引绰济辽沿线土壤对输水管道腐蚀性分析

王家相，张 棚

(内蒙古水利水电勘测设计院，内蒙古 呼和浩特 010021)

土壤腐蚀是腐蚀学研究中的一个重要课题。据统计，美国45%的管道损坏是由于土壤管道外腐蚀引起的，前苏联输气管道事故统计亦表明，因管道外腐蚀造成的事故率是施工问题的2倍。随着我国经济的迅猛发展，长跨度供水工程大量建设，为保障工程质量、减少资源浪费，科学合理的进行管线选址、管道选材、防腐处理，对长输管道沿线进行土壤腐蚀性分析具有重要的现实意义。

引绰济辽跨流域调水工程位于内蒙古东北部兴安盟至通辽境内，全长约390km，穿越平原、低山、丘陵、河流等地形地貌，途径乌兰浩特市、科尔沁区等11个城区或开发区，设计最大年调水量4.88亿m3，为大(2)型Ⅱ等工程。该工程规模大、线路长、跨越不同地质单元多，为保证工程寿命，查明沿线土壤腐蚀性很有必要。

1 评价方法

1.1 评价指标的确定

目前已知影响土壤腐蚀的环境因素多达23种，作为土壤腐蚀性评价指标，应能满足代表性，能真实反映受腐蚀的严重程度；客观性，即测量的可重现性足够高；普遍性，即指标的适用范围足够广。评价指标应依据标准、结合经验和工程实际来选取。

本工程管道为预应力钢筒混凝土管(PCCP)，该管道从内层至外层为水泥砂浆、薄钢筒、径向预应力钢丝、水泥砂浆，预制管道端口为半柔性承插接口。分析其结构特征，该材质的腐蚀作用主要分以下几类，见表1。由表1可见，导致PCCP管腐蚀失效的原因主要为：

(1)混凝土腐蚀：由于混凝土碳化及硫酸盐、碱土金属盐侵蚀而引起的混凝土结构破坏、或由于腐蚀产物体积变化引起钢丝绷断，最终导致爆管。评价混凝土腐蚀的检测指标一般有钙离子、镁离子、硫酸根、氯离子、pH、侵蚀性二氧化碳等。

表1 PCCP管腐蚀类型分析

(2)混凝土中钢筋的腐蚀：由于混凝土的微孔存在高浓度氢氧化物，其形成的强碱性条件使钢材钝化，大大减缓了钢材的腐蚀进程，处于混凝土中的钢结构本不易发生腐蚀。但碳化作用可使混凝土丧失强碱性，氯化物可透过微孔直接对钢结构形成孔蚀，导致钢丝、钢筒失效，最终导致渗漏或爆管。评价混凝土中钢筋的腐蚀检测指标一般有侵蚀性二氧化碳、氯离子等。

(3)其他环境综合因素引起的腐蚀：由于土壤的不均匀性、地下水位及管线埋设深度的高低变化，造成金属结构埋设深度范围内的土壤，导电能力有区域性的变化，形成局部电势差从而导致阴阳极。阳极部分腐蚀速度加快，管道寿命缩短。评价土壤导电能力的综合指标是土壤电阻率。

表2 评价指标及评价等级

(4)外电场引起的腐蚀：常见的外电场干扰源有高压输电线路、大型变电站、电气化铁路、具有外电流保护的管线等。当输水管线与其相交或接近时需考虑其影响，评价指标为电位梯度、交流干扰电压。

综上所述，结合设计标准与工程经验，本项目评价指标见表2。

其中依据的检测和评价标准有GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》、GB/T 21246—2007《埋地钢制管道阴极保护参数测量方法》、SY/T 0017—2006《埋地钢制管道直流排流保护技术标准》、GB/T 50698—2011《埋地钢制管道交流干扰防护技术标准》、T/CSCP 0034—2017《土壤腐蚀环境因素测量》。

1.2 指标的评价方法

本项目研究对象为PCCP管，其结构决定了它的主要腐蚀类型为混凝土腐蚀、混凝土中钢结构的腐蚀和杂散电流腐蚀，既有钢混结构的腐蚀特性，又有钢质管道的腐蚀特性，并不能完全照搬以往钢结构长输管道的评价方式。由此，本文采取如下方式对腐蚀因素进行评价：

(1)对于表征混凝土腐蚀性的显著指标给与“主要指标”，包括：pH、矿化度、Mg2+、Cl-、SO42-。

(2)对于表征混凝土中钢筋腐蚀性的指标给与“主要指标”，包括：pH、Cl-。

(3)对于表征钢结构腐蚀的综合性指标给与“主要指标”，包括：电阻率。

(4)对于表征钢结构腐蚀性的普通指标给与“次要指标”，包括：含水率、氧化还原电位、极化电流密度、质量损失。

(5)对于杂散电流指标，在有干扰源的区域是主要指标。

(6)对于“主要指标”，采用单项指标法进行评价，采取就高不就低的原则，对各项指标进行独立评价后，再给出综合评价。

(7)对于“次要指标”，若其腐蚀性评级大于主要指标，则分析其原因，若腐蚀由于钢材直接接触土壤产生，则不考虑其影响。

(8)综合上述检测点的评价等级，确定管线区段的腐蚀性等级。

2 评价指标检测

2.1 检测点的选取

按照上述规范的要求，除非有充分资料认定沿线埋设深度范围内水土为微腐蚀，否则应对环境水土都进行腐蚀性评价。为体现不同地貌单元数据的代表性，本项目检测点按如下原则选取：

(1)依据管线埋设深度范围内的土层类型和地下水位的不同，划分实验区段。管线埋设深度范围内，土层类型一致、地下水位一致的，应划分为同一区段，土层类型或地下水位不一致的，应划分为不同区段。

(2)每区段按5km间距平均设点，不足5km的至少设2个检测点，检测点位置需在管线上。

(3)除原位测试外，检测点在地下水位以上的，取埋深处土样；检测点在地下水位以下的，取埋深处水样和土样。

(4)根据踏勘和走访，管线与外电场干扰源相距1km以内的，做交直流干扰测试。

根据以上原则，本项目共设计检测点64个，已完成23个。

2.2 电阻率

土壤电阻率是表征土壤导电能力的综合性指标，它综合反映土壤含水率、含盐量、外电场干扰等情况，在不同环境下多次测量环境复杂区域或工程重点区域，摸清腐蚀特点，以便采取合理的防护措施。或通过对比相近区域数据差异，分析腐蚀因素的区别，与其他指标相互印证。

土壤电阻率的检测应采用等距四极法，该方法检测深度可随意调节，实施方便，且行业适用普遍，检测数据泛用性较高。缺点是冻土层、降雨对检测结果影响极大，应避免在这些情况下进行测试。

通常情况下，砾石电阻率>沙>干燥的砂质土>干燥的黏性土>浸水的砂质土>浸水的黏性土>盐碱化的土壤。若结果电阻率远大于经验电阻率，一般考虑地下岩石或空洞；若结果电阻率远小于经验电阻率，一般考虑地下水影响、施肥、排放及外电场干扰。

本项目测深为管线埋设深度，所得统计结果见表3。其分布规律沿管线方向如图1所示。

表3 管线埋设深度范围内土壤电阻率指标腐蚀等级统计

图1 土壤电阻率指标腐蚀等级分布

2.3 pH

土壤的pH对材料的腐蚀有较大影响，在酸性土壤中，阴极主要发生H+的去极化过程；在弱酸或近中性的通气土壤中，阴极主要发生吸氧腐蚀。同时，pH的变化还可以改变腐蚀产物的溶解度而影响阳极过程。当土壤pH较大时，有利于维持管道混凝土保护层的强碱性，保持金属钝化膜，有一定防腐作用，土壤腐蚀由其他因素主导。当接壤地区土壤pH变化较大时，会形成较大电势差的宏电池，防腐时应重点考虑。

土壤的pH宜采用锥形电极法直接检测。经对比试验验证，对于埋深较大，无法直接测量的情况，也可采取1∶1土水比制备土壤浸出液检测的方法，本项目沿线取样的土壤pH见表4。

表4 检测点土样pH指标腐蚀等级统计

由表4数据可见，本工程已完成检测点中pH均大于5.5，其实际检测数值均在7.4以上，应全部评价为微腐蚀。结合工程经验来看，对于内蒙古地区的非污染土壤，pH基本大于6，能产生酸性腐蚀的自然土壤极少。

2.4 Mg2+、Cl-、SO42-离子

SO42-、Cl-与混凝土中的氢氧化钙和水化铝酸钙反应生成钙矾石，体积增大一倍，引起混凝土层的膨胀、开裂、解体，使混凝土保护层失效，大量Mg2+与混凝土中的氢氧化钙反应生成铝酸镁胶体降低混凝土强度、碱性，使混凝土保护层崩解失效。且土壤中含有大量水和离子时，SO42-、Cl-离子能与进入土壤的Fe2+离子形成FeSO4、FeCl，加速钢铁的腐蚀。Cl-还会穿透混凝土微孔附着在钢丝表面，直接腐蚀钝化膜。

本项目目前完成检测点所采取土样，其浸出液盐含量均小于200mg/kg，其Mg2+、Cl-、SO42-离子浓度及换算浓度，对混凝土及其中钢质均属于微腐蚀范围。对于管线埋设深度位于地下水位以下的位置，应采取地下水样品进行评价；对于水旱交替的区域，应采用更严格的评价等级。

2.5 氧化还原电位

氧化还原电位以铂电极为测量极，饱和甘汞电极为参比极，通过测量电势差来表征土壤中正在进行的氧化与还原反应的总和，常被用于衡量土壤中动植物及微生物活动情况，是评价细菌腐蚀情况的间接指标。

氧化还原电位应进行原位测定，有腐蚀倾向的区域应在不同环境条件下进行多次测量，以摸清腐蚀情况。氧化还原电位是体现在当前时间的混合电位，不同测量方法亦会对电极造成不同影响，因此在实际测量过程中强调电位的具体稳定值是没有意义的，应只比较评价结果和改变趋势。

工程经验及文献数据指出，在自然环境下，该指标只有在较特殊的环境下才显示出腐蚀倾向，故在此项目中作为次要指标供设计人员参考。本项目采用ORP计进行测量，为保证电极条件一致，ORP计储存在3mol/L KCl电极液中，测量前用稀盐酸浸泡后用纯水冲洗。提供的数据已矫正为pH=7。氧化还原电位测量结果见表5。

表5 检测点氧化还原电位指标腐蚀等级统计

本项目所有检测点氧化还原电位均为微腐蚀。结合工程经验分析，以氧化还原电位为指标的腐蚀性评价，与电阻率、极化电流密度和质量损失等其他指标关联性较小，对于内蒙古地区的一般性土壤(非耕作区、非浸水区、非腐殖质土)，其检测结果虽有地区差异及季节变化，但大体基本稳定在350～600mV，在微弱腐蚀区域。

2.6 极化电流密度

极化曲线是解释金属腐蚀规律、探讨腐蚀机制的基本方法，通过向被测体系施加不同强度的电势差，测得电位—电流曲线，以分析电流流过土壤时引起的电极电流下降、腐蚀减缓的现象。极化曲线一般分为线性极化区、弱极化区、强极化区，线性极化区、弱极化区因加载电压低，对土壤扰动小，更接近于自然状态，得出结论更加可靠。

极化电流密度为电位差500mV时的极化电流密度，属于强极化区，此时流过土壤电流较大，已无法使用曲线外推计算腐蚀速率，应使用500mV时极化电流密度值横向对比，以确定土壤腐蚀性质。相较于土壤电阻率，此指标更加微观，他们从不同侧面反应了土壤腐蚀的综合情况，一般可用来相互印证。

因本指标为综合性指标，宜采用现场开挖原位检测，有条件保存土壤原状时也可室内试验。含水率对体系影响较大，检测时应确保样品新鲜，若室内试验结果与电阻率结果级别不符，应以电阻率为准；若原位测试结果与电阻率级别不符，应分析原因进行复测。极化曲线可采用手工描点绘制。也可采用数据处理软件自动拟合，取得较精确的试验数据。

本项目研究对象为PCCP管道，管道存在金属部分，不直接与土壤接触，此指标作为次要指标供设计人员参考。数据统计分布如图2所示。

图2 检测点土样极化电流密度指标腐蚀等级分布

极化电流密度指标显示，管线头部检测点所采土壤对的钢结构腐蚀性较大。此趋势与质量损失指标基本吻合，但与电阻率指标相违背，究其原因，头部检测点附近土壤含盐量较大，但含水率均很低，自然状态下，土中盐分缺乏介质(表现为电阻率较大)，较难侵蚀钢管；实验室条件下，因试验条件要求，均需提高土壤含水率，此时土壤盐分溶解更加充分，自然状态下无法溶解的盐分也参与到腐蚀行为中，造成腐蚀性较强。故此处应以电阻率检测结果为准。

2.7 质量损失

质量损失是土中盐类对钢结构腐蚀的综合性指标之一[1]，是利用外加电流加速模拟钢材在土壤中长期埋设的腐蚀过程，测定钢材质量损失的试验。该模拟试验条件逼真，且规定了试件、试罐的大小；土壤颗粒度及含水率；压实程度；通电时间、电压等指标，使试验结果具有横向可比性，且其腐蚀产物、腐蚀后钢材表面形态较直观，便于研究，对于一般工程的腐蚀性勘察有很好的指导作用。因其讨论对象为钢管，本项目作为次要指标供设计人员参考。统计数据分布如图3所示。

图3 检测点土样质量损失指标腐蚀等级分布

2.8 电位梯度及交流干扰电压

杂散电流分为直流杂散电流与交流杂散电流，直流杂散源常为电气化铁路、外电流保护管道、排流地线等，直流杂散电流一般由导体流入大地和管道，在埋地导体上产生电流形成腐蚀电池；交流杂散源常有高压输电线路、变电站等，常通过电容、电感等原件在埋地导体中形成感生电势，造成腐蚀。金属外加电流的腐蚀速度一般比自然腐蚀速度快几倍至几十万倍，对于有电流源的区域，杂散电流腐蚀是管道穿孔的主要原因，对此类区域评价杂散电流干扰至关重要。杂散电流的作用方式、作用时间、作用强度取决于杂散电流源的性质，评价杂散电流干扰首先要明确杂散电流源的类型、作用时间，在干扰最大时进行交流、直流杂散电流检测，最少检测1个负荷变化周期，以探明腐蚀特点。

直流干扰一般采用双硫酸铜电极十字交叉法，延干扰源径向和垂直分别测量土壤电位梯度，若土壤电位梯度较大，则说明土壤中有外电场干扰。交流干扰一般采用测量管地电压的方式初步排查，对于未埋设的管道采用碳钢电极代替。对于确定存在交流干扰的区域，应检测交流电流密度进一步判断腐蚀性等级，以便确定防腐方式。为方便捕捉交直流干扰的极值、变化周期；方便数据统计与分析，一般采用储存式万用表测量。

本项目管线有2处与高压输电线路交叉，检测结果均有中等直流干扰，无交流干扰。

3 指标评价

各检测点的主要指标中，表征混凝土及其中钢筋腐蚀性的指标，均为微腐蚀，说明各检测点附近土壤内，因离子腐蚀(混凝土硫酸盐腐蚀、氯离子孔蚀等)发生混凝土保护层失效或混凝土保护层内钢丝失效的可能性较低；表征钢结构腐蚀的综合性指标，依区段不同呈不同的腐蚀等级，说明沿线土壤差异性较大，采取不同防腐措施时应考虑因临近土壤导电性不同而产生的宏电池。次要指标中，氧化还原电位指标均为微腐蚀，指示微生物腐蚀的可能性较低；极化电流密度、质量损失指标的结论，经分析，应以电阻率检测结果为准。对于管线与高压线交叉的部分，应重点保护。

综上所述，笔者认为，因本工程使用材料为PCCP管，钢制管道不与土壤直接接触，且离子腐蚀致保护层或钢丝失效的可能性较低，又考虑到长输管道供水安全的重要性，土壤腐蚀性等级应以电阻率腐蚀等级为准。为降低宏电池的危害，对于弱腐蚀区的微腐蚀点，也应按弱腐蚀处理。对于管线与高压线交叉的部分，应按中腐蚀处理。