引漢濟渭二期工程北干線土壤對PCCP 管腐蝕性評價

蔣 銳

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

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

預應力鋼筒混凝土管（PCCP）是由薄鋼板、高強鋼絲和混凝土構成的復合管材，具有高密封性、高強度和高抗?jié)B的特性。已在我國一些大型輸水工程中得到廣泛應用，如南水北調(diào)中線北京段應急供水工程、山西萬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、遼寧大伙房水庫輸水（二期）工程等。

土壤對PCCP 管道的腐蝕對管道安全運行影響很大。據(jù)ACPPA 有關統(tǒng)計資料：美國和加拿大的9 家公司，1943 年～1990 年PCCP 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；國內(nèi)個別PCCP 供水工程試運行及投運期間, 也出現(xiàn)過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PCCP 管的腐蝕性至關重要。

1 腐蝕性評價指標及標準的確定

PCCP 管是一種特殊的鋼結構，表層為水泥砂漿，鋼結構不與土層直接接觸，但又區(qū)別于混凝土中的鋼筋。因此首先應該確定用鋼筋混凝土中的鋼筋的土腐蝕評價標準還是埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕評價標準。參考國內(nèi)相關研究，并從有利于管道長久安全運行的角度，本文采用埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕評價標準進行評價。

考慮工程實際，結合土對鋼結構的腐蝕評價，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)。實際工作中對土壤的極化電流密度及質(zhì)量損失進行了取樣室內(nèi)試驗，pH 值、視電阻率、氧化還原電位進行了原位測試。

腐蝕性評價中，采用單項指標評價，對按試驗指標對應評價標準評價的腐蝕性等級不同時，綜合評定按最高腐蝕等級進行評定[2]。土壤對鋼結構腐蝕性評價標準見表1[3]。

表1 土對鋼結構腐蝕性評價標準

2 測試方案及測試方法

2.1 測試方案

擬采用PCCP 管道段的樁號為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，穿過的地貌單元有山前洪積扇、黑河、渭河漫灘、渭河一級階地、渭河二級階地、黃土塬。

土壤腐蝕性測試采用現(xiàn)場測試和室內(nèi)試驗兩種方式，考慮地貌單元的因素，在同一地貌單元內(nèi)測試點盡量等間距布置，共布置測點15 組，分述如下：

山前洪積扇段管道長約15 km，管基地層為砂卵石及砂壤土，布設測點3 個；黑河、渭河漫灘段管道長約4.5 km，管基地層為砂卵石，布設測點3 個；渭河一級階地段管道長約6 km，管基地層為壤土，布設測點3 個；渭河二級階地段管道長約15 km，管基地層為黃土，布設測點3 個；黃土塬段管道長約1 km，管基地層為黃土，布設測點3 個。

測點間距一般1.5 km～5 km，最大深度均達到管基埋深，其中位于粗粒土地層中的5 個，細粒土地層中的10 個。各測點編號與地貌單元關系見表2。

表2 測點編號與地貌單元關系

2.2 測試方法

2.2.1 氧化還原電位

測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及其強弱。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為DMP-2，野外原位測試現(xiàn)場采用鉑電極法，分別測量5 支鉑電極對甘汞電位差，單位為 mV，計算公式為 E土地=E實測+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電能力的指標，一般認為，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作為衡量腐蝕程度的重要指標之一，視電阻率測試儀型號為ZC-8，現(xiàn)場測試采用對稱四極交流電法。視電阻率單位為Ω·m，計算公式為：

式中：a 為測量深度系數(shù)；R 為比例系數(shù)；T 為0.5 m 深度測量的土壤溫度；ρ15為經(jīng)過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極化曲線的測定，用低碳鋼板制25 mm×25 mm 的方形電極, 電極引線焊在每個電極背面,用環(huán)氧樹脂絕緣。對從野外取回的原狀土進行切割,使厚度介于50 mm～60 mm,夾于兩電極之間,電極與試驗土樣緊密接觸,保持10 min～15 min 后開始試驗。

為了測得極化曲線,將電源正負極接于鋼板,當電流密度逐漸增大時,電極產(chǎn)生極化。每個電流值的持續(xù)時間為5 min,電極間電位差的測量是在極化電路斷開時進行。當電極間極化電位差＞600 mV 時,終止試驗。按照取得的數(shù)據(jù),讀取電位差等于500 mV 時的電流密度值作為測定值，單位為mA/cm2，計算公式為：

式中：IK 為測得的電流值，mA；iK 為最終土壤極化電流密度。

2.2.4 質(zhì)量損失

土的標準質(zhì)量損失采用室內(nèi)管罐法測定，首先對標準試件進行去銹、去油，經(jīng)蒸餾水洗凈干燥后稱重，然后對野外采集的土壤進行烘干處理，進行研磨后過篩，之后將土樣放入試件中加壓，保持24 小時，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)，計算土的標準質(zhì)量損失，每個土樣作3 個試樣的平行試驗。

3 測試成果

根據(jù)原位及室內(nèi)測試，引漢濟渭二期北干線PCCP 段管道沿線各地層的土腐蝕性評價指標測試成果如表4。

表4 土對鋼結構腐蝕性測試成果表

4 土壤腐蝕性評價及分析

根據(jù)表1～表4，土對鋼結構的腐蝕性綜合評價如表5。由表5 可知：沿線土壤對PCCP 管具有微～強腐蝕性。

根據(jù)各測點地形地貌、地層巖性，對測試成果進行分析發(fā)現(xiàn)。

表5 土對鋼結構腐蝕性綜合評價表

由表5 及各測點地貌、地層，分析得出沿線土壤對PCCP管具有微～強腐蝕性，并有如下規(guī)律：

①各測點氧化還原電位、pH 值評價均為微腐蝕，視電阻率評價為微～中等腐蝕，極化電流密度腐蝕性評價為強腐蝕，質(zhì)量損失評價為微～弱腐蝕，腐蝕等級主要受極化電流密度的控制。

②粗、細粒土在氧化還原電位、質(zhì)量損失率方面差異較大，粗粒土這兩個指標評價均呈微腐蝕，細粒土氧化還原電位評價為中等腐蝕，質(zhì)量損失評價為弱腐蝕。

③河漫灘腐蝕等級為微腐蝕，山前洪積扇腐蝕等級為微～強腐蝕；渭河一、二級階地、黃土塬均為強腐蝕；

④粗粒土地層腐蝕等級均為微腐蝕，細粒土地層腐蝕等級均為強腐蝕。

5 結語

（1）根據(jù)測試成果，依據(jù)相關標準對引漢濟渭二期工程北干線PCCP 管段土壤腐蝕性進行綜合分析評價，沿線地層對鋼結構具腐蝕性，腐蝕等級為微～強腐蝕。建議采用防腐層外加陰極保護的聯(lián)合防護措施。

（2）管道沿線粗、細粒土對鋼結構的腐蝕性等級差別較大，設計防護措施時可在確保工程安全運行的前提下，根據(jù)管道所處土壤類別分別設計，以節(jié)省工期及工程量。

（3）PCCP 管結構特殊，目前尚無專門的腐蝕性評價體系，采用埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕評價標準來評價只是權宜之計。隨著國內(nèi)PCCP 管道應用的大發(fā)展，應及早建立PCCP 管土壤腐蝕性評價體系。