淮水北调某输水管线土壤腐蚀性评价研究

钱朝阳

(蚌埠市勘测设计研究院，安徽 蚌埠 233000)

1 引 言

随着国民经济的发展，钢管在输送水源、天然气、石油等方面得到广泛应用。但钢结构在环境中会产生不同程度的腐蚀，钢结构腐蚀会降低结构承载力、会使钢管壁变薄等，若不注意维护，很容易减少钢结构使用寿命、甚至会发生事故。因此，测试评价钢结构所处环境的腐蚀原因及程度，采取针对有效的防护非常重要。土壤腐蚀是钢结构腐蚀的主要类型之一，土对钢结构的腐蚀性评价首先要根据钢结构埋置条件、现场地形地貌条件、地层情况、依据相关规范、任务要求等确定测试项目，再依据相关规范评价标准或任务要求等对测试成果进行综合评价，确定腐蚀程度。本文以淮水北调某输水管线工程实例来研究评价土壤对钢结构的腐蚀性，为管道防腐设计、制造、施工提供依据。

2 工程概况及地层情况

2.1 工程概况

淮水北调某输水管线工程沿途经安徽省蚌埠市怀远县、宿州市至淮北市某镇，全长约90 km，该工程线路示意如图1 所示;输水管道除2.5 km处于采矿塌陷区采用钢管明管铺设外，其余采用PCCP 管道(预应力钢筒混凝土管)地下埋设;设计管道埋深:一般线路地下3 m～5 m，取水口处地下约10 m，穿越河沟处地下5 m～9 m，穿越铁路、公路(高速或国道)处地下7 m～11 m;设计线路输水管道直径1.8 m;设计调水流量3 m3/s;为淮北某工业园煤化工项目提供水源，工程等别为Ⅱ等。原可研阶段对工程水文地质条件及环境水的腐蚀性已做了勘察和评价，为了查明管道沿线土壤对钢管的腐蚀原因及程度，以便管道从设计、制造、施工等各环节加强防腐控制，延长管道使用寿命、确保管道正常运行;要求对管道沿线土壤腐蚀性测试，评价沿线土壤对钢结构的腐蚀性。

图1 淮水北调某输水管线工程线路示意图

2.2 地层情况

据可研勘察资料，该输水管工程区位于淮北平原，管线穿越地层主要为河湖相冲、沉积的第四纪堆积物，具多元结构，勘探揭露基本以上更新统(Q3)重粉质壤土、粉质黏土、细砂为主，部分地段位于老沟口附近为全新统(Q4)淤泥、淤泥质黏性土及粉质壤土。

该输水管道沿线所揭露的第四纪地层15 m深内从上到下按土性特征可分为7 层(部分地段为0.3 m～1.0 m厚的人工填土除外):

④层以砂壤土夹轻粉质壤土为主，稍密，局部中密，为中低压缩性土层;断续分布，层厚一般1.0 m～3.5 m。部分为细砂，中密～密实，低压缩性土层;断续分布，层厚一般1.0 m～3.5 m。

3 土壤腐蚀性测试项目、方法及工作布置

3.1 测试项目的确定

根据设计要求，本次土壤腐蚀性测试依据《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)有关土对钢结构腐蚀评价规定并考虑设计管道实际布置情况和地貌等条件综合选定测试项目。按上述规范土对钢结构的腐蚀性测试项目包括:PH 值、氧化还原电位、极化电流密度、电阻率、质量损失等5 项。

因为PH 值、极化电流密度项目可取设计管道埋深处的原土进行测试，本次研究可以完成;氧化还原电位测试项目要求在现场挖至设计管道埋深处土体用铂电极和饱和氯化钾甘汞电极原位测试，因管道埋深大、线路长本研究项目无法完成;设计管道埋深处土的电阻率项目可以采用四极法在现场地面测试完成;质量损失项目要求拟用输水的钢管埋置于设计钢管深度土体中使用专用设备测定，本次研究处在可研阶段无钢管材料可做;因此，综上所述，本次研究确定测试项目为(视)电阻率、极化电流密度和PH 值。

3.2 测试方法简介

3.2.1 土壤电阻率测试

(1)基本原理

土是气体、液体、固体三相构成的不均匀体系，液体中含有电解质，固体中多含有带电荷的胶体，土体可视为多价电解质，在外加电场的作用下可导电。土的电阻率受土的含水量、含盐量、有机物、土的类别及土壤温度等影响较大。土的电阻率是评价土对钢结构腐蚀性的综合指标。

(2)现场工作方法

本次采用对称四极电测深法测取土壤的电阻率。在拟埋管道的场地，根据设计管道埋置的深度段，按一定间距布置电极插入土中，探测该深度的土壤电阻率。

(3)计算整理

土的电阻率ρ 按以下公式计算:

①ρ=2πLR，式中R=V/I，L(为a 或b)为电极间距，R 为电阻、V 为电位差、I 为电流。

②管道埋置的深度处土的电阻率计算:

ρ(a－b)=(ρaRb－ρbRa)/(Rb－Ra)

ρ(a－b):管道埋置的深度处的电阻率;

ρa:从地表至a 深度处(管道顶部)的电阻率;

ρb:从地表至b 深度处(管道底部)的电阻率;

Ra:测试a 深度处的接地电阻;

Rb:测试b 深度处的接地电阻。

3.2.2 土壤电流密度测试

(1)基本原理

在腐蚀原电池中，只要有电流通过电极，就有极化作用产生，极化作用是电流通过后引起电极电流下降，电极反应过程速度降低，腐蚀速度减缓的现象，极化作用主要决定于电极和土的物理化学特性。

(2)现场工作方法

本次采用极化曲线了解和评价土对金属的腐蚀性强弱。本次通过钻孔取设计钢管埋置处原土现场立即测试，将两电极金属(紫铜)面(面积6.25 cm2)相向平行对立，按一定间隔插入管道埋置深度的土样中，通过对电极按一定时间逐步增大供应电流，得到相应的极化电位差，当极化电位差达到600 mv以上时，可结束测试。

(3)评价指标确定

根据测试电极上逐步增大的恒定电流，各除以电极面积，得出各个电流密度。以各个电流密度Id(mA/cm2)为横坐标，再以测得的与各电流密度相应的电位差△E(mV)为纵坐标作图，即得极化曲线图。从极化曲线上查出电位差△E 为500 mV 时的电流密度Id(mA/cm2)的值，即为评价土的腐蚀性指标。

3.2.3 土壤PH 值测试

本次通过钻孔取设计钢管埋置处土样，送实验室采用电测法测试PH 值。

3.3 测试工作布置

本次土壤腐蚀性测试工作以可研管线道路工程地质勘察报告关于管道处各层土的类别特性为导向，按照蚌埠、宿州至淮北管线道路的测试桩号，并考虑管道结构和管线道路上的地貌、地电条件等，对设计管线埋置深度的土壤腐蚀性进行测试，总共选布30 个测试处，其中管道线路上按5 km左右布置一处测试，共布置17 处;管道穿越河沟、公路、铁路处布置13 处;每处测试的电阻率、极化电流密度、PH 值工作安排如下:

(1)电阻率:每处做十字(即在地面两个垂直方向)剖面测试管道埋置处土壤电阻率，取其平均值代表电阻率测试值。考虑管道直径1.8 m，测试管道顶部、底部深度各取设计管道埋置中心上、下各1 m处。

(2)极化电流密度:每处布置1 个钻探孔，考虑管道直径1.8 m，钻孔在每个设计管道埋置中心处及其上、下各1 m处各取原土样一个，共3 个土样，对各代表土样做极化电流密度测试。

(3)PH 值:每处对钻取的管道埋置处的代表层土样做室内PH 值试验。

4 土壤腐蚀性测试成果及分析评价

4.1 测试成果

管道埋置处土壤视电阻率测试成果及其各类土的PH 值试验成果如表1 所示，管道埋置处各类土的电流密度测试成果见表2，管道埋置处典型土类的极化曲线图如图2 所示。

管道埋置处土壤视电阻率测试成果及其各类土的PH 值试验成果 表1

管道埋置处各类土的电流密度测试成果 表2

图2 典型土样极化曲线

4.2 分析评价

据本工程可研勘察报告、设计管线埋深要求及本次钻探资料，该输水管线工程一般线路管道穿越地层主要为③层重粉质壤土或粉质黏土，少数为④层砂壤土或②层重粉质壤土;部分河沟处的虹吸管道或道路处的顶管穿越地层主要为⑤层粉质黏土或重粉质壤土，少数为④层砂壤土、细砂或⑥层细砂或⑦层粉质黏土或重粉质壤土。

根据《岩土工程勘察规范》(2009 版)GB50021－2001 规定，土对钢结构腐蚀性评价标准如表3 所示。

土对钢结构腐蚀性评价标准 表3

本次土壤腐蚀性各项测试成果依据表3 土对钢结构的腐蚀性评价标准，分析评价结果如下:

4.2.1 电阻率腐蚀性评价

(1)②层重粉质壤土、③层重粉质壤土或粉质黏土，视电阻率平均值各为16.6 Ω.m、19.8 Ω.m，均小于20 Ω.m，表明上述地层土对钢结构一般具有强等级腐蚀;部分③层土，视电阻率范围值为20.0 Ω.m～29.3 Ω.m处于20 Ω.m～50 Ω.m区间，对钢结构具有中等级腐蚀。

(2)④层砂壤土或细砂、⑤层粉质黏土或重粉质壤土、⑥层细砂、⑦层重粉质壤土，视电阻率范围值为25.2 Ω.m～37.7Ω.m，处于20 Ω.m～50 Ω.m区间，表明上述地层土对钢结构具有中等级腐蚀。

(3)综合以上各层土视电阻率对钢结构的腐蚀等级，本工程管线穿越地层土的电阻率对钢结构具有强等级腐蚀。

4.2.2 极化电流密度腐蚀性评价

(1)②层重粉质壤土、③层重粉质壤土或粉质黏土、⑤层粉质黏土或重粉质壤土、⑦层重粉质壤土，极化电流密度平均值在0.05 mA/cm2～0.20 mA/cm2区间，表明上述地层土对钢结构一般具有中等级腐蚀;部分上述地层土，极化电流密度范围值在0.02 mA/cm2～0.05 mA/cm2区间，对钢结构具有弱等级腐蚀。

(2)④层砂壤土或细砂、⑥层细砂，极化电流密度平均值在0.02 mA/cm2～0.05 mA/cm2区间，表明上述地层土对钢结构一般具有弱等级腐蚀;部分④层砂壤土或细砂，极化电流密度范围值在0.05 mA/cm2～0.20 mA/cm2区间，对钢结构具有中等级腐蚀。

(3)综合以上各层土极化电流密度对钢结构的腐蚀等级，本工程管线穿越地层土的极化电流密度对钢结构具有中等级腐蚀。

4.2.3 PH 值腐蚀性评价

测试的管线穿越②层至⑦层土的PH 值为6.39～7.99 均大于5.5，表明本工程管线穿越地层土的PH值对钢结构具有为微等级腐蚀。

5 结论及建议

(1)本次输水管线穿越的地层土壤对钢结构的腐蚀性评价结论:输水管线穿越的地层土壤，电阻率对钢结构的腐蚀性具有强等级腐蚀，极化电流密度对钢结构的腐蚀性具有中等级腐蚀，PH 值对钢结构腐蚀性具有微等级腐蚀。综合评价该输水管线穿越的地层土壤对钢结构的腐蚀性为强等级腐蚀。

(2)输水钢管的防腐措施应符合《工业建筑防腐设计规范》(GB50046)等有关内容的规定。建议输水钢管采取沥青类涂料防护，涂层厚度应符合GB50046的有关规定，钢管涂装前必须除锈，钢铁基层的除锈等级应符合GB50046 的有关规定要求。

(3)本输水管线穿越的各地层土壤对钢结构的腐蚀性评价结果，对上述该地区地层土壤或其他地区类似地层土壤中其他钢结构工程的腐蚀性评价具有参考作用。

［1］GB 50487－2008．水利水电工程地质勘察规范［S］．

［2］林宗元．岩土工程试验监测手册［M］．沈阳:辽宁科学技术出版社，1994．

［3］GB 50021－2001．岩土工程勘察规范［S］．

［4］GB/T50123－1999．土工试验方法标准［S］．

［5］俞蓉蓉，蔡志章．地下金属管道的腐蚀与防护［M］．北京:石油工业出版社，1998．

［6］李成军，马振洲．环境水和土壤对输水管道的腐蚀性分析与评价［J］．吉林水利，2013(1):13～16．

［7］张继信，施哲雄．埋地管道综合检测中的土壤腐蚀性评价［J］．化工设备与管道，2009，46(2):55～58．

［8］王长荣，李雯霞．埋地热力管线腐蚀失效的形式［J］．四川建材，2013(1):126～128．

［9］黄辉，张华．埋地钢质管道腐蚀环境检测与评价方法探讨［J］．全面腐蚀控制，2008，22(6):47～48．

［10］王芷芳．土壤的腐蚀性调查及评价［J］．化工腐蚀与防护，1997(4):17～21．