在中国, 地铁作为城市重要的交通工具正在迅速发展, 地铁多采用直流电力牵引系统和走行轨回流的方式。地铁运行时, 由走行轨漏泄到道床及其周围土壤介质中的电流称为地铁迷流(或杂散电流)。随着地铁运营时间的增长, 走行轨与道床之间的绝缘性会由于污染、潮湿等大大降低, 由走行轨流散入大地中的漏泄电流会增加。地铁牵引用的直流电压越大, 电流越大。如北京地铁采用DC 750 V直流电牵引, 实测结果表明, 列车在启动和运行时流入地下的迷流值一般要大于100 A^[1]。而上海地铁采用额定电压为DC 1500 V的直流供电系统, 牵引电流高达3000 A^[1], 可能会产生更大的地铁迷流。又由于地铁线路长, 周围的地下金属结构多, 地铁迷流不仅腐蚀地铁主体结构的钢筋混凝土结构和地铁系统内的埋地管线, 而且也腐蚀城市用的埋置入地下的各种水、油、气、电等各种金属管道。这不仅造成经济上的巨大损失, 甚至会因此发生气、油泄漏的重大事故。

减少地铁迷流腐蚀一方面要尽可能减少漏泄电流, 另一方面要对各种地下设施和金属结构物采取相应的防护措施。关于控制漏泄电流问题, R.W.Shaffer提出了两条建议^[2], 但由于成本增加很大等因素使这些措施具有局限性。在地铁设计中常采用“Faraday”笼法抗迷流腐蚀, 尽量收集杂散电流以保护建筑结构物和埋地管线等金属材料, 但仍会有一部分迷流流散入大地中, 因而对金属结构的防护措施是必要的。现有的防护措施有表面涂层、表面镀锌和阳极、阴极保护法等, 这些措施在一定程度上减缓了迷流腐蚀, 但都存在不足和使用局限性^[3-4]。因而, 研究地铁迷流对埋地管线的腐蚀, 并探索新的有效的抗迷流腐蚀工艺具有重要的现实意义。

1.   腐蚀机理及腐蚀定量评价指标

1.1   腐蚀机理

由地铁杂散电流引起的金属结构发生的腐蚀本质上是电化学腐蚀, 即电极电位低的金属被氧化, 失去电子而变成金属离子, 同时电极电位高的金属(或非金属离子) 得到电子被还原。只是腐蚀过程的强度不再单纯地由电化学反应本身和微观与宏观的腐蚀原电池电流所决定, 而是由外界杂散电流的大小来决定。它与电解过程有基本相同的机理, 只是地铁迷流远远大于腐蚀原电池电流。迷流腐蚀属于局部腐蚀, 极易使埋地管线产生穿孔。

图  1  地铁迷流腐蚀

Figure  1.  Metro stray current corrosion

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图 1为直流牵引地铁对埋地管线的迷流腐蚀示意图, 图中显示电流除了经走行轨返回, 还有一部分流入大地中, 找到诸如地下输气或输水干线等的低阻抗通道。管线上电流流入的地方为阴极, 流出的部位为阳极, 阳极发生腐蚀反应(Fe-2e→Fe²⁺), 阴极根据介质的酸碱性发生析氢或吸氧反应(2H⁺+2e→H₂↑或O₂+2H₂O+4e→4OH^-)。介质的性质例如土壤的湿度、含盐量、酸碱度、电阻率甚至温度等都会对迷流腐蚀速率产生影响。

1.2   腐蚀定量评价指标

金属受迷流腐蚀可用不同技术特征化的材料损失表示, 腐蚀一般以腐蚀速率定量表征, 是指单位时间(单位面积上) 所损失的金属量。一种表示腐蚀速率的方法是单位时间、单位面积上的金属腐蚀量

$v=\frac{\text{Δ}w}{st}(1)$

式中: s为表面积(m²); t为时间(h)。

可用腐蚀速率v衡量金属腐蚀的严重程度。又根据Faraday电解第一定律^[5], 金属在阳极上的腐蚀量与电极上通过的电量成正比

$\text{Δ}w=\frac{1}{F}Q\left(\frac{A}{n}\right)=\frac{1}{F}{\rm I}t\frac{A}{n}(2)$

式中: F为法拉第常数; A为金属原子量, 对于Fe, A=56;n为金属价数, 对于Fe, n=2;I为流出阳极金属的电流(A); Q为t秒内流过电极的电量(A·s)。

将式(2) 代入式(1), 得

$v=\frac{1}{st}\frac{A{\rm I}t}{nF}=3600\frac{A{\rm I}}{nFs}(3)$

金属在电化学腐蚀的过程中, 被腐蚀的金属量Δw遵从Faraday电解定律, 即

$\text{Δ}w=k{\rm I}t(4)$

式中: k为被腐蚀金属的电化学当量(kg/ (A·s)); I为通过金属阳极的电流(A); t为电流作用时间(s)。电化学当量k在数值上等于单位时间内单位电流所电解出的金属量。

比较式(4) 和式(2) 可得: $k=\frac{1}{F}\frac{A}{n}$; 法拉第常数F为反应中溶解1 g当量物质所消耗的电量, 即96500 C, 则$\frac{1}{F}=1.036\times 10{}^{-5}$, 所以$k=1.036\times 10{}^{-5}\frac{A}{n}$。对于Fe, k=2.894×10^-7 kg/ (A·s)。

另一种表示腐蚀速率的方法是单位时间金属结构物的腐蚀量, 由式(4) 可推得

$v=\frac{\text{Δ}w}{t}=kt(5)$

用此式计算腐蚀速率, 关键要测k值。

这样, 对于任何金属材料的埋地管线, 在测知迷流大小后, 利用式(3) 或式(5) 就可计算腐蚀速率及在经过一定时间后的理论腐蚀量。

实际上, 地铁迷流对埋地管线的腐蚀主要是局部腐蚀, 从而提出了孔蚀系数的概念, 来衡量腐蚀的程度, 系数p=t/t₀, t为实际孔蚀深度, t₀为计算出的平均腐蚀深度

$t{}_0=\frac{\text{腐}\text{蚀}\text{量}}{\text{金}\text{属}\text{密}\text{度}\times \text{被}\text{腐}\text{蚀}\text{面}\text{积}}(6)$

但常用式(3) 和式(5) 的腐蚀速率法定量表征迷流腐蚀的程度, 简单而有效。

2.   模拟试验

2.1   实验材料

一般埋地管线多为低碳钢, 实验材料选用Q235钢, 该材料综合性能好, 广泛用于机械、工程等领域。按试验要求, 把Q235无缝钢管(内外径分别为Φ16 mm, Φ18 mm) 加工成相同尺寸的“U”型钢管(图 2)。

图  2  “U”型钢管试样

Figure  2.  Specimen of "U" steel tube

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取一部分Q235“U”型钢管, 用自制设备进行低温气体多元共渗, 控制温度在580℃, 时间为3 h, 分别渗入元素N、C、O、S和N、C、O、Cr。注意控制好不同添加剂的量和炉内压力, 所有钢管在光学分析天枰上称重, 记录下数据。

2.2   腐蚀试验

模拟地铁迷流对埋地管线的腐蚀情况, 设计试验装置如图 3所示。为防止漏电, 制作有机玻璃容器, 并把整个装置放在橡胶垫上, 以确保安全。在玻璃容器中装入土, 将钢管和铜板埋入土壤中, “U”型钢管的上端距土壤表面50 mm, 以便接橡胶水管和导线。保持钢管所在平面与铜板平行, 间距为180 mm。模拟埋地水管, 在钢管两端口处连上橡胶管, 一端通入水, 另一端为出水口, 按图 3装置连好导线, 钢管接电源正极, 铜板接电源负极。因为土壤的含水量、通气性、酸碱度等对腐蚀情况有很大影响, 实验中尽量保持土壤的性质不变。试验前测定土壤的pH约为10, 用四极法测定土壤的电阻率ρ=4552.16 Ω·cm。保持电压不变, 打开开关, 每隔10 min, 记录一次电流值。为了更好地比较经过不同工艺处理后的钢管的抗蚀性, 把两个或多个钢管如图 3所示并联起来, 在两钢管之间加绝缘板, 以保证互不干扰。腐蚀结束后, 对钢管除锈、称重, 利用光学显微镜观察处理后样品的金相组织。

图  3  模拟迷流腐蚀试验装置

Figure  3.  Test plant of simulating stray current corrosion

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3.   试验结果与分析

3.1   腐蚀试验结果

模拟埋地管线受迷流腐蚀情况, 利用式(1) 和式(4) 分别计算出钢管的腐蚀速率v和电化学当量k。

表 1为“U”型钢管在土壤中, 不同电压下的腐蚀数据, 平均腐蚀速率为12.164 g/ (m²·h), 电化学当量的平均值为1.73×10^-7 kg/ (A·s)。这与前述由Faraday电解定律推导出的Fe的纯电化学反应的电化学当量值相差较大, 这说明二者虽机理相同, 腐蚀强度不同, 电化学当量值受腐蚀介质影响较大。

表 2为没有经过表面处理(原材料) 和经过不同工艺处理的“U”型钢管在土壤中的腐蚀数据表。综合比较电化学当量和腐蚀速率可知, 经过低温气体多元共渗后的试样, 其平均抗蚀性大大提高, 其中, 经N-C-O-Cr共渗试样抗蚀性最好, 其次为N-C-O-S共渗试样。

通过在土壤腐蚀介质中, 对不同工艺处理的钢管进行的模拟迷流腐蚀试验, 证明用低温气体多元共渗工艺处理的钢管有很好的抗迷流腐蚀性。通过控制共渗的元素、温度和时间等工艺参数, 可以优化抗蚀性。

在试验过程中发现, 每一次试验, 随着腐蚀时间的延长, 电流值逐渐降低, 腐蚀速度变慢, 其中有一个主要原因是土壤中的含水量和氧气浓度减少, 这说明土壤的性质对迷流腐蚀有很大影响。因而潮湿的地铁道床会使轨地绝缘性差, 漏泄电流增大, 保持干燥的环境能有效地减少地铁迷流。

表  1  钢管腐蚀数据

Table  1.  Corrosion data of steel tube

原材料	腐蚀介质	外加电压/V	腐蚀时间/h	腐蚀电流平均值/A	电化学当量/10-7kg· (A·s)-1	失重/g	腐蚀速率/g·m-2·h-1
1	土壤	100	44.25	0.2214	1.95	6.860	8.11
2	土壤	200	42.00	0.4132	1.74	10.845	11.52
3	土壤	200	44.25	0.4302	1.57	10.740	10.73
4	土壤	200	42.30	0.3895	1.40	8.295	8.96
5	土壤	300	39.50	0.6056	1.99	17.100	21.50
平均值					1.73		12.16

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表  2  不同工艺处理的钢管腐蚀数据对照

Table  2.  Corrosion data of steel tube treated with different processes

处理工艺	腐蚀介质	外加电压/V	腐蚀时间/h	腐蚀电流平均值/A	电化学当量/10-7kg· (A·s)-1	失重/g	腐蚀速率/g·m-2·h-1
原材料	土层	200	42.00	0.4783	1.42	10.210	11.07
工艺1	土层	200	42.00	0.3402	0.87	4.457	4.74
工艺2	土层	200	42.00	0.2091	0.63	1.990	2.36

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3.2   微观分析与抗蚀机理

根据表 2试验结果可知, 经低温气体多元共渗后的钢管其抗迷流腐蚀性能优于原材料。这是因为经低温气体多元共渗后, 在钢管表面形成一层致密的金属化合物, 见图 4。由于此化合物的形成, 大大提高了钢表面的电极电位, 所以使耐蚀性大幅度上升。另外, C、N等元素与Fe形成化合物, 与原材料相比, 大大减少了自由电子数目, 使钢表面电阻上升, 钢表面导电性下降, 这也是减少迷流腐蚀速率的另一因素。N-C-O-S共渗抗迷流腐蚀性提高的原因, 除了形成碳、氮化合物外, 在渗层表层还渗入了S, 生成了FeS膜, 硫化物电极电位高^[6], 从而提高了抗蚀性; 经N-C-O-Cr共渗的工件抗迷流腐蚀性的大幅度提高, 是因为除了形成碳、氮化合物外, 通过扫描电镜能谱成分分析和投射电镜电子衍射分析发现渗层中渗入了Cr, 并生成了Cr₇C₃钝化膜^[7]。

图  4  C-N-O-S共渗渗层微观组织(400×)

Figure  4.  Microstructure of layerpermeated C-N-O-S elements

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4.   结语

(1) 埋地管线在土壤中受到迷流腐蚀, 管线外表面会形成蚀坑, 甚至蚀穿。试验测定, 在土壤介质中, 低碳钢埋地管线的电化学当量为1.73×10^-7 kg/ (A·s), 平均腐蚀速率为12.164 g/ (m²·h)。

(2) 对不同工艺处理的钢管, 在土壤腐蚀介质中进行了模拟地铁迷流腐蚀的比较试验, 对测得的试验数据进行分析比较, 可知, 经过低温气体多元共渗表面处理后可大大提高埋地管线等金属结构物的抗迷流腐蚀性。

(3) 通过微观结构分析可知, 埋地管线经多元共渗后抗迷流腐蚀性提高的主要原因是由于在钢管表面形成了一定厚度均匀而致密的化合物层。