地鐵雜散電流腐蝕評估及建模分析的研究現(xiàn)狀

蔡智超，張獻偉

（華東交通大學電氣與自動化工程學院，江西 南昌330013）

隨著中國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，能源和交通運輸行業(yè)得到了快速發(fā)展，截至2019 年6 月，中國內(nèi)地累計有37 個城市，投運城軌交通線路6 126.82 km。以地鐵為主的城市軌道交通運輸系統(tǒng)，一般采用直流牽引，經(jīng)走行軌回流，由于軌道不完全對地絕緣，有部分電流會從走行軌泄入大地，形成雜散電流[1]，如圖1 所示，雜散電流的泄漏會對周邊埋地金屬構(gòu)件（混凝土鋼筋、城市地下管道）造成干擾，導致走行軌和牽引系統(tǒng)附近的金屬結(jié)構(gòu)遭到嚴重的電化學腐蝕[2-3]，大大降低金屬構(gòu)件的使用壽命；長時間的腐蝕將導致埋地管線泄漏和基礎(chǔ)設(shè)施塌方，甚至引發(fā)火災和爆炸事故[4-10]。 雜散電流的大小和分布主要受變電所的位置、饋電區(qū)段、負荷分擔狀態(tài)、負荷電流、土壤電阻以及鋼軌對地過渡電阻等因素影響，同時隨著列車不斷運行，雜散電流的分布也會隨時間而變化。因此，雜散電流的波動特征已成為地鐵對埋地金屬干擾的典型特征。開展地鐵雜散電流的研究對于埋地金屬安全運維具有重要的借鑒和指導意義。

目前，國內(nèi)外的學者主要從雜散電流的分布模型及規(guī)律、金屬設(shè)施雜散電流作用下的腐蝕機理、雜散電流的在線監(jiān)測方法等多個角度開展研究，并取得了豐碩成果。本文結(jié)合國內(nèi)外最新的研究成果，對雜散電流腐蝕機理、雜散電流分布模型及數(shù)值計算、雜散電流腐蝕防護及未來研究方向進行了總結(jié)。

1 雜散電流腐蝕機理研究

研究表明雜散電流腐蝕的本質(zhì)是電化學腐蝕的電解作用[11]。 金屬在土壤電解質(zhì)中同樣遵循電化學腐蝕反應。 具體的說雜散電流流經(jīng)埋地金屬，陽極區(qū)域金屬失去電子變成離子而被腐蝕；陰極區(qū)域，根據(jù)電解質(zhì)酸堿性的不同表現(xiàn)為吸氧反應或析氫反應。

埋地管道和鋼筋混凝土是雜散電流最常見的腐蝕對象，也是國內(nèi)外學者研究雜散電流腐蝕機理的重點。 大量學者通過搭建模擬雜散電流泄露環(huán)境實驗平臺，探究雜散電流作用下鋼筋混凝土鋼筋和埋地管道的腐蝕機理，研究成果對現(xiàn)實工程中鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和埋地管道防護具有重要的指導意義。

1.1 雜散電流作用下埋地管道金屬腐蝕研究

埋地管道金屬的電導率與土壤相比更大，泄漏至土壤的雜散電流很容易將金屬結(jié)構(gòu)作為導流路徑。 無雜散電流流過時，管道對地電位通常在-0.65 V 左右，有雜散電流流經(jīng)時，管地電位高達8～9 V。 早在20 世紀60 年代，Schwalm 等[12]以及王小璐[13]研究表明雜散電流泄漏會加速埋地管道的腐蝕速度，并證實了雜散電流對金屬的腐蝕作用本質(zhì)是電化學腐蝕，雜散電流的存在可以促使管道金屬短時間內(nèi)被腐蝕，具體表現(xiàn)為電流流過金屬并發(fā)生電解反應，其特征表現(xiàn)為高強度性和局部性。 為了明確哪些因素可以促進雜散電流對管道金屬的腐蝕，學者們從多個角度作為切入點開展了研究。

曹阿林[14]從土壤電阻率、金屬管道埋深以及管道金屬的極化電位偏移的角度進行研究，實驗分析了這3個因素與埋地管道腐蝕率之間的關(guān)系。Qian 等[15]以X52 管線鋼作為研究對象，探究了直流雜散電流干擾下陰極保護效率降低的機理，證實雜散電流對于陰極干擾，主要表現(xiàn)為溶液pH 值的增加，進而導致金屬涂層的脫粘。 祝酈偉等[16]搭建了Q235 碳鋼的交、直流雜散電流腐蝕試驗模型，對比分析了交、直流雜散電流作用下金屬電位、雜散電流變化規(guī)律。 Q235 碳鋼在雜散電流的作用下，腐蝕速率會急劇增加，相同電流幅值下，直流雜散電流下的金屬腐蝕速率是交流腐蝕速率的18 倍。 莫伊達[17]針對重慶軌道交通三號線并行段的燃氣管道多次泄漏問題，設(shè)計了恒定電流作用下的管道金屬腐蝕試驗平臺，雜散電流對實驗試件的極化曲線表明，施加雜散電流干擾的陰極塔菲爾常數(shù)變化比陽極塔菲爾常數(shù)更明顯，即雜散電流對電極的陰極反應干擾更大。 Wang 等[18]則對含NaCl 溶液中覆有聚乙烯涂層的X80 碳鋼開展雜散電流作用下的電化學試驗，重點研究了直流雜散電流作用下的電極極化。 在直流雜散電流的作用下，X80 鋼試樣電極反應平衡被打斷，金屬電極電位會發(fā)生位移，陰極的電位偏差遠大于陽極的電位偏差。 Wang 等[19]對不同氯離子濃度耦合作用下雜散電流腐蝕Q235A 鋼電化學腐蝕實驗， 發(fā)現(xiàn)Q235A 鋼的腐蝕電流密度隨雜散電流與氯離子的耦合呈增大趨勢，腐蝕電流密度隨氯離子濃度的增加而增大，金屬在雜散電流和氯離子的共同作用下會產(chǎn)生點蝕孔。 王力偉等[20]重點研究了Q235 管線鋼腐蝕速率、腐蝕形貌與分型維數(shù)之間的關(guān)系。 結(jié)果表明雜散電流密度很大程度上決定了金屬分形維數(shù)和金屬腐蝕； 而土壤電導率和土壤酸堿的變化對分形維數(shù)的影響不大，因此利用分形維數(shù)可以作為金屬腐蝕程度的量化指標。

以上研究主要介紹了雜散電流作用下埋地管道金屬腐蝕機理和規(guī)律的相關(guān)工作，這些研究主要通過實驗開展，實驗過程中模擬不同的雜散電流環(huán)境，從不同角度分析了雜散電流作用下的金屬腐蝕現(xiàn)象，為埋地金屬的防腐蝕工作提供了理論參考。

1.2 鋼筋混凝土雜散電流腐蝕研究

鋼筋混凝土是我國城市化建設(shè)的主要材料，雜散電流對其具有極大的破壞作用，突出表現(xiàn)為雜散電流加速鋼筋混凝土的水化產(chǎn)物分解，降低鋼筋和混凝土的結(jié)合強度，以及降低鋼筋混凝土的力學性能和耐久性，給建筑設(shè)施的安全性構(gòu)成了極大威脅。

周曉軍等[21]對鋼筋混凝土的自然腐蝕和雜散電流腐蝕進行對比。 研究表明雜散電流作用下的鋼筋混凝土因為陽極反應腐蝕物的積累而更容易開裂。 Rasheeduzzafar 等[22]和Orellan 等[23]通過實驗，驗證了雜散電流作用下Na+和K+離子更容易進入混凝土內(nèi)部，從而會引起水化產(chǎn)物的累積，而混凝土水化產(chǎn)物的軟化則是混凝土強度降低的原因之一。Aghajani 等[24]的研究進一步表明，雜散電流促使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劣化的原因是水化產(chǎn)物Ca（OH）2的分解，其結(jié)果是鋼筋混凝土的孔隙率增大，進而降低了鋼筋混凝土的力學性能和耐久性。 張威[25]的研究也證實了鋼筋與混凝土界面處水泥產(chǎn)物的分解是混凝土與鋼筋結(jié)合度降低的主要原因。韋江雄等[26]和Deng 等[27]則將研究重點放在雜散電流作用下鋼筋混凝土陰極的析氫反應。 研究表明，析氫反應產(chǎn)生的氫氣會迫使鋼筋與混凝土分離現(xiàn)象，且降低了鋼筋混凝土的強度。

Bertolini 等設(shè)計了實驗平臺， 對比分析混凝土鋼筋在雜散電流單獨作用及與氯離子耦合同作用下的腐蝕研究，結(jié)果證實相同濃度的氯離子溶液在雜散電流的耦合作用下，會顯著加速鋼筋的腐蝕速率。 吳雄[28]實驗也發(fā)現(xiàn)，地鐵混凝土鋼筋在雜散電流作用下，即使低濃度的氯離子存在也會使鋼筋銹蝕加速。雜散電流和氯離子的共同作用主要表現(xiàn)在3 個方面。第一，雜散電流的作用會使鋼筋混凝土內(nèi)部固化的氯離子游離化，進而降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。第二，雜散電流的作用降低了混凝土鋼筋的氯離子臨界濃度值，使得混凝土鋼筋更易遭到破壞。第三，雜散電流會加速氯離子的鋼筋混凝土內(nèi)部遷移速度，進而增加了鋼筋的腐蝕速率。

也有學者從鋼筋混凝土的防腐角度出發(fā)，研制新型混凝土結(jié)構(gòu)，提高混凝土抵抗雜散電流腐蝕的性能。杜應吉等[29]通過試驗分析發(fā)現(xiàn)，活性摻合料可以增加地鐵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的累積電量和鈍化膜電阻，進而提高了鋼筋混凝土抵抗雜散電流侵蝕的能力。 Tinnea 等[30]研制了由礦渣煤灰粉和硅粉共同打造的高阻抗混凝土道床，與普通道床相比，電阻率提升了100 倍，有效緩解了雜散電流的腐蝕作用。Tang[31]和林龍鑌等[32]針對應用日益廣泛的鋼纖維混凝土展開了系列研究。 鋼纖維混凝土氯離子的閾值明顯高于傳統(tǒng)鋼筋混凝土；因此鋼纖維混凝土可以降低雜散電流或與氯離子共同作用下造成的腐蝕，鋼纖維混凝土可以作為防雜散電流腐蝕的一個重要選擇。

在雜散電流作用下，混凝土鋼筋陽極和陰極的電化學反應會破壞鋼筋混凝土，氯離子的浸入會加速混凝土鋼筋銹蝕?，F(xiàn)階段雜散電流作用下的鋼筋混凝土腐蝕研究主要通過實驗實現(xiàn)。與實驗不同，實際中鋼筋混凝土的腐蝕是復雜環(huán)境下多種因素共同作用的結(jié)果，除了雜散電流和氯離子的耦合作用外，碳化、應力以及凍融等同樣是影響鋼筋混凝土腐蝕的重要因素，所以多因素作用下的鋼筋混凝土雜散電流腐蝕有待深入研究。

2 雜散電流防護標準及分布模型研究現(xiàn)狀

上述模擬雜散電流金屬腐蝕的實驗多是在恒定電源條件下開展的，然而現(xiàn)實中雜散電流并不是一個穩(wěn)定的物理量，雜散電流的泄漏和分布受到很多因素的影響。比如地鐵系統(tǒng)中，鋼軌阻抗、土壤電導率、牽引變電所分布以及牽引電流大小都是影響雜散電流分布和大小的重要因素。弄清雜散電流在土壤中的分布是研究金屬腐蝕規(guī)律的重要前提，現(xiàn)有研究雜散電流分布及腐蝕預防的措施主要有2 個：一是現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)雜散電流相關(guān)的防護標準間接判斷雜散電流的泄漏情況和潛在腐蝕危險；第二是建立雜散電流分布的解析或數(shù)值模型，并通過仿真方式直接分析雜散電流的大小和分布。

2.1 雜散電流防護標準

《地鐵雜散電流腐蝕防護規(guī)程》即CJJ 49-92[33]是我國地鐵雜散電流防護專業(yè)的第一個行業(yè)標準，內(nèi)容包括地鐵雜散電流腐蝕的指標，雜散電流的防治措施以及地鐵沿線金屬結(jié)構(gòu)和管道的防護措施等。 CJJ 49-92 規(guī)定雜散電流泄漏密度以及由此引起的金屬對地電位偏移是判斷金屬結(jié)構(gòu)是否受到地鐵雜散電流腐蝕的重要指標，并規(guī)定電位正向偏移不應超過0.5 V。

國標GB50991-2014[34]針對埋地管道，給出了管道受雜散電流干擾程度的判斷指標：①管道工程處于設(shè)計階段，當管道附近20 m 范圍內(nèi)地電位梯度＞0.5 mV/m 時，確認存在雜散電流干擾；當管道附近20 m 范圍內(nèi)地電位梯度≥2.5 mV/m 時，應進行管道敷設(shè)后可能受到的雜散電流干擾影響評估，根據(jù)評估結(jié)果預設(shè)干擾防護措施。 ②沒有實施陰極保護的管道，當管地電位相對于自然電位正向或負向偏移＞20 mV 時，確認存在直流干擾；當任意點的管地電位較自然電位正向偏移≥100 mV 時，應采取干擾防護措施。 ③已投運陰極保護的管道，當干擾導致管道不滿足最小保護電位要求時，應采取雜散電流干擾的防護措施。

在國際標準IEC62128-2-2013[35]中，將鋼軌納入到雜散電流的腐蝕防護對象，并引入鋼軌單位長平均雜散電流的概念，當單位長平均雜散電流值不大于2.5 mA/m 時，即認為鋼軌滿足雜散電流防護的要求，其測量通過鋼軌單位電導和平均鋼軌電位實現(xiàn)。 標準規(guī)定牽引供電系統(tǒng)的開式路基單線區(qū)段單位電導及鋼軌電位的限值分別為0.5 S/km 和+5 V；閉式路基單線區(qū)段單位電導及鋼軌電位的限值分別為0.5 S/km 和+5 V。

國際標準EN50162-2004[36]針對港口碼頭、通信、牽引供電、高壓輸電及陰極保護等直流雜散電流的泄漏提供了相應的技術(shù)和判斷指標。 對于沒有實施陰極保護的金屬結(jié)構(gòu)而言，標準考慮土壤電阻率和IR 降的影響，規(guī)定了構(gòu)筑物的正向電位偏移值，見表1。

表1 未實施陰極保護構(gòu)筑物金屬允許電位正向偏移Fig.1 Acceptable positive potential shifts for metal structures which are not cathodically protected by the standard EN50162-2004

國內(nèi)外相關(guān)雜散電流的防護標準為判斷雜散電流的泄漏和干擾提供依據(jù)，其判斷方法主要通過現(xiàn)場采集土壤電位梯度和電位偏移等相關(guān)數(shù)據(jù)進行間接實現(xiàn)。但由于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場環(huán)境的復雜性，以及電位梯度、電位偏移值并不是一成不變的，真實情況很難通過指標值精準反應。另外，對于動態(tài)雜散電流干擾尚未有相應的規(guī)范。 除了借助相關(guān)規(guī)范間接判斷雜散電流的分布及腐蝕隱患，建立雜散電流的分布模型是研究散電流分布和大小的直接研究手段，也是目前研究的重點手段之一。

2.2 雜散電流分布模型研究現(xiàn)狀

隨著計算機計算能力的不斷提升以及新的數(shù)值模擬方法的不斷出現(xiàn)，建立雜散電流的分布模型，通過數(shù)學解析的方法或數(shù)值模擬技術(shù)可以更好地求解雜散電流的分布大小和腐蝕趨勢，這為雜散電流防治工作提供了有效的分析手段。

研究地鐵雜散電流最常見的模型是電阻網(wǎng)絡模型，模型通常將鋼軌、排流網(wǎng)、管道、大地等理想化為均勻的電阻，然后建立電阻網(wǎng)絡的數(shù)學表達式，最后計算各部分之間的雜散電流值，如圖2 所示。 文獻[37-38]建立鋼軌-大地的電阻網(wǎng)絡模型，首次提出雜散電流泄漏率的概念，為雜散電流提供評估方法。 Fichera 等[39]針對鋼軌-大地模型，對比分析在單層均勻土壤模型和不同電導率的多層土壤模型中的分布，認為多層的土壤模型更具代表性，更能代表實際情況。 劉威[40]分別建立鋼軌-大地，鋼軌-埋地金屬-大地和鋼軌-排流網(wǎng)-埋地金屬-大地的電阻網(wǎng)絡模型，分析列車取流、變電所距離、過渡電阻、軌道縱向電阻、埋地金屬縱向電阻等對軌道電壓、 軌道電流和泄露雜散電流的影響。 結(jié)果表明減小變電所距離、提高牽引電壓、增大軌地過渡電阻、降低軌道縱向電阻都可以作為減少雜散電流泄露的手段。 Zhao 等[41]提出了一種基于單列車單變電所下的四層電阻網(wǎng)絡模型，將變電所和列車看作電流源向大地注入電流（模擬雜散電流）， 并將微元法和疊加法推廣到多列車和多變電所的模型。 Ogunsola 等[42]提出了直流電氣化鐵路雜散電流的集成數(shù)學模型，并在此模型上考慮了列車特性、時間圖、間隔時間、多列車運動等因素對雜散電流的影響。 學者Charalambous等[43]則針對同一供電區(qū)間，首次將再生制動納入考量范圍，分析了回流參數(shù)和雜散電流受到再生制動能量的影響。結(jié)論是再生制動對雜散電流分布的影響是不能忽視的，在設(shè)計雜散電流收集系統(tǒng)時，必須將再生制動的因素考慮進去。Xu 等[44]不但考慮到列車的運行工況，同時將再生制動因素考慮進去，通過建立仿真模型與線路實測分析，研究了列車工況對回流系統(tǒng)參數(shù)的影響，研究表明，當列車處于加速工況和再生制動工況時，鋼軌電位水平較高，雜散電流泄漏增大。

圖2 雜散電流電阻網(wǎng)絡模型Fig.2 Stray current resistor network

電阻網(wǎng)絡模型是最常見的電流分布分析模型，模型簡單且計算方便，為研究雜散電流的分布規(guī)律提供了重要的理論依據(jù)。但雜散電流電阻網(wǎng)絡分布模型存在很多理想化假設(shè)，很難用于所有實際場合，以其他理論為基礎(chǔ)的雜散電流分布模型應運而生。

在實際條件中，雜散電流并非沿著鋼軌均勻泄漏，所以電阻網(wǎng)絡模型在解決實際問題過程中存在很多困難。研究人員運用新的數(shù)學理論，試圖建立新的雜散電流數(shù)學解析模型。Pham 等[45]從電流泄漏點的角度出發(fā)，提出一種基于電場求解雜散電流的球形電極模型，該模型通過計算某點雜散電流泄漏產(chǎn)生的電場強度，推算電場內(nèi)的電位梯度，然后通過歐姆定律的微分形式求解電場中雜散電流的大小。 龐原冰等[46]則將半球形單電極模型進一步擴展至多電極模型， 并視雜散電流流入到埋地金屬的損傷程度為衡量腐蝕的直觀標準， 然后依據(jù)模型計算電場分布及流入埋地金屬的腐蝕電流， 并對埋地金屬某一點的腐蝕量進行計算。Simulders 等[47]將電場模型由二維拓展至三維，分析雜散電流分布過程中用半球形接地電極表示與大地在一定范圍內(nèi)接觸的導體。分析模型同時考慮了橫向截面間的耦合效應以及縱向截面和橫向截面之間的耦合效應，并將導納矩陣建立在橫截面上。

上述數(shù)學理論解析模型給雜散電流的防治工作提供一定的理論支持，但是由于求解過程對很多參數(shù)進行了理想化假設(shè)，模型的計算準確性難免和實際測量有一定的出入。隨著數(shù)值模擬仿真軟件的發(fā)展，利用仿真軟件可以準確地模擬和預測雜散電流在研究物理場中的電流密度和電位分布，這為研究人員提供了新的研究方法和手段。

Simulink 軟件具有動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真以及綜合分析計算等功能，許多學者通過Simulink 實現(xiàn)了對雜散電流問題的建模和仿真分析。Cerman 等[48]通過Simulink 對地鐵系統(tǒng)的一個供電區(qū)間建立二維電阻網(wǎng)絡模型，仿真分析土壤電阻率變化對雜散電流分布的影響，并對比分析不同接地方式（不接地、直接接地、二極管接地等）下軌道電壓和雜散電流分布。楊嘉琛[49]采用Simulink 仿真平臺構(gòu)建了走行軌-收集網(wǎng)-結(jié)構(gòu)鋼筋-大地四層雜散電流防護系統(tǒng)模型，結(jié)合工程參數(shù)進行仿真計算，分析了走行軌和結(jié)構(gòu)鋼筋極化電壓的分布規(guī)律，并討論了通過設(shè)置排流網(wǎng)和提高走行軌絕緣性減小雜散電流的泄漏的可行性。 Jabbehdari 等[50]建立的Simulink 基于多層地層結(jié)構(gòu)（不同電導率）仿真模型，并將模型從二維拓展到三維，分析雜散電流分布規(guī)律時還將非線性最小二乘法引入了計算過程。

CDEGS 軟件是加拿大SES 公司開發(fā)的主要用于分析電氣系統(tǒng)接地、電流分布、電磁場等問題，該軟件同樣可以應用到雜散電流的仿真分析中。 Charalambos[51]利用CDEGS 分析了復雜環(huán)境下矩形隧道和盾構(gòu)隧道的雜散電流分布， 并從隧道幾何拓撲的角度， 建立了矩形隧道及盾構(gòu)片的CDEGS 地鐵直流牽引模型。Cotton 等[52]從雜散電流收集系統(tǒng)設(shè)計和效率的角度著手，分析了如何有效控制雜散電流泄漏。 通過CDEGS構(gòu)建包含軌道和雜散電流收集系統(tǒng)（含雜散電流收集墊和收集電纜）的幾何模型，探究雜散電流收集墊混凝土含水量、雜散電流收集電纜截面積和土壤電阻率對雜散電流收集效率的影響。 于凱等[53]建立了基于CDEGS 的地鐵隧道三維有限元模型，結(jié)構(gòu)中包括土壤層、空氣層、結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)、排流網(wǎng)、回流軌、饋電線等，通過仿真對雜散電流的靜態(tài)分布進行了研究。 Liu 等[54]基于石家莊地鐵3 號線的施工情況，建立CDEGS 雜散電流動態(tài)分布模型，研究恒定牽引電流和列車目標速度下鋼軌電位分布和雜散電流的泄漏情況。 仿真結(jié)果表明牽引運行方式和機車位置對鋼軌電壓、雜散電流分布有較大影響。

在現(xiàn)實工程中，許多物理或化學現(xiàn)象都不是單獨存在的，很多問題通常是多個物理場（電場、溫度場、應力場、濕度場等）共同作用的結(jié)果，雜散電流造成的金屬腐蝕同樣是在外界應力、環(huán)境濕度、pH 值、電化學反應等多種因素耦合作用下產(chǎn)生的。所以，對于地鐵雜散電流的分布和金屬腐蝕研究，也應從多物理場耦合的角度進行分析。 隨著多物理場仿真軟件的不斷發(fā)展，探索多物理場耦合作用下的雜散電流問題已經(jīng)成為研究的最新趨勢。 基于有限元法的仿真軟件ANSYS、COMSOL 等不但可以從單一物理場的角度仿真分析雜散電流問題， 同時可以實現(xiàn)多個物理場耦合作用的雜散電流分析， 現(xiàn)已被廣泛應用到雜散電流的研究中。COMSOL 軟件還設(shè)置有電化學腐蝕模塊，這使得定量計算雜散電流引起的電化學腐蝕變成了現(xiàn)實。

Zaboli 等[55]建立了均勻土壤和分層土壤下的有限元模型。仿真分析發(fā)現(xiàn)在均勻土壤模型中，雜散電流的泄漏隨著土壤電導率增大而增加；在分層土壤模型中，不同層的土壤中，土壤層電阻率越小，雜散電流越大。胡云進等[56]用有限元法提出了一種雜散電流場的三維有限元模型，模型分析了雜散電流和電位在不同位置的分布。 總的來說離隧道的距離越遠的地方其雜散電流強度越低，地鐵中的隧道至周圍地下環(huán)境的電位呈現(xiàn)出了一種非線性下降的趨勢。Brenna[57]研究了地面有軌電車對隧道結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕影響，通過建立隧道結(jié)構(gòu)的有限元模型，仿真發(fā)現(xiàn)腐蝕幾乎都發(fā)生在隧道結(jié)構(gòu)的陽極區(qū)域，并且驗證了等電位連接隧道鋼筋相鄰節(jié)段能夠有效減小雜散電流的腐蝕。 張攀峰等[58]利用ANSYS 軟件對埋地金屬的雜散電流干擾進行研究，分析了管道金屬對地電位以及附近電場的變化規(guī)律。 王安輝[59]針對鋼筋混泥土橋梁建立雜散電流分布的三維模型，分析了橋梁結(jié)構(gòu)鋼筋陽極區(qū)域腐蝕隨外加電壓變化的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)雜散電流泄漏處，鋼筋表面半電位負向偏移，陰極鋼筋處于合理保護、欠保護或過保護狀態(tài)；雜散電流的回流處，半電位正向偏移，陽極處于加速腐蝕狀態(tài)。 韓雪[60]通過COMSOL 軟件中的腐蝕模塊建立了三維埋地管道腐蝕模型，對雜散電流作用下的單根管道、平行管道和交叉管道進行了仿真，分析了不同電壓、不同土壤電阻率和不同腐蝕深度條件下的管道腐蝕規(guī)律。

有限元法目前是工程中應用最廣泛的數(shù)值解析方法， 其求解方法是把求解域劃分成有限個小單元，并根據(jù)實際情況對不同的求解域施加邊界條件，然后計算每個節(jié)點上的物理量，與傳統(tǒng)的數(shù)學解析法相比，其求解精度高，應用范圍更廣泛。 目前，通過有限元軟件直接定量分析雜散電流的腐蝕問題的研究還比較少，這是未來研究可以拓展的重要方向。

3 雜散電流腐蝕防護研究

地鐵雜散電流的防護手段可以歸納為兩大類。第一類，從源頭控制雜散電流泄漏；第二類，從末端對泄漏的雜散電流進行排流和收集。

早在1921 年，美國國家安全委員會就提出了源頭控制雜散電流泄漏的一些措施，比如提高牽引電壓[61]，合理設(shè)置變電所之間的距離[62]，對鋼軌進行絕緣處理及選擇合適的鋼軌[63]等。 研究表明，對于60 kg /m 型鋼軌線路，將各段鋼軌之間進行電氣連接，并在道岔與撤岔的連接部位設(shè)置電纜連接，回路電阻便會降至原來的l /4 左右，這將大大降低雜散電流的泄漏。 以上源頭控制雜散電流泄漏的措施時至今日仍然具有重大的參考價值。

對于已經(jīng)泄露的雜散電流可以通過排流和收集的方法進行處理。排流法是把埋地結(jié)構(gòu)物與地鐵鋼軌連接起來，使進入到結(jié)構(gòu)物的雜散電流返回至鋼軌。地鐵中常見的雜散電流排流法主要有直接排流法、選擇排流法、強制排流法和接地排流法。 趙永剛[64]和查鑫堂[65]詳細對比分析了4 種排流法的應用條件和優(yōu)缺點。 湯丁等[66]針對不同排流法開展實驗，結(jié)果表明上述4 種排流措施中強制排流法的效果最好。楊華等[67]研制了一種管道雜散電流智能排流裝置，該裝置既能獨立進行，實現(xiàn)管道雜散電流的實時在線監(jiān)測和自動排流，也可以作為管道雜散電流監(jiān)測防護系統(tǒng)的一部分，將裝置的工作狀態(tài)和工作參數(shù)等通過無線通信方式遠傳到監(jiān)控中心。 在雜散電流泄露的嚴重區(qū)域，可以設(shè)置一個雜散電流收集裝置（收集墊或收集電纜）來控制雜散電流返回到變電站的路徑，進而降低雜散電流對其他設(shè)備的威脅。 成都地鐵1 號線工程便將整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)置為雜散電流主收集網(wǎng)，將區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)置為雜散電流輔助收集網(wǎng)實現(xiàn)對雜散電流收集。 牛安心[68]結(jié)合成都地鐵工程實際，對比分析了有無收集網(wǎng)的雜散電流分布模型，結(jié)果表明雜散電流收集網(wǎng)不但可以有效收集雜散電流，還可以降低鋼軌電位。Cotton 等[52]研究了土壤電阻對直流軌道系統(tǒng)以及地下設(shè)施雜散電流腐蝕的影響，研究結(jié)果表明：道床下的土壤特征對道床中雜散電流收集網(wǎng)的收集效果有很大影響，土壤電阻越大，收集效果越好。

雜散電流的防護措施一定程度上降低和減緩了雜散電流的腐蝕危害，是地鐵雜散電流防治工作中不可缺少的環(huán)節(jié)。有針對性的布置和實施雜散電流腐蝕防護措施必須以雜散電流的腐蝕特性和雜散電流在環(huán)境中的分布規(guī)律為基礎(chǔ)。 所以，在解決地鐵雜散電流腐蝕問題中，應將雜散電流的腐蝕機理研究、分布規(guī)律研究以及監(jiān)測和防護研究當成一個有機的整體進行開展。

4 結(jié)論及展望

隨著研究的深入，雜散電流的泄露以及雜散電流作用下金屬腐蝕機理不斷被實驗證實。 學者在研究雜散電流分布模型方面取得了豐碩成果， 為工程建設(shè)及雜散電流腐蝕防治工作提供了分析手段和理論支撐。計算機數(shù)值仿真方法使計算復雜環(huán)境中的雜散電流問題變?yōu)榭赡?，隨著計算機仿真軟件的不斷發(fā)展，在多物理場耦合分析下，定量分析雜散電流分布和腐蝕問題也逐漸變成研究的熱點方向。不過，現(xiàn)有雜散電流腐蝕實驗以及分布模型還有一定的局限性。比如，腐蝕試驗多在室內(nèi)開展，實驗過程無法將所有實際條件都考慮進去；實驗多是在恒定電源下開展，不能反映出雜散電流的不穩(wěn)定性。 在雜散電流的分布模型方面，模型雖然由二維擴展到了三維空間，但對影響雜散電流分布參數(shù)進行理想化處理依然存在，這影響了模型結(jié)果的準確性。在數(shù)值模擬方面，現(xiàn)有研究一定程度上解決了雜散電流復雜環(huán)境條件下的計算困難，通過仿真直接定量計算影響雜散電流大小和其他參數(shù)也變?yōu)楝F(xiàn)實，但是多物理場條件下仿真雜散電流分布和定量計算腐蝕的研究還有待進一步深入。 未來的研究工作可以從以下3 個方面開展：

1） 充分利用地鐵的試驗線路，將實驗室研究工作拓展至工程實際，開展符合實際的雜散電流腐蝕實驗研究。

2） 搭建更加符合地鐵實際營運情況的三維雜散電流動態(tài)分布模型， 研究分析地鐵列車動態(tài)工況條件下雜散電流的分布規(guī)律。

3） 借助現(xiàn)有仿真軟件，研究多物理場耦合作用下的雜散電流腐蝕問題，實現(xiàn)金屬腐蝕的定量計算和預測，評估埋地金屬構(gòu)件的運行狀況。