摘要：煤矿井下施工条件复杂，井下电缆在敷设后经常会因酸碱土壤、气体、污水以及杂散电流等原因被腐蚀，致使电缆外套出现破皮、开裂甚至穿孔而造成煤矿事故。对矿用电缆腐蚀机理及形式进行了阐述,分析了矿用电缆腐蚀的主要原因,并提出了若干项解决措施。实际应用效果表明,取得了显著成效。
关键词：矿用电缆;腐蚀机理;原因分析;对策
煤矿井下机电设备电能、各种信号的传输以及电磁能量转换主要通过电缆来实现的，电缆是煤矿安全稳定生产必备的供电设施。但是，由于煤矿施工环境及地质条件复杂、采掘工作面机电设备种类多、设备供电距离长、掘进巷道多等原因，造成井下电缆布置紊乱、电缆外保护层腐蚀严重等问题，威胁着煤矿安全生产。但是在实际煤矿生产中由于受井下潮湿空气、酸碱污水以及杂散电流等影响,电缆敷设后外保护层经常受到腐蚀,导致电缆外保护破皮、断裂、穿孔现象严重,不仅降低了电缆的使用寿命,增加了煤矿经济成本费用,而且大大降低了电缆的安全性能,甚至引发重大事故。本文分析了井下高低压电缆受腐蚀机理、形式以及主要原因,并提出相应的解决措施。
一、电缆腐蚀机理
电缆腐蚀主要指电缆的金属护套(铠装、铅或铝)受到周围环境侵蚀性介质的作用而被腐蚀失效。侵蚀性介质主要来源于电缆周围的气体、水、土壤及杂散电流等外界物质，如含有氯元素的气体、含盐的水溶液及含有机质的土壤等。理论上分析，固态和气态的侵蚀性介质在绝对干燥的条件下，对电缆金属护套是不起侵蚀作用的。但是在自然界中空气和土壤总含有一定数量的水分，固态和气态的侵蚀性介质一旦被水分所吸附或溶解，就会对金属产生侵蚀作用。侵蚀作用包括2个方面：
1.化学腐蚀电缆金属护套与环境介质直接发生化学反应而产生的腐蚀，这种腐蚀属于纯化学作用过程，在腐蚀中没有电流产生。通常情况下发生在非电解质溶液及干燥气体中，且腐蚀过程比较简单。
2.电化学腐蚀电缆金属护套与环境介质发生电化学反应而产生的腐蚀，这种腐蚀在反应过程中有隔离的阴极区和阳极区，电子通过金属由阳极区流向阴极区，并伴有电流产生。在酸性或碱性潮湿的土壤中发生的各种微电池腐蚀均属于电化学腐蚀。电缆周围是否存在导电的腐蚀性介质是发生电化学腐蚀的重要条件。
二、电缆腐蚀的基本形式
1.大气腐蚀。煤矿大多建在城镇市郊，这些区域大气中含有相当数量的尘埃颗粒物和Cl 2、H 2 S、NH 3、NO 2等气体，是产生大气腐蚀的直接原因。在城镇市郊的尘埃和电缆金属表面接触，并与湿气结合形成氧浓度差电池，或因它们的吸湿性而使其在金属表面上形成电解液而产生腐蚀。
2.土壤腐蚀。土壤中含有各种可溶性盐类和酸、碱物质，这对电缆金属护套与周围土壤发生电化学作用的危害性极大。土壤中含有不同程度的水分及电解质，且各处的组分常常差异较大，故可将潮湿土壤视作不均匀的电解液。电缆埋设在土壤中，由于土壤通透气的难易、干湿度的差异、含盐浓度的多寡，以及
电缆金属护套本身含杂质的不均匀性，在土壤与电缆之间会构成各种类型的腐蚀电池，促使电缆受到腐蚀。
3.微生物腐蚀。土壤中每克土约有几十亿个细菌。在常年潮湿的土壤中，兼氧性和厌氧性细菌活跃并使某些元素呈还原状态，如硫成为H 2 S、氮成为NO 2等。由于微生物的作用，土壤的酸碱度发生一定的变化，同时，微生物的新陈代谢能够直接促进阳极区或阴极区的电化学反应或削弱金属表面膜的抗蚀力，为电化学腐蚀创造必要的条件，直接或间接地促使电缆腐蚀。
4.杂散电流腐蚀。煤矿及周围存在电气机车、电焊机以及利用大地做回路的直流电气装置，这些电气设备电源输出的电流从正极出发，通过负载经地线流回负极。其中有部分电流因地线和大地的绝缘不良，会从地线的某处流入土壤，这部分漏泄电流在土壤中要寻找电阻小的部位通过，此时埋在附近的电缆就会有电流流进流出，然后再通过土壤流回电源负极，此过程因电解作用使电缆护套金属表面失去电子而受到腐蚀。
三、电缆腐蚀的原因分析
电缆腐蚀主要指电缆绝缘层封闭性不好，造成内部金属与H：0、O：、CO：等反应发生化学腐蚀或电化学腐蚀，有些电缆绝缘层发生塑性变形、发生物理变化，从而造成电缆功能失效。造成矿用电缆腐蚀的介质主要存在于现场施工环境中水分、气体、机油、杂散电流以及生产运输中产生的物理腐蚀。理论上在干燥环境下各种介质无法对电缆造成破坏性腐蚀，但是煤矿井下湿度大，各种腐蚀
介质被水分吸收后就会对电缆产生极大的腐蚀作用。矿用电缆腐蚀影响因素主要有以下几方面：
1.生产质量的影响。矿用电缆在生产过程及运输途中避免不了受外力的挤压、碰撞造成电缆微小的应力腐蚀，在现场检测中很难被发现，但这种微小应力腐蚀长期存在最终会导致电缆局部腐蚀破坏口。
2.施工的影响。由于井下光线差，在现场施工过程中经常出现电缆接头密封不严，造成施工环境中水分及导电介质进入电缆内从而导致电缆腐蚀。
3.pH值的影响。电缆接触介质的pH值直接关系着电缆被腐蚀程度，由于矿用电缆多数为铠装电缆，电缆的芯线很容易被氧化。所以矿用电缆无论接触的介质pH为酸性还是碱性都会被腐蚀，只是不同种类的矿用电缆在同一时间腐蚀程度不同而已，如图1所示。
4.施工现场土质的影响。(１)不同土壤结构：由于矿井内地质条件复杂,不同区域土壤粒径、孔隙大小以及湿度不同,从而产生的通气差电池对电缆产生腐蚀作用。(2)土壤盐浓度差异：井下电缆腐蚀程度与接触土壤的化学性质有直接关系,矿井内土壤受生产施工影响,土壤内含有的可溶性盐类主要有硝酸盐、硫酸盐、碳酸盐等,在不同区域土壤盐浓度存在差异,在浓度大的盐溶液土壤中会形成浓差电池从而腐蚀电缆。(3)不同土壤湿度：由于井下土壤湿度相对较大,造成土壤中电解液增多,降低了腐蚀电池工作阻力,从而加快了电缆腐蚀。通过实验发现：不同湿度的土壤对电缆腐蚀力度不同,其中湿度在8%~2５%时腐蚀力度成剧增趋势并达到最大值;湿度在2５%~42%时腐蚀力度成下降趋势;湿度大于42%时土壤形成湿土保护层,对空气向电缆表面扩散起到阻隔作用,从而腐蚀作用成急剧下降趋势。(4)土壤电阻系数：矿井内土壤电阻系数与电缆的腐蚀程度及速度有着密切关系,空隙度大、盐浓度小、水分少的土壤电阻系数大,对电缆腐蚀力度小且腐蚀速度慢;黏土或者富含有机质、盐分、水分的土壤电阻系数较小,对电缆腐蚀力度大且速度快。矿井土壤不同电阻率对电缆的腐蚀程度如表１所示。
5.大气腐蚀影响。煤矿井下在采掘过程中产生大量的NO：、CO：、SO：、H：S等有害气体及尘埃颗粒物，这些被矿井内潮湿的空气吸收后形成氧浓度差电池从而对电缆产生腐蚀作用。实验研究表明，当矿井内潮湿度在10％。30％时电缆被腐蚀速度达到最大值，潮湿度在30％一一45％时电缆腐蚀速度逐渐降低。
6.杂散电流腐蚀影响。煤矿井下机电设备多，由于机电设备地线和大地的绝缘不良造成矿井在生产供电时部分电流从地极流人土壤内，这部分杂散电流就会通过附近吊挂的电缆表面对电缆进行电解作用，从而腐蚀电缆。
四、采取解决措施
1.合理选择电缆外保护层结构材料。电缆护层材料可选用弹性塑料，这类材料有热塑性塑料（聚乙烯、聚氯乙烯、交联聚乙烯等）及合成橡胶（丁基橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶等）2种，其中以热塑性塑料用得较多，尤其是聚乙烯作为电缆的防蚀层已成为最常用的材料。护层结构有绕包护套型及综合护套型。目前不少国家普遍采用塑料综合护套电缆，这种结构具有良好的防蚀性能。
2.加强矿用电缆外保护层防腐处理。为了防止井下潮湿空气、土壤中酸碱溶液对电缆造成腐蚀,电缆敷设前在外保护层上应涂抹耐腐蚀涂料,如沥青、过氧乙烯、沥青环氧树脂等。其中采用沥青环氧树脂与玻璃纤维混合涂抹效果最佳,涂抹厚度在0．2５ｍｍ~１．8ｍｍ,涂抹后能够迅速在电缆外保护层外部形成一个封闭的抗腐蚀镀层,从而使电缆保护层与外界腐蚀介质隔离,起到良好的防腐效果。
3.提高电缆安装质量。矿用电缆敷设前应对敷设地点的土壤酸碱度、潮湿度等进行分析,在具有腐蚀性物质或潮湿大的地点应加强电缆外保护工作,可采用塑料管道将电缆套住与外界隔离,电缆必须采用专用电缆沟吊挂,吊挂整齐不交叉不挤压,单位长度内电缆吊挂直线偏差不得大于１0ｍｍ,且每隔300ｍ预留200ｍｍ弧度。电缆与电缆对接时必须采用专用隔爆接线盒进行连接,接头处无破口,电缆与电气设备连接时在接线口处必须采用符合要求的密封圈将其与外界密封。
4.降低杂散电流影响。为了防止杂散电流对电缆造成腐蚀,电缆敷设在电气设备附近时(如变压器、高压开关、配电站等)必须采取隔离措施将电缆与大地杂散电流进行分离,并保证电缆金属保护层与电气设备接近地点具有电气绝缘装置。电缆与大型机电设备间隔距离应符合设计要求,如在轨道运输矿井巷道内敷设高低压开关时与电机车轨道间隔水平及垂直距离不得低于3ｍ,在特殊地段如斜井、拐弯地段以及巷道交叉口处无法保证间隔距离时,必须对电缆安装绝缘保护套。在机电设备相对密集区域,敷设的电缆应安装排流、降流装置,保证电缆任何部位电位与敷设地点附近大地电位差不得超过１．0Ｖ。
5.应用X射线无损检测仪检测电缆受腐情况。X射线无损检测仪采用的是射波反射原理,即对电缆发出区域X射线波,然后根据反射的波长及时间差精确计算出电缆受腐蚀部位及面积,并以图像形式呈现出电缆受腐情况。该仪器具有操作简单、检测精准等优点,可对电缆局部细微受腐蚀情况进行精准检测,从而能够早期对电缆受腐进行预防。
6.电缆故障测试。电力电缆腐蚀过程中阻抗特性指标将发生变化，而利用电缆测试技术及时发现电缆腐蚀迹象和破坏点。电缆测试技术采用的是时域反射（TDR）原理，即对电缆发射一电脉冲，将电脉冲的发射和反射的变化以时域形式计算出故障距离，通过波形图的分析可以早期判别电缆腐蚀的发生。目前常用的测试技术有电桥法、低压脉冲法和冲击高压闪络法。
综上所述，引起煤矿电缆腐蚀失效的因素很多，诸如电缆制造和施工质量、介质pH值和土壤理化性质、杂散电流及微生物影响等等，因此，在煤矿运行管理中，应重点在护层结构与材料选择、表面防蚀、电缆敷设、减少杂散电流及电缆故障测试等方面，采取有效的技术措施，提高电缆使用的可靠性，从而确保煤矿的安全运行。
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论文作者:尚海红
论文发表刊物:《中国电业》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/16
标签：电缆论文; 土壤论文; 护套论文; 电流论文; 井下论文; 介质论文; 保护层论文; 《中国电业》2019年第12期论文;