直流电气化铁路杂散电流腐蚀与防护
摘 要：通过对城市轨道交通系统中杂散电流电化学腐蚀的危害、原理、影响因素、检测方法的综合分析与介绍，为在城市轨道交通系统设计中采取有针对性的措施提供参考和依据。
随着国民经济的持续发展，我国各个城市为了缓和日趋严重的城市交通压力，纷纷加快了城市轨道交通的建设。同时为了保持城市美观，供水、燃气管道以及供电和通信电缆大多采用地下埋设或隐蔽敷设，城轨杂散电流对这些管道和电缆的腐蚀危害以及对应的防治方法则成为一个倍受关注的问题。加强对杂散电流腐蚀危害及防治方法的研究，对保证城轨基础结构及周边的管线及建筑设施的安全运行，延长它们的使用寿命具有重要的现实意义。
1直流电气化铁路杂散电流电化学腐蚀的危害
城市轨道交通中的杂散电流会引起城轨、城轨附近的钢筋混凝土结构物以及埋地管线发生腐蚀，造成严重后果。主要表现在以下一些方面。
1．1钢轨及其附件
城轨中多采用道钉把钢轨固定于枕木上，在与道钉相接触的部位常发生钢轨的楔状腐蚀。若采用垫板和压片固定钢轨，则这种腐蚀有所减少，但会导致在垫板以外的部位发生钢轨的底部腐蚀。这种腐蚀从上面难以发现，因而危害性更大。此外在与路基石子相接触的钢轨底部有时也发生类似的杂散电流腐蚀。钢轨的杂散电流腐蚀在隧道内及道岔等部位尤为显著，在有些地方2—3年就要更换钢轨。道钉也有杂散电流腐蚀，而且多发生在钉入部位，从地上难以发现。
1．2钢筋混凝土结构物
杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响，但如果有钢筋存在，则钢筋起汇集电流的作用并把电流引导到排流点处。在杂散电流由混凝土进入钢筋之处，钢筋呈阴极。如果阴极产生氢气且氢气不能从混凝土逸出，就会形成等静压力使钢筋与混凝土脱开。如有钠或钾的化合物存在，则电流的通过会在钢筋与混凝土的界面处产生可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐，使结合强度显著降低。在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳极并发生腐蚀。腐蚀产物在阳极处的堆积产生机械张力而使混凝土结构物基础及检件和环境下修坑便会在较短时间内发生腐蚀。如果结构物中的钢筋与钢轨有电接触，则更容易受到杂散电流腐蚀。
1．3埋地管线
对于埋地管线的影响是城轨杂散电流腐蚀的另一个重要方面，在设计和建造城轨时不考虑此问题会产生极严重的后果。
埋地管有铸铁管和钢管之分。铸铁管表面一般涂沥青等，在管接头处多采取相互绝缘的连接方式，因此杂散电流不会传到远方，加之管壁厚，故比较耐杂散电流腐蚀。钢管纵向电导性良好，容易积聚来自远方的电流，加之管壁较薄，故易受杂散电流腐蚀，有必要采取适当的防治措施。城轨系统内的埋地管线主要有自来水管、石油管线、通风管线、蒸汽管线等。在系统外则可能有煤气管线、石油管线、自来水管等公用事业管线以及各种电缆管等。
2杂散电流电化学腐蚀基本原理
在杂散电流流出走行轨到重新返回走行轨的过程中，城轨杂散电流对走行轨及其附件、混凝土腐蚀属于局部腐蚀。直流杂散电流将从走行轨上直接或间接泄漏到土壤或其他导电介质中，它所经过的途径为：
走行轨(阳极)一道床、土壤一埋地金属体(阴极)一埋地金属体(阳极)一土壤、道床一走行轨(阴极)。
城轨杂散电流所经过的路径可以概括为两个串联的腐蚀电池：
电池1：走行轨(阳极)一道床、土壤(介质)一埋地金属体(阴极)；
电池2：埋地金属体(阳极)一道床、土壤(介质)一走行轨(阴极)。
当杂散电流由两个阳极区(走行轨阳极区和金属管道阳极区)流出时，该部位的金属便与其周围的电解质发生阳极过程的电解反应，此处的金属体遭到电化学腐蚀。
这种电解反应可以分为两大类：当金属体周围的介质是酸性电解质时，发生的氧化还原反应是析氢腐蚀：当金属体周围的介质是碱性电解质时，发生的氧化还原反应是吸氧腐蚀。
杂散电流电化学腐蚀一般具有以特点：
(1)只有在阳极反应中才发生金属腐蚀，在阴反应中没有金属腐蚀发生；
(2)腐蚀一般集中于局部位置，腐蚀程度激烈
(3)当有防腐蚀层时，往往集中于防腐蚀层的陷部分。
3影响城轨杂散电流电化学腐蚀的因素
根据Faraday电解第一定律，电极上发生的学变化量与通过的电量成正比。可见，由电极反生所消耗的物质的量取决于通过的电量和反应子数。金属被腐蚀的速度只取决于通过被腐蚀电极的电流值。依据法拉第电解定律计算，每1安培杂散电流流经铜铁类金属设施时，一年可使之腐蚀掉9．1kg。北京城轨公司提供的数据表明，当城轨车辆起动时，流入地下的杂散电流会达到100安培以上。可见杂散电流所造成的电化学腐蚀危害将是十分严重的。
金属遭受电化学腐蚀时，根据Faraday电解第一定律计算出的理论腐蚀量与实际的腐蚀量会有一定的出入，造成这种影响因素主要有：金属表面的机械性损坏；腐蚀生成物和氧化膜形成的钝化层；高电流密度下，引起的金属原子价的改变；析氢反应；自然腐蚀等等。杂散电流的电化学腐蚀也受环境因素的影响。土壤的结构特性不同，对地下设施的电化学腐蚀程度也不同。土壤一般由土壤颗粒、水、空气混合而成。土壤颗粒与颗粒之间存在空隙，这些空隙中充满着水或空气。而土壤孔隙的透水性、通气性等会对腐蚀过程构成直接影响。土壤中也含有大量细菌，它们能使土壤中的物质发酵产生酸，从而使有机物发生分解。在松软、干燥的土壤中好气性细菌比较活跃，它们将有机物质分解成CO2、H2O等。在潮湿的土壤中，厌气性细菌相对活跃，将会使某些元素呈还原状态，如将N还原成NO2，将S还原成H2S等。因此在微生物的作用下，会使土壤的酸、碱性质发生变化，从而对埋地设施的腐蚀产生影响。
土壤的化学性质亦会对埋地电气设施的腐蚀程度构成影响。溶液偏酸或偏碱时，埋地设施靠近较浓溶液的那部分构成了阳极，靠近较淡溶液的那部分构成了阴极，从而使阳极那部分受到腐蚀。土壤的湿度也会对腐蚀的速度构成影响。当土壤非常干燥时，电解液较少，电阻系数大，此时腐蚀会非常缓慢。当湿度增加时，腐蚀的速度会明显加快。另度的关速度越快，埋地金属纵上所述，环境因素对土壤电阻率的影响很大，其电阻率可以从小于1Q·m到高达几百甚至上千Ω·m。显然，土壤的电阻率越大，泄漏的杂散电流就越少，杂散电流所引起的电化学腐蚀程度就会越轻。
4城轨杂散电流电化学腐蚀检测方法
对于埋地金属的电化学腐蚀防护工作来说，测量埋地金属的腐蚀速度是很重要的一个任务。测定金属被腐蚀后的失重是最简单而又直观的方法。但是这种方法不仅需要很长的时间跨度，所得出的结果是平均腐蚀速度，而且有时候在实际现场测量中也是不可行的。
利用线性极化曲线，是目前运用较广的快速测定金属腐蚀速度的方法。它的理论基础是当极化程度较弱时，金属极化电位与极化电流密度成线性关系。因此通过测量埋地金属物和城轨结构钢的极化电位值，就可以间接获知它们的极化电流值，极化电流值又与金属物的腐蚀速度成正比关系。所以埋地金属的极化电位是判断迷流电化学腐蚀的重要指标，对其的测量有重要的意义：
(1)当存在杂散电流干扰时，埋地金属物的极化电位是判断其电化学腐蚀程度的重要指标；
(2)当使用极性排流法输导埋地排流网和使用强制排流法防护埋地金属物电化学腐蚀时，埋地金属导体的极化电位是关断／开启排流装置和智能动态调整排流量的重要判据；
(3)施加阴极保护的埋地金属物的极化电位是判断阴极保护程度和保护效果的一个重要参数。
理论上说，埋地金属的极化电位是指埋地金属体与大地无限远处的电位差，然而这在实际测量中是很难实现的，所以一般以就近大地或城轨系统接地端作为测量参考地。就近大地的地电位本身变化是很大的，尤其是在有杂散电流干扰的情况下。
城轨系统接地端的电位在杂散电流的极化作用下也会产生零电位偏移现象，因而不能用系统接地端作为电压测量的基准点。因此需要基准恒定的地电位参考点。
从电化学电极测量的原理上可知，需要使用合适的参比电极。在实际测量中埋地金属物的极化电位(指埋地金属物与理想大地零电位的电位差)和埋地金属物与参比电极之间的电位差有很大的联系。由此可见，参比电极的性能和可靠性是影响埋地金属极化电位测量的关键因素。在实际的工程实践中，多采用胶状的硫酸铜或氧化钼作为参考电极。
5结论
杂散电流是一种有害的电流，在直流牵引供电系统中会给城轨系统的设备、设施造成多方面的危害，必须加以治理。因此，弄清杂散电流对各种结构物、管道和电缆腐蚀的电化学本质及基理对于有针对性的采取防治措施具有指导性的意义。在实际的工程实践中，也正是基于这些原理，采用了堵、排、测等各种手段把杂散电流的影响减至最小。
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