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

нпческих составляющих определяют не только величиной вы­ прямленного напряжения, но и углом отсечки.

Вавтоматических УД, где применяются управляемые выпря­ мители, состав и уровень гармонических составляющих опреде­ ляется, кроме того, углом регулирования выходным напряже­ нием.

Внормальных условиях работы устройства УД являются мощными источниками четных гармонических составляющих от частоты 50 Гц и прежде всего гармонических составляющих ча­ стотой 100 и 200 Гц, величины которых могут составлять соот­

ветственно от 40 до 70% и от 4 до 14% постоянной составляю­ щей выходного напряжения.

Состав и величины гармоник.в цепи УД резко меняются при возможных аварийных состояниях выпрямителей (пробой одного из плеч или короткое замыкание, обрыв цепи в одном из плеч выпрямителя вследствие обрыва провода или повреждения по­ лупроводникового вентиля). При пробое и шунтировании венти­ лей в одном из плеч выпрямителя защита осуществляется предо­ хранителями, при перегорании которых питание устройства УД отключается.

При обрыве в одном из плеч выпрямителя в-существующих системах УД выпрямитель переходит в режим неполнофазной работы и этот режим ввиду отсутствия элементов, контролиру­ ющих нормальную работу выпрямителя, может продолжаться как угодно долго.-Практика показывает, что при этом наиболее тяжелым повреждением следует считать внутренние рассоедине­ ния паек в вентиле из-за скачкообразных изменений нагрузки в цепи дренажа, что наиболее характерно для такого рода, уст­ ройств в условиях электрифицированных железных дорог.

Ваварийных состояниях выпрямительных устройств УД в дренажной цепи, кроме постоянной составляющей и четных’гар­ монических составляющих, появляется ток частотой 50 Гц и его нечетные гармоники, уровень которых может достигать до .80% выпрямленного напряжения. При этом, как показывают измере­ ния, напряжение гармоники 50 Гц, приложенное между средней точкой дроссель-трансформатора и землей, нередко превышает уровень напряжения сигнального тока той же частоты.

Вобщем случае ток помехи для любой гармонической3со­ ставляющей может быть получен из формулы

Ud а-к

/п

^вхг

где Ud — выпрямленное напряжение на выходе УД;

а к — коэффициент пульсаций для данной гармоники;

Z8Xr — полное входное сопротивление системы рельс—земля— подземное сооружение—дренаж для рассматриваемой гармоники.

60

Вгл. II было показано, что появление в цепи дренажа тока гармонических составляющих, уровень которых превышает до­ пустимые значения,' приводит к снижению надежности работы рельсовых цепей. Расчетами и экспериментально установлено, что величины токов гармонических составляющих в дренажной цепи или напряжения гармоник на выходе УД не должны пре­ вышать значений, приведенных в табл. 11.

тока гармоники с частотой 100 Гц, как наиболее выраженной при существующих схемах выпрямления в УД. Составляющие гармоники других частот заметно ниже по амплитуде, да и их влияние на рельсовые цепи проявляется меньше. Это влияние учтено в расчетах и приведено к частоте 100 Гц.

Фактически в рельсовую цепь при подключении к ней УД по­ ступают токи гармонических составляющих более высокого уровня (в 10—15 раз). Поэтому для обеспечения устойчивой ра­ боты путевых приемников и АЛС, а также повышения эффектив­ ности дренажных устройств (за счет повышения уровня рабоче­ го напряжения на выходе УД) следует снижать уровень пульса­ ций в выпрямленном токе защиты путем применения сглажива­ ющих устройств (СУ) или многофазных схем выпрямления (3, б или более фазных выпрямителей).

Установлено, что мешающего к опасного влияния гармоник УД на путевое реле рельсовой цепи и устройства АЛС не будет при коэффициенте сглаживания 12—15 и при выпрямленном на­ пряжении на выходе УД до 12 В. Повышение напряжения пита­ ния до 24 В и более потребует увеличения коэффициента сгла­ живания до 30.

Кроме необходимости иметь значительный коэффициент сгла­ живания, СУ должны обеспечить независимость величины ко­ эффициента сглаживания от колебаний частоты и уровня питаю­

61

щего напряжения, значения и характера нагрузки. Для сниже­ ния уровня гармонических составляющих в выпрямленном дре­ нажном токе можно рекомендовать включение:

последовательно . с нагрузкой индуктивности (дросселя), представляющей значительное сопротивление для переменных* составляющих;

параллельно нагрузке емкости, представляющей малое со­ противление для переменных составляющих;

последовательно с нагрузкой фильтра, задерживающего пе­ ременную составляющую с наибольшей амплитудой (фильтр-

пробка) ; последовательно с нагрузкой фильтр-пробки и параллельно

нагрузке резонансных шунтов, настроенных на частоту, наиболее выраженных гармоник;

компенсационных устройств (трансформаторного фильтра) на выходе выпрямителя.

Как показали исследования ЦНИИ МПС, по технико-эконо­ мическим соображениям в условиях работы УД преимущество имеют компенсационные устройства и включение фильтр-пробки последовательно в цепь дренажа. Последнее, однако, может применяться только в установках УД, выпрямленное напряже­ ние которых не более 9 В. В качестве временной меры в этом случае может быть применен дроссель-трансформатор ДТ-0,6- 500(1000), первичная обмотка которого включается последова­ тельно в цепь дренажа, а вторичная нагружается на конденса­

трансформаторных фильтров (ЗТФ), включаемых на выходе ис­ точника тока УД. Особенно большие преимущества фильтр ЗТФ имеет при значительных уровнях переменных составляющих в цепи дренажа, которые могут возникнуть в процессе работы вы­ прямителя. В этом случае достигается эффект не только в высо­ ком коэффициенте сглаживания, но и большой выигрыш в га­ баритах индуктивностей и емкостей. ЗТФ состоит из двухобмо­ точного трансформатора (рис. 26) с коэффициентом трансфор­ мации, близким к единице, конденсаторов С, включенных после­ довательно с первичной обмоткой L\ на клеммы пульсирующе­ го напряжения выпрямителя УД. Вторичная обмотка L2 вклю­ чена последовательно в цепь дренажа (в цепь пульсирующего тока).

Фильтр устанавливают в специальном корпусе. Конденсато­ ры от возможных пробоев при внутренних перенапряжениях за­ щищают варисторами R \ (6 шт. типа СИ 1-2, 68 В, соединенные

.параллельно). Дренажный кабель следует подключать к. рель­ совым путям через переходное'устройство ЯУ, в качестве кото­ рого можно использовать типовые трансформаторные ящики с

62

4

З Г Ф

Рис. 26. Схема подключения сглаживающего фильтра ЗТФ к установке уси­ ленного дренажа

установкой в них последовательно в цепь дренажного кабеля из­ мерительного шунта Ш, предохранителя П на максимальный расчетный ток дренажа и средств защиты установки от перена­ пряжений со стороны рельсовой цепи. Такое подключение в це­ лом повышает надежность работы устройств УД и позволяет электромеханику СЦБ контролировать селективными вольтмет­ рами нормированные значения тока гармоник в цепи дре­ нажа.

Соответствие характеристики установки усиленного дренажа действующим требованиям проверяют при нагрузке выпрямите­ ля, соответствующей максимальному расчетному току, для чего выходные зажимы установки усиленного дренажа замыкают че­ рез регулируемый резистор, с помощью которого устанавливают максимальный расчетный ток.

В течение трех лет в эксплуатационных условиях Московской дорогой проводились всесторонние испытания опытных образцов фильтра ЗТФ. Опыт показал высокую эффективность действия СУ этого типа, надежность в работе, компактность и высокий коэффициент сглаживания (не менее 30), небольшие эксплуата­ ционные расходы и малые потери электроэнергии.

На неэлектрифицированных участках железных дорог, обо­ рудованных рельсовыми цепями постоянного тока, на путевые приемники может оказывать влияние ток, стекающий с анодных заземлителей станций катодной защиты (СКЗ). В случае рас­ положения анодного заземлителя вблизи железнодорожного пути часть этого тока может попадать из земли в рельсы, и рель­ совая цепь (или часть её) становится частью цепи катодной за­ щиты. Ввиду того, что рельсовые цепи постоянного тока являют­ ся низкоомнымя цепями с чувствительными приемниками (ре­ ле), нормальная работа такой цепи может быть нарушена тока­ ми катодной "защиты, попадающими в нее.

Как показали исследования, влияние токов СКЗ на рельсо­ вые цепи зависит от многих причин (места расположения анод­ ного заземлителя и мощности СКЗ, удельного сопротивления

63

грунта, состояния балласта, шпал, типа рельсовой цепи и ее со­ стояния, типа путевого реле и т. д.) и может быть как мешаю­ щим, так и опасным.

Влияние тока СКЗ на путевое реле может проявиться и при изменении длины одной из рельсовых, нитей, например, в случае короткого замыкания в изолирующем стыке. Наибольшее влия­ ние может быть в контрольном режиме работы цепи, т. е. когда одна из рельсовых нитей имеет электрический разрыв. На осно­ вании исследований установлено, что при этом предельное зна­ чение 'тока помехи не должно превышать для рельсовых цепей с реле НР1-2 более 16 *мА, а с реле ИР1-03 — более 80 мА. По­ высить, надежность защиты рельсовых цепей от влияния тока

СКЗ можно как выбором места установки анодного заземлителя на соответствующем расстоянии от оси железнодорожного, пути (рис. 27), рассредоточением заземлителей вдоль защищаемого сооружения, так и улучшением состояния самих рельсовых ли­ ний (снижение асимметрии, хорошее содержание стыков, улуч­ шение состояния шпал, балласта и т. п.), а также переходом на питание рельсовых цепей переменным током частотой 50 или 25 Гц. При обнаружении влияния гармонических составляющих

64

Глава IV

ЗАЩИТА ОТ КОРРОЗИИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИИ

§ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, СПОСОБСТВУЮЩИЕ РАЗРУШЕНИЮ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

На железнодорожном транспорте большая часть конструк­ ций: шпалы, опоры контактной сети, искусственные сооруже­ ния изготовлены из железобетона, основными составными ча­ стями которого являются сталь, хорошо работающая на растя­ жение, и бетон, плохо воспринимающий растягивающие усилия, но выдерживающий нагрузки от сжатия. Бетон получается в процессе твердения бетонной массы, состоящей из вяжущего вещества и нейтральных заполнителей. В качестве вяжущих при­ меняют цементы, образующие при твердении цементный ка­ мень; заполнителями служат щебень из твердых горных пород и песок.

Разрушение железобетонных конструкций может происхо­ дить из-за коррозии под воздействием агрессивных сред собст­ венно бетона (цементного камня) и стальной арматуры, а так­ же из-за электрической коррозии арматуры. На электрифициро­ ванных участках постоянного тока последний вид коррозии при­ чиняет наибольший ущерб.

Обобщение большого исследовательского и опытного мате­ риала [13, 14] позволило выделить из большого количества раз­ нообразных процессов коррозии цементного камня три их основ­ ные группы.

К первой относят все те процессы, при которых основные ча­ сти цементного камня растворяются и уносятся водой. Эти про­ цессы протекают особенно активно при действии вод с малой временной жесткостью.

Во второй группе могут быть объединены процессы, протека­ ющие в бетоне при действии вод, содержащих вещества, хими­ чески реагирующие с составными частями цементного камня. При этом продукты реакций либо легко растворимы и уносятся водой, либо выделяются в виде аморфной массы, не обладаю­ щей вяжущей способностью.

В третьей группе обычно рассматривают процессы, при раз­ витии которых в порах'и капиллярах бетона накапливаются малорастворимые соли, кристаллизация которых вызывает зна­ чительные внутренние усилия и разрушения бетона.

хорошо растворимый в воде. Именно в этом и заключается глав­ ная роль углекислоты в процессе коррозии бетона. В дальней­ шем протекает уже коррозия первой группы, так как бетон ли­ шился защитного карбонизированного слоя и, кроме того, вслед­ ствие взаимодействия агрессивной углекислоты с известью вода теряет временную жесткость.

Этот вид коррозии имеет место при установке конструкции вблизи сточных вод промпредприятий, морской воды, мест скла­ дирования минеральных удобрений. Известны случаи, когда, на­ пример, фундаменты опор гибких поперечин, расположенные в местах выгрузки удобрений, разрушались в течение нескольких месяцев [15].

Стойкость бетона к химическим воздействиям может быть увеличена созданием плотной структуры бетона, которая исклю­ чает глубокое проникновение растворов. Весьма эффективным является применение вокруг конструкции защитного слоя из плотного грунта. При наличии агрессивных кислот должны предъявляться особые требования и к подбору заполнителя, т. е. использование только плотных карбонатных пород.

При коррозии в процессах третьей группы бетон разрушается за счет накопления в порах и капиллярах кристаллов солей, которые образуются или вследствие химических реакций взаи­ модействия агрессивной среды и составных частей цементного камня, или поступают извне и выделяются вследствие постепен­ ного испарения влаги из раствора.

На определенной стадии рост кристаллообразований вызы­ вает значительные растягивающие усилия в стенках опор и ка­ пиллярах и разрушение структурных элементов бетона.

Претерпевает значительные изменения и структура бетона* На начальной стадии развития коррозии пористость бетона уменьшается, затем в бетоне появляются трещины с ориенти­ ровкой их, в основном, параллельно внешней поверхности. На заключительной стадии образуются более крупные трещины нормально к поверхности.

В развитии коррозии этого вида большое значение имеет не только проницаемость бетона, наличие открытых пор и капилля­ ров, но и величина поверхности соприкосновения агрессивной среды и цементного камня.

Наиболее характерным для развития третьей группы корро­ зии является действие на бетонные сооружения вод, содержащих

сульфаты. В пресных озерах и в реках содержание SO4 обыч* но не превышает 60 мг/л, в минерализованных грунтовых водах оно достигает 2000—6000 мг/л.

Образующийся в бетоне под действием сульфатов сульфоалюминат кальция, содержащий кристаллизационную воду, имеет объем в 2,5 раза больше объема составляющих. Накопле­ ние кристаллов и вызывает значительные разрушения цемент­

А г р е с с и в н о с т ь с в о й с т в в о д ы о ц е н и в а ю т норма­ ми признаков агрессивности воды как среды для бетона. Это дает возможность по результатам химического анализа воды еще при проектировании установить требования, которые долж­ ны быть предъявлены к бетону, и решить вопрос о выборе меро­ приятий по защите конструкций, обеспечивающих их долговеч­

ность.

Следует подчеркнуть, что от того, насколько правильно ре­ шен вопрос по выбору защитных мероприятий, зависят экономи­ ческие показатели строительства. Иногда при недостаточности принятых мероприятий первоначальное удешевление оказывает­ ся в целом мнимым, так как через сравнительно короткий срок возникает необходимость выполнения ремонтно-восстановитель­ ных работ, стоимость которых во много раз превышает первона­ чальную экономию.

В качестве основных признаков в нормах агрессивности во­ ды — среды приняты: концентрация ионов водорода (pH), вре­ менная (карбонатная) жесткость, содержание сульфатов, магне­ зиальных солей и свободной углекислоты.

В условиях работы транспортных конструкций для защиты бетона от коррозии первой и второй групп достаточно использо­ вание бетона повышенной плотности с дополнительной обмаз­ кой качественной битумной изоляцией. Для обеспечения целост­ ности изолирующего покрытия необходимо применять только закапываемые фундаменты. Вибропогружение при этом не допу­ скается.

Защита конструкций от сульфатной среды .(содержание суль­ фатов в пределах 500—2000 мг/л) обеспечивается применением сульфатостойких цементов и повышением плотности бетона. На­ несение битумной изоляции также повышает стойкость бетонов. Хорошие результаты дает изоляция бетонной поверхности от соприкосновения с агрессивной средой плотной глиняной забив­ кой толщиной 20—30 см вокруг конструкций. Слои глины за­ трудняют доступ воды к бетону и тем самым способствуют уве­ личению его долговечности.

Этот метод иногда используют для защиты массивных фун­ даментов под металлические опоры гибких поперечин. Однако использование привозного (дорогостоящего) грунта требует де­ тального технико-экономического обоснования.

В практике эксплуатации фундаментов и опор контактной -сети большее распространение получило механическое разруше­ ние бетона за счет дополнительных внутренних растягивающих усилий, возникающих при атмосферной и почвенной коррозии арматуры и анкерных болтов в бетоне.

Вообще щелочная среда бетона не агрессивна по отношению к стали (бетон защищает, пассивирует арматуру — см. рис. 3), но агрессивные компоненты окружающей среды могут проник­ нуть через бетон и вызвать «ржавление» арматуры, в результате

68

чего на поверхности конструкции появляются трещины, распо­ ложенные вдоль арматуры. Как правило, при этом слой ржавчи­ ны равномерен на поверхности арматуры и анкерных болтов. Особенно благоприятные условия для коррозии арматуры соз­ даются при влажности 80%. Наиболее уязвимыми для этого вида коррозии оказались железобетонные опоры, особенно центрифугированные. На железных дорогах растет число таких опор, получивших трещины вдоль арматуры в надфундаментной части. ,

Объясняется это тем, что в надфундаментной части опор за­ щитный слой бетона меньше, поверхность подвергается интен­ сивному обдуванию воздухом и смачиванию атмосферной вла­ гой. Отмечено, что в районах с преобладающими ветрами и воз­ духом, содержащим засоленные морские воды, коррозия усили­ вается. Это имеет место в районе г. Баку на Закавказской доро­ ге, в Приморье на Дальневосточной дороге.

Особенно опасно наличие на опорах мест с обнажением' ар­ матуры или анкерных болтов, граничащих с участками, плотно защищенными бетоном. Процесс коррозии на обнаженных участ­ ках идет более интенсивно, чем при ржавлении металла на воз­ духе. Дело в том, что за счет различной степени поступления кислорода к открытому и защищенному участкам возникает мак­ ропара, в которой обнаженный участок служит анодом.

Это явление приводит к усиленному ржавлению металла, на­ пример, опор под некачественно выполненными оголовками, к коррозии выступающих из бетона концов анкерных болтов. Под вскрытыми пористыми оголовками фундаментов металлических опор на Южно-Уральской и Октябрьской дорогах обнаружена коррозия уголков опоры, захватившая до половины сечения ме­ талла.

На Бакинском участке энергоснабжения при замене метал­ лических опор пришлось заменить на новые и фундаменты, так как анкерные болты в выступающей из бетона части прокорродировали на 60—70%.

Наличие атмосферной коррозии арматуры требует примене­ ния специальной окраски железобетонных конструкций в на­ чальный момент развития трещин.

На железных дорогах, электрифицированных на постоянном токе, создаются условия для электрокоррозионных повреждений железобетонных конструкций как от токов утечки с рельсов че­ рез арматуру, так и от блуждающих токов. Блуждающие токи значительной величины могут затекать в арматуру только про­ тяженных конструкций (железобетонные мосты, эстакады и др. искусственные сооружения). Что касается таких конструкций, как железобетонные опоры, фундаменты металлических опор контактной сети, фундаменты светофорных мачт и релейных шка­ фов, то затекание в их арматуру опасных блуждающих токов Маловероятно. Но в случае соединения таких конструкций с

69