轨道交通对埋地燃气管道防腐系统影响

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1、轨道交通杂散电流对埋地管道防腐系统的影响主要内容 杂散电流研究综述杂散电流研究综述 实验室理论研究实验室理论研究 现场实测试验现场实测试验杂散电流研究总述 杂散电流产生原因：(1)电流泄露直流供电系统及杂散电流的产生由地铁迷流所经过的路径可概括为两个串联的腐蚀电池,即电池:钢轨(阳极区)+道床、土壤+金属管线(阴极区)电池:金属管线(阳极区)+土壤、道床+钢轨(阴极区)(2)电位梯度管线置于阴极保护系统引起的电场区域内示意图 影响地铁杂散电流的因素地铁杂散电流的简化电路 NSTLSNRIIRRR 2112ILII r D：变电站与负载之间的距离RN：通过负导体(主钢轨)的电阻R P：通过正导体

2、(接触钢轨或架空线)的电阻RL：负载端的负系统对地电阻R S：变电站端的负系统对地电阻I T：列车工作电流IN：通过负导体返回的电流I S：通过大地返回的电流(杂散电流由此简化模型可得到关于杂散电流的方程如下:杂散电流腐蚀 钢轨及其附件：钢轨的杂散电流腐蚀在隧道内及道岔等部位尤为显著，道钉也有杂散电流腐蚀 钢筋混凝土结构物：杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响，但如果有钢筋存在，则钢筋起汇集电流的作用并把电流引导到排流点处。在杂散电流由混凝土进入钢筋之处，钢筋呈阴极。如果阴极析氢且氢气不能从混凝土逸出，就会形成等静压力，使钢筋与混凝土脱开。如有钠或钾的化合物存在，则电流的通过会在钢筋与

3、混凝土的界面处产生可溶的碱式硅酸盐或铝酸盐，使结合强度显著降低。在电流离开钢筋返回混凝土的部位，钢筋呈阳极并发生腐蚀。腐蚀产物在阳极处的堆积产生机械胀力而使混凝土开裂。埋地管线：对埋地管线的作用是地铁杂散电流腐蚀的一个重要方面，在设计和建造地铁时不考虑此问题会产生极严重的后果。关于埋地管线的腐蚀，以前主要考虑平行于地铁线路的长距离管线，在杂散电流流出处腐蚀加剧。近来发现与地铁垂直的管线也会产生杂散电流腐蚀。杂散电流对阴极保护的影响 杂散电流对管道等电位的影响：在对两根以上平行或交叉管道的保护过程中，管道之间可能相互影响；当杂散电流存在时，致使金属表面的阳极电位和阴极电位交变的增大，可能使无保护

4、的和保护不充分的金属加速腐蚀；杂散电流以及大地磁场产生的电场同样对管道保护产生影响，使管土间电位发生明显变化。杂散电流对保护电流的影响 杂散电流对管道保护电流有很大影响。杂散电流的流向与管道保护电流方向相同时有助于管道的保护；杂散电流过大，则可能使管道部分区域的电流密度过大而发生过保护，使涂层剥离，当杂散电流的方向与保护电流的方向相反时，杂散电流会抵消管道部分保护效果。杂散电流对管道牺牲阳极的影响 被保护管道的电位因受到杂散电流影响而发生变化，管地电位可能更正或更负。如果是流入的杂散电流，使管土电位向负方向变化，很可能使管道和牺牲阳极同时极化。杂散电流过大，超过牺牲阳极溶解产生的电流，牺牲阳极

5、会快速被极化呈钝化状态，失去了其溶解牺牲保护的作用。如果是杂散电流流出处，管土电位会向正的方向变化，即所需保护电流变大，阳极因负荷加重，溶解耗损加快，达不到设计要求。杂散电流腐蚀监测 标准的管地电位测试隧道结构的外表面受杂散电流腐蚀危害的控制指标是由泄露电流引起的结构电压偏离其自然电位的数值。对于钢筋混凝土主体结构的钢筋，上述极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5 V。杂散电流进入埋地管道后的管地电位变化 1 阳极区 2 阴极区 3 管道 土壤电位梯度（杂散电流的方向测试）m V杂散电流干扰程度小中大土壤电位梯度(mV/m)5.0在实际干扰腐蚀与防护工程中，可根据由杂散电流引起的大地中电位梯度

6、的大小判断环境被干扰的程度，判别地中杂散电流的流向，以分析干扰源的位置等。SCM杂散电流测试仪实现杂散电流极化方向的测量。实现杂散电流极化方向的测量。适用范围适用范围 预备性测量，工程技术测量，防护效果评定，运行工况监测中杂散电流的测量。性能特点性能特点 无需与管道连接，在地面就可快速评估管道中的杂散电流 可在沿管道方向的任意地方对杂散电流进行监测 定位杂散电流汇集流入点及流出点 快速评估杂散电流缓解措施的效果 长达24小时的数据采集及成果存档 杂散电流的防护措施 控制泄露电流 排流法：直接排流、极性排流和强制排流 阴极保护：外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护。外加电流法使用直流电源和不溶性阳

7、极,电流易调节,防护作用可达到较广的范围。常用的阳极材料有石墨、磁性氧化铁、高硅铸铁等。阴极保护也有干扰问题。如发生过保护会造成周围其它埋地结构物的腐蚀。解决干扰的方法与上述排流法相似,即减小保护电流,或把埋地结构物相互连接起来,或对其它结构物也施行保护。标准方面的调研执行情况NACE standard RP0177-2000 美国标准美国标准 Mitigation of alternating current and lightning effects on metallic structures and corrosion control systems交流电和雷电对金属结构和防腐控制系统

8、影响的排除；交流电流和雷电的外漏和对金属结构的影响；针对保护装置的设计考虑、交流和腐蚀控制的考虑；在有阴极保护或安全系统中的运行和维修的特殊考虑；EN 50122-2-1998 欧洲标准欧洲标准railway applications-Fixed installations-Part 2:protective provisions against the effects of stray currents caused by DC traction systems铁路应用-固定设备-第2部分:对直流牵引的铁路造成的杂散电流的作用所采取的保护措施 共分八章，主要阐述了机车牵引供电系统、被腐蚀所影

9、响的结构物和对金属结构采用保护的方法。图示说明每单位长度走行轨上的电阻测量方法等。标准调研EN 50162-2004 欧洲标准欧洲标准Protection against corrosion by stray current from direct current systems直流系统中杂散电流引起腐蚀的防护 共分九章，主要讲述杂散电流干扰的确定和测试方法、杂散电流干扰的判定标准、说明了如何排除杂散电流干扰（包括电流源和被干扰结构两方面）详细说明了阴极和阳极相互影响的原理、阳极干扰的最大可接受电位偏移程度、如何使用电流探针来评价波动性杂散电流对阴极保护系统的影响等。BS EN 12068-1

10、999 英国、欧洲标准英国、欧洲标准Cathodic protection-External organic coatings for the corrosion protection of buried or immersed steel pipelines used in conjunction with cathodic protection-Tapes and shrinkable materials 阴极保护用于埋地或浸没钢管与阴极保护系统共同使用的外部无机涂层：胶带和可收缩材料；IEC 62128-2-2003 Railway applications-Fixed installa

11、tions-Part 2:Protective provisions against the effects of stray currents caused by DC traction systems 铁路系统中的应用固定安装第2部分：由直流牵引系统引起杂散电流的保护性措施；NF C17-400-2005 Protection against corrosion by stray current from direct current systems.直流电系统杂散电流的防护；NF F74-122-2-2002 Railway applications-Fixed installation

12、s-Part 2:protective provisions against the effects of stray currents caused by DC traction systems.铁路系统中的应用固定安装第2部分：由直流牵引系统引起杂散电流的保护性措施；ANSI/NACE RP0502-2003 Pipeline External Corrosion Direct Assessment Methodology 管道外部腐蚀的直接评估方法；NF A05-614-2004 Cathodic protection of buried metallic tanks and relat

13、ed piping.埋地金属罐体与连接管道的阴极保护；国内主要标准 CJJ 49-92 地铁杂散电流腐蚀保护技术规程 CJJ 95-2003 J 273-2003 城市燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程 SY/T 0017-96 埋地钢质管道直流排流保护技术标准 GB 19285-2003 埋地钢制管道腐蚀防护工程检验CJJ 49-92地铁杂散电流腐蚀保护技术规程 共分七章，主要针对地铁结构与设备受杂散电流腐蚀的危害性指标、地铁杂散电流的限制、沿地铁管线的防护、防护系统检测和验收与检查实验；第3.0.5条：隧洞结构的外表面，受杂散电流腐蚀危害的控制指标是由泄漏电流引起的结构电压偏离其自然电位数值

14、。对于钢筋混凝土质地铁主体结构的钢筋，上述极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5V。提出地铁杂散电流腐蚀与防护的试验测量和使用仪表；GB 19285-2003埋地钢制管道腐蚀防护工程检验 共分七章，主要讲述管道覆盖层保护、阴极保护和定期检验；4.2.1：埋地钢质管道的直流干扰，可用管道任意点上的管地电位较自然电位的偏移或管道附近土壤表面电位梯度来进行测量和评价。当电位偏移20mV或土壤表面电位梯度0.5mV/m，确认为有直流干扰。当偏移100mV或土壤表面电位梯度2.5mV/m时，应采取直流排流保护或其他防护措施；详细讲述了管地电位、土壤表面电位梯度、土壤电阻率等的测试方法；实验室理论研究 研

15、究杂散电流强度、涂层破损率和管道材质对腐蚀的影响，对试验数据进行分析，得出各因素对杂散电流腐蚀的影响规律。研究方法：(1)根据SY/T0420-97标准制作防腐层 (2)三片试样串联模拟管道，制作破损率不同的缺陷 (3)用恒电流源给管道通入恒定的直流电流以模拟管道中的杂散电流 (4)采用称重法测得试片的腐蚀重量 (5)采用腐蚀速率测定、腐蚀形貌观 察、能 谱分析、分形维数计算、腐 蚀产物分析、电位监测等方法研究杂散电流对管线钢的腐蚀规律杂散电流强度对管道腐蚀影响 宏观腐蚀形貌宏观腐蚀形貌阴极区阴极区过渡区过渡区阳极区阳极区v腐蚀速率腐蚀速率020406080100051015202530 co

16、rrosion rate/g/cmcorrosion rate/g/cm2 2 d dstray current/mAstray current/mA 杂散电流强度对管道腐蚀影响 SEMSEM观察与观察与EDSEDS分析分析15mA50mA100mA(a)(b)(c)杂散电流强度对管道腐蚀影响元素含量(Wt%)FeCO腐蚀坑内66.0930.553.36腐蚀坑外93.472.783.74腐蚀坑内腐蚀坑内腐蚀坑外腐蚀坑外22FeeFe 铁原子电解：渗碳体也为一个亚稳相，在电流的激发下，也分生分解：33FeCFe C22FeeFe 杂散电流强度对管道腐蚀影响 拉曼光谱分析拉曼光谱分析0500100

17、015002000100150200250300350400450500 Intensity/a.uRaman shift/cm-1Fe2O3FeOOHFeOOHFeOOHFe2O322FeFee 3223HCOH OH COOH222442Fe OHOFeO OHH O2322FeO OHFe OH O腐蚀产物的形成过程：222 OHFeFe OH涂层破损率对杂散电流腐蚀的影响 腐蚀速率腐蚀速率a:5mAb:10mAc:15mA杂散电流强度一定时，破损面积越小，腐蚀失重量越大。破损面积与腐蚀速率的关系电场强度理论：E 0.436%1.74%3.92%0.00.40.81.21.62.0 co

18、rrosion rate/g cmcorrosion rate/g cm2 2 d ddamage rate/%damage rate/%a b c涂层破损率对杂散电流腐蚀的影响 腐蚀形貌分析腐蚀形貌分析电流电流10mA,破损率破损率3.92%电流电流10mA,破损率破损率1.74%电流电流10mA,破损率破损率0.436%(a)(b)(c)涂层破损率对杂散电流腐蚀的影响 微观腐蚀形貌微观腐蚀形貌电流电流10mA,破损率破损率3.92%电流电流10mA,破损率破损率1.74%电流电流10mA,破损率破损率0.436%(a)(b)(c)管道材质对杂散电流腐蚀的影响 腐蚀速率腐蚀速率v腐蚀坑深腐蚀

19、坑深在杂散电流强度和涂层破损率相同时，Q235钢的腐蚀速率、腐蚀坑深度最大，16Mn次之，而X70最小。0.436%1.74%3.92%0.00.20.40.60.81.01.2 corrosion rate/g cm-2 ddamage rate/%Q235 damage rate 0.436%,10mA Q235 damage rate 0.436%,5mA X70 damage rate 1.74%,10mA X70 damage rate 1.74%，5mA 16Mn damage rate 3.92%,10mA 16Mn damage rate 3.92%,5mA0.436%1.74

20、%3.92%0.00.20.40.60.81.01.21.41.6 corrosion pit deepth/mmdamage rate/%stray current 5mA,Q235 stray current 10mA,Q235 stray current 5mA,X70 stray current 10mA,X70 stray current 5mA,16Mn stray current 10mA,16Mn管道材质对杂散电流腐蚀的影响 宏观腐蚀形貌宏观腐蚀形貌Q235破损破损1.74%,电流电流10mAX70破损破损1.74%,电流电流10mA16Mn破损破损1.74%,电流电流10mA

21、(a)(c)(b)管道材质对杂散电流腐蚀的影响 微观腐蚀形貌微观腐蚀形貌Q235破损破损1.74%,电流电流10mAX70破损破损1.74%,电流电流10mA16Mn破损破损1.74%,电流电流10mA(a)(b)(c)杂散电流对管道电位的影响施加牺牲阳极阴极保护时，随杂散电流强度的增大，阳极区电位正移，阴极区电位负移，且相邻各点的电位梯度增大。随杂散电流增大(20mA)，阳极区电位正移100-150mV。0246810-1600-1400-1200-1000-800-600-400-200 E/mv B C D E F G小结 随杂散电流强度增大和涂层破损率减小，腐蚀速率、腐蚀坑深度都相应增

22、大，腐蚀程度加剧；杂散电流强度与涂层破损率是影响埋地管道腐蚀的两个重要因素，杂散电流腐蚀穿孔就是在较小的破损面积上形成较大的电流密度而引发的。在杂散电流干扰下，Q235钢腐蚀程度最严重，16Mn次之，X70最小。杂散电流引发局部坑蚀，腐蚀坑大小不等、深浅不一，表现为集中腐蚀的特性；对腐蚀坑内外进行能谱分析发现，坑内与坑外碳元素的含量有明显的差别，坑内碳元素含量较高，而坑外碳元素含量相对较低。拉曼光谱分析腐蚀产物的主要成分为-Fe2O3、-FeOOH、-FeOOH与-Fe2O3。施加牺牲阳极阴极保护时，随杂散电流强度的增大，阳极区电位正移，阴极区电位负移，且相邻各点的电位梯度增大。随杂散电流增大

23、（20mA），阳极区电位正移150mV左右。现场检测试验 现场试验采用GB19285-2003埋地钢制管道腐蚀防护工程检验中规定的管地电位、土壤表面电位梯度等测试方法，对世纪大道的部分试验区域进行测试工作，并根据测试结果进行分析处理，计算其腐蚀性的强弱并分析杂散电流的来源，初步判定杂散电流的来源是由于轨道交通的运行引起的。管地电位-200020040060080010001200140016001800-1.05-1.00-0.95-0.90-0.85-0.80-0.75-0.70-0.65-0.60-0.55-0.50-0.45-0.40电位，VTime,s 1 2 3 4 5 6 7 80

24、123456789-1.0-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5平均电位值测试点位置-200020040060080010001200140016001800-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.1电位，VTime,s 1 2 3 4 5 6 7 80123456789-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3电位，V测试点位置0500010000150002000025000-1.0-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.40.50.60.70.8Voltage,VTime,s 1 2 3 4

25、 5 6 7 805000100001500020000250003000035000-0.75-0.70-0.65-0.60-0.55-0.50-0.45-0.40-0.35-0.30-0.25-0.20-0.15-0.10-0.050.000.05Time,s 1 2 3 4 5 6 7 8 杂散电流监测分析 腐蚀形貌分析小结 地铁运行时各测试点管地电位波动剧烈，阴极保护工作时各测试点电位波动振幅比断开阴极保护时要小，在地铁运行期间随着地铁的影响加大，阴极保护有一定的抑制作用。地铁停运时管道内无明显动态杂散电流；地铁通过时管道内存在严重动态杂散电流地铁通过时管道内存在规律性干扰电流，约每5分钟产生一次杂散电流干扰，基本与地铁的运行规律一致；地铁运营高峰期管道内杂散电流最大。