直流電氣化鐵路雜散電流腐蝕與防護(hù)
摘 要：通過(guò)對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)中雜散電流電化學(xué)腐蝕的危害、原理、影響因素、檢測(cè)方法的綜合分析與介紹，為在城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采取有針對(duì)性的措施提供參考和依據(jù)。
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)各個(gè)城市為了緩和日趨嚴(yán)重的城市交通壓力，紛紛加快了城市軌道交通的建設(shè)。同時(shí)為了保持城市美觀，供水、燃?xì)夤艿酪约肮╇姾屯ㄐ烹娎|大多采用地下埋設(shè)或隱蔽敷設(shè)，城軌雜散電流對(duì)這些管道和電纜的腐蝕危害以及對(duì)應(yīng)的防治方法則成為一個(gè)倍受關(guān)注的問(wèn)題。加強(qiáng)對(duì)雜散電流腐蝕危害及防治方法的研究，對(duì)保證城軌基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及周邊的管線(xiàn)及建筑設(shè)施的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)它們的使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1直流電氣化鐵路雜散電流電化學(xué)腐蝕的危害
城市軌道交通中的雜散電流會(huì)引起城軌、城軌附近的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物以及埋地管線(xiàn)發(fā)生腐蝕，造成嚴(yán)重后果。主要表現(xiàn)在以下一些方面。
1．1鋼軌及其附件
城軌中多采用道釘把鋼軌固定于枕木上，在與道釘相接觸的部位常發(fā)生鋼軌的楔狀腐蝕。若采用墊板和壓片固定鋼軌，則這種腐蝕有所減少，但會(huì)導(dǎo)致在墊板以外的部位發(fā)生鋼軌的底部腐蝕。這種腐蝕從上面難以發(fā)現(xiàn)，因而危害性更大。此外在與路基石子相接觸的鋼軌底部有時(shí)也發(fā)生類(lèi)似的雜散電流腐蝕。鋼軌的雜散電流腐蝕在隧道內(nèi)及道岔等部位尤為顯著，在有些地方2—3年就要更換鋼軌。道釘也有雜散電流腐蝕，而且多發(fā)生在釘入部位，從地上難以發(fā)現(xiàn)。
1．2鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物
雜散電流通過(guò)混凝土?xí)r對(duì)混凝土本身并不產(chǎn)生影響，但如果有鋼筋存在，則鋼筋起匯集電流的作用并把電流引導(dǎo)到排流點(diǎn)處。在雜散電流由混凝土進(jìn)入鋼筋之處，鋼筋呈陰極。如果陰極產(chǎn)生氫氣且氫氣不能從混凝土逸出，就會(huì)形成等靜壓力使鋼筋與混凝土脫開(kāi)。如有鈉或鉀的化合物存在，則電流的通過(guò)會(huì)在鋼筋與混凝土的界面處產(chǎn)生可溶的堿式硅酸鹽或鋁酸鹽，使結(jié)合強(qiáng)度顯著降低。在電流離開(kāi)鋼筋返回混凝土的部位，鋼筋呈陽(yáng)極并發(fā)生腐蝕。腐蝕產(chǎn)物在陽(yáng)極處的堆積產(chǎn)生機(jī)械張力而使混凝土結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)及檢件和環(huán)境下修坑便會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生腐蝕。如果結(jié)構(gòu)物中的鋼筋與鋼軌有電接觸，則更容易受到雜散電流腐蝕。
1．3埋地管線(xiàn)
對(duì)于埋地管線(xiàn)的影響是城軌雜散電流腐蝕的另一個(gè)重要方面，在設(shè)計(jì)和建造城軌時(shí)不考慮此問(wèn)題會(huì)產(chǎn)生極嚴(yán)重的后果。
埋地管有鑄鐵管和鋼管之分。鑄鐵管表面一般涂瀝青等，在管接頭處多采取相互絕緣的連接方式，因此雜散電流不會(huì)傳到遠(yuǎn)方，加之管壁厚，故比較耐雜散電流腐蝕。鋼管縱向電導(dǎo)性良好，容易積聚來(lái)自遠(yuǎn)方的電流，加之管壁較薄，故易受雜散電流腐蝕，有必要采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧�。城軌系統(tǒng)內(nèi)的埋地管線(xiàn)主要有自來(lái)水管、石油管線(xiàn)、通風(fēng)管線(xiàn)、蒸汽管線(xiàn)等。在系統(tǒng)外則可能有煤氣管線(xiàn)、石油管線(xiàn)、自來(lái)水管等公用事業(yè)管線(xiàn)以及各種電纜管等。
2雜散電流電化學(xué)腐蝕基本原理
在雜散電流流出走行軌到重新返回走行軌的過(guò)程中，城軌雜散電流對(duì)走行軌及其附件、混凝土腐蝕屬于局部腐蝕。直流雜散電流將從走行軌上直接或間接泄漏到土壤或其他導(dǎo)電介質(zhì)中，它所經(jīng)過(guò)的途徑為：
走行軌(陽(yáng)極)一道床、土壤一埋地金屬體(陰極)一埋地金屬體(陽(yáng)極)一土壤、道床一走行軌(陰極)。
城軌雜散電流所經(jīng)過(guò)的路徑可以概括為兩個(gè)串聯(lián)的腐蝕電池：
電池1：走行軌(陽(yáng)極)一道床、土壤(介質(zhì))一埋地金屬體(陰極)；
電池2：埋地金屬體(陽(yáng)極)一道床、土壤(介質(zhì))一走行軌(陰極)。
當(dāng)雜散電流由兩個(gè)陽(yáng)極區(qū)(走行軌陽(yáng)極區(qū)和金屬管道陽(yáng)極區(qū))流出時(shí)，該部位的金屬便與其周?chē)碾娊赓|(zhì)發(fā)生陽(yáng)極過(guò)程的電解反應(yīng)，此處的金屬體遭到電化學(xué)腐蝕。
這種電解反應(yīng)可以分為兩大類(lèi)：當(dāng)金屬體周?chē)慕橘|(zhì)是酸性電解質(zhì)時(shí)，發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是析氫腐蝕：當(dāng)金屬體周?chē)慕橘|(zhì)是堿性電解質(zhì)時(shí)，發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是吸氧腐蝕。
雜散電流電化學(xué)腐蝕一般具有以特點(diǎn)：
(1)只有在陽(yáng)極反應(yīng)中才發(fā)生金屬腐蝕，在陰反應(yīng)中沒(méi)有金屬腐蝕發(fā)生；
(2)腐蝕一般集中于局部位置，腐蝕程度激烈
(3)當(dāng)有防腐蝕層時(shí)，往往集中于防腐蝕層的陷部分。
3影響城軌雜散電流電化學(xué)腐蝕的因素
根據(jù)Faraday電解第一定律，電極上發(fā)生的學(xué)變化量與通過(guò)的電量成正比。可見(jiàn)，由電極反生所消耗的物質(zhì)的量取決于通過(guò)的電量和反應(yīng)子數(shù)。金屬被腐蝕的速度只取決于通過(guò)被腐蝕電極的電流值。依據(jù)法拉第電解定律計(jì)算，每1安培雜散電流流經(jīng)銅鐵類(lèi)金屬設(shè)施時(shí)，一年可使之腐蝕掉9．1kg。北京城軌公司提供的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)城軌車(chē)輛起動(dòng)時(shí)，流入地下的雜散電流會(huì)達(dá)到100安培以上�？梢�(jiàn)雜散電流所造成的電化學(xué)腐蝕危害將是十分嚴(yán)重的。
金屬遭受電化學(xué)腐蝕時(shí)，根據(jù)Faraday電解第一定律計(jì)算出的理論腐蝕量與實(shí)際的腐蝕量會(huì)有一定的出入，造成這種影響因素主要有：金屬表面的機(jī)械性損壞；腐蝕生成物和氧化膜形成的鈍化層；高電流密度下，引起的金屬原子價(jià)的改變；析氫反應(yīng)；自然腐蝕等等。雜散電流的電化學(xué)腐蝕也受環(huán)境因素的影響。土壤的結(jié)構(gòu)特性不同，對(duì)地下設(shè)施的電化學(xué)腐蝕程度也不同。土壤一般由土壤顆粒、水、空氣混合而成。土壤顆粒與顆粒之間存在空隙，這些空隙中充滿(mǎn)著水或空氣。而土壤孔隙的透水性、通氣性等會(huì)對(duì)腐蝕過(guò)程構(gòu)成直接影響。土壤中也含有大量細(xì)菌，它們能使土壤中的物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)生酸，從而使有機(jī)物發(fā)生分解。在松軟、干燥的土壤中好氣性細(xì)菌比較活躍，它們將有機(jī)物質(zhì)分解成CO2、H2O等。在潮濕的土壤中，厭氣性細(xì)菌相對(duì)活躍，將會(huì)使某些元素呈還原狀態(tài)，如將N還原成NO2，將S還原成H2S等。因此在微生物的作用下，會(huì)使土壤的酸、堿性質(zhì)發(fā)生變化，從而對(duì)埋地設(shè)施的腐蝕產(chǎn)生影響。
土壤的化學(xué)性質(zhì)亦會(huì)對(duì)埋地電氣設(shè)施的腐蝕程度構(gòu)成影響。溶液偏酸或偏堿時(shí)，埋地設(shè)施靠近較濃溶液的那部分構(gòu)成了陽(yáng)極，靠近較淡溶液的那部分構(gòu)成了陰極，從而使陽(yáng)極那部分受到腐蝕。土壤的濕度也會(huì)對(duì)腐蝕的速度構(gòu)成影響。當(dāng)土壤非常干燥時(shí)，電解液較少，電阻系數(shù)大，此時(shí)腐蝕會(huì)非常緩慢。當(dāng)濕度增加時(shí)，腐蝕的速度會(huì)明顯加快。另度的關(guān)速度越快，埋地金屬縱上所述，環(huán)境因素對(duì)土壤電阻率的影響很大，其電阻率可以從小于1Q·m到高達(dá)幾百甚至上千Ω·m。顯然，土壤的電阻率越大，泄漏的雜散電流就越少，雜散電流所引起的電化學(xué)腐蝕程度就會(huì)越輕。
4城軌雜散電流電化學(xué)腐蝕檢測(cè)方法
對(duì)于埋地金屬的電化學(xué)腐蝕防護(hù)工作來(lái)說(shuō)，測(cè)量埋地金屬的腐蝕速度是很重要的一個(gè)任務(wù)。測(cè)定金屬被腐蝕后的失重是最簡(jiǎn)單而又直觀的方法。但是這種方法不僅需要很長(zhǎng)的時(shí)間跨度，所得出的結(jié)果是平均腐蝕速度，而且有時(shí)候在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量中也是不可行的。
利用線(xiàn)性極化曲線(xiàn)，是目前運(yùn)用較廣的快速測(cè)定金屬腐蝕速度的方法。它的理論基礎(chǔ)是當(dāng)極化程度較弱時(shí)，金屬極化電位與極化電流密度成線(xiàn)性關(guān)系。因此通過(guò)測(cè)量埋地金屬物和城軌結(jié)構(gòu)鋼的極化電位值，就可以間接獲知它們的極化電流值，極化電流值又與金屬物的腐蝕速度成正比關(guān)系。所以埋地金屬的極化電位是判斷迷流電化學(xué)腐蝕的重要指標(biāo)，對(duì)其的測(cè)量有重要的意義：
(1)當(dāng)存在雜散電流干擾時(shí)，埋地金屬物的極化電位是判斷其電化學(xué)腐蝕程度的重要指標(biāo)；
(2)當(dāng)使用極性排流法輸導(dǎo)埋地排流網(wǎng)和使用強(qiáng)制排流法防護(hù)埋地金屬物電化學(xué)腐蝕時(shí)，埋地金屬導(dǎo)體的極化電位是關(guān)斷／開(kāi)啟排流裝置和智能動(dòng)態(tài)調(diào)整排流量的重要判據(jù)；
(3)施加陰極保護(hù)的埋地金屬物的極化電位是判斷陰極保護(hù)程度和保護(hù)效果的一個(gè)重要參數(shù)。
理論上說(shuō)，埋地金屬的極化電位是指埋地金屬體與大地?zé)o限遠(yuǎn)處的電位差，然而這在實(shí)際測(cè)量中是很難實(shí)現(xiàn)的，所以一般以就近大地或城軌系統(tǒng)接地端作為測(cè)量參考地。就近大地的地電位本身變化是很大的，尤其是在有雜散電流干擾的情況下。
城軌系統(tǒng)接地端的電位在雜散電流的極化作用下也會(huì)產(chǎn)生零電位偏移現(xiàn)象，因而不能用系統(tǒng)接地端作為電壓測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)。因此需要基準(zhǔn)恒定的地電位參考點(diǎn)。
從電化學(xué)電極測(cè)量的原理上可知，需要使用合適的參比電極。在實(shí)際測(cè)量中埋地金屬物的極化電位(指埋地金屬物與理想大地零電位的電位差)和埋地金屬物與參比電極之間的電位差有很大的聯(lián)系。由此可見(jiàn)，參比電極的性能和可靠性是影響埋地金屬極化電位測(cè)量的關(guān)鍵因素。在實(shí)際的工程實(shí)踐中，多采用膠狀的硫酸銅或氧化鉬作為參考電極。
5結(jié)論
雜散電流是一種有害的電流，在直流牽引供電系統(tǒng)中會(huì)給城軌系統(tǒng)的設(shè)備、設(shè)施造成多方面的危害，必須加以治理。因此，弄清雜散電流對(duì)各種結(jié)構(gòu)物、管道和電纜腐蝕的電化學(xué)本質(zhì)及基理對(duì)于有針對(duì)性的采取防治措施具有指導(dǎo)性的意義。在實(shí)際的工程實(shí)踐中，也正是基于這些原理，采用了堵、排、測(cè)等各種手段把雜散電流的影響減至最小。
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