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原文传递多因素影响下地铁杂散电流腐蚀行为

论文题名：	多因素影响下地铁杂散电流腐蚀行为
关键词：	埋地金属管线;地铁杂散电流;电化学腐蚀
摘要：	随着我国城镇化进程的不断推进，城市交通拥堵问题成为制约城市发展的一大因素。为了有效解决这一问题，地铁、轻轨等城市轨道交通系统因其运量大、环保、节约空间等优点，逐渐成为城市公共交通的支柱。在地铁运营过程中，会产生一种广泛存在于地铁系统主体结构和周围地下环境中的电流泄漏现象，称之为地铁杂散电流，其本质是由于地铁直流牵引回流系统对地绝缘性能下降。地铁杂散电流会对线路周围的埋地金属管线产生严重的电化学腐蚀影响，造成埋地金属管线的管壁减薄，严重时能够导致埋地金属管线的穿孔，导致天然气、煤气、航空燃油等危险运输介质的泄漏，进而可能诱发爆炸、火灾等安全事故。因此，研究杂散电流对埋地管线的电化学腐蚀现象不仅能够提高地铁系统的可靠性，而且能够降低城市埋地管线运输系统的安全风险。地铁系统是我国城市公共交通的未来发展方向，研究杂散电流腐蚀行为是深入理解杂散电流腐蚀演化规律的基础。由于地下环境的复杂特性，常用监测手段难以适用，探索新型腐蚀评估和预测方法对于判断埋地管线的当前腐蚀状态和未来发展趋势具有重要的工程实际意义。因此，深入研究地铁杂散电流腐蚀演化规律及其形成机理，并探究在此基础上腐蚀评估和预测方法，是实现地铁系统安全运营、埋地管线运输系统可靠服役的关键课题。本文在国家自然科学基金项目的资助下，结合埋地管线在受杂散电流腐蚀影响下的实际工况，以电化学实验为基本研究方法，同时借助信号处理方法、机器学习算法等手段深入开展多因素影响下的地铁杂散电流对埋地管线的电化学腐蚀行为及预测模型的研究。研究工作主要包括：　　（1）分析了地铁直流牵引系统和负回流系统架构，总结了地铁杂散电流的形成原因。探讨了地铁杂散电流腐蚀环境因素，并通过埋地钢筋的杂散电流腐蚀实验获得了地铁杂散电流腐蚀的宏观特征，为进一步开展电化学实验奠定了基础。设计了杂散电流电化学腐蚀行为模拟加速实验，介绍了所使用的Q235A试样的化学组成和制备方法、溶液制备过程和方法、电化学实验系统以及电化学测试内容和具体步骤，同时设计了杂散电流干扰下土壤电解质中的挂片实验。　　（2）分析了模拟加速实验和挂片实验结果。首先分别探讨了NaCl溶液、NaCl-Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4-NaHCO3溶液中的杂散电流腐蚀极化特性，分析了不同外界因素对于腐蚀电流密度和线性极化电阻的影响规律。其次分别分析了NaCl溶液、NaCl-Na2SO4溶液和NaCl-Na2SO4-NaHCO3溶液中的电化学阻抗谱特性，包括Nyquist图和Bode图特征、等效电路拟合结果、等效电路电气参数变化规律及其与电化学腐蚀演化规律的对应关系，以及不同外界因素对于阻抗谱的影响规律。分析了不同外界因素影响下的腐蚀表面形貌以及腐蚀产物与金属基底间的界面结构，探索了杂散电流作用下的电化学腐蚀行为机理和发展规律，划分了腐蚀阶段。分析了土壤环境下杂散电流腐蚀模拟实验结果，并验证了电解质溶液环境的加速实验有效地模拟了实际环境中的杂散电流腐蚀。　　（3）研究了直流漂移消除参数对于时域和频域电化学噪声信号的影响，探究了杂散电流腐蚀电化学噪声的混沌特性，分析了模拟杂散电流腐蚀电化学噪声信号时域和频域特性，探讨了不同外界因素对于电化学噪声频域信号特征参数的影响。基于杂散电流腐蚀电化学噪声信号的小波变换结果，提出了基于电化学噪声的杂散电流腐蚀速率评估方法，研究了不同外界因素影响下不同分解层层能量的变化规律，以对数处理后的第一层至第六层分解层能量之和为基本参数，探究了其与不同外界因素影响下腐蚀速率的相关性。　　（4）鉴于QPSO优化算法的固有缺点，提出了结合平均最好位置和莱维飞行的QPSO改进算法LWQPSO，通过标准测试函数Ackley、Griewank、Bohachevsky1和Bohachevsky2验证了所设计算法的性能改进效果。设计了基于LWQPSO的人工神经网络回归预测算法流程及结构框架，建立了基于模拟加速实验测量结果的腐蚀电流密度预测数据集，构建了基于LWPQSO-NN的腐蚀电流密度预测模型并进行了神经网络训练。基于LWQPSO-NN算法的预测结果，分析了种群规模、最大迭代次数、线性和非线性收缩扩张系数下降策略参数对平均预测精度和精度稳定性的影响，确定了不同参数的精度敏感性。比较了LWQPSO-NN算法相比于BPNN、QPSO-NN和WQPSO-NN在精度和稳定性上的提升，并以杂散电流腐蚀问题为前提证明了LWQPSO-NN算法在腐蚀电流密度预测问题上的性能优势。
作者：	王承涛
专业：	机械电子工程
导师：	李威
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国矿业大学
学位年度：	2020