Меры защиты подземных кабелей от коррозии

Виды коррозии. Коррозия-процесс разрушения металлических оболочек кабелей (свинцовых, стальных, алюминиевых), а также защитных в экранирующих покровов (стальной брони, медных и алюминиевых экранов) вследствие химического, механического и электрического воздействии окружающей среды. Различают следующие виды коррозии: почвенную (электрохимическую), межкристаллитную (механическую) и электрокоррозию (коррозию блуждающими токами).

В зависимости от характера взаимодействия оболочки кабеля в 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.

Кабельные оболочки подвержены действию почвенной, межкристаллической и электрической коррозии.

Почвенной коррозией называется процесс разрушения металлической оболочки кабеля, вызванный электрохимическим взаимодействием 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 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.2). В местах выхода токов из оболочки кабеля в грунт образуются анодные зоны, в которых и происходит разрушение оболочки.

Рис. 2

Интенсивность коррозии зависит от степени агрессивности среды, которая характеризуется двумя параметрами: удельным сопротивлением грунта р 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: 1) низкоагрессивные (песчаные, глинистые, каменистые); 2) среднеагрессивные (суглинистые, лесные, слабый чернозем); 3) высокоагрессивные (торф, известь, чернозем, перегной, мусор). Третья категория грунтов весьма опасна для металлических оболочек в коррозионном отношении.

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

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 агрессивно действует кислотная среда и меньше влияет щелочная.

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 некоторых участков оболочки.

Электрическая коррозия-это процесс разрушения металлической оболочки кабеля за счет блуждающих токов в земле. Источниками блуждающих токов могут быть рельсовые пути электрифицированных железных дорог, метрополитена, трамвая и 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 (рис. 3), 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.

Рис. 3

Интенсивность электрокоррозии металлической оболочки зависит от тока и напряжения в ней. По действующим нормам напряжение и плотность тока не должны превышать: Uк<-0,9 В; Iк<0,15 мА/дм2. При больших значениях U/к и /к требуется защита кабеля от коррозии.

На электрифицированных железных дорогах возможны два варианта заземления источников питания: заземление отрицательного электрода, при электрификации на переменном токе, и 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.

Меры защиты от коррозии.

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

На 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);

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.4).

Рис. 4

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 эффективен только в устойчивых анодных зонах, например при защите кабеля от блуждающих токов дистанционного питания.

В знакопеременных зонах применяют дренажи односторонней проводимости, так называемые поляризованные дренажи (рис.5). В дренажную цепь включается вентиль, диод или поляризованное реле, обладающее односторонней проводимостью. В результате ток течет только от оболочки кабеля к питающей подстанции электрифицированной железной дороги.

Рис. 5	Рис. 6

Принцип действия катодной защиты (рис. 6) состоит в том, что к оболочке кабеля, имеющей положительный потенциал по отношению к земле (анодная зона), 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.

Рис. 7	Рис. 8	Рис. 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.

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 , состоящие из магния, алюминия и цинка. Электрод представляет собой цилиндр длиной 600...900 мм, диаметром 150...240 мм с контактным стальным стержнем (рис. 7).

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..

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

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, затем сталь и, наконец, алюминий. Сильная подверженность алюминия коррозии обусловлена тем, что он разрушается 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.

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 действий блуждающих токов.

К устройствам пассивной защиты относятся изолирующие муфты (рис. 8) и рессорная подвеска кабеля (рис. 9), устанавливаемые на кабеле, разрывают металлическую оболочку и тем самым уменьшают силу блуждающего тока.

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.

Для выявления опасных анодных зон и осуществления защиты кабелей от коррозии производится 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 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 (рис. 10). На диаграмме откладывают среднее значение положительных и отрицательных потенциалов по каждому КИПу.

Рис. 10	Рис. 11

КИП 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 ...7,0 км) обычно в местах устройства соединительных муфт.

Контрольно-измерительный пункт представляет собой (рис. 11) железобетонный столбик прямоугольного сечения с внутренней продольной трубой, через которую проходят соединительные провода. В верхней части столбика 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.

Контрольные вопросы:

1. Каковы основные задачи эксплуатации линейных сооружений связи и кабельных линий.

2. Какие работы проводятся при техническом обслуживании кабельных линий связи на железнодорожном транспорте?

3. В чем состоят назначения и способы содержания кабелей под избыточным давлением?

4. Какие методы используются для определения места повреждения оболочки кабеля?

5. Какие мероприятия выполняют при ремонте кабеля, как устранить повреждение в муфте?

6. Назовите виды коррозии металлических оболочек кабеля проложенные на электрифицированном участке железной дороги?

7. Меры защиты кабелей связи от почвенной коррозии?

8. Меры защиты кабелей связи от блуждающих токов в земле?