地鐵雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g

摘 要

摘要：分析了地鐵雜散電流的形成、對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g機(jī)理及腐蝕特點(diǎn)，探討了寧波市地鐵雜散電流的防護(hù)措施，對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖牡罔F雜散電流腐蝕防護(hù)提出了建議。關(guān)鍵詞
摘要：分析了地鐵雜散電流的形成、對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g機(jī)理及腐蝕特點(diǎn)，探討了寧波市地鐵雜散電流的防護(hù)措施，對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖牡罔F雜散電流腐蝕防護(hù)提出了建議。
關(guān)鍵詞：地鐵雜散電流；埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿?；腐蝕機(jī)理；腐蝕特點(diǎn)；腐蝕防護(hù)
Corrosion of Subway Stray Current on Buried Steel Gas Pipeline
JIN Xingqun
Abstract：The formation of subway stray current as well as the mechanism and characteristics of its corrosion on buried steel gas pipeline are analyzed.The prevention measures of subway stray current in Ningbo City are discussed，and suggestions for preventing subway stray current corrosion on buried steel gas pipeline are put forward.
Key words：subway stray current；buried steel gas pipeline；corrosion mechanism；corrosion characteristics；corrosion prevention
1 概述
   地鐵作為一種成熟的交通方式，以快捷、便利、充分利用城市有限空間等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在我國(guó)各大城市得到了快速發(fā)展。與此同時(shí)，天然氣事業(yè)也處于蓬勃發(fā)展階段，已經(jīng)或?qū)?huì)出現(xiàn)很多地鐵線(xiàn)路與埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿榔叫蟹笤O(shè)或交叉穿越的情況。地鐵一般采用直流電力牽引，其產(chǎn)生的雜散電流可能造成管道防腐層破損、剝離以及管道腐蝕、穿孔。為了保障燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)營(yíng)，關(guān)于地鐵雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿栏g的影響研究顯得迫切而又重要。
鑒于此，本文對(duì)地鐵雜散電流的形成、腐蝕機(jī)理及腐蝕特點(diǎn)進(jìn)行分析，并結(jié)合寧波市地鐵1號(hào)線(xiàn)一期工程雜散電流防護(hù)情況，對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖牡罔F雜散電流腐蝕防護(hù)提出建議。
2 地鐵雜散電流的形成、腐蝕機(jī)理及特點(diǎn)
2.1 地鐵雜散電流的形成[1]
    雜散電流是由外部電流源被強(qiáng)制施加到金屬構(gòu)件上的直流電流產(chǎn)生的。直流牽引地鐵系統(tǒng)的饋電回路與雜散電流的形成見(jiàn)圖1。變電所將交流電變換為直流電，經(jīng)饋電線(xiàn)(接觸網(wǎng))向列車(chē)輸送電流，電流又經(jīng)走行軌及與之相連的導(dǎo)線(xiàn)構(gòu)成的返回線(xiàn)返回至變電所。返回線(xiàn)具有電阻并承載電流，因此在返回線(xiàn)上產(chǎn)生壓降，使走行軌具有對(duì)大地的電壓。走行軌與大地之間并非絕對(duì)絕緣，而是有一定的對(duì)地電阻，走行軌電壓與對(duì)地電阻的存在必然導(dǎo)致向大地泄漏電流，即雜散電流。

2.2 地鐵雜散電流的腐蝕機(jī)理[2～3]
    地鐵雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g機(jī)理見(jiàn)圖1。雜散電流一旦流入埋地燃?xì)夤艿溃購(gòu)娜細(xì)夤艿懒鞒?，進(jìn)入土壤中，則在電流流出部位(陽(yáng)極區(qū))發(fā)生腐蝕。土壤中的雜散電流可能在管道絕緣層破損點(diǎn)A處流入管道，沿管道流動(dòng)后，從絕緣層破損點(diǎn)B處離開(kāi)，流回電勢(shì)更負(fù)的變電所。在這種情況下，管道陽(yáng)極區(qū)(即點(diǎn)B處)將發(fā)生雜散電流腐蝕。
    雜散電流從土壤流入埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖牟课粠ж?fù)電，為陰極區(qū)。陰極區(qū)的金屬管道一般不受影響，但電位過(guò)負(fù)時(shí)，管道表面會(huì)析氫，造成防腐絕緣層損壞剝落。雜散電流從管道防腐絕緣層破損點(diǎn)流出，此處管道帶正電，為陽(yáng)極區(qū)，以鐵離子形式溶入周?chē)碾娊赓|(zhì)溶液中，從而使陽(yáng)極區(qū)的金屬管道發(fā)生腐蝕。
    在陽(yáng)極區(qū)，金屬變成離子進(jìn)入電解質(zhì)溶液，同時(shí)釋放電子。對(duì)鐵來(lái)說(shuō)，一般反應(yīng)為：
    Fe→Fe2++2e-
    在充氣的電解質(zhì)溶液中，在陰極區(qū)發(fā)生如下反應(yīng)：
   02+2H20+4e-→40H-
    在缺氧或酸性環(huán)境中，在陰極區(qū)將發(fā)生如下反應(yīng)，有氫氣析出：
    2H20+2e-→20H-+H2
金屬遭受腐蝕損失的質(zhì)量與雜散電流成正比，服從法拉第定律，公式為：
 
式中m——金屬遭受腐蝕損失的質(zhì)量，g
    M——金屬的摩爾質(zhì)量，g/mol
    I——雜散電流，A
    t——腐蝕時(shí)間，s
    Q——金屬離子的電荷數(shù)(腐蝕作用中金屬的原子價(jià))
    F——法拉第常量，為96500C/mol
    由式(1)可知，1A雜散電流1年腐蝕損失的鋼鐵質(zhì)量達(dá)9kg。在一個(gè)地鐵輕軌系統(tǒng)中，如果供給牽引機(jī)車(chē)的電流為5000A，其中有5%的回流成為雜散電流，那么每年雜散電流將腐蝕掉2250kg鋼鐵。即使只有1%的回流成為雜散電流，也將腐蝕掉相當(dāng)于9m長(zhǎng)的鋼軌(50kg/m)。
2.3 雜散電流的腐蝕特點(diǎn)
    ① 腐蝕強(qiáng)度大，危害大。埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿涝跊](méi)有雜散電流干擾時(shí)，只有自然腐蝕，大部分為原電池型，驅(qū)動(dòng)電位差很小，腐蝕電流也很?。欢s散電流干擾腐蝕是電解池原理，電位差和電流均較大，引起的腐蝕嚴(yán)重得多。
    ② 范圍廣，隨機(jī)性強(qiáng)。雜散電流干擾腐蝕范圍廣，特別是地鐵雜散電流，幾乎影響整個(gè)城區(qū)的地下金屬燃?xì)夤艿?。走行軌與大地的絕緣電阻、管道的防腐絕緣層電阻、土壤電阻率、電流等都是變化的，因此雜散電流流向也是隨機(jī)的。
    ③ 腐蝕集中于局部位置，如防腐層的缺陷部位，常常會(huì)引起嚴(yán)重的坑蝕，導(dǎo)致很快穿孔。
    香港曾因地鐵雜散電流引起煤氣管道腐蝕穿孔，造成煤氣泄漏事故；北京、天津地鐵雜散電流已造成隧道內(nèi)水管腐蝕穿孔；據(jù)東北輸油管理局統(tǒng)計(jì)，東北地區(qū)共有長(zhǎng)輸油管道約2000km，其中80%的腐蝕穿孔事故來(lái)自雜散電流的影響[4]。地鐵雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g穿孔見(jiàn)圖2，地鐵雜散電流對(duì)金屬管道的強(qiáng)烈腐蝕作用可見(jiàn)一斑。
 

2.4 腐蝕判斷標(biāo)準(zhǔn)
    通常采用管道對(duì)地電位來(lái)判斷是否存在地鐵雜散電流干擾腐蝕埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿?，?jiàn)文獻(xiàn)[5]。
    ① 處于直流電氣鐵路、陰極保護(hù)系統(tǒng)及其他直流干擾源附近的管道，當(dāng)管道上任意點(diǎn)的管地電位較自然電位正向偏移20mV時(shí)，或管道附近土壤的電位梯度大于0.5mV/m時(shí)，就確認(rèn)有直流干擾。
    ② 當(dāng)管道上任意點(diǎn)管地電位較自然電位正向偏移100mV時(shí)，或管道附近土壤的電位梯度大于2.5mV/m時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)管道采取直流排流保護(hù)或其他防護(hù)措施。
3 寧波市地鐵雜散電流的防護(hù)措施
    目前國(guó)內(nèi)各大城市已經(jīng)提出了很多實(shí)際又有效的雜散電流防護(hù)措施[6～7]。筆者對(duì)寧波市地鐵1號(hào)線(xiàn)的雜散電流防護(hù)措施進(jìn)行分析，雜散電流防護(hù)系統(tǒng)見(jiàn)圖3。

   由牽引變電所出來(lái)的直流電通過(guò)接觸網(wǎng)流向地鐵列車(chē)，并通過(guò)走行軌返回到牽引變電所。其中一部分電流由走行軌流入道床，并由道床流向結(jié)構(gòu)鋼筋，形成雜散電流。為了將這些雜散電流回收到牽引變電所內(nèi)，通過(guò)道床鋼筋排流網(wǎng)和結(jié)構(gòu)鋼筋排流網(wǎng)，建立起雜散電流的收集網(wǎng)，雜散電流通過(guò)收集網(wǎng)并經(jīng)走行軌流回牽引變電所。同時(shí)，對(duì)道床鋼筋及結(jié)構(gòu)鋼筋均進(jìn)行雜散電流監(jiān)測(cè)。
3.1 設(shè)計(jì)思路及原則
   ① 雜散電流防護(hù)按照“以防為主、以排為輔、防排結(jié)合、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。“防”就是采取隔離、控制所有可能的雜散電流泄漏途徑，減少雜散電流進(jìn)入地鐵主體結(jié)構(gòu)鋼筋及設(shè)備；“排”就是通過(guò)雜散電流的收集及排流系統(tǒng)，提供雜散電流返回牽引變電所的通路，以限制雜散電流繼續(xù)向地鐵系統(tǒng)以外泄漏，減少雜散電流對(duì)金屬管道及金屬構(gòu)件的腐蝕；“測(cè)”就是設(shè)置完備的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)雜散電流的大小，為運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù)。
   ② 在保證雜散電流腐蝕防護(hù)成功實(shí)施的基礎(chǔ)上，盡量減少投資額。
3.2 具體防護(hù)措施
   ① 對(duì)走行軌的要求
   根據(jù)CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》的要求，為保證單位長(zhǎng)度(1km)走行軌對(duì)地電阻不小于15Ω，走行軌必須采用絕緣安裝；安裝時(shí)采用絕緣水平較高的絕緣材質(zhì)；正線(xiàn)走行軌采用60kg/m的重軌，并焊接成無(wú)縫鋼軌。
   ② 對(duì)道床的要求
   要求排水溝通暢，盡量減少道床潮濕情況的發(fā)生。
    ③ 對(duì)供電系統(tǒng)的要求
    要求牽引變電所布置間距盡量減小，使軌道回流電流相對(duì)減小，從而降低雜散電流泄漏量；全線(xiàn)各站上、下行走行軌間均設(shè)均流線(xiàn)，保持軌道回流的均勻通暢。
    ④ 雜散電流排流
   利用整體道床內(nèi)的鋼筋進(jìn)行電氣連接，形成電氣通路，建立起雜散電流的收集網(wǎng)，使雜散電流從走行軌流向道床后，通過(guò)收集網(wǎng)并經(jīng)走行軌流回牽引變電所。
   ⑤ 雜散電流監(jiān)測(cè)
   雜散電流監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵道床鋼筋及結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位。當(dāng)監(jiān)測(cè)到道床鋼筋極化電位超標(biāo)時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)排流柜進(jìn)行排流；當(dāng)監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位超標(biāo)時(shí)，將采取相應(yīng)措施提高走行軌對(duì)地絕緣水平。
4 地鐵雜散電流腐蝕的防護(hù)對(duì)策
    寧波市地鐵雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)方案并沒(méi)有對(duì)地鐵外圍管線(xiàn)做過(guò)特殊設(shè)計(jì)，而燃?xì)夤艿腊踩c市民生命財(cái)產(chǎn)及生活息息相關(guān)，因此有必要從燃?xì)夤艿雷陨矸雷o(hù)的角度，提出幾點(diǎn)建議：
    ① 由于聚乙烯管具有耐腐蝕、施工簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在城市中壓燃?xì)夤艿乐袕V泛應(yīng)用，其對(duì)雜散電流具有防護(hù)能力，因而在市區(qū)，特別是地鐵附近的埋地燃?xì)夤艿?，?yīng)盡量考慮使用聚乙烯管。
    ② 如果管道防腐層完好無(wú)損，雜散電流進(jìn)入管道腐蝕是很困難的。一旦防腐層破損，將形成多種腐蝕(如細(xì)菌腐蝕、化學(xué)腐蝕等)，使破損程度加大，形成漏點(diǎn)，連成雜散電流的通路，導(dǎo)致管道腐蝕穿孔。因此燃?xì)夤緫?yīng)優(yōu)先采用防腐等級(jí)高的防腐層；在管道敷設(shè)過(guò)程中，技術(shù)管理人員要嚴(yán)格把關(guān)，施工人員要認(rèn)真負(fù)責(zé)，保證防腐層完好。
    ③ 對(duì)地鐵等軌道交通設(shè)施附近、雜散電流干擾比較嚴(yán)重的地區(qū)的燃?xì)夤艿溃瑧?yīng)采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)，如有必要還需對(duì)特殊地段采取強(qiáng)制排流等措施。
    ④ 采取各類(lèi)管網(wǎng)綜合防護(hù)和動(dòng)態(tài)管理相結(jié)合的措施。在雜散電流干擾區(qū)域，如果只對(duì)一種管道進(jìn)行防護(hù)，必將加重其他埋地金屬管道的腐蝕程度。只有把這一區(qū)域內(nèi)的地下管道、電纜等統(tǒng)一考慮，綜合排流和防護(hù)，才能效果顯著。
    ⑤ 燃?xì)夤緫?yīng)該借鑒軌道交通部門(mén)對(duì)軌道交通金屬結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)方法，對(duì)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，尤其是腐蝕比較嚴(yán)重的地區(qū)。一旦發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，就采取及時(shí)有效的措施進(jìn)行防護(hù)和處理。
    ⑥ 地鐵雜散電流對(duì)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g已經(jīng)成為共識(shí)，應(yīng)該引起軌道交通部門(mén)和燃?xì)夤倦p方的重視。通過(guò)技術(shù)交流和廣泛溝通，采取措施將地鐵雜散電流對(duì)燃?xì)夤艿赖挠绊懡档阶钚?，保障廣大市民的人身安全。
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(本文作者：金醒群 寧波興光燃?xì)饧瘓F(tuán)公司 浙江寧波 315000)