地铁杂散电流对隧道钢筋极化电位分布影响研究

钱 根，王沛沛，湛 博

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

引言

城市轨道交通直流牵引电流一般通过钢轨回到牵引变电所负极,回流过程中,由于钢轨对地并不是完全绝缘,且具有一定的纵向电阻,此时将会有部分电流从钢轨流出,通过隧道结构、大地或其他邻近金属构筑物等回到牵引变电所负极,这部分不按钢轨预设路径的回流被称为杂散电流[1-3]。杂散电流通过混凝土时,如果有钢筋存在,当杂散电流由混凝土进入钢筋位置时,钢筋为阴极。根据阴极保护理论,阴极电流增大时,将会导致钢筋表面有大量氢气析出,如果氢气不能及时从混凝土逸出,将会破坏混凝土与钢筋之间的结构,导致稳定性下降。在杂散电流从钢筋流出进入混凝土位置,钢筋为阳极发生氧化反应,混凝土会因所产生的锈蚀产物堆积而开裂,造成破坏[4-6]。

城市轨道交通设计过程中,为尽量减少杂散电流对钢轨回流系统、支持类基础设施以及第三方基础设施的影响,工程上会采取系列措施,以减小杂散电流危害[7-8]。BAHRA和CATLOW[9]总结了减少杂散电流泄漏的措施,包括保持高水平的轨地绝缘满足接触电压的要求、采用有效的接地和连接方案、连接所有平行的轨道、短轨焊接为长轨、上下行轨道间连接、建立杂散电流收集系统、降低回流轨电阻、减少牵引所间距、隔离轨道和结构钢,尤其采用道床排流网时,确保轨道干燥、排水及时等,提出了监测泄漏到系统外的杂散电流的必要性。牟龙华等[10]通过单边供电单台机车的简化电路模型说明了排流网的有效性。COTTON和CHARALAMBOU[11]研究了当牵引系统有排流网时,不同土壤电阻率下排流网的排流效率,结果表明,随着土壤电阻率增加,从排流系统流过的杂散电流逐渐增大,当土壤电阻率大于1 000 Ω·m时,超过95%的杂散电流从排流网回到牵引所负极。

杂散电流的泄漏位置、泄漏大小、泄漏方向等随着环境变化而变化,给杂散电流影响测量以及判断对金属构筑物的影响带来很大困难[12-13]。工程上通常将金属极化电位作为反映受杂散电流影响程度的指标,通常只有阳极极化会造成金属腐蚀。曹阿林[14]模拟了土壤环境中埋地金属管线涂层破损情况下的杂散电流分布和极化电位变化,实验结果表明,杂散电流将较集中的从破损点流入或流出金属管线,破损点极化电位较涂层完好区段有明显升高或降低。

钢结构极化电位的现场实测目前已在国内外部分城市开展,如南京地铁1号线[15]、广州地铁8号线[16]、台北地铁[17-19]、米兰地铁[20]、德黑兰地铁3号线[21]等。金属极化电位作为杂散电流腐蚀的工程分析参数,主要被用到以下方面:将测量结果与模拟结果进行比较,判断所建立模型是否足够准确;结合腐蚀现象和金属极化电位评价杂散电流的具体影响;考虑极化电位不对称系数,评估金属所受腐蚀影响水平。

目前将杂散电流与钢结构极化电位联系起来的研究非常有限,为研究不同工况下杂散电流对隧道结构钢筋极化电位的影响,建立了地铁杂散电流对隧道结构钢筋极化电位分布影响实验模型,针对不同牵引电流、存在邻近金属管线、隧道钢筋横联及加装排流网等情况,开展了隧道结构钢筋沿线极化电位分布测试,相关结果能够为改善杂散电流防护工程措施,提高隧道结构钢筋耐腐蚀寿命提供参考。

1 隧道钢结构试验模型

水与土壤虽然是两种不同的介质,但对于杂散电流泄漏影响而言,差别主要反映在介质类型上,杂散电流形成的电流场在相同电阻率的均匀土壤与水中具有相似的分布规律。与土壤相比,水的颜色透明,易于观察,均匀性好、电阻率改变时调节更加均匀,大型模拟装置试验更为方便。因此,实验以水代替土壤媒质,建立地铁隧道结构钢筋模型,如图1所示。研究不同牵引电流、存在邻近金属管线、隧道结构钢筋互联以及加装排流网等工况下,杂散电流对结构钢筋沿线极化电位的影响。

图1 隧道模型示意

隧道模型主体由环氧树脂构成,半径为15 cm,内部充满空气,不为杂散电流提供流通路径。隧道外部沿隧道壁平行布置8根结构钢筋,位置及编号如图1(c)中所示。将一根电阻丝置于隧道模型底部正中央,与结构钢筋平行,模拟走行轨。电阻丝中点与直流电源正极相连,模拟列车位置。电阻丝两端与直流电源负极相连,模拟牵引变电所位置。当电流从列车位置流出,通过电阻丝回到牵引变电所负极时,由于纵向电阻的存在,部分返回电流将泄漏至环境介质中,形成杂散电流。

水环境电阻率为30 Ω·m。实验初始选用长100 cm、直径0.3 mm、单位长度电阻15.4 Ω/m电阻丝,对环境介质等效绝缘电阻为2×10-4Ω·m。结构钢筋长100 cm,单位长度电阻4×10-5Ω/m,对环境介质等效绝缘电阻为1×10-4Ω·m。每间隔10 cm取一个极化电位测量点,共88个测量点,测量采用Cu/CuSO4参比电极。通过调节稳压直流源,保持直流源输出电流为1.5 A。

2 隧道钢结构沿线极化电位分布特性

2.1 牵引电流对隧道钢筋极化电位分布影响

初始试验条件下各隧道结构钢筋沿线极化电位分布如图2所示,结构钢筋自然电位为-960 mV。由图2可知,与钢轨平行各隧道结构钢筋沿线整体极化电位分布均呈“V”形,对应两端牵引所位置测量点极化电位值最高,阳极极化最严重。对应列车位置测量点极化电位值最低,阴极极化最严重。

图2 隧道结构钢筋沿线极化电位

图2中,第1号～4号结构钢筋沿线极化电位分别与第8号～5号结构钢筋呈近似对称分布。由于隧道底部1号和8号结构钢筋距离钢轨最近,所受杂散电流影响最大,沿线极化程度最高。2号和7号结构钢筋次之,相对于1号和8号钢筋,整体极化程度有明显减小。隧道上半部分3号～6号钢筋由于距离钢轨较远,所受杂散电流影响有限,沿线极化电位分布较均匀,几乎重合。8号结构钢筋上极化电位最大值与最小值相差141 mV,5号结构钢筋上极化电位最大值与最小值相差26 mV。与隧道底部结构钢筋相比,隧道顶部结构钢筋受杂散电流影响极化程度减少约81.6%。比较1号和4号结构钢筋可以得到相似的结论。

保持其他各项条件不变,改变牵引电流大小分别设置为1 A和2 A时,隧道结构钢筋沿线极化电位分布分别如图2和图3所示。由图2、图3可知,流经钢轨的电流越小,所产生的杂散电流越小,从而对隧道结构钢筋的极化影响程度也越小。牵引电流从2 A减小到1 A后,对于第1和第8根结构钢筋,极化电位偏移程度降低了约68.5%;对于第2根和第7根结构钢筋,极化电位偏移程度降低约68.2%;对于第3根和第6根结构钢筋,极化电位偏移程度降低了约73.1%;对于第4根和第5根结构钢筋,极化电位偏移程度降低了约73.3%。

图3 牵引电流1 A时隧道结构钢筋沿线极化电位分布

图4 牵引电流2 A时隧道结构钢筋沿线极化电位分布

2.2 邻近金属管线对隧道钢筋极化电位分布影响

保持各项初始条件不变,在与钢轨同一水平面上,与8号结构钢筋水平距离10 cm处平行布置一根长100 cm金属管线,实验布置如图5所示。结构钢筋及金属管线自然电位为-960 mV。

图5 邻近金属管线对隧道结构钢筋沿线极化电位分布影响实验模型

金属管线沿线极化电位分布如图6所示。图6中,隧道结构旁的金属管线受到明显杂散电流影响,整体分布与隧道结构钢筋相似,呈“V”形。金属管线沿线极化电位发生不同程度偏移,极化电位最大值与最小值相差近100 mV,整体极化程度小于1号和8号结构钢筋,大于其他结构钢筋。

图6 邻近金属管线沿线极化电位分布

选取1号、4号、7号、8号结构钢筋与无其他金属管线时的极化电位分布进行比较,如图7所示。由图7可知,其他金属管线存在前后,第1号、4号、7号、8号结构钢筋上的沿线极化电位分布几乎重合。实验设置位置的金属管线虽然自身受到明显杂散电流影响,但其存在对隧道各结构钢筋上的极化电位分布几乎无影响。

2.3 隧道结构钢筋并联对沿线极化电位分布影响

保持各项初始条件不变,在结构钢筋靠近两端各15 cm处,分别用铜导线将8根结构钢筋连接,实验示意如图8所示。结构钢筋自然电位为-960 mV。

图8 隧道钢筋并联对沿线极化电位分布影响实验模型

结构钢筋沿线极化电位分布如图9所示,隧道模型各结构钢筋沿线极化电位分布规律与并联前相似。选取1号、4号、5号、8号结构钢筋与隧道结构钢筋并联前的极化电位分布进行比较,如图10所示。由图10可知,当隧道结构钢筋并联时,靠近钢轨第1号、8号结构钢筋沿线极化电位较不并联时无明显变化,整体极化程度在并联前后基本保持一致。对于远离钢轨第4号、5号结构钢筋,沿线整体极化程度较互联前有所减弱,导体两端对应牵引变电所发生阳极极化位置,极化程度较并联前下降约14.1%,中间对应列车发生阴极极化位置,极化程度较并联前下降约26.3%。隧道结构钢筋并联能有效减少杂散电流对隧道顶部结构钢筋的影响,但是对靠近钢轨附近结构钢筋影响不明显。

图9 隧道钢筋并联时沿线极化电位分布

图10 隧道钢筋并联对结构钢筋沿线极化电位分布影响

2.4 排流网对隧道钢筋沿线极化电位分布影响

保持各项初始条件不变,在钢轨下方加装排流网。排流网由3根与电阻丝等长且平行放置的铁丝组成,每隔25 cm用铜导线进行一次横连。排流网宽10 cm,两端直接与直流电源负极相连,排流网与钢轨的垂直距离为5 cm,如图11所示。结构钢筋自然电位为-960 mV。结构钢筋沿线极化电位分布如图12所示。选取1号、2号、3号、8号结构钢筋与无其他金属管线时的极化电位分布进行比较,如图13所示。

图11 排流网对隧道钢筋极化电位分布影响实验模型(单位:cm)

图12 加装排流网后隧道结构钢筋沿线极化电位分布

图13 加装排流网对结构钢筋沿线极化电位分布影响

由图13可知,增加排流网后,靠近钢轨第1号、8号结构钢筋沿线极化程度有明显增加,其中,阳极极化平均增加约23.4%,阴极极化均增加约33.2%。2号结构钢筋沿线整体极化程度较未安装排流网时有轻微增加,3号结构钢筋沿线极化程度较未安装排流网时减小约16.7%。

排流网的存在使靠近走行轨和排流网的隧道结构钢筋受到更严重的杂散电流腐蚀,对于远离排流网的结构钢筋,排流网能够降低杂散电流对金属的腐蚀影响。

2.5 钢轨与隧道钢筋距离对极化电位分布影响

杂散电流流通路径对结构钢筋极化电位分布有明显影响,路径主要反映在钢轨与结构钢筋的距离上,实验模型中,7号结构钢筋与钢轨直线距离和实际距离示意如图14所示。以初始数据为例,表1给出了隧道结构钢筋极化程度随距离变化关系,其中,Ln为n号结构钢筋与钢轨的直线距离,Dn为n号结构钢筋与钢轨的实际距离,ΔEn为n号结构钢筋极化电位偏移最大值。

表1 隧道结构钢筋极化程度与距离变化关系

图14 隧道结构钢筋与钢轨直线距离和实际距离示意

表1中,以8号结构钢筋为基准值,对各结构钢筋沿线极化程度变化率随距离变化关系进行计算,可以发现,随着实际距离和直线距离的增加,结构钢筋沿线极化程度均呈指数衰减。当实际距离增长至1.92倍时,结构钢筋整体极化程度下降约56%,衰减速率约为0.61。当实际距离增长至3.75倍时,结构钢筋极化程度下降80%以上,衰减速率约为0.29。当直线距离增长至1.75倍时,结构钢筋整体极化程度下降约56%,衰减速率约为0.75。当实际距离增长至2.55倍时,结构钢筋极化程度下降80%以上,衰减速率约为0.52。在中空隧道模型中,结构钢筋沿线极化程度随直线距离衰减速率均大于实际距离。

3 结论

建立地铁杂散电流对隧道结构钢筋极化电位分布影响实验模型,针对不同牵引电流、存在邻近金属管线、隧道钢筋横联及加装排流网等情况,开展隧道结构钢筋沿线极化电位分布影响实验,主要结论如下。

(1)隧道附近存在其他埋地金属管线时,金属管线自身会受到明显杂散电流影响,但其存在对隧道各结构钢筋上的极化电位分布几乎没有影响。

(2)隧道结构钢筋并联,能有效降低杂散电流对隧道顶部结构钢筋的影响,阳极极化与阴极极化程度较并联前分别下降约14.1% 与26.3%,并联对靠近钢轨附近结构钢筋影响不大。

(3)排流网对杂散电流有一定吸附作用,加装排流网将使靠近钢轨和排流网的结构钢筋受到更严重的杂散电流腐蚀,平均极化程度增加约28.3%。对于远离排流网的金属结构,排流网能有效降低杂散电流影响。

(4)结构钢筋沿线极化程度随着钢轨与结构钢筋距离的增加呈指数衰减,对于靠近和远离钢轨的隧道结构钢筋,衰减速率分别为0.61～0.75和0.29～0.52。