地铁杂散电流对埋地钢质燃气管道的腐蚀

摘 要

摘要：分析了地铁杂散电流的形成、对埋地钢质燃气管道的腐蚀机理及腐蚀特点，探讨了宁波市地铁杂散电流的防护措施，对埋地钢质燃气管道的地铁杂散电流腐蚀防护提出了建议。关键词
摘要：分析了地铁杂散电流的形成、对埋地钢质燃气管道的腐蚀机理及腐蚀特点，探讨了宁波市地铁杂散电流的防护措施，对埋地钢质燃气管道的地铁杂散电流腐蚀防护提出了建议。
关键词：地铁杂散电流；埋地钢质燃气管道；腐蚀机理；腐蚀特点；腐蚀防护
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
   地铁作为一种成熟的交通方式，以快捷、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质燃气管道平行敷设或交叉穿越的情况。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埋地钢质燃气管道腐蚀的影响研究显得迫切而又重要。
鉴于此，本文对地铁杂散电流的形成、腐蚀机理及腐蚀特点进行分析，并结合宁波市地铁1号线一期工程杂散电流防护情况，对埋地钢质燃气管道的地铁杂散电流腐蚀防护提出建议。
2 地铁杂散电流的形成、腐蚀机理及特点
2.1 地铁杂散电流的形成[1]
    杂散电流是由外部电流源被强制施加到金属构件上的直流电流产生的。直流牵引地铁系统的馈电回路与杂散电流的形成见图1。变电所将交流电变换为直流电，经馈电线(接触网)向列车输送电流，电流又经走行轨及与之相连的导线构成的返回线返回至变电所。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。走行轨与大地之间并非绝对绝缘，而是有一定的对地电阻，走行轨电压与对地电阻的存在必然导致向大地泄漏电流，即杂散电流。

2.2 地铁杂散电流的腐蚀机理[2～3]
    地铁杂散电流对埋地钢质燃气管道的腐蚀机理见图1。杂散电流一旦流入埋地燃气管道，再从燃气管道流出，进入土壤中，则在电流流出部位(阳极区)发生腐蚀。土壤中的杂散电流可能在管道绝缘层破损点A处流入管道，沿管道流动后，从绝缘层破损点B处离开，流回电势更负的变电所。在这种情况下，管道阳极区(即点B处)将发生杂散电流腐蚀。
    杂散电流从土壤流入埋地钢质燃气管道的部位带负电，为阴极区。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点流出，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溶液中，从而使阳极区的金属管道发生腐蚀。
    在阳极区，金属变成离子进入电解质溶液，同时释放电子。对铁来说，一般反应为：
    Fe→Fe2++2e-
    在充气的电解质溶液中，在阴极区发生如下反应：
   02+2H20+4e-→40H-
    在缺氧或酸性环境中，在阴极区将发生如下反应，有氢气析出：
    2H20+2e-→20H-+H2
金属遭受腐蚀损失的质量与杂散电流成正比，服从法拉第定律，公式为：
 
式中m——金属遭受腐蚀损失的质量，g
    M——金属的摩尔质量，g/mol
    I——杂散电流，A
    t——腐蚀时间，s
    Q——金属离子的电荷数(腐蚀作用中金属的原子价)
    F——法拉第常量，为96500C/mol
    由式(1)可知，1A杂散电流1年腐蚀损失的钢铁质量达9kg。在一个地铁轻轨系统中，如果供给牵引机车的电流为5000A，其中有5%的回流成为杂散电流，那么每年杂散电流将腐蚀掉2250kg钢铁。即使只有1%的回流成为杂散电流，也将腐蚀掉相当于9m长的钢轨(50kg/m)。
2.3 杂散电流的腐蚀特点
    ① 腐蚀强度大，危害大。埋地钢质燃气管道在没有杂散电流干扰时，只有自然腐蚀，大部分为原电池型，驱动电位差很小，腐蚀电流也很小；而杂散电流干扰腐蚀是电解池原理，电位差和电流均较大，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广，特别是地铁杂散电流，几乎影响整个城区的地下金属燃气管道。走行轨与大地的绝缘电阻、管道的防腐绝缘层电阻、土壤电阻率、电流等都是变化的，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，常常会引起严重的坑蚀，导致很快穿孔。
    香港曾因地铁杂散电流引起煤气管道腐蚀穿孔，造成煤气泄漏事故；北京、天津地铁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[4]。地铁杂散电流对埋地钢质燃气管道的腐蚀穿孔见图2，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来判断是否存在地铁杂散电流干扰腐蚀埋地钢质燃气管道，见文献[5]。
    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，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自然电位正向偏移100mV时，或管道附近土壤的电位梯度大于2.5mV/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防护措施[6～7]。笔者对宁波市地铁1号线的杂散电流防护措施进行分析，杂散电流防护系统见图3。

   由牵引变电所出来的直流电通过接触网流向地铁列车，并通过走行轨返回到牵引变电所。其中一部分电流由走行轨流入道床，并由道床流向结构钢筋，形成杂散电流。为了将这些杂散电流回收到牵引变电所内，通过道床钢筋排流网和结构钢筋排流网，建立起杂散电流的收集网，杂散电流通过收集网并经走行轨流回牵引变电所。同时，对道床钢筋及结构钢筋均进行杂散电流监测。
3.1 设计思路及原则
   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。“防”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主体结构钢筋及设备；“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道及金属构件的腐蚀；“测”就是设置完备的杂散电流监测系统，监测杂散电流的大小，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，尽量减少投资额。
3.2 具体防护措施
   ① 对走行轨的要求
   根据CJJ 49—92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》的要求，为保证单位长度(1km)走行轨对地电阻不小于15Ω，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的重轨，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小，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
   杂散电流监测装置实时监测地铁道床钢筋及结构钢筋的极化电位。当监测到道床钢筋极化电位超标时，及时启动排流柜进行排流；当监测到结构钢筋极化电位超标时，将采取相应措施提高走行轨对地绝缘水平。
4 地铁杂散电流腐蚀的防护对策
    宁波市地铁杂散电流防护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及生活息息相关，因此有必要从燃气管道自身防护的角度，提出几点建议：
    ① 由于聚乙烯管具有耐腐蚀、施工简便等优点，近年来在城市中压燃气管道中广泛应用，其对杂散电流具有防护能力，因而在市区，特别是地铁附近的埋地燃气管道，应尽量考虑使用聚乙烯管。
    ② 如果管道防腐层完好无损，杂散电流进入管道腐蚀是很困难的。一旦防腐层破损，将形成多种腐蚀(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。因此燃气公司应优先采用防腐等级高的防腐层；在管道敷设过程中，技术管理人员要严格把关，施工人员要认真负责，保证防腐层完好。
    ③ 对地铁等轨道交通设施附近、杂散电流干扰比较严重的地区的燃气管道，应采用牺牲阳极阴极保护系统，如有必要还需对特殊地段采取强制排流等措施。
    ④ 采取各类管网综合防护和动态管理相结合的措施。在杂散电流干扰区域，如果只对一种管道进行防护，必将加重其他埋地金属管道的腐蚀程度。只有把这一区域内的地下管道、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轨道交通金属结构的监测方法，对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，就采取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，采取措施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：
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[2] 谭冬华.地铁杂散电流的危害与防护[J].都市快轨交通，2007，20(1)：86-89.
[3] 程善胜，张力君，杨安辉.地铁直流杂散电流对埋地金属管道的腐蚀[J].煤气与热力，2003，23(7)：435-437.
[4] 姜长洪，于婉丹，吴星刚，等.输油管道腐蚀与杂散电流测量[J].管道技术与设备，2004(1)：10-13.
[5] 中国石油管道公司沈阳调度中心，东北石油管道公司沈阳工程技术分公司.SY/T 0017—2006埋地钢质管道直流排流保护技术标准[S].北京：石油工业出版社，2006：4.
[6] 曹阿林，朱庆军，侯保荣，等.油气管道的杂散电流腐蚀与防护[J].煤气与热力，2009，29(3)：B06-B09.
[7] 罗彬，刘建辉.埋地钢质燃气管道杂散电流腐蚀的测试与防护[J].煤气与热力，2011，31(7)：B05-B08.
 
(本文作者：金醒群 宁波兴光燃气集团公司 浙江宁波 315000)