【《直流杂散电流腐蚀理论基础概述》3100字】

直流杂散电流腐蚀理论基础概述目录TOC\o"1-3"\h\u3449直流杂散电流腐蚀理论基础概述 1208531.1直流杂散电流产生原因 1228751.2直流杂散电流腐蚀机理 2325241.3直流杂散电流腐蚀特点 3273891.4直流杂散电流腐蚀的影响因素 342341.5直流杂散电流危害及防护 6直流杂散电流的危害是比较大的，据统计，杂散电流造成的腐蚀事故大多是由直流杂散电流造成的。直流杂散电流包括稳态直流杂散电流与动态直流杂散电流。其中，稳态直流杂散电流的腐蚀速率快、电流密度小。动态直流杂散电流的电流大小是随时间波动的，所以动态直流杂散电流造成的腐蚀相对复杂，腐蚀严重性不仅与施加的电压大小有关，还与电压的波动范围、周期等因素有关。以下将展开详细的讨论。1.1直流杂散电流产生原因正常情况下，城市轨道交通牵引电流的流通路径为：牵引变电所-架空输电线路，即接触网-电气化机车-钢轨-牵引变电所。但在实际情况中，钢轨对大地无法做到完全绝缘，一部分直流电流会离开原有路径，泄漏到土壤中，土壤环境复杂，有各种盐类，是导体，这部分电流就称之为直流杂散电流。如果轨道附近的地下有输电电缆、通信电缆、煤气管道、自来水管等金属物体，杂散电流就会对这些金属构件造成腐蚀。由于轨道交通覆盖的区域巨大，且钢轨长期暴露在空气中，随着时间的流逝难免遭受锈蚀、土壤中的电阻率在每个地方也各不相同、轨道与埋地金属物体之间的绝缘电阻还是一个变量，因此，杂散电流的大小是无法准确得知的，其流动方向也无法确定。图2-1直流杂散电流产生原理图1.2直流杂散电流腐蚀机理直流杂散电流对金属的腐蚀类似原电池的工作过程。即金属在土壤介质中杂散电流作用下发生的电解腐蚀，具体为:阳极金属在电流作用下发生氧化反应，而阴极表面则发生还原反应。在真实环境中，可将其简单的理解成2个串联的腐蚀电池。其路径为：电池Ⅰ：钢轨（阳极区）→道床、土壤→金属体（阴极区）电池Ⅱ：金属体（阳极区）→土壤、道床→钢轨（阴极区）不同介质的条件影响着接触面的反应过程和形态。在上述两个电池中，杂散电流从阳极区钢轨和金属体流出时，该部位的金属体便与周围的电解质发生氧化还原反应，周围的金属随机遭到腐蚀。反应方程式为：Fe→Fe2++2e-Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓若土壤pH≥7时，阴极发生的反应主要为氧的还原过程：O2+4e-+2H2O→4OH-当土壤pH<7时，酸性较强时，在阴极可能会发生析氢：2H++2e-→H2↑上述两种腐蚀反应通常生成Fe(OH)2，会在钢筋表面或者介质中析出，部分在介质中氧的作用下被继续氧化成Fe(OH)3。如果清理不及时，则生成的Fe(OH)2会继续被介质中的O2氧化成棕色的Fe₂O₃

·nH₂O,这是红铁锈的主要成分。而生成的Fe(OH)3可被介质中的氧进一步氧化成Fe3O4，这是黑铁锈的主要成分。1.3直流杂散电流腐蚀特点①腐蚀强度大，危害大。埋藏于地下的金属结构体在没有杂散电流时只有自然腐蚀，大多原理为原电池型腐蚀，其驱动电位差仅为几百毫伏，腐蚀电流仅为几十毫安。而存在杂散电流时，其杂散电流干扰腐蚀的原理是电解电池的原理，其驱动电位差可达几伏，电流最多可达几百多毫安。根据法拉第电解定律，1A的电流通过钢管表面流向土壤溶液一年能溶解10千克左右金属，由此可见直流杂散电流造成的干扰腐蚀要比其他原因引起的腐蚀严重得多。②范围广，随机性强。杂散电流的干扰和腐蚀范围很大，特别是地铁的杂散电流，几乎可以对流经全市的地下金属管道网产生影响。由于轨道和大地的绝缘电阻，地下金属体的防腐绝缘层电阻，土壤电阻率，电流大小等都是处于变化状态，所以杂散电流的流向也是充满随机性的，给杂散电流的防腐带来一定的困难。③腐蚀集中，现象明显。有防腐层时，往往集中于防腐层的缺陷位置，而且其孔蚀倾向大，创面光滑，有时是金属光泽，边缘较整齐，腐蚀产物似碳黑色细粉状，有水分存在时，可明显观察到电解现象。1.4直流杂散电流腐蚀的影响因素①直流杂散电流分为稳态直流杂散电流与动态直流杂散电流。稳态直流杂散电流在电流值很小的情况下就能对埋地金属物体造成严重的腐蚀，其腐蚀速率很快。而所谓的动态杂散电流是指杂散电流值的大小随着时间的变化而发生变化，因此，动态直流杂散电流造成的腐蚀比稳态直流杂散电流造成的腐蚀情况复杂，影响动态直流杂散电流腐蚀程度的影响因素有：施加电压的大小、电压波动的范围、电压波动的周期。此外，无论是稳态直流杂散电流还是动态直流杂散电流对埋地金属的腐蚀，土壤电阻率、土壤含水量等因素是不可忽视的影响因子。电压对稳态直流杂散电流腐蚀的影响许多研究表明，直流电压的大小直接影响金属的腐蚀速率。北京科技大学的熊娟,张文艳和杜艳霞[17]等人研究了X80钢受直流杂散电流腐蚀时，直流电压带来的影响。结果表明:电压从150V增到200V的过程中，钢片的腐蚀速率随着电压的增大而增大。而再继续增大电压，腐蚀速率就不再增大。杜艳丽、陆民旭[18]等人也研究了X80钢的腐蚀速率在高压直流干扰下的情况,结果显示：电压从50V增加到200V时，X80钢的腐蚀速率随着电压的增大而增大，再从200V增加到300V，腐蚀速率下降了。造成这种现象的原因是：电流密度不仅与外界施加的电压有关，还与电流流过导体的横截面有关，当直流电压增大到一定值后，电流密度就不再增加，导致电流腐蚀速率不再增加，这恰恰说明电流腐蚀速率与稳定密度值相关，从而电压的大小影响腐蚀速率的大小。②电压对动态直流杂散电流腐蚀的影响列车和地铁在运行中产生一个大小随时间而变化的动态直流电流。该电流处于一个不断变化的波动状态，因此对金属腐蚀的影响较为复杂。王新华[19]等研究了涂层损处电流与金属体-大地电位的关系，结果表明，涂层破损处电流与金属体-大地电位的变化范围成正比。此外，他们还研究了电压大小和频率对金属腐蚀程度的影响规律。研究结果表明，电压幅值对金属腐蚀速率的影响最大，而频率对腐蚀速率的影响较小。Qin[20]等的研究表明，动态电压周期(t)对X70钢的腐蚀速率有很大的影响。在T=80s的情况下，腐蚀速率随着动态周期的增加而显著增加。在t>1h下，X70钢的腐蚀速率几乎与等量稳定直流电流下的腐蚀速率相等。图2-2外界施加电压对杂散电流的影响③环境因素对直流腐蚀的影响土壤环境复杂，因此直流杂散电流对埋地金属的腐蚀速率受很多因素的干扰。其中土壤电阻率、含水率、相对干扰源的埋设地点等因素造成的影响较大。研究表明，土壤电阻与直流杂散电流腐蚀呈负相关关系，即土壤电阻率越大，直流腐蚀速率越低。而土壤含水率与直流杂散电流腐蚀呈正相关关系，即土壤含水率越高，直流杂散电流密度越大，埋地金属物体被杂散电流腐蚀的腐蚀速率就越高。Xu[21]研究了地下金属物体与干扰源的相对位置对腐蚀速率的影响，通过测量埋设深度、铁轨和埋地金属体的并行长度，得出了不同干扰因素下腐蚀速度的非线性关系曲线。图2-1土壤电阻率对杂散电流的影响通过上图所示的土壤电阻率对杂散电流的影响曲线可知，随着土壤电阻率的增大，杂散电流的数值越小。这说明土壤电阻率与杂散电流的大小呈负相关的关系。1.5直流杂散电流危害及防护长期以来，直流杂散电流对埋地金属结构造成了非常严重的腐蚀和破坏，产生了巨大的经济损失。例如1887年，纽约地下天然气管道被电车轨道上的直流杂散电流严重腐蚀，造成了巨大的经济损失。1891年，美国波士顿电话电缆的外保护层被杂散电流严重腐蚀。1892年及十多年后,直流杂散电流的腐蚀和损坏事故发生在各种各样的德国城市,英国地铁也发生了一些直流杂散电流腐蚀钢筋混凝土主体结构建筑的事故,导致混凝土结构建筑的崩溃。在美国，水管被阴极保护产生的杂散电流腐蚀。在一系列的反应中，暴露的水破坏了阴极保护系统。直流杂散电流严重破坏了北京地铁一期工程主体结构的钢筋，腐蚀了隧道内的管