1 地鐵雜散電流構成公共安全隱患

隨著我國經濟持續快速發展、城鎮化進程穩步推進以及城市人口密度的不斷提升，地鐵、輕軌等公共交通方式的建設規模逐漸擴大，為市民提供了極大的出行便利。然而，在便民基礎設施迅速發展的同時，安全隱患問題亦不容忽視。經過實驗研究發現，地鐵運行過程中的直流干擾是導致土壤中雜散電流產生的主要根源。目前，地鐵系統普遍采用直流牽引供電方式，并將走行軌作為牽引電流回路。然而，由于鋼軌難以實現完全對地絕緣，這種供電方式不可避免地會產生雜散電流。地鐵運行過程中產生的雜散電流對地鐵周邊的鋼軌、主體鋼筋結構以及沿線敷設的金屬管線造成腐蝕作用。據統計數據顯示，地鐵運行過程中約有5%-10%的牽引電流會泄漏至土壤中，形成雜散電流。以1500V直流供電地鐵系統為例，牽引電流通常在2000A-3000A之間，因此由軌道泄漏產生的雜散電流可達數百安。根據法拉第定律，1A的直流電流在一年內可使鋼鐵腐蝕約9kg。由于雜散電流干擾腐蝕具有長期的積累效應，特別是在管道防腐層破損處，容易導致坑蝕現象的發生，進而引發穿孔等嚴重后果。因此，地鐵雜散電流已成為一個不容忽視的公共安全隱患，需引起高度重視并采取有效措施加以防范和治理。

我國城市地鐵交通網與埋地管網的規模相較于國際多數城市而言，顯得尤為復雜。同時，埋地管網面臨的動態直流雜散電流干擾程度及其防護形勢亦更為嚴峻。盡管目前部分燃氣管道已實施陰保措施，確保管道保護電位保持在適宜范圍，然而，由于雜散電流的存在，仍導致埋地金屬管道陰極區防腐層發生老化和剝離現象。據統計數據顯示，受電氣化鐵路等大型設施建設的影響，高達80%的腐蝕穿孔事故與雜散電流的作用密不可分。因此，如何有效排查并降低地鐵雜散電流對埋地鋼質管道的干擾與腐蝕風險，成為當前管道企業與地鐵方面共同關注的重要課題。

2 地鐵雜散電流特點和危害

圖1 地鐵雜散電流的形成示意圖

雜散電流是指在非指定回路中流動的電流。在規定的電路中流動的電流，其中一部分自回路中流出，流入大地、水等環境中，形成了雜散電流。由于電流的流動具有指向性，它會從高阻抗流向低阻抗、高電勢流向低電勢。而埋藏在土壤中的鋼質管道的電阻比土壤小，電勢也有可能比土壤低。所以雜散電流在土壤中流動，就有可能通過管道的某一部位進入管道，并在其中流動一段距離，再從管道上的某一部位離開，返回到土壤中，形成一個閉合回路。雜散電流在金屬燃氣管道中流動時，將會在金屬管道上形成腐蝕電池，其腐蝕現象比自然腐蝕強烈得多，可造成金屬管壁腐蝕，這樣造成的腐蝕被稱作雜散電流腐蝕，可能會導致管道穿孔、燃氣泄漏，甚至燃燒或者爆炸事故。

雜散電流分為動態雜散電流和靜態雜散電流。隨著時間變化，電流的大小或方向不斷變化的稱為動態雜散電流；而隨著時間變化，電流的大小或方向穩定不變的稱為靜態雜散電流。靜態雜散電流來源于外加的電流系統，通常是被強制施加到管道上的，如：其他管線及行業的陽極地床，高壓輸電線路等。動態干擾電流主要來自一些采用電力制動的設備系統（如地鐵、火車和采礦作業等），通過鄰近防腐層良好的管道網絡可以傳送到幾千米遠的地方。

雜散電流干擾又分為直流和交流雜散電流。其中直流雜散電流對管道的腐蝕影響最大，直流雜散電流腐蝕的危害程度通常是其他形式腐蝕的100倍-1000倍。直流干擾源有直流電氣化鐵路、電車裝置、直流電網、直流電話電纜網絡、直流電解裝置、電焊機及其他構筑物陰極保護系統等，交流干擾源有高壓交流電力線路設施和交流電氣化鐵路設施等。

相對于其他雜散電流干擾，地鐵雜散電流干擾有其顯著的特點：

（1）地鐵運行期間雜散電流持續干擾，地鐵一旦停運，雜散電流干擾消失，整體干擾持續影響時間長；

（2）影響范圍廣，因埋地金屬管道一般為長距離電連續性，地鐵雜散電流通常可影響幾千米甚至幾十千米范圍；

（3）地鐵雜散電流干擾是動態的，極其復雜的。因機車動態運行且多條線路共同影響，使得管道干擾電位持續正負波動，干擾源甄別困難；

（4）對于周邊埋地金屬管道而言，在交叉點、平行段和地鐵檢修基地附近的管道上存在顯著地鐵雜散電流干擾，管地電位波動超出正常保護水平，在受干擾高壓管道上也發現多處因地鐵雜散電流造成的腐蝕干擾點，若不及時發現并采取相關措施，很可能發生管道穿孔，造成天然氣泄漏、火災爆炸等事故，因此對于地鐵雜散電流的研究整改刻不容緩；

（5）破壞混凝土結構。在雜散電流由混凝土進入鋼筋之處，鋼筋呈陰極狀態。如果陰極析氫且氫氣不能從混凝土逸出，就會形成等靜壓力，使鋼筋與混凝土脫開。在電流離開鋼筋的部位，鋼筋呈陽極狀態而發生腐蝕，并形成腐蝕產物Fe（OH）2、Fe2O3（紅銹）、Fe3O4（黑銹）等。根據研究，紅銹的體積可擴大到原來鋼筋體積的4倍，黑銹體積可擴大到原來的2倍。鐵銹在鋼筋表面沉淀，會使鋼筋體積膨脹，進而對周圍混凝土產生擠壓，使混凝土沿鋼筋方向開裂，對地鐵混凝土結構造成破壞；

（6）對于地鐵本身而言，盡管腐蝕問題沒有管道側刻不容緩，但其鋼軌、隧道鋼筋混凝土在雜散電流干擾時也存在較大腐蝕風險，鋼軌和鋼筋的強度降低，一旦發生事故將是不可估量的后果，社會影響惡劣，因此地鐵方也在積極應對雜散電流對其自身的腐蝕危害。

3 地鐵雜散電流對燃氣管道的腐蝕機理 

電流的流動是從高電位流向低電位的，雜散電流也是如此。若軌道附近埋設有金屬管道，且金屬管道存在防腐層破損、剝落等現象時，金屬電阻率與土壤相比要小很多，因此，泄漏到土壤中的干擾雜散電流絕大部分就會進入管道，在管道防腐層破損點處流進流出，通過大地或水形成一個回路。通常，土壤中的雜散電流流入埋地鋼制管道的部位，是陰極區得到電子發生還原反應，陰極區的金屬管道一般不會受影響；從埋地鋼制管道防腐層破損處流出的部位，是陽極區失去電子發生氧化反應，大量金屬會以Fe3+形式溶入周圍的電解質中，從而使陽極區的金屬管道發生腐蝕。雜散電流對埋地鋼質管道腐蝕作用的本質就是電化學腐蝕。

電化學腐蝕必須具備四個基本條件：

（l）鋼制管道作為陽極（或陽極區），必然還存在一個陰極（或陰極區）；

（2）鋼制管道作為陰極（或陰極區），必然還存在一個陽極（或陽極區）；

（3）在管道周圍存在電解質；

（4）在管道的陰極和陽極之間存在電子的流動路徑。

以上條件滿足后就會形成電池效應，從而導致電化學腐蝕。

以地鐵為例分析雜散電流的電化學腐蝕機理。由牽引供電方式制動的地鐵，對管道作用的整個過程及其腐蝕部位如圖2所示。圖中的I為牽引變電站提供動力的電流，I1和I2分別為行走軌道回流和泄漏的電流。由此可知，整個電流流動的過程可以看作是2個串聯的原電池。

電池1：X為行走軌道（陽極區）→Y床道、土壤→Z金屬管線（陰極區）；

電池2：W金屬管線（陽極區）→V土壤、床道→U行走軌道（陰極區）。

圖2 地鐵雜散電流腐蝕原理圖

當陽極區流出雜散電流時，該部位的埋地鋼質管道便與周圍的電解質發生氧化還原反應，此時管道遭到腐蝕。當管道周圍電解質呈酸性PH＜7時，H+被還原，發生析氫反應；當管道周圍電解質呈堿性pH≥7時，Fe被氧化成為Fe3+，發生吸氧反應。反應過程如圖3：

圖3 氧化還原反應原理圖

3.2.1 析氫反應

3.2.2 吸氧腐蝕

上述兩種腐蝕反應生成的Fe(OH)2，都會在管道表面析出，其中一部分繼續反應形成Fe(OH)3，一部分則會以棕色的Fe₂O₃·2XH2O產物形態存在。Fe(OH)₃則會繼續反應，以Fe₃O4（黑鐵銹的主要成分）的產物形態存在。

4 地鐵側保護電位有關標準要求

（1）《地鐵雜散電流腐蝕保護技術規程》（CJJ 49-92）規定：對于鋼筋混凝土質地鐵結構的鋼筋，上述極化電壓的正向偏移平均不應該超過0.5V。目的在于避免地鐵電流對自身系統內部金屬構筑物的腐蝕。

但該標準僅考慮對地鐵隧道鋼筋混凝土結構（即地鐵本體）的影響，并沒有考慮雜散電流對周圍金屬構筑物（例如鋼制管道）的影響；隧道結構的外表面，受雜散電流腐蝕危害的控制指標是由泄漏電流引起的結構電壓偏離其自然電位數值。

（2）《軌道交通地面裝置》（GB/T 28026.2-2011）第2部分：直流牽引系統雜散電流防護措施明確提出了雜散電流對周圍構筑物的影響，規定：地鐵運行高峰期的平均電位不超過+100mV。

5 管道側保護電位有關標準要求

（1）施加陰極保護后，使用硫酸銅參比電極測得的極化電位至少應達到-850mV或更負。測量電位時，必須考慮IR降的影響。

（2）采用斷電法測得的管地電位應達到-850mV或更負。

（3）在陰極保護極化形成或衰減時，測得的被保護管道表面與土壤接觸的、穩定的參比電極之間的陰極極化電位值不應小于100mV。

（4）存在細菌腐蝕時，管道通電保護電位應小于或等于-950mV；沙漠地區，管道的通電保護電位應小于或等于-750mV。

（1）在評價陰極保護有效性上，腐蝕泄漏史結合管地電位作為陰極保護是否達到了足夠的依據。

（2）對于鋼與鑄鐵管道，施加陰極保護時的負（陰極的）電位至少為850mV(CSE)。

（3）必須考慮除構筑物與電解質界面處之外的電壓降，以便對測量的電壓做出有效的解釋。（注意：所謂“考慮”是指，在應用下列方法確定電壓降的重要性時，應采用合理的實用工程技術，如：測量或計算電壓降、檢查陰極保護系統歷史記錄、評價管道及其環境的自然特性和電性能、確定是否存在腐蝕的實際證據等）。

（1）埋地鋼質管道的直流干擾，可用管道任意點上的管地電位較自然電位的偏移或管道附近土壤表面電位梯度來進行測量和評價。

（2）當電位偏移≥20mV或土壤表面電位梯度＞0.5mV/m，確認為有直流干擾。

（3）當電位偏移≥100mV或土壤表面電位梯度＞2.5mV/m時，應采取直流排流保護或其他防護措施。

（1）防止土壤對電位測試讀數產生干擾的方法是測量瞬時斷電電位。

（2）試片標準：使用試片時，判斷埋地鐵質結構保護的標準是試片的瞬間斷電電位要么等于或低于-850mV(CSE)；或者比去極化電位低至少100mV。

（1）“通電電位Eon”，包含各種未知IR降，IR降是隨著時間和參比電極的位置而變化的。

（2）通電電位的測量主要用于監測陰極保護系統，尤其是存在直流牽引系統的雜散電流情況下。此時，為獲得有意義的數值，通電電位應在一段可以反映干擾水平，以及隨時間波動情況下的時段內，連續記錄。

（3）在沒有平衡電流、外部陽極或外部陰極所導致的電池電流和雜散電流存在的場合，可使用瞬間斷電電位來消除保護電流導致的IR降。所測得的數值稱為斷電電位Eoff。

（1）通電電位（即管地電位）的陽性偏移，即正偏值可用于判定直流牽引系統的干擾，需連續監測。

（2）土壤表面電位梯度測試因不受埋地金屬等限制，可用于判定土壤中雜散電流的方向和大小等分布。

（3）測量瞬時斷電電位可防止土壤對電位測試讀數產生干擾，即消除IR降。斷電電位可在切斷外部保護電流的瞬間進行測量，認為是管道的實際保護狀態，可利用極化試片斷電法測量瞬間斷電電位，作為燃氣管道陰保狀態的判定依據。

6 直流雜散電流測試與評價方法

6.1.1 測試方法

《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》（SY/T 0017-2006）中要求數據采集時間一般為45min，根據情況也可以擴大到12h或者48h，并繪制該測試點的電位-時間曲線和電位偏移-時間曲線圖。

測試示意圖如圖4所示。通過在測試樁等管道附屬設施處，用電壓表和參比電極進行檢測和監測。

圖4 管地電位測試接線圖

注：l-管道（被測體）；2-測試導線（多股銅芯塑料軟線）；3-電壓表（具有數據存儲功能，量程±5V）；4-參比電極；5-測試樁

根據測得的管地電位數據，仔細分析管地電位的波動情況、管地電位相對于管道自然腐蝕電位的偏移程度（參考SY/T 0017-2006《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》）和30min內管道正向偏移的次數、平均值和最大值，用此3項指標來評價管道所受雜散電流干擾的嚴重程度。

6.1.2 評價準則

表1 基于管地電位波動值的分級評價準則

6.2.1 測試方法

如果土壤環境中存在雜散電流，由于電流流動必然在土壤中形成電位梯度，通過在土壤表面測試雜散電流的電位梯度，來判斷管道是否存在雜散電流干擾，并判斷雜散電流的方向、干擾的嚴重程度（通過電位梯度矢量，來判定雜散電流的方向）。相關標準要求測試時間一般為45min。測試示意圖如圖5所示。在管道附近，利用4個參比電極和兩個電壓表，按照圖示進行布置，測取與管道垂直與平行方向上的電位差，進行矢量合成。用矢量來表示電位梯度的大小和方向。

圖5 地電位梯度及雜散電流方向測試圖

注：1-a，b、c、d四支銅-飽和硫酸銅參比電極；2-測試導線（多股銅芯塑料軟線）；3-A、B兩塊電壓表

6.2.2 評價準則

《埋地鋼質管道直流排流保護技術標準》（SY/T 0017-2006）中規定見表2：

表2 雜散電流強弱程度的判斷指標（電位梯度）

埋地鋼質管道在陰極保護系統的作用下，金屬管體會產生電位負向偏移，阻止金屬管體發生腐蝕。管地電位由作用在金屬管體上的極化電位和作用在土壤環境中的電位差組成，故相關技術標準要求通過測試極化電位來正確評判管道是否達到了有效的陰極保護。

將探頭埋入土壤中，將開關保持斷開狀態，不與管道相連接，當測試試片（試片材料與管道材料相同）的對地電位穩定后，即可測試管道的自然腐蝕電位。將探頭與管道相連，當試片極化24h后，在開關斷開后及時讀取電壓表數據（探頭中金屬試片的對地電位），此數據即為管道的極化電位，如圖6所示。

圖6 極化電位測試探頭接線示意圖

注：1-內塑料筒；2-高純銅或鋅；3-飽和硫酸銅或鋅鹽溶液；4-半透膜；5-外塑料筒；6-凸起短管；7-微孔陶瓷半透膜；8-飽和電解液；9-鋼盤

7 雜散電流干擾監測系統設計

目前的陰極保護測試樁設置僅能測量管地電位，無法系統地分析干擾產生的原因，無法甄別干擾源并采取相應的措施，結合上述關于軌交直流干擾的測量與確定，對通電電位測試、極化試片斷電測試進行集成，形成標準化測試樁，如圖7。 

圖7 標準化測試樁示意圖

（1）長效參比電極；（2）犧牲陽極；（3）管道陰極連接；（4）試片連接；（5）通、斷電電位的測量與無線遠傳；（6）犧牲陽極外輸電流監測。

（1）通過對通、斷電電位的測量可評價雜散電流干擾程度和陰極保護措施的有效性；

（2）通過犧牲陽極外輸電流監測，可判斷其使用壽命情況；

（3）依托電信網絡實現信號的實時遠傳，可對管道進行系統性干擾分析，確定管道的受干擾情況；

（4）某一區域測試完成、排除干擾后，可將地上部分（無線遠傳裝置+電源+通斷開關）整體遷移至另一區域，繼續監測。

8 雜散電流排流方法研究

目前地鐵方現有措施基本原則：地鐵在設計時考慮雜散電流防護，但僅限于雜散電流對其自身內部系統的影響，并未考慮對周邊金屬鋼質構筑物（例如金屬管道）的腐蝕危害。而事實上地鐵產生的雜散電流不僅對周邊管道造成明顯干擾，對其自身也有不可忽視的隱患存在。

圖8 地鐵側雜散電流防控示意圖

8.1.1 降低回流通路電阻

減小牽引變電所間距、保證回流通路暢通，增設輔助回流線，運營中正線牽引網盡量采用“雙邊”供電等。同時增加回流軌的截面積和足夠軌道之間的連接間距等。

8.1.2 增大泄漏路徑電路

加大回流鋼軌與道床及主體結構之間的絕緣，走行鋼軌采用點支承并加強支承點絕緣能力；木質軌枕、枕木的端面和道釘必須經過絕緣處理或設置專門的絕緣層；緊固用的螺栓及扣件與混凝土軌枕之間的絕緣電阻在干燥情況下應大于108Ω；使用不接地或二極管接地的回流電路；車輛段的軌道的絕緣隔離。

8.1.3 排流保護

沿走行軌下縱向設置電流收集網，為雜散電流提供良好的回路，將泄漏電流通過收集網排流電纜、排流柜等引回至各牽引變電所。

圖9 地鐵側雜散電流排流保護示意圖

對于雜散電流的排流，目前燃氣公司基本委托相關陰極保護設備廠家進行周期性檢測，發現問題時采取以下的排流方法：

8.2.1 深井排流

如深圳燃氣對其市域內的高壓管道，在受到深圳軌交的強烈干擾后，管地電位正偏達數十伏，采用埋設高硅鐵等耐腐蝕材質的接地極，將管地電位波動降低到數伏。鑒于各城市軌交部門與燃氣公司之間的溝通程度不同，對彼此的技術認可度和雜散電流干擾的接受度不同，這種方法因燃氣公司單方面即可實施，目前采用比較多，但排流效果有限。

8.2.2 犧牲陽極排流

利用鎂、鋅等較活潑的金屬與大地接觸，實際運行效果無法在軌交干擾下形成穩定的保護電位，另外犧牲陽極消耗速度非常快，設計壽命10年的陽極往往在2年-3年內消耗完畢，之后成為直接接地，反而成為漏點。

通過研究已經發現地鐵站（包括牽引變電站、普通站）中鋼軌電位限制器（OVPD）的強制閉合會大大增加附近管道的雜散電流干擾；而檢修基地是電流“匯流”收集點，龐大的地面軌道相當于巨大的電流收集網，大量雜散電流通過檢修基地接地極回流至變電站負極，外加電流或犧牲陽極電流均流向軌道，陰極保護損耗嚴重，效果接近于0。

在雜散電流排流方式上以往采用埋設犧牲陽極，且一般是小地床均布方式，但由于犧牲陽極本身排流能力有限，無法起到很好的效果，同時陰極絕緣失效會使大量雜散電流通過接地極流入流出管道，增加雜散電流干擾強度和治理難度。

（1）在雜散電流干擾研究試驗過程中，我們積極探索和對比不同方式的防護效果，確認管道分段絕緣能較大程度地減少雜散電流干擾。

（2）在城鎮道路中壓燃氣管道一般采用犧牲陽極保護（以常用鎂陽極為例），在施工階段，鎂陽極會直接與燃氣管道焊接，那么在雜散電流干擾區域，鎂陽極便會成為雜散電流的流入點，從而加速鎂陽極消耗，導致管道腐蝕。

基于以上因素，結合二極管單向導通的特點，可在雜散電流干擾區域，在鎂陽極與管道的連接中間增設二極管，可減緩鎂陽極的消耗。

圖10 犧牲陽極改造示意圖

（3）將來自軌交的直流干擾歸還給軌交，對直流干擾的排除效果最好，而且在最早的國標中即提出并推薦使用，但在國內的實際應用幾乎沒有。這種排流方法需要軌交方面的接受和認可，同濟大學曾進行過3次現場排流實驗，使用二極管連接管道和軌交變電站的負母線，可將管地電位控制在需要的水平。

在正線附近的極性排流對于單一干擾源也能起到較理想效果；在軌交基站（機務段）附近的強制接地排流則能很好地將受干擾管段維持在一個電位較負的水平。

 圖11 極性排流示意圖

圖12 強制接地排流示意圖

8.4.1 干擾側方面

8.4.1.1 設計施工階段

（1）地鐵管理和建設方要嚴格按照國家標準進行設計和施工，控制雜散電流泄漏。

（2）加強工程建設驗收把關，雜散電流相關工程質量沒有達到國家標準的，應進行整改。

8.4.1.2 運行階段

（1）加強干擾源側主體結構和道床結構鋼筋（包括車站、隧道燈）電氣連接的可靠性檢查，保證電連通性。

（2）加強檢查鋼軌與軌枕或整體道床間的絕緣檢查，定期檢查各雜散電流收集網之間的連接線、負回流電纜及均流電纜的電連接是否良好，連接螺栓是否生銹等。如果這些連接部件狀態不良，則應及時進行修復。

（3）定期對全線軌道線路清掃，保持線路清潔干燥，尤其是軌道扣件及鋼軌絕緣墊，不能有易導電的物質在鋼軌扣件和絕緣墊表面，避免由此而產生的軌道對地泄漏電阻的下降。

（4）定期利用雜散電流綜合測試裝置（雜散電流監測系統），監測整體道床結構鋼筋、車站隧道結構鋼筋、高架橋梁結構鋼筋相對周圍混凝土介質的平均電位是否超標，對于鋼筋混凝土介質地鐵主體結構的鋼筋，極化電壓的正向偏移平均值不應超過0.5V，以便決定是否對鋼軌回路及鋼軌泄漏電阻進行測試檢查，然后結合測試結果進行維護。

（5）隧道、地下車站主體結構的防水層，必須具有良好的防水性能和電氣絕緣性能；車站、隧道內應設有暢通的排水設施，不允許有積水現象。

8.4.2 受干擾側方面

8.4.2.1 設計施工階段

（1）在設計階段，針對管網路由，做詳細的前期雜散電流測試，將測試結果作為設計工作重要參考。

（2）存在雜散電流影響的區域，在設計階段要考慮在隱蔽工程中增加排流設施，或者避開雜散電流較強的區域。

（3）在需要進行區域排流的地區，提前將絕緣裝置設計進入施工圖中，將管網進行有效的雜散電流影響隔斷，防止雜散電流向更遠的區域流失。

（4）在施工階段，要強化排流工程的驗收考核，形成專業的排流效果評估報告，否則不予驗收。

8.4.2.2 運行階段

（1）受干擾側對埋地鋼質管道的雜散電流影響情況進行普查，摸清高壓、次高壓、中壓和庭院管線受到雜散電流影響的程度。

（2）建議受干擾側企業將檢測結果進行匯總和分析，根據管道實際情況，將受雜散電流影響的管道按照輕重緩急進行分級，按照先嚴重后輕緩的思路進行排流和整改。

（3）針對陰極保護系統互相干擾（由于陰極保護系統不同，導致在不同管道上產生電位差，繼而導致腐蝕的現象）的現象，建議雙方溝通協調，在技術上保障相鄰管道電位差為0，減緩管道腐蝕。

（4）建立雜散電流遠程監控系統和數據庫，對雜散電流的發展趨勢實時掌控。

（5）分區域進行管網改造，設置絕緣法蘭，將管網分化成若干小區域，限制雜散電流向更遠處管道擴散，并且可以進行針對性的排流和實施陰極保護改造。

9 結語

綜上所述，針對雜散電流干擾問題，燃氣管道企業應加強與地鐵建設管理單位的協作與溝通，制定針對性的解決方案，并加強技術交流和合作。通過雙方共同努力，可以有效解決雜散電流干擾問題，保障燃氣管道的安全穩定運行。