轨道交通钢轨的腐蚀及防护措施

郭凡

摘要：伴随着城市轨道交通的不断发展，杂散电流腐蚀机理的研究受到越来越多的关注，其防护措施已经成为了当前轨道交通安全的重要方向。杂散电流对于地铁隧道结构钢筋和地下钢铁金属设施的会产生十分严重的腐蚀现象。根据法拉弟电解定律每一安培杂散电流每年可腐蚀钢铁金属9.11Kg。杂散电流造成的腐蚀危害是十分严重的，因腐蚀具有隐蔽性和突发性，一旦发生事故，往往会出现灾难性的后果。因此文章就轨道交通钢轨的腐蚀及防护措施进行简要分析。

关键词：轨道交通；钢轨；腐蚀；防护措施

轨道交通的运营不受地面交通工具的影响，是快速疏散城市交通拥堵压力的最有效途径。轨道交通的正常运行需要依赖于直流电力来牵引，以第三轨或者接触网作为牵引电路的正极，以走行轨道作为负极构成电流回路，从而完成轨道交通的来回运行。然而，轨道交通十分容易产生杂散电流腐蚀，进而对钢轨和周边地下金属管线设施产生腐蚀，直接影响到轨道交通通电钢轨的使用寿命，导致轨道交通运行中存在潜在的危险。因此做好轨道交通钢轨的腐蚀和防护措施研究十分必要。

1、钢轨的腐蚀机理

城市轨道交通的特殊性，使得它与普通的铁路系统存在不一样的地方，城市轨道交通钢轨的腐蚀主要为杂散电流腐蚀。这是由于城市轨道交通基本上都是采用直流电牵引系统，并且把行轨最为回流线，而列车所用的电流并不稳定，很容易通过轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到道床及周围的土壤介质形成杂散电流。大部分的杂散电流最后会经过钢轨流回电源负极，但是有很少一部分杂散电流无法回流到电源负极，形成迷流。这些杂散电流在湿润的土壤中利用金属作导体进行流动，钢轨→土壤→地下金属结构→土壤→钢轨形成一个完整的闭合回路，钢轨就会通过周围的土壤与地下的金属结构形成原电池发生腐蚀，原电池的一极发生析氢腐蚀，另一极发生吸氧腐蚀，发生腐蚀的两个腐蚀原电池的电极反应如下：

1.1析氢腐蚀

阴极：Fe-2e-=Fe2+

Fe2++2H2O=Fe（OH）2+2H2+

阳极：2H2++2e-=2H2

电池总反应：Fe+2H2O=Fe（OH）2+H2

1.2 吸氧腐蚀

阴极：O2+2H2O+4e-=4OH-

阳极：Fe-2e-=Fe2+

电池总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe（OH）2

从上面两个反应式可以看出，钢轨和地下金属结构作为腐蚀原电池的阳极易发生杂散电流腐蚀。杂散电流在金属的流出处使导体极化至正电位，使得钢轨和地下金属结构加速腐蚀。

2、杂散电流防护措施分析

杂散电流的防护一般都是以防为主，以排为辅，两者结合，加强监护的原则。杂散电流防护设计方法可分为三类：一是控制杂散电流产生的源头，减少杂散电流产生的数量，即是“堵”的方法，隔离、控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减小杂散电流进入轨道交通的主体结构、设备、金属管线及其他相关设施的可能性。二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金属通路，以限制杂散电流向外泄漏，减少杂散电流对金属管线及金属构件的腐蚀。对已产生的杂散电流采取排流或其它方法减少其腐蚀危害，即“排流法”。三是建立完备的杂散电流监测系统，监视、测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据对杂散电流进行实时监测，一旦发现杂散电流过高则采取一定的对策来减轻其危害，即“测”的方法。

2.1减少杂散电流的产生

供电模式上采用双边供电的模式，缩短供电距离。增加走形轨的长度以来减少钢轨阻抗。同时通过均流电缆的适当设置及对回流电缆、回流钢轨提出一定的要求，确保畅通的牵引回流系统。直流供电设备和回流轨系统采用绝缘法安装，尽可能减少杂散电流。

2.2建立有效杂散电流的收集网

为限制杂散电流对线路结构钢筋及金属管线的腐蚀及向线路外扩散，利用整体道床内结构钢筋的可靠电气连接，形成主要的杂散电流收集网。在条件允许情况下，尽可能增强整体道床结构与隧道（车站）结构间的绝缘措施。在工程可行情况下，利用隧道（车站）结构钢筋的可靠电气连接，形成辅助杂散电流收集网，以限制杂散电流向线路外扩散。

牵引变电所设排流装置，以便将来轨道绝缘降低，杂散电流增大时，使收集网（主收集网、辅助收集网）中杂散电流有畅通的电气回路，限制杂散电流对金属构件的腐蚀和向道床外、线路外的扩散。在盾构区间隧道，车站间通过电缆连接起来，以形成隧道内杂散电流收集网。车辆段出入段线与正线间，停车库内线路与库外线间，电化线路与非电化线路之间，电化线路尽头等设绝缘轨缝，并根据实际情况设单向导通装置。各类管线设备应从材质或其它方面采取绝缘措施，减少杂散电流对其腐蚀及通过其向线路外部泄漏。

2.3建立杂散电流监测系统

为了检测线路牵引回流泄漏的情况和地下金属结构受杂散电流腐蚀的程度，必须进行专门的测量工作并且要建立杂散电流监测系统。杂散电流测量点应设置在线路沿线的车站站台的两侧进出站信号附近、每一个回流点处及需要进行测试的走形轨分断点处、线路桥梁两段、线路的尽头线和线路与车辆段的连接坡道处，监测点还要定期进行检查维护。系统一般由参考电极、整体道床测防端子、地下结构测防端子（或高架桥轨道梁测防端子）、接线盒、测量电缆、变电所监测装置、便携式计算机及管理系统组成。所需监测的参数有轨道电压、地下金属结构的极化电位、轨道过渡电阻和轨道纵向电阻等。将整条线路车站变电所划分为若干个监测分区，每个监测分区在车站变电所设置一台杂散电流数据采集和统计处理装置，杂散电流测试及数据处理装置通过变电所内通信网络与综合自动化系统接口，并将处理和统计后的数据传至监控中心。

总之，城市轨道交通对于城市现代化的建设具有着不可取代的重要作用，然轨道的杂散电流所产生的腐蚀却一直妨害轨道交通的正常运行。因此需要采用有效的措施来防治杂散电流腐蚀，保护轨道，防止地铁运行事故的发生。同时还应该不断强化对杂散电流腐蚀机理的研究，不斷推动地铁杂散电流腐蚀危害的新突破。

参考文献：

[1]张栋梁，刘颖熙，吴晗.不同牵引策略下地铁杂散电流动态分布研究[J].城市轨道交通研究，2017，20（09）

[2]董亮，姜子涛，杜艳霞，路民旭，孟庆思.地铁杂散电流对管道牺牲阳极的影响及防护[J].石油学报，2016，37（01）