地鐵雜散電流對鋼質(zhì)埋地燃氣管道的腐蝕

摘 要

摘要：分析了地鐵雜散電流對鋼制埋地燃氣管道的腐蝕機理及危害，并簡述了寧波市地鐵雜散電流的防護措施，最后針對鋼制埋地燃氣管道的防護提出幾點建議。關(guān)鍵詞：地鐵；雜散電流；鋼制埋
摘要：分析了地鐵雜散電流對鋼制埋地燃氣管道的腐蝕機理及危害，并簡述了寧波市地鐵雜散電流的防護措施，最后針對鋼制埋地燃氣管道的防護提出幾點建議。
關(guān)鍵詞：地鐵；雜散電流；鋼制埋地燃氣管道；腐蝕防護
Influence of Subway Stray Current Corrosion on Buried Gas Metal Pipeline
Abstract：The mechanism and influence of subway stray current corrosion on buried gas metal pipeline is analyzed，and the protection measures of stray current corrosion in Ningbo is narrated briefly.Lastly，some protection suggestions are put forward.
Keywords：Subway；Stray Current；Buried Gas Metal Pipeline；Protection of Corrosion
   1 引言
   地鐵作為一種成熟的交通方式，以其快捷、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制燃氣管道平行敷設(shè)或交叉穿越的情況。而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)于地鐵雜散電流對鋼質(zhì)埋地燃氣管道腐蝕的影響研究顯得迫切而又重要。
   鑒于此，本文從雜散電流產(chǎn)生的源頭入手，分析地鐵雜散電流的機理，并結(jié)合寧波市地鐵1號線一期工程雜散電流防護情況，針對鋼制埋地燃氣管道的防護提出建議。
   2 地鐵雜散電流的形成、腐蝕機理及危害
   2.1 地鐵雜散電流的形成
雜散電流產(chǎn)生是來自外部電流源被強制施加到金屬構(gòu)件上的直流電流。直流牽引地鐵系統(tǒng)的饋電回路與雜散電流的產(chǎn)生如圖1所示。變電站將交流電變換為直流電，經(jīng)由饋電線(接觸網(wǎng))向列車輸送電流，并由走行軌及與之相連的導(dǎo)線構(gòu)成的返回線返回。由于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。走行軌與地之間并非絕對絕緣，而是有一定的對地電阻，鋼軌電壓與對地電阻的存在時必然導(dǎo)致對大地的泄漏電流，即雜散電流。
 

    2.2 地鐵雜散電流的腐蝕機理
    直流牽引地鐵雜散電流引起的腐蝕機理如圖1所示。雜散電流一旦流入埋地燃氣管線，從燃氣管線流出，進入大地或水中，則在電流流出的部位(陽極區(qū))發(fā)生腐蝕。土壤中的雜散電流可能在管線絕緣層損壞的點(稱之為漏點)A處流入管線，然后沿管線流動，從另一處絕緣層損壞點B處離開管線，流回電勢更負的變電所。在這種情況下，管線陽極部分，即電流離開管線之B處，即發(fā)生雜散電流腐蝕。
   雜散電流從土壤流入鋼制埋地燃氣管道的地方帶有負電荷為陰極區(qū)，在陰極區(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處流出，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)中，從而使陽極區(qū)的金屬管道腐蝕。
   其中，在陽極，金屬被還原形成離子進入電解質(zhì)，同時釋放電子，對鐵來說，一般反應(yīng)如下：
    Fe→Fe2++2e    (1)
   在充氣的電解質(zhì)中，在陰極發(fā)生如下反應(yīng)：
    O2+2H2O+4e→40H-    (2)
在缺氧或酸性環(huán)境中，將發(fā)生如下反應(yīng)，有氫氣析出：
2H2O+2e→2OH-+H2    (3)
雜散電流干擾腐蝕時，金屬遭受腐蝕損失的數(shù)量與從金屬釋放出雜散電流的數(shù)量成比例。其腐蝕量服從于法拉第定律：
 
    式中，為金屬溶解的克數(shù)，是金屬的原子量，是金屬離子的電荷(腐蝕作用中金屬的原子價)，是法拉第常數(shù)(96500庫侖)，為腐蝕電流。可以計算出，1A雜散電流引起的金屬失重一年可達9kg。在一個地鐵輕軌系統(tǒng)中，如果一年中供給牽引機車的電流為5000A，其中有5%的回流成為雜散電流(即400A/年)，那么雜散電流將腐蝕掉3640kg鋼鐵，即使降低到只有1%的回流成為雜散電流(即50A/年)，也將腐蝕掉相當(dāng)于9.1m長的鋼軌(50kg/m)。
   2.3 雜散電流的腐蝕特點
   雜散電流對埋地金屬管道的腐蝕特點主要有以下幾點：
    (1)腐蝕強度大，危害大。埋地金屬燃氣管道在沒雜散電流干擾時，只有自然腐蝕，大部分為原電池型，驅(qū)動電位差只有幾百毫伏，腐蝕電流只有幾十毫安；而雜散電流干擾腐蝕時是電解池原理，電位可達幾伏，電流最大可能上百安，由此可看出直流雜散電流干擾腐蝕相對其他原因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大，特別是地鐵的雜散電流幾乎影響整個城區(qū)的地下金屬管網(wǎng)；走形軌與地的絕緣電阻，管道的防腐絕緣層電阻，土壤電阻率、電流大小等都是變化的，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，常常會引起強烈的坑蝕，導(dǎo)致很快穿孔。
    例如，香港曾閃地鐵雜散電流引起煤氣管道腐蝕穿孔，而造成煤’(泄漏事故；北京、天津地鐵中的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。圖2為某城市鋼制燃氣管道受地鐵雜散電流腐蝕后穿孔的圖片，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作為判斷是否存在地鐵雜散電流對埋地金屬燃氣管道干擾腐蝕，國內(nèi)主要有兩種指標。
    (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，應(yīng)進行干擾源測兩方面的調(diào)查測試。當(dāng)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(dāng)管道上任意點管地電位較處自然電位正向偏移1OOmV時，或管道附近土壤的電位梯度大于2.5V/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腐蝕防護措施。本文就寧波市地鐵1號線的雜散電流防護措施進行分析，系統(tǒng)示意圖見圖3。

    3.1 設(shè)計思路及設(shè)計原則
    (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。“堵”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的主體結(jié)構(gòu)鋼筋及設(shè)備的相關(guān)措施；“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線及金屬構(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)視、測量雜散電流的大小，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。
    3.2 具體防護措施
    (1)對走形軌的要求.
   根據(jù)《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》的要求，為保證走行軌對地電阻不小于15Ω·km，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少，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
    本工程設(shè)置了雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，時時監(jiān)測地鐵道床鋼筋及結(jié)構(gòu)鋼筋的極化電位，當(dāng)監(jiān)測到道床鋼筋超標時及時啟動排流柜進行排流以保護結(jié)構(gòu)鋼筋，當(dāng)監(jiān)測到結(jié)構(gòu)鋼筋超標時，會采取相應(yīng)措施提高走形軌對地絕緣水平，恢復(fù)到設(shè)計要求。
   4 鋼制埋地燃氣管道防地鐵雜散電流腐蝕對策
    雜散電流在地鐵中雖然難以避免，但我們?nèi)裟芨鶕?jù)它的腐蝕原理來采取有效的防護手段，還是能將它的腐蝕范圍和程度降到最低的。
    寧波市地鐵雜散電流設(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)與生活息息相關(guān)，因而有必要從管道自身防護的角度，提出一點建議：
    (1)總體而言，聚乙烯(PE)管由于其耐腐蝕、施[簡便等優(yōu)點近年來在城市中壓燃氣管道廣泛應(yīng)用，對雜散電流具有天生的免疫力，因而對市區(qū)、特別是地鐵附近的埋地燃氣管線盡量考慮使用聚乙烯(PE)管。
    (2)如果管道防腐系統(tǒng)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，然后在土壤中進行多種腐蝕(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。因而作為燃氣公司，應(yīng)優(yōu)先采用防腐等級高的防腐層形式；在管道鋪設(shè)施工過程中，技術(shù)管理人員要嚴格把關(guān)，施工人員要認真負責(zé)，保證防腐層的完好。
    (3)對車站和地鐵等軌道交通附近雜散電流干擾比較嚴重地區(qū)的燃氣管道應(yīng)采用犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)，對特殊地段如有必要還需強制排流等措施。
    (4)采取各類管網(wǎng)的綜合防護和動態(tài)管理相結(jié)合的措施。在雜散電流干擾區(qū)不可能只對一種管道防護，否則必加重其它埋地金屬管網(wǎng)的腐蝕程度，只有把這一區(qū)域內(nèi)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自身金屬結(jié)構(gòu)的檢測方法，對自身的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)生嚴重腐蝕就可以進行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，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。
參考文獻
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(本文作者：金醒群 寧波興光燃氣集團公司)