基于COMSOL的地铁杂散电流腐蚀仿真

关键词：COMSOL；杂散电流；埋地金属；电化学腐蚀；二次电流分布

一、文章简要介绍

地铁直流供电的电流经走行轨回流，一部分会泄漏进大地形成杂散电流，让附近埋地钢管发生电化学腐蚀，严重时击穿管壁，曾引发燃气泄漏事故。兰州交通大学张嘉倩的硕士学位论文专攻这个问题，其第四章用COMSOL搭建了与实验一比一对应的仿真模型，把杂散电流在土壤里的流动路径和埋地金属的腐蚀集中区定量呈现出来。

从选择物理场到结果分析的标准建模流程

图1 COMSOL仿真计算流程

建模核心是电化学腐蚀模块的二次电流分布物理场，配合变形几何物理场追踪腐蚀形变。仿真流程沿用选场、建模、设参、划网格、求解、后处理六步走，结果可以和第三章的腐蚀实验直接对照。

土壤与埋地金属的12项关键参数设置

图2 物理场参数设置一览

二、仿真步骤

步骤一：参数设置。土壤电导率取0.03 S/m，埋地金属电导率1E7 S/m，电解质边界电位30 V，温度305 K，交换电流密度7.1×10⁻⁵ A/m²，平衡电位-0.76 V，阳极、阴极传递系数分别为1.5和0.5。

与实验一比一的双管水平埋设几何模型

图3 双管水平埋设几何模型

步骤二：几何建模。盛土绝缘容器按实验尺寸34 cm×24 cm×19 cm搭建，埋地钢管长100 mm、外径20 mm、壁厚3 mm，共建立单管和双管在水平、垂直方向的四类模型。

超细网格剖分，管端局部加密

图4 超细网格剖分结果

步骤三：网格剖分。选超细单元，先用自由四边形生成四面体网格，再用扫掠沿路径拉伸成规则三维网格，最后用映射优化表面质量，共344559个域单元、21225个边界单元。

步骤四：求解与后处理。土壤电流密度由欧姆定律求解，电极反应速率用线性Butler-Volmer方程表征，输出电势、电流密度、电极电位三张分布云图。

三、关键结果与发现

以水平双管道模型为例：电解质电势从正极30 V沿土壤递减到负极0 V，电位梯度最大的区域集中在电极附近。

电解质电势从正极30V递减到负极0V

图5 电解质电势分布云图

电流密度在正极端子处取得最大值22.4 A/m²，杂散电流从这里汇入土壤，再流向远处的埋地管道，路径清晰可见。

电流密度在正极端子处取得最大值

图6 电解质电流密度分布

电极电位分布介于正负2.66 V之间，钢管一端红一端蓝，红端为阳极区，正是腐蚀最集中的位置，与实验观察到的腐蚀形貌一致。

电极电位正负2.66V，红蓝两端对应阳极阴极

图7 电极电位分布云图

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①COMSOL电化学腐蚀建模；②二次电流分布与杂散电流场分析；③几何建模与超细网格剖分；④电极电位、电流密度多场后处理；⑤仿真结果与实验数据对标。地铁杂散电流、阴极保护、埋地管道评估，这套流程可以直接复用。

如需相关服务，欢迎通过公众号“320科技工作室”联系我们。