杂散电流腐蚀机理及防护措施教学教材

杂散电流腐蚀机理及防护措施

地铁或轻轨一般采用直流电力牵引的供电方式,一般接触网(或第三轨)为正极,而走行轨兼作负回流线。由于回流线轨存在着电气阻抗,牵引电流在回流轨中产生压降,并且回流轨对地存在着电位差,回流线对道床、周围土壤介质、地下建筑物、埋设管线存在着一定的泄漏电流,泄漏电流沿地下建筑物、埋设管线等介质至负回馈点附近重新归入钢轨,此泄漏电流即称迷流,又称地铁杂散电流。地铁迷流主要是对地铁周围的埋地金属管道、电缆金属铠装外皮以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀,它不仅能缩短金属管线的使用寿命,而且还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性,甚至酿成灾难性的事故。如煤气管道的腐蚀穿孔造成煤气泄漏、隧道内水管腐蚀穿孔而被迫更换等。另外,地铁迷流同时也对地铁沿线城市公用管线和结构钢筋产生“杂散电流腐蚀”,影响地铁以外沿线公共设施的安全及寿命。本文结合我公司参与的多条地铁线施工和运营维护管理的经验,针对杂散电流腐蚀机理及防护措施方面浅谈管见。

1 杂散电流腐蚀机理

1.1 杂散电流腐蚀机理

地铁迷流对埋地金属管线和混凝土主体结构中钢筋的腐蚀在本质上是电化学腐蚀,属于局部腐蚀,其原理与钢铁在大气条件下或在水溶液及土壤电解质中发生的自然腐蚀一样,都是具有阳极过程和阴极过程的氧化还原反应。即电极电位较低的金属铁失去电子被氧化而变成金属离子,同时金属周围介质中电极电位较高的去极化剂,如金属离子或非金属离子得到电子被还原。地铁直流牵引供电方式形成的迷流及其腐蚀部位如图1所示。图中,I为牵引电流,Ix、Iy分别为走行轨回流和泄漏的迷流。

由图1可得地铁迷流所经过的路径可概括为两个串联的腐蚀电池,即

电池I:A钢轨(阳极区)+B道床、土壤+C金属管线(阴极区);

电池II:D金属管线(阳极区)+E土壤、道床+F钢轨(阴极区)。

当地铁迷流由图1中A、D(阳极区)的钢轨和金属管线部位流出时,该部位的金属铁便与其周围电解质发生阳极过程的电解作用,此处的金属随即遭到腐蚀。概括起来可将发生腐蚀的氧化还原反应分为两种:当金属铁周围的介质是酸性电解质,即pH<7时,发生的氧化还原反应是析氢腐蚀,以H+为去极化剂;当金属铁周围的介质是碱性电解质,即pH≥7时,发生的氧化还原反应是吸氧腐蚀,以O2为去极化剂。

1.2 杂散电流大小

当钢轨为悬浮系统时(指全线钢轨采取对地绝缘,在任何地点不直接接地或通过其它装置接地),虽然钢轨对地采取了一系列措施,但钢轨对地泄漏电阻在工程实施中不可能无限大,一般在5～100Ω·km范围内。同时随着地铁运营时间的推移,由于受到不可避免的污染、潮湿、渗水、漏水和高地应力作用等影响,使地铁车站以及区间隧道中的轨、地绝缘性能降低或先期防护措施失效,势必增大了由走行轨泄漏到土壤介质中的杂散电流。当列车在两牵引变电所间运行时,钢轨电位如图2所示,列车位置处为阳极区,钢轨电位为正,牵引变电所附近为阴极区,钢轨电位为负。钢轨电位产生的原因是牵引回流在钢轨上产生了纵向电压。研究表明,钢轨电位的大小与钢轨泄漏电阻的关系不大,当钢轨对地泄漏电阻在5～100Ω·km范围内变化时,受从牵引变电所至列车位置处的钢轨纵向电压钳制,钢轨对地电位基本不变。杂散电流的大小,就是图2中的阴影区段从钢轨泄漏至地下电流密度的积分,即

2 杂散电流防护措施

从公式(1)中可得出杂散电流的总量基本上只与全线钢轨正电位及钢轨对地泄漏电阻有关,因此降低钢轨电位及增大钢轨泄漏电阻是防护杂散电流的基础;为杂散电流提供至牵引变电所负极的畅通金属通路,尽量减少杂散电流流出金属构件的电流密度,阻止杂散电流对其腐蚀,是防护杂散电流的重要措施。

防护杂散电流一般采取“以防为主,以排为辅,防排结合,加强监测”的综合防护措施,即(1)防:减少回流轨纵向电阻,降低钢轨电位和提高回流轨对地过渡电阻,确保畅通的牵引回流系统,隔离和控制所有的杂散电流泄漏途径,减少杂散电流进入地铁的主体结构、设备及相关的设施;(2)排:在回流轨的整体道床中设置杂散电流收集网,通过杂散电流的收集和排流系统,提供杂散电流返回至变电所负极的金属通路,以减少杂散电流向外泄漏。(3)测:监视和测量杂散电流的大小,为运营维护提供依据,设计完备的杂散电流检测系统。限于篇幅有限,本文结合“防”和“排”两方面内容综合阐述防护杂散电流措施。

2.1降低钢轨电位方案或确保畅通的牵引回流系统措施

在列车运行密度和列车取流一定的情况下,钢轨电位由供电区间回流通路的电阻定。减小回流通路电阻的主要措施是减小牵引变电所间距,保证回流通路畅通,增设辅助回流线,减小牵引回流通路电阻,运营中正线牵引网尽量采用“双边”供电等。

在满足供电负荷、供电质量及工程投资控制要求前提下,可适当调整变电所数量和设置位置,尽量使牵引变电所布置均匀。

减少以钢轨纵向电阻为主的回流系统电阻的措施包括正线钢轨采用重轨,且焊接为无缝长钢轨,若短钢轨间采用螺栓连接,则两根钢轨之间必须加焊一根铜电缆,回流电缆应与钢轨可靠焊接,回流电缆根数留有一定裕量;走行轨间设均流线,平衡上、下行钢轨电流,降低走行轨电位;道岔与辙岔的连接部位通过铜连接引线可靠焊接。

对于车辆段和停车场,根据实际工程条件,通过设置多个回流点,使牵引电流就近回流,减小回流通路电阻,控制产生杂散电流总量。

2.2 增大钢轨泄漏电阻措施

钢轨泄漏电阻的大小与杂散电流成反比,可把保证钢轨有较高泄漏电阻作为轨道交通防护杂散电流根本的措施。

钢轨泄漏电阻主要由下述两方面因素确定:一是钢轨绝缘安装点的绝缘电阻,二是钢轨与道床表面的空隙距离及道床环境条件。当然泄漏电阻也受与钢轨连接电缆绝缘情况、电化区段与非电化区段钢轨隔离效果等影响。

钢轨绝缘安装一般是通过在钢轨与道床间设绝缘垫,紧固螺栓通过绝缘套管安装在道床上等措施实现的,并且钢轨底部与道床之间间隙不得小于《地铁杂散电流防护规程》中的规定。

由于粉尘、潮湿、油污、风沙雨雪(高架和地面区段)等影响,会降低泄漏电阻,使杂散电流增加。因此道床设计中应设计良好的排水方案,运营中应定期打扫,保持道床的清洁,以避免钢轨泄漏电阻降低。

另外与轨道专业配合,设计受外界污染影响少、绝缘水平较高的绝缘安装措施,如在安装点钢轨带绝缘靴套的绝缘安装方案,或整体带玻璃钢(或其他绝缘材料)衬套轨枕的绝缘性能好,便于运营清扫的绝缘安装措施等。

2.3 杂散电流的流通路径控制措施

杂散电流对金属结构的腐蚀主要有4个方面:即钢轨、道床结构钢筋、隧道结构钢筋、地网及地铁外部其他公共设施。杂散电流首先从钢轨泄漏至道床结构,再从道床结构向其他结构如隧道、车站结构泄漏。