книги из ГПНТБ / Коррозия и защита сооружений на электрифицированных железных дорогах
..pdfКОРРОЗИЯ 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
УДК 621.33:621.316.9 |
|
|
|
Коррозия и |
защита сооружений |
на электри |
|
фицированных железных дорогах. А. |
В. К о т е л ь |
||
н и к о в , В. И. И в а н о в а, |
Э. П. С е л е д ц о в, |
||
А. В. Н а у м о в . |
Изд-во |
«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
розия токами утечки электротяги (блуждающими токами), особенно для подземных коммуникаций и конструкций, располо женных в непосредственной близости от тяговых рельсовых се тей. Нередки случаи коррозионных повреждений уже в первые годы (а иногда и месяцы) после ввода электротяги в эксплуа тацию. Поэтому своевременные защитные мероприятия, нередко носящие чисто профилактический характер, прекращают разви тие коррозионных процессов и создают условия для нормаль ной эксплуатации сооружений в течение длительного времени.
Задачей настоящей книги является' объяснение условий воз никновения коррозии (преимущественно электрокоррозии) и ме тодов защиты от нее железнодорожных сооружений и конструк
ций. |
написали канд. техн. наук А. В. Котельников |
(гла |
||
Книгу |
||||
вы I, II § 1—4, III § 1—4, V § 4, VI § |
1— 3), инж. В, И. Иванова |
|||
[главы IV § 1 (стр. 69—71), § 2 (стр. 76—79), § 3 (стр. 81—84), |
||||
V § 1—3], |
канд. техн. наук Э, И. Селедцов [главу IV § 1 (стр. |
|||
65—69), § 2 (стр. 71—76), § 3 (стр. 79—81), § 4]; |
канд. техн. |
|||
наук А. В. |
Наумов (главы II § 5, III § 5). Глава VII написана |
|||
канд. техн. наук А . В . Котельниковым |
и инж. В. И. |
Ивановой. |
||
Авторы выражают глубокую признательность инж. |
Е. А. Б а- |
|||
р а н о в у |
и канд. техн. наук. А. С. С о к о л о в у за ряд |
весьма |
ценных советов и указаний при подготовке рукописи к изданию, ч Замечания и пожелания по содержанию книги просим нап равлять по адресу: Москва, Б -174, Басманный тупик, д. 6а, издательство «Транспорт».
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
воренными веществами, которые отложились на нем |
в качест |
ве продуктов загрязнения. В силу неоднородности |
металла |
(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>
|
|
Анод |
Катод |
Анод |
Ын |
Катод |
|
|
(i кор) и внешних |
источников (/вн) |
|||
Рие. |
1. Протекание |
токов |
гальванопар |
|||
|
|
в контакте металл — электролит: |
|
|
||
а — микрогальванокоррозионная пара; |
б — макрогальванокоррозионкая па |
|||||
ра; |
в — анодные и |
катодные участки, |
создаваемые внешним |
источником |
||
|
|
|
тока (электрокоррозия) |
|
|
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
|
AG = qIt, |
(1) |
|
где q — электрохимический эквивалент. |
|
||
Именно в этом |
заключается |
перенос электричества — ток не |
|
может стекать, |
не растворяя |
металл. Электрохимические |
экви |
валенты металлов, наиболее широко применяемых в железнодо рожном хозяйстве, приведены в табл. 1.
|
|
|
|
|
Таблица! |
|
|
|
|
Электрохимический |
Объемные |
|
|
|
Металл |
Плотность, |
эквивалент |
^потери |
Нормальный |
|
|
|
г/см3 |
|
|
металла, |
потенциал, В |
|
|
|
мг/Кл |
кг/А • год |
см3/А • год |
|
|
Fe |
7,83 |
0,2824 |
9,12 |
1165 |
—0,44 |
|
А1 |
2,7 |
0,0932 |
2,93 |
1085 |
—1,67 |
- |
РЬ |
11,35 |
1,0376 |
33,8 |
2970 |
—0,126 |
|
Си |
8,6 |
0,6588 |
26,6 |
3100 |
-0,345 |
|
П р и м е ч а н и е. Нормальный потенциал — потенциал металла в растворе его соли по |
|||||
отношению к потенциалу водорода, |
принимаемому за нуль. |
|
|
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
Удельное электри- |
Свыше 20 -100 10—20 |
5—10 |
До 5 |
ческое сопро- |
100 |
|
|
тивление грунта, |
|
|
|
Ом • м |
Низкая Средняя Повы Высокая Весьма |
||
Коррозионная |
|||
активность |
шенная |
|
высокая |
Чем больше электропроводность грунта, тем более активны будут гальванопары, так как сопротивление грунта ограничи вает их циркулирующий коррозионный ток. Сопротивление грунта определяется степенью его влажности, минералогическим
8
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.
|
|
1 |
Органические |
|
Т а б л и ц а |
2 |
pH |
Нитрат почвы, % |
Коррозионная |
|
|||
! |
вещества, % |
активность |
|
|||
6,5—7,5 |
|
До !,0 |
0Д001 |
Низкая |
|
|
5,0—6,4 |
|
1—2 |
0,0001—0,001 |
Средняя |
|
|
7 ,6 -9 ,0 |
|
|
||||
До 5,0 |
и |
|
Свыше 2 |
Свыше 0,001 |
Высокая, |
|
свыше 9,0 |
|
|
||||
- |
|
' |
|
|
Т а б л и ц а |
3 |
pH |
|
|
Содерж.ание, 9® |
Коррозионная |
|
|
|
|
1 |
|
|
||
|
|
|
ионов железа |
активность |
|
|
|
|
|
хлор-иоиоз |
|
|
|
6,0—7,5 |
|
До 0,001 |
До 0,002 |
Низкая |
|
|
4.5— |
5,9 |
|
0,091—0,003 |
0,002-0,1 |
Средняя |
|
7 .6 - |
8,5 |
|
% |
|
|
|
• До 4,5 |
или |
|
Свыше 0,003 |
Свыше 0,01 |
Высокая |
|
свыше 8,5 |
|
|
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