关于金属板屏蔽法弱化杂散电流干扰

1、大连彼乡大学DAL!AN以IVERSITYOFTEO种汉OGY硕士学位论文MASTERALDISSERTATION杂散电流腐蚀防护技术基础研究硕士学位论文杂散电流腐蚀防护技术基础研究Stu勿onProtectingTeehniquefortheStrayC叮entCorrosion作者姓名:学科、专业:学号:指导教师:完成日期:赵红梅船舶与海洋结构物设计制造205080342007.12大连理工大学DalianUniversityofTeehnology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

2、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:五鱼显蓦日期、7大连理工大学硕士学位论文摘要杂散电流腐蚀是长期困扰国内外造船企业的共性问题。因此,研究杂散电流腐蚀的成因,确定有效的解决方案,有着十分重要的实际意义。大连新船重工46000t系列船舶,在码头修造期间出现了不同程度的杂散电流腐蚀现象。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研究;经过现场观测、理论分析,查明了杂散电流腐蚀的根本原因,即电流泄漏和电位梯度:分别针这两个原因,提

3、出了采用牺牲阳极的阴极保护法及金属板屏蔽法相结合的复合方案防止船体遭受杂散电流腐蚀。牺牲阳极阴极保护技术在工程应用中已相对成熟,本文不再做进一步研究。对于金属板屏蔽法,本文通过试验室模型试验及数值模拟计算相结合来验证该方法解决船舶杂散电流腐蚀问题的有效性。首先,设计并制作了杂散电流环境及试验装置,以研究金属板屏蔽法对杂散电流环境电场的影响,通过系列试验研究了屏蔽板的材料特性、几何尺寸、接地方式及屏蔽板相对位置等主要参数对屏蔽效果的影响。其次,通过数值模拟仿真计算,进一步确认了金属板屏蔽法防护杂散电流腐蚀的有效性,并对影响屏蔽效果的主要因素进行了定量计算,得出了一些有意义的规律。模型试验与数值计

4、算结果表明,金属板屏蔽法可有效地消除或弱化环境电场中本来存在的电位梯度,使船体免遭杂散电流腐蚀。同时明确了影响屏蔽效果的主要因素,最终给出了防护杂散电流腐蚀的合理方案。关键词:杂散电流;腐蚀;金属屏蔽;模型试验;数值计算杂散电流腐蚀防护问题基础研究StudyonProtectingTechniquefortheStrayCurrentCorrosionAbstraCtThestrayeurrenteormsionhasPuzzledshiPbuildingindustryforalongtimeovertheworld.Therefore,tostudyeansesofthestraycurr

5、entcorrosion,Putfo,ardasolvingsolutionandavoidunneeessarylosses,hasimPortantPracticalsignificaneeandaPPlieationvalue.46000DWTvesselsinDalianShiPYardsufferedstrayeurrenteorrosion.BasedonthisengineeringPraetiee,thisthesisdiseussesthemeehanismofstrayeurrentcorrosionandeleetrostatiefieldtheoretically,an

6、dfindsouttheeausesofthecorrosionbyon一siteobservationandtheoretiealanalysis,whiehareeurrentleakandPotentialgradient.Aceordingtotheeauses,weProPosemethodsbyinereasingthenumberofsaerifieialanodesandusingmetalfieldPlateresPectivelytoProteetvesselsandoffshorestrueturesfromstraycurrenteorrosion.Saerifieia

7、lanodeeathodieProteetionhasbeenaPPliedwidelyinengineering,50thisthesisdoesn'tstudyitanymore.ByusingthemodeltestandnumeriealCaleulation(BEM),weverifiestheeffectivenessofthesolutionwithametalfieldPlate.First,wedesignandmaketheequiPmentandestablisheleetriefieldinthelaboratory,whieh15causesbythestra

8、yeurrentandhavePotentialgradient,andthenobservethePotentialehangesbeforeandafterusingthemetalPlate.ByehangingthematerialProPerties,geometriesize,孚。undingmodeofthemetalPlate,andthedistaneebetweenthemetalPlateandPositiveeleetrode,weeonduetseveralgrouPsoftestsinthelaboratoryresPectively.Seeond,wemodelt

9、heeleetriefield,whiehcoineideessentiallywiththeabovetestsbyusingBEM,verifytheeffectivenessofthemethodusingmetaishieldPlatetoeliminatethePotentialgradient,andquantitativelyCaleulatetheinflueneingfactorsofthestrayeurrenteortosion.Theresultsofthemodeltestsandnumeriealcalculationshowthat,usingmetalshiel

10、dPlateeaneliminatethePotentialgradientandProtectvesselsfromsufferingstrayeurrenteorrosion.Andthisthesisalsomakeseleartheinflueneingfaetorsofthestrayeurrenteorrosion,andProPosestheschemetoavoidstraycurrenteorrosionfinally.KeyWords:strayeurrent:corrosion;metalshield;modeltest:numeriealealeulation大连理工大

11、学硕士学位论文目录摘要.IAbstract.,.111绪论.,.11.1课题的理论意义和应用价值.11.2国内外研究概况及发展趋势.11.3本文的研究内容.4参考文献.62船舶杂散电流腐蚀基础研究.72.1杂散电流基本性质研究.72.1.1杂散电流的危害.72.1.2杂散电流产生的原因.82.1.3杂散电流腐蚀的防护方法.92.2船舶杂散电流腐蚀研究.···.·················&#

12、183;···················n2.2.1船舶杂散电流腐蚀的实验研究.n2.2.2船舶杂散电流腐蚀的原因.142.2.3船舶杂散电流腐蚀防护研究.,.162.3本章小结.17参考文献.183静电屏蔽基本理论.··.···,··········&

13、#183;··193.1静电屏蔽的物理性质.·.··········································193.2静电屏蔽

14、唯一性定理.·······································一213.2.1导体壳不接地.,.·······&

15、#183;··213.2.2导体壳接地.,.···········223.3静电屏蔽的性质.、.·····.·············233.3.1电场屏蔽.233.3.2电位屏蔽.243.4静电屏蔽实质.··.··253.5本章小结.25参考文献.

16、,.274杂散电流腐蚀防护问题的试验研究.28杂散电流腐蚀防护问题基础研究4.1.1试验目的.284.1.2试验设备及原理.28实验操作.314.2.1试验示意图.31,4O叮O自匕成UO沙沙Q户了”凡、片片J岭峙内月月月月、曰J一Of.J4.2.24.2.3试验方法及步骤.试验过程及测量数据4.3本章小结.5杂散电流腐蚀防护问题的数值模拟.5.1计算模型.,.5.2数值计算.5.3本章小结.,.结论.攻读硕士学位期间发表学术论文情况.致谢.,.,.大连理工大学学位论文版权使用授权书.61大连理工大学硕士学位论文1绪论1.1课题的理论意义和应用价值硕士论文研究课题来源于大连新船重工有限公司。船

17、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,需要使用一些用电设备,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

18、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。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

19、种类型:(l)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,直接杂散电流将进一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。侈)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。美国侧chardw技术主管对美国的数千条杂散电流腐蚀防护问题基础研究地下管道,

20、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.Trevelyan&H.P.hac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l3!,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l'71:(l)控制和减小杂散电流的根源,隔离所有可能

21、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。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是影响腐蚀的关键因素,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。Ferenc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Park.在地铁杂散电流的研究中,建议分别独立测量

22、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。BaZ:zoni和Uzzari提出了一种外推的方法来获得结构物上的电位。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压一3OmV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千扰,是比较精确的。另外,Martin和Brinsme

23、ad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1221。KDarowicki、K.zakowskil叨提出了一种瞬时傅立叶变换(shorttim。Fouricrtransformation)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,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大连理工大学硕士学位论文化),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

24、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(windowfunetion)。窗口函数有很多种,作者推荐使用Gausswindow。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眠、李淑英l5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。他们认为修造船期间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,或者可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,

25、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猫着力破坏,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【20。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:忿材_伴-1.Fn二二式中,W为t秒内融解的金属克数;M是金属的原子量;n是金属原子的电荷(即腐蚀作用的原子价);F是法拉第常数;I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I5。船舶杂散电流腐蚀也是电化学

26、腐蚀的一种,产生杂散电流腐蚀应同时具备:(1)电源(2)电解质(3)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钢缆一一刚码头电焊机负极;另一条是电焊机正极一一船体一一海水一一码头一电焊机负极e。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6目前对于船体受杂散电流腐蚀问题,很多专家也给出了一些解决的方法。(1)直接排流杂散电流腐蚀防护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

27、。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

28、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一0.85V(相对铜/硫酸铜参比电极),最大保护电位不超过一1.0V。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。1.3本文的研究内容杂散电流腐蚀问题是长期困扰国内外造船业的一个共性问题。分析杂散电流腐蚀成因,确定有效的解决方案,具有重要的

29、学术意义和工程实用价值。针对本文提到的工程实际问题,论文提出牺牲阳极阴极保护法与金属板屏蔽法相结合的复合防护方案。根据现场观测分析,明确了杂散电流产生的两个主要原因,电流泄漏和电位梯度。对于电流泄漏,采用牺牲阳极的阴极保护法,通过数值计算得出增加的牺牲阳极数量;对于电位梯度,采用金属板屏蔽法,通过模型试验和数值计算相结研究解决方案.为确认金属板屏蔽法的有效性,分别采用模型试验及数值计算模拟存在电位梯度的电场环境。具体的实现过程如下:一模型试验。制作杂散电流电场环境。在6米长1米深1米宽的试验水槽中加入深0.5米的人工海水并稀释,形成电解质环境;由置于绝缘木板上的多个小铜片作为正极板,铜板作为负

30、极大连理工大学硕士学位论文板,通过教研室研制的电位分布测量仪向正负极板施加5v电压,模拟存在电位梯度的电场环境。通过参比电极测得正负极板间标定好的十个测量点的电位值。为了验证金属板屏蔽方法的有效性并探讨影响屏蔽效果的主要因素,实施相关参数的系列试验:(1)在不采用金属屏蔽板的情况下,直接测量正负极板间的电位分布状态;(2)加金属铜板作为屏蔽板;(3)改变屏蔽板的几何尺寸;(4)改变屏蔽板的材料特性(导电性);(5)改变屏蔽板的相对位置。二.数值计算。采用边界元法建立存在电位梯度的电场环境的数值仿真模型,针对存在电位梯度的杂散电流腐蚀问题进行数值模拟计算。所采用的数值模拟计算模型考虑了如下相关因

31、素:(1)不加金属屏蔽板的计算模型;(2)加金属铜板作为屏蔽板的计算模型;(3)改变屏蔽板的几何尺寸(大小)的系列模型;(4)改变屏蔽板相对位置的系列模型。模型建立后,通过边界元计算,得出电位分布结果云图,观察正负极板间的电位分布情况。论文通过试验室模型试验和数值模拟计算对杂散电流腐蚀问题进行模拟,确定解决杂散电流腐蚀问题的可行方案,并且针对大连船舶重工的5号和6号海区存在的杂散电流腐蚀环境提出解决方案,期望消除或大幅度弱化环境中的电位梯度,从而解决造船生产过程中的杂散电流腐蚀问题。杂散电流腐蚀防护问题基础研究参考文献1J.Trevelyan&H.P.卜aekAnalysisofstr

32、ayeurrenteorrosionproblemsusingboundaryelementmethod.2G.E.Strong,R.A.AdeyandRudasComputerpredietion。fstrayeurrenteorrosion.3Riehard砰.Bond,P.f:.Strayeurrenteffeetsonduetileironpipe.4杨清勇,黄一杂散电流腐蚀问题的基础研究.【5任厚眠,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.【6王文杰.船体杂散电流腐蚀的检测与防止措施.【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

33、.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.【1。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,【11唐达培.三种数值方法的对比性研究.【1幻孙志海,袁庚,朱斌,张延武.阴极保护在“引碧入连”供水工程中的应用.【13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.2001.314李相怡,翁永基.石油学报,1998,19(3):98【15蒋敏志,玄兆林,船舶物理场的信号检测与测童研究.【16汪园园.杂散电流检测方案的探讨.电气化铁道.2001.1【17汪园园,李相怡,翁永基.石油学报,19

34、98,19(3):98杂散电流“源处理”方法的研究与探讨.城市轨道交通研究.【18张有天.边界元法及其在工程中的应用.【19巴斯著.工程分析中的有限元法。【2的陈光章.船舶的电腐蚀及防止措施.1979年腐蚀与防护论文集.科学出版社.【21WV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,1990,42722K.Darowieki,K.Zak.)wskiAnewtime_frequeneydeteetionmethodofstrayeurrentfieldinterfereneeonmetalstruetures.CorrosionSeienee46(2004)1061一1070.

35、23ForsythM,BultJ气,CherryBW:The100mvdeeayeriterion:Theeffeetofoxygendiffusion,13thICC,l通elbourne,Australia,1996,189【24郭兴蓬.腐蚀科学与防护技术,1989,1(2):6大连理工大学硕士学位论文2舟台舶杂散电流腐蚀基础研究2.1杂散电流基本性质研究2.1.1杂散电流的危害杂散电流的定义是“Eleetricaleurrentthroughapathotherthantheintendedpath”。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

36、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2.1)。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14。供电系统接触轨输送电流I列车走行轨计杂散电流,l管线从尹厂图2.1轨道运输系统中杂散电流示意图树92.1RailwayTransPortationSystem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

37、护系统当中。第二类:交流杂散电流。主要发生在高压输电线中。杂散电流腐蚀防护问题基础研究第三类: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2.1)。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。tM_沙.么Fn(2.1)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(%,500库仑);人为腐蚀电流(安培)o2.1.2杂散电流产生的原因杂散电流容易

38、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,但一般都可以归结为以下两点。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2.1)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

39、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

40、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大连理工大学硕士学位论文环境是电解质环境,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!4】。例如地下管线的阴极保护系统(图2.2)。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

41、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,而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12。电流/一一一一_/、/沪沪一一-、.附近管线|/电场区竺/尸,有阴极保护的管线一_一图2.2阴极保护系统引起杂散电流电场区域示意图FigZ·2ForeignPIPelinePassing了址OughPOtentiaiGradients户JOundC

42、athodi。目lyProteCtedBarePIPelin。2.1.3杂散电流腐蚀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杂散电流腐蚀防护问题基础研究法。为了方便对这些防护方法

43、的理解,仍然以轨道传输系统(图2.1)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I·rI:.'l,11、一一+一j2、42(2.2)式中,Is:杂散电流I:牵引电流几:另一牵引变电站至列车的距离以轨道对结构的过渡电阻值r:回流走行轨的纵向电阻由式2.2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间的距离可以大大减小杂散电流的值;同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,其危害也就降低了。二.提高牵引网压根据公

44、式尸·U·I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。三.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

45、条之间绝缘,橡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,基本上可以堵截大连理工大学硕士学位论文杂散电流的产生。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。五.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

46、间的电磁祸合作用,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。2.2船舶杂散电流腐蚀研究前一节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46000DwT系列

47、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,船壳和表面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枯着力受到破坏,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

48、,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。2.2.1船舶杂散电流腐蚀的实验研究通过前一节的介绍,我们已经知道,杂散电流腐蚀是一个很复杂的过程,受到许多因素的影响,因此对于大连新船重工相关生产作业区存在的杂散电流腐蚀问题,可以从试验和计算分析两个方面进行。杂散电流腐蚀防护问题蓦础研究大连理工大学的任厚眠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