2. ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ И ВИДЫ КОРРОЗИОННЫХ
ПОВРЕЖДЕНИЙ ОПОР КОНТАКТНОЙ СЕТИ
Общие сведения о коррозии
Коррозия — это разрушение материала от воздействия на него окружающей
среды. Говоря о коррозии, подразумевают разрушение не только металлов
или сплавов. Корродировать могут и другие материалы, например, бетон.
Имеет свои особенности коррозия железобетона — основного
конструкционного материала опор контактной сети. Прежде чем вплотную
подойти к проблеме коррозионных повреждений опорных конструкций, введем
некоторые понятия, общепринятые в области защиты от коррозии и
необходимые как с точки зрения понимания причин наблюдаемых повреждений,
так и с точки зрения принятия эффективных мер по их выявлению и
предотвращению. По возможности понятия изложены в виде краткого
определения. Более подробные сведения можно найти в [1], [2].
Вид коррозии — термин, связывающий повреждение с непосредственным
источником его возникновения. Примеры видов коррозии — атмосферная,
подземная, блуждающими токами, электрокоррозия.
Тип коррозии — механизм тех процессов, которые происходят при разрушении
на поверхности или внутри материала. У металлов независимо от вида
коррозии различают только два ее типа — химический и электрохимический.
Коррозия электрохимического типа — окисление металла в результате
химической реакции, сопровождающейся протеканием тока. Характерной для
этого типа коррозии является возможность самопроизвольного (без внешнего
источника) появления тока, протекающего из-за того, что разные участки
поверхности металла (порой микроскопические) вследствие естественной
неоднородпости среды и материала поверхности обладают неодинаковыми
потенциалами относительно среды. На поверхности металла образуются
микропары (анод и катод). Значение тока внутри каждой такой пары
определяется разностью потенциалов между анодом и катодом и
проводимостью среды, поэтому для развития коррозии необходимо, чтобы на
поверхности металла был слой электролита, например, воды. Из этого вовсе
не следует, что металл должен быть погружен в воду, в реальных условиях
вполне достаточно слоя сконденсировавшейся из воздуха влаги (атмосферная
коррозия) или почвенного электролита (подземная коррозия).
В ряде случаев возможно образование макропар — значительных участков
поверхности металлической конструкции, имеющих различные потенциалы.
Под действием самопроизвольно возникающих токов микро- или макропар
анодные участки металла разрушаются в соответствии с первым законом
Фарадея. По тому же закону происходят и крайне опасные —
электрокоррозионные разрушения. Они возникают в тех случаях, когда между
металлом и внешней электролитической средой приложен внешний источник —
плюсовым выводом к металлу. Вся металлическая поверхность при
электрокоррозии становится анодом, а катодом служит тот заземлитель,
который соединяет минусовый вывод источника с электролитом.
Протекание тока из металла в окружающую электролитическую среду
неизбежно должно приводить к электрохимическому превращению. Каково
будет это превращение зависит от конкретных условий. В реакцию под
действием тока может вступить металл — в этом случае он будет
разрушаться. Однако возможна и та ситуация, когда в реакцию вступает не
металл, а какое-либо другое вещество, находящееся на границе
«металл—электролит». При определенных условиях таким веществом может
стать даже вода (е этим, в частности, связано существование у
железобетона «критической» плотности тока, ниже которой происходит не
электрокоррозия, а электролиз воды).
Количество вещества (металла или неметалла), претерпевающего указанное
превращение, определяется первым законом Фарадея. Этот закон выражает
основную особенность тех процессов, которые происходят на границе
«металл — электролит», а именно то обстоятельство, что «порция»
вещества, вступившая в реакцию, всегда пропорциональна «порции» тока.
В ряде случаев под влиянием внешних условий возможно самопроизвольное
торможение процесса коррозии (пассивация), в результате образования на
поверхности металла оксидной или солевой защитной пленки. Такая пленка
образуется, например, на поверхности алюминия и его сплавов, обеспечивая
их высокую коррозионную стойкость на воздухе. Сталь также способна
пассивироваться, однако, для этого необходимо, чтобы электролит, который
соприкасается с поверхностью металла, имел либо очень кислый, либо очень
щелочной характер. Именно пассированием стальной арматуры в бетоне
объясняется высокая долговечность железобетонных конструкций при
отсутствии агрессивных веществ и стекающего тока.
Стационарный потенциал. На границе «металл — электролит» всегда
существует разность потенциалов, зависящая от вида металла, электролита
и некоторых внешних условий — температуры, содержания кислорода и т. п.
В том случае, если эта разность потенциалов не меняется во времени при
неизменных внешних условиях, ее называют просто стационарным
потенциалом. Стационарный потенциал стали в почвах зависит от большого
числа факторов, Как показывают измерения, но влажной и глинистой почве
потенциал имеет более отрицательные значения, чем в песчаной. В первом
случае он может достигать минус 0,7—0,8 В, во втором — минус 0,3—0,4 В
(по отношению к неполяризующемуся медносульфатному электроду сравнения).
Арматура железобетонных опор контактной сети в отсутствие токов утечки
через нее имеет стационарный потенциал, существенно зависящий от
влажности бетона и смещающийся при повышении водосодержания от значений,
близких к нулю до минус 0,5—0,6 В.
Электрод сравнения. Для того чтобы измерить разность потенциалов между
подземным сооружением и землей, один вывод вольтметра должен быть
подключен к сооружению. Второй же вывод следует подключить к земле. Как
практически это сделать? Если в грунт заглубить стальной электрод и к
нему подключить вывод вольтметра, между самим электродом и почвенным
электролитом возникнет разность потенциалов. Измеряемое напряжение в
этом случае будет являться суммой двух составляющих — потенциала
«сооружение — земля» и потенциала «электрод — земля». Вторая
составляющая, как показывают измерения, может принимать весьма различные
значения в зависимости от внешних условий и может быть чувствительной
даже к тому небольшому току, который протекает через измерительную цепь.
По сути, она представляет собой стационарный потенциал стали
относительно почвы и поэтому зависит, как говорилось выше, от очень
большого числа факторов. По указанным причинам, использование стального
электрода может на практике приводить к ошибкам вплоть до 0,3 В и
допустимо лишь при измерениях значительных потенциалов, для которых
такая ошибка несущественна. Ситуация не изменится, если вместо стали
использовать какой-то другой металл. Для того чтобы избежать ошибок при
потенциальном контроле подземных сооружений, используют специальные
устройства — электроды сравнения. Их отличительной особенностью по
сравнению с металлическими электродами является постоянство потенциала,
сохраняющееся в широком диапазоне грунтовых и климатических условий.
Кроме того, потенциал таких электродов относительно грунта почти не
зависит от тока, протекающего через них в процессе измерений, — по этой
причине их называют неполяризующимися. При потенциальном контроле
подземных сооружений наибольшее распространение получил неполяризующийся
медносульфатный электрод (МСЭ), устройство которого рассмотрено в [2].
Кислотный показатель (pH). Химический состав растворенных в воде веществ
и их концентрация в грунте определяют свойства почвенного электролита.
Важным параметром, характеризующим агрессивность среды, является
концентрация в ней ионов водорода. Для этого используется специальный
кислотный показатель pH. Для чистой воды и нейтральных растворов pH = 7;
чем более щелочной характер имеет среда, тем pH выше. Для большинства
почв рН = 6-7,5, однако, встречаются почвы более щелочные, имеющие pH =
7,5-9,5 (щелочные суглинки и щелочные солончаки) и более кислые с
низкими значениями рН=Зн-б (гумусовые и болотистые почвы). Бетон, как
окружающая для арматуры среда, характеризуется значением рН=12,5 и выше.