基于埋地金属管道杂散电流的腐蚀与防护

封 琼,张亚萍,汪 洋,于濂清,李 焰

(1. 中国石油大学(华东) 理学院，青岛 266580； 2. 中国石油大学(华东) 机电工程学院，青岛 266580)

基于埋地金属管道杂散电流的腐蚀与防护

封 琼1,张亚萍1,汪 洋1,于濂清1,李 焰2

(1. 中国石油大学(华东) 理学院，青岛 266580； 2. 中国石油大学(华东) 机电工程学院，青岛 266580)

采用实验室模拟的方法研究来自直流运输系统产生的杂散电流对埋地金属管道腐蚀的影响，并通过强绝缘性能的涂层保护、杂散电流收集网、牺牲阳极保护、排流跨接保护等措施来有效减轻或消除杂散电流对埋地金属管道的腐蚀。结果表明：采取这几种防护措施在一定程度上均可以缓解杂散电流带来的腐蚀问题，其中排流跨接的保护效果最佳。然而在实际施工过程中，单一的防护措施均存在一定的局限性，需要综合考虑杂散电流的大小以及其他管道的情况，采用灵活有效的防护措施。

杂散电流；埋地管道；涂层；杂散电流收集网；牺牲阳极；排流跨接

在直流牵引供电系统中(如图1)，由于钢轨对地存在电流泄漏[1]和电位梯度[2]，并非全部牵引电流由钢轨流回牵引变电所，有一部分电流离开了指定导体，在原来不应该有电流的导体中流动。这种没有按照期望的路径流动的电流叫做杂散电流，又叫迷走电流[3]。钢轨中的电流越大，或钢轨对地的绝缘程度越差，泄漏到地下的杂散电流也就越大。在机车附近,杂散电流从钢轨流向金属管道，使金属管道对地电位较负从而形成阴极区。在变电所附近，杂散电流从金属管道流回钢轨和变电所，使金属管道对地电位较正从而形成阳极区，杂散电流流出管道的地方将发生电解现象，使金属管道温度升高而遭受腐蚀[4-5]。本工作从杂散电流腐蚀机理出发，通过对埋地金属管道采用强绝缘性能的涂层保护、杂散电流收集网、牺牲阳极保护、排流跨接保护等措施来有效减轻或消除杂散电流腐蚀，为杂散电流腐蚀的研究提供试验依据。

图1 直流运输系统杂散电流示意图Fig. 1 Schematic diagram of stray current from DC transportation system

1 试验

最能直接反映出埋地金属管道杂散电流干扰腐蚀程度的是杂散电流的大小，但由于受到实际条件限制，电气化铁路杂散电流无法直接测出，而管道受干扰腐蚀程度的主要判别依据为管地电位和土壤电位梯度(该方法称为电气判别法)。其中管地电位是最重要的参数，它既可以反映管道的腐蚀特性，又可以反映杂散电流的干扰特性。因此可以把管地电位作为杂散电流腐蚀效果评估的重要指标之一。

图2为杂散电流测定原理图。在一个绝缘性能良好的长方体塑料箱内充满土壤，塑料箱的尺寸为80 cm×60 cm×70 cm。金属管道采用直径4.0 mm，长40.0 cm的电阻丝(按1∶100缩小)。牵引变电所外加电压为7.5 V。

图2 杂散电流测定原理图Fig. 2 Principle diagram of stray current measurement

将一根电阻丝埋于土壤中一定深度，模拟埋地金属管道。另一根电阻丝放置于土壤表面，用来模拟钢轨，外接直流电源。在埋地金属管道上选择五个测试点，用导线将每个测试点连接到土壤表面。将数字万用表一端连接在与测试点相连的导线处，另一端连接铜/硫酸铜参比电极。数字万用表测得的电压即为管地电位。

2 结果与讨论

2.1 涂层对管地电位的影响

图3给出了测量深度为4.0 cm，无任何保护措施和外加涂层保护下埋地金属管道不同测试点的管地电位。其中测量深度为钢轨与埋地金属管道的垂直距离。

图3 测试点的管地电位Fig. 3 Pipe-to-soil potentials of test points

由图3可见，无论是有涂层还是无涂层，远离牵引变电所测试点1的管地电位较负，而最靠近牵引变电所的测试点5的管地电位较正，该处的金属管道由于杂散电流的流出而作为原电池的阳极，因而发生电解作用使得管道遭受较严重的腐蚀。对比有、无涂层条件下的管地电位可知，外加涂层并不能较好地达到减轻金属管道腐蚀的效果。这可能是由于泄漏到地下的杂散电流过大，或者涂层质量不佳，存在较小面积的破损使得杂散电流流入从而加重腐蚀程度。

由此可见，使用强绝缘性能的涂层保护虽然有利于减少流入管道的杂散电流总量，但是一旦涂层出现破损现象，就会使得流入金属管道的杂散电流更集中，杂散电流腐蚀的危险性有增无减。

2.2 埋地深度对管地电位的影响

由图4可见，随着埋地深度的增加，金属管道(有涂层)的管地电位呈现降低趋势，杂散电流腐蚀程度逐渐减轻。这主要是由于杂散电流腐蚀的本质是电化学腐蚀的电解过程，随着埋地深度的增加，土壤对离子迁移的阻力也会相应增大，因此到达金属管道的离子数目会有一定的减少，阳极电解效应将会减弱。此外，当管道埋地深度增加时，氧的传输过程也会受到一定程度的抑制。腐蚀过程中，溶解氧不断地在金属表面还原，大气中的氧就不断地溶入土壤并向金属表面输送。氧输送过程如图5所示，氧以对流或扩散的方式通过土壤，随着埋地深度的增加，氧传输过程受到的扩散阻力也会随之增大，阴极极化反应会受到一定程度的阻碍，因此阳极溶解反应速率变慢，杂散电流腐蚀程度得以减轻。

图4 不同埋地深度下测试点的管地电位Fig. 4 Pipe-to-soil potentials of test points at different buried depths

图5 氧的传输过程示意图Fig. 5 Diagram of oxygen transmission process

在一定深度范围内，随着管道埋地深度的增加，杂散电流腐蚀程度会相应地减弱。因此，在实际施工时，可通过合理设计埋地管道的深度来缓解杂散电流带来的腐蚀问题。

2.3 铺设杂散电流收集网对管地电位的影响

在钢轨与金属管道(有涂层)之间铺设杂散电流收集网，其示意图如图6所示。杂散电流收集网由上、下两排纵向钢筋组成，每排有五根φ12.0 mm钢筋，每隔10.0 cm用一根φ25.0 mm的横向钢筋将五根纵向钢筋焊接成一整体，同时用两根φ20.0 mm钢筋把上、下二层横向连接钢筋焊成一体。铺设的杂散电流收集网的纵向电阻要小于埋地金属管道的纵向电阻，以达到收集杂散电流使之通过收集网回到牵引变电所负极的目的。

图7为在使用涂层保护的基础上,钢轨与金属管道之间铺设杂散电流收集网前后各测试点埋地金属管道的管地电位。由图7可见，铺设杂散电流收集网后，金属管道的管地电位降低，表明管道在杂散电流收集网作用下得到了较好的保护。但是使用收集网后最靠近牵引变电所的测试点5的管地电位只降到了-0.073 V，可见试验中铺设的杂散电流收集网装置对杂散电流的收集效果并不是特别理想，有待于进一步改进。

图6 杂散电流收集网示意图Fig. 6 Diagram of stray current collection network

图7 铺设杂散电流收集网前后各测试点的管地电位Fig. 7 Pipe-to-soil potentials of test points before and after laying stray current collection network

图8为杂散电流收集网的等效电路图。图8中：r为牵引网阻抗；R为钢轨阻抗；Rg为钢轨对地电阻；Rt为埋地金属管道等效电阻；RI为杂散电流收集网等效电阻；I为牵引电流；Ig为杂散电流。

图8 杂散电流收集网等效电路图Fig. 8 Equivalent circuit diagram of stray current collection network

由图8可以看出，铺设杂散电流收集网相当于给杂散电流增加了一条分流支路，且要求杂散电流收集网的纵向电阻比埋地金属管道的纵向电阻小，因此通过杂散电流收集网的杂散电流会多一些，这样就达到了收集杂散电流的效果，埋地管道得到一定程度的保护。

铺设杂散电流收集网为杂散电流提供了返回牵引变电所的低电阻通路，以限制杂散电流继续向系统以外泄漏，减少杂散电流对金属管道及金属构件的腐蚀。使用杂散电流收集网对减轻杂散电流腐蚀产生了较好的效果，可以作为地铁设计、施工及运营中杂散电流防护的参考。但是要实现理想的收集效果，需要对收集网的设计与布置提出更高的要求。

2.4 牺牲阳极保护对管地电位的影响

牺牲阳极的阴极保护法是一种电化学保护技术，由金属的化学特性可知，腐蚀原电池的阴极不发生腐蚀，只有阳极才发生腐蚀。牺牲阳极保护法的原理是将被保护的金属管道与活性阳极相连。一般所选的阳极金属要有足够负的稳定电位，且阳极极化小，溶解均匀。镁阳极具有电位负，可获得较大的驱动电压，极化率低，单位质量发生电量大等特点，尽管电流效率低，但仍是牺牲阳极的理想材料[6-7]。图9为牺牲阳极保护装置示意图。

图9 牺牲阳极保护装置图Fig. 9 Set-up diagram of sacrificial anode protection

图10为使用镁牺牲阳极保护前后金属管道(有涂层)管地电位的变化规律。由图10可见，使用牺牲阳极保护措施后各测试点的管地电位降低幅度均比较大，杂散电流腐蚀得到较大程度的减轻。这主要是由于被保护管道金属与牺牲阳极构成宏观的腐蚀电池，电位较正的金属成为宏观腐蚀电池的阴极，电位较负的金属成为阳极[8]。阳极在电解质中优先产生电子，为被保护金属提供阴极保护电流，并不断溶解持续对阴极进行阴极极化[9]，从而使金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。

图10 牺牲阳极保护前后各测试点的管地电位Fig. 10 Pipe-to-soil potentials of test points before and after sacrificial anode protection

当施加阴极保护电流使阴极发生极化时，系统总电位向负方向移动，腐蚀电流减小，腐蚀速率降低。当电位移动到阳极的初始极化电位时，系统的腐蚀电流降为零，腐蚀停止，阴极得到彻底的保护。因此使用金属镁作为牺牲阳极能有效地使腐蚀系统的电位负移从而降低腐蚀速率。但是，当阴极保护电位过负时将发生析氢反应，产生的氢原子渗入金属将导致氢脆破坏，应予以避免。由于金属镁的电位较负，从而失去电子成为阳极而遭受腐蚀；而大量的O2和OH-向铁附近移动，发生阴极反应从而对金属管道起到一定的保护作用。

牺牲阳极保护法是以电位足够负的金属作为阳极，通以直流电流进行阴极极化，使被保护金属处于阴极状态从而达到阻止金属腐蚀的一种方法。电位较负的金属失去电子被氧化而受到腐蚀，电位较正的金属作为阴极得到电子而被保护。牺牲阳极金属和被保护金属之间的电位差是腐蚀过程的推动力，电位差越大，表明牺牲阳极金属能提供更多的保护电流。由测试结果可知，牺牲阳极与涂层保护的配合使用，在埋地金属结构的防腐施工工艺中应用前景可观，经济效益明显，应予以大力推广。

2.5 排流跨接保护对管地电位的影响

排流跨接法就是将埋地结构物与地铁钢轨连接起来，使进入结构物的泄漏电流返回钢轨的方法。排流法有直接排流跨接法、极性排流跨接法和强制排流跨接法三种[10]。为了防止电流的反向流动，试验中采用如图11所示的极性排流跨接保护将埋地金属管道与地铁钢轨连接起来，以达到阻断逆流的目的。

图11 排流跨接保护原理图Fig. 11 Principle diagram of current drainage and bridging protection

由图12可以看出，四种措施对埋地金属管道(有涂层)均起到一定的保护作用，其中使用极性排流跨接保护对减轻埋地金属管道杂散电流腐蚀的效果最为明显。极性排流装置的核心器件是硅二极管，主要起正向导通、反向截止的极性排流作用。当埋地金属管道相对走行钢轨电位差为正值时，二极管正向导通使杂散电流通过，管道上的杂散电流经由排流装置流回电源负极，使整个管道变为阴极性，从而避免杂散电流直接从管道流入土壤造成电化学腐蚀，防止了阳极溶解过程[11]。

图12 几种保护措施下各测试点的管地电位Fig. 12 Pipe-to-soil potentials of test points under different measures of protection

但是排流跨接保护会导致运输系统总的负极回路接地电阻降低，使得运输系统的总杂散电流量增加，同时加剧在跨接前遭受杂散电流干扰较小的管道的腐蚀。由图13可见，使用排流跨接后加大了其他未受保护管道的杂散电流干扰。这种干扰产生的原因在于：排流量过大时，会增大杂散电流量及轨地电位差。

图13 排流跨接对未保护管道影响Fig. 13 Effects of current drainage and bridging protection on unprotected pipeline

使用极性排流跨接保护可以在一定程度上减小直流杂散电流干扰，但同样会使总的杂散电流增大而加剧腐蚀。如果干扰源停运，就会使保护体得不到保护。当排流量过大时，对其他邻近未受保护管道的干扰腐蚀也会加大。同时，使用极性排流跨接保护容易造成电位过负的现象。当直流杂散电流干扰严重时，使用极性排流装置并不能完全消除直流杂散电流。因此有必要开发新型的智能排流设施，避免目前直流杂散电流排流设施“排正不排负”的弊端。

3 结论与建议

3.1 结论

(1) 当杂散电流通过直流牵引运输系统时，在埋地金属管道靠近变电所的区域容易发生放电现象，导致该部位的金属与周围电解质成为阳极,发生电解反应，从而产生杂散电流腐蚀。

(2) 对埋地金属管道使用高绝缘性能的涂层保护可以在埋地深度较大时保护管道，使其免受杂散电流腐蚀，但是管道与钢轨靠得太近时，由于杂散电流太大以及无法保证实际施工时的涂层是完好的，该方法的保护效果不佳。

(3) 在使用涂层保护的基础上使用杂散电流收集网或者牺牲阳极的阴极保护法可以在一定程度上缓解杂散电流带来的腐蚀问题，但是这两种措施对于降低靠近变电所附近区域管道的管地电位效果都不太明显。使用排流跨接保护可以在较大程度上减轻杂散电流腐蚀，但是这种方法会加大其他未受保护管道的杂散电流腐蚀影响。

上述几种保护措施，都存在一定的局限性，因此在直流牵引运输系统周围铺设金属管道时，要综合考虑杂散电流的大小以及其他管道的情况，灵活采用有效的保护措施。

3.2 建议

(1) 基于以上防护措施各自的优缺点，建议对上述措施进行联合使用来弥补彼此的不足，如杂散电流收集网与排流装置联合使用[12]，牺牲阳极与排流装置联合使用[13]等，这些措施已在试验研究中得以验证，但并未大量应用到实际施工中去，主要是因为其具体硬件配置与设计还不完全清晰，有待于进一步开发完善。

(2) 鉴于杂散电流存在环境的特殊性与复杂性，对埋地管道杂散电流的监测与防护存在较大的障碍，因此实现杂散电流数字化监控将成为杂散电流研究发展的必然趋势，是今后治理杂散电流腐蚀问题的关键。

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Corrosion and Protection of Buried Metal Pipelines Based on Stray Current

FENG Qiong1, ZHANG Ya-ping1, WANG Yang1, YU Lian-qing1, LI Yan2

(1. College of Science, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Simulation test in laboratory was carried out to study the impact of stray current produced by DC transportation system on buried metal pipelines. The measures such as coating protection, stray current collection network, sacrificial anode protection, current drainage and bridging protection were taken to mitigate or eliminate stray current corrosion of buried metal pipelines effectively. The results show that using these protective measures can bring certain remission to corrosion problems caused by stray current, among which drainage and bridging protection had the best effect. However, in practical construction process, single measure has certain limitation, so it is necessary to comprehensively consider the intensity of stray current and the situations of other pipelines, and take protective measures flexibly and effectively.

stray current; buried pipeline; coating; stray current collection network; sacrificial anode; current drainage and bridging

10.11973/fsyfh-201702002

2015-10-08

国家自然科学基金面上项目(21476262); 青岛市科技成果转化引导项目(14-2-4-108-jch); 大学生创新计划项目

张亚萍(1967-)，副教授，硕士，从事纳米材料的合成、制备及其性能研究，材料腐蚀与检测等相关工作，0532-86983418,zhangyp@upc.edu.cn

TG174

A

1005-748X(2017)02-0091-05