軌道交通鋼軌的腐蝕及防護(hù)措施

郭凡

摘要：伴隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，雜散電流腐蝕機(jī)理的研究受到越來(lái)越多的關(guān)注，其防護(hù)措施已經(jīng)成為了當(dāng)前軌道交通安全的重要方向。雜散電流對(duì)于地鐵隧道結(jié)構(gòu)鋼筋和地下鋼鐵金屬設(shè)施的會(huì)產(chǎn)生十分嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象。根據(jù)法拉弟電解定律每一安培雜散電流每年可腐蝕鋼鐵金屬9.11Kg。雜散電流造成的腐蝕危害是十分嚴(yán)重的，因腐蝕具有隱蔽性和突發(fā)性，一旦發(fā)生事故，往往會(huì)出現(xiàn)災(zāi)難性的后果。因此文章就軌道交通鋼軌的腐蝕及防護(hù)措施進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：軌道交通；鋼軌；腐蝕；防護(hù)措施

軌道交通的運(yùn)營(yíng)不受地面交通工具的影響，是快速疏散城市交通擁堵壓力的最有效途徑。軌道交通的正常運(yùn)行需要依賴于直流電力來(lái)牽引，以第三軌或者接觸網(wǎng)作為牽引電路的正極，以走行軌道作為負(fù)極構(gòu)成電流回路，從而完成軌道交通的來(lái)回運(yùn)行。然而，軌道交通十分容易產(chǎn)生雜散電流腐蝕，進(jìn)而對(duì)鋼軌和周邊地下金屬管線設(shè)施產(chǎn)生腐蝕，直接影響到軌道交通通電鋼軌的使用壽命，導(dǎo)致軌道交通運(yùn)行中存在潛在的危險(xiǎn)。因此做好軌道交通鋼軌的腐蝕和防護(hù)措施研究十分必要。

1、鋼軌的腐蝕機(jī)理

城市軌道交通的特殊性，使得它與普通的鐵路系統(tǒng)存在不一樣的地方，城市軌道交通鋼軌的腐蝕主要為雜散電流腐蝕。這是由于城市軌道交通基本上都是采用直流電牽引系統(tǒng)，并且把行軌最為回流線，而列車所用的電流并不穩(wěn)定，很容易通過(guò)軌道與地面絕緣不良的位置泄漏到道床及周圍的土壤介質(zhì)形成雜散電流。大部分的雜散電流最后會(huì)經(jīng)過(guò)鋼軌流回電源負(fù)極，但是有很少一部分雜散電流無(wú)法回流到電源負(fù)極，形成迷流。這些雜散電流在濕潤(rùn)的土壤中利用金屬作導(dǎo)體進(jìn)行流動(dòng)，鋼軌→土壤→地下金屬結(jié)構(gòu)→土壤→鋼軌形成一個(gè)完整的閉合回路，鋼軌就會(huì)通過(guò)周圍的土壤與地下的金屬結(jié)構(gòu)形成原電池發(fā)生腐蝕，原電池的一極發(fā)生析氫腐蝕，另一極發(fā)生吸氧腐蝕，發(fā)生腐蝕的兩個(gè)腐蝕原電池的電極反應(yīng)如下：

1.1析氫腐蝕

陰極：Fe-2e-=Fe2+

Fe2++2H2O=Fe（OH）2+2H2+

陽(yáng)極：2H2++2e-=2H2

電池總反應(yīng)：Fe+2H2O=Fe（OH）2+H2

1.2 吸氧腐蝕

陰極：O2+2H2O+4e-=4OH-

陽(yáng)極：Fe-2e-=Fe2+

電池總反應(yīng)：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2

從上面兩個(gè)反應(yīng)式可以看出，鋼軌和地下金屬結(jié)構(gòu)作為腐蝕原電池的陽(yáng)極易發(fā)生雜散電流腐蝕。雜散電流在金屬的流出處使導(dǎo)體極化至正電位，使得鋼軌和地下金屬結(jié)構(gòu)加速腐蝕。

2、雜散電流防護(hù)措施分析

雜散電流的防護(hù)一般都是以防為主，以排為輔，兩者結(jié)合，加強(qiáng)監(jiān)護(hù)的原則。雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)方法可分為三類：一是控制雜散電流產(chǎn)生的源頭，減少雜散電流產(chǎn)生的數(shù)量，即是“堵”的方法，隔離、控制所有可能的雜散電流泄漏途徑，減小雜散電流進(jìn)入軌道交通的主體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、金屬管線及其他相關(guān)設(shè)施的可能性。二是通過(guò)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金屬通路，以限制雜散電流向外泄漏，減少雜散電流對(duì)金屬管線及金屬構(gòu)件的腐蝕。對(duì)已產(chǎn)生的雜散電流采取排流或其它方法減少其腐蝕危害，即“排流法”。三是建立完備的雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)視、測(cè)量雜散電流的大小，為運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供依據(jù)對(duì)雜散電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)雜散電流過(guò)高則采取一定的對(duì)策來(lái)減輕其危害，即“測(cè)”的方法。

2.1減少雜散電流的產(chǎn)生

供電模式上采用雙邊供電的模式，縮短供電距離。增加走形軌的長(zhǎng)度以來(lái)減少鋼軌阻抗。同時(shí)通過(guò)均流電纜的適當(dāng)設(shè)置及對(duì)回流電纜、回流鋼軌提出一定的要求，確保暢通的牽引回流系統(tǒng)。直流供電設(shè)備和回流軌系統(tǒng)采用絕緣法安裝，盡可能減少雜散電流。

2.2建立有效雜散電流的收集網(wǎng)

為限制雜散電流對(duì)線路結(jié)構(gòu)鋼筋及金屬管線的腐蝕及向線路外擴(kuò)散，利用整體道床內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋的可靠電氣連接，形成主要的雜散電流收集網(wǎng)。在條件允許情況下，盡可能增強(qiáng)整體道床結(jié)構(gòu)與隧道（車站）結(jié)構(gòu)間的絕緣措施。在工程可行情況下，利用隧道（車站）結(jié)構(gòu)鋼筋的可靠電氣連接，形成輔助雜散電流收集網(wǎng)，以限制雜散電流向線路外擴(kuò)散。

牽引變電所設(shè)排流裝置，以便將來(lái)軌道絕緣降低，雜散電流增大時(shí)，使收集網(wǎng)（主收集網(wǎng)、輔助收集網(wǎng)）中雜散電流有暢通的電氣回路，限制雜散電流對(duì)金屬構(gòu)件的腐蝕和向道床外、線路外的擴(kuò)散。在盾構(gòu)區(qū)間隧道，車站間通過(guò)電纜連接起來(lái)，以形成隧道內(nèi)雜散電流收集網(wǎng)。車輛段出入段線與正線間，停車庫(kù)內(nèi)線路與庫(kù)外線間，電化線路與非電化線路之間，電化線路盡頭等設(shè)絕緣軌縫，并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)單向?qū)ㄑb置。各類管線設(shè)備應(yīng)從材質(zhì)或其它方面采取絕緣措施，減少雜散電流對(duì)其腐蝕及通過(guò)其向線路外部泄漏。

2.3建立雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了檢測(cè)線路牽引回流泄漏的情況和地下金屬結(jié)構(gòu)受雜散電流腐蝕的程度，必須進(jìn)行專門的測(cè)量工作并且要建立雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。雜散電流測(cè)量點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在線路沿線的車站站臺(tái)的兩側(cè)進(jìn)出站信號(hào)附近、每一個(gè)回流點(diǎn)處及需要進(jìn)行測(cè)試的走形軌分?jǐn)帱c(diǎn)處、線路橋梁兩段、線路的盡頭線和線路與車輛段的連接坡道處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)還要定期進(jìn)行檢查維護(hù)。系統(tǒng)一般由參考電極、整體道床測(cè)防端子、地下結(jié)構(gòu)測(cè)防端子（或高架橋軌道梁測(cè)防端子）、接線盒、測(cè)量電纜、變電所監(jiān)測(cè)裝置、便攜式計(jì)算機(jī)及管理系統(tǒng)組成。所需監(jiān)測(cè)的參數(shù)有軌道電壓、地下金屬結(jié)構(gòu)的極化電位、軌道過(guò)渡電阻和軌道縱向電阻等。將整條線路車站變電所劃分為若干個(gè)監(jiān)測(cè)分區(qū)，每個(gè)監(jiān)測(cè)分區(qū)在車站變電所設(shè)置一臺(tái)雜散電流數(shù)據(jù)采集和統(tǒng)計(jì)處理裝置，雜散電流測(cè)試及數(shù)據(jù)處理裝置通過(guò)變電所內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)接口，并將處理和統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心。

總之，城市軌道交通對(duì)于城市現(xiàn)代化的建設(shè)具有著不可取代的重要作用，然軌道的雜散電流所產(chǎn)生的腐蝕卻一直妨害軌道交通的正常運(yùn)行。因此需要采用有效的措施來(lái)防治雜散電流腐蝕，保護(hù)軌道，防止地鐵運(yùn)行事故的發(fā)生。同時(shí)還應(yīng)該不斷強(qiáng)化對(duì)雜散電流腐蝕機(jī)理的研究，不斷推動(dòng)地鐵雜散電流腐蝕危害的新突破。

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