基于原型腐蝕試驗開展埋地輸水管道耐久性能的研究

孫兆斌 王 婷 王 剛

（1. 寧夏青龍管業集團有限公司，寧夏 銀川 750000；2. 寧夏回族自治區水利工程建設中心，寧夏 銀川 750000；3. 銀川高新技術產業開發有限責任公司，寧夏 銀川 750000）

0 引言

鋼筋纏繞預應力鋼筒混凝土管道（Bar-wrapped Cylinder Concrete Pressure Pipe，簡稱BCCP）[1]。是繼承了PCCP高工壓、高抗滲性、高密封性等優點[2]，同時采用了應力等級較低的冷軋帶肋預應力鋼筋代替高強預應力鋼絲，并將最外層30mm厚的噴射砂漿保護層替換為50mm厚的細石混凝土保護層，從而克服了PCCP高強預應力鋼絲易發生氫脆斷裂的問題并提高了管道自身的耐腐蝕性能。經過在寧夏及西北地區近年的使用和實踐，該管型已在寧夏固原地區城鄉飲水安全水源工程、寧夏中寧縣喊叫水揚水工程、山西省禹門口泵站更新改造工程等一系列大型輸水工程相繼施工建設并投入使用。

目前有關氯離子在混凝土內傳輸規律的研究多采用試件模型在實驗室內進行[3]，這對于普通鋼筋混凝土結構，如橋梁、大壩、碼頭等建筑結構具有較好的參考價值，但對于BCCP，由于其結構形式獨特、生產工藝要求高、尺寸大等特點，無法在實驗室內還原其實際結構，如果繼續采用室內試驗研究其耐久性能，得出的研究結果必然無法準確反映其耐久性能[4]。為此，本章提出了一套研究BCCP管道耐久性能試驗方法，主要包括腐蝕試驗池設計、試驗管材準備、數據采集方案等，為埋地混凝土管道耐久性研究提供參考借鑒。

1 試驗管型

BCCP試驗管選擇在目前寧夏地區現場施工中使用的普通管型，其管材已在制管企業嚴格按照規范流程制作與養護完成。依托于現場的施工條件，本次試驗選取一根DN1400的PCCP和一根DN1200的BCCP，均為埋置式管型，主要參數如表1所示。

表1 試驗管道基本參數

基于現場的基礎設施，設計了原型管道試驗池，該試驗池具有如下獨特性：

（1）首次實現在施工現場進行管道整體試驗浸泡；

（2）通過分層隔斷設計，每根管道可模擬國內施工現場絕大部分土壤腐蝕工況；

（3）管道端口進行雙膠圈承插接口對接，接口同時進行浸泡，可以同時研究雙膠圈承插管道接口腐蝕試驗，進而開展承插接口耐久性相關研究。

2 場地概況

試驗場地位于寧夏固海揚水項目施工現場，現場開挖基坑，采用高強度防水封閉材料對底部和側壁的做好防水施工，防止試驗溶液滲漏，影響試驗準確性，對PCCP/BCCP管道進行腐蝕試驗，現場勘測蒸養池的尺寸為7.9×6×1.8m，可同時容納2根管徑不大于1500mm的試驗管。

3 結構設計[5]

腐蝕試驗池根據試驗池的尺寸和試驗管尺寸，通過砌墻隔斷設計，將腐蝕坑沿管長方向分為8段，共16個隔間，同時管道兩端均安裝承口和插口，用于拼接的承口和插口是從同種管型上切割而來，這樣每根管道各包含4個承插口隔間，基于該腐蝕試驗池，可實現對一根PCCP管和一根BCCP管同時進行多種工況下的腐蝕試驗研究[6]，以分析PCCP/BCCP在多種腐蝕環境下的耐久性能[7]，極大地節約了試驗成本。

3.1 試驗池防腐防水設計

3.1.1 試驗池墻身防腐設計

所有直接接觸到腐蝕溶液的墻體，均需對墻面進行防腐措施，保證墻面不受腐蝕介質的侵蝕作用，避免改變腐蝕溶液的濃度。所用的防腐措施為無溶劑改性聚脲防腐涂料，即先在墻體表面涂刷一道封閉底漆，后進行改性聚脲防腐噴涂，噴涂厚度1.7mm，最后做閉水試驗，驗證管道防腐性和防水性能。

3.1.2 管道與墻體接觸面防水防腐設計

為防止溶液通過管道與墻體接縫處發生互滲行為，導致腐蝕溶液溶度與類型變化。首先用防水砂漿將所有接縫處封堵，再涂刷一層聚脲封閉底漆。

3.1.3 所用材料及施工過程

所用涂料為無溶劑改性聚脲防腐涂料，該漆漆膜光亮、致密，對土壤中酸、堿、鹽和細菌等有優異的防腐性能，固體含量高，適合涂厚，減少施工程序，降低施工成本。

所用一種不含任何溶劑或揮發性的有機化合物，涂料通過化學反應形成100%固體含量的環保型聚氨酯涂層，可耐大部分的腐蝕介質酸堿、鹽、海水等的長期浸泡，是優異的重防腐材料。反應活性高、固化速度快5～10s凝膠，5min實干，一次施工厚度無限制，施工周期短效率高。

3.2 試驗池封蓋設計

為了避免溶液過度揮發或者下雨造成溶液濃度改變，試驗池需加設池蓋。池蓋采用多個泡沫夾芯板組合而成，再遇到雨天或者冬季低溫時，蓋板上再加蓋一層PVC涂塑布。

3.2.1 冬季防凍設計

由于腐蝕試驗持續時間長，寧夏冬季最低溫達到-25℃左右，溫度降低會引起鹽溶液中鹽結晶析出、溶液凍結、對管道造成凍融循環損傷等問題，因此，在冬季試驗期，需要對腐蝕試驗采取一定的防凍措施[8,9]。根據現場試驗條件和試驗要求，本次試驗采用了如下兩種方法對管道進行防凍控制：

（1）通暖汽：鋪設一條專用暖汽管道，暖汽通過事先留置的通氣孔擴散至整個試驗池，為腐蝕坑保溫；

（2）加熱棒加熱：在試驗管內部放入一定體積的水，根據試驗溫度要求，放入功率大小合適的加熱棒，進行加熱維溫。

3.2.2 干濕交替方法

為了加速腐蝕進程，同時模擬地下水位變化造成的干濕交替環境，采取4臺抽水泵對兩根管道內腐蝕溶液進行置換，兩根管道內的腐蝕溶液采用交叉對抽的方式實現干濕循環，每根管道浸泡2d，自然風干2d，每個干濕循環周期為4d，干濕比為1。

3.2.3 腐蝕溶液

為研究氯鹽和硫酸鹽環境下PCCP/BCCP管道的耐久性能，腐蝕溶液濃度主要包括3.5%Nacl、5%N a C l 和1 0%N a C l 的三種單一氯鹽濃度、0.5%NaSO4、5%NaSO4和8%NaSO4三種單一硫酸鹽濃度、3.5%NaCl+0.5%NaSO4、5%NaCl+5%NaSO4和10%NaCl+8%NaSO4三種氯鹽-硫酸鹽耦合濃度[10,11]，為保證溶液濃度穩定，每1個月對溶液濃度進行檢測，并及時更換一次溶液。

3.2.4 承插口設計

試驗用承插口直接從同種管型的管道上切割獲得，切割總長500mm，切割過程和安裝過程采用普通路面切割機，切割完成后將承插口分別與管道承插口端對接安裝，填縫砂漿為大流動性砂漿，所用配比及回填方法與管道實際施工過程一致。

4 試驗管材準備

試驗管材在開始腐蝕試驗前，預先埋入用于監測管道腐蝕進程的壓電陶瓷傳感器。對于PCCP試件，由于采用的是噴漿法制作砂漿保護層，為防止傳感器的導線損壞，傳感器采用“點布置”方法埋置，即在開始噴漿前，預先將傳感器安裝在標記位置，噴漿完成后根據標記點取出導線，再用環氧砂漿修補保護層。對于BCCP試件的立式澆筑保護層過程，采用“線布置”的方法埋置傳感器，即將相同位置處的傳感器導線合成一條直線后延伸至管道的一端。

5 管道腐蝕參數采集

5.1 離子含量檢測

依據JGJ/T 322-2013《混凝土中氯離子含量檢測技術規程》和GB/T 11899-89《水質-硫酸鹽的測定-重量法》。進行PCCP砂漿保護層和BCCP細石混凝土保護層內的氯離子和硫酸根離子含量測定。

（1）氯離子含量測定流程為：鉆心取樣→切片→磨粉→105°C烘2h→浸泡粉樣24h→氯離子含量滴定。

自由氯離子含量可通過式（1）計算：

CAgNO3：硝酸銀標準溶液的濃度（mol /L）；

V3：滴定時硝酸銀標準溶液的用量（mL）；

G：砂漿樣品質量（g）；

V2：每次滴定時提取的濾液量（mL）；

V1：浸樣品的蒸餾水用量（mL）；

（2）硫酸根離子含量測定流程為：鉆心取樣→切片→磨粉→秤重→滴定→高溫爐灼燒→最終稱重。

測試周期為：每10個干濕循環（40d）取芯一次；

（3）取芯深度：對于PCCP管道，取芯深度為30mm；對于BCCP管道，取芯深度為50mm。

5.2 腐蝕狀態主動監測技術

交流阻抗腐蝕監測儀采用交流阻抗測量原理，根據交流阻抗的高頻和低頻區阻抗來測量溶液電阻Rs和極化電阻Rp，再根據Stern方程icorr=B/Rp，計算腐蝕電流密度icorr和腐蝕速率。其中B為Stern系數，對于活化體系，B=26mV，對于鈍化體系，B=52mV（也可以通過極化曲線測量來計算B值）。測量腐蝕體系高低兩個頻點的阻抗，通過高頻（如10KHz）阻抗測量出介質電阻Rs，通過低頻（如0.01Hz）測量Rs與Rp之和。二者相減可得到極化電阻Rp，而測量結果不會受到介質電阻的影響。

采用線性計劃探針可實現對管道保護層內硫酸根離子、預應力鋼筋界面氯離子數據的采集，采集數據之后傳遞到交流阻抗腐蝕監測儀并通過無線信號發生器發射至電腦端腐蝕監測軟件中。

采用該方法可以避免復雜的阻抗譜解析，基于阻抗測量的腐蝕監測方法特別適用于高阻體系的腐蝕測量，一般介質電阻較大的腐蝕環境，如含油污水、土壤或混凝土體系，具有測量結果穩定、抗干擾能力強等特點。

腐蝕監測儀采用通訊電纜與控制計算機組成腐蝕監測網絡，用戶可在PC機上進行數據處理、存檔，并可將極化電阻、溶液電阻和腐蝕速率～時間曲線顯示在屏幕上。

5.3 損傷層厚度檢測

參照標準CECS21-2000《超聲法檢測混凝土缺陷》，利用超聲波平測法，檢測管道保護層受硫酸鹽腐蝕厚的損傷層厚度。超聲法主要是通過測量信號在混凝土中傳播的速度、波幅、主頻等聲學參數的變化，判定混凝土內部的損傷情況。

5.4 微觀測試

水泥基材料宏觀性能的表現與其微觀狀態有著密切的關系，因此，通過從宏觀→微觀→宏觀的研究思路，分析管道保護層在不同腐蝕環境的損傷程度。將采用XRD、TG、SEM、MIP等微觀測試技術分別用于測定管道保護層受侵蝕的物相組成成分變化、各物相含量變化、微觀形貌變化以及孔隙結構特征變化等參數，測試所用儀器和測試參數如表2所示。同時結合宏觀指標參數，分析硫酸鹽主要侵蝕產物鈣礬石和石膏的生長量變化，識別氯離子結合作用生成F鹽，分析硫酸鹽-氯鹽在侵蝕過程中的相互影響機理[12,13]。

表2 微觀測試所用儀器設備和測試參數

6 結語

綜上所述，本文主要基于埋地輸水管道腐蝕試驗開展管道耐久性能的研究，建立了一套完整的、可行性強的原型管道腐蝕試驗方法。通過開展PCCP/BCCP原型管道腐蝕試驗，可根據試驗需求，進行不同比例濃度下單一氯鹽、單一硫酸鹽及多種耦合溶液腐蝕試驗，同時獲取多種腐蝕工況下的管道腐蝕參數，可以更準確模擬現場管道真實土壤腐蝕性環境狀態，為有效評價管道的耐久性能及壽命預測分析提供了研究基礎。