引漢濟(jì)渭二期工程北干線土壤對(duì)PCCP 管腐蝕性評(píng)價(jià)

蔣 銳

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

引漢濟(jì)渭二期工程是陜西省引漢濟(jì)渭工程的重要組成部分，工程從關(guān)中配水節(jié)點(diǎn)黃池溝起，布置南、北兩條輸水干線工程向各受水對(duì)象輸水。北干線線路全長(zhǎng)130.86 km，始端設(shè)計(jì)流量30 m3/s。其中樁號(hào)0+715～39+020 段為壓力管道輸水，擬采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP），最大直徑3400 mm。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）是由薄鋼板、高強(qiáng)鋼絲和混凝土構(gòu)成的復(fù)合管材，具有高密封性、高強(qiáng)度和高抗?jié)B的特性。已在我國(guó)一些大型輸水工程中得到廣泛應(yīng)用，如南水北調(diào)中線北京段應(yīng)急供水工程、山西萬(wàn)家寨引黃連接段給水工程、深圳東部引水工程、哈爾濱磨盤山引水工程、遼寧大伙房水庫(kù)輸水（二期）工程等。

土壤對(duì)PCCP 管道的腐蝕對(duì)管道安全運(yùn)行影響很大。據(jù)ACPPA 有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料：美國(guó)和加拿大的9 家公司，1943 年～1990 年P(guān)CCP 損壞事故比例占0.30%，其中82.1%的管道事故由各種腐蝕造成；國(guó)內(nèi)個(gè)別PCCP 供水工程試運(yùn)行及投運(yùn)期間, 也出現(xiàn)過(guò)PCCP 因鋼絲銹蝕等而引發(fā)的事故[1]。因此查明管道沿線土壤對(duì)PCCP 管的腐蝕性至關(guān)重要。

1 腐蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)的確定

PCCP 管是一種特殊的鋼結(jié)構(gòu)，表層為水泥砂漿，鋼結(jié)構(gòu)不與土層直接接觸，但又區(qū)別于混凝土中的鋼筋。因此首先應(yīng)該確定用鋼筋混凝土中的鋼筋的土腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)還是埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。參考國(guó)內(nèi)相關(guān)研究，并從有利于管道長(zhǎng)久安全運(yùn)行的角度，本文采用埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

考慮工程實(shí)際，結(jié)合土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕評(píng)價(jià)，本工程需要獲取PCCP 管道沿線地層的pH 值、氧化還原電位、視電阻率、極化電流密度、質(zhì)量損失等參數(shù)。實(shí)際工作中對(duì)土壤的極化電流密度及質(zhì)量損失進(jìn)行了取樣室內(nèi)試驗(yàn)，pH 值、視電阻率、氧化還原電位進(jìn)行了原位測(cè)試。

腐蝕性評(píng)價(jià)中，采用單項(xiàng)指標(biāo)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[2]。土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1[3]。

表1 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2 測(cè)試方案及測(cè)試方法

2.1 測(cè)試方案

擬采用PCCP 管道段的樁號(hào)為0+715～39+020，根據(jù)前期地質(zhì)勘察成果，管道段屬渭河盆地，地形較為平坦，穿過(guò)的地貌單元有山前洪積扇、黑河、渭河漫灘、渭河一級(jí)階地、渭河二級(jí)階地、黃土塬。

土壤腐蝕性測(cè)試采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)兩種方式，考慮地貌單元的因素，在同一地貌單元內(nèi)測(cè)試點(diǎn)盡量等間距布置，共布置測(cè)點(diǎn)15 組，分述如下：

山前洪積扇段管道長(zhǎng)約15 km，管基地層為砂卵石及砂壤土，布設(shè)測(cè)點(diǎn)3 個(gè)；黑河、渭河漫灘段管道長(zhǎng)約4.5 km，管基地層為砂卵石，布設(shè)測(cè)點(diǎn)3 個(gè)；渭河一級(jí)階地段管道長(zhǎng)約6 km，管基地層為壤土，布設(shè)測(cè)點(diǎn)3 個(gè)；渭河二級(jí)階地段管道長(zhǎng)約15 km，管基地層為黃土，布設(shè)測(cè)點(diǎn)3 個(gè)；黃土塬段管道長(zhǎng)約1 km，管基地層為黃土，布設(shè)測(cè)點(diǎn)3 個(gè)。

測(cè)點(diǎn)間距一般1.5 km～5 km，最大深度均達(dá)到管基埋深，其中位于粗粒土地層中的5 個(gè)，細(xì)粒土地層中的10 個(gè)。各測(cè)點(diǎn)編號(hào)與地貌單元關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 測(cè)點(diǎn)編號(hào)與地貌單元關(guān)系

2.2 測(cè)試方法

2.2.1 氧化還原電位

測(cè)定土壤氧化還原電位的目的，是為了確定土壤微生物腐蝕的有無(wú)及其強(qiáng)弱。較高的氧化還原電位，表明土壤體系通氣性較好；而氧化還原電位低，則表明土壤通氣性差，處于嫌氣條件之下。本次氧化還原電位儀型號(hào)為DMP-2，野外原位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)采用鉑電極法，分別測(cè)量5 支鉑電極對(duì)甘汞電位差，單位為 mV，計(jì)算公式為 E土地=E實(shí)測(cè)+E甘汞電極。甘汞電極不同溫度的差異如表3。

表3 不同溫度下飽和甘汞電極的電極電位

2.2.2 土壤視電阻率

土壤視電阻率是表征土壤導(dǎo)電能力的指標(biāo)，一般認(rèn)為，土壤視電阻率越低，腐蝕程度就越高。所以土壤視電阻率普遍用來(lái)作為衡量腐蝕程度的重要指標(biāo)之一，視電阻率測(cè)試儀型號(hào)為ZC-8，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用對(duì)稱四極交流電法。視電阻率單位為Ω·m，計(jì)算公式為：

式中：a 為測(cè)量深度系數(shù)；R 為比例系數(shù)；T 為0.5 m 深度測(cè)量的土壤溫度；ρ15為經(jīng)過(guò)溫度矯正后的最終土壤視電阻率值。

2.2.3 極化電流密度

極化電流密度是通過(guò)極化曲線的測(cè)定，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。對(duì)從野外取回的原狀土進(jìn)行切割,使厚度介于50 mm～60 mm,夾于兩電極之間,電極與試驗(yàn)土樣緊密接觸,保持10 min～15 min 后開(kāi)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5 min,電極間電位差的測(cè)量是在極化電路斷開(kāi)時(shí)進(jìn)行。當(dāng)電極間極化電位差＞600 mV 時(shí),終止試驗(yàn)。按照取得的數(shù)據(jù),讀取電位差等于500 mV 時(shí)的電流密度值作為測(cè)定值，單位為mA/cm2，計(jì)算公式為：

式中：IK 為測(cè)得的電流值，mA；iK 為最終土壤極化電流密度。

2.2.4 質(zhì)量損失

土的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失采用室內(nèi)管罐法測(cè)定，首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行去銹、去油，經(jīng)蒸餾水洗凈干燥后稱重，然后對(duì)野外采集的土壤進(jìn)行烘干處理，進(jìn)行研磨后過(guò)篩，之后將土樣放入試件中加壓，保持24 小時(shí)，停電后取出試件，去掉土和疏松的腐蝕產(chǎn)物，并在堿性溶液中進(jìn)行陰極剝離，直到腐蝕產(chǎn)物除凈，將試件再用蒸餾水清洗、干燥、稱重(誤差至0.01 g)，計(jì)算土的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失，每個(gè)土樣作3 個(gè)試樣的平行試驗(yàn)。

3 測(cè)試成果

根據(jù)原位及室內(nèi)測(cè)試，引漢濟(jì)渭二期北干線PCCP 段管道沿線各地層的土腐蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)試成果如表4。

表4 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性測(cè)試成果表

4 土壤腐蝕性評(píng)價(jià)及分析

根據(jù)表1～表4，土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性綜合評(píng)價(jià)如表5。由表5 可知：沿線土壤對(duì)PCCP 管具有微～強(qiáng)腐蝕性。

根據(jù)各測(cè)點(diǎn)地形地貌、地層巖性，對(duì)測(cè)試成果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)。

表5 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性綜合評(píng)價(jià)表

由表5 及各測(cè)點(diǎn)地貌、地層，分析得出沿線土壤對(duì)PCCP管具有微～強(qiáng)腐蝕性，并有如下規(guī)律：

①各測(cè)點(diǎn)氧化還原電位、pH 值評(píng)價(jià)均為微腐蝕，視電阻率評(píng)價(jià)為微～中等腐蝕，極化電流密度腐蝕性評(píng)價(jià)為強(qiáng)腐蝕，質(zhì)量損失評(píng)價(jià)為微～弱腐蝕，腐蝕等級(jí)主要受極化電流密度的控制。

②粗、細(xì)粒土在氧化還原電位、質(zhì)量損失率方面差異較大，粗粒土這兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)均呈微腐蝕，細(xì)粒土氧化還原電位評(píng)價(jià)為中等腐蝕，質(zhì)量損失評(píng)價(jià)為弱腐蝕。

③河漫灘腐蝕等級(jí)為微腐蝕，山前洪積扇腐蝕等級(jí)為微～強(qiáng)腐蝕；渭河一、二級(jí)階地、黃土塬均為強(qiáng)腐蝕；

④粗粒土地層腐蝕等級(jí)均為微腐蝕，細(xì)粒土地層腐蝕等級(jí)均為強(qiáng)腐蝕。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)測(cè)試成果，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)引漢濟(jì)渭二期工程北干線PCCP 管段土壤腐蝕性進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，沿線地層對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具腐蝕性，腐蝕等級(jí)為微～強(qiáng)腐蝕。建議采用防腐層外加陰極保護(hù)的聯(lián)合防護(hù)措施。

（2）管道沿線粗、細(xì)粒土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性等級(jí)差別較大，設(shè)計(jì)防護(hù)措施時(shí)可在確保工程安全運(yùn)行的前提下，根據(jù)管道所處土壤類別分別設(shè)計(jì)，以節(jié)省工期及工程量。

（3）PCCP 管結(jié)構(gòu)特殊，目前尚無(wú)專門的腐蝕性評(píng)價(jià)體系，采用埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)價(jià)只是權(quán)宜之計(jì)。隨著國(guó)內(nèi)PCCP 管道應(yīng)用的大發(fā)展，應(yīng)及早建立PCCP 管土壤腐蝕性評(píng)價(jià)體系。