淮水北調(diào)某輸水管線土壤腐蝕性評(píng)價(jià)研究

錢朝陽

(蚌埠市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鋼管在輸送水源、天然氣、石油等方面得到廣泛應(yīng)用。但鋼結(jié)構(gòu)在環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生不同程度的腐蝕，鋼結(jié)構(gòu)腐蝕會(huì)降低結(jié)構(gòu)承載力、會(huì)使鋼管壁變薄等，若不注意維護(hù)，很容易減少鋼結(jié)構(gòu)使用壽命、甚至?xí)l(fā)生事故。因此，測(cè)試評(píng)價(jià)鋼結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的腐蝕原因及程度，采取針對(duì)有效的防護(hù)非常重要。土壤腐蝕是鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的主要類型之一，土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)首先要根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)埋置條件、現(xiàn)場(chǎng)地形地貌條件、地層情況、依據(jù)相關(guān)規(guī)范、任務(wù)要求等確定測(cè)試項(xiàng)目，再依據(jù)相關(guān)規(guī)范評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)或任務(wù)要求等對(duì)測(cè)試成果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定腐蝕程度。本文以淮水北調(diào)某輸水管線工程實(shí)例來研究評(píng)價(jià)土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性，為管道防腐設(shè)計(jì)、制造、施工提供依據(jù)。

2 工程概況及地層情況

2.1 工程概況

淮水北調(diào)某輸水管線工程沿途經(jīng)安徽省蚌埠市懷遠(yuǎn)縣、宿州市至淮北市某鎮(zhèn)，全長(zhǎng)約90 km，該工程線路示意如圖1 所示;輸水管道除2.5 km處于采礦塌陷區(qū)采用鋼管明管鋪設(shè)外，其余采用PCCP 管道(預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管)地下埋設(shè);設(shè)計(jì)管道埋深:一般線路地下3 m～5 m，取水口處地下約10 m，穿越河溝處地下5 m～9 m，穿越鐵路、公路(高速或國(guó)道)處地下7 m～11 m;設(shè)計(jì)線路輸水管道直徑1.8 m;設(shè)計(jì)調(diào)水流量3 m3/s;為淮北某工業(yè)園煤化工項(xiàng)目提供水源，工程等別為Ⅱ等。原可研階段對(duì)工程水文地質(zhì)條件及環(huán)境水的腐蝕性已做了勘察和評(píng)價(jià)，為了查明管道沿線土壤對(duì)鋼管的腐蝕原因及程度，以便管道從設(shè)計(jì)、制造、施工等各環(huán)節(jié)加強(qiáng)防腐控制，延長(zhǎng)管道使用壽命、確保管道正常運(yùn)行;要求對(duì)管道沿線土壤腐蝕性測(cè)試，評(píng)價(jià)沿線土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性。

圖1 淮水北調(diào)某輸水管線工程線路示意圖

2.2 地層情況

據(jù)可研勘察資料，該輸水管工程區(qū)位于淮北平原，管線穿越地層主要為河湖相沖、沉積的第四紀(jì)堆積物，具多元結(jié)構(gòu)，勘探揭露基本以上更新統(tǒng)(Q3)重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂為主，部分地段位于老溝口附近為全新統(tǒng)(Q4)淤泥、淤泥質(zhì)黏性土及粉質(zhì)壤土。

該輸水管道沿線所揭露的第四紀(jì)地層15 m深內(nèi)從上到下按土性特征可分為7 層(部分地段為0.3 m～1.0 m厚的人工填土除外):

④層以砂壤土夾輕粉質(zhì)壤土為主，稍密，局部中密，為中低壓縮性土層;斷續(xù)分布，層厚一般1.0 m～3.5 m。部分為細(xì)砂，中密～密實(shí)，低壓縮性土層;斷續(xù)分布，層厚一般1.0 m～3.5 m。

3 土壤腐蝕性測(cè)試項(xiàng)目、方法及工作布置

3.1 測(cè)試項(xiàng)目的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次土壤腐蝕性測(cè)試依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021－2001)有關(guān)土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕評(píng)價(jià)規(guī)定并考慮設(shè)計(jì)管道實(shí)際布置情況和地貌等條件綜合選定測(cè)試項(xiàng)目。按上述規(guī)范土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性測(cè)試項(xiàng)目包括:PH 值、氧化還原電位、極化電流密度、電阻率、質(zhì)量損失等5 項(xiàng)。

因?yàn)镻H 值、極化電流密度項(xiàng)目可取設(shè)計(jì)管道埋深處的原土進(jìn)行測(cè)試，本次研究可以完成;氧化還原電位測(cè)試項(xiàng)目要求在現(xiàn)場(chǎng)挖至設(shè)計(jì)管道埋深處土體用鉑電極和飽和氯化鉀甘汞電極原位測(cè)試，因管道埋深大、線路長(zhǎng)本研究項(xiàng)目無法完成;設(shè)計(jì)管道埋深處土的電阻率項(xiàng)目可以采用四極法在現(xiàn)場(chǎng)地面測(cè)試完成;質(zhì)量損失項(xiàng)目要求擬用輸水的鋼管埋置于設(shè)計(jì)鋼管深度土體中使用專用設(shè)備測(cè)定，本次研究處在可研階段無鋼管材料可做;因此，綜上所述，本次研究確定測(cè)試項(xiàng)目為(視)電阻率、極化電流密度和PH 值。

3.2 測(cè)試方法簡(jiǎn)介

3.2.1 土壤電阻率測(cè)試

(1)基本原理

土是氣體、液體、固體三相構(gòu)成的不均勻體系，液體中含有電解質(zhì)，固體中多含有帶電荷的膠體，土體可視為多價(jià)電解質(zhì)，在外加電場(chǎng)的作用下可導(dǎo)電。土的電阻率受土的含水量、含鹽量、有機(jī)物、土的類別及土壤溫度等影響較大。土的電阻率是評(píng)價(jià)土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性的綜合指標(biāo)。

(2)現(xiàn)場(chǎng)工作方法

本次采用對(duì)稱四極電測(cè)深法測(cè)取土壤的電阻率。在擬埋管道的場(chǎng)地，根據(jù)設(shè)計(jì)管道埋置的深度段，按一定間距布置電極插入土中，探測(cè)該深度的土壤電阻率。

(3)計(jì)算整理

土的電阻率ρ 按以下公式計(jì)算:

①ρ=2πLR，式中R=V/I，L(為a 或b)為電極間距，R 為電阻、V 為電位差、I 為電流。

②管道埋置的深度處土的電阻率計(jì)算:

ρ(a－b)=(ρa(bǔ)Rb－ρbRa)/(Rb－Ra)

ρ(a－b):管道埋置的深度處的電阻率;

ρa(bǔ):從地表至a 深度處(管道頂部)的電阻率;

ρb:從地表至b 深度處(管道底部)的電阻率;

Ra:測(cè)試a 深度處的接地電阻;

Rb:測(cè)試b 深度處的接地電阻。

3.2.2 土壤電流密度測(cè)試

(1)基本原理

在腐蝕原電池中，只要有電流通過電極，就有極化作用產(chǎn)生，極化作用是電流通過后引起電極電流下降，電極反應(yīng)過程速度降低，腐蝕速度減緩的現(xiàn)象，極化作用主要決定于電極和土的物理化學(xué)特性。

(2)現(xiàn)場(chǎng)工作方法

本次采用極化曲線了解和評(píng)價(jià)土對(duì)金屬的腐蝕性強(qiáng)弱。本次通過鉆孔取設(shè)計(jì)鋼管埋置處原土現(xiàn)場(chǎng)立即測(cè)試，將兩電極金屬(紫銅)面(面積6.25 cm2)相向平行對(duì)立，按一定間隔插入管道埋置深度的土樣中，通過對(duì)電極按一定時(shí)間逐步增大供應(yīng)電流，得到相應(yīng)的極化電位差，當(dāng)極化電位差達(dá)到600 mv以上時(shí)，可結(jié)束測(cè)試。

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)確定

根據(jù)測(cè)試電極上逐步增大的恒定電流，各除以電極面積，得出各個(gè)電流密度。以各個(gè)電流密度Id(mA/cm2)為橫坐標(biāo)，再以測(cè)得的與各電流密度相應(yīng)的電位差△E(mV)為縱坐標(biāo)作圖，即得極化曲線圖。從極化曲線上查出電位差△E 為500 mV 時(shí)的電流密度Id(mA/cm2)的值，即為評(píng)價(jià)土的腐蝕性指標(biāo)。

3.2.3 土壤PH 值測(cè)試

本次通過鉆孔取設(shè)計(jì)鋼管埋置處土樣，送實(shí)驗(yàn)室采用電測(cè)法測(cè)試PH 值。

3.3 測(cè)試工作布置

本次土壤腐蝕性測(cè)試工作以可研管線道路工程地質(zhì)勘察報(bào)告關(guān)于管道處各層土的類別特性為導(dǎo)向，按照蚌埠、宿州至淮北管線道路的測(cè)試樁號(hào)，并考慮管道結(jié)構(gòu)和管線道路上的地貌、地電條件等，對(duì)設(shè)計(jì)管線埋置深度的土壤腐蝕性進(jìn)行測(cè)試，總共選布30 個(gè)測(cè)試處，其中管道線路上按5 km左右布置一處測(cè)試，共布置17 處;管道穿越河溝、公路、鐵路處布置13 處;每處測(cè)試的電阻率、極化電流密度、PH 值工作安排如下:

(1)電阻率:每處做十字(即在地面兩個(gè)垂直方向)剖面測(cè)試管道埋置處土壤電阻率，取其平均值代表電阻率測(cè)試值?？紤]管道直徑1.8 m，測(cè)試管道頂部、底部深度各取設(shè)計(jì)管道埋置中心上、下各1 m處。

(2)極化電流密度:每處布置1 個(gè)鉆探孔，考慮管道直徑1.8 m，鉆孔在每個(gè)設(shè)計(jì)管道埋置中心處及其上、下各1 m處各取原土樣一個(gè)，共3 個(gè)土樣，對(duì)各代表土樣做極化電流密度測(cè)試。

(3)PH 值:每處對(duì)鉆取的管道埋置處的代表層土樣做室內(nèi)PH 值試驗(yàn)。

4 土壤腐蝕性測(cè)試成果及分析評(píng)價(jià)

4.1 測(cè)試成果

管道埋置處土壤視電阻率測(cè)試成果及其各類土的PH 值試驗(yàn)成果如表1 所示，管道埋置處各類土的電流密度測(cè)試成果見表2，管道埋置處典型土類的極化曲線圖如圖2 所示。

管道埋置處土壤視電阻率測(cè)試成果及其各類土的PH 值試驗(yàn)成果 表1

管道埋置處各類土的電流密度測(cè)試成果 表2

圖2 典型土樣極化曲線

4.2 分析評(píng)價(jià)

據(jù)本工程可研勘察報(bào)告、設(shè)計(jì)管線埋深要求及本次鉆探資料，該輸水管線工程一般線路管道穿越地層主要為③層重粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)黏土，少數(shù)為④層砂壤土或②層重粉質(zhì)壤土;部分河溝處的虹吸管道或道路處的頂管穿越地層主要為⑤層粉質(zhì)黏土或重粉質(zhì)壤土，少數(shù)為④層砂壤土、細(xì)砂或⑥層細(xì)砂或⑦層粉質(zhì)黏土或重粉質(zhì)壤土。

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(2009 版)GB50021－2001 規(guī)定，土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 表3

本次土壤腐蝕性各項(xiàng)測(cè)試成果依據(jù)表3 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析評(píng)價(jià)結(jié)果如下:

4.2.1 電阻率腐蝕性評(píng)價(jià)

(1)②層重粉質(zhì)壤土、③層重粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)黏土，視電阻率平均值各為16.6 Ω.m、19.8 Ω.m，均小于20 Ω.m，表明上述地層土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)一般具有強(qiáng)等級(jí)腐蝕;部分③層土，視電阻率范圍值為20.0 Ω.m～29.3 Ω.m處于20 Ω.m～50 Ω.m區(qū)間，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等級(jí)腐蝕。

(2)④層砂壤土或細(xì)砂、⑤層粉質(zhì)黏土或重粉質(zhì)壤土、⑥層細(xì)砂、⑦層重粉質(zhì)壤土，視電阻率范圍值為25.2 Ω.m～37.7Ω.m，處于20 Ω.m～50 Ω.m區(qū)間，表明上述地層土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等級(jí)腐蝕。

(3)綜合以上各層土視電阻率對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)，本工程管線穿越地層土的電阻率對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)等級(jí)腐蝕。

4.2.2 極化電流密度腐蝕性評(píng)價(jià)

(1)②層重粉質(zhì)壤土、③層重粉質(zhì)壤土或粉質(zhì)黏土、⑤層粉質(zhì)黏土或重粉質(zhì)壤土、⑦層重粉質(zhì)壤土，極化電流密度平均值在0.05 mA/cm2～0.20 mA/cm2區(qū)間，表明上述地層土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)一般具有中等級(jí)腐蝕;部分上述地層土，極化電流密度范圍值在0.02 mA/cm2～0.05 mA/cm2區(qū)間，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱等級(jí)腐蝕。

(2)④層砂壤土或細(xì)砂、⑥層細(xì)砂，極化電流密度平均值在0.02 mA/cm2～0.05 mA/cm2區(qū)間，表明上述地層土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)一般具有弱等級(jí)腐蝕;部分④層砂壤土或細(xì)砂，極化電流密度范圍值在0.05 mA/cm2～0.20 mA/cm2區(qū)間，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等級(jí)腐蝕。

(3)綜合以上各層土極化電流密度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕等級(jí)，本工程管線穿越地層土的極化電流密度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等級(jí)腐蝕。

4.2.3 PH 值腐蝕性評(píng)價(jià)

測(cè)試的管線穿越②層至⑦層土的PH 值為6.39～7.99 均大于5.5，表明本工程管線穿越地層土的PH值對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有為微等級(jí)腐蝕。

5 結(jié)論及建議

(1)本次輸水管線穿越的地層土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)論:輸水管線穿越的地層土壤，電阻率對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性具有強(qiáng)等級(jí)腐蝕，極化電流密度對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性具有中等級(jí)腐蝕，PH 值對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性具有微等級(jí)腐蝕。綜合評(píng)價(jià)該輸水管線穿越的地層土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性為強(qiáng)等級(jí)腐蝕。

(2)輸水鋼管的防腐措施應(yīng)符合《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50046)等有關(guān)內(nèi)容的規(guī)定。建議輸水鋼管采取瀝青類涂料防護(hù)，涂層厚度應(yīng)符合GB50046的有關(guān)規(guī)定，鋼管涂裝前必須除銹，鋼鐵基層的除銹等級(jí)應(yīng)符合GB50046 的有關(guān)規(guī)定要求。

(3)本輸水管線穿越的各地層土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)上述該地區(qū)地層土壤或其他地區(qū)類似地層土壤中其他鋼結(jié)構(gòu)工程的腐蝕性評(píng)價(jià)具有參考作用。

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