地鐵鋼軌縱向電阻對地鐵雜散電流的仿真分析

2022-04-27 03:28:20范美琪孫燕盈馬志強(qiáng)胡志明郭思琦

全面腐蝕控制 2022年3期

范美琪孫燕盈馬志強(qiáng) 胡志明郭思琦

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京），北京 100083）

0 引言

為解決城市交通擁堵問題，目前軌道交通應(yīng)用日益廣泛。由于城市軌道交通供電牽引系統(tǒng)采用直流供電，鋼軌作為其直流供電回流的媒介[2]，多數(shù)情況下由于工藝問題等原因使得鋼軌與大地之間無法做到完全絕緣[3]，導(dǎo)致供電電流流過運(yùn)行軌道時(shí)，會(huì)向周圍土壤介質(zhì)泄露一定的直流電流，該直流電流被稱為雜散電流[4]。

雜散電流會(huì)對埋地金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，損壞金屬結(jié)構(gòu)的整體性，降低其強(qiáng)度和耐久性。理論上1A的雜散電流在一年內(nèi)可以腐蝕溶解鋼鐵大約9kg[5]。實(shí)際上土壤中的雜散電流往往遠(yuǎn)大于1A，其造成的腐蝕程度更強(qiáng)、腐蝕速率更快。因此，本文重點(diǎn)分析了地鐵鋼軌縱向電阻對地鐵雜散電流的影響。

1 雜散電流分布仿真模型

1.1 雜散電流的腐蝕機(jī)理

城市軌道交通中有列車運(yùn)行時(shí)就會(huì)有雜散電流的存在，雜散電流影響的管道腐蝕原理屬于電化學(xué)腐蝕，雜散電流對周圍埋地金屬管道的腐蝕遵守法拉第電解定律。

泄漏至大地的雜散電流從金屬管道流入時(shí)，由電化學(xué)理論可知該流入點(diǎn)為負(fù)極，即為陰極區(qū)；而當(dāng)雜散電流從管道中流出時(shí)，該流出點(diǎn)為正極，即為陽極區(qū)[5]。

圖1為雜散電流腐蝕圖，其中雜散電流流過埋地金屬管道的通路，可以將其可以看作為兩個(gè)原電池：

圖1 雜散電流腐蝕圖

電池1：A走行軌（++陽極區(qū)）B道床、土壤C金屬管道（--陰極區(qū)）；

電池2：D金屬管道（++陽極區(qū)）E道床、土壤F走行軌（--陰極區(qū)）；

陽極過程的電解反應(yīng)產(chǎn)生在雜散電流從A走行軌和D金屬管道這兩個(gè)陽極區(qū)流出的時(shí)候，走行軌和金屬結(jié)構(gòu)物中的Fe和周圍土壤中可電解物質(zhì)發(fā)生陽極過程的氧化反應(yīng)，即Fe失去電子，化合價(jià)升高，于是正價(jià)Fe離子從原來結(jié)構(gòu)中析出，從而形成腐蝕。根據(jù)發(fā)生氧化反應(yīng)的金屬物質(zhì)所處的環(huán)境不同，氧化還原反應(yīng)的產(chǎn)物也不同，環(huán)境的主要因素有含氧量、pH值等。一般，金屬的氧化還原反應(yīng)概括為兩類，析氫腐蝕與吸氧腐蝕。

1.2 雜散電流分布模型（如圖2所示）

圖2 有排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型

圖3 走行軌-排流網(wǎng)-金屬網(wǎng)電流電壓節(jié)點(diǎn)分布圖

2 鋼軌縱向電阻影響分析

在影響雜散電流泄漏的眾多因素之中，鋼軌縱向電阻是一個(gè)極其重要的參數(shù)。若鋼軌縱向電阻滿足在60kg/m的規(guī)格下，阻值為27.3mΩ/km時(shí)便符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但是在實(shí)際應(yīng)用中，鋼軌縱向電阻值是普遍偏大的，這其中有長期腐蝕、磨損及各種環(huán)境因素的影響。

在其它參數(shù)不變的情況下，將鋼軌縱向電阻值分別設(shè)為0.01Ω/km、0.03Ω/km和0.1Ω/km，研究不同的縱向電阻值對周圍金屬管道干擾的影響。仿真結(jié)果如圖4～圖9所示。

圖4 鋼軌電流分布

從圖7鋼軌電流、電壓和雜散電流對比圖中，我們可以分析得出：當(dāng)鋼軌縱向電阻逐漸增大時(shí)，走行軌電流逐漸降低，雜散電流量逐漸升高，且增長速率較高，根據(jù)V=RI得知：鋼軌電壓幾乎呈線性增長，鋼軌電壓的最大值與鋼軌縱向電阻呈正比關(guān)系；從圖8和圖9中可知，鋼軌縱向電阻從0.01Ω/km增大至0.03Ω/km、再從0.03Ω/km增大至0.1Ω/km的過程中，金屬管道電流從0.36A增大到3.6A，金屬管道電壓也升高了約10倍，雜散電流都是擴(kuò)大了3倍左右。綜上分析，金屬管道電流與電壓的增長是與鋼軌縱向電阻值的增長呈線性關(guān)系，因此，減小鋼軌的縱向電阻可以有效保護(hù)金屬管道。