引綽濟遼工程平原區(qū)土壤對PCCP管道腐蝕性評價研究

于明鑫 武學(xué)毅 邵 楊

(1.內(nèi)蒙古引綽濟遼供水有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100044；3.北京中水科工程集團有限公司，北京 100044)

長距離調(diào)水項目的實施是地區(qū)間水資源配置的重要手段，也是實現(xiàn)國家水網(wǎng)戰(zhàn)略的重要工程措施。在輸水建筑物選取方面，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP管，Prestressed Concrete Cylinder Pipe)由于其自身將高強度鋼絲的抗拉、混凝土的抗壓和鋼板的防滲性能結(jié)合，充分利用了材料各自的物理力學(xué)特性，成為國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于城市輸配水、火電站供水、水利工程、雨污水、工業(yè)供水及廢水等管線干管管材的選擇[1-2]。然而，PCCP管道長年埋置于土壤內(nèi)，土壤對PCCP管道的腐蝕對管道安全運行影響很大[3]。據(jù)ACPPA有關(guān)統(tǒng)計資料，美國和加拿大的9家公司，1943—1990年P(guān)CCP管道發(fā)生事故的時間比例占總運行期的0.3%，其中82.1%的管道事故由各種腐蝕造成。國內(nèi)個別PCCP供水工程試運行及投運期間[4]，也出現(xiàn)過PCCP因鋼絲銹蝕等而引發(fā)的事故[5]。因此除PCCP管自身質(zhì)量外，查明管道沿線土壤對PCCP管的腐蝕性至關(guān)重要。

引綽濟遼工程是國家“十三五”時期實施的172項節(jié)水供水重大工程之一，該工程從嫩江支流綽爾河引水到西遼河，向沿線城市及工業(yè)園區(qū)供水，設(shè)計最大年調(diào)水量為4.88億m3，為大(2)型工程[6]。工程由文得根水利樞紐和輸水工程組成，輸水工程由山區(qū)輸水隧洞和平原區(qū)PCCP輸水管線組成。本文通過研究選取土壤腐蝕性評價指標、構(gòu)建評價模型，對引綽濟遼工程平原區(qū)土壤對PCCP管道的腐蝕性進行評價。

1 腐蝕性評價指標

PCCP管道是一種特殊的鋼結(jié)構(gòu)，表層為水泥砂漿，鋼結(jié)構(gòu)不與涂層直接接觸，但又區(qū)別于混凝土中的鋼筋。已有資料顯示，目前已知影響土壤腐蝕性的環(huán)境因素多達23種，針對不同地區(qū)實施的工程，如何選取適應(yīng)本工程的土壤腐蝕性評價指標，將對土壤腐蝕性評價產(chǎn)生較大影響。此前，國內(nèi)學(xué)者針對不同工程，采用了不同的土壤腐蝕性評價指標，徐華新等選擇了土壤電阻率、氧化還原電位、pH值作為土壤腐蝕性評價的指標[7]，朱璐選擇了土壤電阻率、土壤氧化還原電位、土壤濕度、pH值、土壤氯離子含量作為土壤腐蝕性評價的指標，但其工程應(yīng)用的輸水管線為鋼管[8]，錢朝陽選擇視電阻率、極化電流密度、pH值作為土壤腐蝕性評價指標[9]，楊正春等采用土壤的pH值、氧化還原電位、視電阻率、極化電流密度、質(zhì)量損失等作為土壤腐蝕性評價的指標[10]，王曉丹等通過多元線性回歸分析，對土壤理化性質(zhì)對土壤腐蝕性的影響及理化性質(zhì)的相互關(guān)系進行相關(guān)分析，對土壤腐蝕性進行預(yù)測和評價[11]。

這些評價指標中，土壤電阻率是土壤導(dǎo)電性指標，土壤腐蝕性和土壤電阻率呈負相關(guān)性。土壤電阻率和土壤的質(zhì)地，松緊程度，有機質(zhì)含量，土壤溫度，含水量、含鹽量等有密切關(guān)系。它是反映土壤理化性質(zhì)的綜合指標，電阻率越小，土壤含電解質(zhì)越多，土壤腐蝕性越強。氧化還原電位作為微生物腐蝕的一個指標，反映土壤通氣狀況、水分、有機質(zhì)、含鹽量等，一般認為200mV(SHE)以下的厭氧環(huán)境中土壤腐蝕性劇烈，易受到硫酸鹽還原菌的作用，故在低氧化還原條件下，要注意厭氧微生物導(dǎo)致金屬的土壤微生物腐蝕。土壤中氧化還原電位(Eh7)可視作為土壤微生物腐蝕的指標。通常腐蝕電位越負，此處管道腐蝕越快。pH值表示土壤的酸堿性，酸性土壤腐蝕性強。

除了上述這些相對穩(wěn)定的指標外，雜散電流的作用也不可忽視。雜散電流是在大地中漫流的一種大小、方向都不固定的電流，這種電流對金屬的腐蝕稱為雜散電流腐蝕，屬于電解腐蝕范疇。它是由使用直流電的電氣化鐵路、電鍍、電解、電焊、電信電纜、發(fā)電站、變電站等電力設(shè)備接地裝置或供電設(shè)備接地及相鄰陰極保護管道等泄漏到大地中的電流。這種電流對地下管道產(chǎn)生嚴重的破壞作用，不斷產(chǎn)生極不規(guī)則的雜散電流，雜散電流在管道涂層破損處流出，導(dǎo)致發(fā)生電解腐蝕。相關(guān)文獻顯示，雜散電流腐蝕程度，對鋼鐵而言，1A電流每年可腐蝕9～10kg鋼鐵。

在綜合分析土壤腐蝕性評價指標的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實際，引綽濟遼工程采用土壤電阻率、氧化還原電位、管道腐蝕電位、土壤pH值、雜散電流作為土壤腐蝕性評價指標，構(gòu)建腐蝕性評價模型。

2 腐蝕性評價模型及方法

通過查閱資料，已建調(diào)水工程中，PCCP管道土壤腐蝕性評價相關(guān)成果較少，故對引綽濟遼工程PCCP管道土壤腐蝕性進行綜合評價時，采用單項指標評價法，即不同指標對土壤腐蝕性評價等級不同時，從偏安全角度出發(fā)，綜合評價結(jié)論采用最高腐蝕等級進行評定。引綽濟遼工程平原區(qū)土壤對PCCP管道腐蝕性評價指標見表1。

表1 引綽濟遼工程平原區(qū)土壤腐蝕性評價指標

2.1 土壤電阻率

土壤電阻率測定采用ZC-8接地電阻測試儀，采用交流四極法測定。土壤電阻儀測出的數(shù)據(jù)代入式1進行計算，可得出土壤電阻率：

ρ=2πaR

(1)

式中ρ——土壤電阻率，Ω·m；

π——圓周率，取3.14；

a——探針間距，m；

R——接地電阻測試儀測值，Ω。

相關(guān)研究成果顯示，土壤溫度對電阻率影響較為明顯，溫度每相差1℃，土壤電阻率約變化2%。冬季時，土壤電阻率增大，電阻率增加可能受土壤中水分結(jié)冰影響?？紤]溫度對土壤電阻率的影響，需對式1進行較正，修正后的公式為

ρ15=ρ[1+α(T-15)]

(2)

式中ρ15——土壤溫度為15℃時的電阻率，Ω；

α——溫度系數(shù)，取2%；

T——測量時的土壤溫度，取0.5m深土壤溫度，℃。

2.2 氧化還原電位

采用電壓表正極接鉑電極、負極接飽和甘汞電極的方法測定土壤氧化還原電位。需要說明的是，當(dāng)土壤pH值在5.5～8.5之間(尤其pH值為7.0)，鹽分小于2%，土壤濕潤，有機質(zhì)(如樹葉、樹根、木質(zhì)纖維)較多時，土壤中微生物較活躍，并有硫酸鹽存在，易產(chǎn)生微生物腐蝕。土壤微生物活動產(chǎn)生大量酸性物質(zhì)，致使管道局部pH值很低，使金屬遭受腐蝕。因此應(yīng)將測定所得的電位差換算成相對標準氫電極電位，公式如下：

Eh7=E測+E甘汞+59(pH測-7)

(3)

式中E測——現(xiàn)場測值；

pH測——現(xiàn)場測值；

E甘汞——取244mV。

2.3 管道自然腐蝕電位

自然腐蝕電位測定的方法有兩種，一是將相同材質(zhì)鋼鐵片埋入土壤中，測定鋼鐵片相對于飽和Cu/CuSO4參比電極的電位；二是直接測量PCCP管地電位，即PCCP管相對于飽和Cu/CuSO4參比電極的電位。工程中通常采用方法二進行管道自然腐蝕電位的測定。但應(yīng)用該方法時，管道應(yīng)處于未接入犧牲陽極保護裝置的情形下。

2.4 土壤pH值

土壤pH值測定的方法有兩種，一是現(xiàn)場采取地下水試樣用pH值試紙進行測定得到近似pH值；二是采用20g風(fēng)干土、20ml蒸餾水制成土壤溶液用pH值試紙測量。工程中通常采用方法一進行土壤pH值測定。

2.5 雜散電流

雜散電流指不按規(guī)定途徑移動的電流，土壤中宏觀電池作用的電位差一般在0.2～0.4V，即測點地電位梯度較小時，可判斷雜散電流較弱。而人工直流電源所引起的電位差一般可達幾伏至幾十伏。在工程應(yīng)用中，對于管道沿線與高壓架空電纜平行或交叉部位，應(yīng)作為雜散電流測定的重點部位。

相關(guān)研究成果顯示，雜散電流對管地電位變化的影響是通過土壤電位梯度的變化施加的，因此可采用直接測定土壤電位梯度的方法判定土壤對管道腐蝕性的影響，即雜散電流對管道腐蝕性的影響。工程應(yīng)用中，用2支CuSO4參比電極，相距1m測其電位差，依次在東西、南北兩個方向及不同距離進行測量，做出地電位梯度分布圖，判斷大地中流動電流的大小和方向及漏電情況。

3 腐蝕性評價結(jié)果

引綽濟遼工程平原區(qū)管線段長約206km，選取工程改線段樁號G(1)0+070.5～G(1)0+443.5線路為工程應(yīng)用案例，對該范圍內(nèi)土壤進行腐蝕性評價。評價結(jié)果顯示，改線段上述線路范圍內(nèi)土壤腐蝕性介于弱腐蝕到中腐蝕之間，各指標評價匯總見表2。

表2 引綽濟遼工程改線段土壤對PCCP管道腐蝕性評價匯總

對土壤腐蝕性指標進一步分析，地表土壤電阻率在38.94～75.36Ω·m之間，槽底土壤電阻率在37.68～66.57Ω·m之間，土壤腐蝕等級為弱—中腐蝕，電阻率較低部位集中在樁號G(1)0+118.5～G(1)0+443.5之間，隨樁號增加，地表土壤和槽底土壤電阻率總體呈減小變化(見圖1)；上述范圍內(nèi)土壤氧化還原電位在237.1～269.4mV之間，顯示土壤腐蝕等級為弱腐蝕(見圖2)；管道自然腐蝕地位在-0.350～-0.324V之間，顯示土壤腐蝕等級為弱腐蝕(見圖3)；pH值在7.8～8.2之間，顯示土壤腐蝕等級為弱腐蝕(見圖4)。此外，上述線路中有管線與高壓線塔交叉，存在雜散電流(雜散電流標識見表2)，對PCCP管道的安全生產(chǎn)不利影響。按單項指標評價法，該范圍土壤腐蝕性評價為中腐蝕。

圖1 改線段土壤電阻率沿線分布

圖2 氧化還原電位沿線分布

圖3 管道自然腐蝕電位沿線分布

圖4 pH值沿線分布

4 結(jié) 論

針對引綽濟遼工程平原區(qū)PCCP管線沿線土壤，采用土壤電阻率、氧化還原電位、管道自然腐蝕電位、土壤pH值、雜散電流作為土壤腐蝕性評價指標，構(gòu)建土壤腐蝕性評價模型，采用單項指標評價法，對土壤腐蝕性進行評價。評價結(jié)果顯示，樁號G(1)0+070.5～G(1)0+443.5之間土壤腐蝕等級為弱腐蝕至中腐蝕，其中樁號G(1)0+443.5附近存在雜散電流干擾。對評價為中腐蝕或存在雜散電流干擾的線路，建議實施PCCP管道犧牲陽極保護。

本文采用單項指標法評價了土壤對PCCP管的腐蝕性，該方法對土壤腐蝕性評價結(jié)論偏保守，如何進一步優(yōu)化評價模型，在保障土壤腐蝕性評價結(jié)論全面、準確的基礎(chǔ)上提高評價成果的精確性，還有待進一步研究。