International periodic scientific journal
ONLINE
D.A.Tsenov Academy of Economics - Svishtov (Bulgaria)
Indexed in INDEXCOPERNICUS
(ICV: 82.07)
SW
Issue №11 Part 1
January 2022
Published by:
SWorld &D.A. Tsenov Academy of Economics, Svishtov,Bulgaria
www.sworldjournal.com
orld
J o u r n a l
ISSN 2663-5712 DOI: 10.30888/2663-5712 UDC 08
LBC 94
Editor: Shibaev Alexander Grigoryevich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Academician Scientific Secretary: Kuprienko Sergey, PhD in Technical Sciences
Editorial board: More than 250 doctors of science. Full list on page:
https://www.sworldjournal.com/index.php/swj/about/editorialTeam Expert-Peer Review Board of the journal: Full list on page:
https://www.sworldjournal.com/index.php/swj/expertteam
The International Scientific Periodical Journal "SWorldJournal" has gained considerable recognition among domestic and foreign researchers and scholars.
Journal Established in 2018. Рeriodicity of publication: twice a year The journal activity is driven by the following objectives:
• Broadcasting young researchers and scholars outcomes to wide scientific audience
• Fostering knowledge exchange in scientific community
• Promotion of the unification in scientific approach
• Creation of basis for innovation and new scientific approaches as well as discoveries in unknown domains
The journal purposefully acquaints the reader with the original research of authors in various fields of science, the best examples of scientific journalism.
Publications of the journal are intended for a wide readership - all those who love science. The materials published in the journal reflect current problems and affect the interests of the entire public.
Each article in the journal includes general information in English.
The journal is registered in the INDEXCOPERNICUS, GoogleScholar.
UDC 08 LBC 94 DOI: 10.30888/2663-5712.2022-11-01
Published by:
SWorld &
D.A. Tsenov Academy of Economics Svishtov, Bulgaria
e-mail: [email protected]
Copyright
© Authors, scientific texts 2022
https://www.sworldjournal.com/index.php/swj/article/view/swj11-01-001 DOI: 10.30888/2663-5712.2022-11-01-001
УДК 621.311
THERMAL CALCULATION OF CABLE LINES LAID IN POLYMER PIPES
ТЕПЛОВИЙ РОЗРАХУНОК КАБЕЛЬНИХ ЛІНІЙ, ПРОКЛАДЕНИХ В ПОЛІМЕРНИХ ТРУБАХ
Kyryk V. V. / Кирик В. В.
d.t.s., prof. / д.т.н., проф.
ORCID: 0000-0003-0419-8934 National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»,
Kyiv, Prosp.Peremohy, 37, 03056 Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського», м.Київ, проспект Перемоги, 37, 03056 Podoltsev O. D. / Подольцев О. Д.
d.t.s., prof. / д.т.н., проф.
ORCID: 0000-0002-9029-9397 National Academy of Sciences of Ukraine "Institute of Electrodynamics", Kyiv, Prosp.Peremohy, 56, 03057 Національна академія наук України «Інститут електродинаміки»,
м.Київ, проспект Перемоги, 56, 03057 Rybka O. O. / Рибка О. О.
Master's student / магістрант National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute»,
Kyiv, Prosp.Peremohy, 37, 03056 Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут
імені Ігоря Сікорського», м.Київ, проспект Перемоги, 37, 03056 Анотація. Стаття присвячена дослідженню теплового розрахунку високовольтних кабельних ліній змінного струму, прокладених в полімерних трубах. Прокладання кабельних трас в полімерних трубах – це сучасний високотехнологічний метод побудови електричних мереж, який має переваги перед прокладанням високовольтних кабелів у відкритому ґрунті або в залізобетонних каналах. Такий метод характеризується мало-об’ємними земляними роботами в умовах міської забудови та короткими термінами будівництва. Запропонована узагальнена формалізація пропускної здатності високовольтних кабелів з ізоляцією зі зшитого поліетилену. Зокрема, показано, що в номінальному режимі роботи при температурі жили кабелю 90 °C, що є прийнятним для ізоляції зі зшитого поліетилену, температура оболонки кабелю може досягати 90…105 °C і тому в конструкції кабелів не можна використовувати полімерні труби для холодної води. Труби холодного водопостачання для прокладання в них кабелю, виконуються з поліетилену низького тиску і розраховані на температуру не вище 40 °С. Виконано аналіз методів прокладання кабельних ліній з ізоляцією зі зшитого поліетилену. Акцентовано на основні проблемні питання теплового розрахунку кабельних мереж. Проведене моделювання в програмному середовищі COMSOL, підтвердило висновки, що питоме значення температури оболонки кабелю залежить від умов прокладання кабелю, але в середньому становить близько 50 °C.
Установлено, що за деяких умов прокладання кабельної мережі в трубі не зменшує допустимий струм кабельної лінії, а навпаки, збільшує його. Сформульовані аспекти підвищення ефективності прокладання трифазних груп однофазних кабелів. Запропоновано методику проведення оціночних теплових розрахунків кабельних ліній з однофазними кабелями, що враховує відразу два механізми теплопередачі: за рахунок теплопровідності та за рахунок конвекції. Розглянуто приклад теплового розрахунку високовольтної кабельної лінії по скоригованій формулі для трифазної групи однофазних кабелів XRUHAKXS-WTC
1x2000RMS в ізоляції з XPLE напругою 110 кВ з мідною жилою перерізом 2000 мм2 та екраном 150 мм2.
Ключові слова: тепловий розрахунок, високовольтна кабельна лінія, ізоляція, струм.
Вступ.
На теперішній час досить широкого використання для прокладання високовольтних кабелів знайшли пластмасові труби, які витіснили екологічно небезпечні азбоцементні труби. Пластмасові труби мають привабливі характеристики такі, як: тривалий термін служби, мала вага, висока корозійна стійкість, пластичність, висока механічна міцність та легке оброблення, значна будівельна довжина. Такі характеристики суттєво спрощують технологічний процес прокладання і терміни монтажу та розширюють сферу застосування кабельних ліній електропередавання з ізоляцією зі зшитого поліетилену.
Прокладання кабельних трас в полімерних трубах – це сучасний високотехнологічний метод побудови трас електричних мереж, який має переваги перед прокладанням кабелів у відкритому ґрунті або в залізобетонних каналах: незначні земляні роботи та висока швидкість будівництва [4, 5, 6].
За номінального режиму функціонування кабельної лінії при температурі жили кабелю 90 °C, що є прийнятним для ізоляції зі зшитого поліетилену, температура оболонки кабелю може досягати 75…85 °C, а при коротких замиканнях в кабелі – до 200…350 °C, і тому в конструкції високовольтних кабельних ліній проблематично використовувати полімерні безнапірні труби із поліпропілену (ПП), поліетилену (ПЕ), непластифікованого полівінілхлориду (НПВХ), які призначені для зовнішніх мереж каналізації будинків і споруд. Такі труби рекомендовано застосовувати в інтервалах температур: від 0 °С до 45 °С із ПЕ та НПВХ; від 0 °С до 95 °С із ПП (95 °С короткочасно до однієї хвилини) [7].
В сучасних умовах розширення та щільності міської забудови високовольтні кабельні мережі, зокрема напругою 110 кВ, отримали широке поширення. Досить часто виникає необхідність організації кабельних вставок в повітряні лінії електропередавання. Кабелі в таких випадках прокладаються в трубах. Тривалий допустимий струм кабельних ліній за нормального режиму работы розраховується, згідно з рекомендаціями [8], [11], [12], за формулою:
( )
( )
( ) 1 ( 2 3 ) (4 )
1 1 2 1 2 3 4
0,5 ,
1 1
Wd T n T T T
I R T n R T n R T T
θ
λ λ λ
∆ − ⋅ ⋅ + + +
= ⋅ + ⋅ + + ⋅ + + ⋅ +
де ∆θ – різниця температур між струмопровідною жилою та зовнішнім середовищем, °С; Wd – діелектричні втрати на одиницю довжини, Вт/м; Т1 – тепловий опір між жилою та металевим екраном (оболонкою), К∙м /Вт; Т2 – тепловий опір між металевим екраном (оболонкою) та бронею, К∙м /Вт; Т3 – тепловий опір зовнішньої ізоляції кабелю, °С ∙м /Вт; Т4 – тепловий опір середовища, що оточує кабель, °С ∙м /Вт; R – погонний електричний опір струмопровідної жили змінному струму за максимально допустимої температури жили, Ом /м; n – кількість жил у кабелі; λ1, λ2 – відношення загальних втрат у металевих екранах (оболонках) і броні до суми втрат у струмопровідних жилах.
Визначений тривалий допустимий струм кабелю коригується відповідно до умов прокладання [8], з врахуванням поправкових коефіцієнтів на: спосіб прокладання кабелю; температуру середовища (повітря, ґрунту, дна водойм);
глибину закладання кабелю; питомий тепловий опір середовища; переріз екрана (оболонки); відстань між кабелями та групами кабелів; кількість кабелів у траншеї; теплопровідність матеріалу і діаметри (внутрішній, зовнішній) труби; відсутність струмового навантаження екранів і оболонок. Тепловий розрахунок кабельної лінії після коригування струму як правило не проводиться.
Незважаючи на опубліковані результати досліджень теплових режимів кабельних ліній, які отримані різними способами і методами, питання практичного визначення допустимих струмів кабельних ліній за різного виконання траси з врахуванням реальних умов є актуальним. За деяких умов прокладання кабельної мережі в трубі можливі випадки, коли допустимий струм КЛ не зменшується, а навпаки навіть збільшується.
На теперішній час рівень чисельних розрахунків теплових режимів та їх візуалізації спеціалізованими програмними засобами, завдячуючи мікропроцесорним засобам, став досить високим і в той же час простим та доступним інженерними працівникам. За допомогою програмних інструментів досить точно можна оцінити температуру як жили кабелю, так і навколишнього середовища, в тому числі захисних полімерних труб.
Метою роботи є розроблення узагальненої математичної формалізації теплового розрахунку високовольтного кабелю з ізоляцією зі зшитого поліетилену в полімерних трубах та оцінка пропускної здатності кабельної лінії.
Для спрощення визначення пропускної здатність кабелів з ізоляцією зі зшитого поліетилену скористаємося методикою [4], відповідно до рівняння теплового балансу.
Моделювання теплових процесів виконаємо за допомогою спеціалізованого програмного середовища COMSOL.
Оціночний тепловий розрахунок кабелю.
На рис. 1 схематично показана конструкція силового однофазного кабелю і один із способів його прокладки – у полімерній трубі, розміщеній у ґрунті. Під час проведення оціночних розрахунків вважаємо, що кабель розташований в середній частини труби (насправді кабель завжди розташовується в нижній частині труби). На рис.1 зображено 1 – жила, 2 – ізоляція, 3 – екран, 4 – оболонка, 5 – труба, 6 – грунт, 7 – повітря, r1 – радіус жили кабелю, r2 – внутрішній радіус екрана кабелю, r3 – зовнішній радіус екрана кабелю, r4 – зовнішній радіус кабелю, r5 – внутрішній радіус труби, r6 – зовнішній радіус труби.
Тепловий розрахунок кабелю базується на вирішенні рівняння теплового балансу: активна потужність втрат, що виділяється в кабелі, переходить у тепло, яке через ізоляцію (І) кабелю, оболонку (О), повітря (П) у трубі і через саму трубу (Т) виділяється в навколишній ґрунт (Г), зустрічаючи на своєму шляху відповідно тепловий опір: RІ, RО, RП, RТ, RГ [2].
Рисунок 1 – Силовий однофазний кабель в поліетиленовій трубі, що прокладена у ґрунті
При розгляді цього рівняння та його складових вважаємо, що тепло відводиться від кабелю тільки в радіальному напрямі, а відведення тепла вздовж осі кабелю і труби, в який він прокладений, не відбувається.
У трифазних мережах прокладають трифазні групи однофазних кабелів, що для кожної із фаз погіршує умови відведення тепла до ґрунту. Це можна врахувати, вважаючи, що для кожної з фаз тепловий опір ґрунту втричі більше, ніж воно було за наявності лише однієї фази кабелю.
Для ізоляції зі зшитого поліетилену, яка найбільше часто застосовується для сучасних однофазних кабелів 6…500 кВ, у нормальному режимі роботи температура не має перевищувати 90 °С. Прийнявши температуру жили ТЖ = 90 °С, з рівняння теплового балансу знайдемо тривалий допустимий струм кабелю [4]:
90 (0,5 3 ) ,
( 3 ) ( 3 )
Ж Г І I O B T Г
Д
П Ж I O B Г Ж E O B T Г
Ж
Т Т Р R R R R R
I К R R R R R R P R R R R
P
− − ⋅ + + + +
=
+ + + + ⋅ + + +
де ТГ – температура ґрунту; RЖ – активний опір жили; КП – коефіцієнт, що враховує зростання втрат у жилі кабелю з допомогою поверхневого ефекту; PІ – діелектричні втрати в ізоляції кабелю;
РЕ/РЖ – відношення, яке характеризує роль «паразитних» втрат в екранах кабелю на фоні втрат у жилах. Відомо, що РЕ/РЖ = 0,1…3,0 при простому заземленні екранів з двох сторін кабелю та РЕ/РЖ = 0 при заземленні екранів з одного боку чи їхньої транспозиції.
Із трьох відомих механізмів передачі тепла від кабелю до труби через заповнений повітрям проміжок між ними - теплопровідність, конвекція, випромінювання, в розрахунках враховуємо теплопровідність і конвекцію [3].
Потужність з розрахунку на 1 м довжини, відведена від кабелю до труби за рахунок теплопровідності повітря, що заповнює трубу, дорівнює:
5 4
2 ,
П П
П
P Т Т
R ln r
r α π
∆ = ∆ = ⋅ ∆
де αП– питома теплопровідність повітря, Вт/(м·К); ΔT – різниця температур
поверхні кабелю та труби; r4 – зовнішній радіус кабелю; r5 – внутрішній радіус труби.
Потужність з розрахунку на 1 м довжини, відведена від кабелю до труби за рахунок конвекції повітря, дорівнює:
(2 4) ,
ПК ПК ПК
P α S Т α π r Т
∆ = ⋅ ⋅∆ = ⋅ ⋅ ⋅∆
де αПК– коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, Вт/(м2·К); S = (2π · r4) – площа бічної поверхні ділянки кабелю довжиною 1 м.
Як показують розрахунки [4], конвекція – головний механізм передачі тепла від кабелю до труби.
Сумарна передача тепла через повітря між кабелем і трубою представляється як:
1 ПК
П ПК П
П
P P P P
P
∆
∆ + ∆ = ∆ ⋅ + ∆
Приклад розрахунку.
Розглянемо приклад розрахунку по скоригованій формулі для трифазної групи однофазних кабелів XRUHAKXS-WTC 1x2000RMS в ізоляції з XPLE напругою 110 кВ з мідною жилою 2000 мм2 та екраном 150 мм2. Прийнято такі дані: r1=0.028 м; r2=0.045 м; ; r3=0.048 м; r4=0.053 м.
5 0,5 T DT
r D
= ⋅ −SDR
, r6 =0,5⋅DT,
де DТ та SDR – зовнішній діаметр труби та її SDR (Standard Dimension Ratio) – відношення зовнішнього діаметра до товщини стінки. Приймаємо для кабелю класу напругою 110 кВ типове одностороннє заземлення екранів.
Питомий тепловий опір ізоляції взято на рівні ρІ =3,5 К·м/Вт, оболонки ρО=3,5 К·м/Вт. Температура ґрунту ТГ = 15 °С, глибина закладення кабелю h = 1,5 м, труба має типовий для кабельних мереж SDR=11. Питомий тепловий опір труби та повітря ρТ = 3 К·м/Вт, ρП = 30 К·м/Вт, коефіцієнт конвекції повітря αП = 5 Вт/(м2·К).
В результаті розрахунку визначено значення довготривалого допустимого струму кабелю на рівні 1100 А.
Чисельний розрахунок теплового поля кабелю
Для проведення уточненого розрахунку теплового поля кабельної лінії, який дозволяє враховувати такі фактори як неоднорідність ґрунту, розташування кабелю не в центрі труби, а в її нижній частині тощо, доцільно використовувати чисельний метод. В роботі використовується метод скінчених елементів, реалізований в пакеті програм Comsol.
Результати розрахунку температурного поля в трифазній кабельній лінії зі струмовим навантаженням 1100 А, кабелі якої прокладені безпосередньо в ґрунті наведені на рис. 1. Кабелі розташовані у трикутник, температура навколишнього середовища – 15 oС, а теплопровідність ґрунту прийнята
1/ Г
λ = ρ =1 Вт/(м∙К). Результати розрахунку (рис.2, а, б) показали, що максимальна температура при вказаних умовах досягається на жилі верхнього кабелю і дорівнює 46,4 oС.
Рисунок 2 – Просторове розподілення температури (оС) в перерізі кабельної лінії: а – при прокладенні трьох однофазних кабелів у грунті; б – в збільшеному масштабі; в –залежність максимальної температури кабелю від
теплопровідності грунту λ
Авторська розробка
Рисунок 3 – Просторове розподілення температури (оС) в перерізі кабельної лінії: а – при прокладенні трьох однофазних кабелів у грунті; б – в збільшеному масштабі; в –залежність максимальної температури кабелю від
теплопровідності грунту λ
Авторська розробка
Залежність температури від теплопровідності грунту λ показана на рис. 2, в. В разі грунту із малим значенням λ <0,4 це значення може перевищувати допустиме - 90 oС.
Результати розрахунку температурного поля в трифазній кабельній лінії, кабелі якої прокладені в полімерній трубі діаметром 160 мм, наведені на рис.2.
Результати розрахунку (рис.3, а, б) показали, що величина максимальної температури верхнього кабелю збільшується до Tmax = 53,9 oС (при
λ =1 Вт/(м∙К). Залежність цієї температури від теплопровідності грунту λ
показана на рис. 3, в. В разі наявності грунту із низьким значенням теплопровідності λ <0,4 максимальна температура верхнього кабелю може перевищувати – 100 oС.
Висновки.
Розроблено комп'ютерну модель розрахунку теплових процесів підземної кабельної лінії із використанням пакету програм Comsol, яка дозволяє визначити тепловий режим роботи кабелів при наявності таких ускладнюючих факторів, як неоднорідність параметрів грунту по висоті, різного розміщення кабелів та наявності поряд паралельних ліній тощо.
На основі проведеного чисельного розрахунку та моделювання теплових процесів в кабельній лінії визначено значення довготривалого допустимого струму кабельної лінії з трифазною групою однофазних кабелів XRUHAKXS- WTC 1x2000RMS в ізоляції з XPLE напругою 110 кВ з мідною жилою 2000 мм2 та екраном 150 мм2.
Використання методу скінчених елементів, який реалізований в пакеті програм Comsol, дозволило отримати розподіл теплового поля кабельної лінії прокладеної в грунті та в полімерній трубі за різного розміщення кабелів фаз відносно один одного.
В результаті досліджень установлено, що спрощена формула визначення тривало допустимого струм навантаження нормального режиму відповідно до методики СОУ-Н-МЕВ-40.1-37471933-49-2011 дає завищені значення струму.
Температура жили кабелю за нормального режиму може перевищувати 100 oС.
Тому при визначенні тривало допустимого струм навантаження нормального режиму кабельної лінії необхідно виконувати уточнюючий розрахунок теплового поля кабельної лінії на моделі.
Література:
1) Дмитриев М. Кабельные линии, проложенные в полиэтиленовых трубах.
Новости электротехники. 2013, № 4, (82), с. 2-6.
2) Distributed fiber optic sensing and dynamic rating of power cables by Anders, George J. Cherukupalli. IEEE Press, 2020, 243 pp.
3) ГБН В.2.5-00013741-72:2013 Кабельні лінії напругою до 10000 в з використанням гнучких гофрованих двошарових труб із поліетилену. Київ Міністерство енергетики та вугільної промисловості України 2013, с.24
4) ДСТУ Б В.2.5-32:2007 Труби безнапірні з поліпропілену, поліетилену, непластифікованого полівінілхлориду та фасонні вироби до них для зовнішніх мереж каналізації будинків і споруд та кабельної каналізації. Технічні умови.
Київ. Міністерство регіонального розвитку та будівництва України 2007 c.112 5) СОУ-Н-МЕВ-40.1-37471933-49-2011 Проектування кабельних ліній напругою до 330 кВ. Міністерство енергетики та вугільної промисловості України с.190
6) Standart IEC 60287-1-l:2001. Electric cables - Calculation of the current rating. Part l-1. Current rating equations (l00% load factor) and calculation of losses general
7) Standart IEC 60287-2-1:2001. Electric cables – Calculation of the current rating. Part 2-1. Thermal resistance – calculation of thermal resistance.
8) Уіді Б. Кабельні лінії високої напруги / Уіді Б. -М.: Енергоатоміздат, 1983.-232с.
9) Біткін С. Проектування кабельних ліній напругою до 330 кВ / Біткін С., Бовкун Я., Болдирєв О., -Київ: Міненерговугілля, 2011. –190с.
Abstract..The article is devoted to the study of thermal calculation of high - voltage AC cable lines laid in polymer pipes. Laying cable routes in polymer pipes is a modern high-tech method of building electrical networks, which has advantages over laying high-voltage cables in the open ground or in reinforced concrete channels. This method is characterized by low-volume earthworks in urban areas and short construction times. The generalized formalization of throughput of high- voltage cables with cross-linked polyethylene insulation is offered. In particular, it is shown that in the nominal mode of operation at a cable core temperature of 90 ° C, which is acceptable for cross- linked polyethylene insulation, the cable sheath temperature can reach 75… 85 ° C and therefore polymer pipes for cold water can not be used in cable construction. Cold water supply pipes for laying cables in them are made of low pressure polyethylene and are designed for a temperature not exceeding 40 ° C. The analysis of methods of laying cable lines with cross-linked polyethylene insulation is performed. Emphasis is placed on the main problematic issues of thermal calculation of cable networks. The simulation performed in the COMSOL software environment confirmed the conclusions that the specific value of the cable sheath temperature depends on the cable laying conditions, but averages about 50 ° C. It is established that under some conditions laying of a cable network in a pipe does not reduce admissible current of a cable line, and on the contrary, increases it. Aspects of increase of efficiency of laying of three-phase groups of single-phase cables are formulated. A method for estimating thermal calculations of cable lines with single-phase cables is proposed, which takes into account two mechanisms of heat transfer: due to thermal conductivity and due to convection. An example of thermal calculation of high-voltage cable line according to the adjusted formula for three-phase group of single-phase cables XRUHAKXS-WTC 1x2000RMS in insulation with XPLE voltage 110 kV with copper core cross section 2000 mm2 and screen 150 mm2 is considered.
Keywords:. thermal calculation, cable line, insulation, current.
Науковий керівник: д.т.н., проф. Кирик В.В.
д.т.н., проф. Подольцев О.Д.
Стаття відправлена: 20.12.2021 р.
© Рибка О.О.
https://www.sworldjournal.com/index.php/swj/article/view/swj11-01-007 DOI: 10.30888/2663-5712.2022-11-01-007
УДК 669.587
PROGRESSIVE ZINCING ELECTROLYTES
ПРОГРЕССИВНЫЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ ЦИНКОВАНИЯ
Kryukova Е.A. / Крюкова Е.А.
c.t.s., as.prof. / к.т.н., доц.
ORCID: 0000-0001-8638-3580 Korobkova M.V. / Коробкова М.В.
Kyiv National University of Technologies and Design, Kyiv, Nemyrovycha-Danchenka, 2, 01011 Киевский национальный университет технологий и дизайна,
Киев, Немировича-Данченка, 2, 01011 Аннотация. Цель: провести литературный обзор отечественных и зарубежных источников информации по тематике посвященной процессу электролитического цинкования и особенностям проведения процесса.
Методика: анализ открытых литературных источников методом сравнительной характеристики.
Результаты: установлено, что современные электрохимические производства применяют в большинстве случаев кислые электролиты цинкования из-за их высокой рассеивающей способности и долговременной устойчивости.
Практическая значимость: обобщены наработки ученых-практиков и их рекомендаций относительно процесса цинкования, что позволило лучше понять рассматриваемую проблему.
Ключевые слова: цинкование, электролиты, плотность тока, гальваника.
Вступление.
Металлические конструкции, оборудование заводов и фабрик, детали заводов и машин, а также других металлических изделий должны быть долговечны. Для этого, кроме механической прочности, все изделия должны обладать химической стойкостью, и в первую очередь, должны быть защищены от атмосферной коррозии. Коррозия металлов наносит огромный вред народному хозяйству. Ежегодно в результате коррозии разрушаются многие тысячи готовых изделий. Особенно подвержены коррозии черные металлы, являющиеся основным материалом для изготовления различных конструкций, машин и многих предметов народного потребления. Установлено, что около 10% выплавляемых ежегодно чёрных металлов разрушается от коррозии.
Методы защиты черных металлов от коррозии многообразны. В технике широко используются лакокрасочные, химические и гальванические покрытия.
Во многих случаях одновременно с защитой от коррозии поверхности изделия необходимо придать хороший внешний вид, для этого используют лакокрасочные покрытия. Кроме того, покрытие часто наносят для повышения износостойкости, для восстановления размеров деталей, утраченных в результате механического износа, для изменения электрических свойств поверхностного слоя деталей и других целей. В большинстве случаев для этих целей используются гальванические покрытия [1].
Борьба с коррозией начинается с выбора материала для создаваемого изделия, а также выбора защитного покрытия. Нанесение гальванических
покрытий является одним из эффективных методов защиты металлов от коррозии, повышения износостойкости и соответственно срока службы, надежности деталей машин и механизмов, приборов и радиоэлектронной аппаратуры, улучшения электрохимических характеристик многочисленных токопроводящих деталей. Гальванические покрытия значительно улучшают отделку различных металлических конструкций и изделий, придают им красивый вид. Требования к коррозионной стойкости могут изменяться в широких пределах в зависимости от назначения изделия, условий эксплуатации и планируемого срока службы. Однако наличие у материала высокой коррозионной стойкости при нужной комбинации других свойств является необходимым, но не достаточным критерием, которым должен руководствоваться инженер-конструктор. Его цель должна заключаться в выборе наиболее экономичной комбинации свойств.
Постановка задачи.
Цинк относится к электроотрицательным металлам; его стандартный потенциал –0,786 В. Загрязненный примесями других металлов цинк сравнительно легко растворяется в кислотах и щелочах. Химически чистый цинк растворяется в них медленно вследствие того, что водород, который при этом должен выделяться, имеет на цинке высокое перенапряжение. Реагирует цинк также с H2S и сернистыми соединениями, образуя сернистый цинк. В сухом виде цинк почти не корродирует. Во влажном воздухе и воде, содержащем СО2 и О2, он покрывается пленкой, состоящей из ZnCO3 и защищающей металл от дальнейшего разрушения. Скорость коррозии цинка составляет, мкм/год: 0,5 при чистой сухой атмосфере (пустыня); 1,0–1,5 – в сельской местности умеренного климата; до 5 в чистой влажной атмосфере тропиков; 6–8 в городе с атмосферой, загрязненной газами (SO2, H2S); до 20 в городе с особо загрязненной атмосферой; 4-20 в атмосфере приморья. Большое влияние на скорость коррозии цинка оказывает величина рН среды. В интервале рН 7-12 скорость коррозии цинка минимальна; она растет при отклонении от указанных значений [2].
Цинковые покрытия используются для защиты от коррозии деталей из стали для:
• климатических районов, эксплуатируемых в разной внешней атмосфере, в атмосфере промышленных районов (загрязненной SO2), в закрытых помещениях с умеренной влажностью или загрязненных газами и продуктами сгорания;
• соприкасающихся с пресной водой при температуре не выше 60-700С (водопроводные трубы, питательные резервуары, предметы домашнего обихода);
• эксплуатация при температуре до 3000С;
• контактирующих с топливами, содержащими сернистые соединения и маслами (бензобаки, бензопроводы, маслопроводы и др.).
Высокие защитные свойства цинкового покрытия в результате его анодного характера и низкая стоимость цинка объясняют широкое применение цинкования в различных отраслях промышленности.
Итак, вполне очевидна потребность в цинковых покрытиях, ведь оно занимает свою нишу в бытовой жизни человека. В этой связи была поставлена цель проанализировать современный рынок предоставления электрохимических услуг и определить, какой тип электролитов является актуальным в настоящее время среди производителей гальванических покрытий.
Результаты исследования.
Цинкование проводят в простых (кислых, сернокислых, хлористых, бор- фтористоводородных) и сложных комплексных (цианистых, цинкатных, пирофосфатных, аммиакатных, аминокомплексных с органическими аддендами и др.) электролитах.
Качество осадков и скорость их осаждения зависят от природы и состава электролитов, в значительной степени определяемых характером и степенью изменения катодных потенциалов. Чем больше катодная поляризация, тем более мелкозернистые и равномерные по толщине покрытия осаждаются на детали.
В кислых электролитах без специальных добавок катодная поляризация невелика, хотя осадки из кислых электролитов удовлетворительны по структуре, но менее равномерны по толщине слоя, чем из цианистых и других комплексных электролитов. Допустимая плотность тока и скорость осаждения в кислых электролитах могут быть значительно выше, чем в комплексных.
Наиболее эффективны борфтористоводородные электролиты, так как они обладают высокими буферными свойствами. Кислые электролиты применяются главным образом для цинкования изделий простой формы (листы, ленты, проволоки, стержни, пластины и др.).
Осаждение цинка из цианистых электролитов происходит при высокой катодной поляризации, особенно при большом содержании свободного радикала CN-. Осадки из цианистых электролитов получаются очень мелкозернистыми и равномерными по толщине, чем из кислых электролитов без специальных добавок. В цианистых электролитах выход металла по току ниже, чем в кислых электролитах, он снижается при повышении плотности тока (особенно резко при большом содержании свободного CN-), что способствует улучшению равномерности распределения металла на катоде.
Допустимая плотность тока в цианистых электролитах, как правило, ниже, чем в кислых [3].
Цианистые электролиты применяют в промышленности для нанесения покрытий на детали разной формы – простых и сложных по конфигурации. В цианистых электролитах (без специальных добавок) происходит значительное наводнение стальных деталей, что приводит к резкому ухудшению их механических свойств после цинкования: уменьшается пластичность, увеличивается склонность стали к разрушению. Поэтому не допускается электролитическое цинкование в цианистых электролитах деталей, изготовленных из сталей с пределом прочности 1400 МПа и более. Большим недостатком цианистых электролитов является их токсичность, связанная с испарением синильной кислоты, как при работе самого электролита, так и при
его приготовлении.
В пирофосфатных электролитах стационарные потенциалы выделения Zn на катоде имеют более отрицательные значения, чем в кислых электролитах.
Повышенная катодная поляризуемость и снижение выхода Zn по току при увеличении плотности тока в этих электролитах обуславливают более равномерное распределение металла по катодной поверхности. Качество осадков в большой степени зависит также от pH, концентрации свободного K4P2O7∙3H2O или Na2P2O7∙10H2O и температуры.
В аммиакатных электролитах Zn присутствует в виде комплексного аммиачного катиона Zn(NH3)n2+ (где n = 1÷4 в зависимости от концентрации аммиака). Восстановление этих ионов протекает при более отрицательном потенциале, чем восстановление простых гидратированных ионов, но с повышением плотности тока катодный потенциал изменяется не столь резко, как в цианистых и пирофосфатных электролитах, а наклон поляризационных кривых меньше. Рассеивающая способность, аммиакатных электролитов выше, чем у простых кислых (без специальных добавок), но уступает рассеивающей цианистой способности. Аноды в аммиакатных электролитах растворяются в рабочем интервале плотности тока (равного катодному) с высоким выходом по току [4].
В последние годы в машиностроении для цинкования деталей из стали начали применять борфтористоводородный электролит, состоящий из 280-300 г борфтористоводородного цинка Zn(BF4)2; 28-30 г борфтористоводородного аммония NH4BF4; 28-30 г хлористого аммония NH4Cl и 0,5-1,0 г солодового корня на 1 л воды. В состав электролита вводят HBF4 до получения кислотности pН= 1÷2. Этот электролит обеспечивает высокую интенсификацию процесса цинкования. Светлое, мелкокристаллическое плотное покрытие получают при режиме: tэл = 35÷40°С и Дк = 40÷50 А/дм2.
При цинковании в качестве анодов применяют стержни (пластины), изготовленные из электролитического цинка Ц-0 или Ц-1. Цинковые электроды, интенсивно растворяясь, засоряют электролит, поэтому их помещают в холщовые чехлы.
Для повышения антикоррозионной стойкости оцинкованные детали подвергают осветлению и пассивированию. Посредством химической обработки в растворах солей хромовой кислоты на поверхности цинка создают тонкую (0,5-0,6 мк) хроматную пленку. Сущность процесса пассивирования состоит в восстановлении шестивалентного хрома на поверхности цинка.
Установлено, что защитные свойства хроматных плёнок не снижаются при механическом повреждении (царапины) поверхности детали.
Известны комплексные электролиты цинкования. К ним относятся электролиты с органическими аддендами, такие как: этилендиаминовые, моноэтаноламиновые, триэтаноламиновые, полиэтиленполиаминовые, гликолевые, трилонатные и другие.
Щелочные нецианистые, то есть цинкатные, электролиты в отличие от цианистых нетоксичны и более просты и устойчивы, чем цианистые. Катодная поляризация в цинкатных электролитах без специальных добавок выражается
сравнительно небольшой величиной и мало зависит от концентрации цинка и щелочи. Выход металла по току в интервале допустимых плотностей тока практически не изменяется и равняется примерно 95-98%. Все это вместе с дешевизной делает этот электролит наиболее удобным в применении для нанесения покрытий на стальные изделия [5].
Заключение и выводы.
В работе были рассмотрены существующие химические составы электролитов цинкования и проведен сравнительный анализ основных типов электролитов, которые получили наиболее широкое применение в современной электрохимической промышленности.
Сравнивая электролитические растворы цинкования с экологической точки зрения, можно заключить, что слабокислые электролиты опаснее цианидных.
Это объясняется проблемой нейтрализации и утилизации технологических отходов производственных процессов. Цианидные соединения, которые образуются после цинкования, токсичны, но вопросы их обезвреживания успешно решаются. После оцинковки деталей в слабокислых аммонийных электролитах промывочные сточные воды содержат комплексные соединения аммония с железом, медью, хромом и другими металлами. Эти комплексы имеют крепкую химическую связь и при нейтрализации препятствуют выделению гидроксидов. Обезвреживание отходов после слабокислого процесса цинкования приводит к дополнительным затратам.
В результате сравнения было установлено, что современные электрохимические производства применяют в подавляющем большинстве кислые электролиты из-за их высокой рассеивающей способности и долговременной устойчивости.
Литература:
1. Вайнер Я.В., Дасоян М.А. // Устаткування гальванічних цехів. - М. - Л.:
Машинобудування. 1971. - 296 с.
2. Вансовская К.М., Волянюк Г.А. // Промислова гальванопластика / під ред. Вячеславова П.М. - Л.: Машинобудування - 1986. - 105 с., іл.
3.Шлугер М.А., Струм Я.Д. // Гальванічні покриття в машинобудуванні.
Довідник в 2 -х томах // під ред. М.А. Шлугера, Я.Д. Струму. - М.:
Машинобудування, 1985 - Т.2. 1985, 248 з іл.
4.Кудрявцев Н.П. // Електрохімічні покриття металами. М.: Хімія. 1979 - 351 с.
5.Дасоян М.А., Пальмская И.Я. // Устаткування цехів електрохімічних покриттів. - М.: Машинобудування. 1989 - 391 с.
Abstract. Purpose: to conduct a literary review of national and foreign sources of information on the topic devoted to the process of zinc plating and the peculiarities of working with them.
Methodology: analysis of open literary sources by the method of comparative characteristics.
Findings: it was found that modern electrochemical manufacturing is used galvanizing electrolytes of the acid zinc electrolytes are used because of their high dissipation and long-term stability in most cases.
Practical value: summarized the achievements of practical scientists and their recommendations of the process of zinc coating, which allowed to understand better the problem considered.
Key words: zinc plating, electrolytes, current density, galvanic.
Статья отправлена: 14.01.2022 г.
© Крюкова Е.А.
