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1、淺談雜散電流腐蝕機理及防護措施摘 要 詳細闡述了地鐵雜散電流的形成機理及主要的防護措施。關(guān)鍵詞 雜散電流;腐蝕;直流供電;輕軌交通地鐵或輕軌一般采用直流電力牽引的供電方式,一般接觸網(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、周圍土壤介質(zhì)、地下建筑物、埋設(shè)管線存在著一定的泄漏電流,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
2、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壽命,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)水管腐蝕穿孔而被迫更換等。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)施的安全及壽命。本文結(jié)合我公司參與的多條地鐵線施工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
3、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壤電解質(zhì)中發(fā)生的自然腐蝕一樣,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子被氧化而變成金屬離子,同時金屬周圍介質(zhì)中電極電位較高的去極化劑,如金屬離子或非金屬離子得到電子被還原。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,Ｉ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
4、(陽極區(qū))+Ｂ道床、土壤+Ｃ金屬管線(陰極區(qū));電池ＩＩ:Ｄ金屬管線(陽極區(qū))+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。概括起來可將發(fā)生腐蝕的氧化還原反應(yīng)分為兩種:當金屬鐵周圍的介質(zhì)是酸性電解質(zhì),即ｐＨ<7時,發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是析氫腐蝕,以Ｈ+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Ｏ2為去極化劑。1.2雜散電流大小
5、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一系列措施,但鋼軌對地泄漏電阻在工程實施中不可能無限大,一般在5～100Ω·ｋｍ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壤介質(zhì)中的雜散電流。當列車在兩牽引變電所間運行時,鋼軌電位如圖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
6、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。研究表明,鋼軌電位的大小與鋼軌泄漏電阻的關(guān)系不大,當鋼軌對地泄漏電阻在5～100Ω·ｋｍ范圍內(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。雜散電流的大小,就是圖2中的陰影區(qū)段從鋼軌泄漏至地下電流密度的積分,即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大鋼軌泄漏電阻是防護雜散電流的基礎(chǔ);為雜散電流提供至牽引變電所負極的暢通金屬通路,盡量減少
7、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。防護雜散電流一般采取“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(1)防:減少回流軌縱向電阻,降低鋼軌電位和提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泄漏途徑,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排流系統(tǒng),提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)視和測量雜散電流
8、的大小,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)合“防”和“排”兩方面內(nèi)容綜合闡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一定的情況下,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提下
