淺談雜散電流腐蝕機理及防護措施摘 要 詳細闡述了地鐵雜散電流的形成機理及主要的防護措施。關鍵詞 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(或第三軌)為正極,而走行軌兼作負回流線。由于回流線軌存在著電氣阻抗,牽引電流在回流軌中產生壓降,并且回流軌對地存在著電位差,回流線對道床、周圍土壤介質、地下建筑物、埋設管線存在著一定的泄漏電流,泄漏電流沿地下建筑物、埋設管線等介質至負回饋點附近重新歸入鋼軌,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間隧道主體結構中的鋼筋發生電化學腐蝕,它不僅能縮短金屬管線的使用壽命,而且還會降低地鐵鋼筋混凝土主體結構的強度和耐久性,甚至釀成災難性的事故。如煤氣管道的腐蝕穿孔造成煤氣泄漏、隧道內水管腐蝕穿孔而被迫更換等。另外,地鐵迷流同時也對地鐵沿線城市公用管線和結構鋼筋產生“雜散電流腐蝕”,影響地鐵以外沿線公共設施的安全及壽命。本文結合我公司參與的多條地鐵線施工和運營維護管理的經驗,針對雜散電流腐蝕機理及防護措施方面淺談管見。1 雜散電流腐蝕機理1.1雜散電流腐蝕機理 地鐵迷流對埋地金屬管線和混凝土主體結構中鋼筋的腐蝕在本質上是電化學腐蝕,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中發生的自然腐蝕一樣,都是具有陽極過程和陰極過程的氧化還原反應。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,同時金屬周圍介質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可得地鐵迷流所經過的路徑可概括為兩個串聯的腐蝕電池,即電池Ｉ:Ａ鋼軌(陽極區)+Ｂ道床、土壤+Ｃ金屬管線(陰極區);電池ＩＩ:Ｄ金屬管線(陽極區)+Ｅ土壤、道床+Ｆ鋼軌(陰極區)。當地鐵迷流由圖1中Ａ、Ｄ(陽極區)的鋼軌和金屬管線部位流出時,該部位的金屬鐵便與其周圍電解質發生陽極過程的電解作用,此處的金屬隨即遭到腐蝕。概括起來可將發生腐蝕的氧化還原反應分為兩種:當金屬鐵周圍的介質是酸性電解質,即ｐＨ<7時,發生的氧化還原反應是析氫腐蝕,以Ｈ+為去極化劑;當金屬鐵周圍的介質是堿性電解質,即ｐＨ≥7時,發生的氧化還原反應是吸氧腐蝕,以Ｏ2為去極化劑。1.2雜散電流大小 當鋼軌為懸浮系統時(指全線鋼軌采取對地絕緣,在任何地點不直接接地或通過其它裝置接地),雖然鋼軌對地采取了一系列措施,但鋼軌對地泄漏電阻在工程實施中不可能無限大,一般在5～100Ω·ｋｍ范圍內。同時隨著地鐵運營時間的推移,由于受到不可避免的污染、潮濕、滲水、漏水和高地應力作用等影響,使地鐵車站以及區間隧道中的軌、地絕緣性能降低或先期防護措施失效,勢必增大了由走行軌泄漏到土壤介質中的雜散電流。當列車在兩牽引變電所間運行時,鋼軌電位如圖2所示,列車位置處為陽極區,鋼軌電位為正,牽引變電所附近為陰極區,鋼軌電位為負。鋼軌電位產生的原因是牽引回流在鋼軌上產生了縱向電壓。研究表明,鋼軌電位的大小與鋼軌泄漏電阻的關系不大,當鋼軌對地泄漏電阻在5～100Ω·ｋｍ范圍內變化時,受從牽引變電所至列車位置處的鋼軌縱向電壓鉗制,鋼軌對地電位基本不變。雜散電流的大小,就是圖2中的陰影區段從鋼軌泄漏至地下電流密度的積分,即2 雜散電流防護措施 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地泄漏電阻有關,因此降低鋼軌電位及增大鋼軌泄漏電阻是防護雜散電流的基礎;為雜散電流提供至牽引變電所負極的暢通金屬通路,盡量減少雜散電流流出金屬構件的電流密度,阻止雜散電流對其腐蝕,是防護雜散電流的重要措施。 防護雜散電流一般采取“以防為主,以排為輔,防排結合,加強監測”的綜合防護措施,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地過渡電阻,確保暢通的牽引回流系統,隔離和控制所有的雜散電流泄漏途徑,減少雜散電流進入地鐵的主體結構、設備及相關的設施;(2)排:在回流軌的整體道床中設置雜散電流收集網,通過雜散電流的收集和排流系統,提供雜散電流返回至變電所負極的金屬通路,以減少雜散電流向外泄漏。(3)測:監視和測量雜散電流的大小,為運營維護提供依據,設計完備的雜散電流檢測系統。限于篇幅有限,本文結合“防”和“排”兩方面內容綜合闡述防護雜散電流措施。2.1降低鋼軌電位方案或確保暢通的牽引回流系統措施 在列車運行密度和列車取流一定的情況下,鋼軌電位由供電區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,增設輔助回流線,減小牽引回流通路電阻,運營中正線牽引網盡量采用“雙邊”供電等。 在滿足供電負荷、供電質量及工程投資控制要求前提下,可適當調整變電所數量和設置位置,盡量使牽引變電所布置均勻。 減少以鋼軌縱向電阻為主的回流系統電阻的措施包括正線鋼軌采用重軌,且焊接為無縫長鋼軌,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,回流電纜應與鋼軌可靠焊接,回流電纜根數留有一定裕量;走行軌間設均流線,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銅連接引線可靠焊接。 對于車輛段和停車場,根據實際工程條件,通過設置多個回流點,使牽引電流就近回流,減小回流通路電阻,控制產生雜散電流總量。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的絕緣電阻,二是鋼軌與道床表面的空隙距離及道床環境條件。當然泄漏電阻也受與鋼軌連接電纜絕緣情況、電化區段與非電化區段鋼軌隔離效果等影響。 鋼軌絕緣安裝一般是通過在鋼軌與道床間設絕緣墊,緊固螺栓通過絕緣套管安裝在道床上等措施實現的,并且鋼軌底部與道床之間間隙不得小于《地鐵雜散電流防護規程》中的規定。 由于粉塵、潮濕、油污、風沙雨雪(高架和地面區段)等影響,會降低泄漏電阻,使雜散電流增加。因此道床設計中應設計良好的排水方案,運營中應定期打掃,保持道床的清潔,以避免鋼軌泄漏電阻降低。 另外與軌道專業配合,設計受外界污染影響少、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,便于運營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 雜散電流對金屬結構的腐蝕主要有4個方面:即鋼軌、道床結構鋼筋、隧道結構鋼筋、地網及地鐵外部其他公共設施。雜散電流首先從鋼軌泄漏至道床結構,再從道床結構向其他結構如隧道、車站結構泄漏。 利用整體道床內結構鋼筋的縱向聯通形成電氣連續的雜散電流主收集網,為雜散電流提供第一個電氣通路,雜散電流沿此通路流向牽引變電所方向,流出收集網后至鋼軌,可減少雜散電流由道床向其它結構的泄漏量。 另外在工程條件許可情況下,地下區段道床與隧道(或其他結構間)設置素混凝土層,以增大道床與其他結構間泄漏電阻,減少雜散電流向其他結構泄漏量。 在回流軌下方穿越的金屬管線也要進行絕緣處理,避免雜散電流經此泄漏至其他結構。 主收集網不可能收集所有的雜散電流,其它少量雜散電流繼續泄漏至隧道或其他結構,利用隧道鋼筋(內襯墻鋼筋)縱向聯通形成電氣通路,則成為雜散電流遇到的第二個電氣暢通通路(即輔助收集網),并沿此通路至牽引變電所方向,在牽引變電所區域(陰極區)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。 由外界引入地鐵內或由地鐵內引出至地鐵外的金屬管線均應進行絕緣處理后,方可引入或引出,避免雜散電流經此向地鐵外泄漏。2.4結構鋼筋腐蝕防護措施 金屬構件電化學腐蝕防護是控制金屬體流出至電介質的電流密度在防護范圍之內。主要措施是減少進入金屬體的雜散電流量;為金屬體提供至電源負極的金屬通路,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(結構鋼筋)表面積,控制雜散電流流出至電介質的密度。 地鐵雜散電流防腐蝕對結構鋼筋的保護是分層次的,其重要性對地鐵結構設施而言,其順序是隧道鋼筋、道床鋼筋和鋼軌。鋼軌是可更換設備,道床鋼筋從結構上講可重修,而隧道鋼筋應避免修復。從地鐵結構層次上講,利用腐蝕鈍化原理防腐蝕的重點在道床收集網,隧道收集網是作為后備收集網而起作用。因為盡管靠近鋼軌的道床收集網的截面積相對隧道收集網要小,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,則下層隧道收集網肯定也處于腐蝕鈍化狀態。即只要道床收集網達到了腐蝕防護要求,下層其他結構設施肯定也沒有被雜散電流腐蝕的危險。 利用道床結構鋼筋作為收集網的目的:一是減少雜散電流繼續向下擴散至隧道、車站和大地等結構的數量;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。因為道床結構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內部,可防止雜散電流繼續向本系統以外泄漏。若將道床鋼筋縱向焊接及連接形成一層縱向電氣通路,并得到經計算確定的截面,使得自道床鋼筋流出的電流密度控制在腐蝕鈍化狀態范圍內時,盡管有一定數量雜散電流流出鋼筋,但卻不會使道床結構鋼筋受到腐蝕。 同樣的原理,通過對隧道結構鋼筋進行焊接及連接形成縱向電氣連續通路后,對于從道床鋼筋中繼續泄漏的雜散電流起到二次收集作用,由于隧道結構鋼筋截面更宜做大,從而使其更宜達到腐蝕鈍化狀態。2.5排流柜設置方案 只有當雜散電流從鋼筋流出時才對鋼筋產生腐蝕,而雜散電流流出的區域集中在陰極區(即在牽引變電所附近),若在牽引變電所處將結構鋼筋或其他可能受到雜散電流腐蝕的金屬結構與鋼軌或牽引變電所負母排相連,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,從而在陽極區范圍內大大減小了雜散電流從鋼筋再擴散至混凝土的可能,減少了雜散電流流出鋼筋導致的電化學反應,該方法稱為排流法。 排流法一般有將金屬結構與鋼軌直接在牽引變電所附近相連的直接排流法、加二極管的單向導通排流、加直流電源的強制排流等。但排流法存在如下缺點:當采用排流法時鋼軌系統稱之為接地系統,當有電流從鋼筋沿排流電纜(經二極管)流至負母排時,原來負母排的負電位變為接近零電位,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地電位增加了一倍,兩牽引變電所間幾乎成為陽極區,簡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,在區間的鋼軌腐蝕將上升。所以說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盾構區間防護雜散電流方案盾構法區間隧道迷流設計原理是指將管片內鋼筋全部電氣聯通,并通過鐵墊圈將電氣連接點良好引出。以后在隧道管片的拼裝中通過鐵螺栓和螺母將各隧道管片中鋼筋全部電氣聯通,形成一個等電位的法拉第網,對地鐵雜散電流進行電氣屏蔽,以防止地鐵雜散電流向外泄露和對地鐵基礎結構的腐蝕。但在實際施工過程中,混凝土灌漿于各螺栓之間,僅靠螺栓、螺母的機械連接實現電氣上的完全導通連接是很難的,與管片采用絕緣隔離措施相比,反而更加大了雜散電流對盾構管片內部結構鋼筋的腐蝕風險。2.7高架區段防護雜散電流方案 區間高架橋梁一般采用簡支梁,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散,但若在個別區段采用其他橋梁結構,梁墩間沒有絕緣支座,或高架車站采用“橋建合一”的結構,就必然形成某“點”的集中接地,成為防護雜散電流的薄弱環節。因此,高架區間要采用梁墩間設置橡膠支座的橋梁結構,且高架車站盡量采用“橋建分離”的結構型式。2.8車輛段及停車場雜散電流防護措施 車輛段和停車場均位于地面,經過出入線與正線連接。車輛段內線路主要包括停車列檢庫、月檢庫線路和庫外線路。庫外線路采用碎石道床,無法設置雜散電流收集網,檢修庫內線路較庫外線路防護條件更差,加上車輛段建筑較多,并設有維修基地、生活及工作設備、各類管線較多,運營環境特殊,相對正線來講,車輛段和停車場是防護雜散電流的薄弱環節。 但車輛段和停車場內車速較低,牽引電流較小,雜散電流泄漏水平較低,基于此特點,車輛段和停車場的防護雜散電流措施一般應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)雜散電流主要泄漏總量措施 車輛段(停車場)與正線間設置絕緣軌縫及單向導通裝置,限制正線區段鋼軌電流通過車輛段(停車場)內的鋼軌回流,可降低車輛段(停車場)內部雜散電流泄漏水平;檢修庫、停車庫內外線路間設置絕緣軌縫及單向導通裝置,限制鋼軌電流通過庫內鋼軌泄漏。(2)就近回流措施 車輛段(停車場)范圍較小、線路密集,根據實際工程條件,通過設置多個回流點,使牽引電流就近回流,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 根據車輛段(停車場)內線路密集的特點,可通過均流電纜的適當設置,使鋼軌電流均勻分布,達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 地鐵運營后,每月應定期對全線軌道線路清掃,保持線路清潔干燥。如果全線鋼軌泄漏阻抗普遍降低,簡單清掃或維護不能解決問題,則應開啟牽引變電所的排流柜,使雜散電流收集網與牽引變電所負極柜單向聯通,避免結構鋼筋受迷流腐蝕。 如果綜合測試系統監測到排流柜電流出現異常增大,且持續時間較長,則是回流系統出現電氣導通“斷點”或“集中泄漏區段”所引起,應及時檢查相應區段回流系統,將“斷點”處連接至設計要求標準,或對“集中泄漏點”進行恢復處理,檢查鋼軌是否為積水、灰塵污染或鋼軌安裝絕緣設備損壞引起,并及時清掃或對絕緣設備進行維護。3結束語 隨著我國城市地鐵或輕軌交通快速發展,人們越來越重視地鐵防護雜散電流,需要指出的是地鐵防護雜散電流是個系統工程,需要多個專業在設計、施工和運營共同配合,一方面加強各自專業防護措施,一方面探索更加積極地預防方案。參考文獻〔1〕馬洪儒 北京地下鐵道的雜散電流腐蝕與防護[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方案[Ｊ] 天津理工學院學報,1995,11(2):1～5 〔3〕梁成浩等 雜散電流腐蝕與防護[Ｊ] 化工腐蝕與防護,1994(1):4～8 〔4〕胡 斌 地鐵迷流及上海地鐵的迷流防護措施[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[Ｊ] 天津理工學院學報,1996,12(1):32～36 〔6〕曹楚南 腐蝕電化學[Ｍ] 北京:化學工業出版社,1995,3～19 〔7〕黃可信等 鋼筋混凝土結構中鋼筋腐蝕與保護[Ｍ] 北京:中國建筑工業出版社,1983,1～13 〔8〕ＣＪＪ49—92 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由圖1可得地鐵迷流所經過的路徑可概括為兩個串聯的腐蝕電池,即電池Ｉ:Ａ鋼軌(陽極區)+Ｂ道床、土壤+Ｃ金屬管線(陰極區);電池ＩＩ:Ｄ金屬管線(陽極區)+Ｅ土壤、道床+Ｆ鋼軌(陰極區)。當地鐵迷流由圖1中Ａ、Ｄ(陽極區)的鋼軌和金屬管線部位流出時,該部位的金屬鐵便與其周圍電解質發生陽極過程的電解作用,此處的金屬隨即遭到腐蝕。概括起來可將發生腐蝕的氧化還原反應分為兩種:當金屬鐵周圍的介質是酸性電解質,即ｐＨ<7時,發生的氧化還原反應是析氫腐蝕,以Ｈ+為去極化劑;當金屬鐵周圍的介質是堿性電解質,即ｐＨ≥7時,發生的氧化還原反應是吸氧腐蝕,以Ｏ2為去極化劑。1.2雜散電流大小 當鋼軌為懸浮系統時(指全線鋼軌采取對地絕緣,在任何地點不直接接地或通過其它裝置接地),雖然鋼軌對地采取了一系列措施,但鋼軌對地泄漏電阻在工程實施中不可能無限大,一般在5～100Ω·ｋｍ范圍內。同時隨著地鐵運營時間的推移,由于受到不可避免的污染、潮濕、滲水、漏水和高地應力作用等影響,使地鐵車站以及區間隧道中的軌、地絕緣性能降低或先期防護措施失效,勢必增大了由走行軌泄漏到土壤介質中的雜散電流。當列車在兩牽引變電所間運行時,鋼軌電位如圖2所示,列車位置處為陽極區,鋼軌電位為正,牽引變電所附近為陰極區,鋼軌電位為負。鋼軌電位產生的原因是牽引回流在鋼軌上產生了縱向電壓。研究表明,鋼軌電位的大小與鋼軌泄漏電阻的關系不大,當鋼軌對地泄漏電阻在5～100Ω·ｋｍ范圍內變化時,受從牽引變電所至列車位置處的鋼軌縱向電壓鉗制,鋼軌對地電位基本不變。雜散電流的大小,就是圖2中的陰影區段從鋼軌泄漏至地下電流密度的積分,即2 雜散電流防護措施 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地泄漏電阻有關,因此降低鋼軌電位及增大鋼軌泄漏電阻是防護雜散電流的基礎;為雜散電流提供至牽引變電所負極的暢通金屬通路,盡量減少雜散電流流出金屬構件的電流密度,阻止雜散電流對其腐蝕,是防護雜散電流的重要措施。 防護雜散電流一般采取“以防為主,以排為輔,防排結合,加強監測”的綜合防護措施,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地過渡電阻,確保暢通的牽引回流系統,隔離和控制所有的雜散電流泄漏途徑,減少雜散電流進入地鐵的主體結構、設備及相關的設施;(2)排:在回流軌的整體道床中設置雜散電流收集網,通過雜散電流的收集和排流系統,提供雜散電流返回至變電所負極的金屬通路,以減少雜散電流向外泄漏。(3)測:監視和測量雜散電流的大小,為運營維護提供依據,設計完備的雜散電流檢測系統。限于篇幅有限,本文結合“防”和“排”兩方面內容綜合闡述防護雜散電流措施。2.1降低鋼軌電位方案或確保暢通的牽引回流系統措施 在列車運行密度和列車取流一定的情況下,鋼軌電位由供電區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,增設輔助回流線,減小牽引回流通路電阻,運營中正線牽引網盡量采用“雙邊”供電等。 在滿足供電負荷、供電質量及工程投資控制要求前提下,可適當調整變電所數量和設置位置,盡量使牽引變電所布置均勻。 減少以鋼軌縱向電阻為主的回流系統電阻的措施包括正線鋼軌采用重軌,且焊接為無縫長鋼軌,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,回流電纜應與鋼軌可靠焊接,回流電纜根數留有一定裕量;走行軌間設均流線,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銅連接引線可靠焊接。 對于車輛段和停車場,根據實際工程條件,通過設置多個回流點,使牽引電流就近回流,減小回流通路電阻,控制產生雜散電流總量。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的絕緣電阻,二是鋼軌與道床表面的空隙距離及道床環境條件。當然泄漏電阻也受與鋼軌連接電纜絕緣情況、電化區段與非電化區段鋼軌隔離效果等影響。 鋼軌絕緣安裝一般是通過在鋼軌與道床間設絕緣墊,緊固螺栓通過絕緣套管安裝在道床上等措施實現的,并且鋼軌底部與道床之間間隙不得小于《地鐵雜散電流防護規程》中的規定。 由于粉塵、潮濕、油污、風沙雨雪(高架和地面區段)等影響,會降低泄漏電阻,使雜散電流增加。因此道床設計中應設計良好的排水方案,運營中應定期打掃,保持道床的清潔,以避免鋼軌泄漏電阻降低。 另外與軌道專業配合,設計受外界污染影響少、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,便于運營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 雜散電流對金屬結構的腐蝕主要有4個方面:即鋼軌、道床結構鋼筋、隧道結構鋼筋、地網及地鐵外部其他公共設施。雜散電流首先從鋼軌泄漏至道床結構,再從道床結構向其他結構如隧道、車站結構泄漏。 利用整體道床內結構鋼筋的縱向聯通形成電氣連續的雜散電流主收集網,為雜散電流提供第一個電氣通路,雜散電流沿此通路流向牽引變電所方向,流出收集網后至鋼軌,可減少雜散電流由道床向其它結構的泄漏量。 另外在工程條件許可情況下,地下區段道床與隧道(或其他結構間)設置素混凝土層,以增大道床與其他結構間泄漏電阻,減少雜散電流向其他結構泄漏量。 在回流軌下方穿越的金屬管線也要進行絕緣處理,避免雜散電流經此泄漏至其他結構。 主收集網不可能收集所有的雜散電流,其它少量雜散電流繼續泄漏至隧道或其他結構,利用隧道鋼筋(內襯墻鋼筋)縱向聯通形成電氣通路,則成為雜散電流遇到的第二個電氣暢通通路(即輔助收集網),并沿此通路至牽引變電所方向,在牽引變電所區域(陰極區)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。 由外界引入地鐵內或由地鐵內引出至地鐵外的金屬管線均應進行絕緣處理后,方可引入或引出,避免雜散電流經此向地鐵外泄漏。2.4結構鋼筋腐蝕防護措施 金屬構件電化學腐蝕防護是控制金屬體流出至電介質的電流密度在防護范圍之內。主要措施是減少進入金屬體的雜散電流量;為金屬體提供至電源負極的金屬通路,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(結構鋼筋)表面積,控制雜散電流流出至電介質的密度。 地鐵雜散電流防腐蝕對結構鋼筋的保護是分層次的,其重要性對地鐵結構設施而言,其順序是隧道鋼筋、道床鋼筋和鋼軌。鋼軌是可更換設備,道床鋼筋從結構上講可重修,而隧道鋼筋應避免修復。從地鐵結構層次上講,利用腐蝕鈍化原理防腐蝕的重點在道床收集網,隧道收集網是作為后備收集網而起作用。因為盡管靠近鋼軌的道床收集網的截面積相對隧道收集網要小,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,則下層隧道收集網肯定也處于腐蝕鈍化狀態。即只要道床收集網達到了腐蝕防護要求,下層其他結構設施肯定也沒有被雜散電流腐蝕的危險。 利用道床結構鋼筋作為收集網的目的:一是減少雜散電流繼續向下擴散至隧道、車站和大地等結構的數量;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。因為道床結構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內部,可防止雜散電流繼續向本系統以外泄漏。若將道床鋼筋縱向焊接及連接形成一層縱向電氣通路,并得到經計算確定的截面,使得自道床鋼筋流出的電流密度控制在腐蝕鈍化狀態范圍內時,盡管有一定數量雜散電流流出鋼筋,但卻不會使道床結構鋼筋受到腐蝕。 同樣的原理,通過對隧道結構鋼筋進行焊接及連接形成縱向電氣連續通路后,對于從道床鋼筋中繼續泄漏的雜散電流起到二次收集作用,由于隧道結構鋼筋截面更宜做大,從而使其更宜達到腐蝕鈍化狀態。2.5排流柜設置方案 只有當雜散電流從鋼筋流出時才對鋼筋產生腐蝕,而雜散電流流出的區域集中在陰極區(即在牽引變電所附近),若在牽引變電所處將結構鋼筋或其他可能受到雜散電流腐蝕的金屬結構與鋼軌或牽引變電所負母排相連,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,從而在陽極區范圍內大大減小了雜散電流從鋼筋再擴散至混凝土的可能,減少了雜散電流流出鋼筋導致的電化學反應,該方法稱為排流法。 排流法一般有將金屬結構與鋼軌直接在牽引變電所附近相連的直接排流法、加二極管的單向導通排流、加直流電源的強制排流等。但排流法存在如下缺點:當采用排流法時鋼軌系統稱之為接地系統,當有電流從鋼筋沿排流電纜(經二極管)流至負母排時,原來負母排的負電位變為接近零電位,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地電位增加了一倍,兩牽引變電所間幾乎成為陽極區,簡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,在區間的鋼軌腐蝕將上升。所以說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盾構區間防護雜散電流方案盾構法區間隧道迷流設計原理是指將管片內鋼筋全部電氣聯通,并通過鐵墊圈將電氣連接點良好引出。以后在隧道管片的拼裝中通過鐵螺栓和螺母將各隧道管片中鋼筋全部電氣聯通,形成一個等電位的法拉第網,對地鐵雜散電流進行電氣屏蔽,以防止地鐵雜散電流向外泄露和對地鐵基礎結構的腐蝕。但在實際施工過程中,混凝土灌漿于各螺栓之間,僅靠螺栓、螺母的機械連接實現電氣上的完全導通連接是很難的,與管片采用絕緣隔離措施相比,反而更加大了雜散電流對盾構管片內部結構鋼筋的腐蝕風險。2.7高架區段防護雜散電流方案 區間高架橋梁一般采用簡支梁,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散,但若在個別區段采用其他橋梁結構,梁墩間沒有絕緣支座,或高架車站采用“橋建合一”的結構,就必然形成某“點”的集中接地,成為防護雜散電流的薄弱環節。因此,高架區間要采用梁墩間設置橡膠支座的橋梁結構,且高架車站盡量采用“橋建分離”的結構型式。2.8車輛段及停車場雜散電流防護措施 車輛段和停車場均位于地面,經過出入線與正線連接。車輛段內線路主要包括停車列檢庫、月檢庫線路和庫外線路。庫外線路采用碎石道床,無法設置雜散電流收集網,檢修庫內線路較庫外線路防護條件更差,加上車輛段建筑較多,并設有維修基地、生活及工作設備、各類管線較多,運營環境特殊,相對正線來講,車輛段和停車場是防護雜散電流的薄弱環節。 但車輛段和停車場內車速較低,牽引電流較小,雜散電流泄漏水平較低,基于此特點,車輛段和停車場的防護雜散電流措施一般應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)雜散電流主要泄漏總量措施 車輛段(停車場)與正線間設置絕緣軌縫及單向導通裝置,限制正線區段鋼軌電流通過車輛段(停車場)內的鋼軌回流,可降低車輛段(停車場)內部雜散電流泄漏水平;檢修庫、停車庫內外線路間設置絕緣軌縫及單向導通裝置,限制鋼軌電流通過庫內鋼軌泄漏。(2)就近回流措施 車輛段(停車場)范圍較小、線路密集,根據實際工程條件,通過設置多個回流點,使牽引電流就近回流,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 根據車輛段(停車場)內線路密集的特點,可通過均流電纜的適當設置,使鋼軌電流均勻分布,達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 地鐵運營后,每月應定期對全線軌道線路清掃,保持線路清潔干燥。如果全線鋼軌泄漏阻抗普遍降低,簡單清掃或維護不能解決問題,則應開啟牽引變電所的排流柜,使雜散電流收集網與牽引變電所負極柜單向聯通,避免結構鋼筋受迷流腐蝕。 如果綜合測試系統監測到排流柜電流出現異常增大,且持續時間較長,則是回流系統出現電氣導通“斷點”或“集中泄漏區段”所引起,應及時檢查相應區段回流系統,將“斷點”處連接至設計要求標準,或對“集中泄漏點”進行恢復處理,檢查鋼軌是否為積水、灰塵污染或鋼軌安裝絕緣設備損壞引起,并及時清掃或對絕緣設備進行維護。3結束語 隨著我國城市地鐵或輕軌交通快速發展,人們越來越重視地鐵防護雜散電流,需要指出的是地鐵防護雜散電流是個系統工程,需要多個專業在設計、施工和運營共同配合,一方面加強各自專業防護措施,一方面探索更加積極地預防方案。參考文獻〔1〕馬洪儒 北京地下鐵道的雜散電流腐蝕與防護[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方案[Ｊ] 天津理工學院學報,1995,11(2):1～5 〔3〕梁成浩等 雜散電流腐蝕與防護[Ｊ] 化工腐蝕與防護,1994(1):4～8 〔4〕胡 斌 地鐵迷流及上海地鐵的迷流防護措施[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[Ｊ] 天津理工學院學報,1996,12(1):32～36 〔6〕曹楚南 腐蝕電化學[Ｍ] 北京:化學工業出版社,1995,3～19 〔7〕黃可信等 鋼筋混凝土結構中鋼筋腐蝕與保護[Ｍ] 北京:中國建筑工業出版社,1983,1～13 〔8〕ＣＪＪ49—92 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