王家相，張 棚

(內(nèi)蒙古水利水電勘測設(shè)計院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

土壤腐蝕是腐蝕學研究中的一個重要課題。據(jù)統(tǒng)計，美國45%的管道損壞是由于土壤管道外腐蝕引起的，前蘇聯(lián)輸氣管道事故統(tǒng)計亦表明，因管道外腐蝕造成的事故率是施工問題的2倍。隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，長跨度供水工程大量建設(shè)，為保障工程質(zhì)量、減少資源浪費，科學合理的進行管線選址、管道選材、防腐處理，對長輸管道沿線進行土壤腐蝕性分析具有重要的現(xiàn)實意義。

引綽濟遼跨流域調(diào)水工程位于內(nèi)蒙古東北部興安盟至通遼境內(nèi)，全長約390km，穿越平原、低山、丘陵、河流等地形地貌，途徑烏蘭浩特市、科爾沁區(qū)等11個城區(qū)或開發(fā)區(qū)，設(shè)計最大年調(diào)水量4.88億m3，為大(2)型Ⅱ等工程。該工程規(guī)模大、線路長、跨越不同地質(zhì)單元多，為保證工程壽命，查明沿線土壤腐蝕性很有必要。

1 評價方法

1.1 評價指標的確定

目前已知影響土壤腐蝕的環(huán)境因素多達23種，作為土壤腐蝕性評價指標，應(yīng)能滿足代表性，能真實反映受腐蝕的嚴重程度；客觀性，即測量的可重現(xiàn)性足夠高；普遍性，即指標的適用范圍足夠廣。評價指標應(yīng)依據(jù)標準、結(jié)合經(jīng)驗和工程實際來選取。

本工程管道為預應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)，該管道從內(nèi)層至外層為水泥砂漿、薄鋼筒、徑向預應(yīng)力鋼絲、水泥砂漿，預制管道端口為半柔性承插接口。分析其結(jié)構(gòu)特征，該材質(zhì)的腐蝕作用主要分以下幾類，見表1。由表1可見，導致PCCP管腐蝕失效的原因主要為：

(1)混凝土腐蝕：由于混凝土碳化及硫酸鹽、堿土金屬鹽侵蝕而引起的混凝土結(jié)構(gòu)破壞、或由于腐蝕產(chǎn)物體積變化引起鋼絲繃斷，最終導致爆管。評價混凝土腐蝕的檢測指標一般有鈣離子、鎂離子、硫酸根、氯離子、pH、侵蝕性二氧化碳等。

表1 PCCP管腐蝕類型分析

(2)混凝土中鋼筋的腐蝕：由于混凝土的微孔存在高濃度氫氧化物，其形成的強堿性條件使鋼材鈍化，大大減緩了鋼材的腐蝕進程，處于混凝土中的鋼結(jié)構(gòu)本不易發(fā)生腐蝕。但碳化作用可使混凝土喪失強堿性，氯化物可透過微孔直接對鋼結(jié)構(gòu)形成孔蝕，導致鋼絲、鋼筒失效，最終導致滲漏或爆管。評價混凝土中鋼筋的腐蝕檢測指標一般有侵蝕性二氧化碳、氯離子等。

(3)其他環(huán)境綜合因素引起的腐蝕：由于土壤的不均勻性、地下水位及管線埋設(shè)深度的高低變化，造成金屬結(jié)構(gòu)埋設(shè)深度范圍內(nèi)的土壤，導電能力有區(qū)域性的變化，形成局部電勢差從而導致陰陽極。陽極部分腐蝕速度加快，管道壽命縮短。評價土壤導電能力的綜合指標是土壤電阻率。

表2 評價指標及評價等級

(4)外電場引起的腐蝕：常見的外電場干擾源有高壓輸電線路、大型變電站、電氣化鐵路、具有外電流保護的管線等。當輸水管線與其相交或接近時需考慮其影響，評價指標為電位梯度、交流干擾電壓。

綜上所述，結(jié)合設(shè)計標準與工程經(jīng)驗，本項目評價指標見表2。

其中依據(jù)的檢測和評價標準有GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》、GB/T 21246—2007《埋地鋼制管道陰極保護參數(shù)測量方法》、SY/T 0017—2006《埋地鋼制管道直流排流保護技術(shù)標準》、GB/T 50698—2011《埋地鋼制管道交流干擾防護技術(shù)標準》、T/CSCP 0034—2017《土壤腐蝕環(huán)境因素測量》。

1.2 指標的評價方法

本項目研究對象為PCCP管，其結(jié)構(gòu)決定了它的主要腐蝕類型為混凝土腐蝕、混凝土中鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕和雜散電流腐蝕，既有鋼混結(jié)構(gòu)的腐蝕特性，又有鋼質(zhì)管道的腐蝕特性，并不能完全照搬以往鋼結(jié)構(gòu)長輸管道的評價方式。由此，本文采取如下方式對腐蝕因素進行評價：

(1)對于表征混凝土腐蝕性的顯著指標給與“主要指標”，包括：pH、礦化度、Mg2+、Cl-、SO42-。

(2)對于表征混凝土中鋼筋腐蝕性的指標給與“主要指標”，包括：pH、Cl-。

(3)對于表征鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的綜合性指標給與“主要指標”，包括：電阻率。

(4)對于表征鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性的普通指標給與“次要指標”，包括：含水率、氧化還原電位、極化電流密度、質(zhì)量損失。

(5)對于雜散電流指標，在有干擾源的區(qū)域是主要指標。

(6)對于“主要指標”，采用單項指標法進行評價，采取就高不就低的原則，對各項指標進行獨立評價后，再給出綜合評價。

(7)對于“次要指標”，若其腐蝕性評級大于主要指標，則分析其原因，若腐蝕由于鋼材直接接觸土壤產(chǎn)生，則不考慮其影響。

(8)綜合上述檢測點的評價等級，確定管線區(qū)段的腐蝕性等級。

2 評價指標檢測

2.1 檢測點的選取

按照上述規(guī)范的要求，除非有充分資料認定沿線埋設(shè)深度范圍內(nèi)水土為微腐蝕，否則應(yīng)對環(huán)境水土都進行腐蝕性評價。為體現(xiàn)不同地貌單元數(shù)據(jù)的代表性，本項目檢測點按如下原則選?。?/p>

(1)依據(jù)管線埋設(shè)深度范圍內(nèi)的土層類型和地下水位的不同，劃分實驗區(qū)段。管線埋設(shè)深度范圍內(nèi)，土層類型一致、地下水位一致的，應(yīng)劃分為同一區(qū)段，土層類型或地下水位不一致的，應(yīng)劃分為不同區(qū)段。

(2)每區(qū)段按5km間距平均設(shè)點，不足5km的至少設(shè)2個檢測點，檢測點位置需在管線上。

(3)除原位測試外，檢測點在地下水位以上的，取埋深處土樣；檢測點在地下水位以下的，取埋深處水樣和土樣。

(4)根據(jù)踏勘和走訪，管線與外電場干擾源相距1km以內(nèi)的，做交直流干擾測試。

根據(jù)以上原則，本項目共設(shè)計檢測點64個，已完成23個。

2.2 電阻率

土壤電阻率是表征土壤導電能力的綜合性指標，它綜合反映土壤含水率、含鹽量、外電場干擾等情況，在不同環(huán)境下多次測量環(huán)境復雜區(qū)域或工程重點區(qū)域，摸清腐蝕特點，以便采取合理的防護措施?；蛲ㄟ^對比相近區(qū)域數(shù)據(jù)差異，分析腐蝕因素的區(qū)別，與其他指標相互印證。

土壤電阻率的檢測應(yīng)采用等距四極法，該方法檢測深度可隨意調(diào)節(jié)，實施方便，且行業(yè)適用普遍，檢測數(shù)據(jù)泛用性較高。缺點是凍土層、降雨對檢測結(jié)果影響極大，應(yīng)避免在這些情況下進行測試。

通常情況下，礫石電阻率>沙>干燥的砂質(zhì)土>干燥的黏性土>浸水的砂質(zhì)土>浸水的黏性土>鹽堿化的土壤。若結(jié)果電阻率遠大于經(jīng)驗電阻率，一般考慮地下巖石或空洞；若結(jié)果電阻率遠小于經(jīng)驗電阻率，一般考慮地下水影響、施肥、排放及外電場干擾。

本項目測深為管線埋設(shè)深度，所得統(tǒng)計結(jié)果見表3。其分布規(guī)律沿管線方向如圖1所示。

表3 管線埋設(shè)深度范圍內(nèi)土壤電阻率指標腐蝕等級統(tǒng)計

圖1 土壤電阻率指標腐蝕等級分布

2.3 pH

土壤的pH對材料的腐蝕有較大影響，在酸性土壤中，陰極主要發(fā)生H+的去極化過程；在弱酸或近中性的通氣土壤中，陰極主要發(fā)生吸氧腐蝕。同時，pH的變化還可以改變腐蝕產(chǎn)物的溶解度而影響陽極過程。當土壤pH較大時，有利于維持管道混凝土保護層的強堿性，保持金屬鈍化膜，有一定防腐作用，土壤腐蝕由其他因素主導。當接壤地區(qū)土壤pH變化較大時，會形成較大電勢差的宏電池，防腐時應(yīng)重點考慮。

土壤的pH宜采用錐形電極法直接檢測。經(jīng)對比試驗驗證，對于埋深較大，無法直接測量的情況，也可采取1∶1土水比制備土壤浸出液檢測的方法，本項目沿線取樣的土壤pH見表4。

表4 檢測點土樣pH指標腐蝕等級統(tǒng)計

由表4數(shù)據(jù)可見，本工程已完成檢測點中pH均大于5.5，其實際檢測數(shù)值均在7.4以上，應(yīng)全部評價為微腐蝕。結(jié)合工程經(jīng)驗來看，對于內(nèi)蒙古地區(qū)的非污染土壤，pH基本大于6，能產(chǎn)生酸性腐蝕的自然土壤極少。

2.4 Mg2+、Cl-、SO42-離子

SO42-、Cl-與混凝土中的氫氧化鈣和水化鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，體積增大一倍，引起混凝土層的膨脹、開裂、解體，使混凝土保護層失效，大量Mg2+與混凝土中的氫氧化鈣反應(yīng)生成鋁酸鎂膠體降低混凝土強度、堿性，使混凝土保護層崩解失效。且土壤中含有大量水和離子時，SO42-、Cl-離子能與進入土壤的Fe2+離子形成FeSO4、FeCl，加速鋼鐵的腐蝕。Cl-還會穿透混凝土微孔附著在鋼絲表面，直接腐蝕鈍化膜。

本項目目前完成檢測點所采取土樣，其浸出液鹽含量均小于200mg/kg，其Mg2+、Cl-、SO42-離子濃度及換算濃度，對混凝土及其中鋼質(zhì)均屬于微腐蝕范圍。對于管線埋設(shè)深度位于地下水位以下的位置，應(yīng)采取地下水樣品進行評價；對于水旱交替的區(qū)域，應(yīng)采用更嚴格的評價等級。

2.5 氧化還原電位

氧化還原電位以鉑電極為測量極，飽和甘汞電極為參比極，通過測量電勢差來表征土壤中正在進行的氧化與還原反應(yīng)的總和，常被用于衡量土壤中動植物及微生物活動情況，是評價細菌腐蝕情況的間接指標。

氧化還原電位應(yīng)進行原位測定，有腐蝕傾向的區(qū)域應(yīng)在不同環(huán)境條件下進行多次測量，以摸清腐蝕情況。氧化還原電位是體現(xiàn)在當前時間的混合電位，不同測量方法亦會對電極造成不同影響，因此在實際測量過程中強調(diào)電位的具體穩(wěn)定值是沒有意義的，應(yīng)只比較評價結(jié)果和改變趨勢。

工程經(jīng)驗及文獻數(shù)據(jù)指出，在自然環(huán)境下，該指標只有在較特殊的環(huán)境下才顯示出腐蝕傾向，故在此項目中作為次要指標供設(shè)計人員參考。本項目采用ORP計進行測量，為保證電極條件一致，ORP計儲存在3mol/L KCl電極液中，測量前用稀鹽酸浸泡后用純水沖洗。提供的數(shù)據(jù)已矯正為pH=7。氧化還原電位測量結(jié)果見表5。

表5 檢測點氧化還原電位指標腐蝕等級統(tǒng)計

本項目所有檢測點氧化還原電位均為微腐蝕。結(jié)合工程經(jīng)驗分析，以氧化還原電位為指標的腐蝕性評價，與電阻率、極化電流密度和質(zhì)量損失等其他指標關(guān)聯(lián)性較小，對于內(nèi)蒙古地區(qū)的一般性土壤(非耕作區(qū)、非浸水區(qū)、非腐殖質(zhì)土)，其檢測結(jié)果雖有地區(qū)差異及季節(jié)變化，但大體基本穩(wěn)定在350～600mV，在微弱腐蝕區(qū)域。

2.6 極化電流密度

極化曲線是解釋金屬腐蝕規(guī)律、探討腐蝕機制的基本方法，通過向被測體系施加不同強度的電勢差，測得電位—電流曲線，以分析電流流過土壤時引起的電極電流下降、腐蝕減緩的現(xiàn)象。極化曲線一般分為線性極化區(qū)、弱極化區(qū)、強極化區(qū)，線性極化區(qū)、弱極化區(qū)因加載電壓低，對土壤擾動小，更接近于自然狀態(tài)，得出結(jié)論更加可靠。

極化電流密度為電位差500mV時的極化電流密度，屬于強極化區(qū)，此時流過土壤電流較大，已無法使用曲線外推計算腐蝕速率，應(yīng)使用500mV時極化電流密度值橫向?qū)Ρ?，以確定土壤腐蝕性質(zhì)。相較于土壤電阻率，此指標更加微觀，他們從不同側(cè)面反應(yīng)了土壤腐蝕的綜合情況，一般可用來相互印證。

因本指標為綜合性指標，宜采用現(xiàn)場開挖原位檢測，有條件保存土壤原狀時也可室內(nèi)試驗。含水率對體系影響較大，檢測時應(yīng)確保樣品新鮮，若室內(nèi)試驗結(jié)果與電阻率結(jié)果級別不符，應(yīng)以電阻率為準；若原位測試結(jié)果與電阻率級別不符，應(yīng)分析原因進行復測。極化曲線可采用手工描點繪制。也可采用數(shù)據(jù)處理軟件自動擬合，取得較精確的試驗數(shù)據(jù)。

本項目研究對象為PCCP管道，管道存在金屬部分，不直接與土壤接觸，此指標作為次要指標供設(shè)計人員參考。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分布如圖2所示。

圖2 檢測點土樣極化電流密度指標腐蝕等級分布

極化電流密度指標顯示，管線頭部檢測點所采土壤對的鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性較大。此趨勢與質(zhì)量損失指標基本吻合，但與電阻率指標相違背，究其原因，頭部檢測點附近土壤含鹽量較大，但含水率均很低，自然狀態(tài)下，土中鹽分缺乏介質(zhì)(表現(xiàn)為電阻率較大)，較難侵蝕鋼管；實驗室條件下，因試驗條件要求，均需提高土壤含水率，此時土壤鹽分溶解更加充分，自然狀態(tài)下無法溶解的鹽分也參與到腐蝕行為中，造成腐蝕性較強。故此處應(yīng)以電阻率檢測結(jié)果為準。

2.7 質(zhì)量損失

質(zhì)量損失是土中鹽類對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的綜合性指標之一[1]，是利用外加電流加速模擬鋼材在土壤中長期埋設(shè)的腐蝕過程，測定鋼材質(zhì)量損失的試驗。該模擬試驗條件逼真，且規(guī)定了試件、試罐的大小；土壤顆粒度及含水率；壓實程度；通電時間、電壓等指標，使試驗結(jié)果具有橫向可比性，且其腐蝕產(chǎn)物、腐蝕后鋼材表面形態(tài)較直觀，便于研究，對于一般工程的腐蝕性勘察有很好的指導作用。因其討論對象為鋼管，本項目作為次要指標供設(shè)計人員參考。統(tǒng)計數(shù)據(jù)分布如圖3所示。

圖3 檢測點土樣質(zhì)量損失指標腐蝕等級分布

2.8 電位梯度及交流干擾電壓

雜散電流分為直流雜散電流與交流雜散電流，直流雜散源常為電氣化鐵路、外電流保護管道、排流地線等，直流雜散電流一般由導體流入大地和管道，在埋地導體上產(chǎn)生電流形成腐蝕電池；交流雜散源常有高壓輸電線路、變電站等，常通過電容、電感等原件在埋地導體中形成感生電勢，造成腐蝕。金屬外加電流的腐蝕速度一般比自然腐蝕速度快幾倍至幾十萬倍，對于有電流源的區(qū)域，雜散電流腐蝕是管道穿孔的主要原因，對此類區(qū)域評價雜散電流干擾至關(guān)重要。雜散電流的作用方式、作用時間、作用強度取決于雜散電流源的性質(zhì)，評價雜散電流干擾首先要明確雜散電流源的類型、作用時間，在干擾最大時進行交流、直流雜散電流檢測，最少檢測1個負荷變化周期，以探明腐蝕特點。

直流干擾一般采用雙硫酸銅電極十字交叉法，延干擾源徑向和垂直分別測量土壤電位梯度，若土壤電位梯度較大，則說明土壤中有外電場干擾。交流干擾一般采用測量管地電壓的方式初步排查，對于未埋設(shè)的管道采用碳鋼電極代替。對于確定存在交流干擾的區(qū)域，應(yīng)檢測交流電流密度進一步判斷腐蝕性等級，以便確定防腐方式。為方便捕捉交直流干擾的極值、變化周期；方便數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，一般采用儲存式萬用表測量。

本項目管線有2處與高壓輸電線路交叉，檢測結(jié)果均有中等直流干擾，無交流干擾。

3 指標評價

各檢測點的主要指標中，表征混凝土及其中鋼筋腐蝕性的指標，均為微腐蝕，說明各檢測點附近土壤內(nèi)，因離子腐蝕(混凝土硫酸鹽腐蝕、氯離子孔蝕等)發(fā)生混凝土保護層失效或混凝土保護層內(nèi)鋼絲失效的可能性較低；表征鋼結(jié)構(gòu)腐蝕的綜合性指標，依區(qū)段不同呈不同的腐蝕等級，說明沿線土壤差異性較大，采取不同防腐措施時應(yīng)考慮因臨近土壤導電性不同而產(chǎn)生的宏電池。次要指標中，氧化還原電位指標均為微腐蝕，指示微生物腐蝕的可能性較低；極化電流密度、質(zhì)量損失指標的結(jié)論，經(jīng)分析，應(yīng)以電阻率檢測結(jié)果為準。對于管線與高壓線交叉的部分，應(yīng)重點保護。

綜上所述，筆者認為，因本工程使用材料為PCCP管，鋼制管道不與土壤直接接觸，且離子腐蝕致保護層或鋼絲失效的可能性較低，又考慮到長輸管道供水安全的重要性，土壤腐蝕性等級應(yīng)以電阻率腐蝕等級為準。為降低宏電池的危害，對于弱腐蝕區(qū)的微腐蝕點，也應(yīng)按弱腐蝕處理。對于管線與高壓線交叉的部分，應(yīng)按中腐蝕處理。