引黄工程北干线土壤对PCCP管的腐蚀性测试评价

张许平

(水利部山西水利水电勘测设计研究院,山西太原 030024)

引黄工程北干线土壤对PCCP管的腐蚀性测试评价

张许平

(水利部山西水利水电勘测设计研究院,山西太原 030024)

预应力钢筒混凝土管(PCCP)在国内外的供水工程中已得到了广泛认可,应用越来越多,山西省万家寨引黄工程北干线就采用了PCCP管道。为了防止PCCP管中钢质结构被腐蚀,通过管道沿线土壤对钢结构腐蚀性的测试及评价,提出采取做环氧煤沥青保护层、阴极保护等防护措施的处理建议。

土壤;PCCP管;腐蚀性评价

1 概述

山西省万家寨引黄入晋北干线工程是解决平朔、大同水资源供需矛盾,为晋北能源基地可持续发展提供支撑和保障的重大基础设施。引黄北干线工程近期年引水量2.96亿m3,相应引水流量11.8 m3/s;最终年引水量5.6亿m3,引水流量22.2 m3/s。北干线线路全长156.67 km,其中约113 km为倒虹,全部采用PCCP管输水。PCCP输水管线主要沿桑干河流域的山前丘陵、山前倾斜平原及支流河漫滩布设;管线穿过第四系松散堆积物,地层岩性复杂;管道沿线地下水位埋藏深度1.5～30 m,变化较大;交直流电气化铁路、高压电力线路及变电站多处与PCCP管线交叉。

预应力钢筒混凝土管PCCP(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)是将高强度钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢板的防渗性能有机结合在一起,充分利用了材料各自的物理力学特性的高品质输水管材。目前国外广泛应用于城市输配水干管、火电站供水管、水利工程、雨污水干管、工业供水及废水管线等方面,国内南水北调工程、山西省万家寨引黄入晋工程联接段工程均采用PCCP管输水方案。近年来美国M P杂志报道PCCP管由于被腐蚀而引发爆管事故,最后均对PCCP管采取了阴极保护措施,国内南水北调工程也对PCCP管全线采用了阴极保护措施[1]。对于即将在山西省万家寨引黄入晋工程北干线中采用的PCCP管,沿线复杂的土层对钢结构的腐蚀性如何,附近与其交叉的交直流电气化铁路、高压电力线路、变电站等接地装置在土中产生杂散电流对钢结构的腐蚀性如何,是否需要全线采用阴极保护措施,成为设计人员首先考虑的问题。

土对钢结构的腐蚀主要为原电池、细菌、杂散电流及酸类腐蚀,为查明属于何种腐蚀及其腐蚀程度,需要对土的物理性质、结构状况、通气性、含水量进行调查。主要测试项目有:土壤的视电阻率、pH值、氧化还原电位、极化电流密度、质量损失及电位梯度等内容。

工作中分别对土壤的视电阻率、pH值、氧化还原电位及电位梯度进行了原位测试,对极化电流密度及质量损失进行了取样室内试验。通过测定上述参数,对土壤腐蚀性进行了综合评价。

2 测试技术

2.1 土的电阻率测试

土的电阻率的测试采用的是国产ZC-8型接地电阻测定仪。现场测试采用对称四极交流电法。将四支金属探针垂直等距插入土地,插入土地深度为0.05a(a为每相邻两支探针之间的距离,等于欲测土层的深度)。将仪器水平放置,检查检流计指针是否在中心线上,将仪器导线按顺序接在探针上。将倍率标度置于最大倍数(一般为10),摇动电阻仪手柄,同时转动“测量标度盘”和倍率钮,当指针接近平衡位置时加快发电机摇动的速度,使摇动速度>120转/m in,调整标度盘使指针指于中心线上,即可读数。在测试过程中同时测定土的温度(0.5m以下的土温)。根据电阻值及装置系数即可求得电阻率值,具体计算过程如下:

(1)计算土的电阻率(P)值 计算公式:

式中:P——土的电阻率(Ω·m);a——两探针之间的距离(m);R——接地电阻(Ω)。

(2)温度校正 土的温度对电阻率有较大的影响。一般土的温度每增加1℃,电阻减少2%。为便于数据相互比较,土的温度均校正至15℃。校正公式:

式中:P15——土温15℃时的电阻率;α——温度系数(一般为2%);t——实测土的温度(指0.5 m以下的土温)。

(3)管件深度土的电阻率的计算 土的不均匀性对不同深度土的电阻率会产生影响,尤其在土的不均匀的地区这种影响会更大,因此需求得管件埋藏深度土的电阻率。管件埋藏深度的土的电阻率计算公式:

式中:P(a-b)——管件深度(土层)的土的电阻率;Pa——从地表到a深度土的电阻率;Pb——从地表到b深度土的电阻率;Ra——探针间距为a时的仪表读数;Rb——探针间距为b时的仪表读数。

2.2 土的氧化还原电位测试

使用pH-101B型便携式mV/pH计测试氧化还原电位。现场采用铂电极法。首先铂电极在使用前进行脱膜处理,然后用纯水清洗后,浸入ORP电极浸泡液中6 h后开始使用。在野外原位测定时,先将五支铂电极分别插入预测土层中,平衡1 h。然后铂电极接仪器的正极,插在附近土中的甘汞电极接仪器的负极,仪器的选择钮拨至“mV”档,仪器稳定后的读数即为土地中铂电极的电位值对甘汞电极的电位差,单位为mV,分别测得五支铂电极的电位值对甘汞电极的电位差。

从仪器上读得的电位值,是土地中铂电极的电位值对甘汞电极的电位差,需换算成以氢电极为基准的电位值。

式中甘汞电极的电位不同温度的差异见表1。

表1 饱和甘汞电极在不同温度时的电位Tab le 1 Satu rated calom e l electrode po ten tial at various tem peratu res

用式②分别求得5支铂电极以氢电极为基准的电位值,然后求得上述5个电位值的平均值即为该点的氧化还原电位。

2.3 土的酸碱度(pH值)测试

使用国产数字pH计,采用复合电极的原位测试系统。在野外进行原位测试时,现场挖坑至管线的埋置深度,平整坑底土层表面,在适中位置插入复合电极,待平衡后测试,仪器的读数即为该点处的pH值。

2.4 土的标准质量损失测试

试样采用低碳钢管(长10 cm,外径23 mm,壁厚2mm),用纯盐酸去锈、去油,经蒸馏水洗净干燥后称重。在烘箱中恒温烘干(温度为105℃,时间4 h),进行研磨后过1.00mm筛子。将低碳钢管试件放在镀锌钢筒中,试件底部用橡皮塞塞住,起到绝缘作用,试件底部距镀锌钢筒底部保持10～12mm距离。镀锌钢筒与试件中间用被测土填满,并精心捣实,然后加蒸馏水直至达到饱和。将直流电源正极接到试件上,负极接到镀锌钢筒上,其间加6 V电压,保持24 h。停电后取出试件,去掉土和疏松的腐蚀产物,在8%NaOH水溶液中进行阴极剥离(电流密度为15～20 A/dm2),直到腐蚀产物除净为止。将试件再用蒸馏水清洗、干燥、称重(误差至0.01 g)。每个土样作3个试样的平行试验,最后取平均值。

2.5 土的极化电流密度测试

用低碳钢板制25 mm×25 mm的方形电极,电极引线焊在每个电极背面,用环氧树脂绝缘。试验前已将电极表面用砂纸磨光,并用浓盐酸去锈去污。对从野外取回的原状土进行切割,使厚度介于50～60mm,夹于两电极之间,电极与试验土样紧密接触,保持10～15m in后开始试验。

为了测得极化曲线,将电源正负极接于钢板,当电流密度逐渐增大时,电极产生极化。每个电流值的持续时间为5m in,电极间电位差的测量是在极化电路断开时进行。当电极间极化电位差>600 mV时,终止试验。

电流密度iK(mA/cm2)按下列公式计算:

式中:IK——测得的电流(mA);6.25——电极表面积,2.5×2.5=6.25(cm2)。

按照取得的数据,绘制电位差—电流密度曲线图。将电位差等于500mV时的电流密度作为土地的腐蚀性评价指标。

2.6 土的电位梯度测试

土的电位梯度的测试采用的是重庆奔腾数控技术研究所生产的WDJD-2多功能数字直流激电仪。测线等长且垂直对称布置,其中一条沿线与管道平行,本次测试的电极间距为1 m。计算时建立直角坐标系,使其纵、横坐标轴分别于南北向(S-N)、东西向(E-W)相对应,将测得的数值与方向记入坐标中,然后利用矢量合成法,分别求出每个测试点的矢量和。计算所得的数值分别除以各自对应的参比电极间距(以m为单位),即为电位梯度。

3 测试成果与评价

3.1 土的腐蚀性的综合评价标准

表2为土壤对钢结构腐蚀性评价标准[2],表3为引黄北干线PCCP管线沿线pH值、氧化还原电位、电阻率、极化电流密度及质量损失实测成果,表4为测试成果评价。

对按试验指标对应评价标准评价的腐蚀性等级不同时,综合评定按最高腐蚀等级进行评定[3]。

表2 土对钢结构腐蚀性评价标准Tab le 2 Eva luation standard of soil corrosive effectson steel structu re

经对土的电阻率、电位梯度、酸碱度(pH值)、氧化还原电位、标准质量损失和土的极化电流密度综合分析评价,引黄北干线PCCP管线周围土层具有腐蚀性,级别为中等或强腐蚀性。

表3 土对钢结构的腐蚀性测试成果表Table 3 Test resultsof so il corrosive effectson steel structu re

续表3

表4 土对钢结构的腐蚀性测试成果评价表Tab le 4 Evaluation on test resu ltof soil corrosive effectson steel structure

3.2 杂散电流对管道的腐蚀性评价标准

由于交直流电气化铁路、高压电力线路、变电站等接地装置可能会在土中产生杂散电流,因此使土体在两点间产生电位差。表5为杂散电流强弱程度的判断标准[4]。工作中采用点距100 m,测试PCCP管线周围的杂散电流干扰情况,在遇到高压线、电气化铁路、变电站等可能产生杂散电流的设施时,加密测试点距。原位测试了土的电位梯度及电阻率,利用土的电位梯度对土的腐蚀性进行分级,确定管道需保护的里程区间,从统计测试成果可看出,土的电位梯度位于0.07 m V/m与11.58 mV/m之间。土的电位梯度<2.5 mV/m的点812个,占测试点的71%;土的电位梯度>2.5 mV/m的点332个,占测试点的29%。判定土的电位梯度>2.5 mV/m的地段杂散电流为中等—强腐蚀,根据测试点统计,该地段长度约33 km,依据《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》(SY/T0017—2006),对管道附近土的电位梯度>2.5mV/m的地段,PCCP管需采取直流排流保护或其它防护措施。

表5 杂散电流强弱程度的判断指标Tab le 5 C ritica l determ inan tof stray cu rren t degree

4 结论

(1)经对土的电阻率、电位梯度、酸碱度(pH值)、氧化还原电位、标准质量损失和土的极化电流密度综合分析评价,引黄北干线PCCP管线周围土层对钢结构具有腐蚀性,级别为中等或强腐蚀性,建议采取做环氧煤沥青保护层等防护措施。

(2)经过杂散电流的测试,约33 km的PCCP管线段土的电位梯度>2.5mV/m,杂散电流对PCCP管具腐蚀性,级别为中等或强,建议采取阴极保护等防护措施。

(3)PCCP管既是一种特殊的钢结构,其中钢筒又区别于混凝土中的钢筋,因此,仅用埋地钢质管道的腐蚀标准来评价PCCP管的腐蚀情况,仅从工程造价情况来看,采用阴极保护措施并不适用于所有工程项目,希望通过本文能起到抛砖引玉作用,在PCCP管以后的工作中有一个针对性的评价标准。

[1] 胡世信,等.预应力钢筒混凝土管阴极保护技术应用介绍[J].南水北调与水利科技,2008(1):303-307.

[2] 工程地质手册编委会.工程地质手册[S].北京:中国工业建筑出版社,2007:327.

[3] SY/T0017—2006,埋地钢质管道直流排流保护技术标准[S].

[4] GB50021—2001,岩土工程勘察规范[S].

(责任编辑:胡立智)

Corrosive Testsand Eva lua tion of the Soil to PCCP in the Nor th Rou te of YRDP

ZHANG Xup ing

(ShanxiH ydroelectric Investiga tion D esign and Resea rch Institu te,Taiyuan,Shanxi 030024)

Prestressed Concrete Cylinder Pipes(PCCP)arew idely used forwater-supp ly p ro ject.Fo r examp le,they has been app lied fo r the No rth Rou te of Shanx iW an jiazhai YRDP.In this paper,on the basis of the co rrosive tests and eva luation of the p ipe soil to steel structure,treatm entwas p roposed in order to avoid the co rrosion of steel structure em bedded in concrete.

soil;Prestressed Concrete Cylinder Pipe(PCCP);corrosive;evaluation

TV 67;TV 134

A

1671-1211(2010)05-0548-04

2010-07-28;改回日期:2010-09-06

张许平(1969-),男,高级工程师,硕士,工程地质专业,从事水利水电工程、岩土工程方面的工作。E-mail:ZXP486@163.com