地鐵雜散電流的腐蝕及防護(hù)影響分析

1、地鐵雜散電流的腐蝕及防護(hù)影響分析     摘要根據(jù)軌交通的雜散電流產(chǎn)生原理,結(jié)工程實(shí)際,提出了雜散電流防護(hù)體系;并結(jié)合軌道交通的工程特點(diǎn),從雜散電流與接地的關(guān)系分析,提出了隧道和車站的結(jié)構(gòu)鋼筋可用作設(shè)備接地的建議。關(guān)鍵詞軌道交通,雜散電流,腐蝕與防護(hù) 1 雜散電流產(chǎn)生的主要因素      在地鐵工程實(shí)施中,雖然全線鋼軌采取對(duì)地絕緣,在任何地點(diǎn)不直接接地或通過其它裝置接地,但鋼軌對(duì)地泄漏電阻率仍不可能無限大,一般在5100·km范圍。當(dāng)列車在兩牽引所間運(yùn)行時(shí),鋼軌電位如圖1所示,列車位置

2、處為陽(yáng)極區(qū),鋼軌電位為正;牽引所附近為陰極區(qū),鋼軌電位為負(fù)。鋼軌電位產(chǎn)生的原因是牽引回流電流在鋼軌上產(chǎn)生了縱向電壓。研究表明,鋼軌電位的大小,與鋼軌泄漏電阻率的關(guān)系不大。當(dāng)鋼軌對(duì)地泄漏電阻率在5100·km變化時(shí),鋼軌對(duì)地電位基本不變,這是由于鋼軌對(duì)地泄漏電阻遠(yuǎn)大于從牽引所至列車位置的鋼軌縱向電阻。雜散電流強(qiáng)度的大小,就是圖1中陰影區(qū)段從鋼軌泄漏至地下的電流密度的積分。   全線雜散電流的總量基本上只與全線鋼軌正電位及鋼軌對(duì)地泄漏電阻有關(guān)。因此,降低鋼軌電位及增大鋼軌泄漏電阻是雜散電流防護(hù)的基礎(chǔ)。2 防止雜散電流對(duì)鋼筋腐蝕的原理2.1 利用腐蝕鈍化狀態(tài) 

3、     雜散電流對(duì)金屬構(gòu)件(結(jié)構(gòu)鋼筋和金屬管線)的腐蝕為電化學(xué)腐蝕。當(dāng)雜散電流進(jìn)入金屬構(gòu)件時(shí),對(duì)其不產(chǎn)生腐蝕;而當(dāng)雜散電流從金屬構(gòu)件流出至非金屬介質(zhì)時(shí),對(duì)其產(chǎn)生腐蝕。對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼筋,其腐蝕的原理是鋼筋與其周圍的水泥硅酸鹽發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),鋼筋釋放鐵離子與周圍電解質(zhì)反應(yīng)生成其它化合物。若電流密度小于0.6mA/dm2,則電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生后會(huì)在鋼筋表面形成一層白色的化合物。該化合物的電阻率較大。隨著時(shí)間的延續(xù),當(dāng)該化合物厚度達(dá)到一定程度時(shí),就會(huì)成為包裹鋼筋的一層外絕緣層,從而阻止鋼筋與外部水泥硅酸鹽電解質(zhì)的繼續(xù)接觸,阻止了雜散電流對(duì)鋼筋的繼續(xù)腐蝕。該狀態(tài)稱為腐蝕

4、鈍化狀態(tài)。      通過合理的措施使鋼筋處于腐蝕鈍化狀態(tài),這是雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。因此,為雜散電流提供至牽引變電所負(fù)極的暢通金屬通路,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(duì)其腐蝕,是雜散電流防護(hù)的重要措施。2.2 控制雜散電流流通途徑      如圖2所示,雜散電流首先從鋼軌泄漏至道床,再泄漏至隧道結(jié)構(gòu)和其它結(jié)構(gòu)。因此,應(yīng)從道床結(jié)構(gòu)著手來限制雜散電流向其它結(jié)構(gòu)泄漏。      如果將道床鋼筋縱向焊接形成一層縱向電氣通路,

5、并賦于道床鋼筋一定的截面,使道床鋼筋流出的電流密度控制在鈍化狀態(tài)內(nèi)(0.6mA/dm2)時(shí),則盡管有一定數(shù)量雜散電流流出鋼筋,卻不會(huì)使道床結(jié)構(gòu)鋼筋受到腐蝕。利用道床鋼筋可達(dá)到兩個(gè)目的:一是減少了雜散電流繼續(xù)向下擴(kuò)散至隧道鋼筋和大地;二是由于道床鋼筋本身有一定的截面,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)。      同理,通過對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行焊接以形成縱向電氣連續(xù)通路后,對(duì)于從道床鋼筋中漏泄的雜散電流起到二次收集作用。由于隧道結(jié)構(gòu)鋼筋截面更大,從而使得其腐蝕鈍化狀態(tài)更易達(dá)到。     

6、; 顯而易見,由于道床鋼筋更靠近鋼軌,是雜散電流的第一層收集網(wǎng),而截面積相對(duì)隧道收集網(wǎng)要小,若能控制道床鋼筋處于腐蝕鈍化狀態(tài),則下層收集網(wǎng)的隧道鋼筋肯定也處于腐蝕鈍化狀態(tài)。即只要道床收集網(wǎng)達(dá)到了腐蝕防護(hù)要求,下層其它結(jié)構(gòu)設(shè)施肯定也沒有被雜散電流腐蝕的危險(xiǎn)。所以,利用腐蝕鈍化原理防腐蝕的重點(diǎn)在于道床收集網(wǎng),隧道收集網(wǎng)是作為后備收集網(wǎng)而起作用。隨著地鐵的長(zhǎng)年運(yùn)營(yíng),在鋼軌對(duì)地泄漏電阻逐漸減少后,即使道床鋼筋受腐蝕了,隧道鋼筋也可不受腐蝕。      對(duì)地鐵雜散電流的防護(hù)是分層次的。對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施防護(hù)重要性的順序是隧道鋼筋、道床鋼筋、鋼軌。鋼軌是可更換

7、設(shè)備,道床鋼筋從結(jié)構(gòu)上講也是可以重修的,而隧道鋼筋則無論如何應(yīng)避免結(jié)構(gòu)性修復(fù)施工。所以,為重點(diǎn)保護(hù)隧道鋼筋,在有條件時(shí)將其焊接成網(wǎng)是必要的。     2.3 排流法      只有當(dāng)雜散電流從鋼筋流出時(shí)才會(huì)對(duì)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)(在牽引所附近)。若在牽引所將結(jié)構(gòu)鋼筋或其它可能受到雜散電流腐蝕的金屬結(jié)構(gòu)與鋼軌或牽引所負(fù)母排相連,則由于雜散電流總是走電阻最小的通路而直接流至牽引所,從而在陽(yáng)極區(qū)范圍內(nèi)大大減小了雜散電流從鋼筋再擴(kuò)散至混凝土的可能,減少了雜散電流流出鋼筋導(dǎo)致的電化學(xué)反應(yīng)。

8、該方法稱為排流法(見圖3)。地鐵早期將金屬結(jié)構(gòu)與鋼軌直接在牽引所附近相連,稱為直接排流法,后來發(fā)展到加二極管的單向?qū)ㄅ帕?、加直流電源的?qiáng)制排流法等。但排流法有其缺點(diǎn):由于采用排流法時(shí),電流從鋼筋沿排流電纜(經(jīng)二極管)流至負(fù)母排時(shí),原來負(fù)母排的負(fù)電位變?yōu)榻咏汶娢?從而因鋼軌縱向電壓的鉗制作用使得兩牽引所間鋼軌的最高對(duì)地電位增加了一倍,兩牽引所間幾乎全部成為陽(yáng)極區(qū);簡(jiǎn)單地看,雜散電流總量增加到近三倍(根據(jù)某軌道交通雜散電流模擬結(jié)果,在遠(yuǎn)期運(yùn)營(yíng)列車對(duì)數(shù)較高時(shí),設(shè)排流柜較不設(shè)排流柜的雜散電流約增加一倍)。由于雜散電流的總量增加太多,除牽引所附近鋼筋腐蝕減少外,在區(qū)間的鋼軌腐蝕量將上升。所以說排流法

9、是一把雙刃劍,既有其有利的一面,也有其不利的一面。故在地鐵系統(tǒng)開通初期,將排流柜投入運(yùn)行是弊大于利,是沒有必要的。只有在將來隨著地鐵運(yùn)營(yíng)年份的增加,鋼軌泄漏電阻減小至嚴(yán)重影響道床收集網(wǎng)防腐能力時(shí),才考慮將排流柜投入運(yùn)行。3 接地系統(tǒng)與雜散電流防護(hù)關(guān)系分析      地鐵的地下車站及隧道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋比較密集,面積也較大,是很好的接地體。利用這些鋼筋的可靠焊接作為接地網(wǎng),不論從接地電阻要求還是跨步電勢(shì)、接觸電勢(shì)要求都比單獨(dú)設(shè)置接地裝置更容易實(shí)施。在目前的民用建筑工程中,利用建筑基礎(chǔ)鋼筋做設(shè)備工作接地、安全接地及防雷接地等的接地裝置的做法已普遍采用,

10、不僅節(jié)投資也使接地系統(tǒng)更安全可靠。對(duì)于地鐵系統(tǒng)而言,就是將系統(tǒng)內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬管線、金屬構(gòu)筑物、金屬附件以及所有不帶電的金屬物實(shí)現(xiàn)電氣聯(lián)接,這樣能減小需防止過電壓的空間內(nèi)各金屬部件和系統(tǒng)內(nèi)的電位差,使觸及不帶電金屬物的人員和電氣設(shè)備本身不出現(xiàn)明顯電位差,從而保障人員和設(shè)備安全。      我國(guó)CJJ49-92地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程中規(guī)定,地鐵的隧洞襯砌結(jié)構(gòu)和鋼筋不應(yīng)兼做它用。國(guó)內(nèi)地鐵也大多沒有利用隧道和車站結(jié)構(gòu)鋼筋作為接地網(wǎng).      對(duì)國(guó)內(nèi)目前建設(shè)的地鐵來說,如果設(shè)置獨(dú)立于車站結(jié)構(gòu)的

11、接地裝置,對(duì)于地下車站,一般設(shè)置在站臺(tái)板下,地面車站則設(shè)置在車站四周。這種接地裝置除了在滿足接地電阻要求方面存在一定意義外,在限制接觸電勢(shì)和跨步電勢(shì)方面沒有意義,反而是車站變電所地板層的結(jié)構(gòu)鋼筋起到了這方面的作用。      雜散電流防護(hù)中,已經(jīng)利用道床中結(jié)構(gòu)鋼筋作為雜散電流主收集網(wǎng)。雜散電流大部分經(jīng)道床收集網(wǎng)返回變電所,而且對(duì)安裝在道床上的信號(hào)機(jī)、穿越道床的金屬管線提出了絕緣要求。如果這些措施能夠較好地實(shí)施,即使利用地下車站底板結(jié)構(gòu)鋼筋做為接地網(wǎng),也不會(huì)因此增加從道床泄漏至地鐵其它結(jié)構(gòu)鋼筋的雜散電流,不會(huì)因此加重結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕。因此利用隧道、

12、車站結(jié)構(gòu)鋼筋作為接地裝置不會(huì)加重雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋的影響。      另外,在實(shí)際工程中,很難做到接地與結(jié)構(gòu)鋼筋電氣上分開;地鐵設(shè)備、管線太多,即使要求全部采用絕緣安裝,也不可能在工程中實(shí)現(xiàn)完全絕緣。通過上海、廣州等地鐵的實(shí)踐證明,對(duì)所有設(shè)備及電纜支架等進(jìn)行絕緣法安裝的要求在實(shí)現(xiàn)上是困難的,并需追加較大投資,而且在工程實(shí)踐中其絕緣效果也很難保證。      歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN501222)中已經(jīng)允許用隧道結(jié)構(gòu)鋼筋作為接地網(wǎng)使用。具體的使用案例有德國(guó)西門公司為土耳其及其本國(guó)地鐵設(shè)計(jì)方案,以及德國(guó)咨詢公司對(duì)上海軌道交通1號(hào)線的咨報(bào)告。      因此要求接地裝置必須獨(dú)立于地鐵結(jié)構(gòu)的意義不大。GB501572003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)推薦采用結(jié)構(gòu)鋼筋等自然接地體作為接地裝置使用。為此,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ4992地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程應(yīng)盡快修訂,以與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容相一致。 &l