应用于地铁杂散电流腐蚀测量的硫酸铜电极实验研究.pdf

第3 4 卷第1 期 2 0 0 5 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 4N o ．1 J a n ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 1 0 0 6 2 0 5 应用于地铁杂散电流腐蚀测量的 硫酸铜电极实验研究 李威，王爱兵，王禹桥 中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要模拟地铁的实际工况，使用长效铜／硫酸铜电极作为测量混凝土钢筋极化电位的参考电 极，检验长效铜／硫酸铜电极的稳定性、有杂散电流扰动时混凝土钢筋极化电位的变化情况以及 参考电极安装位置的不同对极化电位测量的影响，同时根据广州地铁一号线杂散电流监测系统 记录的数据，分析长效铜／硫酸铜电极的工作情况．实验证明，长效铜／硫酸铜电极可以在地铁的 混凝土结构中用于测量埋地金属结构的杂散电流腐蚀． 关键词地铁；杂散电流腐蚀；参考电极 中图分类号U2 3 1 ．8文献标识码’A R e s e a r c ho fE x p e r i m e n to nB l u e s t o n eE l e c t r o d e A p p l i e di nM e t r oS t r a yC u r r e n tC o r r o s i o nM e a s u r i n g L IW e i ，W A N GA i b i n g ，W A N GY u q i a o S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆．T e c h n o l o g y ， X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t B ys i m u l a t i n gm e t r oa c t u a lc o n d i t i o n s ，a l o n ge f f e c tc o p p e ro rb l u e s t o n ee l e c t r o d ew a s u s e da sr e f e r e n c ee l e c t r o d eo fm e a s u r i n gc o n c r e t es t e e lb a rp o l a r i t yv o l t a g e ．B l u e s t o n ee l e c t r o d e ’S s t a b i l i t ya n dr e a c t i o no fp o l a r i t yv o l t a g et os t r a yc u r r e n td i s t u r b i n ga n di n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf i x e d p o s i t i o n so nm e a s u r i n gp o l a r i t yv o l t a g ew e r et e s t i f i e d ．O nt h eb a s i so fd a t af r o ms t r a yc u r r e n t m o n i t o r i n gs y s t e mi nG u a n g z h o uM e t r oI ，i n eN o ．1 ，t h eb l u e s t o n ee l e c t r o d ew o r k i n gc o n d i t i o nw a s a n a l y z e d ．E x p e r i m e n ts h o w st h a tt h el o n ge f f e c tc o p p e re l e c t r o d ec a nb eu s e da sm e a s u r i n gs t r a y c u r r e n tc o r r o s i o no nb u r i e dm e t a ls t r u c t u r ei nm e t r oc o n c r e t es t r u c t u r e ． K e yw o r d s m e t r o ；s t r a yc u r r e n tc o r r o s i o n ；r e f e r e n c ee l e c t r o d e 地铁建设和运营过程中必须采取有效的措施 防止杂散电流腐蚀，地铁正常运行时加强监测和有 效判断杂散电流的腐蚀状况是非常必要的，在有杂 散电流腐蚀趋势发生时，应该采取积极有效的防治 方法，防止造成灾难性的后果[ 1 ] ．杂散电流腐蚀本 质上属于电化学腐蚀，埋地金属 管道、电缆等 对 地电位是反映金属电化学腐蚀的重要参数，从理论 上讲，埋地金属管对地电位的地应该是无限远点的 大地，这在实际测量中是难以实现的，所以一般以 就近的大地 设备或系统接地端 作为地，而地电位 本身变化是非常大的，因此需要基准恒定的参考 点[ 2 ] ．另外从电化学电极测量的原理来讲，由实验 直接测定出一个单独电极的电位是无法进行的，而 只能测量两个电极构成电池的电动势，因此需要使 用合适的参考电极．所以在实际埋地金属管对地电 位的定义是指金属管道金属表面与电解质之间用 收稿日期2 0 0 4 0 4 0 2 作者简介李威 1 9 6 4 一 ，男，江苏省徐州市人，副教授，工学博士，从事智能控制、智能仪表以及地铁杂散电流腐蚀防护和监测方面的 研究． 万方数据 第1 期李威等应用于地铁杂散电流腐蚀测量的硫酸铜电极实验研究 6 3 与同一电解质接触的参考电极测得的电位差．因此 参考电极作为测量电位的传感器，其性能及可靠性 是影响电位测量的关键因素．埋入式长效铜／硫酸 铜参考电极在土壤中测量管地电位已经非常成熟， 而在地铁的混凝土结构中使用，其长期稳定性、环 境因素影响及腐蚀的判定依据有待于进～步的探 讨．本文通过实验验证参考电极在地铁杂散电流腐 蚀检测的规律、稳定性以及可靠性． 1埋入式长效铜／硫酸铜参考电极的特点 及在地铁系统中的应用 测量用的参考电极应具有下列特点E 3 - 4 ] 长期 使用时电位稳定，重现性好，不易极化，寿命长，并 有一定的机械强度，具有最低的内阻以消除电流通 过时，因电极内部欧姆压降而产生的误差．参考电 极的种类很多，常用的有甘汞、银／氯化银、长效铜／ 硫酸铜电极，工程中固定设置的还有锌参考电极和 长效铜／硫酸铜电极．土壤中金属管对地电位测量 最常使用的是长效铜／硫酸铜电极．长效铜／硫酸铜 电极是由铜和饱和硫酸铜溶液所组成，其电极反应 为 C u 式u 2 2 e 电极的电位由下式计算 E E 0 努l n “ ， 1 式中E 0 为铜的标准电位；O C 。”为溶液中铜离子的 活度；R 为气体常数，等于8 ．3 1J ／‘C ；T 为绝对温 度，K ；F 为法拉第常数，1 F 等于9 65 0 0C 或等于 2 6 ．8A h ； 2 5 ℃时，电极的电位为 E 一0 ．3 3 7 0 ．0 3 0 1 9 a c 。2 ． 2 按结构分类，一般有便携式长效铜／硫酸铜电 极和埋地型长效参考电极2 种类型，随机临时测量 采用便携式电极，长期监测选用埋地型长效参考电 极口] ．长效铜／硫酸铜电极的制作要求是电极必须 是电解铜，以保证铜的纯度；其次是硫酸铜溶液必 须是饱和的，用蒸馏水和化学纯硫酸铜配制．饱和 的标志是使用过程中，溶液中一直保持有过剩的硫 酸铜晶体．为防止测量过程中电极的极化，制作时 要保证铜电极和硫酸铜溶液的接触面足够的大，且 在测量回路中要求回路阻抗大，使电极工作时的电 流密度≤5p ．A ／c m 2 ．参考电极的内阻和接地电阻 是影响精度的一个因数，电极接地电阻的计算公式 为 n ／1＼ R2 畚l 面1 击J R i ， 3 式中尺为电极接地电阻，Q ；p 为土壤电阻率， t “ l m ；D 为渗透膜直径，r n ；f 为电极埋深，m ；R i 为 电极内阻，Q ． 地铁系统中埋地金属结构对地电位的测量方 法采用图1 所示的近参比法E6 I ． 测 陷 会罐◆ 万方数据 6 4中国矿业大学学报 第3 4 卷 大气环境中．实验系统内的“3 ”为可调节的高压直 流电源，电源电压的调节范围为o ～4 0 0V1 3 2 ，电 源电压通过试件上电极“1 ”和“2 ”加到实验台上，电 流流入混凝土实验台内，模拟地铁杂散电流泄漏到 道床内，改变电源电压可以改变泄漏电流的大小， 实验系统“4 ”为电源通断和倒向控制装置，可以通 断电流和改变试件上电极“1 ”和“2 ”电源极性来改 变电流的方向．实验系统的“8 ”为单片机控制的数 据采集装置，可以同时采集2 个参考电极对排流网 和结构钢的电压，并通过串行口传送到计算机内进 行分析，计算机内的分析软件的基于虚拟仪器的数 据采集分析软件，可以实时对数据进行采集分析． O ．O O ．O ．0 5 ．0 ．1 0 亩- 0 1 5 锄一O ．2 0 肇一0 ．2 5 衄一0 ．3 0 ．0 ．3 5 0 ．4 0 l 5 l O1 52 0 t ／d a 混凝土试件干燥成型过程巾 3 结果与讨论 3 ．1没有杂散电流扰动钢筋对电极电压变化趋势 在实验台成型过程中，测量模拟排流网对参考 电极1 、模拟结构钢对参考电极2 的电压的变化趋 势见图3 a ．钢筋混凝土实验台刚刚制作好时，水泥 有一个逐渐凝固的过程，其内阻是逐渐变化的，在 制作好2 0d 左右，各个测量电压逐渐趋于稳定． 实验台成型稳定后，不向实验台施加直流电压 扰动，所测的模拟排流网对参考电极1 的电压和模 拟结构钢对参考电极2 的电压的波形见图3 b ．从 测量曲线看，数据是平稳的，此时的电压值为模拟 排流网和模拟结构钢的自然本体电位． 0 ．2 0 之需 出0 ．0 5 蓍蒜 ．O ．1 5 0 ．2 0 l ／m s b 混凝f 试件稳定后 图3没有杂散电流扰动时电极电压变化趋势 F i g ．3P o l a r i t yv o l t a g et r e n d sw i t h o u ts t r a yc u r r e n td i s t u r b i n g 3 ．2 杂散电流扰动时钢筋对电极电压变化趋势电极电压的变化曲线见图4 ． 给模拟试验台施加电流扰动，测量记录钢筋对 出 羽 鞋 羽 t ／m s a 突加一稳定电流 小电流 ＼ 出 脚 鼙 脚 ＼ 出 羽 肇 脚 2 ．5 2 ．0 1 ．5 1 ．0 0 ．5 0 ．0 ．0 ．5 ．1 ．O 1 ．5 ．2 ．O ．2 ．5 t ／m s b 突加一稳定电流 大电流 t ／m s d 瞬间改变施加电流方向 暑瑟r 删哪忏 器篙v ．v L 一硒胛山小几，_ ．2 ．0 } 一2 5 【- - - - - - - - ．- ．- - - ．- ．．．．- - - 、．．．．．．．．．． ．．．．．．．．- - ．- ．．．．．．J - ．．．．．．．．- - - - - - - ．- 』．．．．．．．．．．．．．- - - - l - - 一 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 t ／m s e 突然取消电流扰动 图4杂散电流扰动时电极电压的变化趋势 F i g ．5P o l a r i t yv o l t a g et r e n d sw i t hs t r a yc u r r e n td i s t u r b i n g 图4 a 表示向实验台突加小电流扰动，上电瞬 间的波形曲线．模拟排流网的电位负向偏移，表示 所测模拟排流网的测量点处有电流流人，测量点处 为阴极．模拟结构钢的电位正向偏移，表示所测模 拟结构钢的测量点处有电流流出，测量点处为阳 极，流入实验台的电流方向与实际的电流流向相吻 合． 在没有干扰电流扰动时，向实验台突加大电流 5 4 3 2 l O ，2 3 4 5 0 0 O 0 0 O O 0 O O O 5 4 3 2●0●2 3 4 5 0 0 0 0 0 O加mm加揶 ＼出印巢印 5 0 5 0 5 O 5 0 5 0 5 2 2 ●●0 0 0 1 1 2 2 万方数据 竺二竺L 』兰查竺二譬望 塑堕竺型墨竺堕竺塑皇堡奎竺 窒 扰动，上电瞬间的波形曲线见图4 b ．与图4 a 相比， 所测电位偏移增大，其变化趋势是一样的．结果表 明，泄漏的杂散电流越大，测量电位的偏移越大，通 过测量钢筋对电极的电位偏移，可以反映泄漏的杂 散电流的大小． 在向实验台施加扰动电流稳定后，通过实验装 置的调压器随机改变扰动电流的大小，模拟排流网 对参考电极1 和模拟结构钢对参考电极2 的电压 变化情况，变化曲线如图4 c 所示，所测电压跟随电 流而变化，表示参考电极在混凝土中测量可以跟随 干扰电流大小的变化． 在正常通电情况下，突然改变施加电源电压的 极性，测量模拟排流网对参考电极1 和模拟结构钢 对参考电极2 的电压跟随情况．测量记录的曲线见 图4 d ，改变电源电压的极性，所测埋地金属的极化 电位的偏移正好相反，说明参考电极在混凝土中测 量可以跟随干扰电流方向的变化． 实际地铁运行时可能出现有杂散电流扰动到 没有杂散电流扰动的情况，图4 e 表示向实验台施 加电流已经稳定时，突然断电，断电瞬间的波形曲 线很明显，所测电压逐渐向自然本体电位的数值 靠近，但完全达到自然本体电位需要一定的时间， 大约3h ． ‘ 图5 表示在相同的干扰电流存在时，模拟排流 网和5 个不同钢筋分别对电极的电压变化曲线．很 明显，各个钢筋对电极的电压的数值有明显的差 异，有2 种情况导致了这一结果，第一，N I N N 筋N 过的电流不同；第二，不同钢筋与参考电极的位置 不同．工程应用时，参考电极与钢筋的位置尽量 4 结论 t f d a 1 个月内每天极化电位的变化 靠近． 趟 印 毯 羽 图5 相同干扰电流时不同钢筋的电极电压 F i g 5 D i f f e r e n ts t e e lb a re l e c t r o d ev o l t a g eo o t h es a m ed i s t u r b i n gc u r r e n t 3 ．3 实际地铁应用中的测量情况 广州地铁一号线使用了长效铜／硫酸铜参考电 极作为测量电位传感器，已经使用了4a 后，通过 我们开发研制的监测系统进行实时测量记录，可以 观察到各个测量点的自然本体电位，受杂散电流扰 动的极化电位的正向偏移的数据阳] ． 监测系统每天自动测量各个监测点的本体电 位，图6 a 为广州地铁一号线某一参考电极连续一 个月每天没有杂散电流扰动时，即每天凌晨3 点测 量的电位情况．一个月内电位的偏移不超过2 0 m V ，表明长效铜／硫酸铜参考电极在混凝土中使 用了5a 后，性能是稳定的． 图6 b 为同一测量点一天内每半个小时的极化 电位正向偏移平均值的变化曲线，列车运行频率增 大，列车平均取流增加，泄漏的杂散电流增大，测量 点极化电位正向偏移加大，表明在使用了5a 后的 参考电极可以跟随杂散电流的扰动变化． g ＼ 出 圈 一2 46 81 01 2 1 4 1 61 82 02 2 ．． ∥h b 】灭内半小时极化电位正向偏移、F 均值变化 图6 极化电位变化曲线 F i g 6 T h eV a r i e t yc u r V eo fp o l a r i t yv o h a g e 1 长效铜／硫酸铜作为参考电极可以测量在 钢筋混凝土中金属结构受杂散电流扰动的极化电 位值，并可以实时跟随杂散电流的扰动情况； 2 测量埋地金属结构极化电位时，参考电极 应该尽量靠近被测金属结构，否则会产生较大的测 量误差； 3 对广州地铁一号线使用的参考电极的情况 分析表明，长期使用长效铜／硫酸铜作为参考电极 的性能是稳定的，即长效铜／硫酸铜参考电极可以 在地铁系统中监测杂散电流腐蚀． 如”加博m 5 O 万方数据 6 6 中国矿业大学学报第3 4 卷 参考文献 [ 1 ]M o o d y ，K e n n e t hJ ．S t r a yc u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so f D Ct r a n s i ts y s t e m s [ J ] ．M a t e r i a l sP e r f o r m a n c e ， 1 9 9 4 ，3 3 6 1 5 1 9 ． [ 2 ] B r i c h a uF ，D e c o n i n c kJ ．N u m e r i c a lm o d e lf o rc a t h o d i cp r o t e c t i o no fb u r i e dp i p e s [ J ] ．C o r r o s i o n H o u s t o n ，1 9 9 4 ，5 0 1 3 9 4 9 ． [ 3 3 史惟直．地铁杂散电流监测系统新型硫酸铜电极现场 试验及测试结果分析[ J ] ．地下工程与隧道，2 0 0 0 2 4 2 4 3 ． S h iWZ ．N e wt y p eo fb l u e s t o n ee l e c t r o d ef i e l d t e s ti n m e t r os t r a yc u r r e n tm o n i t o r i n gs y s t e ma n dt e s tr e s u l t a n a l y s i s [ J ] ．U n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n ga n dT u n n e l ， 2 0 0 2 2 4 2 4 3 ． [ 4 ] 杨林楚，巫金昌．固体参比电极的研制与应用[ J ] ．化 学传感器，1 9 9 3 3 6 7 7 1 ． Y a n gLC ，W uJC ．R e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ns o l i d r e f e r e n c ee l e c t r o d e [ J ] ．C h e m i c a lS e n s o r ，1 9 9 3 3 6 7 7 1 ． E r a ] 郑忠立，许世力，石小燕，等．用于海洋钢筋混凝土 结构阴极保护的永久性参比电极口] ．材料保护，1 9 9 4 2 1 6 1 9 ． Z h e n gZ L ，X USL ，S h iXY ，e ta 1 ．P e r m a n e n t r e f e r e n c ee l e c t r o d eu s e di ne a t h o d i cp r o t e c t i o no fs t e e l b a rc o n c r e t es t r u c t u r ei nt h es e a [ J ] ．M a t e r i a l P r o t e c t i o n ，1 9 9 4 2 1 6 1 9 ． [ 6 1 胡士信．阴极保护工程手册[ M ] ．北京，化学工业出版 社，1 9 9 9 ． [ 7 ]肖称如，何德良，赵常就，等．应用于腐蚀测量的固体 参比电极电极研究I - 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