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地鐵直流雜散電流對埋地金屬管道的腐蝕

1 　引　 言

　　城市地鐵交通網(wǎng)投入使用后，隨之而來的雜散電流對埋地金屬管網(wǎng)系統(tǒng)的干擾腐蝕是不容忽視的。地鐵均采用電力牽引，并且基本采用直流電流，它是由牽引變電所通過沿線路敷設(shè)的牽引網(wǎng)為電動車輛供電的系統(tǒng)，主要由架空的正極接觸網(wǎng)供電，以行走軌道作為負(fù)極回流導(dǎo)體。在運行中有不少的電流不沿回流軌道回到牽引變電所或者根本不回到牽引變電所，而是流向大地低電位處，形成了雜散電流。埋地金屬燃?xì)夤艿赖耐獗诟�蝕形式主要有化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕和雜散電流干擾腐蝕等，現(xiàn)埋地的金屬燃?xì)夤艿酪约捌渌�的埋地金屬管道的防腐蝕措施主要是針對前幾種腐蝕原因的，往往對雜散電流的干擾腐蝕重視不夠，采取針對性的監(jiān)測和防護措施很少，甚至未采取任何措施。本文就地鐵的雜散電流干擾腐蝕的機理、特點以及防護措施進行探討。

2　腐蝕機理與特點

2．1　直流雜散電流對埋地金屬管道腐蝕的機理
　　因地鐵回流的軌道中電流也是由高電位流向低電位，即從車輛受流，通過車輪、軌道回到牽引變電所的負(fù)極，車輛所在處為高電位，牽引變電所為低電位，軌道對地有一定的過度電阻，這樣因電位差和過度電阻存在，就形成對地的泄漏電流，一些回流電流從鐵軌漏出不直接回到牽引變電所或不回到牽引變電所，而通過埋設(shè)在地鐵附近的金屬燃?xì)夤艿赖然氐綘恳�變電所或其他低電位處，這樣就形成一電流回路。雜散電流從土壤流人埋地金屬燃?xì)夤艿赖牡胤綆в胸?fù)電荷為陰極區(qū)，在陰極區(qū)的金屬管道一般不受影響，但電位過負(fù)時，管道表面會析氫，造成防腐絕緣層損壞剝落；雜散電流從管道防腐絕緣層破損處流出，此處管道帶正電，為陽極區(qū)，以鐵離子形式溶入周圍的電解質(zhì)中，從而使陽極區(qū)的金屬管道腐蝕。

2．2　直流雜散電流對埋地金屬管道腐蝕的特點
　　(1)腐蝕強度大，危害大。埋地金屬燃?xì)夤艿涝跊]雜散電流時，只有自然腐蝕，大部分為原電池型，驅(qū)動電位差只幾百毫伏，腐蝕電流只幾十毫安；而雜散電流干擾腐蝕時是電解電池原理，電位可達幾伏，電流最大可能上百安。根據(jù)法拉第電解定律，1 A的電流通過鋼管表面流向土壤溶液一年可溶解約10kg，由此可看出直流雜散電流干擾腐蝕相對其他原因引起的腐蝕嚴(yán)重得多。
　　(2)范圍廣，隨機性強。雜散電流干擾腐蝕范圍大，特別是地鐵的雜散電流幾乎影響整個城區(qū)的地下金屬管網(wǎng)；軌道與地的絕緣電阻，管道的防腐絕緣層電阻，土壤電阻率、電流大小等都是變化的，因此雜散電流流向也是隨機的，給防護帶來一定難度。

2．3 腐蝕判斷標(biāo)準(zhǔn)
　　通常采用管道對地電位作為判斷是否存在地鐵雜散電流對埋地金屬燃?xì)夤艿栏蓴_腐蝕，國內(nèi)主要有兩種指標(biāo)。 
　　(1)處于直流電氣鐵路、陰極保護系統(tǒng)及其他直流干擾源附近的管道，當(dāng)管道上任意點的管/地電位較自然電位正向偏移20mV時，或管道附近土壤的電位梯度大于0．5mV/m時，就確認(rèn)有直流干擾。
　　(2)當(dāng)管道上任意點管/地電位較處自然電位正向偏移100mV時，或管道附近土壤的電位梯度大于2．5V/m時，應(yīng)及時對管道采取直流排流保護措施。以20mV的管/地電位的正偏移作為直流干擾存在與否標(biāo)準(zhǔn)是可行的，當(dāng)確認(rèn)存在直流雜散電流對埋地金屬燃?xì)夤艿栏蓴_時，應(yīng)進行長期監(jiān)控，以及根據(jù)具體情況采取補救措施。 

3 防護措施

　　直流雜散電流對金屬燃?xì)夤艿栏蓴_腐蝕主要有兩方面，即干擾源和被干擾物，與中間介質(zhì)土壤直接聯(lián)系不大，且難以防護處理和處理效果 不大。因此一般采用干擾源側(cè)的處理措施和被干擾物即埋地金屬燃?xì)夤艿赖姆雷o措施。

3．1 干擾源側(cè)的處理措施
　　干擾源側(cè)的雜散電流干擾腐蝕處理措施主要是減少雜散電流的量，而且必須相關(guān)專業(yè)同時采取相應(yīng)的措施。
　　(1)地鐵牽引供電系統(tǒng)
　　車場內(nèi)獨立設(shè)置牽引變電所，供電距離不宜太長，減少供電范圍，保證供電范圍內(nèi)接地裝置只接地一次，以減少雜散電流源。除車輛檢修外，正常營運應(yīng)采用雙邊供電，降低電位差。在額定功率不變前提下，提高電壓以減少雜散電流。軌道區(qū)間每300 m設(shè)均流線，以降低行走軌的縱向電阻。變電所的電氣設(shè)備金屬外殼和接地裝置與結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)絕緣處理。隧道內(nèi)管線不得與行走軌道作電氣連通。
　　(2)地鐵線路方面
　　軌道必須采用導(dǎo)電性能好的材料，平均電流產(chǎn)生電位差不超過3 V/km。軌道接頭處理好，增加電阻不得大于區(qū)段軌道電阻的20％。軌道焊成大于 100m長軌時，相鄰兩軌間接縫應(yīng)采用可靠的銅引線連接。軌道與扣件及扣件和枕木之間作好絕緣措施等。
　　(3)穿過地鐵盾構(gòu)的各種金屬管線
　　金屬管線進出地鐵隧道部分應(yīng)采用絕緣法蘭連接，穿過軌道下的金屬管道應(yīng)采取絕緣措施，鎧裝電纜必須外設(shè)絕緣護套等。 
　　在采取以上措施的同時，必須做好結(jié)構(gòu)的防水，結(jié)構(gòu)金屬與電力系統(tǒng)設(shè)施的絕緣，在線路內(nèi)合理組織排水，防止軌道扣件受污。配置雜散電流的觀測設(shè)備，隨時掌握雜散電流干擾情況，以便采取有的放矢的防護措施。 

3.2 被干擾物的防護措施
　　被干擾物的防護措施主要目的是避開干擾源，增加回路電阻，以及配置必要的排流措施。
　　(1)避開干擾源
　　根據(jù)線路雜散電流源的勘察結(jié)果，燃?xì)夤艿啦季�時在符合安全要求前提下，合理選擇走向，避開地鐵、電纜等雜散電流干擾源。或采取對受雜散電流干擾管道增設(shè)絕緣法蘭，將被干擾的管道與主干線分隔開，把干擾限制在一定范圍，減輕干線的腐蝕。
　　(2)增加回路電阻
　　根據(jù)燃?xì)獾钠焚|(zhì)和輸送壓力盡量選用聚乙烯等管材。對于金屬管材，主要是采用防腐等級高的防腐絕緣層形式，采用耐雜散電流的防腐絕緣材料如環(huán)氧煤瀝青涂料等，接口處采用熱縮套管。及時觀測雜散電流，及時修補和更換防腐絕緣層等。
　　(3)采取必要的排流措施[1]
　　排流保護措施不同于管道的防腐設(shè)計，需按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行干擾源側(cè)及管道側(cè)測定，根據(jù)具體情況進行方案確定。排流保護措施主要有4種， 即直接排流、極性排流、強制排流、接地排流。
　　直接排流：管/地電位偏移穩(wěn)定在正方向，可采用此保護措施。通過導(dǎo)線將管道和干擾源測的負(fù)極直接連通，使管道中的干擾電源引入干擾源的負(fù)極。此法適用于牽引變電所附近，簡單經(jīng)濟、效果好，但范圍有限。
　　極性排流：管/地電位正、負(fù)極性交變時，可采用此保護措施。通過一極性排流器(一般為二極管)將管道和回流軌道連通，當(dāng)管道上出現(xiàn)正電位時可把管道中的雜散電流排出，出現(xiàn)負(fù)電位時排流器不導(dǎo)通，可防雜散電流的進入。此法安裝方便、應(yīng)用廣，但管道距軌道遠時效果不好。
　　強制排流：管/地電位正、負(fù)極性交變，電位差小，且環(huán)境腐蝕較強時，可采用此保護措施。通過強制排流器將管道和軌道連通，雜散電流通過強制排流器的整流環(huán)排放到軌道上，當(dāng)無雜散電流時，強制排流器給管道提供一陰極保護電流，使管道處于陰極保護狀態(tài)。此法保護范圍大，地鐵停運時可對管道提供陰極保護，但對軌道電位分布有影響，需要外加電源。
　　接地排流：管/地電位正向偏移，管道離干擾源較遠，且為不影響信號不允許直接把電流排放到軌道上，可采用此保護措施。通過在管道預(yù)排流位置上，靠近干擾源側(cè)打一組接地極，然后通過極性排流或強制排流來排除雜散電流。此法使用方便，但效果不顯著，需輔助接地極。

4 結(jié)　　語

　　在地鐵雜散電流干擾腐蝕影響區(qū)域內(nèi)，不只是如一種管道一種干擾源的理想狀況，而是地下管網(wǎng)系統(tǒng)錯綜復(fù)雜，包括燃?xì)狻�熱力、給排水、電纜等管線，而且隨著市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，管網(wǎng)系統(tǒng)一直在變化。因此，對地下金屬管道的雜散電流干擾腐蝕的防護應(yīng)考慮以下面：
　　(1)采取各類管網(wǎng)的綜合防護和動態(tài)管理相結(jié)合的措施。在雜散電流干擾區(qū)不可能只對一種管道防護，否則必加重其他埋地金屬管網(wǎng)的腐蝕程度，只有把這一區(qū)域內(nèi)地下管道、電纜等統(tǒng)一考慮，綜合排流和防護才能效果顯著。
　　(2)雖然管道敷設(shè)按測試結(jié)果，采取相應(yīng)措施或采用相應(yīng)排流參數(shù)，但是隨著新地下管網(wǎng)或地下構(gòu)筑物等的建成，雜散電流干擾的規(guī)律及干擾源也產(chǎn)生變化，因此對地鐵雜散電流應(yīng)根據(jù)具體情況及時調(diào)整設(shè)施的運行參數(shù)。