Анализ и расшифровка рентгенограмм медных проводников
Рентгеноструктурный анализ медных проводников
Отечественная методика рентгеноструктурного анализа медных проводников с дуговыми оплавлениями, позволяющая дифференцировать так называемое «первичное» (произошедшее до пожара) и «вторичное» (произошедшее в результате пожара) короткие замыкания, впервые была разработана во ВНИИПО профессором Смелковым Г.И. с соавторами [49]. Методика реализовывалась рентгеновской съемкой проводников фотометодом.
В существенно модернизированном виде, с использованием рентгеновских дифрактометров общего назначения, методика была разработана в 1986 году и апробирована в ЭИЦ МВД СССР Россинской Е.Р. с соавторами [67].
Ниже приведена методика по [67] с добавлениями, касающимися использования современной рентгеновской техники.
Основы метода
С помощью рентгеноструктурного анализа исследуются провода и кабели без металлической оплетки, с медными жилами, проложенные как открыто, так и в металлорукавах, трубах и т. д.
При исследовании медных проводников используется рентгеноструктурный фазовый анализ поверхностного слоя. Известно, что медь обладает высоким сродством к кислороду [48]. При ПКЗ по длине проводника возникает градиент температур. В месте оплавления достигается температура плавления меди 1083 °С и выше. На поверхности при этом интенсивно образуется оксид меди (I) * по реакции:
2 CuO = Cu2О + l/2 O2,
равновесие которой сдвинуто вправо при температуре выше 800 °С. По мере удаления от места оплавления температурное влияние дуги КЗ ослабевает, и содержание оксида меди(I) на поверхности уменьшается. На расстоянии 25-30 мм от места оплавления содержание оксида меди(I) в поверхностном слое соответствует содержанию оксида меди(I) в исходном проводнике. В то же время содержание оксида меди(I) в поверхностном слое на участке, примыкающем к оплавлению, остается достаточно высоким, несмотря на то, что этот участок не подвергался непосредственному воздействию дуги короткого замыкания.
|
|
|
_____________________________________________________________________________
*В соответствии с применяемой в настоящее время химической терминологией, вещество, называемое в ранее разработанных методиках закисью меди (Cu2O), следует называть оксидом меди(I), а окись меди (CuO) – оксидом меди(II).
При ВКЗ в условиях реального пожара в задымленной атмосфере содержатся продукты неполного сгорания органических веществ, в частности СО. В этом случае при коротком замыкании будет происходить восстановление окиси меди (I) в месте оплавления по реакции:
Cu2O + CO = 2 Cu + CО2.
Если КЗ предшествовал интенсивный нагрев в условиях незначительного задымления, то на поверхности проводника образовался окисный слой. Поскольку ВКЗ приводит к восстановлению окисных фаз только на поверхности места оплавления и в прилегающем участке, приповерхностное содержание окисных фаз на этих участках будет значительно ниже, чем в отстоящем участке.
|
|
|
Если КЗ произошло сразу же вслед за разрушением изоляции и проводники предварительно не подвергались термическому воздействию, то в окислительной среде окисные фазы отсутствуют и в оплавленном (примыкающем), и в отстоящем участках.
Важным фактором является термическое воздействие на проводник, которое происходит в ходе пожара после КЗ. В условиях реального пожара нагрев возможен в окислительной среде (отсутствие газов-восстановителей) и в восстановительной среде (в атмосфере продуктов неполного сгорания).
Термическое воздействие в окислительной атмосфере при температуре 900 °С и более в течение 30 и более минут приводит к равномерному окислению поверхности медной жилы по всей длине, и дифференцирующие признаки уничтожаются. Нагрев в восстановительной атмосфере при температуре 900 °С и более в течение 30 и более минут приводит к восстановлению окисной пленки по всей длине жилы и также уничтожает дифференцирующие признаки.
|
|
|
Пробоподготовка, аппаратура, условия съемки медных проводников
1 Отрезки медных проводников тщательно промываются в этиловом спирте и протираются марлевым тампоном для удаления с поверхности копоти, грязи и оксида меди (II).
2 От проводника осторожно отделяется место оплавления для металлографического анализа.
3 Затем приготовляются два образца: первый (участок А) длиной 5 мм - участок, непосредственно примыкающий к месту оплавления, и второй (участок В) длиной 5 мм - участок, отстоящий от места оплавления на 35 мм (рисунок 2.76).
Рисунок 2.76 - Выбор участков для РСА медного проводника с оплавлением
Для проведения рентгеноструктурного исследования могут применяться как рентгеновские дифрактометры, так и рентгеновские установки с фотографической регистрацией в камерах Дебая-Шерера. При возможности выбора предпочтение следует отдавать рентгеновской дифрактометрии, поскольку в этом случае используются количественные критерии оценки первичности (вторичности) КЗ.
Образцы помещаются в держатель рентгеновского дифрактометра таким образом, чтобы образующая цилиндрического образца находилась в плоскости рентгеновского луча, а сам отрезок при этом был перпендикулярен направлению распространения рентгеновского излучении (рисунок 2.77).
|
|
|
 |
1 - Держатель 2 - Пластилин 3 - Образец
Рисунок 2.77 - Схема установки медного проводника в рентгеновский дифрактометр
При съемке в камере Дебая-Шерера для проводников сечением менее 1,5 мм2 рентгеновский пучок, падающий перпендикулярно к образующей образца, должен омывать его центральную часть. Если сечение проводника больше 1,5 мм2, то применяется метод съемки неполной рентгенограммы, когда центральная часть образца наполовину перекрывает пучок.
Рекомендуемые режимы съемки медных проводников на рентгеновском дифрактометре ДРОН:
излучение – медное ( кобальтовое и др.);
напряжение — 30 -35 кВ;
анодный ток — 30 - 45 мА;
Съемка осуществляется с вращением образца, в непрерывном режиме.
Участок А и В снимаются при одинаковых условиях.
Интервал углов съемки зависит от материала анода рентгеновской трубки и его необходимо изменить при замене трубки, материала анода трубки (таблица 2.19)
Таблица 2.19 - Выбор интервала углов для съемки медного проводника
| Материал анода рентгеновской трубки | Исследуемый интервал углов, 2θ, град | |
| Cu | 34,0-46,0 | |
| Ni | 36,0-48,0 | |
| Co | 41,0-52,0 | |
Прирентгеноструктурном анализе (РСА) медных проводников расчет рентгенограмм ведется по линии оксида меди (I) с d/n=2,45 Å и hkl (111)и линии меди с d/n = 2,08 Å и hkl (111) (hkl – индекс атомной кристаллической плоскости, записывается в круглых скобках, d/n – межплоскостное расстояние в Å).
Анализ медных проводников по линиям оксида меди (II) не производится, поскольку из-за плохой адгезии к поверхности, часть оксида меди (II) может осыпаться при изъятии и транспортировке (основная линия оксида меди (II) - d/n = 2.51 Å).
Анализ и расшифровка рентгенограмм медных проводников
Медный проводник, неподвергавшийся тепловому воздействию, содержит в приповерхностном слое две фазы – медь и оксид меди (II).
В медном проводнике, который подвергался нагреву до температур выше 800 °С, появляется третья фаза - оксид меди (I). Чем выше температура воздействия на медный проводник, тем значительнее содержание этого оксида.
Кристаллографические данные трех фаз, присутствующих в медных проводниках, приведены в таблице 2.20.
Таблица 2.20 - Кристаллографические данные основных фаз, присутствующих в медных проводниках
| Фаза | Индексы атомных плоскостей - hkl | Межплоскостное расстояние - d/n, Å | Относительная интенсивность линии – Jотн, % | θ, град (трубка из меди) | θ, град (трубка из кобальта). |
| Сu
| 111 | 2,08 | 100 | 21,75 | 25,49 |
| 200 | 1,81* | 53 | 25,21 | 29,64 | |
| 220 | 1,28 | 33 | 37,03 | 44,37 | |
| 311 | 1,09 | 33 | 45,01 | 55,20 | |
| 222 | 1,04 | 9 | 47,87 | 59,39 | |
| 400 | 0,90 | 3 | 58,93 | 84,02 | |
| Сu2O
| 110 | 3,00 | 20 | 14,89 | 17,36 |
| 111 | 2,45 | 100 | 18,34 | 21,43 | |
| 200 | 2,12 | 31 | 21,32 | 24,97 | |
| 220 | 1,51 | 44 | 30,70 | 36,35 | |
| 311 | 1,28 | 31 | 37,03 | 44,37 | |
| СuО
| 002 | 2,51 | 100 | 17,89 | 20,89 |
| 200 | 2,31 | 100 | 19,49 | 22,80 | |
| 202 | 1,85 | 20 | 24,63 | 28,44 |
Примечание: θ- дифракционный угол, соответствующий данной рентгеновской линии.
Из таблицы 2.20 видно, что рентгеновские линии Сu, СuО и Сu2О, которые могут присутствовать в медном проводнике, имеют значительные различия, хорошо разрешаются и дают возможность количественно определять каждую из этих трех фаз.
В качестве аналитических линий необходимо выбирать основные или значительные по интенсивности линии определяемой фазы. В данной методике в качестве аналитических линий выбраны основная линия оксида меди (I) - d/n = 2.45 Å и основная линии меди - d/n = 2.08 Å(таблица 2.19).
Повышенная (или, соответственно, пониженная) концентрация оксида меди (I) в поверхностном слое проводника, непосредственно у оплавления, является дифференцирующим признаком первичного и вторичного короткого замыкания.
Расшифровку полученных рентгенограмм проводят с использованием таблицы:
- определяют принадлежность каждой линии на рентгенограмме к конкретной фазе,
- выбирают на рентгенограмме из всех линий аналитические линии по которым проводятся расчеты,
- производят расчет интегральных интенсивностей (или площадей) аналитических линий для участка проводника, прилегающего к оплавлению, и участка, отстоящего от оплавления на 35мм, причем интегральную интенсивностей линии оксида меди (I) обозначают как - JCu2 O, интегральную интенсивность линии меди (I), как - JCu.
Необходимо различать два понятия: относительную интенсивность пика (Jотн) и интегральную интенсивность пика.
Относительная интенсивность пика – это высота пика в относительных единицах (таблица 2.19). Интегральная интенсивность определяется, как площадь пика и обозначена для линии меди как JCu , для линии оксида (1) как JCu2 O .
Необходимо также учитывать, что для образцов сечением более 1,5 мм2 линии на рентгенограммах могут смещаться влево или вправо, причем смещаются все линии на одно и тоже количество градусов.
Предварительные выводы о первичноси (вторичности) КЗ можно сделать, анализируя интенсивность аналитических линий визуально.
Если при одинаковой интенсивности линий меди линия оксида меди (I) на рентгенограмме участка А оценивается как сильная, а аналогичная линия на рентгенограмме участка В оценивается как слабая (на уровне фона) - имеет место ПКЗ.
Если линия Сu2О на рентгенограмме участка А оценивается как слабая (на уровне фона), а аналогичная линия на рентгенограмме участка В оценивается как сильная - имеет место ВКЗ.
Если линии Сu2О присутствуют только на рентгенограмме участка В, имеет место ВКЗ, только участка А - ПКЗ.
В остальных неявных случаях, необходимо провести расчеты интегральных интенсивностей аналитических линий.
Полученные на рентгенограмме аналитические линии планиметрируются для определения площади линий или интегральных интенсивностей ( JCu2 O и JCu). Планиметрирование можно заменить взвешиванием на аналитических весах. В этом случае рентгеновская линия переводится на кальку, вырезается и взвешивается.
Далее рассчитывается соотношение площадей или весов аналитических линий Сu2О и Сu для двух участков:
JCu2 O/ JCu для участка А
JCu2 O/ JCu для участка В.
Если JCu2 O/ JCu для участка А превосходит JCu2 O/ JCu для участка В в два и более раза, то оплавление образовалось в результате ПКЗ.
Если JCu2 O/ JCu участка А меньше JCu2 O/ JCu участка В в два и более раза, то оплавление образовалось в результате ВКЗ.
Все остальные промежуточные результаты являются недостаточно достоверными. В этом случае необходимо продолжить исследование металлографическими методами.
В случае, если на поверхности проводника в результате термического воздействия пожара отсутствует фаза Сu2O, исследование также необходимо продолжить с помощью металлографии.
Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 932; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!