地鐵雜散電流對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的腐蝕

摘 要

摘要：分析了地鐵雜散電流的形成、對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的腐蝕機理及腐蝕特點，探討了寧波市地鐵雜散電流的防護措施，對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的地鐵雜散電流腐蝕防護提出了建議。關(guān)鍵詞
摘要：分析了地鐵雜散電流的形成、對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的腐蝕機理及腐蝕特點，探討了寧波市地鐵雜散電流的防護措施，對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的地鐵雜散電流腐蝕防護提出了建議。
關(guān)鍵詞：地鐵雜散電流；埋地鋼質(zhì)燃氣管道；腐蝕機理；腐蝕特點；腐蝕防護
Corrosion of Subway Stray Current on Buried Steel Gas Pipeline
JIN Xingqun
Abstract：The formation of subway stray current as well as the mechanism and characteristics of its corrosion on buried steel gas pipeline are analyzed.The prevention measures of subway stray current in Ningbo City are discussed，and suggestions for preventing subway stray current corrosion on buried steel gas pipeline are put forward.
Key words：subway stray current；buried steel gas pipeline；corrosion mechanism；corrosion characteristics；corrosion prevention
1 概述
   地鐵作為一種成熟的交通方式，以快捷、便利、充分利用城市有限空間等優(yōu)點，近年來在我國各大城市得到了快速發(fā)展。與此同時，天然氣事業(yè)也處于蓬勃發(fā)展階段，已經(jīng)或?qū)霈F(xiàn)很多地鐵線路與埋地鋼質(zhì)燃氣管道平行敷設(shè)或交叉穿越的情況。地鐵一般采用直流電力牽引，其產(chǎn)生的雜散電流可能造成管道防腐層破損、剝離以及管道腐蝕、穿孔。為了保障燃氣管道的安全運營，關(guān)于地鐵雜散電流對埋地鋼質(zhì)燃氣管道腐蝕的影響研究顯得迫切而又重要。
鑒于此，本文對地鐵雜散電流的形成、腐蝕機理及腐蝕特點進行分析，并結(jié)合寧波市地鐵1號線一期工程雜散電流防護情況，對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的地鐵雜散電流腐蝕防護提出建議。
2 地鐵雜散電流的形成、腐蝕機理及特點
2.1 地鐵雜散電流的形成[1]
    雜散電流是由外部電流源被強制施加到金屬構(gòu)件上的直流電流產(chǎn)生的。直流牽引地鐵系統(tǒng)的饋電回路與雜散電流的形成見圖1。變電所將交流電變換為直流電，經(jīng)饋電線(接觸網(wǎng))向列車輸送電流，電流又經(jīng)走行軌及與之相連的導(dǎo)線構(gòu)成的返回線返回至變電所。返回線具有電阻并承載電流，因此在返回線上產(chǎn)生壓降，使走行軌具有對大地的電壓。走行軌與大地之間并非絕對絕緣，而是有一定的對地電阻，走行軌電壓與對地電阻的存在必然導(dǎo)致向大地泄漏電流，即雜散電流。

2.2 地鐵雜散電流的腐蝕機理[2～3]
    地鐵雜散電流對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的腐蝕機理見圖1。雜散電流一旦流入埋地燃氣管道，再從燃氣管道流出，進入土壤中，則在電流流出部位(陽極區(qū))發(fā)生腐蝕。土壤中的雜散電流可能在管道絕緣層破損點A處流入管道，沿管道流動后，從絕緣層破損點B處離開，流回電勢更負的變電所。在這種情況下，管道陽極區(qū)(即點B處)將發(fā)生雜散電流腐蝕。
    雜散電流從土壤流入埋地鋼質(zhì)燃氣管道的部位帶負電，為陰極區(qū)。陰極區(qū)的金屬管道一般不受影響，但電位過負時，管道表面會析氫，造成防腐絕緣層損壞剝落。雜散電流從管道防腐絕緣層破損點流出，此處管道帶正電，為陽極區(qū)，以鐵離子形式溶入周圍的電解質(zhì)溶液中，從而使陽極區(qū)的金屬管道發(fā)生腐蝕。
    在陽極區(qū)，金屬變成離子進入電解質(zhì)溶液，同時釋放電子。對鐵來說，一般反應(yīng)為：
    Fe→Fe2++2e-
    在充氣的電解質(zhì)溶液中，在陰極區(qū)發(fā)生如下反應(yīng)：
   02+2H20+4e-→40H-
    在缺氧或酸性環(huán)境中，在陰極區(qū)將發(fā)生如下反應(yīng)，有氫氣析出：
    2H20+2e-→20H-+H2
金屬遭受腐蝕損失的質(zhì)量與雜散電流成正比，服從法拉第定律，公式為：
 
式中m——金屬遭受腐蝕損失的質(zhì)量，g
    M——金屬的摩爾質(zhì)量，g/mol
    I——雜散電流，A
    t——腐蝕時間，s
    Q——金屬離子的電荷數(shù)(腐蝕作用中金屬的原子價)
    F——法拉第常量，為96500C/mol
    由式(1)可知，1A雜散電流1年腐蝕損失的鋼鐵質(zhì)量達9kg。在一個地鐵輕軌系統(tǒng)中，如果供給牽引機車的電流為5000A，其中有5%的回流成為雜散電流，那么每年雜散電流將腐蝕掉2250kg鋼鐵。即使只有1%的回流成為雜散電流，也將腐蝕掉相當于9m長的鋼軌(50kg/m)。
2.3 雜散電流的腐蝕特點
    ① 腐蝕強度大，危害大。埋地鋼質(zhì)燃氣管道在沒有雜散電流干擾時，只有自然腐蝕，大部分為原電池型，驅(qū)動電位差很小，腐蝕電流也很??；而雜散電流干擾腐蝕是電解池原理，電位差和電流均較大，引起的腐蝕嚴重得多。
    ② 范圍廣，隨機性強。雜散電流干擾腐蝕范圍廣，特別是地鐵雜散電流，幾乎影響整個城區(qū)的地下金屬燃氣管道。走行軌與大地的絕緣電阻、管道的防腐絕緣層電阻、土壤電阻率、電流等都是變化的，因此雜散電流流向也是隨機的。
    ③ 腐蝕集中于局部位置，如防腐層的缺陷部位，常常會引起嚴重的坑蝕，導(dǎo)致很快穿孔。
    香港曾因地鐵雜散電流引起煤氣管道腐蝕穿孔，造成煤氣泄漏事故；北京、天津地鐵雜散電流已造成隧道內(nèi)水管腐蝕穿孔；據(jù)東北輸油管理局統(tǒng)計，東北地區(qū)共有長輸油管道約2000km，其中80%的腐蝕穿孔事故來自雜散電流的影響[4]。地鐵雜散電流對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的腐蝕穿孔見圖2，地鐵雜散電流對金屬管道的強烈腐蝕作用可見一斑。
 

2.4 腐蝕判斷標準
    通常采用管道對地電位來判斷是否存在地鐵雜散電流干擾腐蝕埋地鋼質(zhì)燃氣管道，見文獻[5]。
    ① 處于直流電氣鐵路、陰極保護系統(tǒng)及其他直流干擾源附近的管道，當管道上任意點的管地電位較自然電位正向偏移20mV時，或管道附近土壤的電位梯度大于0.5mV/m時，就確認有直流干擾。
    ② 當管道上任意點管地電位較自然電位正向偏移100mV時，或管道附近土壤的電位梯度大于2.5mV/m時，應(yīng)及時對管道采取直流排流保護或其他防護措施。
3 寧波市地鐵雜散電流的防護措施
    目前國內(nèi)各大城市已經(jīng)提出了很多實際又有效的雜散電流防護措施[6～7]。筆者對寧波市地鐵1號線的雜散電流防護措施進行分析，雜散電流防護系統(tǒng)見圖3。

   由牽引變電所出來的直流電通過接觸網(wǎng)流向地鐵列車，并通過走行軌返回到牽引變電所。其中一部分電流由走行軌流入道床，并由道床流向結(jié)構(gòu)鋼筋，形成雜散電流。為了將這些雜散電流回收到牽引變電所內(nèi)，通過道床鋼筋排流網(wǎng)和結(jié)構(gòu)鋼筋排流網(wǎng)，建立起雜散電流的收集網(wǎng)，雜散電流通過收集網(wǎng)并經(jīng)走行軌流回牽引變電所。同時，對道床鋼筋及結(jié)構(gòu)鋼筋均進行雜散電流監(jiān)測。
3.1 設(shè)計思路及原則
   ① 雜散電流防護按照“以防為主、以排為輔、防排結(jié)合、加強監(jiān)測”的原則進行設(shè)計。“防”就是采取隔離、控制所有可能的雜散電流泄漏途徑，減少雜散電流進入地鐵主體結(jié)構(gòu)鋼筋及設(shè)備；“排”就是通過雜散電流的收集及排流系統(tǒng)，提供雜散電流返回牽引變電所的通路，以限制雜散電流繼續(xù)向地鐵系統(tǒng)以外泄漏，減少雜散電流對金屬管道及金屬構(gòu)件的腐蝕；“測”就是設(shè)置完備的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測雜散電流的大小，為運營維護提供依據(jù)。
   ② 在保證雜散電流腐蝕防護成功實施的基礎(chǔ)上，盡量減少投資額。
3.2 具體防護措施
   ① 對走行軌的要求
   根據(jù)CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》的要求，為保證單位長度(1km)走行軌對地電阻不小于15Ω，走行軌必須采用絕緣安裝；安裝時采用絕緣水平較高的絕緣材質(zhì)；正線走行軌采用60kg/m的重軌，并焊接成無縫鋼軌。
   ② 對道床的要求
   要求排水溝通暢，盡量減少道床潮濕情況的發(fā)生。
    ③ 對供電系統(tǒng)的要求
    要求牽引變電所布置間距盡量減小，使軌道回流電流相對減小，從而降低雜散電流泄漏量；全線各站上、下行走行軌間均設(shè)均流線，保持軌道回流的均勻通暢。
    ④ 雜散電流排流
   利用整體道床內(nèi)的鋼筋進行電氣連接，形成電氣通路，建立起雜散電流的收集網(wǎng)，使雜散電流從走行軌流向道床后，通過收集網(wǎng)并經(jīng)走行軌流回牽引變電所。
   ⑤ 雜散電流監(jiān)測
   雜散電流監(jiān)測裝置實時監(jiān)測地鐵道床鋼筋及結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位。當監(jiān)測到道床鋼筋極化電位超標時，及時啟動排流柜進行排流；當監(jiān)測到結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位超標時，將采取相應(yīng)措施提高走行軌對地絕緣水平。
4 地鐵雜散電流腐蝕的防護對策
    寧波市地鐵雜散電流防護設(shè)計方案并沒有對地鐵外圍管線做過特殊設(shè)計，而燃氣管道安全與市民生命財產(chǎn)及生活息息相關(guān)，因此有必要從燃氣管道自身防護的角度，提出幾點建議：
    ① 由于聚乙烯管具有耐腐蝕、施工簡便等優(yōu)點，近年來在城市中壓燃氣管道中廣泛應(yīng)用，其對雜散電流具有防護能力，因而在市區(qū)，特別是地鐵附近的埋地燃氣管道，應(yīng)盡量考慮使用聚乙烯管。
    ② 如果管道防腐層完好無損，雜散電流進入管道腐蝕是很困難的。一旦防腐層破損，將形成多種腐蝕(如細菌腐蝕、化學(xué)腐蝕等)，使破損程度加大，形成漏點，連成雜散電流的通路，導(dǎo)致管道腐蝕穿孔。因此燃氣公司應(yīng)優(yōu)先采用防腐等級高的防腐層；在管道敷設(shè)過程中，技術(shù)管理人員要嚴格把關(guān)，施工人員要認真負責，保證防腐層完好。
    ③ 對地鐵等軌道交通設(shè)施附近、雜散電流干擾比較嚴重的地區(qū)的燃氣管道，應(yīng)采用犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)，如有必要還需對特殊地段采取強制排流等措施。
    ④ 采取各類管網(wǎng)綜合防護和動態(tài)管理相結(jié)合的措施。在雜散電流干擾區(qū)域，如果只對一種管道進行防護，必將加重其他埋地金屬管道的腐蝕程度。只有把這一區(qū)域內(nèi)的地下管道、電纜等統(tǒng)一考慮，綜合排流和防護，才能效果顯著。
    ⑤ 燃氣公司應(yīng)該借鑒軌道交通部門對軌道交通金屬結(jié)構(gòu)的監(jiān)測方法，對燃氣管道進行實時監(jiān)測，尤其是腐蝕比較嚴重的地區(qū)。一旦發(fā)生嚴重腐蝕，就采取及時有效的措施進行防護和處理。
    ⑥ 地鐵雜散電流對埋地鋼質(zhì)燃氣管道的腐蝕已經(jīng)成為共識，應(yīng)該引起軌道交通部門和燃氣公司雙方的重視。通過技術(shù)交流和廣泛溝通，采取措施將地鐵雜散電流對燃氣管道的影響降到最小，保障廣大市民的人身安全。
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(本文作者：金醒群 寧波興光燃氣集團公司 浙江寧波 315000)