基于地鐵場(chǎng)段雜散電流防腐技術(shù)的研究

吳能勇

南昌軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 江西 南昌 330000

引言

國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為各大城市運(yùn)轉(zhuǎn)中增大交通壓力的重要因素。各大城市為了更好地維護(hù)交通順暢，加大了軌道交通建設(shè)力度。地鐵和輕軌運(yùn)行在現(xiàn)階段都離不開(kāi)直流電力牽引作系統(tǒng)的支撐，以走行軌為回流線。運(yùn)行狀態(tài)和負(fù)載狀況的變化性，是每一輛列車(chē)運(yùn)行中的普遍問(wèn)題，都會(huì)對(duì)走行軌電流量造成很大的影響，走行軌是絕大部分電源負(fù)極的具體流向；只有小部分存在向外泄露問(wèn)題，與軌道接觸地面的不良狀況直接相關(guān)，道床和周?chē)寥澜橘|(zhì)流入的外泄電流，即為雜散電流，這代表著迷流的產(chǎn)生。雜散電流可無(wú)規(guī)律地保持地下流動(dòng)狀態(tài)，最終向供電系統(tǒng)負(fù)極回流，同時(shí)存在極少量雜散電流。

1 雜散電流腐蝕機(jī)理

土壤中進(jìn)入的雜散電流，會(huì)以地下管道、電纜護(hù)套等金屬作為導(dǎo)體，向周?chē)寥懒鞒?，產(chǎn)生一定的腐蝕作用，電流流出后的附近導(dǎo)體也會(huì)極化，成為正電位，加速腐蝕[1]。雜散電流一般會(huì)因金屬內(nèi)的較小電阻，使電流沿介質(zhì)向金屬內(nèi)部回流。地鐵雜散電流，以機(jī)車(chē)接觸網(wǎng)（軌）供電回路為主要來(lái)源，基于直流電力機(jī)車(chē)牽引750V-1500V直流的架空單軌供電，供電回流線為鋼軌，而回流軌被的一定量電阻，會(huì)使電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷航?，?duì)地形成電位差。對(duì)地電位差也會(huì)成為回流軌內(nèi)電流向土壤泄露，逐步向地下的金屬管線、建筑物內(nèi)流入，再以此為方向，以負(fù)回饋點(diǎn)為起點(diǎn)，從土壤進(jìn)入鋼軌。整個(gè)過(guò)程中，鋼軌、地下金屬管線和鋼筋都不同程度地發(fā)生了腐蝕現(xiàn)行。地鐵雜散電流腐蝕機(jī)理，如圖1。其中代表式為總電流I、鋼軌回流電流I1、雜散電流I2。

圖1 地鐵雜散電流腐蝕機(jī)理示意圖

2 雜散電流危害

雜散電流在流入周邊金屬結(jié)構(gòu)后起到的腐蝕作用，即雜散電流腐蝕。腐蝕反應(yīng)中，金屬是反應(yīng)物，因氧化成為較高價(jià)態(tài)，電子受體為溶液、介質(zhì)中的其他反應(yīng)物，并且還原變化為較低價(jià)態(tài)。金屬電化學(xué)腐蝕，結(jié)合了電池、電解兩項(xiàng)作用力[2]。而金屬腐蝕性基本由微電池作用決定，宏觀電池作用只起到了很小的作用。微電池腐蝕，是電極電位不同部分直接發(fā)生電接觸、表面接觸電解質(zhì)溶液共同反應(yīng)下的原電池作用。宏觀上，電池腐蝕，即肉眼可做出分辨的、具有較大尺寸的腐蝕電池陽(yáng)極和陰極。以國(guó)內(nèi)地鐵的現(xiàn)行狀況為基礎(chǔ)，分析雜散電流的新危害，具體表現(xiàn)為三方面。

一是對(duì)地雜散電流下，高層建筑物的地下結(jié)構(gòu)鋼筋、車(chē)站金屬結(jié)構(gòu)、城市自來(lái)水、輸送煤氣和石油金屬管線的危害性。鑄鐵管表面附有涂料、油漆、瀝青等絕緣防護(hù)層，具有高強(qiáng)度、抗腐蝕性好的基本特點(diǎn)。其中不可避免地存在著一定量的鋼管、鋼筋結(jié)構(gòu)不能涂抹防護(hù)層，有效防護(hù)就顯得十分必要[3]。例如，上海地鐵一段4年間就有十多次腐蝕泄漏事故的發(fā)生；浦東地區(qū)的天然氣管道敷設(shè)龐雜，由此引發(fā)的雜散電流腐蝕危害明顯存在，進(jìn)而影響到燃?xì)夤镜墓┣鬆顩r，直接或間接損失達(dá)到200萬(wàn)左右，成為污染周邊大氣環(huán)境的重要因素。

二是雜散電流對(duì)崗位限位裝置發(fā)生誤動(dòng)作的影響性，對(duì)行走軌道可能發(fā)生的電位升高問(wèn)題加強(qiáng)控制。這就需要電氣設(shè)備的所有金屬外殼采用人工接地方式，以更好地保護(hù)人身安全。全國(guó)各地地鐵在鋼軌電位限制方面的誤動(dòng)作頻發(fā)現(xiàn)象，可借鑒北京地鐵5號(hào)線運(yùn)行10月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，鋼軌電位限制裝置大約有1700次的誤動(dòng)作，使?fàn)恳冸娝慕拥胤绞綖樨?fù)極，排流柜被用來(lái)做車(chē)站附近保護(hù)人身安全的裝置，接地短路、雜散電流也會(huì)因電流量過(guò)大而經(jīng)常性燒毀[4]。這樣一來(lái)，地鐵在向站臺(tái)停靠、有乘客上下車(chē)輛時(shí)，地鐵車(chē)輪、走行鋼軌直接發(fā)生接觸，同時(shí)地鐵屬于電氣設(shè)備，地鐵乘客會(huì)與大地高電位差相接觸，成為危害乘客安全的重要因素。

三是鋼軌及其附件的腐蝕性嚴(yán)重。鋼軌在腐蝕原電池中屬于陽(yáng)極，特別是道釘釘入道床時(shí)，腐蝕原電池更易形成，絕緣性較差，也是雜散電流發(fā)生腐蝕問(wèn)題的集中地，一般情況下，通過(guò)地表發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的可能性很小。混凝土結(jié)構(gòu)在雜散電流作用下不會(huì)有腐蝕問(wèn)題出現(xiàn)，但會(huì)同時(shí)腐蝕到混雜于混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，使鋼筋呈陽(yáng)極。地下結(jié)構(gòu)鋼筋、走行鋼軌的接觸位置，腐蝕結(jié)構(gòu)鋼筋、走行軌道的程度和范圍會(huì)增大，進(jìn)而對(duì)隧道和車(chē)站的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成很大的危害，影響到使用壽命?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)部混雜使用鋼筋材料，無(wú)論鋼筋發(fā)生任何質(zhì)量問(wèn)題，在地鐵運(yùn)行階段都不能進(jìn)行更換，對(duì)地鐵線路運(yùn)行產(chǎn)生消極影響。

3 雜散電流腐蝕對(duì)象

3.1 鋼軌及其附件

一些地鐵會(huì)利用道釘固定鋼軌與枕木，使接觸道釘部位常有鋼軌腐蝕問(wèn)題發(fā)生。墊板、壓片是目前常用的鋼軌固定材料，使腐蝕程度和范圍得到有效控制，但是點(diǎn)半以為的鋼軌底部腐蝕現(xiàn)象更加難以發(fā)現(xiàn)，相應(yīng)的增大了危害性。接觸路基的鋼軌底部有類(lèi)似于雜散電流腐蝕問(wèn)題。隧道內(nèi)部、道岔部位，是雜散電流腐蝕最為顯著的部位，甚至是2-3年更換一次鋼軌[5]。道釘處的雜散電流腐蝕以釘入部位較為常見(jiàn)，地上可發(fā)現(xiàn)的概率較小。

3.2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物

混凝土內(nèi)經(jīng)過(guò)雜散電流并不會(huì)受到影響，但因鋼筋材料而匯集電流，并向排流點(diǎn)引導(dǎo)。鋼筋會(huì)因雜散電流沿混凝土進(jìn)入而呈陰極，在陰極析氫、混凝土阻礙氫氣逸出的情況下，等靜壓力產(chǎn)生，鋼筋、混凝土也會(huì)相互分散；鈉、鉀混合物的影響下，鋼筋和混凝土截面會(huì)因電流形成堿式硅酸鹽、鋁酸鹽，具有可溶性，使原有強(qiáng)度下降。電流沿鋼筋再次進(jìn)入混凝土?xí)r，鋼筋也會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殛?yáng)極、腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)。腐蝕產(chǎn)物大量堆積于陽(yáng)極，會(huì)形成一定的機(jī)械張力，成為混凝土開(kāi)裂的重要原因之一。地鐵及其附的近鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物，不是都會(huì)存在雜散電流腐蝕，但在一定條件下，腐蝕問(wèn)題會(huì)快速發(fā)生，如鋼筋、鋼軌在發(fā)生有電接觸時(shí)，雜散電流腐蝕也就極易出現(xiàn)。

4 雜散電流的腐蝕防護(hù)方法

4.1 排流法

排流法，是以導(dǎo)線結(jié)合被保護(hù)管道與軌道陽(yáng)極、鋼軌的方式，使管道呈陰極性，對(duì)于腐蝕陽(yáng)極狀況起到防控作用，具體有4種做法[6]。一是直接排流，適用于被干擾管道陽(yáng)極區(qū)的明確化狀態(tài)，簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好，但是應(yīng)用范圍范圍有限。二是極性排流。在被干擾管道的管地電位的正負(fù)交變狀態(tài)下適用，易于安裝、應(yīng)用廣泛，但是在管道、鐵軌相距較遠(yuǎn)時(shí)只有較弱的保護(hù)效果。三是強(qiáng)制排流，在軌道、管道存在較小的電位差時(shí)適用，具有保護(hù)范圍大、可用于特殊場(chǎng)合的明顯優(yōu)勢(shì)，但是電源會(huì)造成鐵軌腐蝕程度的加劇。四是接地排流，是在被干擾管道的干擾源不能直接排流的狀態(tài)下適用，可廣泛使用、干擾小，但是應(yīng)用效果較差，需要與助接地床結(jié)合使用。

4.2 陰極保護(hù)法和陽(yáng)極保護(hù)法

陽(yáng)極接入的輔助作用，以及保護(hù)物因電流流經(jīng)后呈陰極，起到抗腐蝕和保護(hù)作用。輔助陽(yáng)極在陰極保護(hù)下，由負(fù)電位鎂構(gòu)成時(shí)，需要原電極、輔助電極的結(jié)合，形成電動(dòng)勢(shì)力，從電流上保護(hù)陰極。這在本質(zhì)上是鎂溶解過(guò)程中的給予，是以犧牲陽(yáng)極而保護(hù)陰極的一種方法。外部直流電源成為保護(hù)電流的來(lái)源時(shí)，就是可起到陰極保護(hù)作用的外加電源法。本質(zhì)上，陰極保護(hù)法與強(qiáng)制排流法較為相似，而鋼軌起到輔助陽(yáng)極作用。陽(yáng)極保護(hù)法，需要以升高被保護(hù)電位為基礎(chǔ)，再確認(rèn)處于鈍態(tài)電位時(shí)，起到預(yù)防侵蝕的良好作用。

5 雜散電流的防護(hù)措施

雜散電流在進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，可用的具體方法有三類(lèi)。一是“堵”，強(qiáng)調(diào)對(duì)雜散電流源頭加強(qiáng)控制，以便于縮減相應(yīng)的產(chǎn)生數(shù)量。二是“排流法”，強(qiáng)調(diào)以排流等方式來(lái)盡可能地控制雜散電流的腐蝕危害。三是“測(cè)”，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)檢測(cè)雜散電流，在雜散電流過(guò)高時(shí)及時(shí)采取對(duì)策，以便于減輕危害。

5.1 控制雜散電流的來(lái)源

5.1.1 降低回流回路阻值?；阡撥墐?nèi)的電阻，電流流經(jīng)處有電位差形成，而鋼軌對(duì)地的優(yōu)先絕緣電阻，使電位差、雜散電流形成。減小鋼軌壓降，是雜散電流增強(qiáng)控制力的重要方式，具體有4個(gè)方法。

一是對(duì)走行軌接頭、鋼軌回路電路增強(qiáng)控制力。走行鋼軌一般可可用于列車(chē)回流牽引，阻抗小時(shí)，鋼軌的雜散電流流失量也會(huì)很小，焊長(zhǎng)軌是常用的鋼軌阻抗降低方式。鋼軌接頭少，代表阻抗越小。車(chē)輛段、道岔地段之外，地鐵都是以焊長(zhǎng)軌方式連接整個(gè)走行軌為一整體，起到降低鋼軌阻抗的良好作用。二是電氣連接暢通，是各鋼軌連接時(shí)確?；亓髀窂教幱诘妥柚档幕緱l件。三是變電所位置距離縮短，注重雙邊供電方式的使用。雜散電流估算公式中，供電距離的平方保持與雜散電力的正比例關(guān)系。這也是雜散電流控制過(guò)程中，可以采用的有效方法。四是安裝均流電纜。電纜連接2條走行軌的鋼軌、左右線鋼軌，回路電阻可明顯降低，大約為原有電阻值的1/4。目前，光子地鐵、北京奧運(yùn)支線中已經(jīng)使用此方法。

5.1.2 增加流通路徑電阻。對(duì)于雜散電流的增大流通路徑電阻，具體措施分為三種。一是軌道對(duì)地電阻增大。以絕緣處理木質(zhì)軌枕、枕木端面、道釘為前提，以增強(qiáng)軌道、接地回路相互間的絕緣力，點(diǎn)支承需要使用于走行鋼軌。不接地、二極管接地，是地鐵系統(tǒng)常用的一種雜散電流增加泄露路徑電阻的方法。二是車(chē)輛段檢修、停車(chē)庫(kù)中的線路走行軌，絕緣接頭、車(chē)場(chǎng)線路要對(duì)走行軌設(shè)置一定距離。三是分別設(shè)置絕緣結(jié)于特別重要地段兩邊，并利用單向?qū)ㄑb置，使雜散電流可強(qiáng)制性地對(duì)外流出，增強(qiáng)了鋼軌的防腐蝕能力，如廣州地鐵過(guò)江區(qū)段。

5.1.3 增加埋地金屬管線阻值。地鐵沿線所敷設(shè)電力、通訊、控制測(cè)量電纜，都應(yīng)以雙速絕緣墊層為材料，起到良好的防水、絕緣效果；地鐵和隧道所敷設(shè)的各類(lèi)電纜大多含有金屬結(jié)構(gòu)，具體的敷設(shè)方式必須采用絕緣方式；隧洞外所有管線都要分別安裝絕緣接頭或法蘭。

5.2 排流保護(hù)措施

保留保護(hù)法，在金屬導(dǎo)體保護(hù)方面具有良好作用，是導(dǎo)線連接方式，對(duì)被保護(hù)金屬導(dǎo)體、行走軌陽(yáng)極區(qū)進(jìn)行密切連接，構(gòu)成了短路狀態(tài)，轉(zhuǎn)變保護(hù)管道為陰極，有利于陽(yáng)極腐蝕問(wèn)題的有效防控。排流柜是目前常采用的設(shè)備，具體以雜散電流的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為后期邏輯判斷的依據(jù)，在檢測(cè)數(shù)據(jù)符合定值標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，被保護(hù)導(dǎo)體向外流出的雜散電流，會(huì)以走行軌為實(shí)際流向；交替干擾區(qū)下的被保護(hù)金屬導(dǎo)體，單純使用直接或選擇排流法都不能作為干擾電流的排回方式，強(qiáng)制排流法更具適應(yīng)性。

5.3 輔助陽(yáng)極可用于保護(hù)陰極

保護(hù)管線和沿線結(jié)構(gòu)，是以被保護(hù)物電極電位提高、轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O為目的，為陽(yáng)極腐蝕問(wèn)題的防控起到基礎(chǔ)作用。但是需要對(duì)被保護(hù)金屬區(qū)定期埋設(shè)電極電位耕地的金屬鎂等輔助陽(yáng)極。基于地鐵施工階段存在安裝難度大、成本費(fèi)用高等特點(diǎn)，使用量仍然很少。

6 結(jié)束語(yǔ)

城市地鐵、輕軌建設(shè)數(shù)量的增多，使更多的人認(rèn)識(shí)到做好雜散電流防護(hù)措施的必要性。地鐵施工工期長(zhǎng)，雜散電流問(wèn)題也會(huì)因是常見(jiàn)的使用而逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，對(duì)周邊鋼軌及其附件、建筑物地下管道等造成一定程度的腐蝕危害，是整個(gè)行業(yè)都急需解決的問(wèn)題，市場(chǎng)上可用的排放電流自動(dòng)約束設(shè)備已經(jīng)存在，但是具體應(yīng)用效果仍需進(jìn)一步探討。通過(guò)加大相關(guān)研究，為鐵路運(yùn)營(yíng)成本的降低、防控腐蝕危害提供良好的技術(shù)支撐。