（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）杂散电流腐蚀问题基础研究.pdf

大连理t 大学硕士学位论文 摘要 船舶与海洋工程领域经常出现腐蚀问题，其中一部分是杂散电流腐蚀。杂散电流腐 蚀是长期困扰国内外造船企业的一个共性问题，无论是造船业比较先进的日本以及欧 洲，还是比较落后的国家，都出现过杂散电流腐蚀问题，造成了巨大的经济损失。该问 题已经逐渐引起国内外专家的重视，但是由于杂散电流腐蚀受到许多因素的影响，目前 还没有找到彻底的解决方法。所以对于杂散电流腐蚀问题进行深入的研究，找出合理解 决该腐蚀问题的方法是非常有意义的。 大连新船重工4 6 0 0 0 t 系列船舶，在码头修造期问发生了不同程度的杂散电流腐蚀。 本文针对这一具体工程问题，从理论上对杂散电流腐蚀机理进行了深入的研究：经过现 场观测，理论分析以及实验，查明了杂散电流腐蚀的根本原因，即电流泄漏和电位梯度； 分别根据这两个原因，提出了增加牺牲阳极数量和使用静电屏蔽的复合防护杂散电流腐 蚀的措施；认真学习了各种数值计算方法，编制了二维电场计算程序；通过合理简化， 建立了海区电场的计算模型，应用有限元方法求得海区电场的电位分布情况；通过静电 屏蔽的方法对海区电场进行了改造，并通过有限元计算对静电屏蔽后电场电位情况进行 了分析；分别就静电屏蔽平板的材料特性、几何尺寸、接地方式以及局部破坏等因素对 静电屏蔽效果的影响进行了论证；最后建立了金属网代替金属平板的静电屏蔽计算模 型，讨论了金属网的静电屏蔽效果。本文的计算结果和方法对杂散电流腐蚀问题的进一 步理论研究和工程实际提供了知识储备。 关键字：杂散电流；腐蚀；电场；静电屏蔽；牺牲阳极 杨清勇：杂散电流腐蚀问题基础研究 t h eb a s i cr e s e a r c ho nt h es t r a yc u r r e n t a b s t r a c t t o d a y ss h i pa n do c e a ns t r u c t u r e so f t e ns u t i e rf r o mt h ec o r r o s i o n sc a u s e db ym a n y r e a s o n s o n eo ft h e s er e a s o n si s 也es t r a yc u r r e n t s t r a yc u r r e n tc o r r o s i o nh a sb e e nap u z z l e t h a tt h r e a t e nt h es h i py a r da n dc o r p o r a t i o ni nt h ew h o l ew o r l d ，n o to n l yi ns o m ed e v e l o p e d c o u n t r i e s ，s u c ha sj a p a na n de u r o p ec o u n t r i e s ，b u ta l s oi ns o m ed e v e l o p i n gc o u n t r i e s ，a n dt h e f i n a n c el o s si sv e r yh u g e r e c e n t l ym a n ye x p e r t si nt h i sf i e l dh a v eh a dg r e a ti n t e r e s t si nt h i s p r o b l e m ，a n dh a v em a d el o t so fr e s e a r c h e so ni t ，h o w e v e r ，f o rm a n yc o m p l e xa f f e c t so nt h e s t r a yc u r r e n tc o r r o s i o n s ot h e yh a v en oi d e a lm e t h o dt os o l v et h i sp r o b l e mn o w t h e r e f o r e t h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h es t r a yc u r r e n tc o r r o s i o ni sv e r ys i g n i f i c a n t ， 4 6 0 0 0 ts h i p si nd a l i a nn e ws h i py a r dw e r ef a c e dw i t ht h es t r a yc u r r e n tc o r r o s i o n p r o b l e m ，b a s i n go nt h i sd e t m lp r o j e c t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h em e c h a n i s m o fs t r a yc u r r e n ta n d e l e c t r o s t a t i cf i e l d ；f i n d so u tt h ec o r r o s i o nr e a s o nb yt h e o r ya n a l y s i s ，d e t e c ta n de x p e r i m e n t ， a n dt h er e a s o nf o ri ti st h a tt h el e a ko ft h ec u r r e n ta n dt 1 1 ep o t e n t i a lg r a d i e n t ；i n t r o d u c e ss o m e m a t h e m a t i cm e t h o d s ( f e m ，b e m ) a n dd e s c r i b e sh o wt h es 拄a yc u r r e n tm a yb em o d e l e d n u m e r i c a l l yu s i n gc o m p u t e rm o d e l i n g t h e nb yt h ec a l c u l a t i o no ft h ed e t m l e dm o d e lu s i n g f e m s o m ee f f e c f i v em e a s u r e sc o u l db ea d o p t e dt os o l v et 1 1 ec o r r o s i o np r o b l e mi nd a l i a n n e ws h i p y a r d s u c ha st h ec a t h o d i cp r o t e c t i o na n dt h ee l e c t r o s t a t i c ss h i e l d ，f i n i a ls o m e s i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o n sf o rt h ee l e c t r o s t a t i cf i e l dc o u l db ec o n c l u d e d ，w h i c ha r et h eb a s i sf o r t h em l t t h e rr e s e a r c h k e yw o r d ：s t r a yc u r r e n t ；c o r r o s i o n ；e l e c t r o s t a t i cf i e l d ；e l e c t r o s t a t i c ss h i e l d s a c r i f i c i a la n o d e 杨清勇；杂散电流腐蚀问题基础研究 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：照亟垒日期：逝：壁三三日 大连理t 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：豳玉丝 导师签名 i 咩- - 煎二 l ! 生年月卫日 大连理工大学硕十学位论文 0 1 文献综述 0 引言 0 1 1 课题的理论意义和应用价值 题目来源于大连新船重工有限公司。船舶在大连新船重工有限公司5 号和6 号海区 修造期间，出现不同程度的腐蚀现象。如：尾部阴极保护区严重锈蚀；焊缝区出现坑状： 腐蚀坑内有黑色粉末铁锈等。经过一系列分析研究和现场观测，知道了造成腐蚀的主要 原因是杂散电流。 船舶在其修造期间，需要较长时间停靠在码头，所以容易遭受杂散电流腐蚀。因为 船舶在建造和修理过程中，需要使用些用电设备，如电焊机等。这些用电设备由于- 一 些原因会有电流泄露出来，这部分泄露的电流会引起船体的腐蚀；另外由于在码头附近 也同时存在着一些用电设备( 或带电体) ，即岸电，这些岸电会在船体所在海区产生电 场，电场的电位分布是不均匀的，因此在电位梯度的作用下，电场内部的导体( 船体) 就很容易产生杂散电流，进而遭受腐蚀。 杂散电流腐蚀是电化学腐蚀的一种。腐蚀过程不仅导致材料变质破坏也会造成环境 污染，甚至使设备构件丧失其全部或局部的技术体系功能，对人身安全和国家财产造成 巨大威胁。杂散电流腐蚀一般很难通过实验确定，计算机数值计算是一种比较理想的研 究杂散电流的方法。采用先进的数值模拟仿真技术，可以实现全寿命期内可控制和有预 见性的复合防腐系统优化设计。 o 1 2 国内外研究概况及发展趋势 目前，地铁、轻轨、地下管道等城市基础设施建设以及船舶及海洋工程领域中，都 出现了不同程度的杂散电流腐蚀现象，引起了国内外专家、学者的重视。通过研究，现 在已经基本确定了杂散电流腐蚀的各种形式以及一些基本的性质。杂散电流主要有三种 类型：( 1 ) 直流杂散电流腐蚀。电流来源于直流电流源，例如轨道传输系统、阴极保护 系统等。根据杂散电流幅值和电流流经路径是否随着时间发生变化，直接杂散电流将进 步分为静态杂散电流和动态杂散电流两种。( 2 ) 交变杂散电流腐蚀。电流来源于交变 电流源。例如高架交流电线等。( 3 ) 地球场的影响。属于自然界的一种现象，由于地球 磁场而引起杂散电流。 目前工程中比较常规的解决杂散电流腐蚀的方法主要是“排流”和“截流”，就是 采用疏导和堵截的方法。例如，我国上海轨道交通运输系统的明珠线，在建设过程中， 就采用了这两种方法来解决杂散电流的腐蚀问题。美国r i c h a r d w 技术主管对美国的数 杨清勇：杂散电流腐蚀问题基础研究 千条地下管道，由于阴极保护系统造成的杂散电流腐蚀问题也做了分析研究，解决方法 也基本相同。 在数值计算方面，目前普遍认为应用边界元方法进行数值模拟仿真是一种比较理想 的确定杂散电流腐蚀的方法。例如j t r e v e l y a n & h p h a c 等对船舶由于外加电流的阴极 保护而引起的杂散电流腐蚀问题做了一定的研究和数值计算。 杂散电流腐蚀和其它腐蚀一样，对工程建设以及国民经济的发展具有重要的危害， 因此现在许多发达国家都投入了大量的人力、物力，对此问题进行了长期深入的研究“3 1 ， 取得了一些成果。杂散电流的防护是一项系统工程，目前设计中的防护方法大致可归纳 为3 类 1 ： ( 1 ) 控制和减小杂散电流的根源，隔离所有可能的泄漏杂散电路的途径，叫做 “堵”： ( 2 ) 为杂散电流提供一个畅通的低电阻通路，叫做“排”； ( 3 ) 检测杂散电流的大小以便超标时及时采取措施，叫做“测”。 上述杂散电流腐蚀问题的解决方法需要建立在电位测量的基础上 3 5 1 。因此电位的 测量对解决杂散电流腐蚀问题具有十分重要的意义。结构物的电位以及电位梯度影响腐 蚀的关键因素 2 6 1 ，但是测量结果往往受到电阻和测量时间等因素的影响。在一个电解质 环境中，杂散电流引起的电场，无论在时间上，还是在空间上，都是十分不确定的，它 的变化是很随意的。f e r e n c 2 9 1 通过在地下设置了一系列的电极，测出不同的电位值，得 到了电流和地下电场的方向。p a r k 【2 9 】在地铁杂散电流的研究中，建议分别独立测量地铁 轨道的电位和附近各种管线的电位，通过所测的电位值和它的标准差，决定杂散电流腐 蚀的程度。同时该作者还着重指出，杂散电流在影响其它结构物的过程中，结构物和铁 轨的电位改变是相互平衡的。b a z z o n i 和l a z z a r i 口o j 提出了一种外推的方法来获得结构物 l 二的电位。他们使用了两个便携式的电极，在测量的过程中，其中一个设置在管线上方， 另外一个和它保持一定的距离而使它的所测的电位值在2 0 3 0 m v 的范围内，通过几分 钟的测量，得到结构物的电位以及垂直于它方向上的电位梯度。然后通过外推的方法获 得结构物上的电位。他们认为通过这种方法得到的电位值可以消除环境因素的干扰，是 比较精确的。另外，m a r t i n 和b r i n s m e a d 4 q 等其他学者也都采用了一些数学的方法来获 得比较精确的电位值。 杂散电流是一个非静态的现象，它的电位以及标准差是随着时间而改变的，因此对 于测量结果的分析应该采取一种非静态的方法【2 2 1 。k d a r o w i c k i * 、k z a k o w s k i f 2 2 j 提出了 一种瞬时傅立叶变换( s h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ) 的方法，能够在频域范围内分 析测量的结果，同时得出瞬时的功率谱密度函数，使对电压的分析变成对能量的分析， 大连理工大学硕士学位论文 消除时间对结果的影响。普通的傅立叶变换是针对不变的数据( 不随时间的变化而变 化) ，而杂散电流是变化的，所以如果直接应用傅立叶变换，求出来的是平均值。上述 两人提出了这种特殊的傅立叶变换方法，在积分式里引入了一个窗口函数( w i n d o w f u n c t i o n ) 。窗口函数有很多种，作者推荐使用g a u s sw i n d o w 。 目前，部分学者和专家专门对船舶的杂散电流腐蚀问题做了一些研究，也取得了一 些成果。比如大连理工大学化工学院的任厚珉、李淑英f 5 j 等人通过现场的观测，以及在 实验室做模拟试验，能够对船体周围的电场进行粗略的定性的描述。他们认为修造船期 问船体易受杂散电流腐蚀，是由于船上虽然有外加电流阴极保护装置但未能正常运行， 或者町以利用的牺牲阳极不能提供足够的保护。同时在码头或船上使用各种用电器，如 电焊机泄漏出的电流流经水线以下的船体时，使该部位成为阴极或阳极。如果是阴极， 船壳和表面涂层之间的模成为碱性，超过一定的负电位将在阴极产生析氢，加上电渗透 吸水会使涂层剥离，起泡或者破损。如果船壳是阳极，则铁融解使基体和涂层之间的黏 着力破坏，而形成铁锈，损坏涂层。这与电解时的情况基本类似，即阳极是正极，进行 氧化反应；阴极是负极，进行还原反应。此时需要重新防腐，耽误生产，造成巨大的经 济损失 2 0 】。 根据法拉第定理可以得到船体因杂散电流腐蚀引起的金属失重： = 等，。 式中，为f 秒内融解的金属克数；m 是金属的原子量；月是金属原子的电衙( 即 腐蚀作用的原子价) ；f 是法拉第常数：，是腐蚀电流( 安培) ；由上式看出，腐蚀程 度与电流密度的大小成正比1 5 j 。 船舶杂散电流腐蚀也是电化学腐蚀的一种，产生杂散电流腐蚀应同时具备： a 电源 b 电解质 c 两个电极 以电焊机为例，船舶在系泊期间，进行电焊时，有些电焊机采用了错误的接线法： 将电焊机负极接在码头上，而不是直接接在被焊船体上，这样形成两条电流的通路。一 条是电焊机正极一一船体一一钢缆一一刚码头一一电焊机负极；另一条是电焊机正 极一一船体一海水一一码头电焊机负极【6 j 。这样就构成了产生杂散电流的条件，第 二条回路产生的电流就是杂散电流。 目前对于船体受杂散电流腐蚀问题，很多专家也给出了些解决的方法。 直接排流。 杨清勇：杂散电流腐蚀问题基础研究 从杂散电流腐蚀的原理得知，只要破坏产生杂散电流腐蚀的三个条件中的任意一 个，就可以防止杂散电流产生。 船舶系泊期间焊接施工时，将电焊机放在船上，使得电焊机负极与码头完全绝缘， 从而彻底切断引起杂散电流腐蚀得电流回路。 船舶系泊期间焊接施工时，因某些原因电焊机不能上船时，应将电焊机负极通过电 缆直接与焊接船舶连接，即坚持在哪条船上进行焊接就把地线直接接在哪条船上。这样 就不存在杂散电流得阴阳极了。从而切断了产生杂散电流得回路。 ( 2 ) 牺牲阳极排流 位于电场的船体部分，分别被杂散电流阴极极化和阳极极化；杂散电流腐蚀则在阳 极区发生，如果杂散电流电场较强，船体水下部分就会发生严重腐蚀。若水域存在杂散 电流电场，应在原设计的阳极数量上适当增加一些。所以，系泊期间，对于上述杂散电 流，可以用牺牲阳极法排流。所谓牺牲阳极法保护，是在一定的电解质中用一种比所要 保护的金属电位更负的金属或合金与被保护的金属连接在一起，依靠电位比较负的金属 不断地溶解所产生的电流来保护其他金属的方法。而这种自身腐蚀的金属就叫做牺牲阳 极。采用牺牲阳极保护时，钢质船舶最小保护电位达到0 8 5 v ( 相对铜，硫酸铜参比电极) ， 最大保护电位不超过一1 o v 。牺牲阳极排流效果的好坏的关键在于牺牲阳极的质量和导 线的连接。达不到保护电位时，应及时更换。阳极采用悬挂式，必须与船体实现良好的 电性连接，阳极数量视杂散电流的大小而定。 0 13 数值计算方法介绍 工程中的许多问题要得到解析解是很难的，有的时候甚至是无法得到的。于是人们 试图寻求它的数值解法。目前主要有三种数值计算方法，有限差分方法，有限元方法以 及边界元方法。这三种方法各有优缺点。有限差分方法出现的最早，也是最容易理解和 列方程的一种方法【l “。它是从微分方程出发，近似的用差商来代替微商，将微分方程和 边界条件的求解归结为求解一个线性的代数方程组【l “。优点是编程和求解比较简单，收 敛性也较好。但是对于非线性边界难于引入边界条件，近似解的导数也不准确，不适用 于非均匀的网格。有限元方法是目前工程中应用比较广泛的一种方法，它是把求解域分 割成小的单元，即有限单元，再寻求一种插值函数，而把网格内的节点用边界上的节点 表示出来，最后在把整个求解域，用节点联系起来。有限元方法划分网格比较自由，可 以在比较关心的区域划分的比较密，而其他的区域可以划分的粗一点，这样既可以得到 比较满意的结果，又可以节省计算时间和计算机存储量。但是对于求解无限域的时候， 有限元方法需要计算一个较大的范围，在外边界给出一个近似的边界条件i 】。这样单元 数量就会增多，存储量加大，而且计算精度也很难保证【l “。边界元方法是边界积分方程 大连理工大学硕士学位论文 的简称，它通过将求解域的边界分割成若干个单元，将求解函数转化为求解边界上的函 数值，求解积分方程就转化为求解一组线性代数方程组【1 8 。它的精度较高，仅对边界离 散，误差较小；维数降低，从而未知量的数目显著减小，减小了数据的输入量，节省时 间和计算机的存储量。它最大的优点是求解无限域问题，因为边界元方法自动满足无穷 远处的边界条件，不用在无穷远处划分单元，很好的弥补了有限单元法的不足。 近年来，不论是在研究领域还是在实际工程当中，腐蚀以及阴极保护问题都使用边 界元珲沦进行数值模拟“。这个问题主要就是求解拉普拉斯方程( 泊松方程) 。其数学模 型为： v 么= 0 方程的求解需要满足一定的边界条件，在海洋工程里，主要就是海水与金属的相交 面。极化条件可以写成下面的形式【1 ： g = ，【“) q 是金属与海水之间的电流密度；厂是一个非线性的函数，它与很多因素有关，例如 温度，流速，深度等。因此在实际中使用的极化曲线，根据结构的几何位置的不同，它 有很大的变化。同时函数厂也与金属表面的电流密度的历史有关。 边界元方程可以简单的写成如下的形式【l o 】： ， ， j g 讲2j “q d f fr r 是海水区的边界，它主要是由金属结构的表面组成。这个电流密度q 是电压u 的空间导出量， 数组口和b 。是几何关系的函数，叫做基本解。通过把边界1 1 进行分割，上面的积 分式可以写成如下的形式 1 0 ： 【闭 u ) 2 【g 】 q 相关矩阵，它的参数是基本解的积分，可以使用高斯积分进行计算。矢量u 和q 包 含每一个节点处的电压和其导数值。当非线性极化条件被考虑的时候，这个方程需要进 行反复的迭代求解。 在引入了杂散电流的概念以后，为了求解，需要加入一系列的方程。通过分析我 们可以发现，在杂散电流的腐蚀过程当中，通过每一种金属的杂散电流的总和应该等于 零，举个简单的例子，比如船体外加电流的阴极保护系统，从船体流出的电流应该等于 最后流入船体的电流。 杨清勇：杂散电流腐蚀问题基础研究 0 2 本文的研究内容、要解决的问题 1 研究杂散电流腐蚀问题的机理。 2 电场理论的学习。 3 数值方法的学习分析比较。 4 提出计算模型，并对其进行数值模拟仿真。 5 分析计算结果，对防护方法进行评估。 大连理t 大学硕士学位论文 参考文献 1 j t r e v e l y a n & h ph a c k ，a n a l y s i so f s t r a yc u r r e n tc o r r o s i o np r o b l e m su s i n g b o u n d a r y e l e m e n t m e t h o d c o m p u t a t i o n a l m e c h a n i c s ，i n c ，b i l l e r i c a ，m a s s a c h u s e t t s ，u s a 2 r i c h a r dw b o n d ，p 。e 。s t r a yc u r r e n te f f e c t so nd u c t i l ei r o np i p e f 3 李守本，姚萍，王洪任上海轨道交通明珠线杂散电流防护与监测系统材料开发与应用2 0 0 1 6 f 4 任厚珉，张振邦，梁成浩，李淑英船体受杂散电流腐蚀时的电力线分布 5 】乇文杰船体杂散电流腐蚀的检测与防止措施 6 g e s t r o n g ，r a a d e ya n dr u d a s ，c o m p u t e rp r e d i c t i o no f s t r a yc u r r e n tc o r r o s i o n 7 焦玉斌，朱文博外加电流的阴极保护在德国集装箱船上的应用 8 】李贵年，孙明先等牺牲阳极材料在淡海水介质中电化学性能的研究 9 】许立坤，权兆安，董克贤，王朝臣船舶外加电流阴极保护系统可靠性分析与预计 【l o 】周学秋，叶爱自，环坤，张波，电学问题的边界元法及计算机模拟 1 1 唐达培三种数值方法的对比性研究 【1 2 孙志海，袁庚，朱斌，张延武阴极保护在“引碧入连”供水上挥中的应用 1 3 马宏儒必须重视城市轨道交通杂散电流的腐蚀问题城市管理与科技2 0 0 1 3 1 1 4 电场的数值计算方法 【1 5 蒋敏志，玄兆林船舶物理场的信号检测与测量研究 1 6 汗园园杂散电流检测方案的探讨电气化铁道2 0 0 1 1 f 1 7 1 汪园园杂散电流“源处理”方法的研究与探讨城市轨道交通研究 1 8 1 张有天边界元法及其在工程中的应用 f 1 9 1 巴斯著工程分析中的有限元法。 2 0 】陈光章船舶的电腐蚀及防止措施1 9 7 9 年腐蚀与防护论文集科学出版社 【2 1 w v 贝克曼等著，胡士信等译阴极保护手册北京：人民邮电出版社，1 9 9 0 ，4 2 7 2 2 k d a r o w i c k i + ，k z a k o w s k ian e wt i m e f r e q u e n c yd e t e c t i o nm e t h o do f s t r a yc u r r e n tf i e l di n t e r f e r e n c e o nm e t a ls t r u c t u r e s c o r r o s i o ns c i e n c e4 6 ( 2 0 0 4 ) 1 0 6 1 1 0 7 0 2 3 f o r s y t h m ，b u l t a ，c h e r r y b w ：t h e l 0 0 m vd e c a yc r i t e r i o n ；t h ee f f e c to f o x y g e nd i f f u s i o n ，1 3 t h i c c ，m e l b o u r n e ，a u s t r a l i a ，1 9 9 6 ，1 8 9 2 4 】郭兴蓬，等腐蚀科学与防护技术，1 9 8 9 ，1 ( 2 ) ：6 ( 2 5 】张勇，阴极保护若干基础问题的研究及在评价管道涂层上的应用( 硕士学位论文) ，石油大学( 北 京) ，1 9 9 76 【2 6 】李相怡，翁永基石油学报，1 9 9 8 ，1 9 ( 3 ) ：9 8 2 7 hh uh l i g 等著，翁永基译腐蚀与腐蚀控制( 第三版) 北京：石油1 二业山版社，1 9 8 5 ，5 1 6 2 8 张鸣镝中国腐蚀与防护学报，1 9 9 4 ，1 4 ( 1 ) ：7 7 2 9 】d a b k o w s k ij m a t e r i a l sp e r f o r m a n c e ，1 9 8 6 ，2 5 ( 1 ) ：1 7 3 0 】d e c a r l oea ”c o m p u t e ra i d e d ec a t h o d i cp r o t e c t i o nd e s i g nt e c h o n i q u ef o rc o m p l e xo f f s h o r e s t r u c t u r e s ”，c o r r o s i o n 8 2 ( n a c e ) ，h o u s t o n ，1 9 8 2 ，1 6 5 】 ， 杨清勇：杂散电流腐蚀问题基础研究 1 杂散电流基本性质研究 工程中的很多腐蚀问题都是由杂散电流引起的，但是目前对于杂散电流的研究还不 是十分深入，本章只是作者在对杂散电流问题学习过程中的一点总结。 1 1 杂散电流的危害 杂散电流，又叫迷走电流。它的定义是“e l e c t r i c a lc u r r e n t t h r o u g hap a t ho t h e r t h a n t h ei n t e n d e dp a t h ”。这个定义比较客观而生动的阐述了杂散电流的特点。可以这样理 解：只要是没有按照期望的路径流动的电流，都可以叫它杂散电流。例如在轨道交通运 输系统中( 如图1 1 1 ) 。在理想状态下，由牵引变电站送出的电流经过架空线进入列 车，然后由铁轨回到变电站，可以形成一个封闭的回路。但是，在实际运行过程中若铁 轨之间联结不好，接头处电阻过大，或者轨道与地面绝缘不良等因素都会造成电流的泄 漏，这些泄漏的电流就是杂散电流。 管线 接触轨 输送电流 列车 。= 一、_ _ _ f ) ， )走行轨 、 一一7 、 一 ，7 杂散l 乜流 ， 、 、 图1 1 轨道运输系统示意图 f i g u r e l 1r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m 供电系统 按照产生杂散电流的电流源，可以把杂散电流分为三类： 第一类：直流杂散电流。杂散电流由直流电流源产生。主要出现在地铁，直流电焊机和 阴极保护系统当中。 人连理工大学硕士学位论文 第二类：交流杂散电流。主要发生在高压输电线中。 第三类：由于地球自身的磁场而引起的。 杂散电流会加速金属的腐蚀。例如上面介绍的轨道交通传输系统( 图1 11 ) 。当 在铁轨附近埋有自来水管、煤气管、输油管线等其它结构物时，都容易引起这些结构物 的腐蚀。金属遭受腐蚀损失的数量和从金属释放出杂散电流的数量成比例。用法拉第定 律可以得到物体因杂散电流腐蚀而失去的金属的重量。 = 等 ( 1 1 ) w 为金属溶解的克数；m 是金属的原子量；n 是金属离子的电荷( 腐蚀作用中金属 的原子价) ；f 是法拉第常数( 9 6 ，5 0 0 库仑) ；厂，为腐蚀电流( 安培) 。 1 2 杂散电流产生的原因 杂散电流容易受到周围环境的各种因素的影响，是一个不稳定的物理量。产生它的 原因很复杂，种类也很多，但一般都可以9 - 1 结为以下两点。 第一，电流泄漏。电流泄漏是产生杂散电流的一个主要原因。电流泄漏主要是由于 接触或者绝缘不好等原因造成的。因为一旦有电流泄漏，在这些泄漏电流的作用下，会 导致金属结构物中的自由电子发生定向移动，造成电子与金属阳离子的分离。如果这些 金属结构物的周围是电解质环境，那么结构物中的金属阳离子就会脱离金属，进入电解 质中去，这样金属就遭受了腐蚀。 仍然以轨道运输系统( 图1 1 1 ) 来进一步说明这样的杂散电流腐蚀过程。在轨道 运输系统中，采用走行轨回流的直流牵引供电系统，接触网与牵引变电站的正母线连接， 牵引变电所输出的直流电经导电轨和架空线送入电动车组，流经电机电器后经走行轨回 流，再经连接在走行轨上的导线回流到变电所负母线。走行轨具有纵向电阻，因此从运 行车辆至变电站负母线之间的回流走轨上就产生电压降，车量附近的走行轨电位相对高 一些，形成轨道阳极区，就有正向泄漏电流流入大地铁隧道混凝土结构中电阻较低的钢 筋，电流就沿着钢筋向低电位的区域流动。接近回流点附近的地区轨道电位比较低，为 轨道阴极区，结构钢筋中的杂散电流又可能再回流走行轨。因为地下埋设的钢筋，管道 周围总有比较潮湿的电解质物质，杂散电流在金属与电解质之间流动就加速了金属失去 电子游离成金属离子，形成了类似于电解过程的腐蚀现象。 第二，电位梯度。电位梯度是产生杂散电流的另外一个主要原因。如果某一金属结 构物置于一个电场中，而且这个电场的电位分布是不均匀的，存在电位梯度，这样这个 金属结构物就容易遭受杂散电流的腐蚀。具体原因如下。因为电场中有电位梯度，会对 杨清勇：杂散电流腐蚀问题基础研究 放于其中的带电粒子( 金属中的自由电子) 产生电场力，在电场力的作用下，金属内部 的自由电子就会发生定向移动，造成电子与金属阳离子的分离。如果金属结构物所处的 环境是电解质环境，金属阳离子就会脱离金属结构物而进入到电解质环境中去，造成金 属结构物的腐蚀。 例如地下管线的阴极防护系统( 图1 1 2 ) 。地下管线经常使用阴极防护系统来防 护管线的腐蚀，阴极防护系统本身会在它周围一定范围的区域内产生一个电场；如果这 时刚好有另外一根金属管线通过这个电场区，金属管线上离阴极防护系统较远的部位电 位比较正，面离阴极防护系统比较近的部位电位比较负，这样就在这个金属管上产生了 电位差。在这个电位差引起的电场力的作用下，就会有自由电子在金属管内发生定向移 动：土壤环境大多是电解质环境，这样最终导致金属阳离子进入周围土壤中，造成金属 管线的腐蚀。 电场 图1 2 管线置于阴极保护系统引起的电场区域内示意图 f i g u r e1 2f o r e i g np i p e l i n ep a s s i n gt h r o u g hp o t e n t i a lg r a d i e n t s a r o u n dc a t h o d i c a l l yp r o t e c t e db a r ep i p e l i n e 1 3 杂散电流的防护方法 清楚了杂散电流产生的原因以后，就可以采用一些有针对性的防护措施。一般来说， 杂散电流的防护是一项比较系统的工程。目前设计中经常使用的防护方法大致可以归纳 大连理工大学硕士学位论文 为三类：一，控制和减小杂散电流产生的根源，隔离所有可能的杂散电流的流经途径； 二，为杂散电流提供一条畅通的低电阻通路；三，检测杂散电流大小以便超标时采取一 些防护措施。在这三种防护方法中，第一种方法是从源头上进行控制，是根本：第二、 三种方法只是一种辅助方法。从源头上控制和减小杂散电流一般认为是比较理想的方 法。为了方便对这些防护方法的理解，仍然以轨道传输系统( 图1 1 1 ) 为例来具体说 明这些方法是怎样在工程上进行实施的。 一缩短供电距离，减小杂散电流。 轨道传输系统杂散电流的计算公式为 -_7 r ：坐三二+ 与 ( 12 ) 15 2 、42 式中 ，：杂散电流 ，：牵引电流 7 ：另一牵引变电站至列车的距离 珊：轨道对结构的过渡电阻值 r ：回流走行轨的纵向电阻 由公式1 1 2 可知，杂散电流和用电列车与供电牵引变电站之间的距离的平方成正 比，因此缩短牵引变电所与电车之问的距离可以大大减小杂散电流的值；唰时随着供电 距离的减小，牵引网络上的电压降亦随之降低，轨道上的电压降就同时降低，因此杂散 电流也减小，具危害也就降低了。 二提高牵引网压 根据公式p = u ，可以知道，提高直流牵引电压，在相同牵引功率的情况下也可以 按相同的比例降低负荷电流，从而达到减小杂散电流的目的。 i 提供畅通的低电阻回流电路 根据公式知道，减小回流走行轨的纵向电阻( r ) 也可以达到减小杂散电流值的目 的。在杂散电流的防护设计中，一般利用长轨和加设电缆的方法减小轨道接缝电阻，同 时利用均流线必要时设置加强线来降低回流通路电阻，为杂散电流提供一条低电阻通 路，以达到最大限度的减小杂散电流的目的。 四采用带有绝缘套的新型绝缘方案 运行轨绝缘的好坏是杂散电流大小的根源。但是即使在最初的设计阶段采用了比较 好的绝缘材料，然而随着运行时间的增加，虽然绝缘轨垫仍使钢轨与弹条之间绝缘，橡 杨清勇：杂散电流腐蚀问题基础研究 胶垫板仍使钢轨与垫板之间绝缘，但因列车运行工程中产生的导电粉尘和油污附着钢轨 扣件表面上，并随列车运行所产生的震动充满轨枕所有缝隙，造成了部分回流电流沿构 件表面及钢轨与铁垫板之间的缝隙泄漏，螺纹道钉成为带电体。加之轨枕施工过程中工 艺水平不高，不能完全起到绝缘作用，当这部分泄漏电流由道钉通过电解质流向其它导 体时，便造成腐蚀。为此可以采用一种绝缘套将钢轨完全与轨枕隔离，基本上可以堵截 杂散电流的产生。而且绝缘套损坏后，更换起来比较方便。这种方法投资较大，目前国 内采用的比较少。 血迫使接触轨电流与回流轨电流相等的方法 根据交流电气化铁路吸流变压器理论( 利用变压器绕组之间的电磁耦合作用，强制 流经钢轨的电流与接触网中负电荷相等) ，通过适当变换并应用道城市轨道交通牵引供 电系统，从而减小泄入道结构中的电流。 以上是一些在城市轨道运输系统中目前经常使用或者比较提倡使用的对于杂散电 流的防护方法。 本章小结 本章从理论上分析了杂散电流产生的根源以及金属腐蚀机理；并以城市建设中的一 些具体工程问题为例，介绍了目前经常使用的一些杂散电流腐蚀防护方法。为后续工作 做好理论基础以及经验总结。 大连理t 大学硕士学位论文 参考文献 1 孙志海，袁庚，朱斌，张延武阴极保护在“引碧入连”供水t 程中的应用 2 马宏儒必须重视城市轨道交通杂散电流的腐蚀问题城市管理与科技2 0 0 13 3 r ic h a r dw b o n d ，p e s t r a yc u r r e n te f f e c t so nd u c t i l ei r o np i p e 4 蒋敏志，玄兆林船舶物理场的信号检测与测量研究 5 汪园园杂散电流检测方案的探讨电气化铁道2 0 0 1 1 6 汪吲吲杂散电流“源处理”方法的研究与探讨城市轨道交通研究 7 焦玉斌，朱文博外加电流的阴极保护在德国集装箱船上的应用 8 李贵年，孙明先等牺牲阳极材料在淡海水介质中电化学性能的研究 9 j t r e v e l y a n n t p h a c k ，a n a l y s i s o f s t r a y c u r r e n tc o r r o s i o n p r o b l e m s b o u n d a r y e l e m e n t m e t h o d c o m p u t a t i o n a l m e c h a n i c s ，i n c ，b i l l e r i c a ，m a s s a c h u s e t t s ，u s a 1 0 g e s t r o n g ，raa d e ya n dr u d a s ，c o m p u t e rp r e d i c t i o no fs t r a yc u r r e n tc o r r o s i o n 杨清勇：杂散电流腐蚀问题基础研究 2 船舶杂散电流腐蚀研究 前一章以轨道交通运输系统等城市基础设施建设为例，介绍了杂散电流的一些基本 性质。本章主要针对船舶与海洋工程领域出现的杂散电流腐蚀现象，作进一步的研究。 比较典型的杂散电流腐蚀问题发生在船舶的修造期间。因为在这期间，船体要较长 时间的停靠在码头附近，并且需要使用很多用电设备，因此比较容易遭受杂散电流的腐 蚀。例如大连新船重工停靠在五、六号海区的4 6 0 0 0 吨系列船舶。船舶在修造期间，在 码头或者在船上要使用各种用电器，例如电焊机等。这时如果由于一些原因( 在本章后 面具体分析) ，会产生杂散电流，并且流经水线以下的船体部分。如果这时外加电流的 阴极保护系统没有正常运行，或者可以利用的牺牲阳极不能提供足够的保护。就会使该 船体部位成为阴极或者阳极。如果是阴极，船壳和表而涂层之间的膜成为碱性，超过一 定的负电位将在阴极产生析氢，加上电渗透吸水就会使涂层剥离，起泡或破损。如果船 壳是阳极，则铁溶解使基体和涂层之的秸着力受到破坏，进而形成铁锈，损坏涂层。这 与电解时的情况非常类似，即阳极为正极，进行氧化反应；阴极为负极，进行还原反应。 这种情况的杂散电流腐蚀的严重程度取决于电压，电流，水温，电流逸出路径的电 阻等因素。杂散电流能使船体腐蚀破坏速度加快，使船体出现坑状，有时甚至出现穿孔； 腐蚀破坏容易发生在船体水下部分的涂层脱落部位，因此腐蚀比较集中。当出现杂散电 流腐蚀时，需要对船体重新进行防腐，耽误生产，造成的经济损失是巨大的。 2 1 船舶杂散电流腐蚀的实验研究 通过第一章的介绍，我们已经知道，杂散电流的腐蚀是个很复杂的过程，受到许 多因素的影响，因此对于大连新船重工的杂散电流腐蚀问题，可以从实验和计算分析两 个方面进行。 大连理工大学的任厚珉老师对大连新船重工五，六号海区停靠的三条被杂散电流腐 蚀的船舶进行了实际的电位测量，测量采用了腐蚀电位监测法。船舶在水面有阳面，和 遮阳而，导致阳光下的水温有所不同，因此采用了温度系数小的c u c u s 0 4 电极，测 量电压表采用d t 一- - 8 3 0 b 三位半和d t - - 9 2 0 3 四位半数字万用表。 有6 个测试点，分别为船艏，舯，艉的左右弦。每点测量两期，一期在午餐代息期 间，另一期在电焊机等电器集中作业的工作繁忙期间。在每一期间，对每个测量点，每 分钟取值一次，取值5 次，得到算术平均值。 表2 11 是对其中一条船舶电位的测量结果。从表中可以看出，在工作休息期间电 位值比较稳定，基本处在0 6 0 v 左右。船艉稍正，约为0 5 9 v 。而在工作繁忙期间，电 1 4 人连理工人学硕士学位论文 压值变化很大，而且，船艉比船艏变化幅度大，电位值更正，船艏电位变化范围是一2 0 0 - 5 8 5 v ，其算术平均值，左弦为1 1 5 v ，右弦为1 1 1 v 。船艉电位变化范围是2 1 5 81 5 v 。其算术平均值，左弦为3 6 7 v ，右弦为2 8 6 v 。通过测量发现，不论电位的瞬 时值和平均值，还是两个测量期间的电位偏移，都是船艉大于船艏，左弦大于右弦，最 大点出现在船艉左弦。 表211 电位测量结果 t a b l e2 11p o t e n t i a im e a s u r er e s u l t s 船艏右侧船艏左侧船舯右侧船舯左侧船艉右侧船艉左侧 休息期问 一06 0一0 6 00 6 0o 5 905 90 5 9 工作期间 1 1 11 1 51 1 41 1 42 8 63 6 7 电位偏移 1 7 11 7 51 7 41 7 4 33 7 4 1 8 在对杂散电流的分析中，很希望能够得到上述两个海区的电位分布情况，也就是得到这 个海区电场的电位梯度。因此为了进一步探讨修造船期间杂散电流腐蚀时的电位分布规 律，需在船体周围数万平方米范围内测量电位的分布，这样有很大的难度。因此在实验 室条件卜建立了船体在码头修造期间的模拟系统。模拟船体使用1 6 m n 钢，并涂刷了船 用底漆和面漆，模拟海水采用1 ：5 稀释海水，用w y j 一9 8 型可调电极。通过调整电 源电压，模拟海水的浓度和模拟接地点位置，施加了可调的模拟杂散电流。等待系统稳 定后，调节输入电流，当测得的电位值与实际测量结果吻合后，在模拟船体的周围进行 了近千个点的电位测量。 根据实际的测量和实验室模拟