Тема 22. Корозія кабельних оболонок і міри захисту

1. ВИДИ КОРОЗІЇ

Корозія — процес руйнування металевих оболонок кабелів (свинцевих, сталевих, алюмінієвих), а також захисних і екрануючих покривів (сталевої броні, мідних і алюмінієвих екранів) внаслідок хімічного й електричного впливів навколишнього середовища. Розрізняють наступні види корозії: ґрунтову (електрохімічну), міжкристалічну (механічну) і електрокорозію (корозію блукаючими струмами).

Корозія оболонок приводить до втрати герметичності кабелів зв'язку, погіршенню їхніх електричних властивостей і в ряді випадків виводить кабель з ладу. Дія корозії, що руйнує, характеризується наступними даними: 1 А блукаючого в землі струму приводить до втрати протягом року 12 кг сталі, 36 кг свинцю, 100 кг алюмінію.

У залежності від характеру взаємодії оболонки кабелю і ґрунту, в якому він знаходиться, а також від проходження блукаючого струму, уздовж кабелю утворяться анодні, катодні чи знакопереміні зони.

Анодною зоною називається ділянка кабелю, на якій він має позитивний електричний потенціал стосовно навколишнього середовища. У цій зоні струми стікають з оболонки, несучи частки металу і руйнуючи її.

Катодною зоною називається ділянка, на якій він має негативний електричний потенціал стосовно навколишнього середовища. У цій зоні струм втікає в оболонку, не створюючи небезпеки її руйнування.

Знакоперемінною зоною називається ділянка, на якій має місце чергування позитивних і негативних потенціалів стосовно землі.

Швидкість корозії залежить від величини струму, що протікає між анодом і катодом, і природи процесів.

Рис. 22.1. Грунтова корозія: + анодна зона; — катодна зона; 1 — оболонка кабелю; 2 — струми корозии.

Швидкість корозії можна визначити по формулі:

V=

де Uк і Uа — катодний і анодний потенціали; Sа—площадь анодної ділянки; R — внутрішній опір ланцюга; К-коефіцієнт, обумовлений числом Фарадея.

2. ҐРУНТОВА ЕЛЕКТРОХІМІЧНА КОРОЗІЯ

Грунтовою корозією називається руйнування металевої оболонки кабелю, викликане електрохімічним процесом взаємодії металу з навколишнім ґрунтом. Основними причинами, що викликають ґрунтову корозію, є: вміст у ґрунті вологи, органічних речовин, солей, кислот, лугів, неоднорідність оболонки кабелю, неоднорідність хімічного складу ґрунту, що стикається з оболонкою кабелю, нерівномірне проникнення кисню повітря до оболонки кабелю. У результаті на поверхні металу утворяться гальванічні пари, що супроводжується циркуляцією струму між металом і навколишнім середовищем (мал. 22.1). У місцях виходу струмів з оболонки кабелю в ґрунті утворюються анодні зони, у яких і відбувається руйнування оболонки.

Інтенсивність корозії залежить від ступеня агресивності середовища, що характеризується двома параметрами:

питомим опором ґрунту і хімічною характеристикою ґрунту по кислотному вмісту рH (рH — це кислотне число, що характеризує число іонів водню в одиниця об'єму ґрунту).

По питомому опору ґрунти підрозділяються на три категорії:

низькоагресивні (піщані, глинисті, кам'янисті)-р>100 Ом-м;

середньогресивні (суглинні, лісові, слабкий чорнозем)-р=20— 100 Ом.м;

високоагресивні (торф, вапно, чорнозем, перегній, сміття) — р<10 Ом-м.

Третя категорія ґрунтів дуже небезпечна для металевих оболонок у корозійному відношенні.

По хімічному вмісту (кислотному числу рh) ґрунти також поділяються на три категорії:

рh=5—кислотні ґрунти, що містять розчини сірчаної, азотної, соляної кислот (торф, перегній, чорнозем, відходи виробництва й ін.);

рh=5...10—нейтральні ґрунти (пісок, глина, скеля);

рh=10...15—лужні ґрунти, що містять розчини кальцію, натрію, калію, фосфору й ін. (вапно, добрива, зола і т.і.).

На мал. 22.2 показана агресивність ґрунтів різних категорій. Варто мати на увазі, що різні метали по-різному поводяться в різних ґрунтах. Свинець руйнується головним чином у лужних середовищах, а також у кислотних середовищах при потенціалі вище —1,5 В. Алюміній піддається дуже інтенсивної корозії в обох середовищах. На сталь дуже агресивно діє кислотне середовище і менше впливає лужна.

Рис. 22.2. Схильність корозії різних металів:

I—кислотний ґрунт; II—нейтральний; III— лужний.

3. МІЖКРИСТАЛІЧНА ТА ЕЛЕКТРИЧНА КОРОЗІЯ

Міжкристалічна корозія виникає внаслідок вібрації кабелю при його транспортуванні на значні відстані, прокладці кабелю поблизу залізниць з великим вантажним рухом, на мостах автомобільних доріг і залізниць, а також при підвісці на опорах повітряних ліній. У свинцевій оболонці кабелю при міжкристалічній корозії з'являються дрібні тріщини, що, збільшуються за рахунок продуктів корозії, приводять до подальшого руйнування металу і розпаду деяких ділянок оболонки.

Електрокорозія — це процес руйнування металевої оболонки кабелю за рахунок блукаючих струмів у землі. Джерелами блукаючих струмів можуть бути рейкові шляхи трамвая, електрифікованих залізниць, метрополітену, установок дистанційного живлення, що використовують як зворотний провід землю. На електрифікованих залізницях і трамвайних мережах живильний струм, повертаючи по рейках до живильної підстанції, частково відгалужується в землю.

Рис. 22.3. Схема проходження блукаючих струмів від електрозалізниці.

Проходячи по землі і зустрічаючи на своєму шляху металеву оболонку кабелю, струм поширюється по цій оболонці (мал. 22.3), а потім сходить з оболонки в землю і до рейки, щоб повернутися до іншого полюсу генератора.

Ті ділянки кабелю, на яких блукаючі струми входять із землі в кабель, утворюють катодну зону; ділянки кабелю, на яких блукаючі струми виходять з кабелю в землю, утворяють анодну зону, у якій відбувається руйнування оболонки кабелю.

На міжміських кабельних лініях може застосовуватися дистанційне живлення підсилювальних пунктів по системі «провід-земля». При цьому струм, що стікає з заземлювача, частково попадає на оболонку кабелю, утворюючи катодну зону, а потім цей струм в іншім місці стікає з оболонки в землю, утворюючи анодну зону.

Інтенсивність електрокорозії металевої оболонки залежить від величини струму і напруги в ній. По діючим нормах напруга і струм не повинні перевищувати: Uk <—0,9 В; Iк<0,15 мА/дм². При великих значеннях Uк і Iк потрібно робити захист кабелю від корозії.

На електрифікованому транспорті можливі два варіанти заземлення джерел живлення (мал. 22.4): заземлення негативного електрода (трамвай, метрополітен, эл. ж. д.); заземлення позитивного електрода (приміська залізниця).

Рис. 22.4. Варіанти заземлення джерел живлення: а) заземлення негативного потенціалу; б) заземлення позитивного потенціалу.

У першому випадку однозначно відома анодна зона руйнування кабелю і можна здійснювати його захист. В другому випадку анодна зона переміщається уздовж кабелю разом з рухом електропоїзда. Кабель піддається небезпеці руйнування на всьому шляху і важко реалізувати захисні міри. Тому необхідно мати заземлення негативного електрода джерел живлення.

4. ЗАХОДИ ЗАХИСТУ ВІД КОРОЗІЇ

Захисні заходи для корозії оболонок кабелів зв'язку здійснюються як на установках електрифікованого транспорту, так і на спорудах зв'язку.

На електрифікованому транспорті здійснюються наступні міри захисту:

• зменшують опір рейок шляхом якісного зварювання стиків;

• поліпшують ізоляцію рейок від землі (полотнина з гравію, щебеню, піску);

• переполюсовують джерела живлення так, щоб заземлювався мінусовий електрод.

На спорудах зв'язку такими мірами захисту є:

• вибір траси з менш агресивним ґрунтом (пісок, глина, суглинок, нежирний чорнозем);

• застосування кабелів з герметичними поліетиленовими шлангами поверх металевих оболонок (обов'язково для алюмінію і сталі);

• електричний дренаж (від електричної корозії);

• катодні установки (від електричної і ґрунтової корозії);

• ізолюючі муфти (від електричної корозії);

• протекторні установки (від ґрунтової корозії);

• амортизуючі антивібратори, ресорні підвіски (від міжкристалічної корозії).

Електричний дренаж, катодні і протекторні установки відносяться до активних електричних методів захисту, інші — до пасивних.

4.1. ЕЛЕКТРИЧНИЙ ДРЕНАЖ

Електричний дренаж — це відвід блукаючих струмів з кабелю, що захищається, за допомогою провідника. Дренаж підключається до кабелю в середині анодної зони, тобто там, де кабель має найбільший позитивний потенціал стосовно землі. Блукаючі струми по дренажному кабелі приділяються з оболонки кабелю, що захищається, чи до рейок мінусовій шині, що харчує підстанції. У результаті анодна зона на кабелі перетворюється в катодну (мал. 22.5).

Рис. 22.5. Електричний дренаж: а) принцип дії; б) потенціал на кабелі.

При необхідності встановлюють кілька дренажів для того, щоб на всьому зближенні кабелів зв'язку з ел. з. д. оболонка мала негативний потенціал. Такі дренажі називаються прямими електричними дренажами. Прямий електричний дренаж має двосторонню провідність, тому він використовується тільки в стійких анодних зонах, наприклад при захисті міжміського кабелю від блукаючих струмів дистанційного живлення.

У зонах, де спостерігається зміна знака потенціалу оболонки щодо землі, застосовують дренажі односторонньої провідності - поляризовані дренажі. У дренажний ланцюг включається вентиль, діод чи поляризоване реле, що володіє односторонньою провідністю. У результаті струм тече тільки від оболонки кабелю до живильної підстанції електрифікованої залізниці. Для кабелів зв'язку застосовуються поляризовані дренажі.

Промисловістю випускається до 20 типів поляризованих дренажів, але найбільш широке застосування знайшли дренажі, зазначені в табл. 22.1.

Таблиця 22.1

Тип дренажу	Принцип роботи	Чутливість по напрузі, В	Припустимийдренажнийструм, А	Зворотня напруга, В	Габаритнірозміри, мм
ПЭД-58	електромагнітний	0,4—0,6	100	200	550Х330Х270
ПГД-200	Вентильний на полупровідниках	0,7	200	50	460х520х225
ПГД-100	То же	0,7	100	100	460Х520Х225
ПГД-60	—»—	0,7	60	150	460х520х225

На мал. 22.6 показана схема поляризованого дренажу ПГД.

Рис.22.6. Схема поляризованого дренажу ПГД:

Д — діод; А — амперметр; R — резистор; K — ключ; СУ — сигнальний пристрій

4.2 КАТОДНИЙ ЗАХИСТ

Принцип дії катодного захисту полягає в тому, що до оболонки кабелю, яка має позитивний потенціал стосовно землі (анодна зона), приєднують негативний полюс від стороннього джерела постійного струму, тим самим додаючи оболонці негативний потенціал. Таким чином, напруга джерела струму переводить анодну зону на оболонці кабелю в катодну. Позитивний полюс джерела струму заземлюють.

Для катодного захисту застосовуються катодні станції, що представляють собою випрямний пристрій із селеновими вирівнювачами чи германіевими діодами. Випускаються катодні станції з вбудованими вирівнювачами, що мають плавне чи східчасте регулювання випрямної напруги. Найбільш широке застосування знайшли катодні станції, приведені в табл. 22.2

Таблиця 22.2

Тип станції	Тип діода	Випмямлені		потужність, Вт	Габаритні розміри, мм	Маса, кг
		Напруга, В	Струм, А
КС-400	Селеновий	10—40	10	40	610Х620Х200	34
КГС-500	Германієвий	10—50	10	500	310х540х280	31
КСК-500
КГС-1200,	—»—	10—60	20	1200	410Х630Х280	68
КСК-1200
АСКЗ-1200	-»-	0—50	25	1200	410Х630Х280	80

Принцип роботи катодного захисту показаний на мал. 22.7.

Рис. 22.7. Катодна установка: а) принцип дії; б) потенціал на кабелі.

Ефективним заходом щодо захисту від корозії кабельних оболонок є застосування автоматичних катодних станцій (наприклад, АСКЗ-1200), що забезпечують автоматичну підтримку захисного потенціалу в заданому діапазоні.

Внаслідок порівняно великих експлуатаційних витрат катодні станції використовуються переважно для спільного захисту декількох підземних споруд і головним чином захисту від корозії блукаючих струмів.

Принципова схема КС-400 показана на мал. 22.8.

Рис. 22.9. Принципова схема катодної станції.

4.3. ПРОТЕКТОРНИЙ ЗАХИСТ

Протекторний захист, власно кажучи, аналогічний катодному захисту, тільки в даному випадку для створення негативного потенціалу на оболонці кабелю використовується не стороннє джерело струму, а струм, що з'являється за рахунок різниці електрохімічних потенціалів при з'єднанні різних металів (міді ... —0,377, свинцю ...—0,126, сталі ... —0,44, алюмінію ...—1,66, магнію ... —2,37). Цей струм спрямований від більш високого потенціалу до більш низького. У результаті його дії руйнуванню піддається метал з більш низьким потенціалом.

За звичай для протекторних електродів (протекторів) використовуються магнієві сплави МЛ, що складаються з магнію, алюмінію і цинку. Електрод являє собою циліндр довжиною 600—900 мм, діаметром 150—240 мм із контактним сталевим стрижнем (мал. 22.9). Застосовуються три типи протекторів: ПМ-5У, ПМ-10У и ПМ-20У.

Рис. 22.9. Пристрій електродного захисту:

1-сполучний провідник;

2 — гідроізоляція;

3- свинець;

4 — заповнювач; б — електрод;

6- контактний стрижень;

7-кабель зв'язку.

Принцип протекторного захисту полягає в тому, що катодна зона на оболонці кабелю створюється в результаті її з'єднання ізольованим проводом із заземленим протекторним електродом, що має більш низький електрохімічний потенціал, чим потенціал заземленної оболонки. Такий електрод є анодом, і струм з нього буде стікати в землю. Оболонка кабелю при цьому стає катодом і, отже, захищена від корозії. Наприклад, різниця потенціалів кабелю зі свинцевою оболонкою і магнієвим електродом складе U =—2,37— (-0,126) =-2,24 В.

Протекторні електроди застосовуються головним чином для захисту від ґрунтової корозії і встановлюються по двох-трьох на підсилювальну ділянку, при цьому відстань між ними і кабелем повинна бути не менш 2—6 м, глибина закопки 0,6— 1,8 м. Протектор включається через контрольно-випробувальні пункти (КВП).

4.4 ОСОБЛИВОСТІ ЗАХИСТУ ВІД КОРОЗІЇ АЛЮМІНІЄВИХ І СТАЛЕВИХ ОБОЛОНОК

Зіставляючи схильність корозії застосовуваних у даний час кабельних оболонок зі свинцю, сталі й алюмінію, слід зазначити, що найбільш стійкими до агресивного впливу корозії є свинець, сталь і, нарешті, алюміній. Сильна схильність алюмінію корозії обумовлена тим, що він руйнується не тільки в анодній зоні, але і при великих катодних потенціалах. Крім того, алюмінієві оболонки піддаються корозії в результаті дії гальванічних пар, що утворяться в місцях контакту оболонок зі сталлю, міддю і свинцем.

Алюміній вільний від корозії лише у вузькому діапазоні негативних потенціалів—(0,52—1,48). Свинець і сталь коррозують лише в анодних зонах ( при потенціалах, більших, ніж —0,9В ).

При порівнянні різних оболонок варто також мати на увазі, що сталь дуже чутна до впливу кислотних середовищ і поводиться досить непохитно в лужних середовищах. Свинець і алюміній піддаються корозії в обох випадках. Сталева гофрована оболонка руйнується, як правило, по вершинах гофр.

Виходячи з викладеного, кабелі зв'язку в алюмінієвих і сталевих оболонках для захисту від корозії обов'язково повинні мати поверх металу герметичну поліетиленову оболонку, що наноситься в процесі виготовлення кабелів.

З метою підвищення ефективності захисту додатково можуть бути застосовані електрохімічні методи захисту за допомогою протекторів, катодного захисту, а також електричних дренажів, утворених на ділянках дії блукаючих струмів.

4.5. ПРИСТРОЇ ПАСИВНОГО ЗАХИСТУ

Ізолюючі муфти (мал. 22.10), встановлені на кабелі, розривають металеву оболонку і тим самим зменшують величину блукаючого струму.

Ресорну підвіску кабелю (мал. 22.11) застосовують для зменшення шкідливої дії вібрації при прокладці кабелю по мостах, поблизу автомобільних доріг і залізниць.

Рис. 22.10. Ізолююча муфта:

1 — сердечник; 2 — оболонка; 3 — ізолююча муфта

Рис. 22.11. Ресорна підвіска кабелю:

/ — трубка; 2 — кабель; 3 — ресора

Крім того, при підвісці кабелів по опорах використовують гумові чи пластмасові гасителі в місцях кріплення кабелю.

5. ВИМІРЮВАННЯ ПОТЕНЦІАЛІВ НА ОБОЛОНЦІ КАБЕЛЮ І ОБЛАДНАННЯ КВП

Для виявлення небезпечних анодних зон і здійснення захисту кабелів від корозії приводиться комплекс вимірів: потенціалів і струмів на оболонці кабелю, питомого опору ґрунту по трасі кабелю; перехідного опору «кабель-земля» і щільності струму, що стікає з кабелю, різниці потенціалів «кабель-рельс».

Важливою характеристикою є створювана блукаючими і ґрунтовими струмами величина потенціалів на оболонці кабелю стосовно землі. Вимір цієї величини здійснюється за допомогою металевих электродів-заземлювачів на броньованих кабелях у місцях установки КВП, та в кабельних колодязях. За даними вимірів будують діаграми розподілу потенціалів вздовж траси кабелю, виявляють анодні зони і визначають ділянки, що вимагають захисту від корозії (мал.22.11).

Контрольно-вимірювальні пункти обладнують на підземних кабелях для здійснення електричних вимірів потенціалів блукаючих і ґрунтових струмів, а також для контролю за станом ізолюючих покривів кабелю без спеціальних розкопок котлованів і розкриття захисних покривів. Установку КВП у залежності від типу кабелю й умов прокладки роблять на різній відстані один від одного (0,6—2,2 км), звичайно в місцях встановлення сполучних муфт.

Рис.22.11. Діаграма розподілу потенціалу на кабелі уздовж траси.

На кабелях у свинцевих оболонках із бронею і зовнішнім джутовим покривом (кабелі типів МКСБ, КМБ і ін.) установку КВП роблять через 0,6—2 км, на кабелях з алюмінієвими оболонками в поліетиленових захисних шлангах через 6—7 км.

Крім цього, КВП встановлюються в місцях устаткування заземлень чи перемичок між оболонкою і бронею, передбачених для захисту від впливу ЛЕП, электрозалізницею, перемінного струму й ударів блискавки, а також у місцях установки пристроїв захисту від корозії. При передачі дистанційного живлення по системі «провід-земля» КВП-1 обладнується на відстані 75—100 м і 250—300м в обидва боки від кожного НПП.

Рис. 22.12. Схема з'єднань: а) на КВП-1; б) на КВП-2

Застосовуються два типи КВП: для установки на броньованих кабелях у металевих оболонках без ізолюючих покривів КВП-1 і на броньованих і неброньованих кабелях у металевих оболонках із пластмасовими покриттями КВП-2.

Контрольно-вимірювальний пункт являє собою залізобетонний стовпчик прямокутного перетину з внутрішньою подовжньою трубою, через яку проходять сполучні проводи. У верхній частині стовпчика зміцнюється коробка (ніша) із зовнішньої дверкой. Всередині коробки кріпиться щиток з ізоляційного матеріалу з клемами, до яких підключаються сполучні проводи від оболонки і заземлення. Нижня частина стовпчика закінчується двостороннім виступом, що перешкоджає висмикуванню стовпчика з землі: КВП-1 має щиток із двома клемами, а КВП-2— з п'ятьма.

Схеми монтажу КВП-1 і КВП-2 показані відповідно на мал. 22.12.