直流電氣化鐵路雜散電流腐蝕與防護(hù)見證nbs

1、直流電氣化鐵路雜散電流腐蝕與防護(hù)見證 nbs直流電氣化鐵路雜散電流腐蝕與防護(hù)2010 年 08 月 04 日技術(shù)名稱： 雜散電流排流 保護(hù)保護(hù)方法：犧牲陽極 陰極保護(hù)主要材料： 鎂合金 犧牲陽極 埋地長效硫酸銅參比電極直流電氣化鐵路雜散電流腐蝕與防護(hù)摘要： 通過對城市軌道交通系統(tǒng)中雜散電流電化學(xué)腐蝕的危害、原理、 影響因素、檢測方法的綜合分析與介紹，為在城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)計中采取有 針對性的措施提供參考和依據(jù)。關(guān)鍵詞： 軌道交通 雜散電流 腐蝕與防護(hù) 電化學(xué)隨著國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國各個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)。同時為了保持城市美觀，供水、燃 氣管道

2、以及供電和通信電纜大多采用地下埋設(shè)或隱蔽敷設(shè)，城軌雜散電流對這 些管道和電纜的腐蝕危害以及對應(yīng)的防治方法則成為一個倍受關(guān)注的問題。加 強(qiáng)對雜散電流腐蝕危害及防治方法的研究，對保證城軌基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)及周邊的管線 及建筑設(shè)施的安全運(yùn)行，延長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 導(dǎo)致在墊板以外的部位

3、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也發(fā)生類似的雜散電流 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)物雜散電流通過混凝土?xí)r對混凝土本身并不產(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 會形成等靜壓力使鋼筋與混凝土脫開。如有鈉或鉀的化合物存在，則電流的通 過會在鋼筋與混凝土的界面處產(chǎn)生可溶的堿

4、式硅酸鹽或鋁酸鹽，使結(jié)合強(qiáng)度顯 著降低。在電流離開鋼筋返回混凝土的部位，鋼筋呈 陽極 并發(fā)生腐蝕。腐蝕產(chǎn) 物在陽極處的堆積產(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 會在較短時間內(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埋地管線對于埋地管線的影響是城軌雜散電流腐蝕的另一個重要方面，在設(shè)計 和建造城軌時不考慮此問題會產(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，容易積聚來自遠(yuǎn)方的電流，加之管 壁較薄，故易受雜

5、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 地管線主要有自來水管、石油管線、通風(fēng)管線、蒸汽管線等。在系統(tǒng)外則可能 有煤氣管線、石油管線、自來水管等公用事業(yè)管線以及各種電纜管等。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程中，城軌雜散電流對 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)過的途徑為：走行軌 （陽極）一道床、土壤一埋地金屬體 （ 陰極） 一埋地金屬體 （ 陽極） 一土壤、道床一走行軌 （ 陰極）。城軌雜散電流所經(jīng)過的路徑可以概括為兩個串聯(lián)的腐蝕電池：電池 1：走行軌 （ 陽極）一道

6、床、土壤 （ 介質(zhì)） 一埋地金屬體 （ 陰極） ；電池 2：埋地金屬體 （陽極）一道床、土壤 （介質(zhì)）一走行軌 （陰極）。當(dāng)雜散電流由兩個 陽極區(qū)（ 走行軌 陽極區(qū)和金屬管道 陽極區(qū)） 流出時， 該部位的金屬便與其周圍的電解質(zhì)發(fā)生 陽極過程的電解反應(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：當(dāng)金屬體周圍的介質(zhì)是酸性電解質(zhì)時， 發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是析氫腐蝕：當(dāng)金屬體周圍的介質(zhì)是堿性電解質(zhì)時，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）只有在陽極 反應(yīng)中才發(fā)生金屬腐蝕，在陰反應(yīng)中沒有金屬腐蝕發(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

7、蝕層時，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)變化量與通過的電量成 正比?？梢姡呻姌O反生所消耗的物質(zhì)的量取決于通過的電量和反應(yīng)子數(shù)。金 屬被腐蝕的速度只取決于通過被腐蝕電極的電流值。依據(jù)法拉第電解定律計算， 每 1 安培雜散電流流經(jīng)銅鐵類金屬設(shè)施時，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)城軌車輛起動時，流入地下的雜散電流會達(dá)到 100 安培以上?？梢婋s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，根據(jù) Faraday 電解第一定律計算出的理論腐 蝕量與實(shí)際的腐蝕量會有一定的出

8、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 隙中充滿著水或空氣。而土壤孔隙的透水性、通氣性等會對腐蝕過程構(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)菌相對活躍，將會使某

9、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， 會使土壤的酸、堿性質(zhì)發(fā)生變化，從而對埋地設(shè)施的腐蝕產(chǎn)生影響。土壤的化學(xué)性質(zhì)亦會對埋地電氣設(shè)施的腐蝕程度構(gòu)成影響。溶液偏酸 或偏堿時，埋地設(shè)施靠近較濃溶液的那部分構(gòu)成了 陽極 ，靠近較淡溶液的那部 分構(gòu)成了陰極，從而使 陽極 那部分受到腐蝕。土壤的濕度也會對腐蝕的速度構(gòu) 成影響。當(dāng)土壤非常干燥時，電解液較少，電阻系數(shù)大，此時腐蝕會非常緩慢。 當(dāng)濕度增加時，腐蝕的速度會明顯加快。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 m。顯然，土

10、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)腐蝕程度就會越輕。4 城軌雜散電流電化學(xué)腐蝕檢測方法對于埋地金屬的電化學(xué)腐蝕防護(hù)工作來說，測量埋地金屬的腐蝕速度 是很重要的一個任務(wù)。測定金屬被腐蝕后的失重是最簡單而又直觀的方法。但 是這種方法不僅需要很長的時間跨度，所得出的結(jié)果是平均腐蝕速度，而且有 時候在實(shí)際現(xiàn)場測量中也是不可行的。利用線性極化曲線，是目前運(yùn)用較廣的快速測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，金屬極化電位與極化電流密度成線性關(guān)系。因此通過測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

11、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)，對其的測量有重要的意義：(1) 當(dāng)存在雜散電流干擾時，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，埋地金屬導(dǎo)體的極化電位是關(guān)斷開啟排流裝置和智能動態(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) 效果的一個重要參數(shù)。理論上說，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)電極測量的原理上可知，需要使用合適的參比電極。在實(shí)際 測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，參比電極的性能 和可靠性是影響埋地金屬極化電位測量的關(guān)鍵因素。在實(shí)際的工