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

чину тока утечки с рельсов через арматуру при их сообщении определяют потенциалом рельс—земля и сопротивлением зазем­ ления арматуры.

А так как сопротивление заземления арматуры, даже корот­ ких мостов, нередко находится в пределах нескольких десятых долей Ома, то ток утечки достигает иногда десятков и сотен Ампер. Особенно опасно сообщение с рельсами для арматуры мостов, расположенных в середине межподстанционной зоны, где наблюдаются наибольшие средние положительные потен­ циалы на рельсах. Поэтому на таких мостах ни в коем случае нельзя допускать металлическую связь арматуры с рельсами. Если же такая связь существовала продолжительное время и средняя утечка тягового тока составляла Амперы, то следует тщательно обследовать устои в подземной части.

На участках с большими средними потенциалами рельс—‘ земля ожидается и без сообщения арматуры с рельсами наи­ большее затекание блуждающих токов в арматуру от тока утеч­ ки с рельсов, расположенных в пределах моста, так как блуж­ дающий ток в арматуре будет определяться величинами потен­ циала рельс—земля и сопротивлением цепи утечки. Сопротив­ ление цепи утечки тока с рельсов состоит из переходного сопро­

9 0

V

ной и анодной зон от этих токов показано на рис. 35,6. Выход тока с арматуры будет наблюдаться на устоях, расположенных ближе к тяговой подстанции.

Как уже отмечалось, способов непосредственного измерения плотности тока утечки с арматуры пока не найдено. Но может быть предложено два способа косвенного определения плотно­ сти тока утечки с арматуры железобетонных мостов.

Первый способ. Ток утечки с арматуры железобетонного мо­ ста определяют средней величиной разности потенциалов арма­ тура—земля и сопротивлением цепи утечки:

Uа—з

Rа—з

лов рельс—земля и токов утечки через арматуру при сообщении

чим чертежам.

При положительных значениях разности потенциалов рельс — земля считается, что утечка тока происходит с половины поверх­ ности первого наружного слоя арматуры подземной части желе­ зобетонных устоев и половины поверхности последнего (наруж­ ного) слоя арматуры бетонных устоев; при отрицательных зна­

стороны рельсов пролетного строения.

Второй способ. Ток утечки с арматуры моста находят по дан­ ным измерений средних значений разности потенциалов между неполяризующимися электродами, установленными на земле около устоя (один электрод вблизи устоя, другой на середине расстояния между устоями). Эти величины измеряют без сооб­

91

щения арматуры с рельсами и при сообщении. При сообщении определяют средний ток утечки с арматуры за период измере­ ний. Следовательно, во втором случае разность потенциалов между неполяризующимися электродами измеряют уже при из­ вестном токе утечки с арматуры моста. В обоих случаях опреде­ ляют средние значения разности потенциалов рельс—земля. Продолжительность измерения и способ определения отдельно средних положительных и отрицательных значений, те же, как и при первом способе.

Положительные значения разности потенциалов между не­

(4-)£/1—2Ср — средняя положительная величина; (—) и i - 2cp —

гг

средняя отрицательная величина; (+ ) £/р_ЗСр — сред­ няя положительная величина разности потенциалов рельс — зем-

Без сообщения эти величины будут: ( + ) V i_2 — средняя по­ ложительная величина разности потенциалов между неполяри­

зующимися электродами, соответствующая утечке тока с арма-

г

туры подземной части устоев; (—) Ui_2 — средняя отрицатель­ ная величина, соответствующая утечке тока с арматуры пролет­ ного строения, с половины поверхности первого ряда арматуры,

находящейся под рельсами; ( + ) £/р_3— средняя положительная

величина; (—) U р_ 3 — средняя отрицательная величина.

[ Если измерения без сообщения арматуры с рельсами и при сообщении производились при одинаковых средних значениях

потенциалов рельсов, т. е. £/р_3ср = Ц>-зср , то средняя величина разности потенциалов'A t/i_2 ^вызванная средней величиной

Гр-а , будет

т. е. их умножают на соответствующие коэффициенты для поло­

9 2

приведенным величинам U\^2 находят разность потенциалов между неполяризующимися электродами, вызванную током утечки в 1 А.

Плотность тока утечки определяют как и в первом способе. Первым или вторым способом пользуются в зависимости от

возможности расположения электродов около обследуемых устоев.

§ 6. КОРРОЗИЯ и ЗАЩИТА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ШПАЛ, ПЛАТФОРМ, СВЕТОФОРНЫХ МАЧТ И РЕЛЕЙНЫХ ШКАФОВ

Железобетонные шпалы все настойчивее вытесняют деревян­ ные, особенно на грузонапряженных участках, большинство из которых электрифицировано на постоянном токе. Нахождение шпал в электрическом поле не исключает возможности попада­ ния тока в арматуру, а следовательно, и появления электрокоррозионных их повреждений. С целью определения опасности этого рода повреждений рядом организаций проведены исследо­ вания. ЦНИИ МПС широко обследованы железобетонные шпа­ лы, находящиеся в различных потенциальных зонах рельсов, т. е, произведен осмотр, вскрытие арматуры и электрические' из­ мерения. Пытались определить величину тока, попадающего в арматуру шпалы, по изменению потенциала арматура — бетон, так как прямых способов измерений этой величины в арматуре шпалы не существует. Вначале были определены величины галь­ ванического потенциала арматуры в бетоне шпалы (по отноше­ нию к неполяризующему свинцовому электроду, установленному на бетон) на нескольких шпалах, находящихся вне поля рель-, сов. Гальванический потенциал арматура—бетон находился в пределах 0,25—0,6 В. Установлено, что только при отекании тока с арматуры />3,5 мА (/>1,3 iftA/дм2), измеряемая величина по­ тенциала арматура—бетон становится выше, значений гальвани­

93

ческого потенциала. На рис. 36 представлен график изменения

малые токи в арматуре практически невозможно оценить по по­ тенциалу арматуры или его смещению.

Чрезвычайно трудно определить ток в арматуре шпалы в эксплуатационных условиях. На ряде шпал, находящихся под рельсами электрифицированного участка на постоянном токе, была попытка выявления зависимости потенциала арматуры от тока в арматуре. Для чего одну струну на время измерения со­ единяли с рельсом через миллиамперметр (с малым внутренним сопротивлением). Отмечено, что при потенциалах, больших 2,5 В, плотность тока утечки с арматуры превышает нормируе­ мую. Такие же измерения, но без сообщения арматуры с рельсом показывают, что значения потенциала больше 2,5 В могут воз­ никать только при больших потенциалах рельс—земля

£7р_з =20 В.

Все измерения произведены на шпалах с рельсовым скрепле­ нием К-4, имеющим невысокое переходное сопротивление рель­ сов, т. е. в условиях интенсивной утечки тягового тока. Приме­ няемое в последние годы рельсовое скрепление КБ имеет луч-

Рис. 36. Изменение разности потенциалов арматура — бетон в зависимости от тока утечки или притекания

94

шую изоляцию деталей скрепления от шпалы, а следовательно, существует меньшая возможность попадания тока утечки в ар­ матуру. На рис. 37 показано расположение анодных и катод­ ных зон на арматуре при различной полярности потенциалов рельс—земля.

Если при вскрытии шпалы место электрокоррозионных по­ вреждений на арматуре будет соответствовать анодным зонам, (см. рис. 37,а,б), то повреждения вызваны блуждающими (от тягового тока) токами. При многочисленных обследованиях шпал таких повреждений не встречалось, хотя была вскрыта ар­ матура шпал, находящихся длительное время (более 7—9 лет) в эксплуатации. Наблюдалась только коррозия участков арма­ туры, прилегающих к дюбелям, вызванная проникновением вла­ ги через зазор между дюбелями и бетоном; концов струн на глубину их заделки в бетон (3 мм), вследствие трещин в бетоне и коррозия некоторых струн (по всей поверхности) из-за недо­ статочного защитного слоя бетона, которая может быть отнесена к атмосферной/

Следовательно, угроза электрокоррозии арматуры шпалы' от тягового тока существует только в случае сообщения струн с рельсами, тогда шпала может разрушиться в течение нескольких месяцев. При рельсовом скреплении КБ (наиболее распростра­ ненном) такая опасность может возникнуть от повреждения или отсутствия изолирующей втулки на закладном болте, так к^к нередки случаи, когда закладная шайба имеет металлическую связь с арматурой. Поэтому при изготовлении шпал нельзя до­ пускать сообщения арматуры с рельсом, а еще надежнее было бы изолировать заклад­ ную шайбу от бетона.

Кроме коррозионной опасности при сообщении арматуры с рельсами на нескольких шпалах, мо­ жет возникнуть асим­ метрия рельсовых цепей, так как, во влажный период времени сопро­ тивление заземления Струны бывает _ ниже

100Ом,

Всвязи с тем, что на некоторых неэлектрифи-

95

электрокоррозия арматуры. С одной стороны, сигнальный, ток: утечки с рельсов значительно меньше тягового тока утечки (ток автоблокировки не превышает 10 А), а сопротивление цепи утечки сигнальному току больше, чем тяговому. К тому же .из-* за электрохимического (аккумуляторный и гальванический) эффекта на железобетонных шпалах применяется импульсный: постоянный ток.

С другой стороны, поле тока автоблокировки может почте все замыкаться в шпале, поэтому возможно, что наибольшая часть тока утечки автоблокировки протекает по арматуре. Харак*

рельсов ниже нормы.

Железобетонные платформы, расположенные вблизи рельсов, могут подвергаться воздействию блуждающих токов. Но наи: большая опасность угрожает этим конструкциям от возможного случайного сообщения с рельсами через расположенные на платформах опоры контактной сети или примыкающие пешеход­ ные мосты, имеющие «глухое» заземление на рельсы. Поэтому при строительстве платформ следует особенно тщательно сле­ дить за тем, чтобы их арматура не имела связи с металлически­ ми частями различных сооружений, заземленных на рельсы. Бо­ лее надежно для этих целей предусматривать специальные изо­ лирующие элементы.

При металлической связи по арматуре всех элементов плат­ формы электрокоррозии будут подвергаться опорные конструк­ ции в подземной части, причем повреждения можно ожидать почти на всех опорных конструкциях в анодных и знакоперемещ ных зонах потенциалов на рельсах. Без сообщения с рельсами блуждающие токи значительно меньше (на порядок), поэтому опорные конструкции будут подвергаться электрокоррозии в ме­ стах, где арматура имеет положительный потенциал относитель­ но бетона или окружающего грунта. Электрокоррозия армату­ ры платформ от блуждающих токов маловероятна; от токов утечки — может протекать очень интенсивно и привести к раз­ рушению платформы в течение одного года. Во всех случаях опасность электрокоррозии определяется по той же методике, что и для железобетонных мостов.

Поэтому при приемке или уже в эксплуатационных условиях

Часто встречается разрушение бетонного слоя в пролетных элементах. Это повреждение не электрокоррозионное. Электро­ коррозия арматуры в пролетных элементах возможна лишь при сообщении ее с конструкциями, заземленными на рельсы, и при отсутствии в то же время металлической связи по арматуре всех элементов платформ. .•

96

Светофорные мачты, как и опоры контактной сети, подверга­ ются интенсивной электрокоррозии. В анодной и знакоперемен­ ной зонах потенциалов рельсов электрокоррозия поражает ар­ матуру подземной части железобетонных и бетонных фундамен­ тов, может также возникнуть и на арматуре надземной части, расположенной под хомутами или другими деталями армировки в катодной и знакопеременной зонах потенциалов рельсов.

Площадь поверхности стальной арматуры у светофоров, с которой может стекать попавший в арматуру ток утечки через цепь рельс—светофор, меньше, чем у опор контактной сети, по­ этому допустимый ток утечки для этих конструкций тоже мень­ ше. Так, для их бетонных фундаментов — не выше 2,5 мА или сопротивление цепи утечки у светофора не менее 400 Ом на каж­

утечки не больше 10 мА, т. е. сопротивление цепи рельс—свето­ фор более 100 Ом на каждый вольт среднего значения положи­ тельных потенциалов рельс — земля.

Методика определения степени опасности электрокоррозии этих конструкций такая же, как и у опор контактной сети. За­ щитным средством от электрокоррозии можно рекомендовать введение изолирующих элементов или включение в цепь зазем­ ления искрового промежутка. При обслуживании светофора искровой промежуток должен быть зашунтирован. Следует за­ метить, что глухое заземление светофоров на рельсы, кроме того, создает условие и для попадания опасного тягового тока в обо­ лочку кабелей, могущего вызвать электрокоррозию ее или про­ жоги, так как нередко нарушается изоляция кабелей на вводе в светофорную мачту.

Релейные шкафы, особенно их железобетонные фундаменты, подвергаются электрокоррозии токами утечки, попадающими на арматуру через заземления. Учитывая поверхность, с которой может стекать ток с арматуры, установлены нормы допустимого тока, которые выражаются следующими величинами: в анодной и знакопеременной зонах ток утечки с рельсов через цепь рельс— релейный шкаф не должен превышать 10 мА, или сопротивление цепи утечки — не менее 100 Ом на каждый вольт среднего зна­ чения положительных потенциалов рельс—земля; в катодной и знакопеременной зонах ток, притекающий в рельсы через цепь релейный шкаф—рельсы, должен быть не более 2 мА, т. е. со­ противление этой цепи — не менее 500 Ом на каждый вольт среднего значения отрицательных потенциалов рельсов.

В случае, если ток утечки или притекания превышает (мето­ дика измерения как на опорах контактной сети) .допустимые величины, необходимо установить изолирующие элементы, отде­ ляющие корпус шкафа от бетона и арматуры фундаментов.

При строительстве такая изоляция должна быть предусмот­ рена проектом и смонтирована во время установки шкафов.

Г л ава V

ЗАЩИТА ОТ Э1ПЕКТРОКОРРОЗИИ РЕЛЬСОВ

ИРЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИИ

§1. МЕХАНИЗМ ЭЛЕКТРОКОРРОЗИИ РЕЛЬСОВ

ИРЕЛЬСОВЫХ СКРЕПЛЕНИЙ

Существующее требование по поддержанию стабильного уровня изоляции рельсовых цепей, обеспечивающего нормаль­ ную работу автоблокировки, не исключает значительную утечку

скольких сотен Ампер, в связи с чем унос металла с рельсов, и рельсовых скреплений иногда составляет несколько тонн в год.

Электрокоррозии подвергаются только те участки и элемен­ ты рельсов и рельсовых скреплений, с которых непосредственно стекает ток в электролитическую среду. Роль среды выполняет шпала (деревянная или железобетонная), пропитанная влагой или имеющая поверхностное увлажнение. Ток утечки зависит от величины положительного потенциала рельсов по отношению к земле и сопротивления в цепи утечки (переходного сопротивле­ ния) . Закономерности распределения потенциалов рельсовой сети вдоль межпоцстангшонной зоны подробно рассмотрены в главе II.

Переходное сопротивление рельсов при сухом состоянии бал­ ласта и шпал достаточно велико и в основном определяется ув­ лажнением и загрязнением элементов верхнего строения пути. Поэтому наиболее частые случаи электрокоррозионных повреж­ дений рельсов и рельсовых скреплений как у нас, так и за рубе­ жом, пока наблюдаются в тоннелях железных дорог, электрифи­ цированных на постоянном токе, где верхнее строение пути силь­ но увлажнено и загрязнено. По этой причине срок службы рель­ сов в некоторых тоннелях сокращается до 2—4 лет. На откры- - тых участках случаев выхода самих рельсов из-за электрокор­ розии известно немного, а срок службы рельсов, в основном, оп­ ределяется механическим износом.

Электрокоррозионные же повреждения металлических рель­ совых подкладок, шурупов и костылей наблюдаются на всех уча­ стках дорог, электрифицированных на постоянном токе. Однако при разработке новых типов рельсовых скреплений как для де­ ревянных, так и железобетонных шпал вопросам снижения это­ го вида повреждений не уделяется достаточного внимания, и одни и те же типы рельсовых скреплений укладывают на элек-

98

трифицированных и неэлектрифицированных дорогах. Хотя в некоторых странах имеются тенденции к введению дополнитель­ ных изолирующих элементов на участках, электрифицирован­ ных на постоянном токе. Самыми нежелательными типами скрепления для электрифицированных дорог постоянного тока являются те скрепления, при которых возможна утечка тягового тока непосредственно с подошвы рельсов в электролитическую среду (например, в шпалу), ибо наблюдались случаи излома рельса уже при кавернах на его подошве глубиной 2 мм.

На железных дорогах нашей страны применяются:

на деревянных шпалах только подкладочные типы скрепле­ ний — костыльное и раздельное с жесткими клеммами (К-2);

на железобетонных шпалах — раздельное скрепление КБ и бесподкладочное упругое скрепление с двухслойными пружин­ ными клеммами ЖБ.

При подкладочных типах скрепления и нормально собранных всех его элементах тяговый ток не должен стекать непосред­ ственно с рельсов, так как рельсы не имеют непосредственного контакта с электролитом. При таких скреплениях ток стекает с рельсов в металлически связанные с ним элементы скрепления— подкладки и костыли (шурупы), а уже с них в шпалу. Поэтому электрокоррозии подвергаются не сами рельсы, а детали рель­ совых скреплений. Однако длительное изучение показывает, что и при подкладочных скреплениях возможна электрокоррозия рельсов. Последняя возникает при потере в процессе эксплуата­ ции металлического контакта рельсов с элементами скрепления (подкладками, костылями, клеммами и т. п.). Электрическими измерениями установлено, что в сухой период времени переход­ ные сопротивления между рельсами и элементами скрепления, потерявшими со временем контакт с рельсами, довольно значи­ тельны и иногда являются определяющими в утечке тягового тока с рельсов. При увлажнении переходное сопротивление рез­ ко снижается, так как зазоры между рельсами и подкладками, между рельсами и костылями либо заполняются водой, либо плохо проводящие в сухом состоянии продукты коррозии и за­ грязнения, заполняющие зазоры, насыщаются влагой и стано­ вятся хорошо электропроводными. Причем наблюдается следую­ щая динамика изменения переходного сопротивления: резкое уменьшение при попадании влаги и медленное восстановление при ее высыхании.

На рис. 38 показаны записи регистрирующих вольтметров, хорошо иллюстрирующие это явление. Снижение в период дож­ дя Uр_п до нуля при наличии /7Р_ 3 свидетельствует о появ­ лении хорошо проводящего контакта между рельсом и под­ кладкой.

Отсутствие металлического контакта рельсов с элементами скрепления создает условия, при которых возможна их электро­ коррозия в катодных и знакопеременных зонах при отрицатель-