雜散電流腐蝕機理及防護措施

1、雜散電流腐蝕機理及防護措施地鐵或輕軌般采用直流電力牽引的供電方式，-般接觸網(wǎng)（或第三軌）為正極，而走行 軌兼作負回流線。由于回流線軌存在著電氣阻抗，牽引電流在回流軌中產(chǎn)生壓降，并且回流軌 對地存在著電位差，回流線對道床、周圍土壊介質(zhì)、地下建筑物、埋設(shè)管線存在著定的淤 漏電流，泄漏電流沿地下建筑物、埋設(shè)管線等介質(zhì)至負回饋點附近重新歸入鋼軌，此泄漏電流 即稱迷流,又稱地鐵雜散電流。地鐵迷流主要是對地鐵周圍的埋地金屬管道、電纜金屬鎧裝 外皮以及車站和區(qū)間隧道主體結(jié)構(gòu)中的鋼筋發(fā)生電化學腐蝕，它不僅能縮短金屬管線的使用 春命,而且還會降低地鐵鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的強度和耐久性，甚至釀成災(zāi)難性的事故。如煤

2、氣管道的腐蝕穿孔造成煤氣泄漏、隧道內(nèi)水管腐蝕穿孔而彼迫更換等。另外,地鐵迷流同時 也對地鐵沿線城市公用管線和結(jié)構(gòu)鋼筋產(chǎn)生“雜散電流腐蝕”，影響地鐵以外沿線公共設(shè)施的 安全及痔命。本文結(jié)合我公司參與的多條地鐵線施匸和運營維護管理的經(jīng)驗，針對雜散電流 腐蝕機理及防護措施方面淺談管見。1雜散電流腐蝕機理1.1雜散電流腐蝕機理地鐵迷流對埋地金屬管線和混凝土主體結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕在本質(zhì)上是電化學腐蝕，屬 于局部腐蝕，其原理與鋼鐵在大氣條件下或在水溶液及土壊電解質(zhì)中發(fā)生的自然腐蝕樣，都 是具有陽極過程和陰極過程的氧化還原反應(yīng)。即電極電位較低的金屬鐵失去電/彼氧化而 變成金屬離幾同時金屬周圍介質(zhì)中電極電位較高

3、的去極化劑，如金屬離了或非金屬離/得到 電f彼還原。地鐵直流牽引供電方式形成的迷流及其腐蝕部位如圖1所示。圖中,1為牽引 電流,Ix. Iy分別為走行軌回流和泄漏的迷流。由圖1可得地鐵迷流所經(jīng)過的路徑可概括為兩個串聯(lián)的腐蝕電池，即電池I:A鋼軌（陽極區(qū)）-B道床、土壤十C金屬管線（陰極區(qū)）； 電池ILD金屬管線（陽極區(qū)）十E 土壤、道床+F鋼軌（陰極區(qū)）。當?shù)罔F迷流由圖1中A、D（陽極區(qū)）的鋼軌和金屬管線部位流出時，該部位的金屬鐵便與其 周圍電解質(zhì)發(fā)生陽極過程的電解作用,此處的金屬隨即遭到腐蝕。概扌>5起來可將發(fā)生腐蝕的 氧化還原反應(yīng)分為兩種:當金屬鐵周圉的介質(zhì)是酸性電解質(zhì)，即pH<

4、;7時，發(fā)生的氧化還原反 應(yīng)是析氫腐蝕，以H十為去極化劑;當金屬鐵周圍的介質(zhì)是堿性電解質(zhì)，即pH$7時，發(fā)生的氧化 還原反應(yīng)是吸氧腐蝕，以02為去極化劑。1.2雜散電流大小當鋼軌為懸浮系統(tǒng)時（指全線鋼軌采取對地絕緣，在任何地點不直接接地或通過其它 裝置接地）,雖然鋼軌對地采取了 系列措施，但鋼軌對地泄漏電阻在匚程實施中不可能無限 人,般在5100Qkm范圍內(nèi)。同時隨著地鐵運營時間的推移,由于受到不可避免的污染、 潮濕、滲水、漏水和高地應(yīng)力作用等影響，使地鐵車站以及區(qū)間隧道中的軌、地絕緣性能降 低或先期防護措施失效,勢必增大了由走行軌泄漏到土壊介質(zhì)中的雜散電流。當列車在兩牽 引變電所間運行時,鋼

5、軌電位如圖2所示,列車位置處為陽極區(qū)，鋼軌電位為正,牽引變電所附 近為陰極區(qū)，鋼軌電位為負。鋼軌電位產(chǎn)生的原因是牽引回流在鋼軌上產(chǎn)生了縱向電壓。研 究農(nóng)明，鋼軌電位的人小與鋼軌汛漏電阻的關(guān)系不人，當鋼軌對地泄漏電阻在5100Q - kin范 圉內(nèi)變化時，受從牽引變電所至列車位置處的鋼軌縱向電壓鉗制，鋼軌對地電位基本不變。雜 即，的積分電流密度中的陰影區(qū)段從鋼軌淤漏至地下2就是圖，散電流的人小2雜散電流防護措施從公式（1）中可得出雜散電流的總量基本上只與全線鋼軌正電位及鋼軌對地泄漏電阻 有關(guān)，因此降低鋼軌電位及增人鋼軌泄漏電阻是防護雜散電流的基礎(chǔ);為雜散電流捉供至牽引 變電所負極的暢通金屬通路，

6、盡量減少雜散電流流出金屬構(gòu)件的電流密度，阻止雜散電流對其 腐蝕，是防護雜散電流的重要措施。防護雜散電流般采取“以防為主，以排為輔，防排結(jié)合，加強監(jiān)測”的綜合防護措施，即防:減少回流軌縱向電阻，降低鋼軌電位和捉高回流軌對地過渡電阻，確保暢通的牽引回流 系統(tǒng)，隔離和控制所有的雜散電流淤漏途徑，減少雜散電流進入地鐵的主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備及相關(guān) 的設(shè)施；（2）排:在回流軌的整體道床中設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)，通過雜散電流的收集和扌IF流系統(tǒng), 捉供雜散電流返回至變電所負極的金屬通路,以減少雜散電流向外泄漏。（3）測:監(jiān)視和測雖 雜散電流的人小,為運營維護提供依據(jù)，設(shè)計完備的雜散電流檢測系統(tǒng)。限于篇幅有限，本文 結(jié)

7、合“防”和“排”兩方面內(nèi)容綜合閘述防護雜散電流措施。2.1降低鋼軌電位方案或確保暢通的牽引回流系統(tǒng)措施在列車運行密度和列車取流定的情況下，鋼軌電位由供電區(qū)間回流通路的電阻定。減小回流通路電阻的主要措施是減小牽引變電所間距，保證回流通路暢通，增設(shè)輔助回流線， 減小牽引回流通路電阻,運營中正線牽引網(wǎng)盡量采用“雙邊”供電等。在滿足供電負荷、供電質(zhì)量及工程投資控制要求前捉下,可適當調(diào)整變電所數(shù)量和設(shè) 置位置，盡量使牽引變電所布置均勻。減少以鋼軌縱向電阻為主的回流系統(tǒng)電阻的措施包括正線鋼軌采用重軌，且焊接為無縫長鋼軌，若短鋼軌間采用螺栓連接，則兩根鋼軌之間必須加焊根銅電纜，回流電纜應(yīng)與鋼 軌可靠焊接，回

8、流電纜根數(shù)留有淀裕量;走行軌間設(shè)均流線，平衡上、下行鋼軌電流，降低走 行軌電位;道岔與轍岔的連接部位通過銅連接引線可靠焊接。對于車輛段和停車場，根據(jù)實際工程條件，通過設(shè)置多個回流點，使牽引電流就近回流,減小回 流通路電阻，控制產(chǎn)生雜散電流總量。2.2增大鋼軌泄漏電阻措施鋼軌泄漏電阻的人小與雜散電流成反比，可把保證鋼軌有較高漁漏電阻作為軌道交通 防護雜散電流根本的措施。鋼軌泄漏電阻主要由下述兩方而因素確定:是鋼軌絕緣安裝點的絕緣電阻，二是鋼軌 與道床衣而的空隙距離及道床環(huán)境條件。當然泄漏電阻也受與鋼軌連接電纜絕緣情況、電 化區(qū)段與非電化區(qū)段鋼軌隔離效果等影響。鋼軌絕緣安裝般是通過在鋼軌與道床間設(shè)

9、絕緣墊，緊固螺栓通過絕緣套管安裝在道 床上等措施實現(xiàn)的，并且鋼軌底部與道床之間間隙不得小于地鐵雜散電流防護規(guī)程中的 規(guī)定。由于粉塵、潮濕、油污、風沙雨雪（高架和地而區(qū)段）等影響，會降低泄漏電阻，使雜散 電流增加。因此道床設(shè)計中應(yīng)設(shè)計良好的拎水方案，運營中應(yīng)定期打掃，保持道床的淸潔，以 避免鋼軌泄漏電阻降低。另外與軌道專業(yè)配合，設(shè)計受外界污染影響少、絕緣水平較高的絕緣安裝措施,如在安 裝點鋼軌帶絕緣靴套的絕緣安裝方案，或整體帶玻璃鋼（或其他絕緣材料）襯套軌枕的絕緣性 能好,便于運營清掃的絕緣安裝措施等。2.3雜散電流的流通路徑控制措施雜散電流對金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕主要有4個方面:即鋼軌、道床結(jié)構(gòu)鋼筋、

10、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、 地網(wǎng)及地鐵外部其他公共設(shè)施。雜散電流首先從鋼軌泄漏至道床結(jié)構(gòu),再從道床結(jié)構(gòu)向其他 結(jié)構(gòu)如隧道、車站結(jié)構(gòu)泄漏。.利用整體道床內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋的縱向聯(lián)通形成電氣連續(xù)的雜散電流主收集網(wǎng)，為雜散電流 捉供第個電氣通路，雜散電流沿此通路流向牽引變電所方向，流出收集網(wǎng)后至鋼軌,可減少 雜散電流由道床向其它結(jié)構(gòu)的泄漏量。另外在工程條件許可情況下，地下區(qū)段道床與隧道（或其他結(jié)構(gòu)間）設(shè)置素混凝土層，以 增大道床與其他結(jié)構(gòu)間泄漏電阻,減少雜散電流向其他結(jié)構(gòu)淤漏量。在回流軌下方穿越的金屬管線也要進行絕緣處理，避免雜散電流經(jīng)此池漏至其他結(jié)構(gòu)。主收集網(wǎng)不可能收集所有的雜散電流，其它少量雜散電流繼續(xù)池漏至隧道或

11、其他結(jié)構(gòu)， 利用隧道鋼筋（內(nèi)襯墻鋼筋）縱向聯(lián)通形成電氣通路，則成為雜散電流遇到的第二個電氣暢通 通路（即輔助收集網(wǎng)），并沿此通路至牽引變電所方向，在牽引變電所區(qū)域（陰極區(qū)）流回至道床 鋼筋,并流回至鋼軌，減少雜散電流向地鐵以外泄漏。由外界引入地鐵內(nèi)或由地鐵內(nèi)引出至地鐵外的金屬管線均應(yīng)進行絕緣處理后，方可引 入或引岀,避免雜散電流經(jīng)此向地鐵外滾漏。2.4結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕防護措施金屈構(gòu)件電化學腐蝕防護是控制金屬體流岀至電介質(zhì)的電流密度在防護范圈之內(nèi)。主耍措施是減少進入金屬體的雜散電流量;為金屬體捉供至電源負極的金屬通路，減少雜散電 流流出金屬農(nóng)而的電流密度;確定合理的道床、隧道收集網(wǎng)（結(jié)構(gòu)鋼筋）農(nóng)面積

12、，控制雜散電流 流出至電介質(zhì)的密度。P：地鐵雜散電流防腐蝕對結(jié)構(gòu)鋼筋的保護是分層次的，其重要性對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施而言，其順 序是隧道鋼筋、道床鋼筋和鋼軌。鋼軌是可更換設(shè)備,道床鋼筋從結(jié)構(gòu)上講可重修，而隧道鋼 筋應(yīng)避免修復(fù)。從地鐵結(jié)構(gòu)層次上講，利用腐蝕鈍化原理防腐蝕的重點在道床收集網(wǎng)，隧道收 集網(wǎng)是作為后備收集網(wǎng)而起作用。因為盡管靠近鋼軌的道床收集網(wǎng)的截而積相對隧道收集 網(wǎng)耍小，在所收集的雜散電流較多而其截面較小的情況下，若能控制道床鋼筋處于腐蝕鈍化狀 態(tài)，則下層隧道收集網(wǎng)肯定也處于腐蝕鈍化狀態(tài)。即只耍道床收集網(wǎng)達到了腐蝕防護耍求，下 層其他結(jié)構(gòu)設(shè)施肯定也沒有被雜散電流腐蝕的危險。利用道床結(jié)構(gòu)鋼筋作

13、為收集網(wǎng)的目的：是減少雜散電流繼續(xù)向下擴散至隧道、車站 和人地等結(jié)構(gòu)的數(shù)量;二是由于道床鋼筋本身有定的藏面，從而使雜散電流密度較小，而使 自身處于腐蝕的鈍化狀態(tài)。因為道床結(jié)構(gòu)鋼筋是雜散電流從鋼軌上泄漏后遇到的第道電 阻較小的暢通電氣通路，可將雜散電流盡量限制在本系統(tǒng)內(nèi)部，可防止雜散電流繼續(xù)向本系統(tǒng) 以外泄漏。若將道床鋼筋縱向焊接及連接形成層縱向電氣通路，并得到經(jīng)計算確定的藏而, 使得自道床鋼筋流出的電流密度控制在腐蝕鈍化狀態(tài)范圍內(nèi)時，盡管有定數(shù)量雜散電流流 出鋼筋，但卻不會使道床結(jié)構(gòu)鋼筋受到腐蝕。同樣的原理,通過對隧道結(jié)構(gòu)鋼筋進行焊接及連接形成縱向電氣連續(xù)通路后，對于從道 床鋼筋中繼續(xù)酬漏的雜

14、散電流起到二次收集作用，由于隧道結(jié)構(gòu)鋼筋截血更宜做人，從而使其 更宜達到腐蝕鈍化狀態(tài)。2.5排流柜設(shè)置方案只有當雜散電流從鋼筋流出時才對鋼筋產(chǎn)生腐蝕，而雜散電流流出的區(qū)域集中在陰極 區(qū)（即在牽引變電所附近），若在牽引變電所處將結(jié)構(gòu)鋼筋或其他可能受到雜散電流腐蝕的金 屬結(jié)構(gòu)與鋼軌或牽引變電所負母扌II相連，由于雜散電流總是走電阻最小的通路，而直接流至牽 引變電所，從而在陽極區(qū)范圍內(nèi)人人減小了雜散電流從鋼筋再擴散至混凝土的可能，減少了雜 散電流流出鋼筋導致的電化學反應(yīng)，該方法稱為椰流法。排流法般有將金屬結(jié)構(gòu)與鋼軌直接在牽引變電所附近相連的直接排流法、加二極 管的單向?qū)ㄞ蠭I：流、加I蟲流電源的強

15、制拎流等。但扌II：流法存在如下缺點:當采用排流法時鋼 的母押原來負，時母扌II流至負）經(jīng)二極管（當有電流從鋼筋沿扌|:流電纜，接地系統(tǒng)軌系統(tǒng)稱之為 負電位變?yōu)榻咏汶娢唬蜾撥壙v向電壓的鉗制作用使得兩牽引變電所間鋼軌的最高對地電 位增加了 倍，兩牽引變電所間幾乎成為陽極區(qū)，簡單看雜散電流總量增加了近4倍。由于雜 散電流的總量增加太多，除牽引變電所附近鋼筋腐蝕減少外,在區(qū)間的鋼軌腐蝕將上升。所以 說排流法是一把雙刃劍,既有其有利的面,也有其不利的-面。2.6厲構(gòu)區(qū)間防護雜散電流方案炳構(gòu)法區(qū)間隧道迷流設(shè)計原理是指將管片內(nèi)鋼筋全部電氣聯(lián)通，并通過鐵墊圈將電氣 連接點良好引出。以后在隧道管片的拼裝中

16、通過鐵螺栓和螺母將各隧道管片中鋼筋全部電 氣聯(lián)通，形成個等電位的法拉第網(wǎng)，對地鐵雜散電流進行電氣屛蔽，以防II：地鐵雜散電流向 外泄露和對地鐵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的腐蝕。但在實際施工過程中，混凝土灌漿于各螺栓之間，僅靠螺栓、 螺母的機械連接實現(xiàn)電氣上的完全導通連接是很難的，與管片采用絕緣隔離措施相比,反而更 加大了雜散電流對質(zhì)構(gòu)管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕風險。2.7高架區(qū)段防護雜散電流方案區(qū)間高架橋梁般采用簡支梁，橋梁與橋墩間有橡膠支座，起到了電氣上的絕緣，衣面 上可避免雜散電流擴散，但若在個別區(qū)段采用其他橋梁結(jié)構(gòu),梁墩間沒有絕緣支座，或高架車 站采用“橋建合-”的結(jié)構(gòu)，就必然形成某“點”的集中接地，成為防護

17、雜散電流的薄弱環(huán)節(jié)。因 此，高架區(qū)間要采用梁墩間設(shè)置橡膠支座的橋梁結(jié)構(gòu),且高架車站盡量采用“橋建分離”的結(jié)構(gòu) 型式。2.8車輛段及停車場雜散電流防護措施車輛段和停車場均位于地而，經(jīng)過出入線與正線連接。車輛段內(nèi)線路主要包括停車列檢庫、月檢庫線路和庫外線路。庫外線路采用碎石道床，無法設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)，檢修庫內(nèi) 線路較庫外線路防護條件更差,加上車輛段建筑較多，并設(shè)有維修基地、生活及工作設(shè)備、各 類管線較多，運營環(huán)境特殊,相對正線來講，車輛段和停車場是防護雜散電流的薄弱環(huán)節(jié)。但車輛段和停車場內(nèi)車速較低,牽引電流較小，雜散電流泄漏水平較低，基于此特點，車輛段和停車場的防護雜散電流措施般應(yīng)從鋼軌回流及降

18、低鋼軌電位考慮，般采取措施如下：（1）降低車輛段（停車場）雜散電流主要池漏總量措施車輛段（停車場）與正線間設(shè)置絕緣軌縫及單向?qū)ㄑb置,限制正線區(qū)段鋼軌電流通過車輛段（停車場）內(nèi)的鋼軌回流，可降低車輛段（停車場）內(nèi)部雜散電流泄漏水平;檢修庫、停車 庫內(nèi)外線路間設(shè)置絕緣軌縫及單向?qū)ㄑb置,限制鋼軌電流通過庫內(nèi)鋼軌泄漏。（2）就近回流措施車輛段（停車場）范圍較小、線路密集，根據(jù)實際工程條件，通過設(shè)置多個回流點，使牽引電流就近回流，可起到限制鋼軌電流泄漏。（3）均勻電流、降低鋼軌電位的措施根據(jù)車輛段（停車場）內(nèi)線路密集的特點,可通過均流電纜的適當設(shè)置，使鋼軌電流均勻 分布,達到限制鋼軌電流泄漏和降低鋼軌電位的作用。2.9雜散電流的日常維護地鐵運營后，每月應(yīng)定期對全線軌道線路清掃，保持線路淸潔干燥。如果全線鋼軌泄漏 阻抗普遍降低，簡單淸掃或維護不能解決問題，則應(yīng)開啟牽引變電所的排流柜,使雜散