引黃工程北干線土壤對(duì)PCCP管的腐蝕性測(cè)試評(píng)價(jià)

張?jiān)S平

(水利部山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西太原 030024)

引黃工程北干線土壤對(duì)PCCP管的腐蝕性測(cè)試評(píng)價(jià)

張?jiān)S平

(水利部山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西太原 030024)

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)在國(guó)內(nèi)外的供水工程中已得到了廣泛認(rèn)可,應(yīng)用越來(lái)越多,山西省萬(wàn)家寨引黃工程北干線就采用了PCCP管道。為了防止PCCP管中鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)被腐蝕,通過(guò)管道沿線土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性的測(cè)試及評(píng)價(jià),提出采取做環(huán)氧煤瀝青保護(hù)層、陰極保護(hù)等防護(hù)措施的處理建議。

土壤;PCCP管;腐蝕性評(píng)價(jià)

1 概述

山西省萬(wàn)家寨引黃入晉北干線工程是解決平朔、大同水資源供需矛盾,為晉北能源基地可持續(xù)發(fā)展提供支撐和保障的重大基礎(chǔ)設(shè)施。引黃北干線工程近期年引水量2.96億m3,相應(yīng)引水流量11.8 m3/s;最終年引水量5.6億m3,引水流量22.2 m3/s。北干線線路全長(zhǎng)156.67 km,其中約113 km為倒虹,全部采用PCCP管輸水。PCCP輸水管線主要沿桑干河流域的山前丘陵、山前傾斜平原及支流河漫灘布設(shè);管線穿過(guò)第四系松散堆積物,地層巖性復(fù)雜;管道沿線地下水位埋藏深度1.5～30 m,變化較大;交直流電氣化鐵路、高壓電力線路及變電站多處與PCCP管線交叉。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管PCCP(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)是將高強(qiáng)度鋼絲的抗拉、混凝土的抗壓和鋼板的防滲性能有機(jī)結(jié)合在一起,充分利用了材料各自的物理力學(xué)特性的高品質(zhì)輸水管材。目前國(guó)外廣泛應(yīng)用于城市輸配水干管、火電站供水管、水利工程、雨污水干管、工業(yè)供水及廢水管線等方面,國(guó)內(nèi)南水北調(diào)工程、山西省萬(wàn)家寨引黃入晉工程聯(lián)接段工程均采用PCCP管輸水方案。近年來(lái)美國(guó)M P雜志報(bào)道PCCP管由于被腐蝕而引發(fā)爆管事故,最后均對(duì)PCCP管采取了陰極保護(hù)措施,國(guó)內(nèi)南水北調(diào)工程也對(duì)PCCP管全線采用了陰極保護(hù)措施[1]。對(duì)于即將在山西省萬(wàn)家寨引黃入晉工程北干線中采用的PCCP管,沿線復(fù)雜的土層對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性如何,附近與其交叉的交直流電氣化鐵路、高壓電力線路、變電站等接地裝置在土中產(chǎn)生雜散電流對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性如何,是否需要全線采用陰極保護(hù)措施,成為設(shè)計(jì)人員首先考慮的問(wèn)題。

土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕主要為原電池、細(xì)菌、雜散電流及酸類腐蝕,為查明屬于何種腐蝕及其腐蝕程度,需要對(duì)土的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)狀況、通氣性、含水量進(jìn)行調(diào)查。主要測(cè)試項(xiàng)目有:土壤的視電阻率、pH值、氧化還原電位、極化電流密度、質(zhì)量損失及電位梯度等內(nèi)容。

工作中分別對(duì)土壤的視電阻率、pH值、氧化還原電位及電位梯度進(jìn)行了原位測(cè)試,對(duì)極化電流密度及質(zhì)量損失進(jìn)行了取樣室內(nèi)試驗(yàn)。通過(guò)測(cè)定上述參數(shù),對(duì)土壤腐蝕性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

2 測(cè)試技術(shù)

2.1 土的電阻率測(cè)試

土的電阻率的測(cè)試采用的是國(guó)產(chǎn)ZC-8型接地電阻測(cè)定儀?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用對(duì)稱四極交流電法。將四支金屬探針垂直等距插入土地,插入土地深度為0.05a(a為每相鄰兩支探針之間的距離,等于欲測(cè)土層的深度)。將儀器水平放置,檢查檢流計(jì)指針是否在中心線上,將儀器導(dǎo)線按順序接在探針上。將倍率標(biāo)度置于最大倍數(shù)(一般為10),搖動(dòng)電阻儀手柄,同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)“測(cè)量標(biāo)度盤”和倍率鈕,當(dāng)指針接近平衡位置時(shí)加快發(fā)電機(jī)搖動(dòng)的速度,使搖動(dòng)速度>120轉(zhuǎn)/m in,調(diào)整標(biāo)度盤使指針指于中心線上,即可讀數(shù)。在測(cè)試過(guò)程中同時(shí)測(cè)定土的溫度(0.5m以下的土溫)。根據(jù)電阻值及裝置系數(shù)即可求得電阻率值,具體計(jì)算過(guò)程如下:

(1)計(jì)算土的電阻率(P)值 計(jì)算公式:

式中:P——土的電阻率(Ω·m);a——兩探針之間的距離(m);R——接地電阻(Ω)。

(2)溫度校正 土的溫度對(duì)電阻率有較大的影響。一般土的溫度每增加1℃,電阻減少2%。為便于數(shù)據(jù)相互比較,土的溫度均校正至15℃。校正公式:

式中:P15——土溫15℃時(shí)的電阻率;α——溫度系數(shù)(一般為2%);t——實(shí)測(cè)土的溫度(指0.5 m以下的土溫)。

(3)管件深度土的電阻率的計(jì)算 土的不均勻性對(duì)不同深度土的電阻率會(huì)產(chǎn)生影響,尤其在土的不均勻的地區(qū)這種影響會(huì)更大,因此需求得管件埋藏深度土的電阻率。管件埋藏深度的土的電阻率計(jì)算公式:

式中:P(a-b)——管件深度(土層)的土的電阻率;Pa——從地表到a深度土的電阻率;Pb——從地表到b深度土的電阻率;Ra——探針間距為a時(shí)的儀表讀數(shù);Rb——探針間距為b時(shí)的儀表讀數(shù)。

2.2 土的氧化還原電位測(cè)試

使用pH-101B型便攜式mV/pH計(jì)測(cè)試氧化還原電位?，F(xiàn)場(chǎng)采用鉑電極法。首先鉑電極在使用前進(jìn)行脫膜處理,然后用純水清洗后,浸入ORP電極浸泡液中6 h后開始使用。在野外原位測(cè)定時(shí),先將五支鉑電極分別插入預(yù)測(cè)土層中,平衡1 h。然后鉑電極接儀器的正極,插在附近土中的甘汞電極接儀器的負(fù)極,儀器的選擇鈕撥至“mV”檔,儀器穩(wěn)定后的讀數(shù)即為土地中鉑電極的電位值對(duì)甘汞電極的電位差,單位為mV,分別測(cè)得五支鉑電極的電位值對(duì)甘汞電極的電位差。

從儀器上讀得的電位值,是土地中鉑電極的電位值對(duì)甘汞電極的電位差,需換算成以氫電極為基準(zhǔn)的電位值。

式中甘汞電極的電位不同溫度的差異見表1。

表1 飽和甘汞電極在不同溫度時(shí)的電位Tab le 1 Satu rated calom e l electrode po ten tial at various tem peratu res

用式②分別求得5支鉑電極以氫電極為基準(zhǔn)的電位值,然后求得上述5個(gè)電位值的平均值即為該點(diǎn)的氧化還原電位。

2.3 土的酸堿度(pH值)測(cè)試

使用國(guó)產(chǎn)數(shù)字pH計(jì),采用復(fù)合電極的原位測(cè)試系統(tǒng)。在野外進(jìn)行原位測(cè)試時(shí),現(xiàn)場(chǎng)挖坑至管線的埋置深度,平整坑底土層表面,在適中位置插入復(fù)合電極,待平衡后測(cè)試,儀器的讀數(shù)即為該點(diǎn)處的pH值。

2.4 土的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失測(cè)試

試樣采用低碳鋼管(長(zhǎng)10 cm,外徑23 mm,壁厚2mm),用純鹽酸去銹、去油,經(jīng)蒸餾水洗凈干燥后稱重。在烘箱中恒溫烘干(溫度為105℃,時(shí)間4 h),進(jìn)行研磨后過(guò)1.00mm篩子。將低碳鋼管試件放在鍍鋅鋼筒中,試件底部用橡皮塞塞住,起到絕緣作用,試件底部距鍍鋅鋼筒底部保持10～12mm距離。鍍鋅鋼筒與試件中間用被測(cè)土填滿,并精心搗實(shí),然后加蒸餾水直至達(dá)到飽和。將直流電源正極接到試件上,負(fù)極接到鍍鋅鋼筒上,其間加6 V電壓,保持24 h。停電后取出試件,去掉土和疏松的腐蝕產(chǎn)物,在8%NaOH水溶液中進(jìn)行陰極剝離(電流密度為15～20 A/dm2),直到腐蝕產(chǎn)物除凈為止。將試件再用蒸餾水清洗、干燥、稱重(誤差至0.01 g)。每個(gè)土樣作3個(gè)試樣的平行試驗(yàn),最后取平均值。

2.5 土的極化電流密度測(cè)試

用低碳鋼板制25 mm×25 mm的方形電極,電極引線焊在每個(gè)電極背面,用環(huán)氧樹脂絕緣。試驗(yàn)前已將電極表面用砂紙磨光,并用濃鹽酸去銹去污。對(duì)從野外取回的原狀土進(jìn)行切割,使厚度介于50～60mm,夾于兩電極之間,電極與試驗(yàn)土樣緊密接觸,保持10～15m in后開始試驗(yàn)。

為了測(cè)得極化曲線,將電源正負(fù)極接于鋼板,當(dāng)電流密度逐漸增大時(shí),電極產(chǎn)生極化。每個(gè)電流值的持續(xù)時(shí)間為5m in,電極間電位差的測(cè)量是在極化電路斷開時(shí)進(jìn)行。當(dāng)電極間極化電位差>600 mV時(shí),終止試驗(yàn)。

電流密度iK(mA/cm2)按下列公式計(jì)算:

式中:IK——測(cè)得的電流(mA);6.25——電極表面積,2.5×2.5=6.25(cm2)。

按照取得的數(shù)據(jù),繪制電位差—電流密度曲線圖。將電位差等于500mV時(shí)的電流密度作為土地的腐蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.6 土的電位梯度測(cè)試

土的電位梯度的測(cè)試采用的是重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-2多功能數(shù)字直流激電儀。測(cè)線等長(zhǎng)且垂直對(duì)稱布置,其中一條沿線與管道平行,本次測(cè)試的電極間距為1 m。計(jì)算時(shí)建立直角坐標(biāo)系,使其縱、橫坐標(biāo)軸分別于南北向(S-N)、東西向(E-W)相對(duì)應(yīng),將測(cè)得的數(shù)值與方向記入坐標(biāo)中,然后利用矢量合成法,分別求出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的矢量和。計(jì)算所得的數(shù)值分別除以各自對(duì)應(yīng)的參比電極間距(以m為單位),即為電位梯度。

3 測(cè)試成果與評(píng)價(jià)

3.1 土的腐蝕性的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2為土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2],表3為引黃北干線PCCP管線沿線pH值、氧化還原電位、電阻率、極化電流密度及質(zhì)量損失實(shí)測(cè)成果,表4為測(cè)試成果評(píng)價(jià)。

對(duì)按試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)的腐蝕性等級(jí)不同時(shí),綜合評(píng)定按最高腐蝕等級(jí)進(jìn)行評(píng)定[3]。

表2 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab le 2 Eva luation standard of soil corrosive effectson steel structu re

經(jīng)對(duì)土的電阻率、電位梯度、酸堿度(pH值)、氧化還原電位、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失和土的極化電流密度綜合分析評(píng)價(jià),引黃北干線PCCP管線周圍土層具有腐蝕性,級(jí)別為中等或強(qiáng)腐蝕性。

表3 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性測(cè)試成果表Table 3 Test resultsof so il corrosive effectson steel structu re

續(xù)表3

表4 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性測(cè)試成果評(píng)價(jià)表Tab le 4 Evaluation on test resu ltof soil corrosive effectson steel structure

3.2 雜散電流對(duì)管道的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

由于交直流電氣化鐵路、高壓電力線路、變電站等接地裝置可能會(huì)在土中產(chǎn)生雜散電流,因此使土體在兩點(diǎn)間產(chǎn)生電位差。表5為雜散電流強(qiáng)弱程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)[4]。工作中采用點(diǎn)距100 m,測(cè)試PCCP管線周圍的雜散電流干擾情況,在遇到高壓線、電氣化鐵路、變電站等可能產(chǎn)生雜散電流的設(shè)施時(shí),加密測(cè)試點(diǎn)距。原位測(cè)試了土的電位梯度及電阻率,利用土的電位梯度對(duì)土的腐蝕性進(jìn)行分級(jí),確定管道需保護(hù)的里程區(qū)間,從統(tǒng)計(jì)測(cè)試成果可看出,土的電位梯度位于0.07 m V/m與11.58 mV/m之間。土的電位梯度<2.5 mV/m的點(diǎn)812個(gè),占測(cè)試點(diǎn)的71%;土的電位梯度>2.5 mV/m的點(diǎn)332個(gè),占測(cè)試點(diǎn)的29%。判定土的電位梯度>2.5 mV/m的地段雜散電流為中等—強(qiáng)腐蝕,根據(jù)測(cè)試點(diǎn)統(tǒng)計(jì),該地段長(zhǎng)度約33 km,依據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(SY/T0017—2006),對(duì)管道附近土的電位梯度>2.5mV/m的地段,PCCP管需采取直流排流保護(hù)或其它防護(hù)措施。

表5 雜散電流強(qiáng)弱程度的判斷指標(biāo)Tab le 5 C ritica l determ inan tof stray cu rren t degree

4 結(jié)論

(1)經(jīng)對(duì)土的電阻率、電位梯度、酸堿度(pH值)、氧化還原電位、標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失和土的極化電流密度綜合分析評(píng)價(jià),引黃北干線PCCP管線周圍土層對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有腐蝕性,級(jí)別為中等或強(qiáng)腐蝕性,建議采取做環(huán)氧煤瀝青保護(hù)層等防護(hù)措施。

(2)經(jīng)過(guò)雜散電流的測(cè)試,約33 km的PCCP管線段土的電位梯度>2.5mV/m,雜散電流對(duì)PCCP管具腐蝕性,級(jí)別為中等或強(qiáng),建議采取陰極保護(hù)等防護(hù)措施。

(3)PCCP管既是一種特殊的鋼結(jié)構(gòu),其中鋼筒又區(qū)別于混凝土中的鋼筋,因此,僅用埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)PCCP管的腐蝕情況,僅從工程造價(jià)情況來(lái)看,采用陰極保護(hù)措施并不適用于所有工程項(xiàng)目,希望通過(guò)本文能起到拋磚引玉作用,在PCCP管以后的工作中有一個(gè)針對(duì)性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 胡世信,等.預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用介紹[J].南水北調(diào)與水利科技,2008(1):303-307.

[2] 工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[S].北京:中國(guó)工業(yè)建筑出版社,2007:327.

[3] SY/T0017—2006,埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] GB50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯:胡立智)

Corrosive Testsand Eva lua tion of the Soil to PCCP in the Nor th Rou te of YRDP

ZHANG Xup ing

(ShanxiH ydroelectric Investiga tion D esign and Resea rch Institu te,Taiyuan,Shanxi 030024)

Prestressed Concrete Cylinder Pipes(PCCP)arew idely used forwater-supp ly p ro ject.Fo r examp le,they has been app lied fo r the No rth Rou te of Shanx iW an jiazhai YRDP.In this paper,on the basis of the co rrosive tests and eva luation of the p ipe soil to steel structure,treatm entwas p roposed in order to avoid the co rrosion of steel structure em bedded in concrete.

soil;Prestressed Concrete Cylinder Pipe(PCCP);corrosive;evaluation

TV 67;TV 134

A

1671-1211(2010)05-0548-04

2010-07-28;改回日期:2010-09-06

張?jiān)S平(1969-),男,高級(jí)工程師,碩士,工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程、巖土工程方面的工作。E-mail:ZXP486@163.com