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應力鋼筒混凝土管道(英文縮寫PCCP)、鋼管、球墨鑄鐵管等埋地鋼質管道，而埋地鋼質管道的腐蝕直接影響輸水工程的壽命和供水安全，由于埋地鋼質管道在我國應用時間相對較短，對鋼質管道腐蝕的原因及防腐蝕技術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，是遼寧省重大的區域性水資源配置工程，涉水人口1400余萬。管道設計輸水壓力0.6MPa，PCCP管道及鋼管等鋼質管道總長度約600km，沿線設有9個配水站，2010年通水運行，是我國較早建設的長距離輸水重點工程之一。

2 腐蝕的發生

2019年3月，9號配水站內發生管道漏水現象，該輸水管道已運行近10年。經開挖發現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，管道材質為Q235C。鋼管長5m范圍內管體有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，鋼管埋設有犧牲鎂陽極塊進行陰極保護，犧牲鎂陽極塊設計壽命為25年。

配水站由綜合辦公樓、配水閥室、調流閥室、流量計室、穩壓塔和閥門井室等構成。

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

圖2 9號配水站周邊環境位置

4 檢測分析

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

4.1 管道周圍環境介質腐蝕影響

根據《巖土工程勘察規范》(GB 50021—2001)中“土對鋼結構腐蝕性評價”標準內容，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“土對鋼結構腐蝕性評價”強腐蝕標準不大于20Ω·m的要求。綜合評價結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構腐蝕性測試評價

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 埋地鋼質管道直流電干擾檢測

監測結果顯示，管道電位穩定在-0.63V，電位無明顯波動，處于自然電位狀態。埋地鋼質管道直流電干擾曲線見圖4。

圖4 埋地鋼質管道直流電干擾曲線 (2019年10月31日)

《埋地鋼質管道直流電干擾防護技術標準》(GB 50991—2014)規定：

a.管道工程處于設計階段時，可采用管道擬經路由兩側各20m范圍內的地電位梯度判斷雜散電流的強弱，當地電位梯度大于0.5mV/m時，應確認存在直流雜散電流；當地電位梯度大于或等于2.5mV/m時，應評估干擾，并根據結果預設措施。

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應采取措施。

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

因此，檢測結果為9號配水站埋地鋼質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 埋地鋼質管道交流電干擾檢測

配水站西側約150m處為客運專線高速鐵路，南側約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管道的主要交流電干擾源。通過測試配水站內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。配水站內管道的交流電壓測試結果見圖5。

圖5 埋地鋼質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生一個波動，每個波動正好對應盤營高鐵有高鐵經過的時間，在沒有高鐵經過的時間段內，管道交流電干擾電壓為0V，高鐵經過時，交流電壓上升，最高達到0.11V。

根據《埋地鋼質管道交流電干擾防護技術標準》(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。

根據配水站的土壤電阻率和標準計算公式，計算配水站內的交流電壓密度在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 陰極保護狀態檢測

4.3.1 陰極保護設計參數

9號配水站內共有約1079m埋地鋼質管道，管道分為φ3020壁厚26mm、φ2420壁厚20mm、φ2020壁厚20mm、φ1420壁厚16mm、φ820壁厚10mm等多種規格，管道材質為Q235C，防腐層類型為無溶劑環氧樹脂重防腐，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有絕緣接頭。

根據《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》(GB/T 21448—2017)，管道防腐層的限制臨界電位不應低于-1.20V(CSE)，并應防止防腐層出現陰極剝離、起泡、管體氫脆現象。

直埋鋼管采用規格為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

在穩壓塔位置開挖檢測鎂陽極塊，鎂陽極塊設計質量為14kg，設計壽命25年，現已埋設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，現鋼管表面油漆已經被滲透，腐蝕速度為前十年的1.5倍計算，陽極塊利用系數為85%，剩余壽命為7.43年，總使用壽命17.43年，遠遠小于設計使用壽命。

在穩壓塔埋設鎂陽極塊位置檢查鋼管腐蝕情況(見圖7)，發現鋼管大面積油漆鼓泡，鼓泡內充滿水，局部出現腐蝕點，深度達到1～3mm，并有黑色殘留物。

圖7 穩壓塔檢查鋼管現狀

4.3.3 陰極保護測試結果

穩壓塔位置挖出的鎂陽極測試結果為閉路電位-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，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。

除漏水點外，又分別在站內選取3個位置進行管道電位檢測，測試結果見表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 配水站內陰極保護電位測試結果統計 單位：V

現場調查測試發現，流量計室和調流閥室的閥門上，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為電連接狀態。采用萬用表測試扁鐵位置的電位，扁鐵位置的電位和對應管道位置電位接近，在-0.68～-0.61V之間，表明扁鐵與管道處于完全電連接狀態。

管道腐蝕漏水位置的閥井內管道與閥井內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。測試閥井內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。測試閥井內管道電位和閥井內的鋼筋電位一致，表明管道與閥井內的鋼筋處于電連接狀態。鋼筋在混凝土中的自然電位為-100～-200mV，測試目前閥井內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。同時由于站內采用犧牲鎂陽極保護，犧牲陽極數量較少，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險。在穩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

根據測試結果9號配水站建筑物和構筑物鋼筋網及接地網均與輸水管道焊接相連，形成電連接，配水站內鋼筋量約1400t。鋼管陰極保護的犧牲鎂陽極僅按照鋼管量進行設計埋設，配水站內的鋼筋量超過設計鋼管總量，形成了犧牲鎂陽極同時保護鋼管和建筑物鋼筋網的現象，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計標準，導致鋼管加速腐蝕。

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，漏水點管徑為820mm，壁厚10mm，壁厚相對其他部位較薄，較先產生腐蝕泄漏。

6 鋼管腐蝕原因總結

a. 配水站內管道交流電壓小，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構有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋有微腐蝕性。

d. 犧牲鎂陽極在運行狀態，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。

e. 配水站管道與建筑物和閥井內的接地和鋼筋處于電連接狀態。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 語

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

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

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，陰極保護犧牲陽極消耗過快，使用壽命遠遠小于設計使用壽命。

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