胡建俠，劉瑞龍

(1.西安市軌道交通集團有限公司，陜西 西安 710021；2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043)

0 前 言

由于地鐵所需的供電電壓較高(我國標準為DC 750 V 和DC 1 500 V)[1]，且以較長的走行軌為回路，使得牽引電流經過走行軌時產生電壓降；再加上走行軌與地面無法做到完全絕緣，絕緣層在經過長時間使用后會產生老化，使其電阻減小，絕緣效果降低，最終使部分牽引電流逃逸出走行軌道，從而泄漏到大地及周圍環(huán)境中，這些電泄露電流為雜散電流[2，3]。為了評估新建的地鐵雜散電流對相鄰管道的腐蝕，本工作對我國西安運行了3 a 的地鐵線路泄露的雜散電流進行了測試，采用失重法測試了外加直流干擾電位為0 ～1.2 V 條件下模擬雜散電流對鄰近管道腐蝕速率的影響，為地鐵電路的設計和鄰近管道的腐蝕防護提供依據。

1 研究方法

1.1 土壤電位分布測量

圖1 為參考點法測量地電位分布的接線示意圖。地電位測量線將遠方參考點R 的參考電位引到測量點P 上方，為了能夠記錄電位-時間曲線，利用CS350H 電化學工作站實時測量和記錄電位和時間的值，野外條件下的電化學工作站由220 V 交流蓄電池供電，測量點P 與參考點R 之間的電位差U為測量點P 相對參考點R 的地電位。參考點R 固定不變，移動測量點P，可以得到地鐵沿線不同位置相對參考點R 的地電位。測量時，測量點P 與參考點R 處的電極均選擇硫酸銅電極[4]。將P 點連接在地下管道上，測量出地下管道電位。

圖1 參考點法測量地電位分布的接線示意圖Fig.1 Wiring diagram for measuring ground potential distribution using reference point method

1.2 實驗室模擬土壤雜散電流腐蝕研究方法

測試試樣為Q235 鋼。模擬地鐵線路泄流情況，在恒濕腐蝕實驗槽中裝入約800 mL 西安的土壤，試樣距離土壤表面約3 cm，試樣導線引出實驗槽，陽極為腐蝕試樣，陰極為石墨惰性電極。不加電試樣為對照組，加電進行腐蝕試驗時，每組3 個平行試樣，控制施加的電極電位，測試外加直流干擾電位為0 ～1.2 V 條件下試樣的腐蝕速率，測試時間240 h，試驗裝置示意圖見圖2。打磨試樣后稱重，再清洗試樣表面腐蝕產物并稱重，利用式(1)計算試樣的腐蝕速率:

圖2 實驗室模擬土壤雜散電流腐蝕試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of laboratory simulated soil stray current corrosion test device

式中v——腐蝕速率，g/(m2·h)

W0——腐蝕前試樣的質量，g

W1——腐蝕后試樣的質量，g

S——試樣的面積，m2

t——測試時間，h

2 結果與討論

2.1 高架橋下軌道交通雜散電流測試

為觀察軌道交通中機車與電流的對應關系，選擇機車在高架橋運行段，測量由高架橋流出的雜散電流。測量由下午4 點開始，至第二天下午4 點結束，按圖1所示地電位測試方法測定高架橋下土壤電位，測量結果見圖3a。圖3b 為下午5 點后的部分測試結果。由圖3 可見，機車經過時，雜散電流引起的土壤電位在0.010～-0.045 V 之間波動。機車停運后，土壤電位恒定在-0.025 V。機車在圖3b 中的a 點處進入測試范圍，地電位逐漸增大；30 s 后到達b 點，機車接近測試點，此時地電位出現波動，可能是機車剎車引起的；再過30 s 機車地電位達到最大值，即c 點，機車通過測試點；機車遠離測試點達到d 點，電位減??；機車進站到e點，進站完成電位波動；f 點又有新的機車反方向通過；到達距離測試點最近的g 點，電位最大；h 點是沒有車通過時的電位。由圖3 可見，沒有機車通過時，仍有雜散電流。晚上車輛完全停運后測出的土壤電位曲線近似為一條電位為-25 mV 的直線，說明軌道交通帶來的雜散電流在機車停運的土壤電位上下波動，機車離開測試點時土壤電位比停運時更負，機車通過時土壤電位比停運時電位正。工程上常用土壤電位值表示雜散電流[5]，但用電位表示雜散電流不直觀，且不能給出腐蝕速率，為此在機車停運后，將一個硫酸銅電極改為鉑電極，使其成為輔助電極，測試鉑電極施加與機車通過測試點的電位相同的外電位(即相對硫酸銅電極為-0.005 V)時的電極電流密度為0.081 mA/cm2。測量出的電流密度可以認為是地鐵運行通過測試點時的最高泄露電流密度。

圖3 城市軌道交通高架橋下的雜散電流測試結果Fig.3 Test results of stray current under elevated bridges in urban rail transit

2.2 天然氣管道的雜散電流測試

地下天然氣管道分布復雜，既有外露也有埋地，管道粗細不同，雜散電流測試只能以地面距離計算，圖4a為雜散電流引起的距離地鐵軌道直線距離大約200 m處測量的直徑為33.50 mm×3.25 mm 天然氣管道24 h的電位變化。圖4b 是下午5 點后的部分測試結果，圖4b 中的直線為地鐵停運測試的管道電位，即圖4a 近直線部分，電位基本恒定在-0.53 V。由圖4 可見，地鐵附近天然氣管道的雜散電流也在機車停運后的電位上下波動。根據車站發(fā)車時刻表及機車運行速度推算，圖4b 中的L 點為機車進入測試區(qū)的時刻；N 點為機車通過測試點的時刻，最高電位達-0.508 V；M 點為機車遠離的時刻，最低電位達到-0.558 V。在機車停運后，將硫酸銅電極改為鉑電極，使其成為輔助電極，在管道附近安裝硫酸銅參比電極，測試天然氣管道施加與機車通過測試點相同的外電位時天然氣管道上的電流密度，即相對硫酸銅電極為-0.508 V，電流密度為1.63×10-6mA/cm2。測量出的電流密度可以認為是地鐵運行通過測試點時的最高泄露電流密度。

圖4 遠鐵軌點直徑為33.50 mm×3.25 mm 天然氣管道的雜散電流測試結果Fig.4 Test results of stray current of natural gas pipeline with the diameter of 33.50 mm×3.25 mm which was far track point

比較圖3 和圖4，高架橋下的土壤電位較正，這主要是由于軌道排出的雜散電流通過水泥橋墩傳入土壤，水泥橋墩本身電阻大，減少了雜散電流的排泄；另外，測試的電極和參比電極均為硫酸銅電極，而測量天然氣管道電位時參比電極為硫酸銅電極，研究電極為天然氣管道。圖3b 和圖4b 2 條曲線都表明機車臨近和遠離測試點時，電位-時間曲線會出現類似交流電的波動，特別是機車遠離測試點時，測試點電位低于機車停運電位。電位低于地電位，雜散電流對土壤腐蝕有減緩作用。出現此現象的原因是軌道交通的動力電通過電力線提供，回路由鐵軌提供，鐵軌可以將部分電流傳遞給土壤，通過土壤最終傳遞到變電所[6]，這樣土壤相當于一條并聯的回路，當機車通過測試點時，該點為泄露電流的源，電位較高，機車離開后，該點為電路的負極回路，負極的電位低于機車停運后的土壤電位[7，8]。高架橋下電位波動的幅度較小，煤氣管道的波動幅度較大，但高架橋下的泄露電流較大，而煤氣管道泄流電流較小，這是由于高架橋下為硫酸銅電極，而煤氣管道為鐵制材料，說明鐵表面銹層和與土壤界面等對雜散電流有一定的極化作用[9]，減少了泄流的電流流過。

2.3 直流干擾下土壤對Q235 鋼的腐蝕結果分析

圖5 為不同直流電壓干擾下Q235 鋼在不同含水量的測試地區(qū)土壤中埋設240 h 的3 個平行試樣的平均腐蝕速率。由圖5 可見，在不同直流電壓干擾下，Q235 鋼在不同含水量的測試地區(qū)土壤中的腐蝕速率變化趨勢大致相同。當含水量小于25%(質量分數，下同)時，Q235 鋼的土壤平均腐蝕速率隨土壤含水量的升高而加快。在含水量達到25%～30%之間時，Q235鋼的土壤腐蝕速率達到最大，0 ～1.2 V(相對飽和甘汞電極)直流干擾下最高腐蝕速率在0.213 ～0.552 mm/a之間。土壤含水量達到35%之后，土壤含水量近乎飽和，Q235 鋼的土壤腐蝕速率隨含水量變化緩慢。

圖5 不同直流電壓干擾下含水量對Q235 鋼腐蝕速率的影響Fig.5 The effect of water content on the corrosion rate of Q235 steel under different DC voltage interference

土壤含水量低于15%時，電壓對土壤腐蝕速率的影響小于土壤含水量的影響。這是由于含水量低于15%時，土壤會在水作用下形成一個個微小的團聚，將水包裹在中間，使得土壤電阻較高，導電性不強，且土壤與Q235 鋼之間的電阻也較大，使得外加電壓對土壤中Q235 鋼腐蝕的影響較小。當土壤含水量處于15%～25%之間時，水分會溶解土壤中較多的電解質，使得土壤電阻率減小，增強了外電流對腐蝕的影響，土壤含水量對Q235 鋼的腐蝕作用減小。當土壤含水量高于30%后，土壤中溶解的電解質被稀釋，土壤電阻增大，減小了外加直流電壓的干擾作用，另外，水分填充了土壤間隙，減小了土壤的透氣性，使土壤中的含氧量降低，阻礙了土壤中的氧傳輸，腐蝕陰極反應受到抑制，從而使得腐蝕速率降低[10，11]。

天然氣管道一般埋在地下3 m 處，土壤的含水量一般在15%～20%之間，軌道交通的雜散電流使管道電位升高0.3 V 以下，由圖5 可見，干擾的雜散電流引起的地電位為0.3 V，土壤含水量為20%，這時雜散電流引起的土壤腐蝕速率最大，由0.156 mm/a 增大到0.178 mm/a，增大了15%左右。本試驗測試模擬軌道交通泄流引起的地電位一直保持在0.3 V，土壤含水量為20%的情況，實際中，軌道交通晚上會停運，另外，機車是間斷駛過，特別是機車駛過后土壤的電位會低于停運電位，這對軌道周圍管道有保護作用，因此雜散電流引起的腐蝕比測試的結果還要低50%以上，即實際最大在7.5%以下。

3 結 論

新建的軌道交通在機車運行時，鐵軌有雜散電流泄流，泄流的雜散電流會引起鐵軌周圍的土壤和地下管道的電位發(fā)生變化，泄流電位呈三角波形，機車通過時為最高，機車駛遠后為最低，測試運行了3 a 的城市交通軌道泄流引起的地電位變化，在機車停運地電位的上下0.04 V 范圍內波動。

在西安的土壤環(huán)境中，外加直流干擾電位在0～1.2 V 范圍內時，土壤的含水量對地下鋼鐵的腐蝕影響較大。土壤的含水量小于20%時，土壤水分對鋼鐵腐蝕的影響大于雜散電流的影響。土壤中水分大于20%時，雜散電流對地下鋼鐵管道的腐蝕影響較大。土壤的含水量在25%～30%時，土壤中鋼鐵管道的腐蝕速率最大，雜散電流加速了地下管道的腐蝕。

土壤中管道為陰極控制的腐蝕體系，雜散電流引起的地電位在0.3 V 以下，土壤含水量為20%時，土壤中鋼鐵的腐蝕速率比沒有雜散電流時增大8%以下。