国内外对杂散电流金属腐蚀研究的现状和进展

3.0 闻远设计 2023-05-18 153 4 34.64KB 10 页 2光币

侵权投诉

　摘要：随着我国地铁铺设里程的不断增加，钢筋混凝土、埋地管道等基础设施被广泛应用于

地铁系统。地铁杂散电流泄漏会对基础设施造成严重破坏，混凝土钢筋和埋地金属的腐蚀问题

值得城市运维部门的高度关注。分别从杂散电流作用下的金属腐蚀，杂散电流建模分析等方

面，系统介绍了国内外对杂散电流金属腐蚀研究的现状和进展，并对杂散电流建模方案进行了

比较与展望。

　关键词：杂散电流; 埋地管道; 钢筋混凝土; 腐蚀; 分布模型;

A Comprehensive Survey of Subway Stray Current Corrosion Assessment and Modeling Analysis

Cai Zhichao Zhang Xianwei

School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiaotong University

　 Abstract：With the continuous increase of subway lines in China,infrastructures such as reinforced

concrete and buried pipelines are widely used in subway systems. The leakage of stray current in the

subway will cause serious damage to the infrastructures,and the corrosion of concrete reinforcement

and buried metals deserves high attention of the urban operation and maintenance departments. This

paper introduces the current status and progress of researches on stray current metal corrosion at home

and abroad from the aspects of metal corrosion and stray current modeling under stray current.

Finally,the system comparison and prospect of the stray current modeling schemes are discussed.

随着中国经济的蓬勃发展，能源和交通运输行业得到了快速发展，截至 2019 年6月，中国内

地累计有 37 个城市，投运城轨交通线路 6 126.82 km。以地铁为主的城市轨道交通运输系统，

一般采用直流牵引，经走行轨回流，由于轨道不完全对地绝缘，有部分电流会从走行轨泄入大

地，形成杂散电流[1]，如图 1所示，杂散电流的泄漏会对周边埋地金属构件（混凝土钢筋、城

市地下管道）造成干扰，导致走行轨和牵引系统附近的金属结构遭到严重的电化学腐蚀[2,3]，

大大降低金属构件的使用寿命；长时间的腐蚀将导致埋地管线泄漏和基础设施塌方，甚至引发

火灾和爆炸事故[4,5,6,7,8,9,10]。杂散电流的大小和分布主要受变电所的位置、馈电区段、负荷

分担状态、负荷电流、土壤电阻以及钢轨对地过渡电阻等因素影响，同时随着列车不断运行，

杂散电流的分布也会随时间而变化。因此，杂散电流的波动特征已成为地铁对埋地金属干扰的

典型特征。开展地铁杂散电流的研究对于埋地金属安全运维具有重要的借鉴和指导意义。

图1 地铁杂散电流泄漏三维示意图

目前，国内外的学者主要从杂散电流的分布模型及规律、金属设施杂散电流作用下的腐蚀机

理、杂散电流的在线监测方法等多个角度开展研究，并取得了丰硕成果。本文结合国内外最新

的研究成果，对杂散电流腐蚀机理、杂散电流分布模型及数值计算、杂散电流腐蚀防护及未来

研究方向进行了总结。

　　 1　杂散电流腐蚀机理研究

研究表明杂散电流腐蚀的本质是电化学腐蚀的电解作用[11]。金属在土壤电解质中同样遵循电

化学腐蚀反应。具体的说杂散电流流经埋地金属，阳极区域金属失去电子变成离子而被腐蚀；

阴极区域，根据电解质酸碱性的不同表现为吸氧反应或析氢反应。

埋地管道和钢筋混凝土是杂散电流最常见的腐蚀对象，也是国内外学者研究杂散电流腐蚀机理

的重点。大量学者通过搭建模拟杂散电流泄露环境实验平台，探究杂散电流作用下钢筋混凝土

钢筋和埋地管道的腐蚀机理，研究成果对现实工程中钢筋混凝土基础设施建设和埋地管道防护

具有重要的指导意义。

1.1 杂散电流作用下埋地管道金属腐蚀研究

埋地管道金属的电导率与土壤相比更大，泄漏至土壤的杂散电流很容易将金属结构作为导流路

径。无杂散电流流过时，管道对地电位通常在-0.65 V 左右，有杂散电流流经时，管地电位高达

8～9 V。早在20 世纪 60 年代，Schwalm 等[12]以及王小璐[13]研究表明杂散电流泄漏会加速埋

地管道的腐蚀速度，并证实了杂散电流对金属的腐蚀作用本质是电化学腐蚀，杂散电流的存在

可以促使管道金属短时间内被腐蚀，具体表现为电流流过金属并发生电解反应，其特征表现为

高强度性和局部性。为了明确哪些因素可以促进杂散电流对管道金属的腐蚀，学者们从多个角

度作为切入点开展了研究。

曹阿林[14]从土壤电阻率、金属管道埋深以及管道金属的极化电位偏移的角度进行研究，实验

分析了这3个因素与埋地管道腐蚀率之间的关系。Qian 等[15]以X52 管线钢作为研究对象，探

究了直流杂散电流干扰下阴极保护效率降低的机理，证实杂散电流对于阴极干扰，主要表现为

溶液 pH 值的增加，进而导致金属涂层的脱粘。祝郦伟等[16]搭建了 Q235 碳钢的交、直流杂散

电流腐蚀试验模型，对比分析了交、直流杂散电流作用下金属电位、杂散电流变化规律。Q235

碳钢在杂散电流的作用下，腐蚀速率会急剧增加，相同电流幅值下，直流杂散电流下的金属腐

蚀速率是交流腐蚀速率的18 倍。莫伊达[17]针对重庆轨道交通三号线并行段的燃气管道多次泄

漏问题，设计了恒定电流作用下的管道金属腐蚀试验平台，杂散电流对实验试件的极化曲线表

明，施加杂散电流干扰的阴极塔菲尔常数变化比阳极塔菲尔常数更明显，即杂散电流对电极的

阴极反应干扰更大。Wang 等[18]则对含NaCl 溶液中覆有聚乙烯涂层的X80 碳钢开展杂散电流

作用下的电化学试验，重点研究了直流杂散电流作用下的电极极化。在直流杂散电流的作用

下，X80 钢试样电极反应平衡被打断，金属电极电位会发生位移，阴极的电位偏差远大于阳极

的电位偏差。Wang 等[19]对不同氯离子浓度耦合作用下杂散电流腐蚀 Q235A 钢电化学腐蚀实

验，发现 Q235A 钢的腐蚀电流密度随杂散电流与氯离子的耦合呈增大趋势，腐蚀电流密度随

氯离子浓度的增加而增大，金属在杂散电流和氯离子的共同作用下会产生点蚀孔。王力伟等

[20]重点研究了 Q235 管线钢腐蚀速率、腐蚀形貌与分型维数之间的关系。结果表明杂散电流

密度很大程度上决定了金属分形维数和金属腐蚀；而土壤电导率和土壤酸碱的变化对分形维数

的影响不大，因此利用分形维数可以作为金属腐蚀程度的量化指标。

以上研究主要介绍了杂散电流作用下埋地管道金属腐蚀机理和规律的相关工作，这些研究主要

通过实验开展，实验过程中模拟不同的杂散电流环境，从不同角度分析了杂散电流作用下的金

属腐蚀现象，为埋地金属的防腐蚀工作提供了理论参考。

1.2 钢筋混凝土杂散电流腐蚀研究

钢筋混凝土是我国城市化建设的主要材料，杂散电流对其具有极大的破坏作用，突出表现为杂

散电流加速钢筋混凝土的水化产物分解，降低钢筋和混凝土的结合强度，以及降低钢筋混凝土

的力学性能和耐久性，给建筑设施的安全性构成了极大威胁。

周晓军等[21]对钢筋混凝土的自然腐蚀和杂散电流腐蚀进行对比。研究表明杂散电流作用下的

钢筋混凝土因为阳极反应腐蚀物的积累而更容易开裂。Rasheeduzzafar 等[22]和Orellan 等[23]通

过实验，验证了杂散电流作用下 Na+和K+离子更容易进入混凝土内部，从而会引起水化产物

的累积，而混凝土水化产物的软化则是混凝土强度降低的原因之一。Aghajani 等[24]的研究进

一步表明，杂散电流促使钢筋混凝土结构劣化的原因是水化产物 Ca(OH)2 的分解，其结果是钢

筋混凝土的孔隙率增大，进而降低了钢筋混凝土的力学性能和耐久性。张威[25]的研究也证实

了钢筋与混凝土界面处水泥产物的分解是混凝土与钢筋结合度降低的主要原因。韦江雄等[26]

和Deng 等[27]则将研究重点放在杂散电流作用下钢筋混凝土阴极的析氢反应。研究表明，析氢

反应产生的氢气会迫使钢筋与混凝土分离现象，且降低了钢筋混凝土的强度。

Bertolini 等设计了实验平台，对比分析混凝土钢筋在杂散电流单独作用及与氯离子耦合同作用

下的腐蚀研究，结果证实相同浓度的氯离子溶液在杂散电流的耦合作用下，会显着加速钢筋的

腐蚀速率。吴雄[28]实验也发现，地铁混凝土钢筋在杂散电流作用下，即使低浓度的氯离子存

在也会使钢筋锈蚀加速。杂散电流和氯离子的共同作用主要表现在 3个方面。第一，杂散电流

的作用会使钢筋混凝土内部固化的氯离子游离化，进而降低钢筋混凝土结构的耐久性。第二，

杂散电流的作用降低了混凝土钢筋的氯离子临界浓度值，使得混凝土钢筋更易遭到破坏。第

三，杂散电流会加速氯离子的钢筋混凝土内部迁移速度，进而增加了钢筋的腐蚀速率。

也有学者从钢筋混凝土的防腐角度出发，研制新型混凝土结构，提高混凝土抵抗杂散电流腐蚀

的性能。杜应吉等[29]通过试验分析发现，活性掺合料可以增加地铁钢筋混凝土结构中钢筋的

累积电量和钝化膜电阻，进而提高了钢筋混凝土抵抗杂散电流侵蚀的能力。Tinnea 等[30]研制

了由矿渣煤灰粉和硅粉共同打造的高阻抗混凝土道床，与普通道床相比，电阻率提升了100

倍，有效缓解了杂散电流的腐蚀作用。Tang[31]和林龙镔等[32]针对应用日益广泛的钢纤维混

凝土展开了系列研究。钢纤维混凝土氯离子的阈值明显高于传统钢筋混凝土；因此钢纤维混凝

土可以降低杂散电流或与氯离子共同作用下造成的腐蚀，钢纤维混凝土可以作为防杂散电流腐

蚀的一个重要选择。

在杂散电流作用下，混凝土钢筋阳极和阴极的电化学反应会破坏钢筋混凝土，氯离子的浸入会

加速混凝土钢筋锈蚀。现阶段杂散电流作用下的钢筋混凝土腐蚀研究主要通过实验实现。与实

验不同，实际中钢筋混凝土的腐蚀是复杂环境下多种因素共同作用的结果，除了杂散电流和氯

离子的耦合作用外，碳化、应力以及冻融等同样是影响钢筋混凝土腐蚀的重要因素，所以多因

素作用下的钢筋混凝土杂散电流腐蚀有待深入研究。

　　 2　杂散电流防护标准及分布模型研究现状

上述模拟杂散电流金属腐蚀的实验多是在恒定电源条件下开展的，然而现实中杂散电流并不是

一个稳定的物理量，杂散电流的泄漏和分布受到很多因素的影响。比如地铁系统中，钢轨阻

抗、土壤电导率、牵引变电所分布以及牵引电流大小都是影响杂散电流分布和大小的重要因

素。弄清杂散电流在土壤中的分布是研究金属腐蚀规律的重要前提，现有研究杂散电流分布及

腐蚀预防的措施主要有 2个：一是现场采集数据，并根据杂散电流相关的防护标准间接判断杂

散电流的泄漏情况和潜在腐蚀危险；第二是建立杂散电流分布的解析或数值模型，并通过仿真

方式直接分析杂散电流的大小和分布。

2.1 杂散电流防护标准

《地铁杂散电流腐蚀防护规程》即CJJ 49-92[33]是我国地铁杂散电流防护专业的第一个行业标

准，内容包括地铁杂散电流腐蚀的指标，杂散电流的防治措施以及地铁沿线金属结构和管道的

防护措施等。CJJ 49-92 规定杂散电流泄漏密度以及由此引起的金属对地电位偏移是判断金属结

构是否受到地铁杂散电流腐蚀的重要指标，并规定电位正向偏移不应超过0.5 V。

国标GB50991-2014[34]针对埋地管道，给出了管道受杂散电流干扰程度的判断指标：(1)管道工

程处于设计阶段，当管道附近 20 m 范围内地电位梯度>0.5 mV/m 时，确认存在杂散电流干扰；

当管道附近 20 m ≥范围内地电位梯度2.5 mV/m 时，应进行管道敷设后可能受到的杂散电流干扰

影响评估，根据评估结果预设干扰防护措施。(2)没有实施阴极保护的管道，当管地电位相对于

自然电位正向或负向偏移>20 mV 时，确认存在直流干扰；当任意点的管地电位较自然电位正

≥向偏移 100 mV 时，应采取干扰防护措施。(3)已投运阴极保护的管道，当干扰导致管道不满足

最小保护电位要求时，应采取杂散电流干扰的防护措施。

在国际标准 IEC62128-2-2013[35]中，将钢轨纳入到杂散电流的腐蚀防护对象，并引入钢轨单位

长平均杂散电流的概念，当单位长平均杂散电流值不大于 2.5 m A/m 时，即认为钢轨满足杂散

电流防护的要求，其测量通过钢轨单位电导和平均钢轨电位实现。标准规定牵引供电系统的开

式路基单线区段单位电导及钢轨电位的限值分别为 0.5 S/km 和+5 V；闭式路基单线区段单位电

导及钢轨电位的限值分别为 0.5 S/km 和+5 V。

国际标准 EN50162-2004[36]针对港口码头、通信、牵引供电、高压输电及阴极保护等直流杂散

电流的泄漏提供了相应的技术和判断指标。对于没有实施阴极保护的金属结构而言，标准考虑

土壤电阻率和IR 降的影响，规定了构筑物的正向电位偏移值，见表 1。

表1 未实施阴极保护构筑物金属允许电位正向偏移

国内外相关杂散电流的防护标准为判断杂散电流的泄漏和干扰提供依据，其判断方法主要通过

现场采集土壤电位梯度和电位偏移等相关数据进行间接实现。但由于数据采集现场环境的复杂

性，以及电位梯度、电位偏移值并不是一成不变的，真实情况很难通过指标值精准反应。另

外，对于动态杂散电流干扰尚未有相应的规范。除了借助相关规范间接判断杂散电流的分布及

腐蚀隐患，建立杂散电流的分布模型是研究散电流分布和大小的直接研究手段，也是目前研究

的重点手段之一。

2.2 杂散电流分布模型研究现状

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国内外对杂散电流金属腐蚀研究的现状和进展　摘要：随着我国地铁铺设里程的不断增加，钢筋混凝土、埋地管道等基础设施被广泛应用于地铁系统。地铁杂散电流泄漏会对基础设施造成严重破坏，混凝土钢筋和埋地金属的腐蚀问题值得城市运维部门的高度关注。分别从杂散电流作用下的金属腐蚀，杂散电流建模分析等方面，系统介绍了国内外对杂散电流金属腐蚀研究的现状和进展，并对杂散电流建模方案进行了比较与展望。　关键词：杂散电流;埋地管道;钢筋混凝土;腐蚀;分布模型;AComprehensiveSurveyofSubwayStrayCurrentCorrosionAssessmentandModelingAnalysisCaiZ...

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