Виды коррозии кабелей и меры защиты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Виды коррозии кабелей и меры защиты

1.Виды коррозии

Коррозия (применительно к кабелям) - это разрушение по различным причинам их металлических оболочек (свинцовых, стальных или алюминиевых), стальной брони, а иногда - медных или алюминиевых экранов. Наиболее опасной является коррозия оболочек - нарушение их герметичности, ведущее к проникновению в кабель влаги, вследствие чего бывают нарушения действия каналов автоматики, телемеханики и связи.

Металлические покровы кабелей, находящихся в эксплуатации, разрушаются вследствие воздействия на них окружающей среды, что приводит к нарушению герметичности кабеля, неожиданным повреждениям, сокращению срока службы и потере металла.

По физико-химическому характеру коррозийных процессов различают химическую, электрохимическую и межкристаллическую коррозию. К химической коррозии относят те коррозийные процессы, в основе которых лежат реакции чисто химического взаимодействия между металлом и средой. К электрохимической коррозии относят коррозийные процессы, сопровождаемые электрическим током, который возникает в процессе коррозии или попадает на металлические сооружения из окружающей среды.

Межкристаллическая коррозия характеризуется разрушением металла по граням кристаллов и возникает вследствие усталости металла под действием переменных механических нагрузок. Она часто наблюдается у свинца, поэтому на свинцовых оболочках кабелей, проложенных на мостах или вблизи ж.д. под влиянием постоянной вибрации появляются трещины, приводящие к нарушению герметичности оболочек. Мажкристалитная коррозия возникает вследствие вибрации кабеля при его транспортировке на значительные расстояния, при прокладке кабеля вблизи ж.д. с большим грузовым движением, на мостах автомобильных и ж.д., а также при подвеске на опорах воздушных линий.

Кабели связи, автоматики и телемеханики прокладываются преимущественно в земле и в основном подвергаются почвенной коррозии и коррозии блуждающими токами.

Почвенная коррозия возникает в результате электрохимического взаимодействия между металлом защитных покровов и окружающей их землей. Скорость повреждения металла зависит от его структуры, структуры почвы, ее химического состава, влажности и концентрации содержащихся в ней веществ.

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, солей, кислот, щелочей, неоднородность оболочки кабеля, неоднородность химического состава фунта, соприкасающегося с оболочкой кабеля, неравномерное проникновение кислорода воздуха к оболочке кабеля. В результате (рисунок 12.1) па поверхности металла 1 образуются гальванические пары 2, что сопровождается циркуляцией тока между металлом и окружающей средой. В местах выхода токов из оболочки кабеля в грунт образуются анодные зоны, в которых и происходит разрушение оболочки.

Рисунок 12.1 - Почвенная коррозия

Электрокоррозия - это процесс разрушения металлической оболочки кабеля за счет блуждающих токов в земле. Источниками блуждающих токов могут быть РЦ, электрифицированные ж.д., использующего в качестве обратного провода землю.

На электрифицированных железных дорогах и трамвайных сетях питающий ток, возвращаясь но рельсам к питающей подстанции, частично ответвляется в землю. Проходя по земле и встречая на своем пути металлическую оболочку кабеля, ток распространяется по этой оболочке (рисунок 12.2), а затем сходит с оболочки в землю и к рельсу, чтобы возвратиться к другому 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 зону, где и происходит разрушение оболочки кабеля.

Рисунок 12.2 - Электрокоррозия

В местах стекания тока гальванических пар с металла оболочек кабелей в землю образуются - анодные зоны, в которых металлические оболочки кабелей разрушаются. Места, где ток входит в оболочки кабелей, называют катодными зонами.

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.

Наибольшую опасность коррозии подземных кабелей ж.д. связи, автоматики и телемеханики создают блуждающие токи, особенно на участках ж.д. с электротягой постоянного тока. Рельсы плохо изолированы от земли, и тяговый ток стекает с рельсов в землю. Утечка тока будет тем больше, чем больше падение напряжения в рельсах и чем меньше переходное сопротивление рельс-земля. Падение напряжения в рельсах зависит от значений тягового тока и продольного сопротивления рельсовых нитей, обусловленного типом рельсов, качеством рельсовых и междупутных соединителей и расстоянием между тяговыми подстанциями.

При неблагоприятных условиях ток, стекающий с рельсов в землю, достигает 70 - 80 % общего значения тягового тока и измеряется тысячами ампер.

В земле тяговый ток растекается (в равнинных местах - до 10 км, в горах, где проводимость почвы ниже - до 50 км), встречает на свеем пути подземные металлические сооружения и ответвляется на них, поскольку сопротивление последних во много раз меньше, чем сопротивление земли. В местах входа блуждающих токов в оболочки кабеля и выхода из них в землю возникает явление электролиза, так как земля в большинстве случаев увлажнена и содержит кислоты, щелочи и соли.

Блуждающие переменные токи, вызываемые электрическими ж.д. однофазного переменного тока, не вызывают заметной коррозии защитных покровов кабелей из стали и свинца. Они могут опасными лишь в тех случаях, когда грунт оказывает выпрямляющее действие и преобразует переменный ток в постоянный. Оболочки кабелей из алюминия в значительной степени подвержены коррозии блуждающим переменным током вследствие вторичного воздействия продуктов электролиза, который будет иметь место в течении каждого полупериода тока.

2.Определение опасности коррозии

Опасность почвенной коррозии определяют внешним осмотром трассы кабеля и образцов почвы, на основании сбора сведений о случаях повреждений от почвенной коррозии ранее проложенных кабелей и других подземных металлических сооружений, измерением удельного сопротивления грунта и химическим анализом почв.

Измерение удельного сопротивления грунта является одним из основных способов определения опасности почвенной коррозии для сооружений из стали. По удельному сопротивлению грунты подразделяются на 3 категории:

1) низкоагрессивные (песчаные, глинистые, каменистые) - с > 100 Ом·м;

2) среднеагрессивные (суглинистые, лесные, слабый чернозем) - с = 20 ? 100 Ом·м;

3) высокоагрессивные (торф, известь, чернозем, перегной, мусор) - с < 10 Ом·м.

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

По химическому содержанию (кислотному числу рН) грунты также делятся на 3 категории:

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

2) рН = 5 ? 10 - нейтральные грунты (песок, глина, скала);

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

При определении опасности коррозии блуждающими токами необходимо иметь в виду, что распределение анодных и катодных зон на кабелях, проложенных вдоль электрифицированных ж.д., и значения разности потенциалов кабель-земля зависят от многих условий.

Если кабель имеет протяженность более, чем участок между тяговыми подстанциями, и трасса его расположена параллельно ж.д. пути, то при принятой в настоящее время положительной полярности контактного провода анодные зоны всегда будут в районе тяговых подстанций независимо от положения электропоездов на участке. Длины анодных зон зависят от расстояния между кабелем и рельсами, переходных сопротивлений рельс-земля и кабель-земля и других факторов и могут колебаться от 3 до 6 км.

Основными измерениями при определении опасности коррозии блуждающими токами являются измерения потенциалов кабеля относительно земли. Их производят во всех доступных местах и контрольно-измерительных пунктах. В качестве измерительных приборов используют вольтметры с сопротивлением не менее 10 000 Ом на 1 В шкалы и с пределами измерений (для удобства отсчетов) 1-0-1, 10-0-10, 50-0-50 В или самозаписывающие приборы.

Контактные электроды должны быть изготовлены из того же металла, что и защищаемое сооружение, если значение измеряемого потенциала более 1 В. Для небронированных кабелей электроды должны быть свинцовые, а для бронированных - стальные. В тех случаях, когда потенциалы меньше 1 В, измерения производят при помощи неполяризующихся электродов, т.к. использование металлических электродов может привести к ошибке вследствие поляризации.

Продолжительность измерений в каждом пункте должна быть такой, чтобы за время измерений можно было записать показания прибора для наиболее характерных условий движения поездов. Практически запись ведут в течении 10 - 15 мин при интенсивном и в течении 30 мин при редком движении поездов. Отсчеты по прибору фиксируют через 10 с и записывают в специальную ведомость (протокол).

3.Меры защиты от коррозии

межкристаллический коррозия кабель

Всякое подземное металлическое сооружение независимо от вида почвы, в которой оно находится, подвержено почвенной коррозии, если не имеет надежной противокоррозионной защиты. Противокоррозионная защита металлического сооружения проектируется с учетом коррозионной активности почв по трассе, климатических условий района, степени ответственности того или иного участка сооружений и специфических особенностей работы сооружения.

Степень ответственности сооружения или его отдельной части определяется предъявляемыми требованиями по обеспечению его сохранности. Так, например, участки пересечения трубопроводом или кабелем водоемов, железных дорог и других искусственных сооружений, где ремонт магистрали затрудняется, будут являться более ответственными по сравнению с прочими участками. К специфическим особенностям сооружения могут быть отнесены такие, например, как возможный нагрев силовых кабелей или нагрев трубопроводов горячего водоснабжения. Если вблизи проектируемого сооружения действуют блуждающие токи, то в проекте должны быть предусмотрены специальные меры защиты от коррозии. При проектировании защитных мероприятий намеченная трасса делится на отдельные участки, однотипные по совокупности внешних условий работы сооружения, а также по виду и объему намечаемых мероприятий. Для каждого выделенного участка система защиты должна предусматривать метод защиты, тип изоляции, материал изолирующего покрытия, специальные меры защиты и т. п. Основные методы противокоррозионной защиты подземных сооружений можно подразделить по их принципам, на четыре группы, каждая из которых объединяет несколько методов (таблица 12.1)

Таблица 12.1 - Классификация методов защиты подземных металлических сооружений от коррозии

Из методов, перечисленных в таблице 12.1, рассматриваются как наиболее распространенные электрические методы и метод изоляции сооружений от электролитической среды битумными покрытиями, применяемый как самостоятельно, так и в сочетании с электрическими методами. Поскольку электрические методы наиболее часто применяются для защиты сооружений от электрокоррозии, ниже приводится краткое изложение сущности метода электрокоррозии или коррозии блуждающими токами.

Защитные меры от коррозии оболочек кабелей связи принимаются как на устройствах электрифицированного транспорта, так и на сооружениях связи.

Па электрифицированных участках железных дорог осуществляют 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 минусовой 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);

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 (рисунок 12.3,а) 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 (рисунок 12.3,б).

Рисунок 12.3 - Электрический дренаж

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 электрическим дренажами.

В зонах, где наблюдается изменение знака потенциала оболочки относительно земли, применяют дренажи односторонней проводимости, так называемые поляризованные дренажи.

Принцип действия катодной защиты (рисунок 12.4) состоит в том, что к оболочке кабеля, имеющей положительный потенциал по отношению к земле (анодная юна), присоединяют отрицательный полюс от источника постоянного тока, тем самым придавая оболочке отрицательный потенциал. Таким образом, напряжение источника тока переводит анодную зону на оболочке кабеля в катодную. Положительный полюс источника тока заземляют.

Рисунок 12.4 - Принцип действия катодной зоны

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.

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.

Обычно для протекторных электродов (протекторов) используются магниевые сплавы, состоящие из магния, алюминия и цинка. Электрод представляет собой цилиндр длиной 600...900 мм, диаметром 150...240 мм с контактным стальным стержнем рисунке 12.5: 1 --заполнитель; 2 -- контактный стержень; 3 -- электрод; 4 -- соединительный проводник.

Рисунок 12.5 - Протекторный электрод

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.

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

К устройствам пассивной защиты относятся изолирующие муфты (рисунок 12.6, где 1 -- сердечник кабеля; 2 -- оболочка; 3 -- изолирующая муфта), которые разрывают металлическую оболочку и тем самым уменьшают силу блуждающего тока. С этой же целью используется и рессорная подвеска кабеля (рисунок 12.7, где 1 -- труба; 2 -- кабель; 3 - рессора).

Рисунок 12.6 - Изолирующая муфта

Рессорную подвеску кабеля 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.

Рисунок 12.7 - Рессорная подвеска кабеля

Для выявления опасных анодных зон и осуществления защиты кабелей от коррозии производится комплекс измерении: 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 контрольно-измерительных пунктов (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 (рисунок 12.8). На диаграмме откладывают среднее значение положительных и отрицательных потенциалов по каждому КИП.

Рисунок 12.8 - Диаграмма распределения потенциалов вдоль трассы кабеля

Потенциальные диаграммы позволяют установить опасность коррозии и необходимость в мерах защиты. Критерием опасности являются наличие на кабелях анодных и знакопеременных зон в грунте с удельным сопротивлением ниже 100 Ом·м независимо от разности потенциалов кабель-земля, а в грунтах с удельным сопротивлением выше 100 Ом·м - плотность тока утечки в землю, превышающая 0,15 мА/дм². Для контроля коррозийной обстановки необходимо измерять потенциалы кабеля относительно земли. Для этого на трассе устраивают контрольно-измерительные пункты (КИП) на расстояниях от 200 до 2000 м.

Контрольные вопросы

1. Какие причины вызывают коррозию металлических оболочек кабелей?

2. Какие различают виды коррозии?

3. Какие образуются зоны в зависимости от характера взаимодействия оболочки кабеля и почвы, в которой он находится, а также от прохождения блуждающего тока, вдоль кабеля?

4. Как определяется опасность коррозии?

5. Какие применяются способы защиты кабелей от коррозии?

6. Перечислите классификацию методов защиты подземных металлических сооружений от коррозии.

Литература

1. Виноградов В.В., Кустышев С.Е., Прокофьев В.А. Линии железнодорожной автоматики, телемеханики и связи. М.: Маршрут, 2002, 416с.

2. Липская М.А. Линии связи. Алматы, КазАТК, 2007, 167с.

3. В.В. Виноградов, В.И. Кузьмин, А.Я. Гончаров. Линии автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. М.: Транспорт, 1990, 231с.

Размещено на Allbest.ru