摘 要：人們注意軌道交通系統(tǒng)直流牽引產(chǎn)生的雜散電流會(huì)到引起埋地金屬管線(xiàn)和金屬結(jié)構(gòu)的劇烈腐蝕已經(jīng)有近一百年，如何防止雜散電流的腐蝕在國(guó)外已做了大量的研究。但國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還很不夠，本文首先簡(jiǎn)要介紹了雜散電流腐蝕的歷史背景，接著對(duì)雜散電流的腐蝕機(jī)理、防護(hù)技術(shù)和監(jiān)測(cè)等進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：軌道交通、雜散電流、腐蝕控制

1.引言 在城市地鐵和輕軌等軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，一般采用直流牽引，走行軌回流，因此，不可避免會(huì)有電流從走行軌泄入大地，對(duì)地下或地面的金屬構(gòu)件如結(jié)構(gòu)鋼筋、地下管線(xiàn)等產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕。國(guó)內(nèi)外都有大量這方面的報(bào)道。腐蝕不僅造成大量的金屬損失，更為嚴(yán)重的是，由于腐蝕的隱蔽性和突發(fā)性，一旦發(fā)生事故，往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，如煤氣或石油管道的腐蝕穿孔；結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕，會(huì)破壞混凝土的整體性，降低其強(qiáng)度和耐久性，給安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)雜散電流腐蝕必須給予足夠的重視。國(guó)外對(duì)地鐵雜散電流的腐蝕都做了較為深入的研究，但國(guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究還很欠缺。軌道交通系統(tǒng)中機(jī)車(chē)是一個(gè)運(yùn)動(dòng)變化的負(fù)荷，地鐵雜散電流腐蝕的介質(zhì)一般為土壤，情況千差萬(wàn)別，影響腐蝕過(guò)程的因素太多，并隨時(shí)間變化，在理論分析的基礎(chǔ)上結(jié)合大量調(diào)查研究和試驗(yàn)，才能提出有針對(duì)性的治理雜散電流的技術(shù)和方法。在分析清楚雜散電流分布的情況下，對(duì)新建的軌道交通系統(tǒng)，要在設(shè)計(jì)、施工各個(gè)階段，從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)不同的線(xiàn)路施工方法、線(xiàn)路方案、地質(zhì)狀況、不同的供電方案，相關(guān)的專(zhuān)業(yè)都要采取相應(yīng)的技術(shù)措施，盡量減少雜散電流。對(duì)已建成的線(xiàn)路或因某些原因絕緣下降而產(chǎn)生雜散電流后，應(yīng)對(duì)雜散電流腐蝕的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采取有針對(duì)性的措施減少雜散電流對(duì)金屬結(jié)構(gòu)和管線(xiàn)的腐蝕。 2. 歷史背景 世界上第一條電氣化軌道交通系統(tǒng)1835年在美國(guó)建設(shè)(Brandon， Vermont)，該系統(tǒng)運(yùn)行在一個(gè)環(huán)形軌道上，由一個(gè)蓄電池提供動(dòng)力，由于蓄電池需要不斷充電，不適合于商業(yè)運(yùn)行。直到十九世紀(jì)末由于發(fā)電機(jī)的發(fā)展，它能夠提供持續(xù)的電力，電氣化的軌道交通系統(tǒng)在商業(yè)上才變得可行。 1888年在維吉尼亞州美國(guó)第一條商業(yè)運(yùn)行的電氣化鐵道投入運(yùn)行(Richmond， Virginia)，在十年內(nèi)，在美國(guó)有數(shù)千公里的電氣化鐵路投入運(yùn)行，幾乎同時(shí)，人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)在電氣化鐵道的附近的地下管線(xiàn)和電纜遭到嚴(yán)重腐蝕，此外鐵路當(dāng)局也注意到鐵軌和道釘遭到腐蝕的情況。起初，人們認(rèn)為腐蝕是由土壤的化學(xué)成分造成的，很快人們就得出結(jié)論，土壤的化學(xué)組成不可能造成如此嚴(yán)重的腐蝕，此后的一些調(diào)查發(fā)現(xiàn)，從電氣化鐵路運(yùn)行軌道泄漏的電流是造成腐蝕的主要原因。 許多早期的研究提出了一些切實(shí)可行的在當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件下可能最好的消除雜散電流影響的工程解決方案。但大多數(shù)方案都會(huì)對(duì)附近的設(shè)施造成災(zāi)難性的影響，一個(gè)常見(jiàn)的做法是將軌道連接到附近的與之平行的水管或其它管線(xiàn)上，想法是給電流提供一個(gè)金屬通路，減少通過(guò)鐵軌和其它鐵路結(jié)構(gòu)的電流。這種方法雖然減輕了雜散電流對(duì)鐵路結(jié)構(gòu)本身的腐蝕，但由于將軌道連接到附近的設(shè)施上，必然有電流通過(guò)臨近的設(shè)施，在電流離開(kāi)返回軌道時(shí)，將會(huì)對(duì)臨近的結(jié)構(gòu)造成腐蝕。直到1910年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)11年的關(guān)于雜散電流腐蝕的研究。1921年推薦采用下列方法在軌道交通公司一方減少雜散電流的泄漏： 1. 足夠的雙軌間的連接。 2. 在考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)的情況下，盡量減小變電所之間的距離。 3. 隔離負(fù)饋線(xiàn)（鋼軌）。 4. 使用四軌牽引供電系統(tǒng)。 前三項(xiàng)措施被應(yīng)用在許多軌道交通系統(tǒng)中，使雜散電流下降。第四項(xiàng)措施沒(méi)有被廣泛采用，可能是因?yàn)榻ㄔO(shè)第四軌需要增加投資。不久就意識(shí)到雜散電流腐蝕依然發(fā)生，仍然需要采取進(jìn)一步的措施控制雜散電流的泄漏，特別是地下的結(jié)構(gòu)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的報(bào)告推薦了幾條對(duì)地下結(jié)構(gòu)適用的措施，它們是： 1. 在軌道附近的新建結(jié)構(gòu)要仔細(xì)選擇位置。 2. 避免電纜與管線(xiàn)和其它結(jié)構(gòu)接觸。 3. 管線(xiàn)和電纜的金屬鎧裝要絕緣。 4. 對(duì)結(jié)構(gòu)使用絕緣涂層。 5. 使受腐蝕影響的結(jié)構(gòu)相互連接并與地鐵的回流電路相連 這些措施代表了當(dāng)時(shí)最好的減少雜散電流和腐蝕方法。其基本原理到目前為止仍然有效，并且形成了當(dāng)今雜散電流控制設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。然而對(duì)上述第5項(xiàng)措施需進(jìn)一步說(shuō)明，地鐵結(jié)構(gòu)和回流電路之間的連接只能作為其它措施的補(bǔ)充或一個(gè)臨時(shí)措施。因?yàn)樗档土嘶亓鞯碾娮柙黾恿穗s散電流的數(shù)量，排流不應(yīng)作為高軌地電阻的替代。現(xiàn)代的排流也不是簡(jiǎn)單的直接排流，而往往是將排流和軌道電位的限制與接地結(jié)合等綜合考慮的智能排流。 1920年以后，電氣化軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)數(shù)量大幅下降，雜散電流腐蝕問(wèn)題沒(méi)有能夠進(jìn)一步的深入研究。直到二十世紀(jì)50年代和60年代，大量新建的快速軌道交通系統(tǒng)，大大增加了雜散電流的腐蝕，使雜散電流腐蝕和控制又成為一個(gè)重要的課題。 3.雜散電流腐蝕機(jī)理 金屬材料與其環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)的和電化學(xué)的反應(yīng)而引起材料的退化和破壞稱(chēng)為金屬的腐蝕。與機(jī)械磨損不同，多數(shù)情況下，金屬材料的腐蝕破壞是由于它逐漸喪失了金屬特性，由單質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃W(xué)上更為穩(wěn)定的化合態(tài)。腐蝕過(guò)程中金屬原子丟失電子，發(fā)生了氧化反應(yīng)，金屬腐蝕的必要條件是存在氧化劑。金屬腐蝕有不同的分類(lèi)方法，按照反應(yīng)的化學(xué)屬性可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。 化學(xué)腐蝕是金屬表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生直接的化學(xué)反應(yīng)而引起的破壞，其特點(diǎn)是反應(yīng)過(guò)程中沒(méi)有電流產(chǎn)生。電化學(xué)腐蝕是金屬在電解質(zhì)溶液或潮濕金屬表面發(fā)生的破壞。與化學(xué)腐蝕相比電化學(xué)腐蝕在進(jìn)行過(guò)程中有電流產(chǎn)生。 電化學(xué)腐蝕的發(fā)生一般應(yīng)具備以下四個(gè)缺一不可條件： 1. 必須有陰極和陽(yáng)極。 2. 陰極和陽(yáng)極之間必須有電位差。 3. 陰極和陽(yáng)極之間必須有金屬的電流通道。 4. 陰極和陽(yáng)極必須浸在電解質(zhì)中，該電解質(zhì)中有流動(dòng)的自由離子。 一旦具備以上條件，腐蝕電池即形成。換言之，金屬開(kāi)始發(fā)生電化學(xué)腐蝕。然而，上述四項(xiàng)條件中，我們只要阻止其中一項(xiàng)，即可阻止金屬的電化學(xué)腐蝕。而電化學(xué)腐蝕是軌道交通系統(tǒng)金屬腐蝕的主要腐蝕形式。雜散電流又稱(chēng)迷流，雜散電流引起的腐蝕比自然腐蝕要?jiǎng)×业枚唷ｋs散電流一旦流入埋地金屬體，再?gòu)慕饘袤w流出，進(jìn)入大地或水中，則在電流流出的部位（陽(yáng)極區(qū)）發(fā)生腐蝕。在陽(yáng)極，金屬被氧化形成離子進(jìn)入電解質(zhì)，同時(shí)釋放電子，對(duì)鐵來(lái)說(shuō)，一般反應(yīng)如下：

2 Fe ? 2 Fe2+ + 4 e–

在充氣的電解質(zhì)中，在陰極發(fā)生如下反應(yīng)：

O2 + H2O + 4 e– ? 4 OH–.

在缺氧或酸性環(huán)境中，將發(fā)生如下反應(yīng)，有氫氣析出：

4 H2O+4 e– ? 4 OH–+2 H2

鐵離子和氫氧根離子生成氫氧化亞鐵，或進(jìn)一步生成我們經(jīng)常看到的鐵銹。 由雜散電流引起的腐蝕簡(jiǎn)稱(chēng)電蝕，有如下特點(diǎn)： 腐蝕激烈 腐蝕集中于局部位置 當(dāng)有防腐層時(shí)，往往集中于防腐層的缺陷部位

參考文獻(xiàn) [1] Dr. Thomas J. Barlo and Dr. Alan D. Zdunek，Stray Current Corrosion in Electrified Rail Systems -- Final Report， May 1995 [2] 北京地下鐵道科學(xué)技術(shù)研究所，地鐵雜散電流防護(hù)技術(shù)規(guī)程，北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1993 [3] 胡士信，陰極保護(hù)工程手冊(cè)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999