Le métro léger est une méthode efficace et durable pour traverser les zones urbaines. Électriques, les systèmes de métro léger sont généralement rentables, rapides et fiables. Cependant, la perspective de courants vagabonds induits par les rails et corrodant des structures métalliques enterrées est une source d’inquiétude. L’endommagement de conduites ou de réservoirs enterrés, par exemple, peut mener à des réparations coûteuses voire à leur remplacement. Dans cet article de blog, nous partageons un exemple montrant comment la modélisation et la simulation peuvent être utilisées pour explorer les effets des courants vagabonds d’un train sur une conduite en acier située à proximité, et ainsi améliorer la conception et atténuer la corrosion.
Risques et avantages des systèmes de métro léger
Aujourd’hui, dans la plupart des paysages urbains, le métro léger est constitué de véhicules légers sur rails électriques. Ces trains courts — une évolution des trolleys et des tramways — serpentent dans les rues à côté des voitures, piétons et cyclistes, respectant les feux de circulation et les signaux. Ils roulent majoritairement en surface à des vitesses relativement constantes oscillant entre 10 et 30 mph sur des lignes dédiées et sont généralement alimentées en électricité par des lignes électriques au-dessus plutôt que par un troisième rail électrifié. Le terme “léger”, dans métro léger, fait référence à la capacité de transport plus légère que celle du transport ferroviaire lourd, même s’ils sont également plus légers du fait de leur taille, plus petite.
Un véhicule léger sur rail du réseau Trax exploité par Utah Transit Authority, voyageant au sud de la ligne verte dans le centre-ville de Salt Lake City. Cette image est sous licence Creative Commons Attribution 2.0 Generic, via Wikimedia Commons.
Les métros légers étant alimentés en électricité, ils sont plus sûrs et moins coûteux à construire, à entretenir et à alimenter que les modes de transport non-électriques. À la différence des trains de fret diesel par exemple, les véhicules légers sur rails n’ont pas besoin d’embarquer de grandes quantités de carburants fossiles, qui sont chers, polluants, et potentiellement hautement explosifs. Les trains électriques ont moins de pièces mobiles et ont des niveaux d’émissions de carbone très bas, ce qui en fait un mode de transport respectueux de l’environnement.
Malgré tous ces avantages, les véhicules légers sur rails ne sont pas sans danger, notamment parce qu’une majorité d’entre eux sont alimentés en courant continu. En utilisant un courant continu — par opposition au courant alternatif, qui est plus adapté à des trains plus lourds et plus rapides — les courants vagabonds sont toujours faradiques et peuvent provoquer des phénomènes électrochimiques comme la corrosion (consultez notre modèle Alternating Current-Induced Corrosion pour plus d’informations). Inversement, pour la traction à courant alternatif qui opère généralement sur des fréquences de 16 2/3 Hz, les courants sont majoritairement capacitifs. La corrosion de structures métalliques enterrées, telles que des pipelines, des câbles gainés de métal, ou encore des réservoirs de stockage, est donc un risque inhérent aux systèmes de métro léger alimentés en courant continu. Les dommages de cette corrosion peuvent entraîner des réparations coûteuses voire même conduire à des situations dangereuses, telles que la rupture de gazoducs ou la perte d’intégrité structurelle de bâtiments et d’infrastructures, voire du métro léger sur rail lui-même.
Qu’est ce qui génère les courants vagabonds?
Les trains des métros légers à courant continu sont généralement alimentés en courant par les sous-stations de traction via les lignes aériennes, et les rails servent de conducteurs pour le courant de retour. Les rails sont connectés en parallèle avec le sol, et étant donné qu’ils reposent sur des traverses et/ou sur du ballast (gravier) sur le sol, ils peuvent être considérés comme mis à la masse sur toute la longueur du rail. Pour certains sols et sous certaines configurations, des portions du courant peuvent choisir des chemins alternatifs en dehors des rails. Ces portions sont appelées des courants vagabonds. Le champ de potentiel créé autour des rails indique le chemin du courant, avec le courant entrant dans les objets métalliques à proximité de la position du train et sortant aux abords de la sous-station de traction. Un processus de réduction, souvent la réduction de l’oxygène, se produit au niveau des sites d’entrée cathodiques, et un processus d’oxydation/corrosion se produit au niveau des sites de sortie anodiques.
Un schéma détaillé de la corrosion d’un pipeline enterré induite par les courants vagabonds. Image récupérée de Ref. 4, sous licence Attribution 4.0 International. Aucune modification n’a été apportée à l’image.
Comment atténuer les courants vagabonds?
Parmi les méthodes couramment utilisées pour atténuer les courants vagabonds, certaines ont pour but de réduire les distances le long desquelles les courants vagabonds peuvent se former, par exemple, en augmentant le nombre de connexions ferroviaires et de sous-stations de traction. L’isolation électrique entre les rails et les sols peut également être améliorée, même si, pour que cette approche soit utile, les rails doivent être totalement déconnectés d’autres installations métalliques possédant une faible résistance de mise à la terre. Le drainage des courants vagabonds est une alternative courante, mais elle peut être difficile à piloter. Parfois, l’utilisation d’objets non métalliques, par exemple des conduites polymères, ou la relocalisation d’infrastructures sensibles, sont les seules options disponibles.
Avant de mettre en place des systèmes de métro léger dans les villes, les effets de la corrosion éventuelle dûe aux courants vagabonds devraient être étudiés de manière approfondie. Un logiciel de simulation permet d’analyser ce phénomène sans avoir besoin de prototypes physiques coûteux. En utilisant des modèles mathématiques, ingénieures et ingénieurs peuvent simuler de nombreux scénarios pour prédire et, ainsi, éviter les dommages liés à la corrosion lorsque le rail est mis en place.
Surveiller la corrosion
Le modèle Stray Currents from a Train in a Light Rail Transit System représente et analyse l’impact corrosif des courants vagabonds sur le métal. Le modèle simule deux rails parallèles, reposant sur des traverses et du gravier, qui connectent deux sous-stations de traction sur un profil de sol en 3D. Les rails sont mal isolés et aucune autre technique de mitigation de la corrosion n’est utilisée. Une conduite en acier est située à proximité des rails.
Différents types de sols se trouvent autour du rail et de la conduite. Ici, les effets des courants vagabonds sur la conduite, ainsi que leur évolution avec la modification de la conductivité du sol et de la position de la conduite, sont analysés lors du passage d’un train.
Représentation de la géométrie du modèle, incluant les rails, la conduite, et les divers sols conductifs.
Étude et résultats
Dans cet exemple, COMSOL Multiphysics® permet aux utilisateurs et utilisatrices de définir des matériaux liés à des réactions électrochimiques à l’origine des courants vagabonds entre les rails et la conduite. La bibliothèque de matériaux Corrosion fournit diverses options pour les matériaux. Pour chaque matériau constituant le sol, l’utilisateur définit les conductivités électrolytiques individuelles. Le train en mouvement est considéré comme une source de courant mobile. Les sous-stations de traction alimentent le train avec un courant de propulsion qui suit un schéma d’accélération, freinage, et de périodes d’inactivité. Des options de géométrie facilement ajustables permettent d’ajouter, de remanier, de retirer ou de repositionner des objets. Cet exemple montre l’impact de la relocalisation de la conduite.
Les réglages de la Source externe de courant représentant le train, et les résultats pour le scénario de base.
Dans ce modèle, une analyse paramétrique est utilisée pour analyser trois scénarios différents: un scénario de base, un scénario avec de l’argile sablonneuse (sandy clay) traitée comme de l’argile, et un scénario avec la conduite relocalisée à 50 m.
Champ de potentiel simulé et densité de courant locale sur le profil 3D de sol pour le scénario de base.
L’animation 3D montre les positions critiques du train lorsque le courant vagabond se forme, et la distribution du champ de potentiel à proximité du rail. Les variations de potentiel acceptables le long des matériaux dans différents types d’eaux et de sols sont généralement étudiées pour mettre en évidence les zones qui peuvent être particulièrement dangereuses pour les objets métalliques.
La conduite est très exposée à l’endroit où elle est située, le taux de corrosion calculé étant le plus élevé près du point de départ du train et atteignant son maximum après 54 s. Le comportement est attendu étant donné que le courant quitte la conduite près de la sous-station de traction et que le chemin de retour du courant est long.
Comparer les résultats de différents scénarios révèle que la corrosion de la conduite diminue si la résistivité du sol est plus haute. Des rails situés sur un sol argileux devraient donc nécessiter moins de mesures de mitigation des courants vagabonds. La conduite repositionnée se corrode moins, cela constitue donc une bonne alternative pour prolonger sa durée de vie.
Taux de corrosion de la conduite pour les scénarios analysés lorsque le train est à 700 m de la sous-station de traction 1 (à 54 s dans la simulation).
Testez le rail
Vous souhaitez tester la modélisation de courants vagabonds provenant d’un train dans un système de métro léger vous-même? Téléchargez le fichier MPH depuis la Bibliothèque d’applications:
Pour aller plus loin
- Apprenez-en plus sur les métros légers avec ces ressources:
- Apprenez-en plus à propos de la modélisation des courants électriques et de la corrosion sur le Blog COMSOL:
Références
- W. von Baeckmann et al., “Handbook of Cathodic Corrosion Protection”, Elsevier Science, 1997; https://shop.elsevier.com/books/handbook-of-cathodic-corrosion-protection/von-baeckmann/978-0-88415-056-5
- D. Teodorović & M. Janić, “Transportation, environment, and society”, Elsevier eBooks, pp. 747–886, 2017; https://doi.org/10.1016/b978-0-323-90813-9.00011-4
- Z. Cai, X. Zhang, and H. Cheng, “Evaluation of DC-Subway Stray Current Corrosion With Integrated Multi-Physical Modeling and Electrochemical Analysis” IEEE Access, vol. 7, 168404, 2019. http://doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2953960
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