Разработка метода оценки влияния блуждающих токов метрополитена на чугунную тоннельную обделку и определение рациональной сферы применения активных способов ее защиты тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.09, кандидат технических наук Бондаренко, Владимир Алексеевич

• Бондаренко, Владимир Алексеевич
• кандидат технических наук
• 1984

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бондаренко, Владимир Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

1. НАПРАВЛЕННОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЛИЯНИЯ БЛУЖДАЮЩИХ ТОКОВ МЕТРОПОЛИТЕНА НА ТОННЕЛЬНУЮ ОБДЕЛКУ

1.1. Сравнительный анализ научно-исследовательских работ . \

1.2. Особенности распределения токов утечки в тоннелях метрополитена

1.3. Механизм и кинетика электрокоррозии серого чугуна тоннельной обделки . 2к

IA, Методы определения потенциального состояния тоннельной обделки

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ЭЛЕКТРОКОРРО -ЗИ0НН0Е СОСТОЯНИЕ ТОННЕЛЬНОЙ ОБДЕЛКИ, И МЕТОДОВ ИХ КОНТРОЛЯ

2.1. Методика лабораторных исследований

2.2. Определение критерия электрокоррозионной опасности для чугунной тоннельной обделки . 5Ь

2.3. Определение стационарного потенциала чугуна тоннельной обделки в контакте с разными средами

2.4. Определение поляризационной и омической составляющих потенциала тоннельной обделки

2.5. Выводы по главе

3. ИССЛЕДОВАНИЯ ТОКОРАСПРЕЩЕЛЕНИЯ В СИСТЕМЕ "РЕЛЬС -ОБДЕЛКА - ЗЕМЛЯ"

3.1. Постановка задачи. Выбор метода исследования

3.2. Обоснование эквивалентной схемы замещения системы "рельс -обделка -земля"

3.3. Выбор физической модели

3.4. Принципы физического моделирования на блочном универсальном сеточном электроинтеграторе (БУСЭ-70) . SS

3.5. Распределение токов и потенциалов в системе "рельс - обделка-земля" при однородных электрических параметрах . \\

3.6. Распределение токов и потенциалов в системе "рельс - обделка-земля" при неоднородных электричес ких параметрах

3.7. Исследование влияния путевого бетона на распределение токов и потенциалов системы "рельс обделка - земля"

3.8. Интегральные токи утечки системы "рельс -обделка-земля"

3.9. Выводы по главе

ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПО ТОННЕЛЬНОЙ ОБДЕЛКЕ С УЧЁТОМ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ГЕОМЕТРИИ ПУТЕВОЙ КОНСТРУКЦИИ И ТОННЕЛЯ 4.1. Поверхностные неравномерности токораспреде-ления по тоннельной обделке, определяющие максималь -ную плотность тока утечки . Ы

4.2. Геометрический коэффициент неравномерности токораспределения по внутренней поверхности тоннельной обделки . ]1оЬ

4.3. Геометрический коэффициент неравномерности токораспределения по внешней поверхности тоннельной обделки . ПО

4.4. Коэффициент приведения токов утечки с тоннельной обделки к действительной площади стекания -17?

4.5. Оценка неравномерности токораспределения по внутренней поверхности тоннельной обделки

4.6. Исследование распределения тока в щели между бортовыми поверхностями прилегающих тюбингов . Ш

4.7. Оценка электрокоррозионной опасности блуж -дающих токов метрополитена для тоннельной обделки . J

4.8. Выводы по главе

5. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ АКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ ТОННЕЛЬНЫХ

ОБДЕЛОК И РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО РАЦИОНАЛЬНОЙ

СФЕРЕ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ

5.1. Дренажная защита тоннельной обделки

5.2. Катодная защита тоннельной обделки . т

5.3. Рациональная сфера применения активных способов защиты тоннельной обделки

5.4. Технико-экономическое обоснование эффективности применения методики оценки электрокоррозионного состояния тоннельной обделки

5.5. Выводы по главе . 23$

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода оценки влияния блуждающих токов метрополитена на чугунную тоннельную обделку и определение рациональной сферы применения активных способов ее защиты»

s В В Е Д Е Н И Е В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года", приня тых на ХХУ1 съезде КПСС, отмечено: "Основными задачами транспорта являются полное и своевременное удовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в перевозках, повышение эффек тивности и качества работы транспортной системы". Для экономического освоения возрастающих перевозок прежде всего необходимо повысить уровень использования и надёжности работы технических средств транспорта" /I Речь прежде всего идет о более производительном, эффективном использовании наиболее активной части основных производственных фондов. ХХУ1 съезд КПСС указал на напряженность работы транспорт ной системы страны, что в полной мере можно сказать и об одном из её звеньев метрополитенах. В настоящее время свыше 50 го родов мира имеют метрополитены. Более чем в 80 городах метрополитены проектируются или уже сооружаются. В нашей стране 8 го родов уже имеют метрополитены и более чем в 12 городах метрополитены проектируются и сооружаются. Успешная эксплуатация метрополитенов возможна при условии выполнения предъявляемых к ним требований высокой надёжности и, прежде всего, надёжности тоннельной обделки. В условиях метрополитена надёжность обделки определяется способностью противостоять внешним и внутренним воздействиям, включая и коррозионные, которые, как правило, являются определяющими. Поэтому необходимость оценки коррозионного состояния обделки очевидна. Известно, что обделка может быть подвержена коррозионному повреждению под действием агрессивных сред и блуждающих токов как метрополитена, источником которых являются рельсы, используемые в качестве обратной тяговой сети, так и внешних источников. Блуждающие токи, как показала практика эксплуатации метрополитенов, представляют особую опасность для чугунной обделки. Для железобетонных обделок, находящих все более широкое приме нение, электрокоррозионная опасность от блуждающих токов мало вероятна, при условии выполнения требований СНиП (электрическое разобщение арматуры вдоль тела тоннеля), исключающих возмож ностБ возникновения их элекгрокоррозионного повреждения. Для чугунной обделки эти меры не осуществимы, поэтому проводимые исследования в рамках настоящей работы будут касаться чугунной обделки. В настоящее время из-за дефицита чугуна чугунные обделки применяют только на участках трасс со сложными гидрогеологическими условиями, где требуется усиленная конструкция тоннеля. Но, протяженность уже уложенных трасс о. чугунной обделкой значительна и составляет примерно 40% от действующего полигона метрополитенов страны, Под действием блуждающих токов чугунная обделка подвергается электрокоррозии, приводящей к графитизации чугуна и потере механических свойств обделки в целом со всеми вытекающими последствиями. Кроме того, действие агрессивной среды на бортовые поверхности тюбингов, из которых состоит обделка, способствует развитию щелевой коррозии и приводит к возможности проникновения подземных вод внутрь тоннеля. Фильтрующая сквозь

7. обделку грунтовая вода понижает изоляционные свойства рельсо вой сети, снижает прочность сооружений, выводит из строя эле менты верхнего строения пути, кабельное хозяйство и оборудование, находящееся в тоннелях. При таких условиях электрокорро зионное воздействие блуждающих токов значительно усиливается. Отличительной особенностью тоннелей метрополитена по сравнению с другими подземными сооружениями и коммуникациями (трубопроводы, кабели и другие) является расположение источника блуждающих токов внутри тоннеля, что создает специфичные условия распределения блуждающих токов. Вопрос оценки электрокоррозионного состояния таких соору жений как тоннели метрополитена представляет значительные трудности. Можно отметить лишь несколько работ, посвященных частичному рассмотрению данного вопроса: это диссертационные работы Б.Г.Дубровского 3 0 Н.К.Николаенко б б и А.М.Муганлинского 6 5 а также комплекс исследований проведенный ВНЙИЕТом под руководством А.В.Котельникова /44, 45/. Анализ этих работ показал сложность решения данного вопроса и его особенности. На ряде метрополитенов страны были отмечены серьезные очаги электрокоррозионной опасности, разрушающее действие которых проявилось прежде всего на рельсах, деталях рельсового скрепления, внутритоннельных конструкциях; это позволяет предполо жить наличие такой опасности и для тоннельных обделок, хотя аа прошедший сравнительно короткий период эксплуатации метрополитенов (не более 10 от нормируемого срока) электрокоррозионного повреждения обделки ещё не проявилось. Было обращено внимание на необходимость периодической оценки электрокоррозионного s состояния обделки; в то же время существующие методы мере достоверными и приемлемыми. Для оценки электрокоррозионной опасности блуждающих токов прежде всего необходимо знание свойств чугунной обделки противостоять воздействию постоянного тока, которые до настоящего времени практически не исследованы. Немаловажным является также и вопрос оценки потенциального состояния внешней поверхности обделки, по которой на практике судят о наличии блуждающих токов. Методика этой оценки весьма приближенна и не позволяет связать измеренный потенциал теризовать её электрокоррозионное состояние. Опыт эксплуатации метрополитенов показал, что распределение тока утечки по поверхности обделки происходит неравномерно и прежде всего из-за локального понижения переходного сопро тивления "рельс обделка" вызванного наличием течей,подсосов влаги и загрязнений верхнего строения пути, приводя к концентрации этих токов в отдельных местах обделки. При таких условиях электрокоррозионная опасность для обделки весьма вероятна, и что самое главное, предопределяет сложность оценки её элек трокоррозионного состояния. Из-за сложности исследования дан ного вопроса ранее он не рассматривался. При наличии электрокоррозионной опасности выполнение требований обеспечения надёжности обделки может быть достигнуто только проведением защитных мероприятий. Основными являются пассивные меры, направленные на поддержание нормируемого изоляционного состояния рельсовой сети. Однако в некоторых слуоб делки с плотностью тока утечки с неё, а, следовательно, и харакоценки электрокоррозионного состояния обделки нельзя считать в полной чаях следует рассматривать возможности использования и актив ных средств защиты, условия применения которых рассмотрены до настоящего времени недостаточно. Изложенное позволяет сказать, что к настоящему времени назрела необходимость в разработке метода оценки электрокоррозионного состояния чугунной обделки, который позволил бы учесть влияние таких важных факторов, ранее не исследуемых, как локальное понижение переходного сопротивления "рельс обделка" и конструктивная особенность тоннеля. Результаты применения этого метода должны быть исходными данными для целенаправленного обоснования мероприятий по защите обделки от электрокоррозии. Осуществление защитных мер должно обеспечить надёжность и безопасность работы метрополитенов. Решению этих вопросов и посвящена настоящая работа. Работа выполнялась во ВНИйШГе и входила в перечень основных работ, выполняемых институтом по приказам Министра сообщения СССР. путей тор показал, что при однородных электрических параметрах системы "Рельс обделка земля", для принятых им параметров (параметры чугунной обделки в то время ещё не были определены), токи утечки с внешней поверхности обделки значительно ниже электро коррозионноопасных. В этой работе тоннель представлялся ввиде сплошной трубы большого диаметра, то есть не учитывались кон тактные сопротивления тюбингов, также входящие в продольное сопротивление тоннеля (уточненный расчёт не изменил принципиаль ного вывода работы). В 1969 г. институтом АзйНХа совместно с Бакинским метрополитеном /65, 83, 8/ была впервые практически осуществлена катодная защита внешней поверхности чугунной обделки на действующей линии метрополитена. Основанием для этого послужили опасения значительной коррозии чугуна в условиях прокладки тоннеля в сильно минерализованных солончаковых грунтах. Впервые были получены необходимые реальные параметры катодной защиты обделки от блуждающих токов метрополитена и почвенной коррозии: на километр трассы тоннеля необходим ток защиты 300 А, а мощность катодной установки 15-20 кВт. Автором был сделан вывод, что катодная защита чугунной обделки целесообразна лишь при наличии изоляции на её внешней поверхности, катодная защита с неизолированной внешней поверхностью обделки неэкономична, при условии доведения потенциала обделки до минимально защитного от почвенной коррозии (-0,3 В В I97I г. в Баку была проведена Первая Всесоюзная конфе ренция по защите от коррозии сооружений и устройств метрополитена, привлекшая внимание специалистов ко многим не решенным вопросам в этой области, включая и коррозию блуждающими тока8, 17 Интересен комплекс исследований Н.Ф.Маркова /62 рассмотревшего некоторые вопросы электроснабжения тяговых нагру зок и возможность применения изолирующих элементов утечки с рельсовой сети. В I972-I975 гг. А.Ф.Муганлинскиы /65 были проведены исследования по уточнению электрических параметров чугунной об делки. Впервые показано, что основными в величине продольного сопротивления обделки являются контактные сопротивления бортовых поверхностей тюбингов, увеличивающие практически на порядок продольное сопротивление тела тоннеля в целом, рассчитанное без их учёта. При неглубокой прокладке тоннеля наблюдается заметная неравномерность распределения тока по периметру обделки, достигая 20-ти кратной при глубине прокладки б м (наибольшая плот ность тока вдоль нижней образующей внешней поверхности обделки). Это необходимо учитывать при определении электрокоррозионной опасности для обделки по суммарному току утечки с неё. С I976-I980 гг. ВНИИИом и метрополитенами страны проделан большой комплекс работ по исследованию элекгрокоррозионного состояния обделки. Было показано, что токи утечки с рельсовой сети в местах течей, подсосов влаги и загрязнения верхнего строения пути из-за локального понижения переходного сопротивления "рельс обделка" R принимают локализованный характер и представляют электрокоррозионную опасность, о чем свидетельствует повреждение в этих местах рельсов, рельсовых скреплений и внутритоннельных конструкщй 4 5 Именно в таких местах прежде всего следует ожидать электрокоррозионных повреждений обделки. верхнего токов строения рельсового пути, направленных на ограничение /S Анализ проведенных исследований позволил определить основные задачи работы: разработать методику оценки электрокоррозионного состояния обделки в поле блуждающих токов метрополитена и внешних источников с учётом локального понижения переходного сопротивле ния "рельс обделка"; исследовать рациональные сферы применения защит обделки от блуждающих токов метрополитена активными способами и определить влияние их на потенциалы и токи в рельсах с учётом локального понижения переходного сопротивления "рельс обделка". 1.2. Особенности распределения токов утечки в тоннелях метрополитена Чугунная тоннельная обделка, представляет собой цилиндрические трубы, собираемые последовательным креплением колец одинакового типа и размера /29, 91/. Каждое кольцо состоит сегментов коробчатого сечения тюбингов, сбалчиваемых собой и со смежными кольцами. На рис. I.I ключевого "К" тюбингов. Тюбинг (чугунный) представляет собой литое изделие, имеющее плиту-оболочку I с цилиндрической поверхностью, обращенной к грунту, и четыре борта 2, окаймляющих оболочку и направлен ных внутрь тоннеля. Эти борта служат для соединения отдельных тюбингов в кольца и целых колец между собой. Кроме того борта придают обделке в целом необходимую жесткость. из между показано сечение кольца обделки, состоящего из смежных "С", нормальных "Н" и РисЛЛ Сечение кольца тоннельной обделки из чугунных тюбингов.Все борта имеют одинаковую форму и размеры поперечного сечения; их наружные поверхности для обеспечения плотного взаим ного примыкания и повышения водонепроницаемости подвергаются механической обработке и снабжаются фальцами 3. При сборке двух соприкасающихся тюбингов эти фальцы образуют желобок, предназначенный для зачеканки стыков. В оболочке каждого тюбинга имеется нарезное отверстие 4 диаметром 60 мм для нагнетания рас творов бетона за обделку (для обеспечения кольца соединяются стальными болтами. При прокладке трасс тоннелей, внешняя поверхность обделки должна покрываться специальной коррозионно стойкой изоляцией /19, 112/. Однако, как показывает практика, это не всегда выполнимо 1 9 кроме того срок службы этой изоляции, если она наносится, не превышает 10-15 лет 1 7 Если сравнить этот срок с предполагаемым сроком службы обделки неизолированной от внешней среды конструкцией (не менее 500 лет, (с учётом отме согласно С Н Ш Т то вполне можно считать, что обделка является ченного некачественного нагнетания растворов бетона за обделку), Для оценки распределения токов утечки в тоннелях меропо литена рассмотрим рис, 1.2. Распределение токов утечки в тоннелях (в рамках поставленной задачи) определяется тяговой нагрузкой 1н уравновешиваемой токами отсасывающих пунктов ТП (I 1 о Данное распределение нагрузок на метрополитене представляет собой одно из последовательно повторяющихся звеньев системы электроснабжения метрополитена. Поэтому все дальнейшие рассуждения относительно рассматриваемого вопроса будем вести по данному условию приложенных нагрузок. требуемой герметизации тоннеля), закрываемое металлической пробкой. Все тюбинги и iS- CD w о к о EH CO >o tt Q) С О CO P-l W о 1Л ГГ i T--- ая c5 .0 Как видно из рис, 1.2, ток утечки с рельсовой сети попадает в путевой бетон, обделку, землю. Возврат этих составляющих токов в рельсовую сеть (к отсасывающим шинам ТП) происходит по тем же элементам, но уже в обратном от предшествующего направлении, В местах отекания тока с поверхностей металла (в этом случае металл является анодом) происходит его частичное разрушение (унос металла), приводящее к постепенному повреждению конструкции, В местах втекания тока (катодное состояние) коррозионного разрушения металла не происходит. Таким образом, в зоне тяговой нагрузки следует ожидать повреждения рельсов, деталей рельсовых скреплений и внешней по верхности обделки. У ТП, в зонах возврата тока в рельсы, по вреждению может подвергаться только внутренняя поверхность об делки и расположенные на ней конструкции, Данный факт (расположение источника блуждающих токов внутри тоннеля и пути прохождения токов утечки) говорит о том, что для тоннелей метрополитена оценку электрокоррозионного состояния обделки необходимо давать как для внешней, так и для внутренней поверхностей тоннеля, что отличает его, например, от таких сооружений, как трубопроводы большого диаметра, где оценку исследуемого состояния дают только для внешней его поверхности, На распределение токов утечки с рельсовой сети могут вли ять конструктивные особенности тоннеля и прежде всего форма путевого основания по поперечному сечению тоннеля, наличие щелей между бортовыми поверхностями прилегающих тюбингов, залегание трассы тоннеля относительно поверхности земли и соседнего со где 1 Ьи, сопротивление обратной тяговой сети, Ом/км; удаление тяговой нагрузки от ТП, км. Поэтому составляющие формулы (1.2) будут определять величину 1Г р.о. Тяговая нагрузка определяется числом вагонов, профилем пути, режимом ведения, и для каждого участка, как показали исследования, является какой-то определенной величиной. Сопротивле ние обратной ветви тяговой сети стремятся уменьшить путем применения тяжелых рельсов, установки междупутных перемычек, стыковых соединителей и на этом исчерпываются все дальнейшие возможности снижения Определяющим параметром выражения (1.2) является личина д1/ для метрополитенов практически кратна сц Ве1/% То есть, Б целях уменьшения A U необходимо стремиться к уменьшению расстояния между нагрузкой и ТП. Именно поэтому (с пози ций уменьшения блуждающих токов для метрополитенов) предпочти тельной является система децентрализованного (распределенного) электроснабжения, когда ТП располагаются на каждой станции. При большем расстоянии между ТП, то есть при системе централизованного питания, когда ТП располагаются через 3-5 км, потенциалы 1Гр-о значит, и токи утечки) значительно возрастают. Вопрос о выборе расстояний между ТП рассматривается на стадии проектирования и определяется рядом позиций 1 2 54, 55, 6 0 Потенциалы возрастают и при увеличении числа поездов, одновременно находящихся на межподстанционной зоне. На величину потенциалов рельсов влияет также равномерность распределения тяговой нагрузки между ТП, зависящая от уровня выпрямленного напряжения на их шинах. Если на какой-то ТП напряжение выше, Z7 повреждения чугуна. детали не меняются, что затрудняет раннее распознавание процесса Электрокоррозия чугуна может протекать в средах, обладаю щих как малой, так и высокой коррозионной агрессивностью. Малой коррозионно активной средой к чугуну является дистиллированная вода, которая оказывает пассивирующее действие. К коррозионно активным средам относятся растворы солей, причем агрессивность солевого раствора зависит от природы присутствующих в нем ионов. Так, соли, дающие щелочную реакцию, замедляют коррозионный процесс (например, аналогично действию дистиллированной воды), а соли с нейтральной реакцией не увеличивают скорость коррозии. Наиболее агрессивными являются кислые растворы, а если в этих растворах присутствуют ещё и окисляющие соли, то возникает особенно агрессивная система. Вцсокую агрессивность проявляют хлориды, что объясняется способностью этих анионов проходить через непроницаемые в других растворах соли продуктов коррозии. При таких условиях влияния сред на электрокоррозионное состояние чугуна, решающее значение при возникновении питтингов имеет кон куренция между пассивирующим действием воды и активирующим действием анионов. Кроме того, нарушение пассивирующего слоя может происходить на отдельных участках поверхности металла наибо лее слабых, дефектных местах. В этих местах возникают очаги быстрого растворения, которые со временем превращаются в коррозионные язвы, в то время, как оставшаяся часть поверхности чугуна сохраняет пассивность. В таких условиях наличие блуждающего тока только ускоряет разрушение чугуна. Если существуют условия локализованной утечки тока с обделки, то она может подвергаться местной (локальной) электрокоррозии, представляющей особую опасность. Местная электрокоррозия характеризуется разрушением от дельных участков поверхности металла, что может при сравнительно небольших потерях металла конструкции полностью вывести её из строя, Наиболее уязвимым местом для коррозионного разрушения обделки, по предположению А,Ф.Муганлинского 6 5 являются места соединений тюбингов, образующих щели, в которых возможна концентрация солей грунтовых вод. Из этого следует, что процесс коррозии в щели может протекать гораздо интенсивнее, чем на поверхности обделки. При таких условиях развития коррозионного процесса на обделке наличие блуждающих токов может оказывать решающее влияние, В связи с этим, одним из условий рассматриваемой задачи являлось исследование характера распределения тока в щели между бортовыми по верхностями тюбингов (частично рассмотренного также А.Ф.Муганлинским), что позволило бы оценить электрокоррозионный процесс в щели. В условиях метрополитена, когда практически всегда есть утечка тока с рельсовой сети, необходимо знать характеристику устойчивости чугуна к электрохимическому воздействию. Наиболее объективно это воздействие оценивается критерием электрокоррозионной опасности величиной плотности тока, стекающего с единицы поверхности металла. Однако для чугуна, применяемого в метрополитенах, исследований по определению его устойчивости к постоянному току не проводилось, а также не устанавливалось критерия электрокоррозионной опасности. Поэтому одним из в о просов данной работы ставилось проведение исследований по определению критерия электрокоррозионной опасности для чугуна в виде плотности тока утечки, приьенительно к условиям тоннелей метрополитена. Определение искомого критерия должно производиться с учетом факторов, влияющих на скорость электрокоррозионного разрушения, поскольку электрохиглический эквивалент чугуна в процессе его электрохш.шческого растворения изменяется /59/. 1.4. Методы определения потенциального состояния тоннельной обделки Известно /112/, что процесс электрокоррозионного поведения металла определяется плотностью тока утечки с его поверхности. На практике определение плотности тока на поверхности металлических конструкций представляет трудноразрешшлую задачу, и в большей степени для конструкций, проложенных глубоко в зетлле, каковой является чугунная обделка. Поэтотлу, об электрокоррозионном поведении подземных металлических конструкций в большинстве случаев и особенно в поле блулщающих токов, судят по потенциалам металла по отношению к окружающей среде, то есть по косвенному показателю. Ввиду развития электрокоррозионного процесса на внешней и внутренней поверхностях обделки методы электрокоррозионных исследований развивались для кшкдой из них. Дяя определения потенциального состояния внешней поверхности обделки был использован целый ряд методов, пршленяемых на определенных этапах исследований. Причем, эти методы отличны от методов, применяемых на трубопроводах и кабелях /45/ тем, что измерения необходшло проводить изнутри тоннеля через тюб1Шговые отверстия, посредством которых возможен контакт с прилегающим к обделке грунтом. Первоначально в 1944 г. предполагалось /45 использовать электроды-свидетели X и электроды-зонды (ЭЗ), которые были разработаны и предложены ВНИЙЖТоы. ЭС представляют собой электроды, вкручиваемые в отверстия тюбингов. По этим электродам наблюдалась скорость коррозии (корродирует рабочая часть электрода, имеющая контакт с внешней средой). ЭС ввинчивался так, чтобы контролируемая поверхность его лежала в одной плоскости с наружной поверхностью обделки. ЭС изготовлялся из серого чугуна, то есть той же марки, что и чугун тюбингов. Однако ЭС не нашли широкого применения, так как установка их в тюбинги свя,зана с необходимостью вывинчивания тюбинговых пробок, что как правило, практически невозможно из-за нарушения герметизации тоннеля при наличии высокого давления в затюбинговом пространстве, Возможны трудности вывинчивания тюбинговых пробок, ввиду коррозии резьбового соединения пробки и тюбинга. Кроме того, важно отметить, что вероятность контакта ЭС с наиболее агрес сивной средой или с зоной повышенной утечки токов мала и, следовательно, контроль электрокоррозионного состояния не отвечает реальности. Основным условием применения электродов-свидетелей являлось отсутствие критериев оценки электрокоррозионного состояния обделки. Малоэффективноеть данных электродов привела к отказу от них после того, как В Н Ш Ж Т предложил оценку электрокоррозионного состояния обделки давать по критерию электрокоррозионной опасности. ЭЗ предназначались для измерения потенциалов "обделка земля". Отличие ЭЗ от ЭС заключается в наличии втулки, изоли рующей его от тела тоннеля. Они также как и ЭС по тем же причинам не нашли широкого применения. Позже ВНИИЖТом были разработаны более совершенные электроды: пластинчатый и неполяризующийся электрод сравнения. Пластинчатым электродом определялась плотность тока утеч ки по величине замеренного тока "Обделка электрод" и извест ной площади поверхности контакта 5 0»1 дм). Неполяризующиыся электродом сравнения измерялись потенциалы "обделка земля". Установка электродов, как и предыдущих, производилась путем ввинчивания их в тюбинг вместо тюбинговой пробки. Следует отметить электрод-зонд, разработанный Укргипромезом, которым можно было измерить (при возможности заглубления его Б затюбинговое пространство до 0,5 ы) плотность тока утечки по градиенту потенциалов вблизи обделки и определять удельное сопротивление грунта Рг в затюбинговом пространстве. Точность измерений этим электродом несколько выше предшествующих, поскольку им можно учесть удельное электрическое сопротивление среды при помощи искусственно создаваемого приращения тока от внешнего источника э.д.с 3 0 Однако из-за трудностей заглубления его Б затюбинговое пространство, обусловленных конструктивными особенностями, он не нашел широкого применения. Анализ выше отмеченных способов практического исследования электрокоррозионного состояния внешней поверхности обделки дает представление об их развитии и преимуществах. Можно сказать, что основным фактором, определяющим применение вышеперечисленных способов измерений, является особенность проведения измерений изнутри тоннеля. Так, данная особенность практически иск лючает применение способов измерения плотности тока утечки с обделки из-за конструкции используемых электродов сравнения, заглубление которых представляет значительные трудности. Конст рукции измерительных электродов, применяемых при измерении потенциалов "обделка земля", позволяют избежать этого недостатка, но, однако, широкое использование их также ограничено. Отрицательным явлением в данном случае прежде всего является необходимость разгерметизации тоннеля, что небезопасно из-за вы сокого давления в затоннельном пространстве. Кроме того, кон такт с окружающей тоннель средой является дискретным и носит случайный характер. Наличие отмеченных сложностей и недостатков проведения измерений, а вместе с тем и их необходимость (единственная возможность на практике, позволяющая судить о токах утечки с внешней поверхности обделки), определило решение вопроса следующим об разом: о токах утечки с внешней поверхности обделки судить по потенциалам "обделка земля"; проведение необходимых для этого измерений ограничено и определено условиями, указанными в Инструкции ЦМетро-3986, согласно которым эти измерения необхо димо проводить в местах пересечения трасс метрополитенов с руслами рек, внешних источников блуждающих токов и других местах, где контроль электрокоррозионного состояния обделки представляет практическую важность. Рассмотрим каким образом оценивается потенциальное состояние внешней поверхности обделки при помощи электродов сравнения (измерительных электродов). Потенциальное состояние внешней поверхности обделки определяют по разности потенциалов тюбингов по отношению к земле. Фи33 зически данная величина представляет собой разность потенциалов между обделкой и электродом сравнения {по принципу измерений к "близкой" земле). При этом пользуются либо методом непосредственной оценки (применяются вольтметры магнитноэлектрической системы), либо компенсационным (компенсацией измерительной э.д.с,)» В этом случае необходимо знать начальный или стационарный потенциал обделки (потенциал обделки при отсутствии блуждающих то ков) по отношению к применяемому электроду сравнения, для каж дого из которых, он будет иметь свое определенное значение. Это позволит судить об относительном значении потенциала поляриза ции обделки, от наложенного тока. Из всех существующих измерительных электродов, наиболее пригодных к применению в метрополитенах для потенциального контроля внешней поверхности обделки, можно выделить три конструкции, представленные на рис, 1.3,а,б,в. Электрод, представленный на рис. 1.3,а, принадлежит к классу пластинчатых электродов, контакт с грунтом у которых осуще ствляется в плоскости внешней поверхности обделки. Электрод показанный на рис. 1.3,6, относится к изолированным стержневым электродам, позволяющим осуществлять контакт с грунтом в точке, удаленной от поверхности обделки на расстоянии Электрод (рис. 1.3,в) относишся к неизолированным стержневым электродам, контакт с грунтом у которых происходит с семейством точек грунта вдоль всей поверхности измерительного элек трода. В измеряемую данными электродами величину потенциала с о гласно /45, 87, 1 0 4 входит ряд составляющих, и в том числе потенциал поляризации "металл электролит", который создается fmi г) Рис.1.3 Измерительные электроды*пластинчатый а изолированный .стержйевой б неизолированный стержневой в электрод для опре;5еления плотности тока утечки с внутренней поверхности тоннельной обделки/г/.наложенным током. Проведение этих измерений характеризуется рядом особенностей (таких как: большое сопротивление измеритель ной цепи, из-за большого переходного сопротивления электрода; наличие перемещающейся нагрузки внутри тоннеля; проведение из мерений изнутри тоннеля; размещение электрода сравнения). Это требует специфических требований к измерительным приборам и электродам сравнения и может служить источниками значительных погрешностей (например, ошибка измерений, вызванная неправиль ным размещением электрода сравнения, может доходить до 100 и 200%). Поэтому при решении поставленной задачи ставился вопрос о повышении точности измерений, определяющих потенциальное стояние внешней поверхности обделки, а также определении ных электродов. Необходимо было также определить соста ционарного потенциала обделки к представленным типам измерительвозможность связать измеренный потенциал обделки с плотностью тока утечки с неё, что позволит судить о её электрокоррозионном состоянии. Потенциальное состояние внутренней поверхности обделки можно также оценить измерениями по отношению к измерительным электродам. Так, например, ВНИИЖТом был предложен электрод-балластный зонд; были и другие методы /5 для этих целей, но ни один из них не нашел практического применения из-за сложности проведения измерений, обусловленных наличием путевого бетона, кон тактирующего с исследуемой поверхностью обделки. Электрокорро зионное состояние внутренней поверхности обделки стали опреде лять йо потенциалу и переходному сопротивлению (основным факторам определяющих токи утечки с рельсовой сети) "рельс обделка". Эти виды измерений являются единственными в этом роде исследований, применяемые на всех метрополитенах в настоящее вреS мя, Проведем анализ способов практических измерений величин v р-о R р-о* Величину переходного сопротивления "рельс обделка" в настоящее время находят следующим способом: исследуемый участок рельсовой сети нлектрически разобщают от остальной трассы путем снятия междроссельных перемычек путевых дроссель-трансформато ров и прибором МС-08 (M-4I6) измеряется сопротивление этого участка по отношению ко всей остальной рельсовой сети метрополитена или к обделке /45 Переходное сопротивление р определяют по формуле Rp,o пр "Lj/V. где 2пр показание прибора, Ом; €у|/ длина исследуемого участка, км. Этот способ не лишен ряда недостатков. Прежде всего, он осуществим только в ночное время и, кроме того, достаточно трудоёмок. Само измерение несет некоторую погрешность, так к а к во-первых, в измеряемую величину входит входное сопротивление всей остальной рельсовой сети метрополитена (сопротивление смежных участков), а, во-вторых, фактически измеряется не переход ное сопротивление, а входное сопротивление участка. Величина погрешности этого способа определена в /45 и при самом неблагоприятном сочетании факторов (максимальная длина рельсовой цепи, значительное понижение переходного сопротивления на ней) может доходить до 30 в сторону завышения измеренной величины из-за входного сопротивления всей остальной рельсовой сети. В тоннелях из чугунных тюбингов этих погрешностей избегают за (1.5) циалов. В этом случае при пользовании визуальными приборами (типа M-23I) обработка сводилась к определению среднего значения за время измерений потенциалов

Заключение диссертации по теме «Электрификация железнодорожного транспорта», Бондаренко, Владимир Алексеевич

вывода ПО РАБОТЕ

В ходе выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Расположение источника блуждающих токов внутри тоннеля создает специфичные условия распределения блуждающих токов метрополитена и оценки электрокоррозионного воздействия на их обделку.

2. Исследования показали, что значительная часть тока утечки с рельсовой сети замыкается в теле тоннеля, уменьшая утечку тока во внешнюю среду. При увеличении расстояния между тяговыми подстанциями от I до 5 км, утечка тока во внешнюю среду возрастает соответственно от 25$ до 90-96$ от тока утечки с рельсовой сети. Это подтверждает преимущественность распределенной системы электроснабжения метрополитенов с позиций ограничения блуждающих токов.

3. Экспериментальными исследованиями электрокоррозионного процесса, вызываемого блуждающими токами на обделке, установлен прямой критерий электрокоррозионной опасности для чугунной обделки в виде величины плотности тока утечки, равной 0,75 мА/дм^.

4. Для повышения точности оценки электрокоррозионного состояния внешней поверхности обделки по величине потенциала, вызываемого наложенным током, следует из-за трудности измерения плотности тока утечки с обделки, в качестве косвенного критерия использовать величину падения напряжения в грунте. Разработана методика использования для этих целей измерительных электродов - стального и чугунного.

5. Разработана методика расчета распределения токов и потенциалов по поверхностям обделки на основе метода физического моделирования с помощью блочного универсального сеточного электроинтегратора (БУСЭ-70), отличительной особенностью которой является возможность решения задач для тоннелей с неоднородными электрическими параметрами в поле блуждающих токов метрополитена и внешних источников.

6. Распределение тока по поверхности обделки происходит неравномерно, Существует влияние электрического и геометрического факторов, приводящих к концентрации токов утечки на отдельных поверхностях обделки. Максимальное влияние электрического фактора (понижение уровня изоляции рельсов) может приводить к концентрации тока на внешней поверхности обделки с кратностью до 10 раз, на внутренней до 60 раз.

7. Установлено, что влияние геометрического фактора значительно снижается при высоте путевого бетона на уровне 0,4-0,6 м, глубине залегания тоннеля на уровне 25 м и ниже, при расстоянии между тоннелями более 20 м.

Влияния электрического фактора можно избежать только поддержанием нормируемого уровня переходного сопротивления "рельс-обделка".

8. Наличие щелей, образующихся при стыковке тюбингов, искажает распределение тока по внешней поверхности обделки. Из-за экранирующего эффекта бортовых поверхностей щели распределение тока происходит только в устье щели, приводя к тому, что бортовые поверхности тюбингов не могут быть подвержены как разрушающему, так и защитному действию токов.

9. Показано, что электрокоррозионная опасность для обделки от блуждающих токов метрополитена при поддержании нормируемого уровня переходного сопротивления "рельс-обделка" (1,5 Ом-км) возникает при потенциалах "рельс-обделка" - для внутренней поверхности обделки больших -100 В, для внешних больших +200 В. Уровень потенциалов рельсовой сети метрополитенов в настоящее время не достигает этих значений.

При локальных понижениях переходного сопротивления "рельс-обделка" электрокоррозионная опасность для обделки возникает при потенциалах до 2-х порядков меньших отмеченных.

10. Исследованиями установлено, что опасность электрокоррозии обделки от блуждающих токов внешних источников (трамвай, электрифицированная железная дорога) возникает при градиентах потенциала поля блуждающих токов по трассе линии метрополитена выше 0,5-1 В/км (мелкое заложение) и 10 В/км (глубокое заложение); указанный диапазон значений градиентов потенциалов находится в пределах обычно наблюдаемого в зонах сближения с линиями трамвая и электрифицированных железных дорог, то есть практически возможно возникновение электрокоррозионной опасности для обделки.

11. Проведенные исследования по применению дренажной и катодной защит обделки показали, что при применении дренажа для защиты внутренней поверхности обделки у тяговых подстанций достигается защитный эффект, но на периферийных участках происходит увеличение тока утечки с рельсовой сети и внешней поверхности обделки до

4-х раз. Увеличение тока утечки минимально, когда у тяговой подстанции имеется участок до 500 м с локальным понижением переходного сопротивления "рельс-обделка". При применении катодной защиты достигается защита внешней поверхности обделки от блуждающих токов метрополитена с зоной эффективности до I км, при этом необходам ток защиты 50-100 А. Влияние катодной защиты на потенциальное состояние внутренней поверхности обделки и рельсовой сети минимально и им можно пренебречь.

12. При обнаружении электрокоррозионной опасности для обделки от блуждающих токов метрополитена презгде всего необходимо принятие мер, относящихся к пассивной защите согласно нормативным документам. Если эти меры малоэффективны или по каким-либо причинам не могут быть осуществлены в данный момент времени, следует как исключение применять активную защиту: дренажную - преимущественно в катодных зонах потенциалов "рельс-обделка" (временно впредь до устранения причин, вызывающих электрокоррозию); катодную - преимущественно в анодных зонах потенциалов "рельс-обделка".

13. На основании проведенных исследовании установлены критерии коррозионной опасности и защищенности от электрокоррозии чугунной обделки с учетом локального понижения переходного сопротивления "рельс-обделка", которые включены в "Инструкцию по защите сооружений, конструкций и устройств метрополитенов от коррозии блуждающими токами"(ЦМетро-3986), утвержденную МНС. Разработаны "Технические указания по применению активных способов защиты сооружений и конструкций метрополитенов от коррозии блуждающими токами", утвержденные Главным управлением метрополитенов 26 октября 1983 г. В данных указаниях приведена разработанная методика оценки электрокоррозионного состояния обделки.

14. Годовой экономический эффект применения разработанной методики оценки электрокоррозионного состояния обделки для потенциально опасных участков, тлеющихся на действующем полигоне метрополитенов страны, составляет 130 тыс.руб.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бондаренко, Владимир Алексеевич, 1984 год

1. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М.: Политиздат, 1981, 223 с.

2. Акимов Г.В. Основы учения о коррозии и защите металлов. М.: Металлургиздат, 1969, 463 с.

3. Альпин Л.М. Теория поля. М.: Недра, 1966, 68 с.

4. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М.: Высшая школа, 1975, 510 с.

5. Артамонов B.C. 0 коррозионной стойкости обделки. Метрострой, 1971, J& 8, с.15-17.

6. Артамонов B.C., Молгина Г.М. Защита от коррозии транспортных сооружений. М.: Транспорт, 1976, сЛ14.

7. Ахвердов И.Н., Маргулис Л.Н. Неразрушащий контроль качества бетона по электропроводности. Минск.: Техника, 1975, с.18.

8. Бабахин А.Г. 0 долговечности подземных сооружений. Метро-строй, 1969, № 6, с.6-8.

9. Бинс 1С., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. М.: Энергия, 1970, с.38.

10. Бондаренко В.А., Тхор В.В., Азизов Н.К. Полиэтиленовая тюбинговая пробка. Транспортное строительство, 1979, В II, с.52.

11. Бондаренко В.А. Стационарный потенциал чугунных обделок метрополитенов в контакте с различными средами. Вестник Всесоюз, н.-и.ин-та ж.-д.трансп., 1981, № I, с.33-35.

12. Быков Е.И. Электроснабжение метрополитенов. Устройство, эксплуатация и проектирование. М.: Транспорт, 1977, с.126.

13. Вазов В., Дж.Фореайт. Разностные методы решения диф-ных ур-нийв частных производных. М.: Изд.Иностранная литер., 1963, с.46.

14. Веденкин С.Г., Артамонов B.C. Коррозия и защита чугунных тюбингов в сооружениях метрополитена. Гр» Л Всесоюзного совещания по коррозии и защите металлов. М.: Изд. АН СССР, 1958, с.22.

15. Веников В.А., Иванов-Смоленский А.В. Физическое моделирование электрических систем. М-Л.:Госэнергоиздат, 1956, с.83.

16. Веников В.А. Электрические системы (3 том). М.: Высшая школа, 1972, с.44.

17. Власов С.Н. Защита от коррозии тоннельных обделок при строительстве Бакинского метро. Сборник материалов-рекомендаций I Всесоюзной конференции метрополитенов. Баку.: 1972, с.38.

18. Волынский Б.А., Бухман В.Е. Модели для решения краевых задач. М.: Физматгиз, I960, с.76.

19. ВСН 132-66. Технические указания на производство работ по нагнетанию растворов за обделку тоннелей. М.: Оргтрансстрой, 1967, с.18.

20. Герасимов В.Г., Грудинский П.Г., Жуков Л.А. и др. Электротехнический справочник (в трех томах). М.: Энергия, 1980, с.114.

21. Глазов Н.П., Стрижевский И.В., Калашникова A.M. и др. Методы контроля и измерений при защите подземных сооружений от коррозии. М.: Недра, 1978, с.10-14.

22. Глазов Н.П. Исследование катодной защиты магистральных трубопроводов при нелинейной поляризации: Автореферат дис.кан.техн. наук.-М.: 1965, с.20.

23. Глинский Б.А. Моделирование как метод научного исследования. М.: Недра, 1965, с.126.

24. Гутенмахер Л.И. Электрические модели. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1949, с.76.

25. Голубицкая В.Б., Тарнижевский М.В. О продолжительности коррозионных измерений.- Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности, ВНИИОЭНГ, 1972, В 2, с. 12.26,27.28,29,30,31,32