淺談雜散電流腐蝕機(jī)理及防護(hù)措施摘 要 詳細(xì)闡述了地鐵雜散電流的形成機(jī)理及主要的防護(hù)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(fù)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(duì)地存在著電位差,回流線對(duì)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(fù)回饋點(diǎn)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(duì)地鐵周圍的埋地金屬管道、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(xué)腐蝕,它不僅能縮短金屬管線的使用壽命,而且還會(huì)降低地鐵鋼筋混凝土主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(shí)也對(duì)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(yùn)營(yíng)維護(hù)管理的經(jīng)驗(yàn),針對(duì)雜散電流腐蝕機(jī)理及防護(hù)措施方面淺談管見(jiàn)。1 雜散電流腐蝕機(jī)理1.1雜散電流腐蝕機(jī)理 地鐵迷流對(duì)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(xué)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(yáng)極過(guò)程和陰極過(guò)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(shí)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(guò)的路徑可概括為兩個(gè)串聯(lián)的腐蝕電池,即電池Ｉ:Ａ鋼軌(陽(yáng)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(yáng)極區(qū))+Ｅ土壤、道床+Ｆ鋼軌(陰極區(qū))。當(dāng)?shù)罔F迷流由圖1中Ａ、Ｄ(陽(yáng)極區(qū))的鋼軌和金屬管線部位流出時(shí),該部位的金屬鐵便與其周圍電解質(zhì)發(fā)生陽(yáng)極過(guò)程的電解作用,此處的金屬隨即遭到腐蝕。概括起來(lái)可將發(fā)生腐蝕的氧化還原反應(yīng)分為兩種:當(dāng)金屬鐵周圍的介質(zhì)是酸性電解質(zhì),即ｐＨ<7時(shí),發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是析氫腐蝕,以Ｈ+為去極化劑;當(dāng)金屬鐵周圍的介質(zhì)是堿性電解質(zhì),即ｐＨ≥7時(shí),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 當(dāng)鋼軌為懸浮系統(tǒng)時(shí)(指全線鋼軌采取對(duì)地絕緣,在任何地點(diǎn)不直接接地或通過(guò)其它裝置接地),雖然鋼軌對(duì)地采取了一系列措施,但鋼軌對(duì)地泄漏電阻在工程實(shí)施中不可能無(wú)限大,一般在5～100Ω·ｋｍ范圍內(nèi)。同時(shí)隨著地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)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(hù)措施失效,勢(shì)必增大了由走行軌泄漏到土壤介質(zhì)中的雜散電流。當(dāng)列車在兩牽引變電所間運(yùn)行時(shí),鋼軌電位如圖2所示,列車位置處為陽(yáng)極區(qū),鋼軌電位為正,牽引變電所附近為陰極區(qū),鋼軌電位為負(fù)。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(dāng)鋼軌對(duì)地泄漏電阻在5～100Ω·ｋｍ范圍內(nèi)變化時(shí),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(duì)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(hù)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(duì)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(hù)雜散電流的基礎(chǔ);為雜散電流提供至牽引變電所負(fù)極的暢通金屬通路,盡量減少雜散電流流出金屬構(gòu)件的電流密度,阻止雜散電流對(duì)其腐蝕,是防護(hù)雜散電流的重要措施。 防護(hù)雜散電流一般采取“以防為主,以排為輔,防排結(jié)合,加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的綜合防護(hù)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(duì)地過(guò)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(jìn)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(guò)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(fù)極的金屬通路,以減少雜散電流向外泄漏。(3)測(cè):監(jiān)視和測(cè)量雜散電流的大小,為運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù),設(shè)計(jì)完備的雜散電流檢測(cè)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(hù)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(yùn)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(yùn)營(yíng)中正線牽引網(wǎng)盡量采用“雙邊”供電等。 在滿足供電負(fù)荷、供電質(zhì)量及工程投資控制要求前提下,可適當(dāng)調(diào)整變電所數(shù)量和設(shè)置位置,盡量使?fàn)恳冸娝贾镁鶆颉?減少以鋼軌縱向電阻為主的回流系統(tǒng)電阻的措施包括正線鋼軌采用重軌,且焊接為無(wú)縫長(zhǎng)鋼軌,若短鋼軌間采用螺栓連接,則兩根鋼軌之間必須加焊一根銅電纜,回流電纜應(yīng)與鋼軌可靠焊接,回流電纜根數(shù)留有一定裕量;走行軌間設(shè)均流線,平衡上、下行鋼軌電流,降低走行軌電位;道岔與轍岔的連接部位通過(guò)銅連接引線可靠焊接。 對(duì)于車輛段和停車場(chǎng),根據(jù)實(shí)際工程條件,通過(guò)設(shè)置多個(gè)回流點(diǎn),使?fàn)恳娏骶徒亓?減小回流通路電阻,控制產(chǎn)生雜散電流總量。2.2增大鋼軌泄漏電阻措施 鋼軌泄漏電阻的大小與雜散電流成反比,可把保證鋼軌有較高泄漏電阻作為軌道交通防護(hù)雜散電流根本的措施。 鋼軌泄漏電阻主要由下述兩方面因素確定:一是鋼軌絕緣安裝點(diǎn)的絕緣電阻,二是鋼軌與道床表面的空隙距離及道床環(huán)境條件。當(dāng)然泄漏電阻也受與鋼軌連接電纜絕緣情況、電化區(qū)段與非電化區(qū)段鋼軌隔離效果等影響。 鋼軌絕緣安裝一般是通過(guò)在鋼軌與道床間設(shè)絕緣墊,緊固螺栓通過(guò)絕緣套管安裝在道床上等措施實(shí)現(xiàn)的,并且鋼軌底部與道床之間間隙不得小于《地鐵雜散電流防護(hù)規(guī)程》中的規(guī)定。 由于粉塵、潮濕、油污、風(fēng)沙雨雪(高架和地面區(qū)段)等影響,會(huì)降低泄漏電阻,使雜散電流增加。因此道床設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)計(jì)良好的排水方案,運(yùn)營(yíng)中應(yīng)定期打掃,保持道床的清潔,以避免鋼軌泄漏電阻降低。 另外與軌道專業(yè)配合,設(shè)計(jì)受外界污染影響少、絕緣水平較高的絕緣安裝措施,如在安裝點(diǎn)鋼軌帶絕緣靴套的絕緣安裝方案,或整體帶玻璃鋼(或其他絕緣材料)襯套軌枕的絕緣性能好,便于運(yùn)營(yíng)清掃的絕緣安裝措施等。2.3雜散電流的流通路徑控制措施 雜散電流對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕主要有4個(gè)方面:即鋼軌、道床結(jié)構(gòu)鋼筋、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、地網(wǎng)及地鐵外部其他公共設(shè)施。雜散電流首先從鋼軌泄漏至道床結(jié)構(gòu),再?gòu)牡来步Y(jié)構(gòu)向其他結(jié)構(gòu)如隧道、車站結(jié)構(gòu)泄漏。 利用整體道床內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋的縱向聯(lián)通形成電氣連續(xù)的雜散電流主收集網(wǎng),為雜散電流提供第一個(gè)電氣通路,雜散電流沿此通路流向牽引變電所方向,流出收集網(wǎng)后至鋼軌,可減少雜散電流由道床向其它結(jié)構(gòu)的泄漏量。 另外在工程條件許可情況下,地下區(qū)段道床與隧道(或其他結(jié)構(gòu)間)設(shè)置素混凝土層,以增大道床與其他結(jié)構(gòu)間泄漏電阻,減少雜散電流向其他結(jié)構(gòu)泄漏量。 在回流軌下方穿越的金屬管線也要進(jìn)行絕緣處理,避免雜散電流經(jīng)此泄漏至其他結(jié)構(gòu)。 主收集網(wǎng)不可能收集所有的雜散電流,其它少量雜散電流繼續(xù)泄漏至隧道或其他結(jié)構(gòu),利用隧道鋼筋(內(nèi)襯墻鋼筋)縱向聯(lián)通形成電氣通路,則成為雜散電流遇到的第二個(gè)電氣暢通通路(即輔助收集網(wǎng)),并沿此通路至牽引變電所方向,在牽引變電所區(qū)域(陰極區(qū))流回至道床鋼筋,并流回至鋼軌,減少雜散電流向地鐵以外泄漏。 由外界引入地鐵內(nèi)或由地鐵內(nèi)引出至地鐵外的金屬管線均應(yīng)進(jìn)行絕緣處理后,方可引入或引出,避免雜散電流經(jīng)此向地鐵外泄漏。2.4結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕防護(hù)措施 金屬構(gòu)件電化學(xué)腐蝕防護(hù)是控制金屬體流出至電介質(zhì)的電流密度在防護(hù)范圍之內(nèi)。主要措施是減少進(jìn)入金屬體的雜散電流量;為金屬體提供至電源負(fù)極的金屬通路,減少雜散電流流出金屬表面的電流密度;確定合理的道床、隧道收集網(wǎng)(結(jié)構(gòu)鋼筋)表面積,控制雜散電流流出至電介質(zhì)的密度。 地鐵雜散電流防腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋的保護(hù)是分層次的,其重要性對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施而言,其順序是隧道鋼筋、道床鋼筋和鋼軌。鋼軌是可更換設(shè)備,道床鋼筋從結(jié)構(gòu)上講可重修,而隧道鋼筋應(yīng)避免修復(fù)。從地鐵結(jié)構(gòu)層次上講,利用腐蝕鈍化原理防腐蝕的重點(diǎn)在道床收集網(wǎng),隧道收集網(wǎng)是作為后備收集網(wǎng)而起作用。因?yàn)楸M管靠近鋼軌的道床收集網(wǎng)的截面積相對(duì)隧道收集網(wǎng)要小,在所收集的雜散電流較多而其截面較小的情況下,若能控制道床鋼筋處于腐蝕鈍化狀態(tài),則下層隧道收集網(wǎng)肯定也處于腐蝕鈍化狀態(tài)。即只要道床收集網(wǎng)達(dá)到了腐蝕防護(hù)要求,下層其他結(jié)構(gòu)設(shè)施肯定也沒(méi)有被雜散電流腐蝕的危險(xiǎn)。 利用道床結(jié)構(gòu)鋼筋作為收集網(wǎng)的目的:一是減少雜散電流繼續(xù)向下擴(kuò)散至隧道、車站和大地等結(jié)構(gòu)的數(shù)量;二是由于道床鋼筋本身有一定的截面,從而使雜散電流密度較小,而使自身處于腐蝕的鈍化狀態(tài)。因?yàn)榈来步Y(jié)構(gòu)鋼筋是雜散電流從鋼軌上泄漏后遇到的第一道電阻較小的暢通電氣通路,可將雜散電流盡量限制在本系統(tǒng)內(nèi)部,可防止雜散電流繼續(xù)向本系統(tǒng)以外泄漏。若將道床鋼筋縱向焊接及連接形成一層縱向電氣通路,并得到經(jīng)計(jì)算確定的截面,使得自道床鋼筋流出的電流密度控制在腐蝕鈍化狀態(tài)范圍內(nèi)時(shí),盡管有一定數(shù)量雜散電流流出鋼筋,但卻不會(huì)使道床結(jié)構(gòu)鋼筋受到腐蝕。 同樣的原理,通過(guò)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行焊接及連接形成縱向電氣連續(xù)通路后,對(duì)于從道床鋼筋中繼續(xù)泄漏的雜散電流起到二次收集作用,由于隧道結(jié)構(gòu)鋼筋截面更宜做大,從而使其更宜達(dá)到腐蝕鈍化狀態(tài)。2.5排流柜設(shè)置方案 只有當(dāng)雜散電流從鋼筋流出時(shí)才對(duì)鋼筋產(chǎn)生腐蝕,而雜散電流流出的區(qū)域集中在陰極區(qū)(即在牽引變電所附近),若在牽引變電所處將結(jié)構(gòu)鋼筋或其他可能受到雜散電流腐蝕的金屬結(jié)構(gòu)與鋼軌或牽引變電所負(fù)母排相連,由于雜散電流總是走電阻最小的通路,而直接流至牽引變電所,從而在陽(yáng)極區(qū)范圍內(nèi)大大減小了雜散電流從鋼筋再擴(kuò)散至混凝土的可能,減少了雜散電流流出鋼筋導(dǎo)致的電化學(xué)反應(yīng),該方法稱為排流法。 排流法一般有將金屬結(jié)構(gòu)與鋼軌直接在牽引變電所附近相連的直接排流法、加二極管的單向?qū)ㄅ帕?、加直流電源的?qiáng)制排流等。但排流法存在如下缺點(diǎn):當(dāng)采用排流法時(shí)鋼軌系統(tǒng)稱之為接地系統(tǒng),當(dāng)有電流從鋼筋沿排流電纜(經(jīng)二極管)流至負(fù)母排時(shí),原來(lái)負(fù)母排的負(fù)電位變?yōu)榻咏汶娢?因鋼軌縱向電壓的鉗制作用使得兩牽引變電所間鋼軌的最高對(duì)地電位增加了一倍,兩牽引變電所間幾乎成為陽(yáng)極區(qū),簡(jiǎn)單看雜散電流總量增加了近4倍。由于雜散電流的總量增加太多,除牽引變電所附近鋼筋腐蝕減少外,在區(qū)間的鋼軌腐蝕將上升。所以說(shuō)排流法是一把雙刃劍,既有其有利的一面,也有其不利的一面。2.6盾構(gòu)區(qū)間防護(hù)雜散電流方案盾構(gòu)法區(qū)間隧道迷流設(shè)計(jì)原理是指將管片內(nèi)鋼筋全部電氣聯(lián)通,并通過(guò)鐵墊圈將電氣連接點(diǎn)良好引出。以后在隧道管片的拼裝中通過(guò)鐵螺栓和螺母將各隧道管片中鋼筋全部電氣聯(lián)通,形成一個(gè)等電位的法拉第網(wǎng),對(duì)地鐵雜散電流進(jìn)行電氣屏蔽,以防止地鐵雜散電流向外泄露和對(duì)地鐵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的腐蝕。但在實(shí)際施工過(guò)程中,混凝土灌漿于各螺栓之間,僅靠螺栓、螺母的機(jī)械連接實(shí)現(xiàn)電氣上的完全導(dǎo)通連接是很難的,與管片采用絕緣隔離措施相比,反而更加大了雜散電流對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。2.7高架區(qū)段防護(hù)雜散電流方案 區(qū)間高架橋梁一般采用簡(jiǎn)支梁,橋梁與橋墩間有橡膠支座,起到了電氣上的絕緣,表面上可避免雜散電流擴(kuò)散,但若在個(gè)別區(qū)段采用其他橋梁結(jié)構(gòu),梁墩間沒(méi)有絕緣支座,或高架車站采用“橋建合一”的結(jié)構(gòu),就必然形成某“點(diǎn)”的集中接地,成為防護(hù)雜散電流的薄弱環(huán)節(jié)。因此,高架區(qū)間要采用梁墩間設(shè)置橡膠支座的橋梁結(jié)構(gòu),且高架車站盡量采用“橋建分離”的結(jié)構(gòu)型式。2.8車輛段及停車場(chǎng)雜散電流防護(hù)措施 車輛段和停車場(chǎng)均位于地面,經(jīng)過(guò)出入線與正線連接。車輛段內(nèi)線路主要包括停車列檢庫(kù)、月檢庫(kù)線路和庫(kù)外線路。庫(kù)外線路采用碎石道床,無(wú)法設(shè)置雜散電流收集網(wǎng),檢修庫(kù)內(nèi)線路較庫(kù)外線路防護(hù)條件更差,加上車輛段建筑較多,并設(shè)有維修基地、生活及工作設(shè)備、各類管線較多,運(yùn)營(yíng)環(huán)境特殊,相對(duì)正線來(lái)講,車輛段和停車場(chǎng)是防護(hù)雜散電流的薄弱環(huán)節(jié)。 但車輛段和停車場(chǎng)內(nèi)車速較低,牽引電流較小,雜散電流泄漏水平較低,基于此特點(diǎn),車輛段和停車場(chǎng)的防護(hù)雜散電流措施一般應(yīng)從鋼軌回流及降低鋼軌電位考慮,一般采取措施如下:(1)降低車輛段(停車場(chǎng))雜散電流主要泄漏總量措施 車輛段(停車場(chǎng))與正線間設(shè)置絕緣軌縫及單向?qū)ㄑb置,限制正線區(qū)段鋼軌電流通過(guò)車輛段(停車場(chǎng))內(nèi)的鋼軌回流,可降低車輛段(停車場(chǎng))內(nèi)部雜散電流泄漏水平;檢修庫(kù)、停車庫(kù)內(nèi)外線路間設(shè)置絕緣軌縫及單向?qū)ㄑb置,限制鋼軌電流通過(guò)庫(kù)內(nèi)鋼軌泄漏。(2)就近回流措施 車輛段(停車場(chǎng))范圍較小、線路密集,根據(jù)實(shí)際工程條件,通過(guò)設(shè)置多個(gè)回流點(diǎn),使?fàn)恳娏骶徒亓?可起到限制鋼軌電流泄漏。(3)均勻電流、降低鋼軌電位的措施 根據(jù)車輛段(停車場(chǎng))內(nèi)線路密集的特點(diǎn),可通過(guò)均流電纜的適當(dāng)設(shè)置,使鋼軌電流均勻分布,達(dá)到限制鋼軌電流泄漏和降低鋼軌電位的作用。2.9雜散電流的日常維護(hù) 地鐵運(yùn)營(yíng)后,每月應(yīng)定期對(duì)全線軌道線路清掃,保持線路清潔干燥。如果全線鋼軌泄漏阻抗普遍降低,簡(jiǎn)單清掃或維護(hù)不能解決問(wèn)題,則應(yīng)開(kāi)啟牽引變電所的排流柜,使雜散電流收集網(wǎng)與牽引變電所負(fù)極柜單向聯(lián)通,避免結(jié)構(gòu)鋼筋受迷流腐蝕。 如果綜合測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到排流柜電流出現(xiàn)異常增大,且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),則是回流系統(tǒng)出現(xiàn)電氣導(dǎo)通“斷點(diǎn)”或“集中泄漏區(qū)段”所引起,應(yīng)及時(shí)檢查相應(yīng)區(qū)段回流系統(tǒng),將“斷點(diǎn)”處連接至設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn),或?qū)Α凹行孤c(diǎn)”進(jìn)行恢復(fù)處理,檢查鋼軌是否為積水、灰塵污染或鋼軌安裝絕緣設(shè)備損壞引起,并及時(shí)清掃或?qū)^緣設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。3結(jié)束語(yǔ) 隨著我國(guó)城市地鐵或輕軌交通快速發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越重視地鐵防護(hù)雜散電流,需要指出的是地鐵防護(hù)雜散電流是個(gè)系統(tǒng)工程,需要多個(gè)專業(yè)在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)共同配合,一方面加強(qiáng)各自專業(yè)防護(hù)措施,一方面探索更加積極地預(yù)防方案。參考文獻(xiàn)〔1〕馬洪儒 北京地下鐵道的雜散電流腐蝕與防護(hù)[Ｊ] 城市軌道交通,1990(1):11～19 〔2〕易友祥 一種積極有效的地鐵雜散電流防護(hù)方案[Ｊ] 天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),1995,11(2):1～5 〔3〕梁成浩等 雜散電流腐蝕與防護(hù)[Ｊ] 化工腐蝕與防護(hù),1994(1):4～8 〔4〕胡 斌 地鐵迷流及上海地鐵的迷流防護(hù)措施[Ｊ] 電世界,1994(3):2～4 〔5〕高敬宇等 地鐵及輕軌雜散電流腐蝕的防護(hù)[Ｊ] 天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),1996,12(1):32～36 〔6〕曹楚南 腐蝕電化學(xué)[Ｍ] 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995,3～19 〔7〕黃可信等 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕與保護(hù)[Ｍ] 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1983,1～13 〔8〕ＣＪＪ49—92 地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程[Ｓ]
由圖1可得地鐵迷流所經(jīng)過(guò)的路徑可概括為兩個(gè)串聯(lián)的腐蝕電池,即電池Ｉ:Ａ鋼軌(陽(yáng)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(yáng)極區(qū))+Ｅ土壤、道床+Ｆ鋼軌(陰極區(qū))。當(dāng)?shù)罔F迷流由圖1中Ａ、Ｄ(陽(yáng)極區(qū))的鋼軌和金屬管線部位流出時(shí),該部位的金屬鐵便與其周圍電解質(zhì)發(fā)生陽(yáng)極過(guò)程的電解作用,此處的金屬隨即遭到腐蝕。概括起來(lái)可將發(fā)生腐蝕的氧化還原反應(yīng)分為兩種:當(dāng)金屬鐵周圍的介質(zhì)是酸性電解質(zhì),即ｐＨ<7時(shí),發(fā)生的氧化還原反應(yīng)是析氫腐蝕,以Ｈ+為去極化劑;當(dāng)金屬鐵周圍的介質(zhì)是堿性電解質(zhì),即ｐＨ≥7時(shí),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 當(dāng)鋼軌為懸浮系統(tǒng)時(shí)(指全線鋼軌采取對(duì)地絕緣,在任何地點(diǎn)不直接接地或通過(guò)其它裝置接地),雖然鋼軌對(duì)地采取了一系列措施,但鋼軌對(duì)地泄漏電阻在工程實(shí)施中不可能無(wú)限大,一般在5～100Ω·ｋｍ范圍內(nèi)。同時(shí)隨著地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)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(hù)措施失效,勢(shì)必增大了由走行軌泄漏到土壤介質(zhì)中的雜散電流。當(dāng)列車在兩牽引變電所間運(yùn)行時(shí),鋼軌電位如圖2所示,列車位置處為陽(yáng)極區(qū),鋼軌電位為正,牽引變電所附近為陰極區(qū),鋼軌電位為負(fù)。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(dāng)鋼軌對(duì)地泄漏電阻在5～100Ω·ｋｍ范圍內(nèi)變化時(shí),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(duì)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(hù)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(duì)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(hù)雜散電流的基礎(chǔ);為雜散電流提供至牽引變電所負(fù)極的暢通金屬通路,盡量減少雜散電流流出金屬構(gòu)件的電流密度,阻止雜散電流對(duì)其腐蝕,是防護(hù)雜散電流的重要措施。 防護(hù)雜散電流一般采取“以防為主,以排為輔,防排結(jié)合,加強(qiáng)監(jiān)測(cè)”的綜合防護(hù)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(duì)地過(guò)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(jìn)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(guò)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(fù)極的金屬通路,以減少雜散電流向外泄漏。(3)測(cè):監(jiān)視和測(cè)量雜散電流的大小,為運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù),設(shè)計(jì)完備的雜散電流檢測(cè)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(hù)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(yùn)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(yùn)營(yíng)中正線牽引網(wǎng)盡量采用“雙邊”供電等。 在滿足供電負(fù)荷、供電質(zhì)量及工程投資控制要求前提下,可適當(dāng)調(diào)整變電所數(shù)量和設(shè)置位置,盡量使?fàn)恳冸娝贾镁鶆颉?減少以鋼軌縱向電阻為主的回流系統(tǒng)電阻的措施包括正線鋼軌采用重軌,且焊接為無(wú)縫長(zhǎng)鋼軌,若短鋼軌間采用螺栓連接,則兩根鋼軌之間必須加焊一根銅電纜,回流電纜應(yīng)與鋼軌可靠焊接,回流電纜根數(shù)留有一定裕量;走行軌間設(shè)均流線,平衡上、下行鋼軌電流,降低走行軌電位;道岔與轍岔的連接部位通過(guò)銅連接引線可靠焊接。 對(duì)于車輛段和停車場(chǎng),根據(jù)實(shí)際工程條件,通過(guò)設(shè)置多個(gè)回流點(diǎn),使?fàn)恳娏骶徒亓?減小回流通路電阻,控制產(chǎn)生雜散電流總量。2.2增大鋼軌泄漏電阻措施 鋼軌泄漏電阻的大小與雜散電流成反比,可把保證鋼軌有較高泄漏電阻作為軌道交通防護(hù)雜散電流根本的措施。 鋼軌泄漏電阻主要由下述兩方面因素確定:一是鋼軌絕緣安裝點(diǎn)的絕緣電阻,二是鋼軌與道床表面的空隙距離及道床環(huán)境條件。當(dāng)然泄漏電阻也受與鋼軌連接電纜絕緣情況、電化區(qū)段與非電化區(qū)段鋼軌隔離效果等影響。 鋼軌絕緣安裝一般是通過(guò)在鋼軌與道床間設(shè)絕緣墊,緊固螺栓通過(guò)絕緣套管安裝在道床上等措施實(shí)現(xiàn)的,并且鋼軌底部與道床之間間隙不得小于《地鐵雜散電流防護(hù)規(guī)程》中的規(guī)定。 由于粉塵、潮濕、油污、風(fēng)沙雨雪(高架和地面區(qū)段)等影響,會(huì)降低泄漏電阻,使雜散電流增加。因此道床設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)計(jì)良好的排水方案,運(yùn)營(yíng)中應(yīng)定期打掃,保持道床的清潔,以避免鋼軌泄漏電阻降低。 另外與軌道專業(yè)配合,設(shè)計(jì)受外界污染影響少、絕緣水平較高的絕緣安裝措施,如在安裝點(diǎn)鋼軌帶絕緣靴套的絕緣安裝方案,或整體帶玻璃鋼(或其他絕緣材料)襯套軌枕的絕緣性能好,便于運(yùn)營(yíng)清掃的絕緣安裝措施等。2.3雜散電流的流通路徑控制措施 雜散電流對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕主要有4個(gè)方面:即鋼軌、道床結(jié)構(gòu)鋼筋、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、地網(wǎng)及地鐵外部其他公共設(shè)施。雜散電流首先從鋼軌泄漏至道床結(jié)構(gòu),再?gòu)牡来步Y(jié)構(gòu)向其他結(jié)構(gòu)如隧道、車站結(jié)構(gòu)泄漏。 利用整體道床內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋的縱向聯(lián)通形成電氣連續(xù)的雜散電流主收集網(wǎng),為雜散電流提供第一個(gè)電氣通路,雜散電流沿此通路流向牽引變電所方向,流出收集網(wǎng)后至鋼軌,可減少雜散電流由道床向其它結(jié)構(gòu)的泄漏量。 另外在工程條件許可情況下,地下區(qū)段道床與隧道(或其他結(jié)構(gòu)間)設(shè)置素混凝土層,以增大道床與其他結(jié)構(gòu)間泄漏電阻,減少雜散電流向其他結(jié)構(gòu)泄漏量。 在回流軌下方穿越的金屬管線也要進(jìn)行絕緣處理,避免雜散電流經(jīng)此泄漏至其他結(jié)構(gòu)。 主收集網(wǎng)不可能收集所有的雜散電流,其它少量雜散電流繼續(xù)泄漏至隧道或其他結(jié)構(gòu),利用隧道鋼筋(內(nèi)襯墻鋼筋)縱向聯(lián)通形成電氣通路,則成為雜散電流遇到的第二個(gè)電氣暢通通路(即輔助收集網(wǎng)),并沿此通路至牽引變電所方向,在牽引變電所區(qū)域(陰極區(qū))流回至道床鋼筋,并流回至鋼軌,減少雜散電流向地鐵以外泄漏。 由外界引入地鐵內(nèi)或由地鐵內(nèi)引出至地鐵外的金屬管線均應(yīng)進(jìn)行絕緣處理后,方可引入或引出,避免雜散電流經(jīng)此向地鐵外泄漏。2.4結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕防護(hù)措施 金屬構(gòu)件電化學(xué)腐蝕防護(hù)是控制金屬體流出至電介質(zhì)的電流密度在防護(hù)范圍之內(nèi)。主要措施是減少進(jìn)入金屬體的雜散電流量;為金屬體提供至電源負(fù)極的金屬通路,減少雜散電流流出金屬表面的電流密度;確定合理的道床、隧道收集網(wǎng)(結(jié)構(gòu)鋼筋)表面積,控制雜散電流流出至電介質(zhì)的密度。 地鐵雜散電流防腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋的保護(hù)是分層次的,其重要性對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施而言,其順序是隧道鋼筋、道床鋼筋和鋼軌。鋼軌是可更換設(shè)備,道床鋼筋從結(jié)構(gòu)上講可重修,而隧道鋼筋應(yīng)避免修復(fù)。從地鐵結(jié)構(gòu)層次上講,利用腐蝕鈍化原理防腐蝕的重點(diǎn)在道床收集網(wǎng),隧道收集網(wǎng)是作為后備收集網(wǎng)而起作用。因?yàn)楸M管靠近鋼軌的道床收集網(wǎng)的截面積相對(duì)隧道收集網(wǎng)要小,在所收集的雜散電流較多而其截面較小的情況下,若能控制道床鋼筋處于腐蝕鈍化狀態(tài),則下層隧道收集網(wǎng)肯定也處于腐蝕鈍化狀態(tài)。即只要道床收集網(wǎng)達(dá)到了腐蝕防護(hù)要求,下層其他結(jié)構(gòu)設(shè)施肯定也沒(méi)有被雜散電流腐蝕的危險(xiǎn)。 利用道床結(jié)構(gòu)鋼筋作為收集網(wǎng)的目的:一是減少雜散電流繼續(xù)向下擴(kuò)散至隧道、車站和大地等結(jié)構(gòu)的數(shù)量;二是由于道床鋼筋本身有一定的截面,從而使雜散電流密度較小,而使自身處于腐蝕的鈍化狀態(tài)。因?yàn)榈来步Y(jié)構(gòu)鋼筋是雜散電流從鋼軌上泄漏后遇到的第一道電阻較小的暢通電氣通路,可將雜散電流盡量限制在本系統(tǒng)內(nèi)部,可防止雜散電流繼續(xù)向本系統(tǒng)以外泄漏。若將道床鋼筋縱向焊接及連接形成一層縱向電氣通路,并得到經(jīng)計(jì)算確定的截面,使得自道床鋼筋流出的電流密度控制在腐蝕鈍化狀態(tài)范圍內(nèi)時(shí),盡管有一定數(shù)量雜散電流流出鋼筋,但卻不會(huì)使道床結(jié)構(gòu)鋼筋受到腐蝕。 同樣的原理,通過(guò)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋進(jìn)行焊接及連接形成縱向電氣連續(xù)通路后,對(duì)于從道床鋼筋中繼續(xù)泄漏的雜散電流起到二次收集作用,由于隧道結(jié)構(gòu)鋼筋截面更宜做大,從而使其更宜達(dá)到腐蝕鈍化狀態(tài)。2.5排流柜設(shè)置方案 只有當(dāng)雜散電流從鋼筋流出時(shí)才對(duì)鋼筋產(chǎn)生腐蝕,而雜散電流流出的區(qū)域集中在陰極區(qū)(即在牽引變電所附近),若在牽引變電所處將結(jié)構(gòu)鋼筋或其他可能受到雜散電流腐蝕的金屬結(jié)構(gòu)與鋼軌或牽引變電所負(fù)母排相連,由于雜散電流總是走電阻最小的通路,而直接流至牽引變電所,從而在陽(yáng)極區(qū)范圍內(nèi)大大減小了雜散電流從鋼筋再擴(kuò)散至混凝土的可能,減少了雜散電流流出鋼筋導(dǎo)致的電化學(xué)反應(yīng),該方法稱為排流法。 排流法一般有將金屬結(jié)構(gòu)與鋼軌直接在牽引變電所附近相連的直接排流法、加二極管的單向?qū)ㄅ帕?、加直流電源的?qiáng)制排流等。但排流法存在如下缺點(diǎn):當(dāng)采用排流法時(shí)鋼軌系統(tǒng)稱之為接地系統(tǒng),當(dāng)有電流從鋼筋沿排流電纜(經(jīng)二極管)流至負(fù)母排時(shí),原來(lái)負(fù)母排的負(fù)電位變?yōu)榻咏汶娢?因鋼軌縱向電壓的鉗制作用使得兩牽引變電所間鋼軌的最高對(duì)地電位增加了一倍,兩牽引變電所間幾乎成為陽(yáng)極區(qū),簡(jiǎn)單看雜散電流總量增加了近4倍。由于雜散電流的總量增加太多,除牽引變電所附近鋼筋腐蝕減少外,在區(qū)間的鋼軌腐蝕將上升。所以說(shuō)排流法是一把雙刃劍,既有其有利的一面,也有其不利的一面。2.6盾構(gòu)區(qū)間防護(hù)雜散電流方案盾構(gòu)法區(qū)間隧道迷流設(shè)計(jì)原理是指將管片內(nèi)鋼筋全部電氣聯(lián)通,并通過(guò)鐵墊圈將電氣連接點(diǎn)良好引出。以后在隧道管片的拼裝中通過(guò)鐵螺栓和螺母將各隧道管片中鋼筋全部電氣聯(lián)通,形成一個(gè)等電位的法拉第網(wǎng),對(duì)地鐵雜散電流進(jìn)行電氣屏蔽,以防止地鐵雜散電流向外泄露和對(duì)地鐵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的腐蝕。但在實(shí)際施工過(guò)程中,混凝土灌漿于各螺栓之間,僅靠螺栓、螺母的機(jī)械連接實(shí)現(xiàn)電氣上的完全導(dǎo)通連接是很難的,與管片采用絕緣隔離措施相比,反而更加大了雜散電流對(duì)盾構(gòu)管片內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。2.7高架區(qū)段防護(hù)雜散電流方案 區(qū)間高架橋梁一般采用簡(jiǎn)支梁,橋梁與橋墩間有橡膠支座,起到了電氣上的絕緣,表面上可避免雜散電流擴(kuò)散,但若在個(gè)別區(qū)段采用其他橋梁結(jié)構(gòu),梁墩間沒(méi)有絕緣支座,或高架車站采用“橋建合一”的結(jié)構(gòu),就必然形成某“點(diǎn)”的集中接地,成為防護(hù)雜散電流的薄弱環(huán)節(jié)。因此,高架區(qū)間要采用梁墩間設(shè)置橡膠支座的橋梁結(jié)構(gòu),且高架車站盡量采用“橋建分離”的結(jié)構(gòu)型式。2.8車輛段及停車場(chǎng)雜散電流防護(hù)措施 車輛段和停車場(chǎng)均位于地面,經(jīng)過(guò)出入線與正線連接。車輛段內(nèi)線路主要包括停車列檢庫(kù)、月檢庫(kù)線路和庫(kù)外線路。庫(kù)外線路采用碎石道床,無(wú)法設(shè)置雜散電流收集網(wǎng),檢修庫(kù)內(nèi)線路較庫(kù)外線路防護(hù)條件更差,加上車輛段建筑較多,并設(shè)有維修基地、生活及工作設(shè)備、各類管線較多,運(yùn)營(yíng)環(huán)境特殊,相對(duì)正線來(lái)講,車輛段和停車場(chǎng)是防護(hù)雜散電流的薄弱環(huán)節(jié)。 但車輛段和停車場(chǎng)內(nèi)車速較低,牽引電流較小,雜散電流泄漏水平較低,基于此特點(diǎn),車輛段和停車場(chǎng)的防護(hù)雜散電流措施一般應(yīng)從鋼軌回流及降低鋼軌電位考慮,一般采取措施如下:(1)降低車輛段(停車場(chǎng))雜散電流主要泄漏總量措施 車輛段(停車場(chǎng))與正線間設(shè)置絕緣軌縫及單向?qū)ㄑb置,限制正線區(qū)段鋼軌電流通過(guò)車輛段(停車場(chǎng))內(nèi)的鋼軌回流,可降低車輛段(停車場(chǎng))內(nèi)部雜散電流泄漏水平;檢修庫(kù)、停車庫(kù)內(nèi)外線路間設(shè)置絕緣軌縫及單向?qū)ㄑb置,限制鋼軌電流通過(guò)庫(kù)內(nèi)鋼軌泄漏。(2)就近回流措施 車輛段(停車場(chǎng))范圍較小、線路密集,根據(jù)實(shí)際工程條件,通過(guò)設(shè)置多個(gè)回流點(diǎn),使?fàn)恳娏骶徒亓?可起到限制鋼軌電流泄漏。(3)均勻電流、降低鋼軌電位的措施 根據(jù)車輛段(停車場(chǎng))內(nèi)線路密集的特點(diǎn),可通過(guò)均流電纜的適當(dāng)設(shè)置,使鋼軌電流均勻分布,達(dá)到限制鋼軌電流泄漏和降低鋼軌電位的作用。2.9雜散電流的日常維護(hù) 地鐵運(yùn)營(yíng)后,每月應(yīng)定期對(duì)全線軌道線路清掃,保持線路清潔干燥。如果全線鋼軌泄漏阻抗普遍降低,簡(jiǎn)單清掃或維護(hù)不能解決問(wèn)題,則應(yīng)開(kāi)啟牽引變電所的排流柜,使雜散電流收集網(wǎng)與牽引變電所負(fù)極柜單向聯(lián)通,避免結(jié)構(gòu)鋼筋受迷流腐蝕。 如果綜合測(cè)試系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到排流柜電流出現(xiàn)異常增大,且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),則是回流系統(tǒng)出現(xiàn)電氣導(dǎo)通“斷點(diǎn)”或“集中泄漏區(qū)段”所引起,應(yīng)及時(shí)檢查相應(yīng)區(qū)段回流系統(tǒng),將“斷點(diǎn)”處連接至設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn),或?qū)Α凹行孤c(diǎn)”進(jìn)行恢復(fù)處理,檢查鋼軌是否為積水、灰塵污染或鋼軌安裝絕緣設(shè)備損壞引起,并及時(shí)清掃或?qū)^緣設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。3結(jié)束語(yǔ) 隨著我國(guó)城市地鐵或輕軌交通快速發(fā)展,人們?cè)絹?lái)越重視地鐵防護(hù)雜散電流,需要指出的是地鐵防護(hù)雜散電流是個(gè)系統(tǒng)工程,需要多個(gè)專業(yè)在設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)共同配合,一方面加強(qiáng)各自專業(yè)防護(hù)措施,一方面探索更加積極地預(yù)防方案。參考文獻(xiàn)〔1〕馬洪儒 北京地下鐵道的雜散電流腐蝕與防護(hù)[Ｊ] 城市軌道交通,1990(1):11～19 〔2〕易友祥 一種積極有效的地鐵雜散電流防護(hù)方案[Ｊ] 天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),1995,11(2):1～5 〔3〕梁成浩等 雜散電流腐蝕與防護(hù)[Ｊ] 化工腐蝕與防護(hù),1994(1):4～8 〔4〕胡 斌 地鐵迷流及上海地鐵的迷流防護(hù)措施[Ｊ] 電世界,1994(3):2～4 〔5〕高敬宇等 地鐵及輕軌雜散電流腐蝕的防護(hù)[Ｊ] 天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),1996,12(1):32～36 〔6〕曹楚南 腐蝕電化學(xué)[Ｍ] 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1995,3～19 〔7〕黃可信等 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕與保護(hù)[Ｍ] 北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1983,1～13 〔8〕ＣＪＪ49—92 地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程[Ｓ]
