長距離大型埋地輸水鋼管道腐蝕原因分析

王留超

(遼寧潤中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110166)

大型長距離有壓管道輸水工程主要采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道(英文縮寫PCCP)、鋼管、球墨鑄鐵管等埋地鋼質(zhì)管道，而埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕直接影響輸水工程的壽命和供水安全，由于埋地鋼質(zhì)管道在我國應(yīng)用時間相對較短，對鋼質(zhì)管道腐蝕的原因及防腐蝕技術(shù)均在逐步探索研究中。

1 工程概況

遼寧省大伙房水庫輸水工程主要任務(wù)是解決遼寧省中南部撫順、沈陽、遼陽、鞍山、營口、盤錦、大連七市突出的水資源短缺問題，是遼寧省重大的區(qū)域性水資源配置工程，涉水人口1400余萬。管道設(shè)計輸水壓力0.6MPa，PCCP管道及鋼管等鋼質(zhì)管道總長度約600km，沿線設(shè)有9個配水站，2010年通水運行，是我國較早建設(shè)的長距離輸水重點工程之一。

2 腐蝕的發(fā)生

2019年3月，9號配水站內(nèi)發(fā)生管道漏水現(xiàn)象，該輸水管道已運行近10年。經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)漏水位置在配水閥室下游輸水管道的旁通管，管徑820mm，壁厚10mm，管道材質(zhì)為Q235C。鋼管長5m范圍內(nèi)管體有50多處腐蝕，腐蝕面有黑色殘留物，腐蝕呈點狀分布，深度達到3～10mm，其中8處腐蝕呈穿孔漏水狀，見圖1。油漆大面積點狀鼓泡，鼓泡內(nèi)充滿水。

圖1 管道腐蝕漏水照片

為查明管道腐蝕原因，確保輸水管道安全運行，對影響管道腐蝕的因素進行了檢測分析。

3 輸水管道腐蝕環(huán)境

9號配水站臨近海洋，管中心高程約5.0m，地下水位較高，鋼管埋設(shè)有犧牲鎂陽極塊進行陰極保護，犧牲鎂陽極塊設(shè)計壽命為25年。

配水站由綜合辦公樓、配水閥室、調(diào)流閥室、流量計室、穩(wěn)壓塔和閥門井室等構(gòu)成。

配水站西側(cè)約150m處為客運專線高速鐵路，東側(cè)約100m處為普通鐵路，南側(cè)約200m處為66kV高壓電線，見圖2。

圖2 9號配水站周邊環(huán)境位置

4 檢測分析

按照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)、《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護工程檢驗》(GB/T 19285—2014)，《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護參數(shù)測試方法》(GB/T 21246—2007)等規(guī)范標準，對管道周圍土壤、水、陰極保護及雜散電流等引發(fā)腐蝕的因素進行試驗檢測。

4.1 管道周圍環(huán)境介質(zhì)腐蝕影響

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)中“土對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價”標準內(nèi)容，對管道周圍的土壤進行檢測及取樣試驗，通過測試3組土壤視電阻率最小值為14.0～14.8Ω·m，均滿足“土對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價”強腐蝕標準不大于20Ω·m的要求。綜合評價結(jié)果表明土壤評價腐蝕等級為強。該管道周邊土壤腐蝕性實測值及綜合評價見表1。

表1 9號配水站土壤對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性測試評價

4.2 雜散電流干擾檢測

雜散電流干擾分為埋地鋼質(zhì)管道直流電干擾和交流電干擾。

在漏水點位置鋼管連接雜散電流干擾測試儀，測試埋地鋼質(zhì)管道直流電干擾和交流電干擾情況，見圖3。

圖3 測試儀布置

4.2.1 埋地鋼質(zhì)管道直流電干擾檢測

監(jiān)測結(jié)果顯示，管道電位穩(wěn)定在-0.63V，電位無明顯波動，處于自然電位狀態(tài)。埋地鋼質(zhì)管道直流電干擾曲線見圖4。

圖4 埋地鋼質(zhì)管道直流電干擾曲線 (2019年10月31日)

《埋地鋼質(zhì)管道直流電干擾防護技術(shù)標準》(GB 50991—2014)規(guī)定：

a.管道工程處于設(shè)計階段時，可采用管道擬經(jīng)路由兩側(cè)各20m范圍內(nèi)的地電位梯度判斷雜散電流的強弱，當?shù)仉娢惶荻却笥?.5mV/m時，應(yīng)確認存在直流雜散電流；當?shù)仉娢惶荻却笥诨虻扔?.5mV/m時，應(yīng)評估干擾，并根據(jù)結(jié)果預(yù)設(shè)措施。

b.沒有陰極保護的管道，采用電位相對自然電位偏移來定。正向偏移或負向偏移超過20mV，確認存在直流電干擾；正向偏移大于或等于100mV應(yīng)采取措施。

c.已投運陰極保護的管道，當干擾導(dǎo)致管道不滿足最小保護電位要求時，應(yīng)及時采取干擾防護措施。

因此，檢測結(jié)果為9號配水站埋地鋼質(zhì)管道直流電干擾程度評價為“弱”，可不采取直流電干擾防護措施。

4.2.2 埋地鋼質(zhì)管道交流電干擾檢測

配水站西側(cè)約150m處為客運專線高速鐵路，南側(cè)約200m處為66kV高壓電線，高速鐵路和高壓交流輸電線路均為埋地鋼質(zhì)管道的主要交流電干擾源。通過測試配水站內(nèi)管道的交流電壓和交流電流密度，評估管道的交流電干擾情況。配水站內(nèi)管道的交流電壓測試結(jié)果見圖5。

圖5 埋地鋼質(zhì)管道交流電干擾曲線 (2019年10月31日)

如圖5所示,交流電壓在0～0.11V之間波動，交流電干擾電壓每隔一段時間產(chǎn)生一個波動，每個波動正好對應(yīng)盤營高鐵有高鐵經(jīng)過的時間，在沒有高鐵經(jīng)過的時間段內(nèi)，管道交流電干擾電壓為0V，高鐵經(jīng)過時，交流電壓上升，最高達到0.11V。

根據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道交流電干擾防護技術(shù)標準》(GB/T 50698—2011)，當管道上的交流電干擾電壓不高于4V時，可不采取交流電干擾防護措施。

根據(jù)配水站的土壤電阻率和標準計算公式，計算配水站內(nèi)的交流電壓密度在0～1.37A/m2之間波動，交流電流密度遠小于30A/m2，交流電干擾程度評價為“弱”，可不采取交流電干擾防護措施。

4.3 陰極保護狀態(tài)檢測

4.3.1 陰極保護設(shè)計參數(shù)

9號配水站內(nèi)共有約1079m埋地鋼質(zhì)管道，管道分為φ3020壁厚26mm、φ2420壁厚20mm、φ2020壁厚20mm、φ1420壁厚16mm、φ820壁厚10mm等多種規(guī)格，管道材質(zhì)為Q235C，防腐層類型為無溶劑環(huán)氧樹脂重防腐，采用犧牲鎂陽極塊做陰極保護，配水站與上下游管道連接處均設(shè)有絕緣接頭。

根據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》(GB/T 21448—2017)，管道防腐層的限制臨界電位不應(yīng)低于-1.20V(CSE)，并應(yīng)防止防腐層出現(xiàn)陰極剝離、起泡、管體氫脆現(xiàn)象。

直埋鋼管采用規(guī)格為700mm×(100+110)mm×105mm的棒狀鎂合金陽極，見圖6，重約14kg，用于鋼管陰極保護檢測的參比電極為CuSO4，鋼管陰極保護電位設(shè)計標準為-1.20～-0.85V。

圖6 鎂陽極塊

鎂陽極塊回填料成分為石膏粉25%、膨潤土50%、硫酸鈉25%。石膏粉用于提供硫酸根離子，避免鈍化膜的形成；膨潤土用于保持水分、增強和土壤的緊密性；硫酸鈉用做活化陽極表面，生成可溶性硫酸鹽，降低填料電阻率、使陽極表面均勻腐蝕，提高陽極利用效率。

4.3.2 陽極塊檢查

在穩(wěn)壓塔位置開挖檢測鎂陽極塊，鎂陽極塊設(shè)計質(zhì)量為14kg，設(shè)計壽命25年，現(xiàn)已埋設(shè)10年，剩余8.9kg，已消耗36.43%。按照管道表面油漆初始時具有一定抗腐蝕性，現(xiàn)鋼管表面油漆已經(jīng)被滲透，腐蝕速度為前十年的1.5倍計算，陽極塊利用系數(shù)為85%，剩余壽命為7.43年，總使用壽命17.43年，遠遠小于設(shè)計使用壽命。

在穩(wěn)壓塔埋設(shè)鎂陽極塊位置檢查鋼管腐蝕情況(見圖7)，發(fā)現(xiàn)鋼管大面積油漆鼓泡，鼓泡內(nèi)充滿水，局部出現(xiàn)腐蝕點，深度達到1～3mm，并有黑色殘留物。

圖7 穩(wěn)壓塔檢查鋼管現(xiàn)狀

4.3.3 陰極保護測試結(jié)果

穩(wěn)壓塔位置挖出的鎂陽極測試結(jié)果為閉路電位-0.633V，管道開路電位-0.589V，陽極開路電位-1.12V，陽極輸出電流12mA。說明鎂陽極塊在運行狀態(tài)，但是管道保護電位明顯未達到陰極保護標準要求的-0.85V，處于欠保護狀態(tài)。

除漏水點外，又分別在站內(nèi)選取3個位置進行管道電位檢測，測試結(jié)果見表2。管道電位在-0.68～-0.61V之間，管道電位明顯未達到陰極保護標準要求。

表2 配水站內(nèi)陰極保護電位測試結(jié)果統(tǒng)計 單位：V

現(xiàn)場調(diào)查測試發(fā)現(xiàn)，流量計室和調(diào)流閥室的閥門上，均有扁鐵與管道直接電連接，扁鐵與建筑物的鋼筋混凝土和接地網(wǎng)為電連接狀態(tài)。采用萬用表測試扁鐵位置的電位，扁鐵位置的電位和對應(yīng)管道位置電位接近，在-0.68～-0.61V之間，表明扁鐵與管道處于完全電連接狀態(tài)。

管道腐蝕漏水位置的閥井內(nèi)管道與閥井內(nèi)的鋼筋和接地扁鐵直接焊接，管道和接地體及鋼筋處于直接電連接狀態(tài)。測試閥井內(nèi)管道和鋼筋的電位一致，均為-0.683V。

5 腐蝕機理

管道腐蝕泄漏位置在配水閥室下游輸水管道的旁通管，見圖8，距離閥門井0.5～2.0m。測試閥井內(nèi)管道電位和閥井內(nèi)的鋼筋電位一致，表明管道與閥井內(nèi)的鋼筋處于電連接狀態(tài)。鋼筋在混凝土中的自然電位為-100～-200mV，測試目前閥井內(nèi)的鋼筋梯子的電位為-0.438V，較管道自然電位偏正。鋼筋原始狀態(tài)電位偏正，管道自然電位偏負，在管道與鋼筋電連接后，管道和鋼筋之間形成電壓差和電偶腐蝕，管道自然電位偏負形成陽極，流出電流發(fā)生腐蝕，鋼筋電位偏正形成腐蝕電池的陰極，腐蝕位置電流流動示意見圖9。同時由于站內(nèi)采用犧牲鎂陽極保護，犧牲陽極數(shù)量較少，此管段靠近閥井位置無犧牲陽極，因此靠近閥井位置的管道存在比較大的腐蝕風(fēng)險。在穩(wěn)壓塔附近開挖位置的管道，管道防腐層有破損點，此處距離閥井較遠，附近有犧牲陽極保護，管體腐蝕相對于漏水點較輕。

圖8 發(fā)生腐蝕漏水管道位置示意圖

圖9 腐蝕位置電流流動示意

根據(jù)測試結(jié)果9號配水站建筑物和構(gòu)筑物鋼筋網(wǎng)及接地網(wǎng)均與輸水管道焊接相連，形成電連接，配水站內(nèi)鋼筋量約1400t。鋼管陰極保護的犧牲鎂陽極僅按照鋼管量進行設(shè)計埋設(shè)，配水站內(nèi)的鋼筋量超過設(shè)計鋼管總量，形成了犧牲鎂陽極同時保護鋼管和建筑物鋼筋網(wǎng)的現(xiàn)象，因此造成犧牲鎂陽極的使用壽命大大縮短，管道保護電位不能達到設(shè)計標準，導(dǎo)致鋼管加速腐蝕。

9號配水站土壤視電阻率低，土壤對鋼管腐蝕程度強，陰極保護處于欠保護狀態(tài)，漏水點管徑為820mm，壁厚10mm，壁厚相對其他部位較薄，較先產(chǎn)生腐蝕泄漏。

6 鋼管腐蝕原因總結(jié)

a. 配水站內(nèi)管道交流電壓小，交流雜散電流干擾程度為弱，直流雜散電流干擾“弱”，無須采取交流電干擾防護措施。

b. 管道周圍的土壤檢測及取樣試驗表明視電阻率最小值為14.0～14.8Ω·m，均小于20Ω·m，綜合評價結(jié)果土壤評價為強腐蝕。

c. 漏水點管道周圍水和土對混凝土結(jié)構(gòu)有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋有微腐蝕性。

d. 犧牲鎂陽極在運行狀態(tài)，但是管道保護電位未達到陰極保護標準要求的-0.85V，處于欠保護狀態(tài)。

e. 配水站管道與建筑物和閥井內(nèi)的接地和鋼筋處于電連接狀態(tài)。管道電位和接地極鋼筋電位一致。管道腐蝕原因判斷為管道與鋼筋電連接造成的電偶腐蝕，靠近閥井位置的管道腐蝕明顯。

7 結(jié) 語

本文對9號配水站鋼管腐蝕因素進行了分析，通過對管道周圍環(huán)境介質(zhì)水和土壤對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕影響、雜散電流干擾影響、陰極保護狀態(tài)檢測等多方面綜合分析，主要得出以下結(jié)論：

a. 鋼質(zhì)管道腐蝕原因主要是鋼管與建筑物的接地和鋼筋網(wǎng)處于電連接狀態(tài)造成的電偶腐蝕。

b. 犧牲陽極對鋼管起到了一定的保護作用。

c. 陰極保護犧牲陽極按照鋼管數(shù)量配置，鋼管與建筑物鋼筋焊接電連接后，管道保護電位處于欠保護狀態(tài)，陰極保護犧牲陽極消耗過快，使用壽命遠遠小于設(shè)計使用壽命。

輸水管道安裝設(shè)計規(guī)范和建筑物設(shè)計規(guī)范等，均未明確限制建筑物的接地網(wǎng)與輸水管道連接，類似工程為滿足接地極電阻率達到規(guī)范要求，通常會將建筑物的接地網(wǎng)與輸水管道焊接在一起。通過本文的檢測分析結(jié)果，類似工程應(yīng)盡量避免建筑物的接地網(wǎng)與輸水管道電連接。