС, 2012. — 226, [2] с.

6. Галкин А.Г., Ковалев А.А., Кардаполов А.А. Основы технической диагностики: уч.метод. пособие. - Екатеринбург: УрГУПС, 2013.

УДК 620.193.27

НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ, В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ МЕДНОГО КАБЕЛЯ И СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ ШИН

Лицкевич О.Н., аспирант, ФГБОУ ВО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» Халезин А.А., аспирант, ФГБОУ ВО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» Лицкевич А.П., к.т.н., профессор, ФГБОУ ВО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

В данной работе рассмотрена надежность электрических соединений, в условиях электрохимической коррозии медного кабеля и соединительных алюминиевых шин при воздействии агрессивной морской влаги. Электрохимическая коррозия - наиболее распространенный вид коррозии металлов. При контакте двух металлов, обладающих разными электродными (электрохимическими) потенциалами и находящихся в электролите, образуется гальванический элемент. Морская влага существенным образом влияет на разрушение алюминиевых соединительных шин электрических контактов с медным кабелем и вызывает разрушения алюминия, понижая тем самым их надежность.

Ключевые слова: надежность электрических контактов; электрическая коррозия; электрохимические процессы; электрохимический анализ.

THE RELIABILITY OF THE ELECTRICAL CONNECTIONS, IN TERMS OF ELECTROCHEMICAL CORROSION OF COPPER CABLE AND CONNECTING

ALUMINUM BARS

Litskevich O., the post-graduate student, FSEIHE «Admiral Ushakov Maritime University» Halezin A., the post-graduate student, FSEI HE «Admiral Ushakov Maritime University» Litzkevich A., candidate of technical sciences, Professor, FSEI HE «Admiral Ushakov Maritime University»

In this paper we consider the reliability ofthe electrical connections, in terms of electrochemical corrosion of copper cable and connecting aluminum tubes when exposed to corrosive sea water. Electrochemical corrosion - the most common form of corrosion of metals. Upon contact ofthe two metals having different electrode (electrochemical)potentials and located in an electrolyte, a galvanic cell is formed. Marine moisture significantly affects the degradation aluminum bus bars electrical contact with the copper cable and causes destruction of aluminum, thereby reducing its reliability.

Keywords: reliability of electrical contacts; electric corrosion; electrochemical processes; electrochemical analysis.

Многоамперные электрические контакты причальных колонок (КК) содержат в качестве соединительных элементов с кабелем алюминиевые шины, которые подвергаются воздействию внешней агрессивной морской влаги и химических веществ, содержащихся во влажной морской атмосфере. Поскольку алюминиевые шины в насыщенной морской атмосфере, смачивающих поверхность шин, а также жестко механически соединены с медным кабелем, то для анализа дестабилизирующего воздействия агрессивной морской влаги необходимо проанализировать, возникающие при этом разрушающие электрохимические процессы. Для дальнейшего анализа электрохимических процессов приведем таблицу электронных потенциалов металлов.

Провода электрического кабеля изготовлены из меди и соединяется с шинами электрических контактов, изготовленных из алюминия. В кабеле течет многоамперный электрический ток, создающий тепловое поле. Рассматриваемая электромагнитная система погружена в морскую сильно увлажненную атмосферу. Исследования многих электрических контактных соединений в морском порту позволяет утверждать, что агрессивная морская влажность, содержащая хлориды солей является электролитом и при осаждении на контактных соединениях различных по электрохимическому потенциалу металлов, разрушает их. Визуальный контроль вышедших из строя проводящих элементов из различных контактирующих металлов позволяет определить наличие повреждений, как на алюминиевых шинах, так и на кабельных соединениях. Из табл.1 электродных потенциалов видно, что в условиях контакта алюминия с медью идет электрохимический процесс, результатом которого является выделение водорода Н2. Схема процесса изображена рис.1.

Таблица.1. Значения электродных потенциалов некоторых элементов

Восстановленная Число отданных Окисленная Стандартный электрод-

форма электронов форма ный потенциал Ео, В

Са 2е Са2+ -2.87

Иа 1е -2.71

мё 2е мг+ -2.36

А1 Зе А13+ -1.66

Мп 2е Мгг+ -1.18

Бе 2е -0.44

N1 2е -0.25

8п 2е -0.14

РЬ 2е РЬ2+ -0.13

Бе Зе Ре^+ -0.04

н2 2е 2Н+ 0.00

Си 2е Си2+ +0.34

Си 1е Си+ +0.52

2Нё 2е нТ +0.79

Аё 1е Аё+ +0.80

нё 2е нё2+ +0.85

алюминий 1_1

Рисунок 1. Схема процесса электрической коррозии при контакте алюминия и меди

В процессе эксплуатации портового электрооборудования наблюдается разрушение алюминиевых шин при воздействии на них морской влаги и без контакта с другими металлами. При этом возникает вопрос, каким образом алюминий может вступать в реакцию с веществом: ведь на воздухе на его поверхности образуется тонкая прочная не имеющая дефектов оксидная пленка А12О3, защищающая металл от дальнейшего окисления и обусловливающая его высокую коррозионную стойкость? Ответить на этот вопрос можно, только разрушив оксид. Наиболее простой способ достичь разрушения пленки - механическое воздействие твердых частиц, которые могут присутствовать в атмосфере: они вызывают абразивный износ и разрушают защитный слой.

Более сложную ситуацию представляет собой химическое воздействие. Химическое воздействие связано с амфотерностью оксида алюминия, т.е. его способностью проявлять как кислотные, так и основные свойства: взаимодействовать как со щелочами, так и с кислотами с образованием солей, хорошо растворимых в воде. Реакция с кислотой идет по схеме:

А1203 + 6НС1 ^ 2л\с\ъ + зн2о.

Реакция с водным раствором щелочи идет по схеме:

А1203 + 2ЫаОН + 3н20 ^^ 2Ыа [А1 (ОН)4 ].

Оксид алюминия взаимодействует не со всеми соединениями: так, серная или азотная кислоты разрушения пленки не вызовут. Важнейшим индикатором наличия в воде растворенных кислот является водородный показатель рН (ро1епИа hydrogeni - сила водорода) - концентрация ионов водорода Н+ в растворе, количественно выражающая его кислотность, вычисляется как отрицательный (взятый с обратным знаком) десятичный логарифм активности водородных ионов в молях на литр:

рН = - ^ [н+].

Величина рН зависит от температуры рис. 2. Принято сочетание рХ обозначать величину X. Знак Н обозначает концентрацию ионов водорода Н+. Существует и обратная величина рН. Величина рН является показателем основности раствора рОН, который равен отрицательному десятичному логарифму концентрации в растворе ионов ОН: рОН = ОН]. При воздействии чистой воды при 25 °С величины концентрации ионов водорода Н+ и гидроксидионов ОН- одинаковы (10-7 моль/л). Полученная величина вытекает из формулы, с помощью которой определяется ионное произведение воды. Соотношение устанавливает, что произведение концентраций ионов водорода Н+ и ионов гидроксида ОН- в воде или в водных растворах при определенной температуре равно константе Кв. Нормальными условиями принято считать 25 °С, при которых К = 10-14 моль2/л2.

Так, при 25 °С - рН + рОН = 14. Следует отметить, что когда концентрация обоих видов ионов в растворе равная, раствор имеет нейтральную реакцию. При добавлении к воде кислоты концентрация ионов водорода увеличивается, а концентрация гидроксидионов, соответственно, уменьшается. При добавлении основания, наоборот, повышается содержание гидроксидионов, а концентрация ионов водорода падает. При [Н+] > [ОН] раствор называют кислым, при [ОН] > [Н+] - щелочным. Будем, как это принято в химии, вместо кон-

7,5 7,0

6,5 6,0

•S.5,5

ф ш о

§5,0

\

\ 4

200

250

300 350

50 100 150

температура, °С

Рисунок 2. Водородный показатель дистиллированной воды в зависимости от температуры

центраций ионов водорода использовать представление их десятичными логарифмами, взятыми с обратным знаком, которые, и является водородным показателем pH.

При высоких температурах, что имеет место на многоамперных контактирующих поверхностях, константа диссоциации воды (влажности) увеличивается, соответственно увеличивается ионное произведение воды, поэтому нейтральной оказывается pH < 7, что соответствует возросшим концентрациям как H+, так и OH-. При понижении температуры, напротив, нейтральный pH растет. В табл. 1 и рис. 2 показаны изменения значения нейтрального pH в воде в зависимости от температуры. Важным обстоятельством является то, что при больших отклонениях значения pH от нейтрального значения, исходя из данных проведенных опытов, утверждаем о наличии в воде растворенных кислот или оснований, которые могут вступать в реакцию с оксидом алюминия, разрушая его и обнажая чистый алюминий. Опыт эксплуатации электрических контактных соединений из различных металлов показывает, что морские химические реагенты оказывают разрушающее воздействие на алюминиевые шины контактных соединений.

Если оксид алюминия Al2O3 с окислителями в реакцию не вступает, сам алюминий после контакта с водой преобразуется в гидроксил (амфотерное соединение) с выделением водорода:

2Al + 6H2O ^ 2Al(OH)3 + 3H2.

Если же pH влага далека он нейтральности, этот же газ будет выделяться в качестве продукта реакции алюминия с щелочами и некоторыми кислотами с образованием растворимых солей:

2Al + 2NaOH + 6H2O ^^ 2Na[Al (OH)] + 3H2

2 Al + 6HCl

2 AlCl3 + 3H2

При взаимодействии водного раствора этиленгликоля, распространенного антифриза, с алюминием происходит замещение гидрок-сильного водорода на металл и выделение свободного водорода Н2.

Электрохимическая коррозия - наиболее распространенный вид коррозии металлов. При контакте двух металлов, обладающих разными электродными (электрохимическими) потенциалами и находящихся в электролите, образуется гальванический элемент (табл.1). Из приведенной таблицы видно, что поведение металлов зависит от значения их электродного потенциала. Металл ME, имеющий более отрицательный электродный потенциал (анод), переходит в качестве положительно заряженных ионов Men+ в раствор. Избыточные электроны ne- перетекают по внешней цепи в металл, имеющий более высокий электродный потенциал (катод). Катод при этом не разрушается, а электроны из него соединяются с какими-либо ионами или молекулами раствора, способными к восстановлению на катодных участках.

Из электрохимии следует, чем ниже электродный потенциал металла по отношению к стандартному водородному потенциалу, принятому за нулевой уровень, тем легче металл отдает ионы в раствор, тем ниже его коррозионная стойкость. Значения электродного потенциала Е0 элементов приведены в табл.1. Расположение металла выше водорода означает, что он способен вытеснить водород из соединений (воды, кислот и пр.).

Рассмотрим соединение медного кабеля с алюминиевыми шинами, т.е.: пару элементов - «медь-алюминий». Но необходимо отметим, что для возникновения разности потенциалов (по табл.1) требуется непосредственный контакт двух металлов (алюминиевая шина и медный контактирующий кабель), а не просто наличие их в системе (алюминий + медь). В случае отсутствия контакта возникает разрыв цепи, поэтому электроны никуда перетекать не смогут. Следует отметить направление движения электролита: реакция пойдет в случае, если анод расположен ниже относительно катода, что и наблюдается в действительности. Алюминий обладает большей способностью отдавать электроны по сравнению с медью, что видно из значений их стандартных электродных потенциалов (-1,66 и +0,34 соответственно).

Следовательно, в случае замкнутой цепи медь является катодом, а алюминий - анодом (рис.1). Ионы алюминия Al3+ из кристаллической решетки переходят в раствор, образуя вместе с гидроксидионами OH- гидроксид алюминия Al(OH)3, а электроны поступают в медь. Оторванные от морской влаги, потерявшие электрон ионы водорода H+ объединяются в молекулу H2. В результате идет постоянная коррозия алюминия, поскольку электроны непрерывно уходят из него, смещая тем самым равновесие в сторону образования ионов. Алюминий и его сплавы устойчивы в атмосфере агрессивного агента кислорода, но совершенно неустойчивы в среде, где присутствуют хлориды (морская вода в изобилии содержит хлориды) Ход электрохимического процесса определяется разностью потенциалов элемента. Для пары «медь-алюминий» разность потенциалов составляет U= 2 В. Если сравнить предыдущую реакцию с парой «цинк-алюминий», то разность будет U=0,9 В. В этом случае реакция идет в два раза медленнее.

Анализ результатов накопленных к настоящему времени в мировой практике показывает, что глубина питтинга во влажной среде, также как и в атмосферных условиях в соответствии с формулой

1

h = к t n

где к - постоянный коэффициент;

t -время (в часах) действия дестабилизирующего фактора (окислителей) на контакт «медь-алюминий»;

1

_о

п - степень воздействия фактора

Зная время Т и располагая статистическими данными, предполагаем, что закон распределения вероятности безотказной работы описывается законом Вейбулла.

Р(т) = ехр

'т ^

Vе/

в = 1.8610 с = 4955 104

при , получим распределение

Рисунок 3. Графическая зависимость вероятности безотказной работы алюминиевой шины с присоединенным медным кабелем

0.88-----

0.66-----

Р

~ 0.44-----

0.22-----

о-----

4 4 4 4 5

0 2-10 4-10 6-10 8-10 МО

Д й б т = 5 104 б й б Р(50000) = 0.362 Т

Для значений наработки час, вероятность безотказной работы имеет величину 4 у . Т.е при

такой наработке следует произвести замену шин и соединений с кабелем. В течение первого года вероятность безотказной работы до-

Р(8760) = 0.961 „ Р(1.752 104) = 0.865

статочна, высока 4 у , последующие два года надежность снижается до уровней 4 у и

Р(2.628 104) = 0.735

Полученные результаты совпадает с наработками электрических соединений наиболее подверженных дестабилизации причальных колонок, эксплуатируемых в морском порту.

Выводы:

- приведенный в работе анализ показал, что морская влага существенным образом влияет на разрушение алюминиевых соединительных шин электрических контактов, присоединенных к медным проводникам кабелей. В результате возникает разрушение алюминиевых шин, и надежность контактной системы 4 - 5 лет существенно падает.

- полученный статистический материал дает основания считать, что вероятность безотказной работы распределена по закону Вейбулла.

- из полученного анализа надежности и электрохимического анализа контакта «медь - алюминий» следует, что было бы рационально алюминиевые шины, эксплуатируемые в условиях высокой морской влажности заменить медными шинами.

Литература:

1. Электрохимия металлов в неводных растворах. Перевод с английского. - М. Мир 1974г. 440 с.

2. Морская коррозия. Справочник. - М. Металлургия. 1983.г. 512 с., илл.

3. Глинка Н.Л. Общая химия. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Интеграл- Пресс, 2005 г., - 240 стр.

4. Дружинин Г.В. Теория надёжности радиоэлектронных систем в примерах и задачах: учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1976. - 448 с.

5. Некрасов Б.В. Основы общей химии. - М.: Изд. "Химия", 1973. - 656 с.