为纪念2020年4月24日“世界腐蚀日”，上海市腐蚀科学技术学会3月末发出通知，向上海各行各业的腐蚀防护工作者（包括在校学生）征集科普文章，从科普角度向公众介绍行业中的腐蚀问题及防护技术。

今天就为各位读者朋友们带来此次荣获三等奖的优秀作品。

地铁的“顽疾”——杂散电流腐蚀

纪开强 上海材料研究所

在“魔都”上海，我每次都会乘坐地铁上下班，跟许多年轻人一样。虽然早晚高峰的地铁拥挤不堪，但它确实是将我带到几十公里外最便宜、快捷的交通工具。事实上，地铁的兴建与扩展往往是一个城市成熟度的重要标志，早在1971年，我国第一条地铁——北京地铁一号线就已经正式运营。上海最早的一号线地铁也已开通27年了。现在城市越来越多的地铁线路纵横交错，四通八达，服务着千万百姓，但它们也会为城市生活带来困扰。除了我们经常谈到的噪音问题，实际上另一种危害也尤为重要，同时它的危害因十分隐蔽而很少为人所知，它就是地铁运行中产生的“顽疾”——杂散电流腐蚀。

图1 城市地铁

城市地铁多以直流牵引方式供电，电源对地铁做功驱动地铁行进，电流流经走形轨构成完整回路。为防止电流流入大地，工程师们在设计时，在钢轨与地面之间添加一层绝缘垫片使它们相互绝缘，但随着地铁运营，并受污染、潮湿等不可避免的因素，防护措施的绝缘性能随之降低，使得地铁回路中电流小部分流入大地，而工程上称其为杂散电流。

图2 杂散电流腐蚀原理图

我们知道大地并非绝缘体，因此杂散电流就可以通过大地，传播出去。杂散电流很微弱，却能造成严重的危害。因为杂散电流会引起地铁设施、地铁附近的钢筋混凝土结构物以及埋地管线发生腐蚀。腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀，日常生活中的腐蚀往往都是电化学腐蚀，这意味着在发生腐蚀的过程中往往伴随着介质的电荷转移行为。直觉告诉我们，杂散电流的存在会打破介质之间微妙的电荷平衡，从而造成腐蚀。事实是这样吗？想要找到答案，需先弄清楚杂散电流的腐蚀机理。

我们知道，钢结构材料在潮湿的环境中易生锈，即发生腐蚀。这是因为钢材料表面并不致密的钝化膜不能有效地隔绝外界的空气和水分，这种情况下铁元素最外层的两个活泼电子就容易挣脱原子核的束缚离去，使铁发生氧化，该区域称为阳极区；挣脱束缚的电子并未获得自由，因为它们双双被附近阴极区的氧气和水捕捉，形成氢氧根离子，游离的氢氧根离子和被氧化的铁离子结合，形成新的物质氢氧化铁，宏观上即铁发生了腐蚀。这个过程实际上是可预测、可控的。但是，当有杂散电流存在时，电流会通过土层，经管道传导流动，使周围的土壤形成通电回路将其传导出土层，在电流导出位置的导体因为失去电子变成正电位，这个过程加速了阳极区铁的氧化速度，从而加速了整个腐蚀的过程。原来杂散电流的危害，在于它会加速附近金属的腐蚀。

图3 城市埋地管道

事实上，杂散电流会引起地铁设施、地铁附近的钢筋混凝土结构物以及埋地管线发生腐蚀，造成严重后果。主要表现在以下几个方面。钢轨及其附件：在列车下部，列车处于阳极区，容易发生点蚀。资料表明，钢轨的杂散电流腐蚀在轨道内及道岔等部位尤为显著，在有些地方2-3年就要更换轨道。道钉也有杂散电流腐蚀，而且多发生在钉入部位，从面上难以发现。钢筋混凝土结构物：杂散电流通过混凝土时对混凝土本身并不产生影响，但如果有钢筋存在，钢筋很容易发生腐蚀。如果结构物中的钢筋与钢轨有电接触，则更容易受到杂散电流腐蚀。在地铁运营一段时间后，如果要对被杂散电流腐蚀破坏的钢筋混凝土结构进行维修和更换将是十分困难的。埋地管线：杂散电流对埋地管线会产生腐蚀。地铁系统内的埋地管线主要有自来水管、石油管线、蒸汽管线等，在系统外则可能有煤气管线、石油管线、自来水管线等公用事业管线以及各种电缆管等。据调查这些管线不同程度地存在杂散电流腐蚀问题，有些铁管数年内甚至数月内即发生点蚀。

这里多次提到的点蚀就是微小的点状腐蚀，可不能小瞧这小小的点蚀，要知道它是许多金属构件失效的罪魁祸首，同时也因为它本身小巧的身材不易被发现，往往具有隐蔽性，造成的结果就是危害发生时的突然性。突发性的危害往往离灾难不远。鉴于杂散电流的危害性，科学家们不会视若无睹，他们已早早地研究对策了。从理论上讲，消除露泄电流即可防治杂散电流腐蚀，但实际上不可能完全做到。因此在实践中，一方面要尽可能减少漏泄电流，另一方面应对各种设施和结构钢采取相应的防护措施。在实际运营中，要注意防治积水，保持路基的干燥和清洁。此外，地铁也常采用极性排流柜和绝缘接头单向导通装置来防治杂散电流腐蚀。虽然通过以上方法可以有效地防治杂散电流腐蚀，但对于这些防治设备的有效监控又成了新的问题。

图4 一种杂散电流监测系统示意图

面对新的问题，科学家们首先要做的是建立杂散电流分布的数学模型，一个有效的模型是防护的关键和难点。基于这些模型，科学家们研制出了杂散电流综合监测与防治系统。该系统能够在线全自动测量必要的参数，并为杂散电流的防护控制提供依据。根据杂散电流的腐蚀情况，确定排流柜的排流量，可以使得排流柜达到最佳的排流效果，克服了因为排流而带来的副作用。地铁杂散电流综合监测与防治系统可在地铁中有效地控制杂散电流、防治杂散电流产生腐蚀，保证地铁安全运营。

对于杂散电流的防治研究已有阶段性成果，但并未完全成功，因为具体工程环境是复杂的，地铁运营的维护管理也涉及方方面面，防治工作依旧任重道远。但在科学研究和探索的道路上，人类的脚步从未停歇。相信在不远的将来，人们能够彻底铲除地铁运行所带来的“顽疾”，城市也会因地铁而更美好！