КОРРОЗИЯ СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ И МЕРЫ ЗАЩИТЫ

ЛЕКЦИЯ 27, 28. КОРРОЗИЯ СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ И МЕРЫ ЗАЩИТЫ

Виды и причины коррозии.

Коррозия — процесс разрушения металлических оболочек кабелей (свинцовых, стальных, алюминиевых), а также защитных и экранирующих покровов (стальной брони, медных алюминиевых экранов) вслёдствие химического электрического воздействий окружающей среды. Различают следующие виды коррозии: почвееную (электрохимическую); межкристаллитную (механическую) и электрокоррозию (коррозию блуждающим токами).

Коррозия оболочек приводит к потере герметичности кабелей связи, ухудшению их электрических свойств и в ряде случаев выводит кабель из строя. Разрушающее действие коррозии характеризуется следующими данными: 1 А блуждающего в земле тока приводит к потере в течение года 12 кг стали, 36 кг свинца, 100 кг алюминия.

В зависимости от характера, взаимодействия оболочки кабеля и почвы, в которой он находится, а также от прохождения блуждающего тока, вдоль кабеля образуются анодные, катодные или знакопеременные зоны.

Анодной зоной называется участок кабеля, на котором он имеет положительный электрический потенциал по отношению к окружающей среде. В этой зоне токи стекают с оболочки, унося частицы металла и разрушая ее.

Катодной зоной называется участок, на котором он имеет отрицательный электрический потенциал по отношению к окружающей среде. В этой зоне ток втекает в оболочку, не создавая опасности ее разрушения.

Знакопеременной зоной называется участок, на котором имеет место чередование положительных и отрицательных потенциалов по отношению к земле."

Скорость коррозии зависит от величины тока, протекающего между анодом и катодом, и природы процессов. Ее можно определить по формуле

где UK и Uа — катодный и анодный потенциалы; Sa-площадь анодного участка; R—внутреннее сопротивление цепи; К— коэффициент, определяемый числом Фарадея.

ПОЧВЕННАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ

Почвенной коррозией называется разрушение металлической оболочки кабеля, вызванное электрохимическим процессом взаимодействия металла с окружающей его почвой. Основными причинами, вызывающими почвенную коррозию, являются: содержание в почве влаги органических веществ, кислот щелочей, неоднородность оболочки кабеля, неоднородность химического состава грунта, соприкасающегося с оболочкой кабеля, неравномерное проникание кислорода воздуха к оболочке кабеля. В результате на поверхности металла образуются гальванические пары, что сопровождается циркуляцией тока между металлом и окружающей средой (рис. 27.1). В местах выхода токов из оболочки кабеля в грунт образуются анодные зоны, в которых и происходит разрушение оболочки.

Рис. 27.1. Почвенная коррозия:

+ анодная зона; — катодная зона; 1 — оболочка кабеля; 2 — токи коррозии

Интенсивность коррозии зависит от степени агрессивности среды, которая характеризуется двумя параметрами: vудельным сопротивлением грунта .и химической характеристикой грунта по кислотному содержанию рН (рН — это кислотное число, характеризующее число ионов водорода в единице объема грунта).

По удельному сопротивлению грунты подразделяются на три категории:

низкоагрессивные (песчаные, глинистые, каменистые)—р>100 Ом-м;

среднеагресиионые (суглинистые, лесные, слабый чернозем)—р = 20 100 Ом-м;

высокоагрессивные (торф, известь, чернозем, перегной, мусор) — р< <1О0Ом-м.

Третья категория грунтов весьма опасна для металлических оболочек в коррозийном отношении.

По химическому содержанию (кислотному числу рН) грунты также делятся на три категории:

рН = 5 — кислотные грунты,, содержащие растворы серной, азотной, соляной кислот (торф, перегной, чернозем, отходы производства и др.);

рН = 5... 10 — нейтральные грунты (песок, глина, скала);

рН = 10 ... 15 — щелочные грунты, содержащие растворы кальция, натрия, калия, фосфора и др. (известь, удобрения, зола и т. д.).

На рис. 27.2 показана агрессивность грунтов различных категорий. Следует иметь в виду, что различные металлы по-разному ведут себя в различных грунтах. Свинец разрушается главным образом в щелочных средах, а также в кислотных средах при потенциале выше — 1,5 В. Алюминий подвержен весьма интенсивной коррозии в обеих средах. На сталь весьма агрессивно действует кислотная среда и меньше влияет щелочная.

Рис. 27.2. Подверженность коррозии различных металлов:

I—кислотный грунт; II—нейтральный; Ш— щелочной

Межкристаллитная коррозия

Межкристаллитная коррозия возникает вследствие вибрации кабеля при его транспортировке на значительные расстояния, прокладке кабеля вблизи железных дорог с большим грузовым движением, на мостах автомобильных и железных дорог, а также при подвеске на опорах воздушных линий. В свинцовой оболочке кабеля при межкристаллитной коррозии появляются мелкие трещины, которые, увеличиваясь за счет продуктов коррозии, приводят к дальнейшему разрушению металла и распаду не участков оболочки.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ

Электрокоррозия — это процесс разрушения металлической оболочки кабеля за счет блуждающих токов земле. Источниками блуждающих токов могут быть рельсовые пути трамвая, электрифицированных железных дорог, метрополитена, установок дистанционного питания, использующих в качестве обратного провода землю.

На электрифицированных железных дорогах и трамвайных сетях питающий ток, возвращаясь по рельсам к питающей подстанции, частично ответвляется в землю. Проходя по земле и встречая на своем пути металлическую оболочку кабеля, ток распространяется по этой оболочке (pис. 27.3), а затем сходит с оболочки в землю и рельсу, чтобы возвратиться к другомy полюсу генератора. Те участки кабеля, на которых блуждающие токи входят из земли в кабель, образуют катодную зону; участки кабеля, на которых блуждающие токи выходят из кабеля в землю, образуют анодную гону, в которой происходит разрушение оболочки кабеля.

Рис. 27.3. Схема прохождения блуждающих токов от эл. ж. д.

На междугородных кабельных линиях может применяться дистанционное питание усилительных пунктов по системе «провод — земля». При этом ток, стекающий с заземлителя, частично попадает на оболочку кабеля, образуя катодную зону, а затем этот ток в другом месте стекает с оболочки в землю, образуя анодную зону.

Интенсивность электрокоррозии металлической оболочки зависит от величины тока и напряжения в ней. По действующим нормам напряжение и ток не должны превышать: UK< <—0,9 В; /к<0,15 мА/дм2. При больших значениях VK и 1К требуется защита кабеля от коррозии.

На электрифицированном транспорте возможны два варианта заземления источников питания (рис. 27.4):

отрицательного потенциала; б) заземление положительного потенциала

заземление отрицательного электрода (трамвай, метрополитен, эл. ж. д.); заземление положительного электрода (пригородная железная дорога).

В первом случае однозначно известна анодная зона — зона разрушения кабеля и можно осуществлять его защиту. Во втором случае анодная зона перемещается вдоль кабеля вместе с движением электропоезда. Кабель подвержен опасности разрушения на всем пути и трудно, реализовать защитные меры. Поэтому необходимо иметь заземление отрицательного электрода источников питания.

Рис. 27.4. Варианты заземления источников питания: а) заземление отрицательного потенциала; б) заземление положительного потенциала

Измерения при защите кабелей от коррозии.

Для выявления опасных анодных зон и осуществления защиты кабелей от коррозии приводится комплекс измерений: потенциалов и токов на оболочке кабеля, удельного сопротивления грунта по трассе кабеля; переходного сопротивления «кабель—земля» и плотности тока, стекающего с кабеля, разности потенциалов «кабель—рельс».

Важной характеристикой является создаваемая блуждающими и почвенными токами величина потенциалов на оболочке кабеля по отношению к земле. Измерение этой величины производится с помощью металлических электродов-заземлителей на бронированных кабелях в местах установки КИП, а на голых — в кабельных колодцах. По данным измерений строят диаграммы распределения потенциалов вдоль трассы кабеля, выявляют анодные зоны и определяют участки, требующие защиты от коррозии (рис. 27.5).

Контрольно-измерительные пункты оборудуют на подземных кабелях для осуществления электрических измерений потенциалов блуждающих и почвенных токов, а также для контроля за состоянием изолирующих покровов кабеля без специальных раскопок котлованов и вскрытия защитных покровов. Установку КИП в зависимости от типа кабеля и условий прокладки производят на различном расстоянии друг от друга (0,6 ,2 км), обычно устройства соединительных муфт.

На кабелях в свинцовых оболочках с броней и наружным джутовым покровом (кабели типов МКСБ, КМБ и др.) установку КИП производят через 0,6—2 км, на кабелях с алюминиевыми оболочками, в полиэтиленовых защитных шлангах — через 6—7 км.

1 2 3 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Номера колодцев

Рис. 27.5. Диаграмма распределения потенциала на кабеле вдоль трассы в местах

Кроме этого, КИП устанавливаются в местах оборудования заземлений или перемычек оболочкой и броней, предусмотренных для защиты от влияния ЛЭП, эл; ж. д., переменного тока и ударов молнии, а также в местах установки устройств защиты от коррозии. При передаче дистанционного питаниях по системе «провод—земля» КИП-1 оборудуется на расстоянии 75—100 м и 250—300 м в. обе стороны от каждого НУП.

Применяются два типа КИП: для установки на бронированных кабелях в металлических оболочках без изолирующих покровов КИП-1 и на бронированных и небронированных кабелях в металлических оболочках пластмассовыми покрытиями КИП-2.

Рис. 27.6. Схема соединений: а) на КИП-1; б) на КИП-2

Контрольно-измерительный пункт представляет собой железобетонный столбик прямоугольного сечения с внутренней продольной трубой, через которую проходят соединительные провода. В верхней части столбик укрепляется коробка (ниша) с наружной дверкой. Внутри коробки крепится щиток из изоляционного материала с клеммами, к которым подключаются соединительные провода от оболочки и заземления. Нижняя часть столбика заканчивается двусторонним выступом, препятствующим выдергиванию столбика из земли: КИП-1 имеет щиток с двумя клеммами, а КИП-2 —с пятью.

Схемы монтажа КИП-1 и 1 показаны соответственно на рис. 27.6

Защита кабелей от почвенной, электрокоррозии, межкристаллитной коррозии.

МЕРЫ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ

Защитные меры по коррозии оболочек кабелей связи производятся как на установках электрифицированного транспорта, так и на сооружениях связи.

На электрифицированном транспорте осуществляются следующие меры защиты:

уменьшают сопротивление рельсов путем качественной сварки стыков;

улучшают изоляцию рельсов от земли (полотно из гравия, щебня, песка);

переполюсовывают источники питания так, чтобы заземлялся минусовый электрод.

На сооружениях связи такими мерами защиты являются:

выбор трассы с менее агрессивным грунтом (песок, глина, суглинок, нежирный чернозем);

применение кабелей с герметичными полиэтиленовыми шлангами поверх металлических оболочек (обязательно для алюминия и стали);

электрический дренаж (от электрической коррозии);

катодные установки (от электрической и почвенной коррозии);

изолирующие муфты (от электрической коррозии);

протекторные установки (от почвенной коррозии);

антивибраторы амортизирующие, рессорные, подвески (от межкристаллитной коррозии).

Электрический дренаж, катодные и протекторные установки относятся к активным электрическим методам защиты, остальные — к пассивным.

Электрический дренаж — это отвод блуждающих токов с защищаемого кабеля посредством проводника. Дренаж подключается к кабелю в середине анодной зоны, т. е. там, где кабель имеет наибольший положительный потенциал по отношению к земле. Блуждающие токи по дренажному кабелю отводятся из оболочки защищаемого кабеля к рельсам или минусовой шине, питающей подстанции. В результате анодная зона на кабеле превращается в катодную (рис. 27.7).

"При необходимости устанавливают несколько дренажей с тем, чтобы на всем сближении кабелей связи с эл. ж. д. оболочка имела отрицательный потенциал. Такие дренажи называются прямыми электрическими дренажами. Прямой электрический дренаж имеет двустороннюю проводимость, поэтому он используется только в устойчивых анодных зонах, например при защите междугородного кабеля от блуждающих токов дистанционного питания.

Рис. 27.7. Электрический дренаж: а) принцип действия; б) потенциал на кабеле

Рис. 27.8. Схема поляризованного дренажа ПГД:

Д — диод; А — амперметр; R — резистор; К -СУ — сигнальное устройство

В зонах, где наблюдается изменение знака потенциала оболочки относительно земли, применяют дренажи односторонней проводимости, так называемые поляризованные дренажи. В дренажную цепь включается вентиль, диод или поляризованное реле, обладающее односторонней проводимостью. В результате ток течет только от оболочки кабеля к питающей станции электрифицированной железной дороги. Для кабелей связи применяются поляризованные дренажи.

Промышленность выпускается 20 типов поляризованных дренажей, но наиболее широкое применение нашли дренажи, указанные в таблице 6.8

На рис. 27.8 показана схема поляризованного дренажа ПГД

Принцип действия катодной защиты состоит, в том, что к оболочке кабеля, имеющей положительный потенциал по отношению к земле (анодная зона), присоединяют отрицательный полюс от постороннего источника постоянного тока, тем самым придавая оболочке отрицательный потенциал. Таким образом, напряжение источника тока переводит анодную на оболочке кабеля в катодную. Положительный полюс источника тока заземляют. Принцип работы катодной защиты показан на рис. 27.9.

Для катодной защиты применяются катодные станции, представляющие собой выпрямительное устройство с селеновыми выпрямителями или германиевыми диодами. Выпускаются катодные станции с встроенными выпрямителями, имеющими плавную или ступенчатую регулировку выпрямительного напряжения.

Эффективным мероприятием по защите от коррозии кабельных оболочек является применение автоматических катодных станций (например, АСКЗ-1200), обеспечивающих автоматическое поддержание защитного потенциала в заданном диапазоне.

Рис. 27.9. Катодная установка: а) принцип действия; б) потенциал на кабеле

Принципиальная схема КС-400 показана на рис. 27.10. . Вследствие сравнительно больших эксплуатационных расходов катодные станции используются преимущественно для совместной защиты нескольких подземных сооружений и главным образом защиты от коррозии блуждающих токов.

Рис. 27.10. Принципиальная схема катодной станции

Протекторная защита, по существу, аналогична катодной защите, только в данном случае для создания отрицательного потенциала на оболочке кабеля используется не посторонний источник тока, а ток, появляющийся за счет разности электрохимических потенциалов при соединении различных металлов. Этот ток направлен от более высокого потенциала к более низкому. В результате его действия разрушению подвергается металл с более низким потенциалом.

Обычно для протекторных электродов (протекторов) используются магниевые сплавы МЛ, состоящие из магния, алюминия и цинка. Электрод представляет собой цилиндр длиной 600—900 мм, диаметром 150—240 мм с контактным стальным стержнем (рис. 27.11). Применяются три типа протекторов: ПМ-5У, ПМ-10У и ПМ-20У.

принцип протекторной защиты состоит в том, что катодная зона на оболочке кабеля создается в результате ее соединения изолированным проводом с заземленным протекторным электродом, имеющим более низкий электрохимический потенциал, чем потенциал заземляемой оболочки, Такой электрод является анодом, и ток с него будет стекать в землю. Оболочка кабеля при этом становится катодом, и следовательно, защищена от коррозии. Например, разность потенциала кабеля со свинцовой оболочкой и магниевого электрода составит U=—2,37— (-0,126) = -2,24 В.

Протекторные электроды применяются главным образом для защиты от почвенной коррозии и устанавливаются по два-три на усилительный участок, при этом расстояние между ними и кафелем должно быть не нее 2—6 м, глубина закопки 0,6 - 1,8 м. Протектор включается через контрольно-испытательные пункты (КИП)

Рис. 27.11. Устройство электродной защиты:

1 — соединительный проводник; 2 — гидроизоляция; 3 —свинец; 4 — заполнитель; 5 —электрод; 6 — контактный стержень; 7 — кабель связи

УСТРОЙСТВА ПАССИВНОЙ ЗАЩИТЫ

Изолирующие муфты (рис. 27.11), устанавливаемые на кабеле, разрывают металлическую оболочку и тем самым уменьшают величину блуждающего тока.

Рессорную подвеску кабеля (рис. 27.12) применяют для уменьшения вредного действия вибрации при прокладке кабеля по мостам, вблизи автомобильных и железных дорог.

Кроме того, при подвеске кабелей по опорам используют резиновые или пластмассовые гасители в местах крепления кабеля.

Рис. 27.11. Изолирующая муфта:

1 — сердечник; 2 — оболочка; 3 —изолирующая муфта

Рис. 27.12. Рессорная подвеска кабеля: 1 — трубка; 2 —кабель; 3 —рессора

Защита металлических цистерн НУП от коррозии

ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ОТ КОРРОЗИИ АЛЮМИНИЕВЫХ И СТАЛЬНЫХ ОБОЛОЧЕК

Сопоставляя подверженность коррозии применяемых в настоящее время кабельных оболочек из свинца, стали и алюминия, следует отметить что наиболее стойкими .к агрессивному воздействию коррозии являются свинец, сталь и, наконец, алюминий. Сильная подверженность алюминия коррозии обусловлена тем, что он нарушается не только в анодной зоне, но и при больших катодных потенциалах. Кроме того, алюминиевые оболочки подвергаются коррозии в результате действия гальванических пар, образующихся в местах контакта оболочек со сталью, медью и свинцом.

Алюминий свободен от коррозии лишь в узком диапазоне отрицательных потенциалов—(0,52—1,48).Свинец и сталь коррозируют лишь в анодных зонах (при потенциалах, больших, чем —0,9 В).

При сравнении различных оболочек следует также иметь в виду, что сталь весьма чувствительна к воздействию кислотных сред и ведет себя довольно стойко в щелочных средах. Свинец и алюминий подвержены коррозии в обоих случаях. Стальная гофрированная оболочка разрушается, как правило, по вершинам гофр. Исходя из изложенного, кабели связи в алюминиевых и стальных оболочках для защиты от коррозии обязательно должны иметь поверх металла герметичную полиэтиленовую оболочку, наносимую в процессе изготовления кабелей.

С целью повышения эффективности защиты дополнительно могут быть применены электрохимические методы защиты с помощью протекторов, катодной защиты, а также электрических дренажей, оборудуемых на участках действия блуждающих токов.

КОРРОЗИЯ СООРУЖЕНИЙ СВЯЗИ И МЕРЫ ЗАЩИТЫ