腐蚀电流（精选7篇）
腐蚀电流 篇1
我国石油天然气行业不断发展, 同时也面临着巨大挑战。由于天然气中含有一些气体, 钢管中含有铁、碳等其元素, 气体会与物质发生反应, 石油天然气在钢管内输送时会发生化学腐蚀, 钢管长时间发生腐蚀会导致天然气泄漏。为了保证石油天然气安全输送, 可以采取强制电流腐防腐方法, 达到阴极保护作用, 减缓钢管腐蚀, 并延长钢管使用寿命, 避免由于天然气泄漏引发事故。
1 石油天然气腐蚀分析
1.1 化学腐蚀
天然气管道一般为钢制材料, 虽然钢管外部用一些防腐材料包裹, 钢管裸露在空气中仍然会与O2、SO2、Cl2等气体接触。钢管中含有碳、铁等化学物质, 物质与空气中气体接触会发生化学反应, 生产Fe O、Fe2O2等氧化物和一些化合物, 生产的氧化物和化合物在较高的温度条件下, 会快速生产氧化膜, 导致钢管中的碳脱落, 那么, 会造成对钢管腐蚀, 如果空气中含有水分, 更会加剧腐蚀。一些石油天然气中含有SO2、CO2、H2S等容易腐蚀的化学物质, 这些气体与水发生反应, 导致钢管内壁腐蚀[1]。
1.2 电化学腐蚀
石油天然气管道腐蚀的原因除了化学腐蚀还有电化学腐蚀, 电化学腐蚀不同于化学腐蚀, 其在腐蚀过程中会产生原电池, 导致电流出现。钢管为钢质材料, 里面含有铁元素和一些其他杂质, 当CO2、SO2、Na Cl等物质溶于水时, 会形成电解质溶液, 浓度各不相同, 当天然气管道与这些电解质溶液接触时, 溶液和钢管内侧分别有异电性的电荷层, 电极之间有电位差, 形成原电池, 那么, 就会发生电化学腐蚀, 钢管则受到不同程度的腐蚀[2]。
2 强制电流腐蚀试验
强制电流防腐原理是铁在水溶液中形成的阴极保护, 将被保护的金属与直流电源负极相连, 在辅助阳极作用下, 使电流形成回路, 降低被保护金属电位, 金属处于热力学稳定状态, 从而降低到稳定区域, 避免腐蚀。本次实验将碳钢挂片通过在恒压电源的作用下, 实现强制电流保护, 对通过施加强制电流后碳钢挂片腐蚀情况进行研究。试验材料为恒压电源、可调电阻、7种不同水样、万能电表、碳钢挂片、Cl O2、烧杯、绝缘线等。
2.1 静态挂片腐蚀试验
静态挂片腐蚀试验采用不同水质的水, 将静态挂片放在不同水质中, 强制电流保护试验是将Cl O2投入水中, 过一段时间后, 将碳钢挂片从水中取出, 并用清洗液清洗, 实验表明, 水中未加入Cl O2碳钢挂片腐蚀率约为0.2mm/a, 水中投入Cl O2碳钢挂片腐蚀率约为0.05mm/a。因此, 在水中加入Cl O2会增加碳钢挂片腐蚀程度, 而且不同水中由于输送时间不同, 水在管道中输送时, 氯的含量会有所减少, 可以缓解腐蚀程度。
2.2 强制电流保护试验
强制电流保护试验通过恒压电源对碳钢挂片进行强制电流保护, 通过施加强制电流后分析碳钢挂片腐蚀情况。实验表明, 在水中投入Cl O2, 会加速碳钢挂片腐蚀。为了降低由于水质因素导致的腐蚀, 本次实验在水中施加强制电流, 而且电流强度不同, 通过强制电流实现对碳钢挂片的电流进行阴极保护, 把碳钢管片与电解质之间形成的电位差降到最低, 进而减少电化学腐蚀现象出现。实验表明, 刚刚投入Cl O2会加强水样腐蚀, 所以实验采用的水样是来自不同地点的, 为了实验效果更加明显, 对不同水质施加相同电流和不同电流两种情况。对于未施加强制电流的水样, 腐蚀率则在0.2mm/a以上, 属于强腐蚀, 施加强制电流水样平均腐蚀率约为0.05mm/a。由此可见, 施加强制电流后, 对碳钢挂片有良好的阴极保护作用。
2.3 三因素三水平正交试验
三因素三水平正交试验是在水样中施加不同硬度、Cl O2浓度和强制电流强度, 通过三因素三水平对碳钢挂片进行正交实验, 分析碳钢挂片腐蚀情况。实验表明, 不同水质对碳钢挂片腐蚀率不同, 不同强制电流起到阴极保护效果也不相同。碳钢挂片在投入Cl O2后与电解质溶液间电位差有很大差异, 施加强制电流腐蚀程度减轻, 没有达到完成没有腐蚀[3]。在相同条件下, 未对地下水进行处理, 杂质多, 电极电位差大, 腐蚀程度越大, 此次试验施加的强制电流, 达到碳钢挂片腐蚀电流。因此, 相同条件下, 电流越小, 腐蚀程度越大;Cl O2在水中具有氧化作用, 投入越多腐蚀率越大。
3 强制电流防腐技术运行
研究强制电流防腐技术的目的是为了更好的应用, 当强制电流防腐技术通过无数次实验验证可以降低钢管内壁腐蚀程度时, 石油天然气企业就应该采用强制电流防腐技术, 保证地埋管道安全输送石油天然气, 西气东输则采用了强制电流防腐技术, 实现天然气输送畅通。石油天然气企业建立强制电流阴极保护站, 在阴极保护站内设置电源, 并配备阴极接地装置及其他相关设备, 当强制电流阴极保护站施工完毕后, 施工人员和石油天然气企业管理人员要对保护站进行检查, 检查电源是否符合标准, 是否安装阴极接地装置, 并对管道的自然电位进行通电测试, 其他相关指标是否符合标准, 确保强制电流防腐技术能够更好的应用, 保证电流交汇点的电位电压保持在-1.2V, 电流稳定, 在24小时后, 测试人员沿着输送管线对保护电位进行测试, 保证管线不同位置的电位符合标准, 最重要的是, 在距离强制电流阴极保护站最远的电位要大于等于最小保护电位值。如果管线某个电位值不符合标准, 要立即查到导致电位值不正确的原因, 然后再进行调整, 确保强制电流阴极保护管线每个部位的电位值均在最小保护电位值以上, 当阴极保护管道全线电位值都在最小电位值以上, 才能实现阴极保护, 那么, 石油天然气企业可以保证强制电流阴极保护站正常运行, 可以连续工作, 到达降低钢管内腐蚀程度。
4 对强制电流阴极保护站的维护
4.1 对设备维护
为了保证强制电流阴极保护站能够正常运行需要对设备进行维护。第一, 定期检查电气设备, 检查设备电路是否连接牢固, 元件是否存在机械障碍, 接地装置线路连接情况, 电气仪表记录的电压、电流值是否正常。在雨季时, 定期检查避雷针接地情况, 而且电阻值小于等于10Ω, 并做好设备清洁工作。第二, 配置两台恒电位仪, 保证按照时间要求进行更换, 在维修时, 不允许带有印刷电路板、电插等, 零件保证连接牢固, 元件无腐蚀损坏。第三, 硫酸铜电极底部不要渗漏, 保持清洁, 每周检查硫酸铜电极情况, 由于电极中的紫铜棒使用一段时间会有蓝色污渍, 需要擦洗干净, 保证仪器正常工作。第四, 每个月检查阳极地床, 保证线路完好, 阳极导线与地床连接牢固, 而且阳极地床电阻值在规定范围内, 如果接地电阻阻值比较大, 会导致恒电位仪工作不能给管道提供电流, 此时应该更换新的阳极地床或者对地床进行维修, , 并且地床上有地埋标识[4]。
4.2 对参数进行测量
石油天然气企业在运行强制电流阴极保护站时, 必须要做好对保护站的维护工作, 保护站维护人员要定时测量运行参数[5]。第一, 确保阴极保护站及时向管道送电, 对于出现送电终断的情况要及时处理, 如果由于特殊状况需要停电, 停电超过一天需要向上级主管部门备案, 采用停电处理方案对设备进行调整, 确保能够正常供电, 为了配合好强制电流阴极保护降低钢管内腐蚀工作, 必须保证一次断电不得超过2个小时, 全年不允许超过30个小时, 保证强制电流阴极保护站全年有98%以上时间都在给管道供电。第二, 由于强制电流阴极保护站是通过给管道送电实现运行的, 而且保护站内设置电源装置, 为了确保安全必须要安装接地装置, 阴极保护站维护人员对管道接地装置进行检查, 及时解除管道接地存在的障碍, 保证管道全线达到阴极保护效果。第三, 维护人员要定期检测管线电位值, 做好检测记录, 并分析电位分布规律[6]。保护站在采用恒电位仪供电时, 必须定时检测电位, 判断电位值是否在规定范围内, 不仅测量管线电位, 还要测量阴极保护电位。保护站维护人员在运行初期, 需要每周测量一次, 之后每隔十五天或者一个月测量一次, 将测量结果详细记录下来, 将记录表及时报送给上级主管部门, 上级主管部门对测量数据进行分析, 判断强制电流防腐技术应用情况, 对存在的问题加以改进。采用整流器供电时, 必须经常对汇流点的电位进行检测, 并且要求电位小于等于-1.25V, 对各测试桩电位进行检测, 而且是每个月测试一次, 管地电位大于等于-0.85V[7]。第四, 强制电流阴极保护采取接地方式, 维护人员要每半年或者一年检测地的自然电位, 并对土壤的电阻率进行监测。第五, 保护站维护人员要定时检测整流器输出的电压和电流, 如果发现电流极度下降, 电压上升, 此时电阻值明显增大, 要对阳极接地电阻值进行检测, 并找到变化规律, 进而判断阳极是否因为被腐蚀的原因而断掉, 阳极导线与阴极导线是否出现接触不良现象, 如果发现电流值有所增大, 而电压值却有所下降, 则说明局部出现短路状况, 此时应该检查阳极与被保护的金属接触情况, 是否有短路状况, 或者是其他金属导致阳极与阴极之间发生短路, 再或者是否因为绝缘法兰存在漏电情况[8]。
5 结语
随着石油天然气能源的重要性加大, 人们越来越重视对能源的合理使用。天然气在输送时会腐蚀钢管内壁一直是困扰人类的问题, 钢管内壁腐蚀会引起天然气泄漏造成环境污染甚至是对人体产生伤害。强制电流防腐可以降低钢管内腐蚀程度, 将钢管内壁在电流作用下形成回路, 使金属处于热力稳定状态, 达到阴极保护作用, 避免钢管内腐蚀。
参考文献
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腐蚀电流 篇2
关键词：城市轨道交通,杂散电流,腐蚀防护,回流系统
城市轨道交通工程受现场条件等各方面因素的制约, 将钢轨铺设于道床上, 钢轨同时作为机车牵引回流。钢轨是不可能完全绝缘于道床结构的, 因此, 钢轨与道床、桥梁结构之间都会产生泄漏电流, 即杂散电流, 又被称为“地中迷流”。
杂散电流对建筑物有很强的腐蚀作用。杂散电流会发生电腐蚀效应, 对金属的破坏相当严重, 能引起水管穿孔漏水、锈蚀、电缆挂钩打火、扣件生锈断裂等, 进而缩短设施的使用寿命, 造成严重的经济损失。为了保证城市轨道交通建筑、设备能够安全、长期、有效运行, 必须进行杂散电流的腐蚀防护。杂散电流腐蚀防护是个综合性工程项目, 几乎涉及城市轨道交通各个专业, 各专业需采取必要的防护措施。
1 杂散电流腐蚀防护技术方案
1.1 限制杂散电流产生的方法
1.1.1 降低回流系统阻抗
一般情况下, 城市轨道交通的列车走行钢轨采用的是长轨, 钢轨尽量焊接成一体, 并实现全线电气连续, 以减小回流阻抗。车辆段有可能采用短轨, 如果采用短钢轨, 用鱼尾板螺栓连接, 则两根钢轨之间需用铜芯电缆或者轨端接续线与钢轨可靠连接, 保证钢轨纵向良好的电气连接, 以减小钢轨纵向电阻。
电化线路中的道岔与辙岔的连接部位设置连接线, 即道岔跳线, 一般采用双连接线, 采用铜芯电缆连接, 连接线与钢轨间可靠连接, 接头电阻不大于标准钢轨阻抗, 负回流电缆和均流电缆与钢轨可靠连接。
1.1.2 增大钢轨泄漏过渡电阻
列车走行轨采用绝缘法安装, 在轨道与混凝土轨枕之间、扣件与混凝土轨枕之间还要采取必要的绝缘措施, 以加强钢轨对道床的绝缘, 防止钢轨泄漏电流。同时, 还要保持轨道交通车站和隧道内的清洁、干燥。在车站、区间隧道和U形槽、桥梁和车场内, 要安装必要的排水设施, 避免其长期积水。
1.2 正线杂散电流腐蚀防护方法
1.2.1 设置杂散电流主收集监测网
在工作过程中, 相关部门可以利用整体道床、结构钢筋的可靠电气连接形成杂散电流的主收集网。在地下和地面区段, 城市轨道交通正线一般采用整体道床。整体道床是采用钢筋网浇筑的, 可以将整体道床内结构钢筋网整体连接, 实现可靠的电气连接, 形成杂散电流主收集监测网, 以降低整体道床内结构钢筋所受杂散电流的腐蚀, 防止杂散电流继续扩散。在此要注意, 该收集监测网必须满足一定截面的要求。
在高架区段, 要采用承轨台或带减震垫的整体道床。杂散电流监测网可与道床内结构钢筋网实现可靠的电气连接, 形成高架段杂散电流主收集监测网, 以降低道床内结构钢筋所受杂散电流的腐蚀, 防止杂散电流的继续扩散。在此, 该收集监测网同样必须满足一定的截面要求。
1.2.2 设置杂散电流辅助监测网
利用地下车站结构钢筋的可靠电气连接形成杂散电流辅助收集网。在地下和地面区段, 利用地下车站、区间隧道和U形槽结构钢筋的可靠电气连接, 形成地下和地面区段杂散电流辅助监测网。在高架桥梁区段, 将高架桥梁顶层结构钢筋按一定要求焊接, 并将其作为高架桥梁区段杂散电流辅助监测网, 以降低车站、区间隧道、U形槽和高架桥梁结构钢筋所受杂散电流的腐蚀, 防止杂散电流继续向地铁外部扩散。
1.3 车场杂散电流腐蚀防护方法
停车场和车辆段根据接触网供电分区情况设置牵引回流回路, 恰当设置回流点和均流电缆, 形成畅通的回流通路, 减少杂散电流。停车场和车辆段线路与正线线路的钢轨间、停车场和车辆段各种电化库线的库内线路与库外线路的钢轨间, 要设置绝缘节和单向导通装置。停车场和车辆段内电化股道、非电化股道的钢轨间、电化股道尽头线与车档设备的钢轨间要设置绝缘节。
1.4 通信信号系统设备的防护
通信信号系统设备对系统的运行有很重要的影响, 所有的通信、信号设备外壳必须与接地扁钢连接, 不能与钢轨有任何直接电气连接, 以确保通信信号设备的运行安全, 且尽量与安装处的道床或主体结构钢筋绝缘。在安装地铁内的其他设备时, 要与安装处的结构钢筋绝缘, 且与接地系统可靠连接。
2 结束语
杂散电流是一种有害电流, 会给城市轨道交通系统的相关设施造成很多方面的危害。因此, 必须对其采取必要的防护和治理措施, 以确保城市轨道交通的运营安全。在日常工作中, 要定期清扫全线轨道线路, 线路要尽量保持清洁、干燥。
参考文献
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[2]王渊.新型通用端子替代杂散电流腐蚀防护铜排端子的探讨[J].现代城市轨道交通, 2013 (2) .
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[4]刘爱芳.地铁中金属管道杂散电流腐蚀的防护[C]//天津市土木工程学会第七届年会优秀论文集.天津:天津市土木工程学会, 2005.
腐蚀电流 篇3
1 地铁杂散电流数学模型以及腐蚀机理分析
建立地铁杂散电流数学模型指的是构建关于地铁杂散电流场的神经网络模型和电路元件模型, 或者构建电场半球电极模型, 以杂散电流的有关数据研究钢轨的电化学腐蚀破坏情况。这三种数字模型都是在不计导电轨电阻及其分布规律的基础上来解释杂散电流的分特性和产生机理, 不适用于准确模拟结构复杂的杂散电流场[1]。
出于金属电阻比较小的原因, 钢轨极易产生杂散电流, 使电流通过导电介质反复回流到金属中。杂散电流的来源是机车接触轨的供电回路, 因为轨道中的回流线轨具有比较大的电阻抗, 牵引电流产生轨压降, 同时, 回流轨具有地面电位差, 使回流线电流泄漏, 泄漏电流通过道床、土壤介质和地下管线设施等导电介质传递再次回到钢轨上。杂散电流在土层中通过金属管线传导流动, 使周围的土壤形成通电回路将其传导出土层, 造成电化腐蚀, 同时, 使电流导出位置的导体极化变成正电位, 加快腐蚀速度[2]。
2 监测系统构成分析
杂散电流腐蚀危害的监测数在现监测系统中最先进, 通过数据通信控制器、智能传感器和上位机监控系统数字化监测杂散电流腐蚀给钢轨造成的危害, 以便针对性地采取各种有效措施控制和修复钢轨上的损害。该系统运用智能传感器采集钢轨电压和各种电位的参数, 将监测到的数据上传给数据通信控制器, 经过传感器取样和处理, 再将传输给上位机监控系统, 分析样本数据形成监测点的曲线, 通过通信控制器下达、执行各种指令, 实现远程监控杂散电流。
3 杂散电流防护措施分析
基于监测系统的杂散电流防护设计有3种:堵截法, 控制漏电源头, 减弱产生的杂散电流;排流保护法, 采取有效措施排流、分流产生的杂散电流, 减少电化学腐蚀危害;监测法, 监测过高的杂散电流, 采取有效的措施减轻腐蚀危害[3]。
以下就堵截法对防护杂散电流的措施进行具体分析。堵截法主要是采取措施降低回流电路的电阻, 减弱杂散电流的产生强度, 以减小杂散电流的容量进而减弱电化腐蚀的破坏。
1) 减小回流回路的电阻。钢轨相当大的内电阻与对地绝缘电阻具有较大差异, 使流过的电流出现相当大的电位差, 进而产生巨大的杂散电流。由此可见, 减小钢轨压降是有效控制杂散电流产生量的重要举措。可以通过使用运行保护性电气、减小钢轨同路电阻、采用双边变电所供电和运用均流电线的方法, 从产生源和传导路径上来减小钢轨压降, 实现堵截或者减小杂散电流的产生。
a.钢轨与钢轨之间、地铁与钢轨之间都是直接相接, 致使漏电形成良好的导电回路, 采用畅通的电气连接钢轨, 减小回流路径的导电介质的阻值和阻值大小差异, 以减弱介质的杂散电流的形成强度;b.走行轨是牵引地铁列车的负电极, 具有大量的牵引回流, 其阻抗越小向外形成的杂散电流越小, 在其建设技术上以短轨焊成长轨的方法减少接头, 减小走行轨阻抗, 进而减小回流电阻;c.供电距离的长短直接影响杂散电流产生量的多少, 供电距离越短杂散电流产生量越少, 因而, 适宜采取双边变电站供电的方法缩短供电距离, 有效减少产生杂散电流的大小;d.采用均流电缆连接走行轨的左右线钢轨, 把回路电阻降低至原来电阻的l/4。
2) 增加杂散导电路径电阻的措施:a.增加轨道上木质轨枕和枕木对地的过渡电阻。木质轨枕、枕木的端面、道钉需要进行绝缘处理, 或者在轨枕和枕木的边缘设置质量良好的绝缘层, 或者采用支点支承走行钢轨, 或者采用不接地和二极管接地的方法建设地铁系统, 保证钢轨与接地回路有良好的绝缘体。b.进行车辆段检修时, 使用绝缘接头隔离所有列车线路走行轨与停车库线路走行轨。c.绝缘结设置在轨道重要地段的两边, 并把单向导通装置设置在绝缘结上, 抑制杂散电流导出进行绝缘处理的重要区段, 尽可能减少其对重要地段钢轨的腐蚀。
3) 由于钢轨和周围的地下金属管线存在巨大的电阻差, 才会形成大量的杂散电流, 为了减少杂散电流, 可以通过增加地下管线的值来减小电阻差值。方法有:a.应采用防水绝缘护套的双塑绝缘垫层;以绝缘方式敷设各种地铁电缆、隧洞电缆和地下金属管线;b.地铁钢轨沿线的通电电缆、通讯电缆、控制测量电缆以及通向隧道外的金属管线, 在敷设过程中必须安装绝缘接头、绝缘法兰。
4 结语
城市地铁对城市现代化的建设具有不可取代的重要作用。但轨道的杂散电流电化学腐蚀一直妨害地铁交通正常运行, 对此, 必须运用先进的监测系统和有效的措施防治杂散电流腐蚀, 保护轨道, 避免地铁运行的事故。同时, 要致力于杂散电流腐蚀机理的研究、监测系统开发以及防治措施的创新, 促成整治地铁杂散电流腐蚀危害新突破。
摘要：地铁在运行中存在泄漏杂散电流的现象, 因此地铁轨道极易遭受严重腐蚀, 使钢轨开裂、产生空洞, 形成严重安全隐患, 引发地铁交通事故。所以, 做好地铁杂散电流腐蚀的监测和防治工作对地铁的正常运行至关重要。
关键词：地铁杂散电流,腐蚀机理,监测系统,防护措施
参考文献
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[2]蒋雪峰, 邱忠才, 孟军, 靳红云.对地铁中杂散电流泄漏造成腐蚀问题的探索[J].中国科技信息, 2009.
腐蚀电流 篇4
目前我国正处于城市轨道交通的发展高峰期, 城市轨道交通普遍采用直流牵引供电系统, 而直流牵引系统的安全可靠运行是对城市轨道交通的基本要求。在直流牵引系统中, 走行轨作为回流通路, 但是走行轨对地不可能完全绝缘, 从而有部分电流从轨道泄漏到道床及周围土壤中, 即杂散电流。杂散电流会对轨道交通的道床、埋地金属管线、埋地钢筋结构以及附近金属设备造成腐蚀, 导致金属物的强度降低, 设备的使用寿命缩短, 威胁着地铁运行安全, 可能造成严重的经济损失和人员伤亡。所以有必要对杂散电流进行准确监测, 以及对杂散电流腐蚀状况进行预测, 从而保证城市轨道交通的安全运行。
在地铁杂散电流腐蚀领域, 因为影响腐蚀程度的因素过多及腐蚀过程的复杂性, 若用普通的方法来分析并且从大量的数据中发现确切的规律极为困难, 但人工神经网络能在解决复杂而又非线性的腐蚀预测问题时表现出其自身的优势。本文针对传统的BP神经网络的结构和算法进行分析并在此基础上进行改进, 建立了新型的杂散电流腐蚀预测BP神经网络模型。在建立的BP神经网络模型上, 通过预测参比电极偏移值来间接预测地铁杂散电流腐蚀状况, 通过MATLAB仿真结果可知, 基于改进后的BP神经网络模型预测方法精度高、可信度也高, 具有很高的应用推广价值。
杂散电流分布影响因素
在进行杂散电流腐蚀预测模型的建立前首先要分析影响杂散电流的分布因素。地铁杂散电流分布规律是十分复杂的电流场问题, 而影响杂散电流的分布因素也是复杂多变的。因此针对杂散电流分布影响因素, 国内外许多的专家学者也进行了相关的研究。Kinh, D.Pham和Thomas, R.S.等人假设接触网不会对大地产生杂散电流、牵引所正极和列车受电端相互之间与大地都不会发生耦合, 构建单边供电方式下钢轨-大地回流系统的杂散电流分布解析模型。Cotton, I.等人分析单边供电方式下的走行轨-大地回流系统的杂散电流分布规律, 在牵引所负母极直接接地、不接地两种方式下, 推导出了地铁杂散电流分布解析式, 其中的变量为:牵引电流、轨道纵向电阻、列车和牵引所的间距、轨地过渡电阻。Lee, C.H.和Lu, C.J.更深入地分析了三牵引所双机车供电方式下的钢轨电位、杂散电流分布规律。王崇林、张孝雨和李国欣等人研究分析了埋设有道床钢筋结构下的直流牵引供电回流系统离散模型。李威等人在单边供电方式下, 分析了走行轨-土壤、走行轨-埋地金属-土壤、走行轨-排流网-埋地金属-土壤3类地铁回流系统, 搭建了钢轨电位、钢轨电流、杂散电流以及跨接电流的解析模型。曹阿林通过杂散电流的模拟实验装置, 以混凝土中钢筋结构体为主要验证对象, 综合分析了土壤电阻率、金属管线埋地深度、金属管线与外加电流源水平净距、金属管线涂层破损率、外加电流源以及埋地金属管线对大地的电位差等因素与埋地金属杂散电流密度之间的关系。针对以上国内外的研究状况可知影响杂散电流分布的因素多种多样, 这也间接导致了对杂散电流预测难度的增加, 因此需要综合考虑各种因素建立可靠准确的预测模型。
杂散电流BP神经网络预测模型
BP网络预测模型输入输出因子的选择
由以上分析可知, 地铁杂散电流腐蚀过程中会受到土壤环境、牵引电流、列车与变电所距离、轨地过渡电阻、轨道纵向电阻、参比电极埋地深度、混凝土电阻率等诸多因素的影响。再综合考虑其他相关因素, 以牵引电流 (A) 、列车与牵引所距离 (km) 、轨地过渡电阻 (Ω/km) 、轨道纵向电阻 (Ω/km) 、OVPD泄漏电流 (A) 、OVPD轨电位 (V) 、负极回流电流 (A) 、土壤电阻率ρ (Ω.m) 、参比电极与埋地钢筋距离 (mm) 作为BP神经网络的输入值。地铁杂散电流腐蚀程度的直接判定依据是杂散电流密度, 而间接判定依据是杂散电流腐蚀造成的埋地金属的极化电压偏移值, 因为在城市轨道交通整体结构中, 杂散电流无规律不稳定, 根本无法直接测量, 所以杂散电流腐蚀程度只能用极化电压来间接表示。因此选择埋地参比电极偏移值为BP神经网络预测模型输出值。
BP网络预测模型结构确定
BP (Back Propagation) 神经网络结构如图1所示, 作为单向传播、多层前向网络的BP网络, 除了输入输出节点以外, 还有若干个隐层节点, 而同一层次下的节点没有连接和融合。输入信息经输入层至隐层, 最后到达输出层, 前一层节点只对下一层节点有影响。
在对BP人工神经网络模型进行设计时, 最重要的是神经网络的层数与各层的节点 (也称作神经元) 个数。在进行运算时是从输入层开始逐次到以下各层, 虽然多一层隐层能提高精度、降低网络误差、提高训练速度, 但此时的神经网络变得较为复杂, 训练时间也要增加。因此在进行杂散电流预测时, 选择3层BP人工神经网络, 即含有一个输入输出层和一个隐层。输入节点和输出节点的个数与样本及其相关应用领域有密切关系。
目前没有任何理论来指导隐含层的节点数选择, 通常情况下要遵循下列原则:隐层节点数小于N-1 (N是原始训练样本数) , 否则该模型的误差和训练样本特性无关几乎为零, 从而不具备泛化能力;对于三层BP神经网络隐层节点数通常是输入节点数的3/4;训练样本数需要是网络模型连接权数的2-10倍, 否则得不到可靠的网络模型。要训练样本后获得较低的网络误差, 通过增加隐层节点数远比增加隐层层数更容易实现。一般的隐层节点数的经验公式为:
上式中:p是隐层节点个数, x是输入层节点个数, y是输出层节点个数, z是常数且1<z<10。
根据以上影响杂散电流腐蚀的因素和实测的数据, 选择输入层节点数为9, 输出层节点数为1。通过式 (1) 计算并根据多次训练结果对比, 此网络模型的隐层节点数为7个。
BP网络预测模型算法及改进
BP算法是一种δ算法, 是一种有导师学习式的算法。学习过程中, 如果实际值与期望值之间有误差, 这时通过修正连接权值, 使得实际输出值逼近期望值, 即神经网络输出层的误差平方和达到最小值。BP神经网络第P个样本误差函数计算公式如 (2) 所示:
上式中, tpt为期望输出、Opt为网络的实际输出。在误差函数斜率降低的方向上, BP算法是通过不停地计算神经网络的权值与变化着的偏差来接近期望值的, 每次算得的权值、偏差的变化量都与网络误差的影响成正比, 而且会反方向传播到每一层直至误差平方和最小。
通常情况下, 人工神经元涵盖以下三个基本要素:
模拟人类神经系统的突触, 用wij表示节点i与节点j之间的连接权重 (也叫作连接权系数) ;
能够累积输入信号值, 并能够显示出神经元的融合性能;
为了将神经元的输出值限制在一定的范围内, 必须具备一个相对应的激励函数, 并预先定好该范围大小, 这样输出值就变成了有界值, 例如取神经元的输出值在闭区间[0, 1]或[-1, 1]上。
如上图2所示, 人工神经元有多个输入值, 而就一个输出值, 这种多对一模型显然属于非线性结构。 (x1, x2, (43) , x N) 是该神经元的输入值集合, wij表示两个神经元之间的连接权系数, 即第i、j两个神经元之间的整合度。θi作为节点阈值, ui是输入样本值经处理后的总和, y即神经元的输出结果。由图2可知该节点的输出结果方程式 (3) :
对于激励值函数f (ui) , 通常取用单调递增的S型函数, 数学表达式是:
在利用BP网络进行相关领域的研究和处理时, 期望其可以显示出良好的全局收敛特性, 以及较为宽泛的映射泛化性能。在传统的BP网络中, 通过神经元之间的连接来存储信息 (可调) , 模拟细胞体功能的激励函数则是固定的。这使得网络的训练过程简化成只对各层神经元连接权值和阈值进行调整, 这制约了网络的非线性映射能力。对于通常采用的Sigmoid函数, 输出量限定在 (0, 1) 之间, 根据各层一般化误差δ, 当网络各层的单元输出f (x) 为0或者1时, 权值修正量很小, 从而造成校正过程十分缓慢, 延长训练时间。将节点的激励函数修改为:
式中, m为偏移参数;n为函数比例系数;θ为阈值;λ为陡度因子。显然, 此函数比S型函数具有更丰富的非线性表达能力。参数m和θ决定函数的垂直位置和水平位置, n决定函数的幅值, λ决定函数的形状。选取m=-0.5, n=1, θ=0, λ=1, 则各神经元的激励函数为
函数的值域由 (0, 1) 变为 (-0.5, 0.5) , 根据实际的预测数据进行激励函数值域的修正。由此可以克服零样本输入时相关权值和阈值修正量无效的问题, 提高收敛速度。
改进后BP神经网络预测结果分析
进行BP神经网络的建模及预测, 首先要有丰富的样本数据, 为了更好地评价改进后BP神经网络模型的性能, 需要把已有数据分为训练样本和检验样本。先将原始样本按式 (8) 归一化处理, 然后再训练样本数据。
上式中:x:归一化后样本值;X:原始样本值;Xmin:样本中的最小值;Xmax:样本中的最大值。
用训练好的网络进行检验。检验样本按式 (8) 归一化后, 见表1。
采用3层BP网络来构建BP神经网络模型, 由于没有隐层节点数的选择标准, 本次BP神经网络隐层节点数从7开始训练, 训练函数为Trainlm, 学习函数为Learngdm, 学习率为Ir=0.5, 动量系数为mc=0.8, 训练误差goal=0.0001。图3所示为训练过程中网络误差趋势, 由此可知, 该三层BP神经网络训练精度高、收敛效果也非常好, 可以很快的达到训练预测精度, 泛化能力较好。
将改进后的网络预测模型与改进前的模型进行预测误差对比如下图4所示, 可以从对比中看出改进后网络模型预测误差精度更高, 基本可以满足所要求的预测精度范围, 充分说明改进后的网络预测模型可以应用于对实际参比电压偏移值的预测。
将改进后的网络预测模型应用到参比电极的预测中并将预测值与实测值进行对比如图5所示。从图中可以看出预测模型预测的结果与实际值基本一致, 进一步说明了此预测模型可行性和可靠性。
为了更加直观和准确的反映预测结果, 将参比电极预测值与实际值的结果列到下表5所示, 并进行误差计算。
从表2中可进一步得知, 该BP神经网络模型预测值和实测值之间的误差很小, 推广泛化能力比较强, 改进后的BP神经网络的参比电极偏移值预测模型具备较高的准确性和可信度。
总结
地铁杂散电流会对土壤中的结构钢筋造成腐蚀, 因此需要进行必要的防护措施, 在预防杂散电流腐蚀前需要进行杂散电流的腐蚀预测。影响杂散电流腐蚀因素很多, 常规的预测方法无法满足要求, 而利用改进后的BP神经网络可以间接预测埋地参比电极偏移值从而来预测杂散电流腐蚀程度, 为地铁杂散电流的防护做好充分的前期准备。结果表明基于改进后的BP神经网络预测模型能够很好的预测杂散电流间接量也即参比电极的偏移值, 说明了该网络预测模型的可行性和可靠性且具有一定的应用推广价值。
腐蚀电流 篇5
1 研究方法
对于出现这一问题的直接原因, 基本上可以判断是由于铝箔在溶液中的自腐蚀量发生变化造成的。但究竟是怎样变化的, 以及变化规律如何还不清楚。因此, 做了以下调查和实验工作: (1) 对各段具体电流参数下腐蚀失重数据统计, 以计算自腐蚀和电化学腐蚀所占比例。 (2) 对腐蚀线进行扩孔溶液中杂质金属离子的检测。考察微量金属离子对铝箔失重的影响。 (3) 利用同样的一次发孔腐蚀箔分别在不同扩孔工艺扩孔溶液中进行不同电流密度的扩孔腐蚀试验, 以观察不同电流密度下的自腐蚀比例变化。
2 结果与分析
2.1 各段具体电流参数下腐蚀失重数据统计及自腐蚀比例的计算
表1为不同腐蚀线各段的腐蚀失重和自腐蚀比例数据对比。由于在实际统计和计算过程中, 数据较多, 无法一一呈现, 因此表1中只给出了一些关键数据。
从表1中可以看出, ABC三条中压腐蚀线自腐蚀占各自总失重的比例都非常大, 尤其是扩孔自腐蚀比例, 超过了扩孔总失重的一半。从A~D腐蚀线比较可以得出一个大致规律:一扩孔电流的提高, 有助于减小一扩孔自腐蚀的比例。
2.2 不同电流密度的扩孔扩孔腐蚀试验
在实验室通过改变扩孔电流的大小来研究自腐蚀比例的变化。这里只选择改变扩孔电流是因为考虑到绝大部分腐蚀过量以及电流与腐蚀量不对应的问题是在扩孔发生的, 并且扩孔腐蚀的规律基本是相通的。
表2为不同扩孔工艺溶液中进行不同电流的扩孔腐蚀的自腐蚀比例数据。从表2中可以明显看出, 随着扩孔电流的逐渐增大, 扩孔腐蚀中自腐蚀造成的失重占总失重的比例显著减小。这一规律在扩孔A液和扩孔B液溶液中基本相同。
2.3 影响扩孔a工艺自腐蚀的主要原因分析
2.3.1 外加电流的影响
这里所谓的电流影响, 严格说应该是外加阳极电流, 改变其电流密度使铝箔发生阳极极化而造成对自腐蚀速度的影响。腐蚀电化学原理当中, 存在这样一个效应:如果外加阳极电流使腐蚀金属阳极极化, 虽然该金属总的阳极溶解电流密度增加了, 但它的自腐蚀速度却减小。即, 阳极极化越强烈, 自腐蚀速度越小。利用这一效应, 我们知道, 当生产线中扩孔电流减小后, 铝箔的自腐蚀速度反而增大, 这样就容易使得改变电流与实际腐蚀总量不成对应关系。
2.3.2 小电流下杂质金属元素重新溶解到槽液的影响
表3为在扩孔腐蚀液中加入不同含量的Cu离子对铝箔失重的影响数据对比。从表3数据表明, 随着Cu离子含量的增加, 铝箔的失重显著增加, 减薄也随之增加。这就表明:一些还原性很强的金属离子对铝箔的加剧腐蚀有促进作用。
2.3.3 生产线影响自腐蚀的其他原因
当然, 造成中压自腐蚀比例很大且容易波动的原因除了上述两个重要因素外, 还有一些其他因素: (1) 设备陈旧, 杂质导入到槽液中; (2) 扩孔A液所需温度比扩孔B液温度高很多, 腐蚀本身也更快些; (3) 扩孔腐蚀溶液组分浓度波动 (这里主要指扩孔缓蚀剂) ; (4) 不同扩孔腐蚀液中浸泡的时间长短问题等因素。
3 结束语
通过以上的实验与分析, 得出以下结论:
(1) 电流参数调节与铝箔失重不一致问题主要是由自腐蚀量变化引起的。随着外加腐蚀电流的提高, 铝箔的自腐蚀比例逐渐减小, 反之, 则增大。 (2) 生产线中压扩孔A液工艺的扩孔自腐蚀比例高达55%, 而高压扩孔B液工艺的扩孔自腐蚀比例较低, 为17%。造成扩孔A液和扩孔B液工艺下生产线的自腐蚀比例相差很大的主要直接原因为:扩孔B液工艺采用的扩孔电流大大超过扩孔A液工艺。 (3) 通过对影响扩孔a工艺自腐蚀的主要内在因素分析发现:中压进行扩孔A液扩孔扩孔腐蚀, 由于外加电流很小, 依据腐蚀电化学原理, 自腐蚀速度快, 同时, 石墨板上较多的杂质金属重新溶解到溶液中, 与铝构成原电池, 并且还受到一些其他的外界因素的影响, 从而进一步加速了铝箔自腐蚀。因此, 相对于高压腐蚀, 中压腐蚀 (尤其是扩孔腐蚀) 中, 铝箔的自腐蚀比例显著偏大, 并且自腐蚀量也更容易出现波动。这是造成中压容易出现电流参数调节与铝箔失重不相一致的主要原因。
参考文献
[1]王志申, 何业东.缓蚀剂在高压阳极箔电解扩孔中的作用机理[J].电子元件与材料, 2010, 29 (1) :48-51.
腐蚀电流 篇6
作为城市公共交通的生命线工程,地铁工程结构安全十分重要,由于损坏后难以改建或大修,因此对地铁工程结构耐久性研究具有尤为重要的意义。统计表明[1,2,3,4],影响地铁工程结构耐久性的环境因素是杂散电流、氯盐等。
1 杂散电流的产生及锈蚀原理
地铁机车采用直流牵引供电系统,牵引电流并非全部由钢轨流回牵引变电所,而是有部分由钢轨杂散的流入大地,这部分电流就称为杂散电流,如图1所示。
杂散电流的锈蚀原理是基于Faraday第一定律,根据Faraday电解第一定律[5],金属在电解质溶液中自发地进行电化学腐蚀的腐蚀量ΔW与流过金属的电量Q成正比,即
式中:ΔW—金属在单位时间Δt内的腐蚀量,单位kg;Q—在时间Δt内流过金属的电量,单位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),单位kg/(A·s)。金属Fe2+的电化学当量k=2.894×10-7kg/(A·s);M—金属的原子量,单位kg,Fe的原子量M=55.847×10-3kg;I—流出阳极金属的电流,单位A。
2 电化学腐蚀的影响因素
在理想的电解质环境下,1 A的电流1年内可以腐蚀铁的重量为9.13 kg。根据某地铁的检测结果[4],地铁产生的杂散电流可达300 A以上,对隧道结构、周围管线造成严重的腐蚀,以电流值200 A来计算通过1年时间的杂散电流腐蚀,可以腐蚀掉2 000 kg的铁物质。按此计算,地铁运营超过20年,可以认为主体结构和钢轨已经破坏,不能使用。但实际情况并非如此,很明显,按照铁在电解质溶液中自然腐蚀的电化学当量来计算是不合适的。
杂散电流的电化学腐蚀受环境因素的影响。土壤的结构特性不同,对地下设施的电化学腐蚀程度也不同。土壤一般由土壤颗粒、水、空气混合而成,土壤颗粒与颗粒之间存在空隙,这些空隙中充满着水或空气,而土壤孔隙的透水性、通气性等会对腐蚀过程构成直接影响。
3 力学因素对地铁结构的影响
目前的研究大都在单一因素下进行的。在实际工程中,地铁工程结构在力学与不同环境因素共同作用下的耐久性能衰减也不是单一因素作用的简单叠加,而是多个因素之间相互耦合作用的结果,在单因素作用下的研究结论和经验公式与实际多重因素综合作用之间有很大偏差,因此迫切需要对地铁工程结构在力学与环境因素耦合作用下进行耐久性分析,建立多因素作用下的耐久性能衰减模型及寿命预测方法。著名混凝土专家Mehta[6]指出混凝土耐久性破坏常常是多因素协同作用的结果;吴中伟院士[7]也指出,耐久性研究习惯单一破坏因素的研究试验,与实际工程中多因素的联合作用脱节;孙伟院士[8]特别强调混凝土在多重因素作用下耐久性研究的重要意义和必要性。
现阶段对力学因素与杂散电流共同做用下的结构耐久性很少,因此设计了在不同荷载水平下杂散电流对钢筋混凝土的腐蚀试验,进行长期加载及数据采集。
本试验采用钢筋混凝土简支梁为试验对象,以如下装置模拟杂散电流,如图2所示。构件放在水槽中,为防止水槽内的钢筋锈蚀,在水槽内壁涂混凝土防腐涂料Inertol Poxitar。
试验中采用直流稳压电源供电,通过金属阳极和铜棒阴极,溶液为介质产生回路,模拟出杂散电流。
试验中,直流稳压电源提供电压为20 V,每根钢筋上通过的电流为0.2 A,通电时间为每天8 h,试验周期100 d,采取线性计划法测量钢筋的腐蚀电流密度,定期进行数据采集。
1一钢筋(阳极);2—混凝土简支梁;3—氯化钠溶液(5%)4—铜棒(阴极);5—水槽
4 结论
我国目前正处于地铁建设高峰期,通过原有地铁结构的耐久性研究为今后地铁结构的设计,耐久性提高打下基础。通过对地铁结构所处的实际环境进行试验研究,成为地铁耐久性研究的发展方向。本文增加了力学因素,设计了试验装置,为通过杂散电流与荷载共同作用下钢筋混凝土腐蚀情况的研究打下基础。
摘要：我国地铁建设飞速发展,地铁结构的耐久性问题日益突出。在原有研究的基础上提出了新的研究思路,考虑地铁结构实际环境,提出了荷载作用下地铁结构的耐久性研究。
关键词：地铁,耐久性,荷载
参考文献
[1] 杜应吉.地铁工程混凝土耐久性研究与寿命预测[D].河海大学,2005
[2] 黄炳德.地铁结构耐久性影响因素及其寿命预测研究[D].同济大学,2007
[3] 李文卿.地铁车站地下连续墙耐久性规律研究[D].同济大学,2006
[4] 潘洪科.基于碳化作用的地下工程结构的耐久性与可靠度[D].同济大学,2005
[5] 刘秉京,编著.混凝土结构耐久性设计.北京:人民交通出版社,2007
[6] Mehta P.K.Durability-critical issues for the future,Concrete International.1997,19 (7) :27-31
[7] 吴中伟,廉慧珍.水泥基复合材料科学研究中的辩证思维.混凝土,2000,(4) :20-26
腐蚀电流 篇7
之后, 由于轴位移过大, 机组停车检修。截至检修时, 止推轴侧轴位移已超过了原停车联锁线近50μm。检修时更换了止推轴侧轴瓦。检修开车后, 止推轴侧轴位移仍持续增大, 并且呈加速趋势。
由此认为应采取必要的工艺调整措施, 防止轴位移进一步增大, 如改变出口负荷以及调整机组转速等, 从而改变轴向力的均衡, 使之向轴向力平衡方向靠拢, 起到减小轴位移趋势的作用。在降低了压缩机的转速、减小了负荷后, 轴位移趋于稳定。
一、轴瓦失效原因
降低转速、减小负荷之后, 虽然使得氮压机的轴位移趋于稳定, 但是机组的故障原因还不明确。之后对前次检修时更换下的坏损轴瓦进行失效分析, 判断氮压机的故障原因。
1. 轴瓦表面宏观分析
观察可见: (1) 轴瓦径向有一条规则清晰的分界线; (2) 大约有1/3的表面保持原状, 其余表面似被腐蚀或者磨损过; (3) 轴瓦的边缘区域已经出现了明显的磨损痕迹; (4) 其被腐蚀或磨损过的表面似被喷沙过的金属, 失去了光泽, 呈银灰色。由此, 初步判断其为电腐蚀。
2. 轴对地电压
足以引起轴承电流损伤的电压在20V以上, 通常在30～100V之间。而经过测量发现该氮压机的轴对地电压波动很大, 最大可达200V。
3. 轴电流产生的原因
轴电流的形成除了外部对转子施加一定的电位之外, 大多数是由于以下几种因素感应而产生: (1) 轴的磁化效应, 转子由于焊接、摩擦、碰撞以及电涡流装置均可能使设备带有磁性, 并建立起磁场, 旋转磁场切割导体会在这些零件内感应起一定电位; (2) 对于蒸汽透平压缩机组, 高温蒸汽温度降低时会发生正负电荷分离, 随着蒸汽冲击涡轮叶片, 电荷积聚到转轴上, 水蒸气粒子对转子叶片的碰撞和摩擦将使转子产生静电效应而带电, 这样就产生了轴电压; (3) 离心压缩机和蒸汽透平转子工作时也可能因润滑油引起带电, 当润滑油通过过滤网时, 由于滤网的通路很小, 油分子和滤网的摩擦会导致分子带电。因润滑油基本上是非导电介质, 在通过相当长时间的接地管路之后, 油分子仍能保持带电, 并把电荷转移到被润滑的轴颈表面和止推盘表面而产生轴电位。
二、结语
检维修时检验轴是否带有磁性。如果有磁性, 则要进行消磁处理;更换润滑油, 清洗过滤网;在压缩机轴上安装放电碳刷;开车后, 定期测定轴对地电压。
在停车检修期间为该机组增加了一个接地碳刷, 机组运行后再未出现此类故障。为保证正常运行, 应定期对轴地电压进行检测。
参考文献
[1]沈庆根, 郑水英.设备故障诊断[M].北京:化学工业出版社, 2006.