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2.2.2杂散电流的腐蚀机理
腐蚀分为自然腐蚀和电腐蚀，电腐蚀包括电解腐蚀和电势腐蚀。电解腐蚀是由外部直流电流在金属和电解质间的流动而产生的，这种腐蚀是城市轨道交通中金属腐蚀的主要形式。
因在地铁回流的轨道中电流也是由高电位流向低电位，即从车辆通过车轮、轨道回到牵引变电所的负极，车辆所在处为高电位，牵引变电所为低电位，轨道对地有一定的过渡电阻，这样因电位差和过渡电阻存在，就形成对地的泄漏电流，一些回流电流从铁轨漏出通过埋设在地铁附近的金属管道等回到牵引变电所或其他低电位处，这样就形成电流回路。杂散电流从土壤流入路轨或埋地管的地方带有负电荷为阴极区，在阴极区的金属管道一般不受影响；杂散电流从路轨或管道防腐绝缘层破损处流出，此处管道带正电为阳极区， 以铁离子形式溶入周围的电解质中，从而使阳极区的金属管道腐蚀。直接埋在地下的钢筋、金属物体更容易受到腐蚀[10]。
金属结构的腐蚀一般分为化学腐蚀和电化学腐蚀。在无电流情况下的腐蚀即为化学腐蚀，反之，则为电化学腐蚀。杂散电流对金属管线以及钢筋混凝土结构的腐蚀的本质就是电化学腐蚀。电化学腐蚀必须具备四个基本条件：
(l)金属材料为阳极(或阳极区)及另一个阴极区； (2)金属材料为阴极(或阴极区)及另一个阳极区； (3)在阴极和阳极间存在电解质；
(4)在阴极和阳极间形成电子流动路径。
以上条件满足后就形成了电池效应，从而导致腐蚀。 地铁直流牵引供电方式所形成的杂散电流及其腐蚀部位如图2-3所示，图中的I为牵引电流，Ix、Iy分别为走行轨回流和泄漏的杂散电流。由图可知，地铁杂散电流所经过的路径可概括为2个串联的腐蚀电池。
电池1：A为钢轨（阳极区）→B床道、土壤→C金属管线（阴极区） 电池2：D金属管线（阳极区）→E土壤、床道→F钢轨（阳极区）
图2-3地铁杂散电流腐蚀原理图
当两个阳极区流出杂散电流时，该部位的金属(Fe)便与周围的电解质发生氧化还原反
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应，此金属即遭到腐蚀。当金属周围的电解质是酸性时，PH＜7时，发生的氧化还原反应为析氢反应，当金属周围电解质为碱性时，PH≥7时，发生氧化还原反应为吸氧腐蚀。反应如下：
（1） 析氢反应
阳极：2Fe?2Fe2??4e?
阴极：4H??4e??2H2? (无氧酸性环境) 4H2O?4e??4OH??2H2? (无氧环境) （2） 吸氧腐蚀
阳极：2Fe?2Fe2??4e?
阴极：O2?2H2O?4e??4OH? (有氧碱性环境)
上述两种腐蚀反应通常生成Fe?OH?2，而在钢筋表面或介质中析出，部分还可以进一
步氧化形成Fe?OH?3。生成的Fe?OH?2继续被介质中的O2氧化成棕色的Fe2O3?2xH2O(红铁锈的主要成分)，而Fe?OH?3可进一步生成Fe3O4 (黑铁锈的主要成分)[11]。
杂散电流腐蚀的一般具有以下特点[12]：
1.只有在阳极反应中才有金属腐蚀发生，在阴极反应中没有金属腐蚀发生； 2.腐蚀集中于局部位置，腐蚀程度激烈；
3.有防腐层时，往往集中于防腐层的缺陷部位。
杂散电流引起的腐蚀与自然腐蚀是不同的，区别如下表[13]：
表2-1 杂散电流腐蚀和自然腐蚀的差异
项目 钢铁 环境 铅 水的pH值一般在6.8-8.5之外，氯化物环境 浓度大 可编辑
自然腐蚀 孔蚀倾向较小，有黄色或黑色的质地较蚀产物后创面边缘较粗糙 在土壤中几乎均可发生 杂散电流腐蚀 孔蚀倾向较大，创面光滑，有时是金属光泽，边缘较整齐，腐蚀产物似炭黑色细分状，有水分存在时，可明显观察到电解现象 一般土壤电阻率大于1000Ω·m环境下，腐蚀较困难 外观 疏松的绣层，创面边缘不整齐，清除腐 腐蚀均匀，有空洞时亦变现浅皿状，腐空洞内变现粗糙，创面呈壕状，长行分布不均匀或沿电缆呈一直线分布，腐蚀物为透明的或白色的结晶物 地下水为中性，普遍会有氯化物，碳酸盐，硫酸盐 外观 蚀物为不透明的粉状物 .
2.3杂散电流的危害及分布规律
2.3.1杂散电流的危害
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金属管线发生腐蚀，造成严重后果。主要表现在以下几个方面：
(1)钢轨及其附件
在列车下部，列车处于阳极区，容易发生电蚀。资料表明，钢轨的杂散电流腐蚀在隧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。道钉存在有杂散电流腐蚀，而且多发生在钉刃部位，从表面上难以发现。
(2)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是十分困难的。
(3)埋地金属管线
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。
(4)异常腐蚀
在把线路引入修理库、交检库及运转库等建筑物时，如绝缘施工不良可使钢轨与建筑物发生某种程度的电气连接，从而使漏泄电流增大，产生较强的杂散电流腐蚀。例如设绝缘电阻降到O.1欧，钢轨电压的昼夜平均值为+5 V，则有平均50A的电流漏出，由此推算出的杂散电流腐蚀量为每年450千克。这种情况应尽量避免[14]。
(5)造成人身触电
地铁轨道为长轨，是由多节轨道焊接而成的，因此轨道接缝电阻值较大，从而使轨道与结构钢之间的电位差增加，如果轨道接缝处开焊，轨道接缝电阻更大，这使轨道与结构钢之间的电位差更高。如图2-4所示，在站台上，地铁乘客手脚之间存在电位差，当这个电位差很高时，人就有触电死亡的危险。欧洲标准EN50122规定:这个电位差不得超过92V[4]。
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变电所接触网机车轨道行人结构钢
图 2-4 人身触电示意图
（6）烧毁排流设备
轨道与轨枕之间有绝缘相隔，但如果由于某种原因，绝缘物损坏，轨道与排流网短路，这时将有非常大的杂散电流，通过排流网、排流柜，流回牵引变流所，从而可能烧毁排流柜[15]。
另外，在煤矿井下安全生产过程中，杂散电流也会造成一下危害：
①由于杂散电流的存在，轨道的电位高于大地的电位，当这个电位差大于电雷管的引发电压1-1.5 V时或雷管中通过的电流大于300mA时， 如果电雷管的一条导线接触轨道， 而另一条导线同时接触到与大地同电位的其它金属物件，将引起雷管的先期爆炸，当杂散电流串入高瓦斯掘进场子产生火花，还会引起瓦斯爆炸，后果极为严重[16]。
②在正常情况下，漏电继电器的直流电流是通过电网的三相对地绝缘电阻和直流继电器返回的，如果绝缘电阻低(电流大)，则漏电继电器动作。因此，漏电继电器是否动作，主要取决于直流继电器通过的电流大小。因此，当采区变电所在运输大巷附近时，将会有很小一部分杂散电流通过电网三相对地绝缘电阻和漏电继电器的直流继电器返回，虽然其数值很小，但和直流继电器原来的工作电流相叠加后，将加大通过直流继电器的电流，因而可能使漏电继电器发生误动作，从而切断电源，影响矿井的正常生产，造成不必要的经济损失[17]。
2.3.2杂散电流的分布规律
通过对城市轨道交通的直流牵引供电系统和杂散电流的定义进行分析之后，总结出杂散电流的分布规律如下：
(1)在阳极、阴极处，杂散电流最大
在电源的接入端，也就是阳极、阴极处，电流大于没有泄漏时的串联电流，这时的杂散电流主要是流回主回路的杂散电流。在实际地铁运行中，机车的下部处于阳极区，容易发生腐蚀。变电站附近的钢轨处于阴极区，也容易发生腐蚀。所以应对其重点防护。
(2)各杂散电流的和为零
从主回路泄漏的杂散电流与流回主回路的杂散电流近似相等，符合能量守恒定律。其中从变电所到机车处泄露杂散电流总量先增加后减少，在变电所和机车处为零，在机车与变电所的中点处最大[9]。
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2.4杂散电流的影响因素及危害的判定依据
2.4.1影响杂散电流的因素
地铁杂散电流的产生、大小、分布与以下几个因素有关[9]: 1、地铁轨地过渡电阻值RL
走行轨与地之间的过渡电阻越小，走行轨与地之间的泄漏点就越多，杂散电流越容易产生，而且越大。
2、走行轨阻抗的大小RN
钢制的走行轨本身的阻抗越大，杂散电流就越大。 3、机车运行的牵引电流大小IT
机车的牵引电流越大(列车在启动和超负荷运行时，瞬间牵引电流达到上千安培)，杂散电流的比例也就会越大。
4、供电区间的距离
地铁列车的位置离走行轨连接负极的距离越远，杂散电流产生的范围就越大。 5、土壤潮湿度
土壤越潮湿，流入土壤中的杂散电流与走行轨上流过的电流的比例就越大，此外杂散电流的产生与土壤的酸碱度，细菌情况也有一定的关系[18]。
在以上几个因素中，有研究表明，地铁轨地过渡电阻及走行轨阻抗是影响杂散电流的最为重要的因素[19]。
2.4.2杂散电流危害的判定依据
（1）泄漏电流密度
金属腐蚀过程实质上是一种微观的电解过程，本质上是一种电化学过程，根据Faraday电解第一定律，金属在电解质溶液中自发地进行电化学腐蚀的腐蚀量?W与流过金属的电量Q成正比，即：
?W?MNf?Q?KI?t (2-1) 式中：
△W—金属在时间?t内的腐蚀量，kg；Q—在时间?t内流过金属的电量，C；F—Faraday常数，1F?96485C；n—金属被氧化过程中失去的价电子数；k—金属的电化学当量，k?M/nF，kg/(A?s)，在电解质水溶液中Fe2?的k?2.894?10?7kg/(A?s)；M—金属的mol质量，Fe的mol质量M?55.847?10?5kg/mol；I—流出阳极金属的电流，A。 由式（2-1）可得，在自然腐蚀的条件下，1A的电流可在1年内腐蚀掉9.13kg的钢铁。根据北京地铁公司实测结果，北京地铁杂散电流的最大值可达220A～326A。很显然，如此高的杂散电流必将对埋地管线和隧道主体结构中的钢筋造成严重腐蚀，就是以较小的杂散电流值220A来计算，通过1年时间的杂散电流腐蚀，可以腐蚀掉2007.83kg钢铁。
由公式可以看出，泄漏电流值I是影响腐蚀过程的十分重要的参数，在实际操作过程
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