為紀念2020年4月24日“世界腐蝕日”，上海市腐蝕科學技術學會3月末發(fā)出通知，向上海各行各業(yè)的腐蝕防護工作者（包括在校學生）征集科普文章，從科普角度向公眾介紹行業(yè)中的腐蝕問題及防護技術。

今天就為各位讀者朋友們帶來此次榮獲三等獎的優(yōu)秀作品。

地鐵的“頑疾”——雜散電流腐蝕

紀開強 上海材料研究所

在“魔都”上海，我每次都會乘坐地鐵上下班，跟許多年輕人一樣。雖然早晚高峰的地鐵擁擠不堪，但它確實是將我?guī)У綆资锿庾畋阋恕⒖旖莸慕煌üぞ摺Ｊ聦嵣希罔F的興建與擴展往往是一個城市成熟度的重要標志，早在1971年，我國第一條地鐵——北京地鐵一號線就已經(jīng)正式運營。上海最早的一號線地鐵也已開通27年了。現(xiàn)在城市越來越多的地鐵線路縱橫交錯，四通八達，服務著千萬百姓，但它們也會為城市生活帶來困擾。除了我們經(jīng)常談到的噪音問題，實際上另一種危害也尤為重要，同時它的危害因十分隱蔽而很少為人所知，它就是地鐵運行中產(chǎn)生的“頑疾”——雜散電流腐蝕。

圖1 城市地鐵

城市地鐵多以直流牽引方式供電，電源對地鐵做功驅(qū)動地鐵行進，電流流經(jīng)走形軌構(gòu)成完整回路。為防止電流流入大地，工程師們在設計時，在鋼軌與地面之間添加一層絕緣墊片使它們相互絕緣，但隨著地鐵運營，并受污染、潮濕等不可避免的因素，防護措施的絕緣性能隨之降低，使得地鐵回路中電流小部分流入大地，而工程上稱其為雜散電流。

圖2 雜散電流腐蝕原理圖

我們知道大地并非絕緣體，因此雜散電流就可以通過大地，傳播出去。雜散電流很微弱，卻能造成嚴重的危害。因為雜散電流會引起地鐵設施、地鐵附近的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物以及埋地管線發(fā)生腐蝕。腐蝕分為化學腐蝕和電化學腐蝕，日常生活中的腐蝕往往都是電化學腐蝕，這意味著在發(fā)生腐蝕的過程中往往伴隨著介質(zhì)的電荷轉(zhuǎn)移行為。直覺告訴我們，雜散電流的存在會打破介質(zhì)之間微妙的電荷平衡，從而造成腐蝕。事實是這樣嗎？想要找到答案，需先弄清楚雜散電流的腐蝕機理。

我們知道，鋼結(jié)構(gòu)材料在潮濕的環(huán)境中易生銹，即發(fā)生腐蝕。這是因為鋼材料表面并不致密的鈍化膜不能有效地隔絕外界的空氣和水分，這種情況下鐵元素最外層的兩個活潑電子就容易掙脫原子核的束縛離去，使鐵發(fā)生氧化，該區(qū)域稱為陽極區(qū)；掙脫束縛的電子并未獲得自由，因為它們雙雙被附近陰極區(qū)的氧氣和水捕捉，形成氫氧根離子，游離的氫氧根離子和被氧化的鐵離子結(jié)合，形成新的物質(zhì)氫氧化鐵，宏觀上即鐵發(fā)生了腐蝕。這個過程實際上是可預測、可控的。但是，當有雜散電流存在時，電流會通過土層，經(jīng)管道傳導流動，使周圍的土壤形成通電回路將其傳導出土層，在電流導出位置的導體因為失去電子變成正電位，這個過程加速了陽極區(qū)鐵的氧化速度，從而加速了整個腐蝕的過程。原來雜散電流的危害，在于它會加速附近金屬的腐蝕。

圖3 城市埋地管道

事實上，雜散電流會引起地鐵設施、地鐵附近的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物以及埋地管線發(fā)生腐蝕，造成嚴重后果。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。鋼軌及其附件：在列車下部，列車處于陽極區(qū)，容易發(fā)生點蝕。資料表明，鋼軌的雜散電流腐蝕在軌道內(nèi)及道岔等部位尤為顯著，在有些地方2-3年就要更換軌道。道釘也有雜散電流腐蝕，而且多發(fā)生在釘入部位，從面上難以發(fā)現(xiàn)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物：雜散電流通過混凝土時對混凝土本身并不產(chǎn)生影響，但如果有鋼筋存在，鋼筋很容易發(fā)生腐蝕。如果結(jié)構(gòu)物中的鋼筋與鋼軌有電接觸，則更容易受到雜散電流腐蝕。在地鐵運營一段時間后，如果要對被雜散電流腐蝕破壞的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進行維修和更換將是十分困難的。埋地管線：雜散電流對埋地管線會產(chǎn)生腐蝕。地鐵系統(tǒng)內(nèi)的埋地管線主要有自來水管、石油管線、蒸汽管線等，在系統(tǒng)外則可能有煤氣管線、石油管線、自來水管線等公用事業(yè)管線以及各種電纜管等。據(jù)調(diào)查這些管線不同程度地存在雜散電流腐蝕問題，有些鐵管數(shù)年內(nèi)甚至數(shù)月內(nèi)即發(fā)生點蝕。

這里多次提到的點蝕就是微小的點狀腐蝕，可不能小瞧這小小的點蝕，要知道它是許多金屬構(gòu)件失效的罪魁禍首，同時也因為它本身小巧的身材不易被發(fā)現(xiàn)，往往具有隱蔽性，造成的結(jié)果就是危害發(fā)生時的突然性。突發(fā)性的危害往往離災難不遠。鑒于雜散電流的危害性，科學家們不會視若無睹，他們已早早地研究對策了。從理論上講，消除露泄電流即可防治雜散電流腐蝕，但實際上不可能完全做到。因此在實踐中，一方面要盡可能減少漏泄電流，另一方面應對各種設施和結(jié)構(gòu)鋼采取相應的防護措施。在實際運營中，要注意防治積水，保持路基的干燥和清潔。此外，地鐵也常采用極性排流柜和絕緣接頭單向?qū)ㄑb置來防治雜散電流腐蝕。雖然通過以上方法可以有效地防治雜散電流腐蝕，但對于這些防治設備的有效監(jiān)控又成了新的問題。

圖4 一種雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

面對新的問題，科學家們首先要做的是建立雜散電流分布的數(shù)學模型，一個有效的模型是防護的關鍵和難點。基于這些模型，科學家們研制出了雜散電流綜合監(jiān)測與防治系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在線全自動測量必要的參數(shù)，并為雜散電流的防護控制提供依據(jù)。根據(jù)雜散電流的腐蝕情況，確定排流柜的排流量，可以使得排流柜達到最佳的排流效果，克服了因為排流而帶來的副作用。地鐵雜散電流綜合監(jiān)測與防治系統(tǒng)可在地鐵中有效地控制雜散電流、防治雜散電流產(chǎn)生腐蝕，保證地鐵安全運營。

對于雜散電流的防治研究已有階段性成果，但并未完全成功，因為具體工程環(huán)境是復雜的，地鐵運營的維護管理也涉及方方面面，防治工作依舊任重道遠。但在科學研究和探索的道路上，人類的腳步從未停歇。相信在不遠的將來，人們能夠徹底鏟除地鐵運行所帶來的“頑疾”，城市也會因地鐵而更美好！