重要基础设施轨道交通杂散电流腐蚀机理与影响规律

摘要

快速发展轨道交通是我国的重大战略需求。轨道交通具有运量大、速度快等显著优点，是解决交通运输压力的最有效途径，但是轨道交通为人们的出行带来方面的同时也产生了新的问题，杂散电流腐蚀损伤（Stray Current Corrosion Damage，SCCD）严重威胁轨道沿线重要基础设施的服役安全。针对轨道交通用钢筋混凝土桥梁和沿线埋地金属管线两类重要基础设施，揭示了杂散电流（Stray Current，SC）产生和腐蚀机理，建立了数值模拟方法并进行了试验验证，提出了腐蚀防护具体措施。
　　分析了轨道交通 SC的产生和腐蚀机理。结果表明 SCCD具有强烈、动态、局部的显著特点，在阴阳极的周围电解质区域引发系列复杂的腐蚀电化学过程，严重影响下部钢混桥梁和沿线埋地金属管线的服役安全。此外，提出了埋地金属管线和高架桥中 SC定量分析等效电路模型，根据现行规范和标准给出了各参数的取值或计算方法，并结合工程实例给出了单跨桥面板中SC定量计算的简化模型。
　　应用COMSOL中的电流接口和二次电流分布接口相互耦合，并结合钢筋动电位扫描极化边界条件，建立了SCCD电场分布的三维数值模拟方法，对桥梁结构钢筋表面阴阳极区的腐蚀状态随电压幅值的变化情况进行了系统分析。发现当桥面板与桥墩之间的绝缘支座电阻率大于5?105Ω●m时，SC不会对桥墩及下部结构造成干扰。此外，靠近 SC泄露点附近，钢筋表面半电位负向偏移而作为阴极处于合理保护、欠保护或过保护状态；而靠近 SC回流点附近，半电位正向偏移，从而作为阳极处于加速腐蚀状态。基于所建立的SCCD数值计算模型，搭建了钢混高架桥缩尺模型，对多种工况下钢筋表面的半电位分布状态进行测试，并与数值计算结果进行对比分析。
　　建立了SC在土壤域中分布状态的三维数值计算方法，并提出了判断埋地金属管线距离轨道交通最小安全距离的实用计算方法。利用所建立的SCCD电场三维数值模拟方法，结合金属管线动电位扫描极化边界条件，分别对无腐蚀防护层、腐蚀防护层局部缺陷和腐蚀防护层完好的埋地金属管线进行了系统分析。在10V电压作用下，腐蚀防护层存在局部缺陷的金属管线阳极区的腐蚀速率（8.1200 mm/a）大于无腐蚀防护层的（1.2858 mm/a），且腐蚀防护层完好的金属管线不会受到SC的腐蚀干扰。对所建立的SCCD数值计算模型，搭建了埋地金属管线缩尺试验模型，对多种工况下管线表面的管地电位分布状态进行测试，并与数值计算结果进行对比分析。
　　从 SC产生源头和基础设施结构构造层面提出了常用的SCCD防护措施，并结合桥面板实例对影响 SC泄露的轨-地过渡电阻和轨道纵向电阻进行量化分析。此外，根据本文所建立的数值计算方法，提出了SCCD监测的基本框架和指标。

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第1章 绪论

1.1课题背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究内容

第2章 轨道交通系统SCCD机理

2.1引言

2.2 SC产生和腐蚀机理

2.3 SC的定量计算模型

2.4本章小结

第3章 钢混桥梁SCCD模拟与试验研究

3.1引言

3.2杂散电场分布的理论基础

3.3杂散电场分布的COMSOL模拟原理

3.4 SCCD数值模拟的COMSOL计算流程

3.5高架桥SCCD的数值模拟

3.6高架桥SCCD数值模拟结果分析

3.7高架桥模拟效果试验验证

3.8本章小结

第4章 埋地金属管线SCCD模拟与试验研究

4.1引言

4.2土壤域中SC影响范围数值模拟

4.3埋地金属管线SCCD的数值模拟

4.4埋地金属管线SCCD数值模拟结果分析

4.5埋地金属管线模拟效果试验验证

4.6本章小结

第5章 轨道交通SCCD防护研究

5.1引言

5.2轨道交通系统SC泄露的抑制措施

5.3轨道交通下部基础设施腐蚀防护措施

5.4轨道交通SCCD监测

5.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢