Защита кабелей от коррозии

Под коррозией металлов понимают разрушение (разъедание) их вследствие химического или электрохимического взаимодействия с коррозионной средой. Различают химическую и электрохимическую коррозии. При химической коррозии окисление металла и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекают одновременно. В отличие от химической электрохимическая коррозия сопровождается протеканием электрического тока, и восстановление окислительной компоненты коррозионной среды протекает не одновременно; скорость зависит от электродного потенциала. При электрохимической коррозии происходит ионизация атомов металла, т. е. переход ионов металла от узлов решетки кристаллов в коррозионную среду.
Подземные металлические сооружения (кабели с металлическими оболочками, трубопроводы, арматура железобетонных подземных конструкций и фундаментов и т.д.), расположенные на территориях промышленных предприятий, подвергаются почвенной (подземной) коррозии, обусловленной воздействием почвенных химических реагентов, и электрокоррозии блуждающими токами.

Рис. 1. Схема почвенной коррозии. 1 — стальная труба — ка­тод; 2 — вкрапление шла­ка — анод. Схема процесса почвенной кор­розии представлена на рис. 1. Как известно, каждый металл об­ладает нормальным электродным потенциалом, и при соединении двух разных металлов создается гальваническая пара с разностью потенциалов, вызывающей элек­трический ток. Для измерения электродных потенциалов применяются неполяризующиеся электроды сравнения: водородный, медносульфатный или свинцовый. В технике электрической защиты преимущественно пользуются медносульфатным электродом сравнения. По отношению к нему металлы имеют потенциалы: сталь —0,76 В, свинец —0,45 В и алюминий —1,99 В. Алюминиевая оболочка и стальная броня кабеля ААБ образуют гальваническую пару, что приводит к его повреждению во влажных грунтах. Если в земле лежит стальная труба, то ее чистая по­верхность имеет отрицательный потенциал — 0,76 В. При попадании в верхний слой металла постороннего вещества (шлак и др.) образуется элемент с более высоким потенциалом. В результате возникает гальваническая пара с разностью потенциалов; при влажной почве, являю­щейся электролитом, появится ток, идущий от высшего потенциала (анод) к низшему (катод). Анодом будет слу­жить место примеси, а катодом — вся чистая поверхность металла. Выход тока из металла через электролит по за­кону Фарадея сопровождается переносом в электролит (разрушением) металла. При электрохимическом экви­валенте железа 1,04 г/А-ч за год при токе 1 А будет поте­ряно 1,04-8 760 = 9110,2 г, или 9,1 кг железа. При коррозии подземных сооружений блуждающими токами, вызванными внешними источниками (рельсовые электрические дороги постоянного тока внутризаводского транспорта, трамваев, метрополитена, магистральных и пригородных сообщений), количественно эффект разрушения металла намного превосходит эффект разрушения его почвенной электрокоррозией в сопоставимых условиях. Упрощенная картина поля блуждающих токов рельсовой электрической дороги постоянного тока показана на рис. 2. Система подвода тока к электропоезду состоит из контактного провода и рельсов. Поскольку рельсы не изолированы от земли, часть тока ответвляется из них в землю и затем возвращается в рельсы в зоне отсасывающего пункта. Эту часть тяговых токов (токи утечки из рельсов) и называют блуждающими токами. При прохождении через грунт блуждающие токи частично заходят в металлические подземные сооружения. В зонах входа блуждающих токов подземные сооружения имеют отрицательный потенциал относительно грунта. Эти зоны называют катодными. Зоны, в которых блуждающие токи покидают подземное сооружение, называют анодными. С анодных зон токи возвращаются в рельсы. В этих зонах, как и при почвенной электрокоррозии, происходит коррозионное разрушение металла подземных сооружений блуждающими токами. Количество металла, выносимого из сооружения в грунт, пропорционально значению блуждающих токов, проходящих через металлические части сооружений, и времени их действия.

Рис. 2. Упрощенная картина распределения блуждающих токов вдоль электрической железной дороги и параллельно проложенного металлического подземного сооружения (а) и поперечный разрез на том же участке по 1—1 (б): 1 - преобразовательная подстанция; 2 — питающая линия; 3 — контактный провод; 4 — рельсы; 5 — отсасывающий пункт; 6 — отсасывающая линия; 7 — подземное сооружение (трубопровод, кабель); 8 — воображаемые линии блуждающих токов в земле; 9 — шпалы; 10 — балласт; 11- грунт Факторами, определяющими характер и размеры коррозии блуждающими токами, являются значение и направление блуждающих токов; переходное сопротивление между грунтом и сооружением; продольное сопротивление сооружения; взаимное расположение источников блуждающих токов и трасс подземных сооружений; состояние защитных покровов на сооружениях. Значение блуждающих токов в грунте зависит от силы тока в рельсах электрической дороги, протяженности различных участков схемы рельсовой сети, продольного сопротивления рельсов и переходного сопротивления между рельсами и грунтом. Сопутствующим показателем, косвенно характеризующим блуждающие токи, является потенциал рельсов относительно земли. Его графическое представление в виде потенциальных диаграмм наглядно показывает размещение анодных зон на сооружении и дает первое приближенное представление о возможной интенсивности коррозионных процессов. Ограничить выход блуждающих токов из рельсов в землю можно следующими путями. Уменьшением сопротивления рельсовых путей достигают путем электрически надежного соединения рельсовых стыков с помощью сварки. Повышения переходного сопротивления рельсы — грунт достигают применением щебеночного балласта вместо песчаного с устройством достаточного количества водоотводных дренажей. Надо уменьшать длину участков рельсовой сети, отходящих в одну сторону от отсасывающего пункта, и снижать токовую нагрузку каждого такого участка. При нескольких отсасывающих пунктах на рельсовой сети в зоне одной подстанции применяют уравнивание потенциалов всех отсасывающих пунктов, включая добавочные сопротивления в цепи более коротких отсасывающих линий. На самих подземных сооружениях проводят соответствующие защитные мероприятия. Большое значение имеет зазор между подошвой рельса и балластом, который на железных дорогах и метрополитене должен быть не менее 30 мм. На промышленных предприятиях, потребляющих постоянный ток в технологических процессах, основным источником блуждающих токов в земле являются шинопроводы постоянного тока, электролизеры и металлические трубопроводы, присоединенные к ним. Для ограничения блуждающих токов от этих источников используют электрическую изоляцию токов от металлических сооружений. В качестве изоляторов используют обычно базальт, фарфор, диабаз, стекло, пластические массы и другие материалы с удельным объемным сопротивлением не менее 10 Ом-см.
Кроме описанных видов коррозии, в странах с тропи­ческим климатом существует вызываемая микробами био­коррозия, которая требует специальной защиты ядохими­катами (для изделий в тропическом исполнении). Для защиты от почвенной коррозии и электрокоррозии применяются следующие мероприятия.
Защитные покрытия. Для металлических трубопро­водов — противокоррозионная изоляция — битумные по­крытия, полимерные покрытия (липкие пленки, полиэтилено-песчаная изоляция); покрытие эмалью этиноль; цементные и цементно-битумные покрытия; для силовых кабелей — поливинилхлоридные оболочки. Электрическая защита. Принцип электрической защиты состоит в том, чтобы исключить выход тока из защищае­мого сооружения в электролит-почву и дать ему выход че­рез металлический проводник, что не сопровождается разрушением металла. Существуют следующие виды электрической защиты; а) катодная поляризация катодной защитой;
Рис. 3. Принципиаль­ная схема катодной за­щиты, б) катодная поляризация протекторной защитой анод­ными электродами; в) электрический дренаж блуждающих токов. На рис. 3 изображена принципиальная схема катод­ной защиты проложенного в земле трубопровода. Уста­навливаемая на земле катодная станция 1 (источник по­стоянного тока) соединяется отрицательным полюсом (катодом) с защищаемым трубопроводом 2 металлическим проводником и положительным со специально уложенным в земле металлическим электродом —— анодом (старые рельсы и т. п.). Под действием напряжения ка­тодной станции постоянный ток проходит через анод — почву — трубопровод и возвращается по проводнику на катодную станцию. При этом анод разрушается, а трубопровод сохраняется. Для преодоления собственного потен­циала стали — 0,76 В необходимая минимальная величина защитного потенциала составляет — 0,87 В (для свинца — 0,52 В и алюми­ния — 1,0В). Величина максимального защитного потен­циала во избежание. отслоения защитного покрытия не должна превышать для стали с противокоррозионным покрытием —1,22 В и с частично-поврежденным покры­тием —1,52 В. При наложении потенциала катодными станциями на трубопровод распределение его вдоль последнего происхо­дит по кривым (рис. 4), Рис. 4. Зоны защитных потенциалов катодных станций. Катодные станции выпускаются в виде комплектных шкафов с трансформаторами и полупроводниковыми вы­прямителями на напряжения постоянного тока 3—60 В и токи 6—120 А при напря­ жении питания 220 В пере­ менного тока. Расчет числа и параметров катодных станций состоит из расчета сопротивлений всех элементов сети постоянного тока, для чего предва­рительно проводят изыскания по замеру удельного со­ противления грунта р через 100 м, проводимости защитного покрытия и т.д. Протектором (гальваническим анодом) называется ме­таллический электрод, забиваемый в землю вблизи защи­щаемого сооружения с потенциалом ниже, чем у последнего (рис. 5). Протектор 1 соединяется через контакт­ную коробку 2 с защищаемым трубопроводом 3 проводом, по которому ток пой влиянием разности потенциалов про ходит от трубы к протектору 1 и возвращается через почву. Протекторы выполняются из магниевых сплавов с потенциалом около — 1,55В; они располагаются не да­лее 4,5 м от трубопровода, создавая защитную зону в за­висимости от местных условий 1—70 м.
Рис. 5. Протекторная защита анодными электродами. Для снижения переходного сопротивления грунта при­меняются специальные активаторы 4. Срок службы' про­тектора (разрушающегося анода) 8—10 лет. Для защиты от блуждающих токов применяется элект­рический дренаж, т. е. организованный выход блуждающего тока из подземного сооружения через проводник обратно в рельс. Применяются три вида электродренажа: прямой, поляризованный и усиленный (рис. 6). Рис. 6. Схема электрического дренажа. 1 — рельс; 2 — предохранитель; 3 — шунт для амперметра; 4 — диод; 5– сопротивление; 6 — выпрямитель; 7 — трубопровод. Прямой дренаж (рис. 6, а) может применяться толь­ко на участках с постоянным направлением блуждающих токов, так как иначе он будет усиливать коррозию. По­ляризованный содержит диод, пропускающий ток в одном направлении (рис. 6, б). Усиленный дренаж содержит дополнительный источник постоянного напряжения (рис. 6, в) для повышения эффективности работы. В зонах малой интенсивности знакопеременных блу­ждающих токов применяется защита протекторами с уста­новкой в цепи между ними и трубопроводом диодов, про­пускающих ток только от трубы к протектору. Для обеспечения эффективного действия мероприятий по ограничению токов утечки с рельсовой сети проводят регулярный периодический контроль и измерения на источниках блуждающих токов (рельсах) и подземных сооружениях, контроль исправности стыковых соединений (2 раза в месяц), а также междурельсовых и междупутных соединителей (1 раз в квартал). Измеряют электрическое сопротивление рельсовых стыков (кроме сварных), сопротивление изоляции отрицательных питающих линий, разность потенциалов отсасывающих пунктов, потенциалы рельсов относительно земли. Затем составляют потенциальные диаграммы, из которых видны возможные перемещения опасных зон или изменения их интенсивности. На подземных сооружениях измеряют их потенциалы относительно земли, токи вдоль подземного сооружения и ток утечки из сооружения в землю. По результатам измерений потенциалов относительно земли строят потенциальные диаграммы, наглядно показывающие зоны коррозионной опасности (анодные зоны). Опасность коррозии подземных металлических сооружений блуждающими токами оценивают для существующих сооружений по результатам электрических измерений, а для проектируемых — на основании расчетов, Порядок, сроки и методы контроля и измерений по защите от коррозии металлических сооружений блуждающими токами изложены в ПУЭ; этими правилами необходимо руководствоваться при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий, к которым целесообразно причислить и устройства защиты от электрокоррозии. Список использованной литературы: 1. Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий. Учебник для вузов. М.: “Энергия”, 1973 г. – 584 с. 2. Федоров Л.Е. Электроснабжение пр омышленных предприятий. Учебник для вузов. М.: 1986 г. – 496 с.