книги из ГПНТБ / Коррозия и защита сооружений на электрифицированных железных дорогах

КОРРОЗИЯ И ЗАЩИТА СООРУЖЕНИЙ

НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

П о д о б щ е й р е д а к ц и е й канд. техн. наук

А. В. КОТЕЛЬНИКОВА

М о с к в а «ТРАНСПОРТ» 1974

152с.

Вкниге приведены сведения по коррозии ме­ таллических подземных сооружений и железобе­ тонных конструкций на электрифицированных участках железных дорог, изложены основные

меры по ограничению утечки тягового тока в землю, защиты от коррозии кабелей и трубопро­ водов железнодорожного хозяйства, опор и фун­ даментов контактной сети, мостов, путепроводов, светофорных мачт, платформ; рассмотрены вопро­ сы электрокоррозии и защиты отнее рельсов, рельсовых скреплений, железобетонных шпал, а также стержней изоляторов контактной сети.

Книга рассчитана на широкий круг работни­ ков связи, энергоснабжения, пути, водоснабжения* связанных с эксплуатацией, строительством и проектированием железнодорожных подземных сооружений и железобетонных конструкций.

Рис. 67, табл. 16, список лит. 22 назв.

31802-104 К 049(01)-74 104-74

Издательство «Транспорт»-, 1974

ОТ АВТОРОВ

Защита подземных сооружений и строительных конструкций от коррозии является важной народнохозяйственной задачей. Создание общесоюзных «Правил защиты подземных металл и-' ческих сооружений от коррозии» (СН 266-63), «Инструкции по защите железобетонных конструкций от коррозии, вызываемой блуждающими токами» (СН 65-67), ГОСТа 9015—74 «Единая система защиты от коррозии и старения. Подземные сооружения. Общие технические требования» свидетельствует о внимании го­ сударства к сохранности огромных материальных затрат, вло­ женных в подземное хозяйство страны. В целях усиления борьбы с коррозией Госстрой СССР распоряжением от 7 декабря 1963 г. за № 319 обязал все проектные организации предусматривать в разрабатываемых проектах на строительство специальные разде­ лы по защите конструкций от коррозии. Этим же постановлени­ ем дано право организациям, осуществляющим экспертизу та-

• ких проектов, отклонять их в случае отсутствия специальных раз­ делов по антикоррозионной защите.

Непрерывный рост потребности в металле и неизбежный в этих условиях дефицит многих изделий из металлов ставят защи­ ту металлов от коррозии в один ряд с экономией металлов добы­ вающими, обрабатывающими и изготовляющими изделия из них отраслями. Продление срока службы трубопровода снижает по­ требность в трубах, необходимых для его замены, следовательно, изготовленные на заводе трубы могут быть использованы на но­ вом строительстве.

Железнодорожный транспорт является одним из основных потребителей изделий из металлов (рельсы, кабели, трубопро­ воды) и железобетона (мосты, путепроводы, опоры контактной сети, шпалы и т.д.). Характерно, что в условиях железнодорож­ ного хозяйства коррозия может причинить не только материаль­ ный ущерб, но и создатьуугрозу безопасности движения поездов. Наибольшая опасность коррозионного разрушения создается на электрифицированных железных дорогах постоянного тока, где к атмосферной и почвенной коррозии, имеющим место на всех дорогах, добавляется весьма агрессивный фактор—электрокор-

3

Глава 1

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ КОРРОЗИИ И ЗАЩИТЫ МЕТАЛЛОВ

§ 1. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ПРИРОДА КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ

Из всех видов разрушения материалов способность подвер­ гаться коррозии является характерной особенностью только ме­ таллов. Металлы, в природе содержатся в виде химических сое­ динений с другими элементами и для выделения их в чистом виде требуется затрата определенного количества энергии. По­ лученный благодаря этому чистый металл находится как бы в возбужденном состоянии и, как любая «возбужденная» систе­ ма, в конечном итоге стремится к состоянию покоя, так и чи­ стый металл активно стремится перейти в первоначальное, свя­ занное с другими химическими элементами состояние. Такой процесс может осуществляться только на открытых незащищен­ ных поверхностях металла, т. е. там, где есть возможность кон­ тактировать ему с химическими элементами окружающей сре­ ды. Поскольку при этом уже не затрачивается, а выделяется энергия, процесс может протекать самопроизвольно, т. е. без принятия специальных мер, его вызывающих. Именно самопро­ извольно происходит разрушение металлов в атмосферн-ых, почвенных условиях, в агрессивных средах :и т. п.

Непременным условием такого вида коррозии является кон­ такт металла с электролитом, т. е. с жидким раствором, прово­ дящим электрический ток. В земле электролитом является поч­ венная влага с растворенными в ней различными химическими элементами'(солями, кислотами, щелочами и т. п.); в атмосфер­ ных условиях — пленка влаги на поверхности металла с раст­

(структура, примеси) и неоднородности электролита разные уча­ стки поверхности металла в контакте с электролитом даже пры отсутствии внешнего электрического поля получают разные по величине электрические потенциалы, следствием чего является протекание электрического коррозионного тока / КоР по замкну­ той цепи (рис. 1). В электролите протекание тока обеспечивает­ ся перемещением ионов (ионная проводимость), внутри метал­ ла — перемещением электронов. При таком процессе на поверх­ ности металла всегда будут участки, где коррозионный ток сте­ кает в электролит, и участки, где ток обратно возвращается из

5

с>

электролита в металл. Первые получили название анодных уча­ стков, вторые — катодных. По результату прохождения корро­ зионного тока анодные и катодные участки резко отличаются. На анодном происходит растворение металла (потеря веса), т. е. постепенное коррозионное разрушение, а на' катодном металл сохраняется полностью. Дело в том, что на анодных участках положительный ион металла (являющийся его характерной ча­ стицей) под воздействием сил электрического притяжения, соз­ даваемого отрицательными ионами электролита, переходит в электролит; освободившийся электрон свободно перемещается по металлу к участку поверхности, у которого сосредоточены положительные ионы электролита. Соединяясь с ними, он вос­ станавливает на поверхности металла водород, кислород или какой-либо химический элемент. Переход электрона, являюще­ гося свободной частицей, не сопровождается уносом металла. Таким образом, коррозионному разрушению подвергаются толь­ ко анодные участки, т. е. участки утечки тока с поверхности ме­ талла в электролит. Рассмотренный замкнутый электрохимиче­ ский элемент получил название гальванокоррозионной пары. Различают микро- и макропары (рис. 1,а,б). Первые действуют на расстояниях, практически исключающих возможность изме­ рить коррозионный ток; вторые могут распространяться на де­ сятки и сотни метров (например, при прокладке сооружений в разнородных грунтах). Замкнутая циркуляция коррозионного тока является отличительной особенностью почвенной коррозии. Ток, возникающий за счет реакции металл — электролит, не мо­ жет быть большим и составляет микроамперы для микропар и десятые доли ампера (а иногда и амперы) — для макропар.

Электрокоррозия, т. е. коррозия под действием токов внеш­ них источников, с электрохимической точки зрения происходит точно так же, как и почвенная, только расположение анодных и катодных участков уже обусловливается общей картиной проте­ кания тока в земле (рис. 1, в). Токи, попадающие при этом на подземные сооружения (fBH)> М0ГУТ в Ю— ЮО раз превышать токи гальванопар, что ускоряет коррозионный процесс на анод-

6

ных участках. Наложение на токи гальванопар значительно большего тока от внешнего источника подавляет деятельность гальванопар, и основным процессом на поверхности металла становится электрокоррозия. По закону Фарадея при токе I и времени его протекания t потери веса металла при электрокор­ розии

валенты металлов, наиболее широко применяемых в железнодо­ рожном хозяйстве, приведены в табл. 1.

Из-за различия коррозионных токов потери металла при почвенной коррозии в отличие от электрокоррозии невелики и могут привести к разрушению подземного сооружения (кабеля) лишь спустя несколько, а то и десятки лет (в особо агрессивных грунтах срок службы может сократиться, если ме­ талл не защищен, до нескольких месяцев). Исследования пока­ зывают, что, кроме того, процесс разрушения металла при поч­ венной коррозии происходит с замедлением за счет тормозяще­ го действия выделяющихся продуктов коррозии, увеличиваю­ щих сопротивление в цепи коррозионной пары и снижающих кор­ розионный ток.

При электрокоррозии же не наблюдается заметного тормо­ жения раетворения металла на анодных участках в силу диф­ фузии продуктов коррозии от поверхности металла под дейст­ вием внешнего электрического поля и более рыхлой структуры самих продуктов коррозии. Вследствие значительно больших величин токов и отсутствия торможения реакции растворения потери металла при электрокоррозии на один-два порядка пре­ вышают потери металла от почвенной коррозии, что может привести такие тонкостенные конструкции, как трубопроводы и оболочки кабелей, к сквозному повреждению уже через не­ сколько месяцев эксплуатации их в условиях наличия токов утечки. В конечном итоге суммарные коррозионные потерн определяются величиной тока, попадающего на подземные со­

7

составом, структурой почвы. Чем больше влажность и чем боль­ ше химических веществ растворено в почвенной влаге, тем электропроводнее грунт и тем выше его коррозионная актив­ ность. Например, в солончаках солевой состав в 200 раз боль­ ше, чем в песке, естественно, первый грунт значительно более коррозионно опасный (р=1 —10 Ом-м). Особую роль играют содержание в грунте ионов хлора и сульфата. Уже при неболь­ ших концентрациях заметно их активирующее действие на про­ цесс коррозии. Агрессивный ион хлора легко проникает к поверх­ ности металла и образует с ним хорошо растворимые соедине­ ния, что обеспечивает дальнейшее протекание процесса. Суль­ фаты несколько менее агрессивны. Одной из важных характе­ ристик грунтов является водородный показатель pH, опреде­ ляющий кислотность и щелочность среды. Интересующие нас металлы (Fe, Al, Pb) по-разному ведут себя в этих средах (рис. 3). Железо- в щелочах образует на поверхности малораствори­ мые соединения и тем самым самопассивируется, в отличие от него А1 и РЬ в щелочных средах создают хорошо растворимые соединения, а следовательно, активно корродируют. В кислых средах все три металла подвергаются коррозии. Учитывая изло­ женное, коррозионная активность грунтов по отношению к свин­ цу и алюминию определяется более сложно (чем к стали), т. е. комплексом показателей, которые приведены соответственно в табл. 2 и 3.

Большую роль в процессе почвенной коррозии играют аэра­ ционные (диффузионные) свойства почвы, т. е. проницаемость почвы для основного элемента, участвующего в реакциях обра^ зования продуктов коррозии—кислорода. Именно по этой при­ чине наибольшая скорость коррозии, например, стали в грунте {в прочих равных условиях) наблюдается лишь при 15% влаж­

9