埋地鋼質供水管道土壤腐蝕性測試與評價

孫治新，劉康和，楊正春，劉棟臣，劉 潔

(1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601)

環境介質腐蝕性的定義：環境介質對建筑材料的化學、物理化學和生物化學作用的侵蝕能力。自然環境是一個復雜的物質體系，建筑材料的腐蝕現象，與其周圍環境各種物質的運動相聯系在一起。據不完全統計，全球每年因腐蝕造成的經濟損失約7千億美元，占各國國民生產總值的2%～4%。我國近年來腐蝕經濟損失平均高達1.5千億元左右，約占國民生產總值的4%。

在我國隨著基礎建設的快速發展，鋼結構構建的地下設施在輸供水、天然氣、石油等工程中得到廣泛應用。這些鋼結構設施大多埋在地下，周圍環境會對其產生不同程度的腐蝕，而土對鋼結構的腐蝕主要為原電池、細菌、雜散電流及酸類腐蝕，使得鋼結構設施的腐蝕會降低結構承載能力，減少結構設施使用壽命，如圖1所示。為查明屬于何種腐蝕及其腐蝕程度，需要對鋼結構設施場地土的物理性質、結構狀況、通氣性、含水量等進行調查與測試[1]，測定的主要項目有：土壤酸堿度(pH值)、土壤氧化還原電位、土壤電阻率、土壤極化電流密度、質量損失等內容，可為管道防腐設計、制造和施工提供科學依據。因此，測試和評價鋼結構設施所處環境的腐蝕原因及對鋼結構設施的腐蝕性程度，并采取有效的防護措施，對經濟建設具有重要的現實意義。

圖1 鋼質供水管道(PCCP管)腐蝕破壞

1 測試技術

1.1 酸堿度(pH值)測試

現場挖探坑至鋼結構埋置深度，平整坑底土層表面，采用錐形玻璃電極法，以飽和KCl甘汞電極為參比電極，在適中的位置插入待測土壤中，以它為圓心，以20～50cm為半徑的圓周上，取3等分插入3支錐形pH電極為指示電極，待平衡5～10min后，依次測試土壤的pH值(溫度自動補償)，進行算數平均后即為該土層的酸堿度(pH值)測試結果。

1.2 氧化還原電位測試

現場挖探坑至鋼結構埋置深度，平整坑底土層表面，采用鉑電極法，先將5只鉑電極插入欲測土壤中，平衡1h后，鉑電極接儀器正極，插在附近土壤中的飽和甘汞電極接儀器負極，進行測定，同時測定該土壤的溫度。

實測值(E實測)是土壤中鉑電極的電位值與甘汞電極的電位差，然后經過換算成以氫電極為基準的電位值(Eh土壤)和pH值校正，最終取得土壤pH=7的電位值(Eh7)。

1.3 電阻率測試

現場挖至供水管道管身埋深位置，平整坑底土層表面，采用對稱四極法，小極距測試，供電電極AB/2=0.3m，測量電極MN/2=0.15m，測量4組電阻率進行算數平均后即為該土層的實測土壤電阻率(ρ)。同時測定土壤的溫度。

為便于數據的相互比較，土壤視電阻率均校正至土壤溫度為15℃時的值，參與土壤腐蝕性評價。

1.4 極化電流密度

采用原位極化法。將2支金屬面積均為6.25cm2的電極插入待測土壤中，給儀器逐步加大電流，即得系列電位差。然后以電流除以電極面積(6.25cm2)得出的各個極化電流密度i(mA/cm2)為橫坐標，以測得的與各電流密度相應的電位差△U(mV)為縱坐標作圖，繪制電位差-電流密度曲線圖。從極化曲線上查出電位差△U=500mV時的極化電流密度i(mA/cm2)即為該土壤的極化電流密度。

1.5 質量損失測試

采用管罐法。用埋地鋼結構相同材料，制成一定規格面積、質量的鋼管，置于鐵皮罐中，在罐管間填充待測土壤，并加蒸餾水使其飽和，管為正極，罐為負極，通直流電6V、24h后取出鋼管，對其清洗除銹、烘干，然后稱其失重，即為質量損失。

2 工程實例

2.1 概況

某引調水工程供水管道采用壓力管道輸水(單聯PCCP管)，設計流量5m3/s，管線總長31.44km，管道埋深3.5～4.0m左右(管徑約2.0m)，輸水管采用明挖填埋的方法實施。

2.2 測試成果與評價

表1 土對鋼結構腐蝕性評價標準

2.2.1 土壤酸堿度(pH值)腐蝕性評價

一般來說，pH值越低，表明土壤去極化能力越強，金屬不易生成鈍化膜，因而土壤腐蝕性強。pH值越高，表明土壤堿性越大，金屬表面容易生成鈍化膜，對金屬產生一定的保護作用，因而土壤腐蝕性弱。

沿線土壤酸堿度(pH值)測試成果如圖2所示，由此可見所測定的15組酸堿度(pH值)變化范圍為6.17～7.84，均大于5.5，按表1均評價為微腐蝕。

圖2 土壤酸堿度(pH值)測試成果

2.2.2 土壤氧化還原電位腐蝕性評價

土壤氧化還原電位是反映土壤通氣狀況，反映土壤介質氧化還原程度強弱的一個綜合指標。它受土壤水分、有機質、鹽基狀況、通氣性的影響。

測定土壤氧化還原電位的主要目的是為了確定土壤微生物腐蝕的有無及強弱。土壤中對金屬腐蝕最嚴重的微生物是硫酸鹽還原菌，硫酸鹽還原菌在缺氧的還原性土壤(含有豐富的有機物質和適量硫酸鹽)中會大量繁殖，使鋼質材料失去電子而腐蝕。因此，氧化還原電位低，表明土壤體系通氣性差，以硫酸鹽還原菌為主的土壤微生物腐蝕性就嚴重；反之，則表明土壤體系通氣性較好，土壤微生物腐蝕性就弱。

沿線氧化還原電位測試成果如圖3所示，由此可見所測定的15組氧化還原電位變化范圍為472～837mv，均大于400mv，按表1均評價為微腐蝕。

圖3 土壤氧化還原電位測試成果

2.2.3 土壤視電阻率腐蝕性評價

土壤視電阻率腐蝕性的強弱，與土的粒度、含鹽量、含水量和溫度息息相關。土壤視電阻率是土壤導電能力的總體特征，是導電率的倒數，電阻率越低，電流越容易流過土壤，土壤的腐蝕性就越強。

沿線土壤視電阻率測試成果如圖4所示，由此可見所測定的15組視電阻率變化范圍為25.1～39.2Ω·m，按表1均評價為中腐蝕。

圖4 土壤視電阻率測試成果

2.2.4 土壤極化電流密度腐蝕性評價

土壤極化電流密度腐蝕性的強弱，不僅與土壤含水量(或干燥濕潤程度)、土壤中鹽的性質(易溶鹽、中熔鹽、難溶鹽)和鹽的含量有關，而且與成土地質條件、氣候特征等密切相關。一般而言，土壤在干燥狀態小，極化電流密度很低，幾乎沒有腐蝕性，但在濕潤狀態下，極化電流密度將根據含水量、易溶鹽量的變化而增大，對鋼結構的腐蝕性也將增強。

沿線土壤極化電流密度測試典型曲線如圖5所示，測試成果如圖6所示。由此可見所測定的15組極化電流密度變化范圍為0.002～0.086mA/cm2，按表1評價可得：TK3處為中腐蝕；TK4、TK6、TK7、TK8處為弱腐蝕；其余10處為微腐蝕。

圖5 TK10探坑極化電流密度曲線

圖6 土壤極化電流密度測試成果

2.2.5 質量損失腐蝕性評價

由于土壤中的溶液電解質作用，對埋在地下的鋼結構產生一定的化學反應，導致鋼結構腐蝕生銹，在鋼結構表面形成一層腐蝕物，腐蝕物的多少，是評價土壤對鋼結構腐蝕程度的一個重要指標。因此，腐蝕物越多，質量損失就越大，說明土壤對鋼結構的腐蝕程度越高，反之，則腐蝕程度就低。

表2 土對鋼結構的腐蝕性評價

沿線質量損失測試成果如圖7所示。由此可見所測定的15組質量損失變化范圍為1.5～3.5g，按表1評價可得：TK4、TK5、TK8處為強腐蝕；TK1、TK2、TK3、TK6、TK7、TK11、TK13、TK14、TK15處為中腐蝕；TK9、TK10、TK12處為弱腐蝕。

圖7 土壤質量損失測試成果

2.2.6 綜合評價

根據上述各項評價結果，選取各指標中腐蝕等級最高者作為綜合評價結果，見表2。從表2中可看出，該供水管道TK1～TK3，TK6～TK7和TK9～TK15等處土壤對鋼結構腐蝕性等級為中腐蝕性，TK4、TK5和TK8等處土壤對鋼結構腐蝕性等級為強腐蝕性。

鑒于該供水管道沿線土壤對鋼結構腐蝕性評價等級介于中-強腐蝕性，按照規范要求應采取相應防腐措施。因此建議，依據該輸水管道沿線地層巖性變化情況，在管道樁號0-111.92～4+909.05m，8+915.29～12+932.56m和14+840.24～30+825.57m土對鋼結構腐蝕性評價為中腐蝕的地段，使用長效涂層的保護方法進行防護；建議在樁號4+909.05～8+915.29m和12+932.56～14+840.24m土對鋼結構腐蝕性評價為強腐蝕的地段，使用陰極保護的方法防腐。

3 結語

以上詳細介紹了場地土壤對埋地鋼質供水管道的腐蝕性測試技術、數據處理方法及其腐蝕程度的評價標準與過程。通過野外測試和室內試驗，依據相關標準對管道沿線土壤腐蝕性進行評價，并根據評價結論給出采取管道涂層防腐和陰極保護方法防腐的建議。為埋地鋼質供水管道防腐設計、制造和施工提供科學依據，滿足了工程需要，取得了較好的經濟效益和社會效益。

PCCP管既是一種特殊的鋼結構，其中預應力鋼絲及鋼筒又區別于混凝土中的鋼筋，所以土壤對它的腐蝕情況具有特殊性，希望今后通過我們的努力，在實際工程應用中總結出一組針對PCCP管道腐蝕性評價標準。這一組評價標準不僅要能比較正確客觀反映土壤腐蝕的嚴重性，還應能方便地測量得到，同時必須具有一定的通用范圍及較普遍的代表性，而且要有預測性和相對的穩定性，這樣在使用中更為方便快捷且針對性更強。