1、直流電氣化鐵路雜散電流腐蝕與防護    摘要：通過對城市軌道交通系統(tǒng)中雜散電流電化學腐蝕的危害、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)設計中采取有針對性的措施提供參考和依據。    關鍵詞：軌道交通 雜散電流 腐蝕與防護 電化學    隨著國民經濟的持續(xù)發(fā)展，我國各個城市為了緩和日趨嚴重的城市交通壓力，紛紛加快了城市軌道交通的建設。同時為了保持城市美觀，供水、燃氣管道以及供電和通信電纜大多采用地下埋設或隱蔽敷設，城軌雜散電流對這些管道和電纜的腐蝕危害以及對應的防治方法則成為一個倍受

2、關注的問題。加強對雜散電流腐蝕危害及防治方法的研究，對保證城軌基礎結構及周邊的管線及建筑設施的安全運行，延長它們的使用壽命具有重要的現實意義。    1直流電氣化鐵路雜散電流電化學腐蝕的危害    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構物以及埋地管線發(fā)生腐蝕，造成嚴重后果。主要表現在以下一些方面。    11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

3、導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，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及道岔等部位尤為顯著，在有些地方23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。    12鋼筋混凝土結構物    雜散電流通過混凝土時對混凝土本身并不產生影響，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到排流點處。在雜散電流由混凝土進入鋼筋之處，鋼筋呈陰極。如果陰極產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

4、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生可溶的堿式硅酸鹽或鋁酸鹽，使結合強度顯著降低。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。腐蝕產物在陽極處的堆積產生機械張力而使混凝土結構物基礎及檢件和環(huán)境下修坑便會在較短時間內發(fā)生腐蝕。如果結構物中的鋼筋與鋼軌有電接觸，則更容易受到雜散電流腐蝕。    13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，在設計和建造城軌時不考慮此問題會產生極嚴重的后果。    埋地管有鑄鐵管和鋼管之分。鑄鐵管表面一般涂

5、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方，加之管壁厚，故比較耐雜散電流腐蝕。鋼管縱向電導性良好，容易積聚來自遠方的電流，加之管壁較薄，故易受雜散電流腐蝕，有必要采取適當的防治措施。城軌系統(tǒng)內的埋地管線主要有自來水管、石油管線、通風管線、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

6、或其他導電介質中，它所經過的途徑為：    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)一道床、土壤(介質)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)一走行軌(陰極)。    當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發(fā)生

7、陽極過程的電解反應，此處的金屬體遭到電化學腐蝕。    這種電解反應可以分為兩大類：當金屬體周圍的介質是酸性電解質時，發(fā)生的氧化還原反應是析氫腐蝕：當金屬體周圍的介質是堿性電解質時，發(fā)生的氧化還原反應是吸氧腐蝕。    雜散電流電化學腐蝕一般具有以特點：    (1)只有在陽極反應中才發(fā)生金屬腐蝕，在陰反應中沒有金屬腐蝕發(fā)生；    (2)腐蝕一般集中于局部位置，腐蝕程度激烈    (3)當有防腐蝕層時，往往集中于防腐蝕層的陷部分。 &

8、#160;  3影響城軌雜散電流電化學腐蝕的因素    根據Faraday電解第一定律，電極上發(fā)生的學變化量與通過的電量成正比。可見，由電極反生所消耗的物質的量取決于通過的電量和反應子數。金屬被腐蝕的速度只取決于通過被腐蝕電極的電流值。依據法拉第電解定律計算，每1安培雜散電流流經銅鐵類金屬設施時，一年可使之腐蝕掉91kg。北京城軌公司提供的數據表明，當城軌車輛起動時，流入地下的雜散電流會達到100安培以上?？梢婋s散電流所造成的電化學腐蝕危害將是十分嚴重的。    金屬遭受電化學腐蝕時，根據Faraday電解第一定律計算出的理

9、論腐蝕量與實際的腐蝕量會有一定的出入，造成這種影響因素主要有：金屬表面的機械性損壞；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；自然腐蝕等等。雜散電流的電化學腐蝕也受環(huán)境因素的影響。土壤的結構特性不同，對地下設施的電化學腐蝕程度也不同。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成直接影響。土壤中也含有大量細菌，它們能使土壤中的物質發(fā)酵產生酸，從而使有機物發(fā)生分解。在松軟、干燥的土壤中好氣性細菌比較活躍，它們將有機物質分解成CO2、H2O等。在潮濕的土壤中，厭氣性細菌相

10、對活躍，將會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，會使土壤的酸、堿性質發(fā)生變化，從而對埋地設施的腐蝕產生影響。    土壤的化學性質亦會對埋地電氣設施的腐蝕程度構成影響。溶液偏酸或偏堿時，埋地設施靠近較濃溶液的那部分構成了陽極，靠近較淡溶液的那部分構成了陰極，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成影響。當土壤非常干燥時，電解液較少，電阻系數大，此時腐蝕會非常緩慢。當濕度增加時，腐蝕的速度會明顯加快。另度的關速度越快，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

11、到高達幾百甚至上千·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腐蝕程度就會越輕。    4城軌雜散電流電化學腐蝕檢測方法    對于埋地金屬的電化學腐蝕防護工作來說，測量埋地金屬的腐蝕速度是很重要的一個任務。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，所得出的結果是平均腐蝕速度，而且有時候在實際現場測量中也是不可行的。    利用線性極化曲線，是目前運用較廣的快速測定金屬腐蝕速度的方法。它的理論基礎是當極化程度較弱時，金屬極化電

12、位與極化電流密度成線性關系。因此通過測量埋地金屬物和城軌結構鋼的極化電位值，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系。所以埋地金屬的極化電位是判斷迷流電化學腐蝕的重要指標，對其的測量有重要的意義：    (1)當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腐蝕程度的重要指標；    (2)當使用極性排流法輸導埋地排流網和使用強制排流法防護埋地金屬物電化學腐蝕時，埋地金屬導體的極化電位是關斷開啟排流裝置和智能動態(tài)調整排流量的重要判據；    (3)施加陰極保護的埋地

13、金屬物的極化電位是判斷陰極保護程度和保護效果的一個重要參數。理論上說，埋地金屬的極化電位是指埋地金屬體與大地無限遠處的電位差，然而這在實際測量中是很難實現的，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生零電位偏移現象，因而不能用系統(tǒng)接地端作為電壓測量的基準點。因此需要基準恒定的地電位參考點。    從電化學電極測量的原理上可知，需要使用合適的參比電極。在實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鍵因素。在實際的工程實踐中，多采用