Коррозия подземных кабелей связи

Коррозия - это разрушение металла кабельных оболочек вследствие их химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Главным признаком коррозии подземных кабелей связи является появление на их оболочках разрушенных участков в виде пятен, язв, трещин, воронок, сквозных повреждений и т. д.

В зависимости от условий протекания коррозионного процесса различают следующие основные виды коррозии: межкристаллитная, почвенная (электрохимическая) и коррозия блуждающими токами.

Межкристаллитная коррозия возникает по причине ослабления молекулярных связей между отдельными кристаллитами (зернами) металла, в результате чего на металлической оболочке кабеля появляются мелкие трещины. Чаще всего межкристаллитной коррозии подвергаются кабели в местах возможной вибрации (при прокладке кабеля вблизи рельсовых путей железных дорог и трамвая, вблизи шоссейных дорог с интенсивным движением транспорта, по мостам), а также при длительной транспортировке кабеля на барабанах.

Кабели ГТС наиболее интенсивно подвергаются почвенной коррозии и коррозии блуждающими токами. Рассмотрим более подробно эти виды коррозии.

Почвенная коррозия − это электрохимическое разрушение металла оболочки кабеля, вызываемое действием окружающей среды (почвы, грунтов, грунтовых и других вод). Скорость протекания почвенной коррозии зависит от содержания в почве солей, кислот, щелочей, органических веществ, от влажности и структуры грунта, соприкасающегося с кабельной оболочкой, от неравномерности доступа кислорода к оболочке.

Все процессы коррозии металлов в земле обусловлены перемещением ионов в электролите, которым являются в данном случае водные растворы кислот, щелочей, солей в земле, и соответственным перемещением электронов в самом металле. Каждый металл характеризуется своим электрохимическим потенциалом, который зависит от свойств металла. Величина электрохимического потенциала является показателем степени перехода ионов металла в электролит. Чем больше абсолютная величина отрицательного электрохимического потенциала, тем менее прочно он удерживает свои ионы и тем больше подвергается коррозии.

Почвенная коррозия проявляется в основном в виде макрогальванических пар и контактных гальванических пар.

Макрогальванические пары образуются на проложенном в грунте или телефонной канализации кабеле вследствие различия удельного сопротивления, химического и структурного состава грунта и неравномерности доступа кислорода в разных точках кабеля по длине. В результате этого потенциалы кабельной оболочки относительно окружающей среды становятся разными и возникают гальванические пары, вызывающие протекание токов от точек оболочки с большими потенциалами к точкам с меньшими потенциалами (рис. 7.5).

Рисунок 7.5 − Почвенная коррозия, обусловленная неоднородностью грунта

В местах протекания тока оболочка имеет положительный потенциал. В этих местах образуется так называемая анодная зона. Здесь происходит переход от электродной проводимости в металле к ионной в электролите. Именно в анодных зонах и коррозирует кабельная оболочка. В местах, где токи входят в оболочку, образуется катодная зона, имеющая отрицательный потенциал относительно окружающей среды. Здесь кабель не подвергается коррозии. Макрогальванические пары характеризуются тем, что анодные и катодные зоны находятся на сравнительно большом расстоянии друг от друга. Это позволяет проводить измерения потенциалов в различных точках оболочки. Различные металлы в разной степени подвергаются коррозии в грунтах. Свинцовые оболочки в большей степени коррозируют в щелочных средах (зола, известняки), алюминиевые оболочки сильно подвергаются коррозии и в щелочных, и в кислотных средах. Для стальных оболочек наиболее опасными являются кислотные среды (чернозем, торфяники, солончаки). Наиболее активно коррозия протекает в грунтах, удельное сопротивление которых невелико. Это объясняется тем, что при малом сопротивлении грунта токи с оболочки стекают более интенсивно.

Контактные гальванические пары в кабелях могут возникать в местах монтажа соединительных муфт. При этом анодные и катодные зоны располагаются в непосредственной близости друг к другу, т. е. контактируют. Металлы с более отрицательными электрохимическими потенциалами становятся здесь анодом и начинают разрушаться со значительно большей скоростью. Металлы с менее отрицательными или положительными потенциалами разрушаются с меньшей скоростью, так как играют роль катодов. Наиболее опасными являются контактные пары свинец-алюминий и сталь-свинец.

Коррозия блуждающими токами − это электрохимическая коррозия металла под воздействием блуждающих токов, основным источником которых является электрифицированный транспорт: электрифицированные железные дороги, трамвай, метрополитен, питающиеся от постоянного тока. Схема, показывающая распределение блуждающих токов, показана на рисунке 7.6.

Рисунок 7.6 − Коррозия блуждающими токами и потенциальная диаграмма кабеля

От тяговой подстанции тяговый ток IT по контактному проводу через токоприемник подводится к тяговым двигателям электропривода. Пройдя тяговые двигатели, ток I_р через колеса электровоза и рельсы возвратится к минусовой шине питающей подстанции. Так как рельсовые пути плохо изолированы от земли, то значительная часть тока ответвляется в землю. Это и есть блуждающие токи. Растекаясь по земле и встречая на своем пути кабели связи, удельное сопротивление оболочек которых много меньше удельного сопротивления земли, блуждающие токи I_Б попадают на оболочку, распространяются по ней и в зоне, близкой к питающей подстанции, стекают с кабельной оболочки в землю и попадают на минусовую шину подстанции. Блуждающие токи могут достигать нескольких сотен и даже тысяч ампер. Из рисунка 7.6 видно, что анодная зона находится вблизи тяговой подстанции, а катодная зона перемешается вместе с перемещением электровоза, т. е. она распределена по всей трассе сближения кабеля с рельсовыми путями. В реальных условиях на линии бывает несколько электролитов. Кроме того, в городских условиях возможно одновременное воздействие нескольких независимых источников блуждающих токов. Поэтому на трассе сближения кроме анодной и катодной зон может иметь место знакопеременная зона, в которой знак потенциала кабеля по отношению к окружающей среде меняется во времени. Переменный характер токов, стекающих с рельсов, обусловливает переменный характер блуждающих токов, а соответственно токов и потенциалов на оболочке кабеля. Если определить средний потенциал в каждой точке за определенный период времени, то можно получить усредненную потенциальную диаграмму, пример которой приведен на рисунке 7.6. Коррозия блуждающими токами происходит в анодной зоне и является следствием процесса электролиза, т. е. процесса перехода с анодного участка кабеля ионов металла в почвенный электролит. Коррозия блуждающими токами, как правило, более интенсивна, чем почвенная коррозия. Характерным признаком коррозии этого вида является язвенный характер повреждений кабельных оболочек вплоть до сквозных отверстий. Следует отметить, что в реальных условиях эксплуатации кабельных линий связи могут существовать одновременно все рассмотренные выше виды коррозии.

Меры защиты от коррозии

Защитные мероприятия от коррозии проводят как на электрифицированном транспорте, так и на сооружениях связи. На электрифицированном транспорте для уменьшения блуждающих токов увеличивают переходное сопротивлении между рельсами и землей. На сооружениях связи защитные мероприятия делятся на две группы − пассивные и активные. Пассивные меры предусматривают защиту от коррозии без использования внешних ЭДС. Активные :меры защиты предусматривают использование внешних ЭДС, обеспечивающих необходимые токи зашиты. К пассивным мерам защиты относятся защитные покровы, накладываемые на металлические оболочки в виде полиэтиленовых или поливинилхлоридных шлангов (предусматриваются конструкцией кабелей связи), изолирующие муфты, электрический дренаж. К активным мерам защиты относятся катодные станции и протекторы. Защитные покровы в виде полиэтиленовых шлангов в конструкции кабелей с алюминиевыми или стальными гофрированными оболочками, используемых на межстанционных соединительных линиях ГТС могут существенно ослабить или полностью исключить коррозию, так как они препятствуют проникновению в оболочку влаги и оказывают большое сопротивление электрическому току. Защитные покровы должны быть по длине сплошными и плотно прилегать оболочке, иначе даже при небольших трещинах в шланга коррозия в месте повреждения резко усилится. Поэтому при монтаже соединительных муфт кабеля необходимо тщательно восстанавливать защитные покровы шлангового типа и контролировать их сопротивление изоляции. Изолирующие муфты, позволяющие увеличить продольное сопротивление оболочки, используют для защиты от коррозии стыков кабелей с разными металлическими оболочками, чтобы устранить возникновение гальванических пар, вводов кабелей связи со шланговыми покровами в телефонной станции для контроля сопротивления изоляции шланга, а также кабелей, выходящих за пределы сооружений метрополитена, для уменьшения блуждающих токов. Конструктивно муфты состоят из двух свинцовых цилиндров, разнесенных на 10 мм и соединенных между собой эпоксидным компаундом. Электрический дренаж применяют в основном для защиты от коррозии блуждающими токами. С помощью установок электродренажной защиты блуждающие токи с кабельной оболочки отводятся к их источнику. Электрические дренажи бывают прямые и поляризованные. Прямые дренажи имеют одностороннюю проводимость и включаются только в устойчивых анодных зонах, где отсутствует возможность протекания тока с рельсовых путей на кабель. В знакопеременных зонах используют поляризованные дренажи, которые пропускают ток только с кабеля на рельсовые пути. Схема подключения поляризованного электродренажа представлена на рисунке 7.7. Включение электродренажа меняет распределение потенциалов в системе «рельсы − земля – кабель», вследствие чего анодная зона, в которой оболочка кабеля разрушается, заменяется катодной и коррозия замедляется или совсем прекращается. Здесь обеспечивается замена ионной проводимости (переход ионов металла в почвенный электролит) электронной (отвод блуждающих токов с кабеля в рельсовые пути).

Рисунок 7.7 − Электрический дренаж

В работе электрического дренажа большое значение имеет величина дренируемого тока. Чрезмерно большой ток может влиять на соседние подземные сооружения связи. Поэтому для регулирования и контроля тока в схеме дренажа предусмотрены реостат R и амперметр А. При перегорании предохранителя Пр сигнальное реле СР срабатывает и замыканием своих контактов сигнализирует о нарушении нормальной работы дренажной установки. Катодная защита осуществляется с помощью внешнего источника постоянного тока. Схема катодной защиты представлена на рисунке 7.8. Катодная защита может использоваться для защиты от почвенной коррозии и коррозии блуждающими токами. Принцип катодной защиты заключается в том, что в анодной зоне к оболочке кабеля подключают отрицательный полюс источника, а положительный полюс источника заземляют. При этом защищаемый кабель поддерживается под отрицательным потенциалом по отношению к окружающей среде, вследствие чего он является катодом, а заземлитель − анодом. Ток, текущий от заземлителя к оболочке кабеля, должен создать в земле электрическое поле, значительно большее электрического поля блуждающих токов, стекающих с оболочки в землю. Только в этом случае обеспечивается отрицательный потенциал относительно окружающей среды.

Рисунок 7.8 − Принцип зашиты кабеля от коррозии с помощью катодной станции: 1 − катодная станция; 2 − кабель связи; 3 − анодное заземление

Источник постоянного тока подбирают таким, чтобы он обеспечивал компенсацию анодной зоны на защищаемом участке кабеля. В качестве источника постоянного тока используют катодные станции, которые представляют собой выпрямительные устройства.

Протекторная защита по принципу работы отличается от катодной только тем, что для создания отрицательного потенциала на оболочке кабеля в анодной зоне защищаемую оболочку соединяют не с источником постоянного тока, а с металлическим электродом (протектором). Протектор имеет собственный электрохимический потенциал, более отрицательный, чем потенциал металла оболочки. Схема протекторной защиты показана на рисунке 7.9.

При протекторной защите потери металла вследствие коррозии не прекращаются, только коррозионный процесс с защищаемого кабеля перемещается на протектор. Таким образом, анодная зона с защищаемого кабеля переносится на протектор, который, являясь анодом, разрушается.

Рисунок 7.9 − Схема протекторной защиты кабеля от коррозии: 1 − кабель связи; 2 – протектор

Изготавливают протекторы из магниевых и алюминиевых сплавов. Для уменьшения сопротивления растекания токов протектор помещают в специальный активатор, состоящий из смеси гипса, сернокислого натрия и глины. Протекторы обычно имеют форму, цилиндра длиной 500...700 мм и диаметром 150...300 мм. Устанавливают их на расстоянии 2...6 м от кабеля на глубину 0,6... 1,8 м.