地铁维修基地杂散电流对埋地钢质管道的腐蚀及防护措施

颜达峰，刘乃勇，袁鹏斌，舒 江，李月娥

（1.上海天然气管网有限公司，上海201204；2.上海海隆石油管材研究所，上海200949）

地铁作为城市交通的重要组成部分发展迅速。由于地铁建设逐渐扩张，地铁与高压力级别的钢质管道交叉或平行的情况越来越多。地铁机车多采用直流750V或1 500V作为电力牵引供电[1]。地铁系统中的电流绝大部分经过走行轨流回到电源负极。一般来说，部分电流从轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到道床及周围土壤介质中，形成杂散电流[2－3]。流入土壤中的杂散电流进入高压天然气管道，严重危害管道的安全。一旦发生天然气腐蚀穿孔等，将造成巨大的经济损失和浪费。

管道维护工作经验总结结果表明，地面运行的地铁对埋地钢质天然气管道的影响较小，而地铁维修基地附近管道容易受到杂散电流腐蚀。本工作对埋地钢质管道受地铁杂散电流腐蚀的相关规律、特点进行分析，利用遥测装置及同步测试法查找杂散电流干扰源，并结合上海市高压天然气管道的杂散电流检测情况，对地铁基地内的杂散电流原因进行分析并提出建议措施。

1 直流杂散电流对钢质管道的腐蚀

1.1 地铁杂散电流与金属质量损失相关性

埋地钢质管道遭受损失的质量与杂散电流成正比，服从法拉第定律：

式中：m为金属腐蚀减少的质量，g；M为金属的摩尔质量，g·mol－1；I为杂散电流大小，A；t为腐蚀时间，s；Q为金属离子的电荷数（金属的腐蚀价态）；F为法拉第常数，96 500C·mol－1。

由式（1）可知，1A的杂散电流1a损失钢铁达9.1kg。在上海锦秋路基地中，每台机车运行时的电流约300A，而整个地铁系统同时运行机车可达几十辆机车，消耗的电流超过5 000A。即使系统有1%电流泄漏到土壤中形成杂散电流，其危害程度都是十分巨大的，泄漏的杂散电流将严重危害周边金属构件及管线的安全。因此，预防和消除杂散电流对埋地金属管道的安全是至关重要的。

1.2 地铁杂散电流干扰情况下钢质管道的腐蚀

杂散电流在流入管道和流出管道的区域形成阴极区和阳极区。管道采取外防腐蚀层保护，阳极区面积极小，腐蚀形成了大阴极小阳极，管道在阳极区发生腐蚀。杂散电流进入管道后，在阳极区腐蚀且极易发生穿孔。例如上海地铁2号线沿线世纪大道下的DN300钢管已发生近10次腐蚀泄漏事故，造成的直接或间接损失高达200万元[4]。管道泄漏对燃气公司的正常供气产生了消极影响，对周边的环境也造成很大的破坏。此外，上海浦东地区东线管道也存在杂散电流腐蚀，管道内检测结果发现该管壁局部腐蚀严重。将腐蚀严重的管段开挖、截取下并去除外防腐蚀层，发现管道外壁存在许多腐蚀坑，如图1所示。腐蚀坑处壁厚减薄较严重，超声波测厚结果显示坑洞处剩余壁厚最薄仅为6mm，而管道正常壁厚为10mm。

1.3 地铁杂散电流评价指标

一般通过测试管道电位和土壤电位梯度大小评价杂散电流的干扰程度。按照标准规定[5]，当电位偏离其自然电位25mV或土壤电位梯度超过0.5mV·m－1时，认为管道受杂散电流干扰。当管道上任意点的管地电位较自然电位正向偏移100mV或管道附近土壤表面电位梯度＞2.5mV·m－1时，应采取直流排流保护或其他防护措施。实际上一般的管道都采取了阴极保护，可通过管道阴极保护电位的偏移情况来评价其腐蚀的。对管道直流杂散电流检测过程中发现，地铁形成的杂散电流并未形成稳定的电位偏移，通常情况下受干扰的管段的管地电位都是呈现波动特征。由于存在相邻轨道上两列列车同时异向行驶、列车速度不断变化等情况，造成了杂散电流干扰的复杂性。有研究表明，动态杂散电流越大，管地电位波动范围越大[5]。同时，测试管道直流电位与其埋设环境下的土壤电位梯度时，发现管道电位与土壤电位梯度呈现高度一致，管道电位波动情况受杂散电流影响对应关系十分明显。

2 管道杂散电流干扰源的检测

2.1 利用遥测装置监测管道杂散电流

远程遥测技术在上海高压天然气管线中已被成功应用[6]。远程遥测设备可实现实时并全天24h连续监测，可及时、有效地发现管线受到杂散电流干扰等电位异常情况，提高了管道管理和维护的水平。另一方面，遥测数据可掌握杂散电流的运行时间，可根据其规律来查找杂散电流干扰源。如图2所示为上海9标12号测试桩管地电位的24h监测数据。

从图2可知，在晚上11点30分至凌晨5点30这段时间，管道的电位波动干扰小，管道受到杂散电流最小。在该时间段，杂散电流干扰源停止了杂散电流的泄漏。对该管段附近杂散电流检测结果发现，距离该管段东侧约200m有上海地铁七号线锦秋路基地。对比图2与上海七号线地铁的运行时间，发现上海地铁七号线在上述时间段正好处于停止运行阶段。从这两者时间上的一致性，说明该杂散电流与七号线地铁可能存在直接的关系。

2.2 管地电位与土壤电位梯度的同步测试

利用标准规定的十字交叉法测试管道周边杂散电流方向和大小。9标12＃桩管道所在位置土壤的土壤电位梯度较大，最大值5mV·m－1。在基地外围空地上测试土壤电位梯度，同样显示杂散电流干扰源为基地。即从方向上来说，可以认为杂散电流来源于上海地铁七号线锦秋路基地内。在基地内部测试时，发现该基地内电位梯度明显增大。利用上海正方电子电器公司生产的杂散电流测试仪，同步测试9标12＃测试桩、12＃桩附近土壤电位以及基地内土壤电位梯度，结果见图3。

由图3可见，管道附近土壤电位梯度波动以及基地变电所附近土壤电位梯度波动规律一致，同步变化。这充分说明导致管道电位波动的原因与地铁基地的变电所有直接联系，即地铁锦秋路基地泄漏电流是形成9标管道杂散电流的直接原因。

3 锦秋路基地杂散电流形成原因分析

3.1 铁轨绝缘的检查

一般来说由于回流轨存在着一定的电阻，牵引电流在回流轨中产生电压降，同时回流轨对地也存在着电位差[7]。轨道对地电位差使回流轨中的部分电流漏泄到土壤中后流入地下构筑物、埋设金属管线等，沿地下构筑物、埋地金属管线流动的电流流至负回馈点附近后通过土壤重新归入钢轨，从而使钢轨及其附近地下构筑物钢筋、金属管线等在电流流出处产生腐蚀，如图4所示[8]。

利用便携式硫酸铜参比电极对基地内局部段铁轨进行了轨地电位测试，轨地电位为＋0.89～－8.81V，由于铁轨和地面之间过度电阻的存在以及轨道自身的纵向电阻导致轨道和大地之间出现电位差。由于该电位差的存在，电流从电势高向电势低处流动，进而是将泄漏到道床和周围土壤中。现场检查发现基地多处铁轨对地绝缘不好，如图5所示，铁轨有积水。积水的存在使得轨道回流的电阻显著降低，导致铁轨回流电阻降低。此外，基地24h都有地铁列车运行，且在基地内各条轨道相互连接在一起，不便于对轨道的接地电阻进行测量。

3.2 架空电线电流检测及分析

利用钳形电流表测试了基地内架空电线往地铁人工接地方向连接线，结果显示该电线存在电流。电流呈现波动状态，电流最大超过19A，方向为架空电线流向变电站接地。同步测试土壤电位梯度与电流，结果发现该电流值变化规律与基地内土壤电位梯度变化规律一致。说明该电流与基地内杂散电流干扰源存在直接的关系。

另一方面，由于架空电线与高压触网电线长距离平行，在机车运行过程中触网电流会发生变化变化。根据电磁感应原理，触网电流的变化使得架空电线形成感应电流。由于架空电杆接地与变电所人工接地体连接在一起，大部分泄漏的电流通过自然接地体进入到变电所人工接地体（接地铜排），而部分电流直接通过电杆流入土壤。架空电线的电流形成受多方面的影响，目前无这方面的报道，可对其做进一步研究和讨论。

4 地铁基地杂散电流防护对策

地铁在设计杂散电流防护时主要是考虑地铁的运行安全，较少考虑其泄漏的电流对管道的影响。天然气管道的安全运行同样关乎百姓的生产生活。在地铁杂散电流防护设计时，有必要考虑杂散电流周边管道的影响。结合地铁维修基地内杂散电流检测结果，提出以下几点建议：

（1）加强铁轨绝缘施工与管理 由于轨道作为机车回流线路，铁轨绝缘不良将导致明显的电流泄漏进而形成杂散电流危害周边管道。笔者在对管道常规阴极保护检测发现，轨道绝缘不良泄漏到大地对管道电位干扰严重，部分由于雷雨天气导致轨道间形成积水，电流通过积水进入土壤进而形成杂散电流。因此，加强轨道的绝缘处理，不允许轨道直接接地，不允许与其他金属构件直接连接，同时注意轨道上排水的通畅，避免形成积水造成电流泄漏。

（2）加强变电站接地极的检测与管理 由于车辆基地共用一个人工接地，接地不良将导致变电站附近土壤的电位升高，当存在雷击或短路情况时，将严重危害设备及操作人员的安全。另一方面，按照相关标准规定人工接地体与架空电线电杆等自然接地体连接在一起，由于变电站人工接地不良，接地处电流可通过自然接地体漏泄电流，导致位于接地极附近的金属管道会受到接地极形成的电场干扰，管道局部形成阴极区和阳极区，发生电化学腐蚀。由于管道一般采取外防腐蚀层保护，腐蚀的阳极区很小，形成大阴极小阳极的腐蚀特点，阳极区的腐蚀速率很大，管道容易发生穿孔。

在多个地铁基地检测结果发现，干扰源距离管道较远时，杂散电流干扰将显著的减小，甚至几乎对管道无影响。接地极附近土壤电位梯度较大，距离接地极较远处电位梯度明显减小。笔者在上海闵行吴中路基地测量土壤电位梯度发现，接地极附近土壤电位梯度为23mV·m－1，而距离吴中路基地较远的外环公路边上电位（距离基地约800m）梯度为3.5mV·m－1，电位梯度方向指向接地极。

因此，建议定期测量接地极的基地电阻，当人工接地体接地不良时，采取加导电盐或者增加接地电极的方法，降低接地极的接地电阻；另一方面，注意接地极与埋地管道的相对位置，尽量增加接地极位置与管道之间的距离，以减弱杂散电流对管道腐蚀影响程度。

（3）加强触网绝缘检测 由于触网电压较高，一旦触网绝缘不良，将导致电流泄漏到周边大地中，造成严重的杂散电流腐蚀危害。另一方面，当绝缘端子在绝缘性能下降后同样存在电流泄漏，甚至最终导致绝缘失效形成大电流泄漏。应定期检查绝缘端子绝缘性能，防止触网电流泄漏形成杂散电流。

（4）对地极周边埋地管道采取排流保护 由于干扰段管道主要是在基地地极附近，因此在其周边加强排流，使得杂散电流流入管道后通过排流地极流入大地，减小杂散电流对管道的影响。笔者通过对相关排流工程经验总结发现，采取合适的排流措施，能起到排流的作用，管道电位明显有所改善。

[1]GB 50157－2003 地铁设计规范[S].

[2]张艳丽.地铁杂散电流腐蚀机理以及防护措施研究[J].城市轨道交通，2009，12（3）：37－39.

[3]陈志光，秦朝葵，计雪松.上海轨道交通2号线杂散电流监测系统及应用[J].城市轨道交通，2008，11（9）：54－57.

[4]GB／T 19285－2003 埋地钢质管道腐蚀防护工程检验[S].

[5]王新华，刘菊银，何仁洋，等.轨道交通动态杂散电流对埋地管道的干扰腐蚀试验[J].腐蚀与防护，2010，31（3）：193－197.

[6]饶险峰.遥测技术在上海天然气主干网杂散电流干扰控制中的应用[J].上海煤气，2010（6）：13－18，23.

[7]曹晓斌，吴广宁，付龙海，等.地铁杂散电流的危害及其防治[J].城市轨道交通，2006，9（4）：32－34.

[8]曹阿林，朱庆军，侯保荣，等.油气管道的杂散电流腐蚀与防护[J].煤气与热力，2009，29（3）：06－09.