淮水北調某輸水管線土壤腐蝕性評價研究

錢朝陽

(蚌埠市勘測設計研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

隨著國民經濟的發展，鋼管在輸送水源、天然氣、石油等方面得到廣泛應用。但鋼結構在環境中會產生不同程度的腐蝕，鋼結構腐蝕會降低結構承載力、會使鋼管壁變薄等，若不注意維護，很容易減少鋼結構使用壽命、甚至會發生事故。因此，測試評價鋼結構所處環境的腐蝕原因及程度，采取針對有效的防護非常重要。土壤腐蝕是鋼結構腐蝕的主要類型之一，土對鋼結構的腐蝕性評價首先要根據鋼結構埋置條件、現場地形地貌條件、地層情況、依據相關規范、任務要求等確定測試項目，再依據相關規范評價標準或任務要求等對測試成果進行綜合評價，確定腐蝕程度。本文以淮水北調某輸水管線工程實例來研究評價土壤對鋼結構的腐蝕性，為管道防腐設計、制造、施工提供依據。

2 工程概況及地層情況

2.1 工程概況

淮水北調某輸水管線工程沿途經安徽省蚌埠市懷遠縣、宿州市至淮北市某鎮，全長約90 km，該工程線路示意如圖1 所示;輸水管道除2.5 km處于采礦塌陷區采用鋼管明管鋪設外，其余采用PCCP 管道(預應力鋼筒混凝土管)地下埋設;設計管道埋深: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(高速或國道)處地下7 m～11 m;設計線路輸水管道直徑1.8 m;設計調水流量3 m3/s;為淮北某工業園煤化工項目提供水源，工程等別為Ⅱ等。原可研階段對工程水文地質條件及環境水的腐蝕性已做了勘察和評價，為了查明管道沿線土壤對鋼管的腐蝕原因及程度，以便管道從設計、制造、施工等各環節加強防腐控制，延長管道使用壽命、確保管道正常運行;要求對管道沿線土壤腐蝕性測試，評價沿線土壤對鋼結構的腐蝕性。

圖1 淮水北調某輸水管線工程線路示意圖

2.2 地層情況

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

該輸水管道沿線所揭露的第四紀地層15 m深內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壤土為主，稍密，局部中密，為中低壓縮性土層;斷續分布，層厚一般1.0 m～3.5 m。部分為細砂，中密～密實，低壓縮性土層;斷續分布，層厚一般1.0 m～3.5 m。

3 土壤腐蝕性測試項目、方法及工作布置

3.1 測試項目的確定

根據設計要求，本次土壤腐蝕性測試依據《巖土工程勘察規范》(GB50021－2001)有關土對鋼結構腐蝕評價規定并考慮設計管道實際布置情況和地貌等條件綜合選定測試項目。按上述規范土對鋼結構的腐蝕性測試項目包括:PH 值、氧化還原電位、極化電流密度、電阻率、質量損失等5 項。

因為PH 值、極化電流密度項目可取設計管道埋深處的原土進行測試，本次研究可以完成;氧化還原電位測試項目要求在現場挖至設計管道埋深處土體用鉑電極和飽和氯化鉀甘汞電極原位測試，因管道埋深大、線路長本研究項目無法完成;設計管道埋深處土的電阻率項目可以采用四極法在現場地面測試完成;質量損失項目要求擬用輸水的鋼管埋置于設計鋼管深度土體中使用專用設備測定，本次研究處在可研階段無鋼管材料可做;因此，綜上所述，本次研究確定測試項目為(視)電阻率、極化電流密度和PH 值。

3.2 測試方法簡介

3.2.1 土壤電阻率測試

(1)基本原理

土是氣體、液體、固體三相構成的不均勻體系，液體中含有電解質，固體中多含有帶電荷的膠體，土體可視為多價電解質，在外加電場的作用下可導電。土的電阻率受土的含水量、含鹽量、有機物、土的類別及土壤溫度等影響較大。土的電阻率是評價土對鋼結構腐蝕性的綜合指標。

(2)現場工作方法

本次采用對稱四極電測深法測取土壤的電阻率。在擬埋管道的場地，根據設計管道埋置的深度段，按一定間距布置電極插入土中，探測該深度的土壤電阻率。

(3)計算整理

土的電阻率ρ 按以下公式計算:

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算:

ρ(a－b)=(ρaRb－ρbRa)/(Rb－Ra)

ρ(a－b):管道埋置的深度處的電阻率;

ρa: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:測試a 深度處的接地電阻;

Rb:測試b 深度處的接地電阻。

3.2.2 土壤電流密度測試

(1)基本原理

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

(2)現場工作方法

本次采用極化曲線了解和評價土對金屬的腐蝕性強弱。本次通過鉆孔取設計鋼管埋置處原土現場立即測試，將兩電極金屬(紫銅)面(面積6.25 cm2)相向平行對立，按一定間隔插入管道埋置深度的土樣中，通過對電極按一定時間逐步增大供應電流，得到相應的極化電位差，當極化電位差達到600 mv以上時，可結束測試。

(3)評價指標確定

根據測試電極上逐步增大的恒定電流，各除以電極面積，得出各個電流密度。以各個電流密度Id(mA/cm2)為橫坐標，再以測得的與各電流密度相應的電位差△E(mV)為縱坐標作圖，即得極化曲線圖。從極化曲線上查出電位差△E 為500 mV 時的電流密度Id(mA/cm2)的值，即為評價土的腐蝕性指標。

3.2.3 土壤PH 值測試

本次通過鉆孔取設計鋼管埋置處土樣，送實驗室采用電測法測試PH 值。

3.3 測試工作布置

本次土壤腐蝕性測試工作以可研管線道路工程地質勘察報告關于管道處各層土的類別特性為導向，按照蚌埠、宿州至淮北管線道路的測試樁號，并考慮管道結構和管線道路上的地貌、地電條件等，對設計管線埋置深度的土壤腐蝕性進行測試，總共選布30 個測試處，其中管道線路上按5 km左右布置一處測試，共布置17 處;管道穿越河溝、公路、鐵路處布置13 處;每處測試的電阻率、極化電流密度、PH 值工作安排如下:

(1)電阻率:每處做十字(即在地面兩個垂直方向)剖面測試管道埋置處土壤電阻率，取其平均值代表電阻率測試值。考慮管道直徑1.8 m，測試管道頂部、底部深度各取設計管道埋置中心上、下各1 m處。

(2)極化電流密度:每處布置1 個鉆探孔，考慮管道直徑1.8 m，鉆孔在每個設計管道埋置中心處及其上、下各1 m處各取原土樣一個，共3 個土樣，對各代表土樣做極化電流密度測試。

(3)PH 值:每處對鉆取的管道埋置處的代表層土樣做室內PH 值試驗。

4 土壤腐蝕性測試成果及分析評價

4.1 測試成果

管道埋置處土壤視電阻率測試成果及其各類土的PH 值試驗成果如表1 所示，管道埋置處各類土的電流密度測試成果見表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試成果及其各類土的PH 值試驗成果 表1

管道埋置處各類土的電流密度測試成果 表2

圖2 典型土樣極化曲線

4.2 分析評價

據本工程可研勘察報告、設計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層重粉質壤土或粉質黏土，少數為④層砂壤土或②層重粉質壤土;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層粉質黏土或重粉質壤土，少數為④層砂壤土、細砂或⑥層細砂或⑦層粉質黏土或重粉質壤土。

根據《巖土工程勘察規范》(2009 版)GB50021－2001 規定，土對鋼結構腐蝕性評價標準如表3 所示。

土對鋼結構腐蝕性評價標準 表3

本次土壤腐蝕性各項測試成果依據表3 土對鋼結構的腐蝕性評價標準，分析評價結果如下:

4.2.1 電阻率腐蝕性評價

(1)②層重粉質壤土、③層重粉質壤土或粉質黏土，視電阻率平均值各為16.6 Ω.m、19.8 Ω.m，均小于20 Ω.m，表明上述地層土對鋼結構一般具有強等級腐蝕;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區間，對鋼結構具有中等級腐蝕。

(2)④層砂壤土或細砂、⑤層粉質黏土或重粉質壤土、⑥層細砂、⑦層重粉質壤土，視電阻率范圍值為25.2 Ω.m～37.7Ω.m，處于20 Ω.m～50 Ω.m區間，表明上述地層土對鋼結構具有中等級腐蝕。

(3)綜合以上各層土視電阻率對鋼結構的腐蝕等級，本工程管線穿越地層土的電阻率對鋼結構具有強等級腐蝕。

4.2.2 極化電流密度腐蝕性評價

(1)②層重粉質壤土、③層重粉質壤土或粉質黏土、⑤層粉質黏土或重粉質壤土、⑦層重粉質壤土，極化電流密度平均值在0.05 mA/cm2～0.20 mA/cm2區間，表明上述地層土對鋼結構一般具有中等級腐蝕;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區間，對鋼結構具有弱等級腐蝕。

(2)④層砂壤土或細砂、⑥層細砂，極化電流密度平均值在0.02 mA/cm2～0.05 mA/cm2區間，表明上述地層土對鋼結構一般具有弱等級腐蝕;部分④層砂壤土或細砂，極化電流密度范圍值在0.05 mA/cm2～0.20 mA/cm2區間，對鋼結構具有中等級腐蝕。

(3)綜合以上各層土極化電流密度對鋼結構的腐蝕等級，本工程管線穿越地層土的極化電流密度對鋼結構具有中等級腐蝕。

4.2.3 PH 值腐蝕性評價

測試的管線穿越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值對鋼結構具有為微等級腐蝕。

5 結論及建議

(1)本次輸水管線穿越的地層土壤對鋼結構的腐蝕性評價結論:輸水管線穿越的地層土壤，電阻率對鋼結構的腐蝕性具有強等級腐蝕，極化電流密度對鋼結構的腐蝕性具有中等級腐蝕，PH 值對鋼結構腐蝕性具有微等級腐蝕。綜合評價該輸水管線穿越的地層土壤對鋼結構的腐蝕性為強等級腐蝕。

(2)輸水鋼管的防腐措施應符合《工業建筑防腐設計規范》(GB50046)等有關內容的規定。建議輸水鋼管采取瀝青類涂料防護，涂層厚度應符合GB50046的有關規定，鋼管涂裝前必須除銹，鋼鐵基層的除銹等級應符合GB50046 的有關規定要求。

(3)本輸水管線穿越的各地層土壤對鋼結構的腐蝕性評價結果，對上述該地區地層土壤或其他地區類似地層土壤中其他鋼結構工程的腐蝕性評價具有參考作用。

［1］GB 50487－2008．水利水電工程地質勘察規范［S］．

［2］林宗元．巖土工程試驗監測手冊［M］．沈陽:遼寧科學技術出版社，1994．

［3］GB 50021－2001．巖土工程勘察規范［S］．

［4］GB/T50123－1999．土工試驗方法標準［S］．

［5］俞蓉蓉，蔡志章．地下金屬管道的腐蝕與防護［M］．北京:石油工業出版社，1998．

［6］李成軍，馬振洲．環境水和土壤對輸水管道的腐蝕性分析與評價［J］．吉林水利，2013(1):13～16．

［7］張繼信，施哲雄．埋地管道綜合檢測中的土壤腐蝕性評價［J］．化工設備與管道，2009，46(2):55～58．

［8］王長榮，李雯霞．埋地熱力管線腐蝕失效的形式［J］．四川建材，2013(1):126～128．

［9］黃輝，張華．埋地鋼質管道腐蝕環境檢測與評價方法探討［J］．全面腐蝕控制，2008，22(6):47～48．

［10］王芷芳．土壤的腐蝕性調查及評價［J］．化工腐蝕與防護，1997(4):17～21．