Что такое ШИП ? 

Модульная система заземления ШИП^® представляет собой сборную конструкцию , которая позволяет построить любую конфигурацию заземляющего устройства для достижения требуемого значения сопротивления.

Элементы заземления ШИП:

• стальной стержень диаметром 16 миллиметров и длиной 1,5 или 1,2 метра;
• переходная втулка, обеспечивающая надежное соединение стержней в единый вертикальный электрод;
• наконечник того или иного типа в зависимости от характера грунта;
• дополнительные аксессуары для монтажа.

Все основные элементы ШИП имеют антикоррозийное защитное покрытие, выполненное по технологии термодиффузионного цинкования (ТДЦ), устойчивое к электрохимическим и механическим воздействиям.

Чем ШИП отличается от других систем заземления ?

• антикоррозийное ТДЦ покрытие обеспечивает срок службы более 30 лет;
• защитное покрытие цинком обеспечивает безопасность близлежащих металлических конструкций (трубопроводы, кабели) от гальванической коррозии и при наличии блуждающих токов;
• модульная архитектура позволяет конструировать систему под конкретные требования с учетом специфических особенностей грунта;
• глубина установки до 35 метров обеспечивает независимость сопротивления заземления от сезонных колебаний температуры и влажности;
• возможность выбора способа соединения заземлителей используя газо-(электро) сварку или специальные зажимы;
• существенно меньший объем земляных работ при строительстве системы методом заглубления одного или нескольких одиночных глубинных заземлителей;
• минимально необходимая площадь для монтажа позволяет обустраивать систему заземления непосредственно в подвалах зданий или сложных объектах строительства.

Таблица: Технические характеристики системы глубинного заземления ШИП

Сравнительный анализ материалов заземлителей и защитных покрытий 

Ниже приводятся некоторые основные соображения, из которых мы исходим при построении заземляющих устройств. Вы можете сразу перейти к выводам, расположенным в конце настоящего сравнительного анализа.

Коррозионная агрессивность грунта

Т.к. механизм коррозии в грунте почти всегда носит электрохимический (гальванический) характер, в дальнейшем мы будем рассматривать только этот тип агрессивного воздействия на находящиеся в грунте элементы заземления.

Коррозией называется разрушение металлов и сплавов под влиянием химического и электрохимического воздействия внешней среды.

Коррозионная агрессивность грунта (почвы) определяется совокупностью различных факторов: структуры грунта, пористости, состава, его влажности, воздухопроницаемости, концентрации и состава солей, величины рН и общей кислотности, а также зависит от рельефа и климатических условий местности.

Влажность грунта играет большую роль в протекании коррозионных процессов. При малой влажности велико электрическое сопротивление грунта, что обуславливает уменьшение значения протекающего коррозионного тока. При большой влажности электрическое сопротивление грунта уменьшается, но сильно затрудняется диффузия кислорода к поверхности металла. Существует различные мнения о том при каком значении влажности наблюдается максимальная коррозия.

Кроме того , скорость коррозии сильно зависит от наличия блуждающих токов в грунте. Это необходимо дополнительно учитывать на объектах, находящихся в зоне влияния электрифицированного транспорта или высоковольтного оборудования.

На наш взгляд, использование при строительстве систем заземления черного металла безо всякой защиты в грунте неоправданно. С одной стороны, в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50571.5.54-2011, использование незащищенных коррозионностойким покрытием заземляющих электродов не предусматривается. П.542.2.3 гласит: Материал и конструкция заземлителей должны быть устойчивыми к коррозии.

Действительно, в зависимости от марки стали, коррозионной агрессивности грунта и прочих факторов скорость коррозии может достигать значений 0,3 мм/год. Можно оценить, насколько разрушится 5 мм уголок обыкновенной углеродистой стали по прошествии 5-7 лет.

С другой стороны, экономической, общая сметная стоимость построения системы заземления в большей степени определяется схемой заземления, объемом непосредственно земляных работ и, если применимо, восстановительных работ (асфальтовые и бетонные покрытия дорожного полотна и тротуаров, а также газонов и зеленых насаждений), а не стоимостью самих материалов (пример ТЭО).

В свете вышеизложенного , предположения типа а что если просто забить в землю кусок углового проката мы не рассматриваем.

Требованиями ГОСТ Р 50571.5.54-2011 предусматривается применение следующих материалов для элементов конструкции системы заземления расположенных в грунте:

• медь;
• нержавеющая сталь;
• сталь с медным покрытием;
• сталь с цинковым покрытием;

Рассмотрим применимость эти материалов.

Медь

Изделия из чистой меди редко используются в практике заземления по причинам очень высокой стоимости и отсутствия достаточной механической прочности. Вместо этого используются медно-содержащие сплавы, такие как латунь и бронза. Либо медь применяется для создания защитного слоя на поверхности стальных изделий.

Также необходимо принимать во внимание потенциальную опасность цветных металлов для стальных подземных коммуникации, о чем будет сказано ниже в разделе о гальванической коррозии.

Нержавеющая сталь

К нержавеющим сталям (нержавейкам) относят группу коррозионностойких сталей с высоким содержанием (не менее 10,5%) хрома и низким (менее < 1.2%) содержанием углерода.

Изделия из нержавейки критичны к степени обработки поверхности — шероховатая и царапанная может корродировать, а полированная до блеска сохраняет коррозионную стойкость.

Нержавейка не ржавеет благодаря защитной плёнке окисла хрома на поверхности металла. При отсутствии кислорода оксидный слой хрома разрушается, и нержавеющая сталь покрывается ржавчиной как обычная чёрная. Таким образом, нержавейка не ржавеет только до тех пор, пока имеется доступ кислорода к поверхности и покрывающий ее окисел хрома не разрушен.

Однако, несмотря на отличные антикоррозийные свойства качественной нержавейки , её использование для изготовления заземлителей имеет весьма существенный минус, который перевешивает все положительные свойства — высокая стоимость. Когда мы видим в описании изделия материал нержавеющая сталь, то надо понимать, какой она марки. Различают более сотни видов нержавеющей стали. В зависимости от марки стоимость материала может отличаться более чем в три раза! Соответственно, будет различаться и коррозионная стойкость изготовленных из неё изделий.

Цинковые и медные защитные покрытия 

Цинкование — покрытие основного металла слоем цинка для защиты от коррозии.

Омеднение — тот же принцип, но с использованием меди. Наиболее распространенным способом омеднения заземлителей является гальваническое покрытие.

Известно, что железо не способно защитить себя от окисления — образования ржавчины. Если покрыть железо слоем металла, образующего защитную плёнку, то эта плёнка не пропустит кислород как к металлу покрытия, так и к железу, находящемуся под покрытием. Таким образом достигается защита от коррозии.

Но, с точки зрения гальванической коррозии, медное покрытие работает совершенно по иному, в отличие от цинкового, в случае повреждения защитного покрытия и открывшемся доступе к основному металлу.

Таблица: Электрохимический ряд потенциалов некоторых металлов

При сочетании двух металлов (например алюминий и медь) и наличия электролита (влага в воздухе или почве), между ними начнет протекать ток, вызванный разностью потенциалов (-1,7 и +0,52 = 2,22 В). При этом один металл (алюминий), так как он в этой таблице левее, будет разрушаться, а другой (медь) останется практически нетронутым.

В паре металлов разрушается более электроотрицательный металл (алюминий), т.е. тот, который в таблице левее.

Этот процесс называется электрохимической или гальванической коррозией. Чем дальше друг от друга разнесены по таблице металлы, тем больше разность потенциалов при их взаимодействии и тем интенсивнее происходит реакция.

По этой причине нельзя скручивать вместе алюминиевый и медный провод, т.к. постепенно, в результате электрохимической коррозии, в месте их контакта будет возрастать сопротивление. А рост сопротивления вызовет разогрев контакта при протекании тока и еще больший рост сопротивления… Недалеко и до пожара.

Вернемся к сравнению омедненных и оцинкованных заземлителей.

При заглублении заземлителя на его поверхность воздействуют т.н. обдирочные абразивные воздействия, и неизбежно образуются царапины, особенно в случае каменистого грунта, содержащего строительный мусор и т.д.

Если глубина царапины превышает толщину защитного слоя, то, в результате попадания воздуха и влаги, цинк и железо образуют гальваническую пару, в которой железо является менее активным металлом. В результате цинк в составе покрытия вступает в реакции коррозии первым, и, жертвуя собой, защищает железный сердечник. Такой тип покрытия называется анодным. Он обеспечивает защиту основного металла не только механически, но и электрически.

Напротив, в результате повреждения защитного слоя омеднения, медь и железо образуют гальваническую пару, в которой разрушаться начнет именно железо, т.к. оно более электроотрицательно. Такой тип покрытия, обеспечивающий лишь механическую защиту основного металла, называется катодным.

Вот почему в случае применения омедненных заземлителей так важны требования к толщине слоя омеднения, который должен составлять не менее 200-250 мкм, а также его высокой адгезии, обеспечивающей сохранение защитного слоя при механических нагрузках.

Кроме того, если в грунте рядом с местом обустройства заземления залегает незащищенный трубопровод, кабель или иная металлическая конструкция, то возникает гальваническая пара между материалом защитного покрытия (медь или цинк) и внешним металлом.

В случае использования омедненных заземлителей разрушаться будет именно трубопровод, что, как правило, недопустимо.

Методы нанесения цинковых покрытий 

Для нанесения металлических покрытий используют различные методы, основными из которых являются:

• химическое осаждение из растворов;
• горячее металлопокрытие;
• диффузионное;
• распыление металла сжатым воздухом;
• гальваническое осаждение.

Термодиффузионное цинкование (ТДЦ) — метод насыщения металла цинком при термической обработке в специальной порошковой смеси.

Изделие погружают в камеру-муфель, засыпают цинксодержащий порошок и вращают несколько часов при температуре 300-450°С. В результате нагревания атомы цинка за счет диффузионного процесса проникают в поверхностные слои обрабатываемых изделий. При этом поверхность приобретает серый матовый цвет.

При методе термодиффузионного цинкования в результате диффузии цинк внедряется в кристаллическую решетку металла, поэтому прочность связи покрытия с основным материалом резко возрастает.

Согласно ГОСТ Р51163-98 (Покрытия термодиффузионные цинковые) коррозионная стойкость термодиффузионного цинкового покрытия в 3-5 раз превышает коррозионную стойкость гальванического и в 1,5-2 раза горячего цинкового покрытий при эксплуатации в промышленной и морской атмосфере.

При сварке деталей термодиффузионное покрытие в горячей зоне не выгорает (высокая температура кипения железоцинковых фаз покрытия) и примыкает встык к сварочному шву.

Кроме того, для диффузионных цинковых покрытий характерно затухание коррозии во времени вследствие формирования на поверхности цинка, прочно сцепленных нерастворимых продуктов коррозии.

Таблица: Сравнительные характеристики некоторых цинковых покрытий

Можно выделить основные преимущества покрытия ТДЦ перед другими видами цинкования:

• высокая коррозионная устойчивость за счет высокой адгезии и равномерности покрытия;
• высокая твердость и сопротивление абразивному износу;
• высокая микротвердость покрытия на резьбовых участках.

Выводы 

Медь — мягкий металл и не применим при существенных механических нагрузках, например, для забивания в грунт на достаточную глубину. Стоимость меди является самой высокой из рассматриваемых материалов.

Преимущество стальных заземлителей с защитным покрытием перед заземлителями из нержавеющей стали (при условии соответствия их коррозийной устойчивости) — существенно более низкая стоимость.

Основные преимущества защитного покрытия ТДЦ перед омеднением:

• высокая устойчивость к коррозии даже при механическом повреждении покрытия;
• безопасность для подземных металлических конструкций и коммуникаций;
• возможность использования электросварки для присоединения токоотвода;
• возможность использования для токоотвода широко распространенных оцинкованных проводников.

Таблица: Сравнение заземлителей с защитным покрытием