地铁杂散电流对钢质埋地燃气管道的腐蚀

摘 要

摘要：分析了地铁杂散电流对钢制埋地燃气管道的腐蚀机理及危害，并简述了宁波市地铁杂散电流的防护措施，最后针对钢制埋地燃气管道的防护提出几点建议。关键词：地铁；杂散电流；钢制埋
摘要：分析了地铁杂散电流对钢制埋地燃气管道的腐蚀机理及危害，并简述了宁波市地铁杂散电流的防护措施，最后针对钢制埋地燃气管道的防护提出几点建议。
关键词：地铁；杂散电流；钢制埋地燃气管道；腐蚀防护
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
   地铁作为一种成熟的交通方式，以其快捷、便利、充分利用城市有限空间等优点，近年来在我国各大城市得到了快速发展。与此同时，天然气事业也处于蓬勃发展阶段，已经或将会出现很多地铁线路与埋地钢制燃气管道平行敷设或交叉穿越的情况。而地铁一般采用直流电力牵引，其产生的杂散电流可能造成管道防腐层破损、剥离以及管道腐蚀、穿孔。为了保障燃气管道的安全运营，关于地铁杂散电流对钢质埋地燃气管道腐蚀的影响研究显得迫切而又重要。
   鉴于此，本文从杂散电流产生的源头入手，分析地铁杂散电流的机理，并结合宁波市地铁1号线一期工程杂散电流防护情况，针对钢制埋地燃气管道的防护提出建议。
   2 地铁杂散电流的形成、腐蚀机理及危害
   2.1 地铁杂散电流的形成
杂散电流产生是来自外部电流源被强制施加到金属构件上的直流电流。直流牵引地铁系统的馈电回路与杂散电流的产生如图1所示。变电站将交流电变换为直流电，经由馈电线(接触网)向列车输送电流，并由走行轨及与之相连的导线构成的返回线返回。由于返回线具有电阻并承载电流，因此在返回线上产生压降，使走行轨具有对大地的电压。走行轨与地之间并非绝对绝缘，而是有一定的对地电阻，钢轨电压与对地电阻的存在时必然导致对大地的泄漏电流，即杂散电流。
 

    2.2 地铁杂散电流的腐蚀机理
    直流牵引地铁杂散电流引起的腐蚀机理如图1所示。杂散电流一旦流入埋地燃气管线，从燃气管线流出，进入大地或水中，则在电流流出的部位(阳极区)发生腐蚀。土壤中的杂散电流可能在管线绝缘层损坏的点(称之为漏点)A处流入管线，然后沿管线流动，从另一处绝缘层损坏点B处离开管线，流回电势更负的变电所。在这种情况下，管线阳极部分，即电流离开管线之B处，即发生杂散电流腐蚀。
   杂散电流从土壤流入钢制埋地燃气管道的地方带有负电荷为阴极区，在阴极区的金属管道一般不受影响，但电位过负时，管道表面会析氢，造成防腐绝缘层损坏剥落；杂散电流从管道防腐绝缘层破损处流出，此处管道带正电，为阳极区，以铁离子形式溶入周围的电解质中，从而使阳极区的金属管道腐蚀。
   其中，在阳极，金属被还原形成离子进入电解质，同时释放电子，对铁来说，一般反应如下：
    Fe→Fe2++2e    (1)
   在充气的电解质中，在阴极发生如下反应：
    O2+2H2O+4e→40H-    (2)
在缺氧或酸性环境中，将发生如下反应，有氢气析出：
2H2O+2e→2OH-+H2    (3)
杂散电流干扰腐蚀时，金属遭受腐蚀损失的数量与从金属释放出杂散电流的数量成比例。其腐蚀量服从于法拉第定律：
 
    式中，为金属溶解的克数，是金属的原子量，是金属离子的电荷(腐蚀作用中金属的原子价)，是法拉第常数(96500库仑)，为腐蚀电流。可以计算出，1A杂散电流引起的金属失重一年可达9kg。在一个地铁轻轨系统中，如果一年中供给牵引机车的电流为5000A，其中有5%的回流成为杂散电流(即400A/年)，那么杂散电流将腐蚀掉3640kg钢铁，即使降低到只有1%的回流成为杂散电流(即50A/年)，也将腐蚀掉相当于9.1m长的钢轨(50kg/m)。
   2.3 杂散电流的腐蚀特点
   杂散电流对埋地金属管道的腐蚀特点主要有以下几点：
    (1)腐蚀强度大，危害大。埋地金属燃气管道在没杂散电流干扰时，只有自然腐蚀，大部分为原电池型，驱动电位差只有几百毫伏，腐蚀电流只有几十毫安；而杂散电流干扰腐蚀时是电解池原理，电位可达几伏，电流最大可能上百安，由此可看出直流杂散电流干扰腐蚀相对其他原因引起的腐蚀严重得多。
    (2)范围广，随机性强。杂散电流干扰腐蚀范围大，特别是地铁的杂散电流几乎影响整个城区的地下金属管网；走形轨与地的绝缘电阻，管道的防腐绝缘层电阻，土壤电阻率、电流大小等都是变化的，因此杂散电流流向也是随机的。
    (3)腐蚀集中于局部位置，如防腐层的缺陷部位，常常会引起强烈的坑蚀，导致很快穿孔。
    例如，香港曾闪地铁杂散电流引起煤气管道腐蚀穿孔，而造成煤’(泄漏事故；北京、天津地铁中的杂散电流已造成隧道内水管腐蚀穿孔；据东北输油管理局统计，东北地区共有长输油管道约2000km，其中80%的腐蚀穿孔事故来自杂散电流的影响。图2为某城市钢制燃气管道受地铁杂散电流腐蚀后穿孔的图片，地铁杂散电流对金属管道的强烈腐蚀作用可见一斑。
 

    2.4 腐蚀判断标准
    通常采用管道对地电位作为判断是否存在地铁杂散电流对埋地金属燃气管道干扰腐蚀，国内主要有两种指标。
    (1)处于直流电气铁路、阴极保护系统及其他直流干扰源附近的管道，应进行干扰源测两方面的调查测试。当管道上任意点的管地电位较自然电位正向偏移20mV时，或管道附近土壤的电位梯度大于0.5mV/m时，就确认有直流干扰。
    (2)当管道上任意点管地电位较处自然电位正向偏移1OOmV时，或管道附近土壤的电位梯度大于2.5V/m时，应及时对管道采取直流排流保护或其他防护措施。
    3 宁波市地铁杂散电流的防护措施
    目前国内各大城市已经提出了很多实际又有效的杂散电流腐蚀防护措施。本文就宁波市地铁1号线的杂散电流防护措施进行分析，系统示意图见图3。

    3.1 设计思路及设计原则
    (1)杂散电流防护按照“以防为主、以排为辅、防排结合、加强监测”的原则进行设计。“堵”就是采取隔离、控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入地铁的主体结构钢筋及设备的相关措施；“排”就是通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回牵引变电所的通路，以限制杂散电流继续向地铁系统以外泄漏.减少杂散电流对金属管线及金属构件的腐蚀；“测”就是设置完备的杂散电流监测系统，监视、测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。
    (2)在保证杂散电流腐蚀防护成功实施的基础上，尽量减少投资。
    3.2 具体防护措施
    (1)对走形轨的要求.
   根据《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》的要求，为保证走行轨对地电阻不小于15Ω·km，走行轨必须采用绝缘安装；安装时采用绝缘水平较高的绝缘材质； 正线走行轨采用60kg/m重轨，并焊接成无缝钢轨。
    (2)对道床的要求
   要求排水沟通畅，尽量减少道床潮湿情况的发生。
    (3)对供电系统的要求
    要求牵引变电所布置间距尽量减小，使轨道回流电流相对减少，从而降低杂散电流泄漏量；全线各站上、下行走行轨间均设均流线，保持轨道回流的均匀通畅。
    (4)杂散电流排流
    利用整体道床内的钢筋进行电气连接，形成电气通路，建立起杂散电流的收集网，使杂散电流从走行轨流向道床后，通过收集网并经走行轨流回牵引变电所。
    (5)杂散电流监测
    本工程设置了杂散电流监测系统，时时监测地铁道床钢筋及结构钢筋的极化电位，当监测到道床钢筋超标时及时启动排流柜进行排流以保护结构钢筋，当监测到结构钢筋超标时，会采取相应措施提高走形轨对地绝缘水平，恢复到设计要求。
   4 钢制埋地燃气管道防地铁杂散电流腐蚀对策
    杂散电流在地铁中虽然难以避免，但我们若能根据它的腐蚀原理来采取有效的防护手段，还是能将它的腐蚀范围和程度降到最低的。
    宁波市地铁杂散电流设计方案并没有对地铁外围管线做过特殊设计，而燃气管道安全与市民生命财产与生活息息相关，因而有必要从管道自身防护的角度，提出一点建议：
    (1)总体而言，聚乙烯(PE)管由于其耐腐蚀、施[简便等优点近年来在城市中压燃气管道广泛应用，对杂散电流具有天生的免疫力，因而对市区、特别是地铁附近的埋地燃气管线尽量考虑使用聚乙烯(PE)管。
    (2)如果管道防腐系统完好无损，杂散电流进入管道腐蚀是很困难的。一旦防腐层破损，然后在土壤中进行多种腐蚀(如细菌腐蚀，化学腐蚀等)，使破损程度加大，形成漏点，连成杂散电流的通路，导致管道腐蚀穿孔。因而作为燃气公司，应优先采用防腐等级高的防腐层形式；在管道铺设施工过程中，技术管理人员要严格把关，施工人员要认真负责，保证防腐层的完好。
    (3)对车站和地铁等轨道交通附近杂散电流干扰比较严重地区的燃气管道应采用牺牲阳极阴极保护系统，对特殊地段如有必要还需强制排流等措施。
    (4)采取各类管网的综合防护和动态管理相结合的措施。在杂散电流干扰区不可能只对一种管道防护，否则必加重其它埋地金属管网的腐蚀程度，只有把这一区域内地下管道、电缆等统一考虑，综合排流和防护才能效果显著。
    (5)燃气公司应该借鉴轨道交通部门对自身金属结构的检测方法，对自身的燃气管道进行实时监测，尤其是腐蚀比较严重的地区。一旦发生严重腐蚀就可以进行及时有效的措施进行防护和处理。
    (6)地铁杂散电流对埋地钢质燃气管道的腐蚀已经成为共识，应该引起轨道交通部门和燃气公司双方的重视；通过技术交流和广泛沟通，将地铁杂散电流对燃气管道的影响降到最小，保障广大市民的人身安全。
参考文献
[1] 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程
[2] 埋地钢制管道直流排流保护技术标准
[3] 程善胜，张力君等.地铁直流杂散电流对埋地金属管道的腐蚀[J].煤气与热力.2003年第7期
[4] 马笑松.地铁杂散电流的腐蚀和防护[J].都市快轨交通.2007年第3期
[5] 曹晓斌，吴广宁等.地铁杂散电流的危害及其防治[J].电气化铁道.2006年第4期
[6] 吴祥祖，张庆贺等.地铁杂散电流产生机理及其防护措施[J].建筑安全.2003年第5期
 
(本文作者：金醒群 宁波兴光燃气集团公司)