地铁直流杂散电流对埋地金属管道的腐蚀

1 　引　 言

　　城市地铁交通网投入使用后，随之而来的杂散电流对埋地金属管网系统的干扰腐蚀是不容忽视的。地铁均采用电力牵引，并且基本采用直流电流，它是由牵引变电所通过沿线路敷设的牵引网为电动车辆供电的系统，主要由架空的正极接触网供电，以行走轨道作为负极回流导体。在运行中有不少的电流不沿回流轨道回到牵引变电所或者根本不回到牵引变电所，而是流向大地低电位处，形成了杂散电流。埋地金属燃气管道的外壁腐蚀形式主要有化学腐蚀、电化学腐蚀、微生物腐蚀和杂散电流干扰腐蚀等，现埋地的金属燃气管道以及其他的埋地金属管道的防腐蚀措施主要是针对前几种腐蚀原因的，往往对杂散电流的干扰腐蚀重视不够，采取针对性的监测和防护措施很少，甚至未采取任何措施。本文就地铁的杂散电流干扰腐蚀的机理、特点以及防护措施进行探讨。

2　腐蚀机理与特点

2．1　直流杂散电流对埋地金属管道腐蚀的机理
　　因地铁回流的轨道中电流也是由高电位流向低电位，即从车辆受流，通过车轮、轨道回到牵引变电所的负极，车辆所在处为高电位，牵引变电所为低电位，轨道对地有一定的过度电阻，这样因电位差和过度电阻存在，就形成对地的泄漏电流，一些回流电流从铁轨漏出不直接回到牵引变电所或不回到牵引变电所，而通过埋设在地铁附近的金属燃气管道等回到牵引变电所或其他低电位处，这样就形成一电流回路。杂散电流从土壤流人埋地金属燃气管道的地方带有负电荷为阴极区，在阴极区的金属管道一般不受影响，但电位过负时，管道表面会析氢，造成防腐绝缘层损坏剥落；杂散电流从管道防腐绝缘层破损处流出，此处管道带正电，为阳极区，以铁离子形式溶入周围的电解质中，从而使阳极区的金属管道腐蚀。

2．2　直流杂散电流对埋地金属管道腐蚀的特点
　　(1)腐蚀强度大，危害大。埋地金属燃气管道在没杂散电流时，只有自然腐蚀，大部分为原电池型，驱动电位差只几百毫伏，腐蚀电流只几十毫安；而杂散电流干扰腐蚀时是电解电池原理，电位可达几伏，电流最大可能上百安。根据法拉第电解定律，1 A的电流通过钢管表面流向土壤溶液一年可溶解约10kg，由此可看出直流杂散电流干扰腐蚀相对其他原因引起的腐蚀严重得多。
　　(2)范围广，随机性强。杂散电流干扰腐蚀范围大，特别是地铁的杂散电流几乎影响整个城区的地下金属管网；轨道与地的绝缘电阻，管道的防腐绝缘层电阻，土壤电阻率、电流大小等都是变化的，因此杂散电流流向也是随机的，给防护带来一定难度。

2．3 腐蚀判断标准
　　通常采用管道对地电位作为判断是否存在地铁杂散电流对埋地金属燃气管道干扰腐蚀，国内主要有两种指标。 
　　(1)处于直流电气铁路、阴极保护系统及其他直流干扰源附近的管道，当管道上任意点的管/地电位较自然电位正向偏移20mV时，或管道附近土壤的电位梯度大于0．5mV/m时，就确认有直流干扰。
　　(2)当管道上任意点管/地电位较处自然电位正向偏移100mV时，或管道附近土壤的电位梯度大于2．5V/m时，应及时对管道采取直流排流保护措施。以20mV的管/地电位的正偏移作为直流干扰存在与否标准是可行的，当确认存在直流杂散电流对埋地金属燃气管道干扰时，应进行长期监控，以及根据具体情况采取补救措施。 

3 防护措施

　　直流杂散电流对金属燃气管道干扰腐蚀主要有两方面，即干扰源和被干扰物，与中间介质土壤直接联系不大，且难以防护处理和处理效果 不大。因此一般采用干扰源侧的处理措施和被干扰物即埋地金属燃气管道的防护措施。

3．1 干扰源侧的处理措施
　　干扰源侧的杂散电流干扰腐蚀处理措施主要是减少杂散电流的量，而且必须相关专业同时采取相应的措施。
　　(1)地铁牵引供电系统
　　车场内独立设置牵引变电所，供电距离不宜太长，减少供电范围，保证供电范围内接地装置只接地一次，以减少杂散电流源。除车辆检修外，正常营运应采用双边供电，降低电位差。在额定功率不变前提下，提高电压以减少杂散电流。轨道区间每300 m设均流线，以降低行走轨的纵向电阻。变电所的电气设备金属外壳和接地装置与结构钢筋应绝缘处理。隧道内管线不得与行走轨道作电气连通。
　　(2)地铁线路方面
　　轨道必须采用导电性能好的材料，平均电流产生电位差不超过3 V/km。轨道接头处理好，增加电阻不得大于区段轨道电阻的20％。轨道焊成大于 100m长轨时，相邻两轨间接缝应采用可靠的铜引线连接。轨道与扣件及扣件和枕木之间作好绝缘措施等。
　　(3)穿过地铁盾构的各种金属管线
　　金属管线进出地铁隧道部分应采用绝缘法兰连接，穿过轨道下的金属管道应采取绝缘措施，铠装电缆必须外设绝缘护套等。 
　　在采取以上措施的同时，必须做好结构的防水，结构金属与电力系统设施的绝缘，在线路内合理组织排水，防止轨道扣件受污。配置杂散电流的观测设备，随时掌握杂散电流干扰情况，以便采取有的放矢的防护措施。 

3.2 被干扰物的防护措施
　　被干扰物的防护措施主要目的是避开干扰源，增加回路电阻，以及配置必要的排流措施。
　　(1)避开干扰源
　　根据线路杂散电流源的勘察结果，燃气管道布线时在符合安全要求前提下，合理选择走向，避开地铁、电缆等杂散电流干扰源。或采取对受杂散电流干扰管道增设绝缘法兰，将被干扰的管道与主干线分隔开，把干扰限制在一定范围，减轻干线的腐蚀。
　　(2)增加回路电阻
　　根据燃气的品质和输送压力尽量选用聚乙烯等管材。对于金属管材，主要是采用防腐等级高的防腐绝缘层形式，采用耐杂散电流的防腐绝缘材料如环氧煤沥青涂料等，接口处采用热缩套管。及时观测杂散电流，及时修补和更换防腐绝缘层等。
　　(3)采取必要的排流措施[1]
　　排流保护措施不同于管道的防腐设计，需按有关标准进行干扰源侧及管道侧测定，根据具体情况进行方案确定。排流保护措施主要有4种， 即直接排流、极性排流、强制排流、接地排流。
　　直接排流：管/地电位偏移稳定在正方向，可采用此保护措施。通过导线将管道和干扰源测的负极直接连通，使管道中的干扰电源引入干扰源的负极。此法适用于牵引变电所附近，简单经济、效果好，但范围有限。
　　极性排流：管/地电位正、负极性交变时，可采用此保护措施。通过一极性排流器(一般为二极管)将管道和回流轨道连通，当管道上出现正电位时可把管道中的杂散电流排出，出现负电位时排流器不导通，可防杂散电流的进入。此法安装方便、应用广，但管道距轨道远时效果不好。
　　强制排流：管/地电位正、负极性交变，电位差小，且环境腐蚀较强时，可采用此保护措施。通过强制排流器将管道和轨道连通，杂散电流通过强制排流器的整流环排放到轨道上，当无杂散电流时，强制排流器给管道提供一阴极保护电流，使管道处于阴极保护状态。此法保护范围大，地铁停运时可对管道提供阴极保护，但对轨道电位分布有影响，需要外加电源。
　　接地排流：管/地电位正向偏移，管道离干扰源较远，且为不影响信号不允许直接把电流排放到轨道上，可采用此保护措施。通过在管道预排流位置上，靠近干扰源侧打一组接地极，然后通过极性排流或强制排流来排除杂散电流。此法使用方便，但效果不显著，需辅助接地极。

4 结　　语

　　在地铁杂散电流干扰腐蚀影响区域内，不只是如一种管道一种干扰源的理想状况，而是地下管网系统错综复杂，包括燃气、热力、给排水、电缆等管线，而且随着市政基础设施建设，管网系统一直在变化。因此，对地下金属管道的杂散电流干扰腐蚀的防护应考虑以下面：
　　(1)采取各类管网的综合防护和动态管理相结合的措施。在杂散电流干扰区不可能只对一种管道防护，否则必加重其他埋地金属管网的腐蚀程度，只有把这一区域内地下管道、电缆等统一考虑，综合排流和防护才能效果显著。
　　(2)虽然管道敷设按测试结果，采取相应措施或采用相应排流参数，但是随着新地下管网或地下构筑物等的建成，杂散电流干扰的规律及干扰源也产生变化，因此对地铁杂散电流应根据具体情况及时调整设施的运行参数。