Электротехнические материалы

Лекция 14  

Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов

          14.1. Природные факторы старения.

          14.2. Техногенные факторы старения.

                  14.3. Коррозия металлов и композитов. Электрокоррозия. Защита от коррозии.

Старением материала называются необратимые процессы физических и химических превращений материала,  происходящие под действием внешних физических, химических и биологических факторов и вызывающие ухудшение электрических и механических показателей материала. 

Долговечность материалов в условиях эксплуатации определяется не только свойствами материалов, но и действием разнообразных факторов, вызывающих изменение характеристик материалов.

Основные факторы, изменяющие свойства материалов можно разделить на природные и техногенные факторы.

14.1. Природные факторы старения

в начало лекции

Здесь можно выделить физические, химические, биологические факторы.

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, Ткr, Ткe 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. Рассмотрим чуть более подробно. Представим, что соединены два материала с коэффициентами Ткl₁ и Ткl₂ при комнатной температуре. При нагревании на 100 °С каждый из них должен удлиниться на величину Dl₁ = l₀×Ткl₁×DT и ×Dl₂ = l₀×Ткl₂×DT. Поскольку они механически связаны, то они удлинятся оба на какую-то среднюю величину, зависящую от сжимаемости каждого материала. Если считать механические характеристики одинаковыми, то удлинение произойдет на величину (Dl₁+ Dl₂)/2. Предположим, что Dl₁ >Dl₂, тогда первый материал окажется в сжатом состоянии. Его сжатие относительно равновесного состояния составит (Dl₁-×Dl₂)/2. Второй материал окажется в растянутом состоянии, его удлинение составит (Dl₁-Dl₂)/2. В соответствии с законом Гука, это эквивалентно приложению к первому материалу сжимающих усилий, по величине равных

(Dl₁-Dl₂)/2l₀ = p /E                                                     

где p = F/s- механическое напряжение, E - модуль Юнга или модуль всестороннего сжатия (или растяжения). Подставляя выражение Dl через Ткl получим сжимающее усилие, действующее на первый материал

p = E× (Ткl₁- Ткl₂)×DT/2

Точно такое же, но растягивающее усилие будет приложено ко второму материалу. Оценим значимость эффекта для стали. В этом случае E » 2×10¹¹ Н/м², Ткl1- Ткl2 при неудачном выборе компонент может составить 10^-5 1/К. Тогда p составит 10⁸ Н/м². Натяжение 100 МПа не превышает предела текучести материала, но при многократных циклах "нагревание-охлаждение" может привести к постепенному ухудшению свойств материала, росту трещин и т.п.

          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 свежеобразованный участок трещины, а при повторном замерзании произойдет дальнейший рост трещины. Такой тип старения характерен для каменных материалов.

          С температурой также связано старение трансформаторного масла. И это уже физико-химический фактор. При росте температуры резко (экспоненциально) растет скорость химических реакций, в том числе реакций окисления. Поэтому, если в кабеле или трансформаторе где-то начинается рост температуры, например за счет частичных разрядов, диэлектрических потерь или нагрева обмотки (например, при феррорезонансе), то активизируются процессы разложения масла, что приводит к ухудшению его диэлектрических характеристик.

          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. 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. Частным случаем является воздействие влаги. 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.

14.2. Техногенные факторы старения.  

в начало лекции

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 триинги, 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 малостойки к атмосферным и эксплуатационным воздействиям. Старение на постоянном напряжении практически отсутствует, на переменном напряжении они стареют за счет частичных разрядов, дендритов и водных триингов. 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 триинг 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.

в начало лекции

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.

          Коррозия является одной из самых больших и дорогостоящих инженерных проблем человечества. Прямые потери от коррозии составляют в США более 70 млрд. долл. в год. В любой стране мира потери составляют 3-4% от валового национального продукта. Непрямые потери, в виде простоев, недоотпуска энергии, потерь газа, нефти и т.п., потерь мощности насосов, котлов, порча воды, консервов и других продуктов вообще трудно поддаются исчислению. 

Мы будем рассматривать, в основном, коррозию металлов. 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. В принципе, к каждому из гидроксидов могут присоединиться несколько молекул воды, получаются гидраты окислов двух и трехвалентного железа. Цвет ржавчины, в основном определяется цветом гидроксида трехвалентного железа.

Основные механизмы коррозии железа.

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:              4ОН^- = 2Н₂О + О₂ +4e^-

анодная зона:                                           2Fe⁺⁺ +  4ОН^- = 2Fe(OH)₂

Ионы дрейфуют от катода к аноду, там соединяются с ионами железа, образуя гидроксид.

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.

           Все вы проводили лабораторную работу по изучению материала "ЭКОМ", где измеряли контактное сопротивление электродов. Если вы помните, у пятой плитки очень маленькое сопротивление по сравнению с остальными. Так вот, у этой плитки электроды выполнены из латуни, а у остальных плиток - из оцинкованной стали. Если после изготовления плитки ее сразу использовать для нагревателей, то оцинкованные электроды прекрасно служат. А если плитки полежат во влажной теплой атмосфере, то произойдет коррозия. Цинк полностью "съедается" на электродах, остается слабоэлектропроводный слой оксида цинка. Это наглядный пример вредного эффекта коррозии. 

Электрокоррозия (коррозия под действием блуждающих токов).

Происходит в водной и грунтовой средах в зонах, прилегающих к электрифицированному на постоянном токе транспорту (железная дорога, трамвай, метро).  Предполагает наличие протяженных подземных коммуникаций, в которые попадает блуждающий ток. Места "входа" тока (катодные зоны) не корродируют; в местах "выхода" тока  металл растворяется по закону Фарадея. В связи с движением источника тока (электровоз) катодные и анодные зоны меняют свое местоположение на коммуникации.

Защита от коррозии.

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 эмалирование, например, посуды, покраска, покрытие лаком.

Литература

1. Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику: Пер с англ./Под ред. М.А. Сухотина.-Л.:Химия, 1989, 456 с.

Список лекций 

1. Введение в предмет.

2. Электрофизические характеристики материалов. Электропроводность.

3. Электрофизические характеристики материалов. Диэлектрическая и магнитная проницаемости.

4. Теплофизические и механические характеристики материалов.

5. Конструкционные материалы.

6. Проводниковые материалы.

7. Слабопроводящие материалы.

8. Электропроводность и потери в диэлектриках.

9. Процессы в диэлектриках по действием сильных электрических полей.

10. Газообразные  и жидкие  диэлектрики.

11. Твердые диэлектрики.

12. Магнитные материалы.

13. Сверхпроводящие материалы.

14. Долговечность и старение материалов в условиях воздействующих факторов.

15. Испытания материалов.