Рассказываем, что такое термоэлектронная эмиссия, и как она помогает беречь инженерные сооружения от ржавчины
Прогресс не стоит на месте - и в такой сверхважной сфере, как защита материалов от коррозии, регулярно совершаются новые открытия. Сегодня мы расскажем вам о том, как специалисты работают над улучшением одного из самых эффективных и вместе с тем самых сложных методов - электрохимической защиты. Приготовьтесь - будет интересно.
Что такое электрохимическая коррозия?
В одном из предыдущих материалов мы подробно рассказывали об электрохимической коррозии. Напомним вкратце:
Электрохимическая коррозия возникает, когда один металл находится в контакте с другим в присутствии электролита. К ней относятся, например, все случаи проявления коррозии в водной среде: очень часто электрохимические реакции заставляют ржаветь подводные части судов и морских конструкций (например, буровых вышек), паровые котлы, трубопроводы и так далее.
При этом сама по себе электрохимическая коррозия - враг очень хитрый. Во-первых, для того, чтобы она проявилась, вовсе не обязательно, чтобы два металла непосредственно контактировали друг с другом. Контакт может происходить и на невидимом глазу уровне. Практически любой металл содержит ту или иную дозу примесей. В результате этого на его поверхности при сочетании определенных условий может возникнуть множество микроскопических гальванических элементов - и, соответственно, начнется окисление. Во-вторых, в качестве электролита может выступать не только жидкость, но и любая проводящая электричество среда - например, почва, в которой могут проявляться так называемые блуждающие токи.
Эффективно, но сложно и дорого
Опаснее всего, когда электрохимическая коррозия поражает крупные и важные объекты: к примеру, корабли или инженерные коммуникации. Их преждевременный выход из строя может привести к колоссальным финансовым потерям. Поэтому для борьбы со ржавчиной в них используются целые комплексы защитных средств: от нанесения специальных стойких покрытий до введения химических ингибиторов. Особняком же стоит электрохимический метод. Он имеет свои разновидности, чаще же всего применяют анодную защиту - в ней на объекте организуется электрическая цепь, в которую встраивается «жертвенный анод», изготовленный из металла, легче поддающегося коррозии, нежели металл-основа. Когда в цепь подается ток, жертвенный анод принимает на себя разрушительные воздействия и корродирует, в то время как основной металл остается в целости и сохранности.
Электрохимическая защита - процесс эффективный, но не лишенный своих недостатков. И, пожалуй, главный - потребность в постоянном источнике электропитания, которая сильно снижает его надежность и автономность.
Попытки выправить ситуацию предпринимались и предпринимаются регулярно: так, например, в 1995 году появился патент, в котором предлагалось снабжать трубопроводы специальными генераторами, чтобы движущаяся по ним жидкость вращала микротурбину, а та в свою очередь генерировала необходимое электричество.
Однако, как нетрудно понять, этот метод сложнее и дороже - как минимум он требует строительства самой турбины и электрогенератора, и не факт, что дальнейшая экономия на энергии от внешней сети его окупит.
Бесперебойная энергия от Дальнего Востока до Крайнего Севера
Другое дело - термоэлектрическая защита, при которой электрическая энергия получается из тепловой. Это - перспективное направление, в основе которого лежит явление термоэлектронной эмиссии, когда нагретое тело начинает испускать в пространство электроны, отрицательно заряженные частицы, которые можно уловить и преобразовать в электроэнергию.
Так, например, интересное устройство для термоэлектрической защиты металлов от коррозии разработали в Казанском государственном энергетическом университете. Оно представляет собой щеточку из двух металлов - хромеля и копеля, сплавов хром-никель и никель-медь соответственно. Из них изготовили 50 коротких пластинок и скрепили их зигзагообразно, расплющив концы и плотно прижав друг к другу. Таким образом у ученых получился термоэмиссионный преобразователь - пара проводников из разных металлов, соединенных на одном конце. Воздействуя на преобразователь горячим воздухом научный коллектив добился возникновения на нем электрического тока напряжением 0,18 вольт и мощностью 50 миллиампер. Как показали эксперименты, этого более чем достаточно, чтобы система электрохимической защиты - катодная станция - «питала» током сама себя и не требовала подключения ни к каким внешним источникам.
Похожий, но чуть более продвинутый вариант предложили специалисты Юго-Западного государственного университета. Свою разработку, предназначенную для защиты трубопроводов, они также выполнили из термоэмиссионных преобразователей, но воздействовать на них предложили не горячим воздухом, а перепадом температур. Задумка такая: когда по трубе движется флюид - жидкость или газ - в преобразователе возникает теплообмен между ним (а он, как правило, горячий) и окружающей средой, к примеру, водой или грунтом, в которые уложен трубопровод. В результате теплообменных процессов создает разность температур в зонах нагрева и охлаждения, которая приводит к эмиссии - то есть, «выделению» - электронов. Дальше дело остается за малым - снять сгенерированное электричество, отрегулировать его до нужных показателей напряжения и силы тока и по соединительному кабелю подать на участок трубопровода.
Где могли бы пригодиться такие установки? Прежде всего - на отдаленных территориях, в Арктике и на Крайнем Севере, куда трудно подвозить топливо. А особенно актуальными подобные разработки становится в наши дни, когда в стране взят курс на освоение безлюдных просторов - в том числе для строительства новых крупных нефте- и газопроводов.