地鐵維修基地雜散電流對埋地鋼質管道的腐蝕及防護措施

顏達峰，劉乃勇，袁鵬斌，舒 江，李月娥

（1.上海天然氣管網有限公司，上海201204；2.上海海隆石油管材研究所，上海200949）

地鐵作為城市交通的重要組成部分發展迅速。由于地鐵建設逐漸擴張，地鐵與高壓力級別的鋼質管道交叉或平行的情況越來越多。地鐵機車多采用直流750V或1 500V作為電力牽引供電[1]。地鐵系統中的電流絕大部分經過走行軌流回到電源負極。一般來說，部分電流從軌道與地面絕緣不良的位置泄漏到道床及周圍土壤介質中，形成雜散電流[2－3]。流入土壤中的雜散電流進入高壓天然氣管道，嚴重危害管道的安全。一旦發生天然氣腐蝕穿孔等，將造成巨大的經濟損失和浪費。

管道維護工作經驗總結結果表明，地面運行的地鐵對埋地鋼質天然氣管道的影響較小，而地鐵維修基地附近管道容易受到雜散電流腐蝕。本工作對埋地鋼質管道受地鐵雜散電流腐蝕的相關規律、特點進行分析，利用遙測裝置及同步測試法查找雜散電流干擾源，并結合上海市高壓天然氣管道的雜散電流檢測情況，對地鐵基地內的雜散電流原因進行分析并提出建議措施。

1 直流雜散電流對鋼質管道的腐蝕

1.1 地鐵雜散電流與金屬質量損失相關性

埋地鋼質管道遭受損失的質量與雜散電流成正比，服從法拉第定律：

式中：m為金屬腐蝕減少的質量，g；M為金屬的摩爾質量，g·mol－1；I為雜散電流大小，A；t為腐蝕時間，s；Q為金屬離子的電荷數（金屬的腐蝕價態）；F為法拉第常數，96 500C·mol－1。

由式（1）可知，1A的雜散電流1a損失鋼鐵達9.1kg。在上海錦秋路基地中，每臺機車運行時的電流約300A，而整個地鐵系統同時運行機車可達幾十輛機車，消耗的電流超過5 000A。即使系統有1%電流泄漏到土壤中形成雜散電流，其危害程度都是十分巨大的，泄漏的雜散電流將嚴重危害周邊金屬構件及管線的安全。因此，預防和消除雜散電流對埋地金屬管道的安全是至關重要的。

1.2 地鐵雜散電流干擾情況下鋼質管道的腐蝕

雜散電流在流入管道和流出管道的區域形成陰極區和陽極區。管道采取外防腐蝕層保護，陽極區面積極小，腐蝕形成了大陰極小陽極，管道在陽極區發生腐蝕。雜散電流進入管道后，在陽極區腐蝕且極易發生穿孔。例如上海地鐵2號線沿線世紀大道下的DN300鋼管已發生近10次腐蝕泄漏事故，造成的直接或間接損失高達200萬元[4]。管道泄漏對燃氣公司的正常供氣產生了消極影響，對周邊的環境也造成很大的破壞。此外，上海浦東地區東線管道也存在雜散電流腐蝕，管道內檢測結果發現該管壁局部腐蝕嚴重。將腐蝕嚴重的管段開挖、截取下并去除外防腐蝕層，發現管道外壁存在許多腐蝕坑，如圖1所示。腐蝕坑處壁厚減薄較嚴重，超聲波測厚結果顯示坑洞處剩余壁厚最薄僅為6mm，而管道正常壁厚為10mm。

1.3 地鐵雜散電流評價指標

一般通過測試管道電位和土壤電位梯度大小評價雜散電流的干擾程度。按照標準規定[5]，當電位偏離其自然電位25mV或土壤電位梯度超過0.5mV·m－1時，認為管道受雜散電流干擾。當管道上任意點的管地電位較自然電位正向偏移100mV或管道附近土壤表面電位梯度＞2.5mV·m－1時，應采取直流排流保護或其他防護措施。實際上一般的管道都采取了陰極保護，可通過管道陰極保護電位的偏移情況來評價其腐蝕的。對管道直流雜散電流檢測過程中發現，地鐵形成的雜散電流并未形成穩定的電位偏移，通常情況下受干擾的管段的管地電位都是呈現波動特征。由于存在相鄰軌道上兩列列車同時異向行駛、列車速度不斷變化等情況，造成了雜散電流干擾的復雜性。有研究表明，動態雜散電流越大，管地電位波動范圍越大[5]。同時，測試管道直流電位與其埋設環境下的土壤電位梯度時，發現管道電位與土壤電位梯度呈現高度一致，管道電位波動情況受雜散電流影響對應關系十分明顯。

2 管道雜散電流干擾源的檢測

2.1 利用遙測裝置監測管道雜散電流

遠程遙測技術在上海高壓天然氣管線中已被成功應用[6]。遠程遙測設備可實現實時并全天24h連續監測，可及時、有效地發現管線受到雜散電流干擾等電位異常情況，提高了管道管理和維護的水平。另一方面，遙測數據可掌握雜散電流的運行時間，可根據其規律來查找雜散電流干擾源。如圖2所示為上海9標12號測試樁管地電位的24h監測數據。

從圖2可知，在晚上11點30分至凌晨5點30這段時間，管道的電位波動干擾小，管道受到雜散電流最小。在該時間段，雜散電流干擾源停止了雜散電流的泄漏。對該管段附近雜散電流檢測結果發現，距離該管段東側約200m有上海地鐵七號線錦秋路基地。對比圖2與上海七號線地鐵的運行時間，發現上海地鐵七號線在上述時間段正好處于停止運行階段。從這兩者時間上的一致性，說明該雜散電流與七號線地鐵可能存在直接的關系。

2.2 管地電位與土壤電位梯度的同步測試

利用標準規定的十字交叉法測試管道周邊雜散電流方向和大小。9標12＃樁管道所在位置土壤的土壤電位梯度較大，最大值5mV·m－1。在基地外圍空地上測試土壤電位梯度，同樣顯示雜散電流干擾源為基地。即從方向上來說，可以認為雜散電流來源于上海地鐵七號線錦秋路基地內。在基地內部測試時，發現該基地內電位梯度明顯增大。利用上海正方電子電器公司生產的雜散電流測試儀，同步測試9標12＃測試樁、12＃樁附近土壤電位以及基地內土壤電位梯度，結果見圖3。

由圖3可見，管道附近土壤電位梯度波動以及基地變電所附近土壤電位梯度波動規律一致，同步變化。這充分說明導致管道電位波動的原因與地鐵基地的變電所有直接聯系，即地鐵錦秋路基地泄漏電流是形成9標管道雜散電流的直接原因。

3 錦秋路基地雜散電流形成原因分析

3.1 鐵軌絕緣的檢查

一般來說由于回流軌存在著一定的電阻，牽引電流在回流軌中產生電壓降，同時回流軌對地也存在著電位差[7]。軌道對地電位差使回流軌中的部分電流漏泄到土壤中后流入地下構筑物、埋設金屬管線等，沿地下構筑物、埋地金屬管線流動的電流流至負回饋點附近后通過土壤重新歸入鋼軌，從而使鋼軌及其附近地下構筑物鋼筋、金屬管線等在電流流出處產生腐蝕，如圖4所示[8]。

利用便攜式硫酸銅參比電極對基地內局部段鐵軌進行了軌地電位測試，軌地電位為＋0.89～－8.81V，由于鐵軌和地面之間過度電阻的存在以及軌道自身的縱向電阻導致軌道和大地之間出現電位差。由于該電位差的存在，電流從電勢高向電勢低處流動，進而是將泄漏到道床和周圍土壤中。現場檢查發現基地多處鐵軌對地絕緣不好，如圖5所示，鐵軌有積水。積水的存在使得軌道回流的電阻顯著降低，導致鐵軌回流電阻降低。此外，基地24h都有地鐵列車運行，且在基地內各條軌道相互連接在一起，不便于對軌道的接地電阻進行測量。

3.2 架空電線電流檢測及分析

利用鉗形電流表測試了基地內架空電線往地鐵人工接地方向連接線，結果顯示該電線存在電流。電流呈現波動狀態，電流最大超過19A，方向為架空電線流向變電站接地。同步測試土壤電位梯度與電流，結果發現該電流值變化規律與基地內土壤電位梯度變化規律一致。說明該電流與基地內雜散電流干擾源存在直接的關系。

另一方面，由于架空電線與高壓觸網電線長距離平行，在機車運行過程中觸網電流會發生變化變化。根據電磁感應原理，觸網電流的變化使得架空電線形成感應電流。由于架空電桿接地與變電所人工接地體連接在一起，大部分泄漏的電流通過自然接地體進入到變電所人工接地體（接地銅排），而部分電流直接通過電桿流入土壤。架空電線的電流形成受多方面的影響，目前無這方面的報道，可對其做進一步研究和討論。

4 地鐵基地雜散電流防護對策

地鐵在設計雜散電流防護時主要是考慮地鐵的運行安全，較少考慮其泄漏的電流對管道的影響。天然氣管道的安全運行同樣關乎百姓的生產生活。在地鐵雜散電流防護設計時，有必要考慮雜散電流周邊管道的影響。結合地鐵維修基地內雜散電流檢測結果，提出以下幾點建議：

（1）加強鐵軌絕緣施工與管理 由于軌道作為機車回流線路，鐵軌絕緣不良將導致明顯的電流泄漏進而形成雜散電流危害周邊管道。筆者在對管道常規陰極保護檢測發現，軌道絕緣不良泄漏到大地對管道電位干擾嚴重，部分由于雷雨天氣導致軌道間形成積水，電流通過積水進入土壤進而形成雜散電流。因此，加強軌道的絕緣處理，不允許軌道直接接地，不允許與其他金屬構件直接連接，同時注意軌道上排水的通暢，避免形成積水造成電流泄漏。

（2）加強變電站接地極的檢測與管理 由于車輛基地共用一個人工接地，接地不良將導致變電站附近土壤的電位升高，當存在雷擊或短路情況時，將嚴重危害設備及操作人員的安全。另一方面，按照相關標準規定人工接地體與架空電線電桿等自然接地體連接在一起，由于變電站人工接地不良，接地處電流可通過自然接地體漏泄電流，導致位于接地極附近的金屬管道會受到接地極形成的電場干擾，管道局部形成陰極區和陽極區，發生電化學腐蝕。由于管道一般采取外防腐蝕層保護，腐蝕的陽極區很小，形成大陰極小陽極的腐蝕特點，陽極區的腐蝕速率很大，管道容易發生穿孔。

在多個地鐵基地檢測結果發現，干擾源距離管道較遠時，雜散電流干擾將顯著的減小，甚至幾乎對管道無影響。接地極附近土壤電位梯度較大，距離接地極較遠處電位梯度明顯減小。筆者在上海閔行吳中路基地測量土壤電位梯度發現，接地極附近土壤電位梯度為23mV·m－1，而距離吳中路基地較遠的外環公路邊上電位（距離基地約800m）梯度為3.5mV·m－1，電位梯度方向指向接地極。

因此，建議定期測量接地極的基地電阻，當人工接地體接地不良時，采取加導電鹽或者增加接地電極的方法，降低接地極的接地電阻；另一方面，注意接地極與埋地管道的相對位置，盡量增加接地極位置與管道之間的距離，以減弱雜散電流對管道腐蝕影響程度。

（3）加強觸網絕緣檢測 由于觸網電壓較高，一旦觸網絕緣不良，將導致電流泄漏到周邊大地中，造成嚴重的雜散電流腐蝕危害。另一方面，當絕緣端子在絕緣性能下降后同樣存在電流泄漏，甚至最終導致絕緣失效形成大電流泄漏。應定期檢查絕緣端子絕緣性能，防止觸網電流泄漏形成雜散電流。

（4）對地極周邊埋地管道采取排流保護 由于干擾段管道主要是在基地地極附近，因此在其周邊加強排流，使得雜散電流流入管道后通過排流地極流入大地，減小雜散電流對管道的影響。筆者通過對相關排流工程經驗總結發現，采取合適的排流措施，能起到排流的作用，管道電位明顯有所改善。

[1]GB 50157－2003 地鐵設計規范[S].

[2]張艷麗.地鐵雜散電流腐蝕機理以及防護措施研究[J].城市軌道交通，2009，12（3）：37－39.

[3]陳志光，秦朝葵，計雪松.上海軌道交通2號線雜散電流監測系統及應用[J].城市軌道交通，2008，11（9）：54－57.

[4]GB／T 19285－2003 埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗[S].

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[6]饒險峰.遙測技術在上海天然氣主干網雜散電流干擾控制中的應用[J].上海煤氣，2010（6）：13－18，23.

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