埋地钢质供水管道土壤腐蚀性测试与评价

孙治新，刘康和，杨正春，刘栋臣，刘 洁

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

环境介质腐蚀性的定义：环境介质对建筑材料的化学、物理化学和生物化学作用的侵蚀能力。自然环境是一个复杂的物质体系，建筑材料的腐蚀现象，与其周围环境各种物质的运动相联系在一起。据不完全统计，全球每年因腐蚀造成的经济损失约7千亿美元，占各国国民生产总值的2%～4%。我国近年来腐蚀经济损失平均高达1.5千亿元左右，约占国民生产总值的4%。

在我国随着基础建设的快速发展，钢结构构建的地下设施在输供水、天然气、石油等工程中得到广泛应用。这些钢结构设施大多埋在地下，周围环境会对其产生不同程度的腐蚀，而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，使得钢结构设施的腐蚀会降低结构承载能力，减少结构设施使用寿命，如图1所示。为查明属于何种腐蚀及其腐蚀程度，需要对钢结构设施场地土的物理性质、结构状况、通气性、含水量等进行调查与测试[1]，测定的主要项目有：土壤酸碱度(pH值)、土壤氧化还原电位、土壤电阻率、土壤极化电流密度、质量损失等内容，可为管道防腐设计、制造和施工提供科学依据。因此，测试和评价钢结构设施所处环境的腐蚀原因及对钢结构设施的腐蚀性程度，并采取有效的防护措施，对经济建设具有重要的现实意义。

图1 钢质供水管道(PCCP管)腐蚀破坏

1 测试技术

1.1 酸碱度(pH值)测试

现场挖探坑至钢结构埋置深度，平整坑底土层表面，采用锥形玻璃电极法，以饱和KCl甘汞电极为参比电极，在适中的位置插入待测土壤中，以它为圆心，以20～50cm为半径的圆周上，取3等分插入3支锥形pH电极为指示电极，待平衡5～10min后，依次测试土壤的pH值(温度自动补偿)，进行算数平均后即为该土层的酸碱度(pH值)测试结果。

1.2 氧化还原电位测试

现场挖探坑至钢结构埋置深度，平整坑底土层表面，采用铂电极法，先将5只铂电极插入欲测土壤中，平衡1h后，铂电极接仪器正极，插在附近土壤中的饱和甘汞电极接仪器负极，进行测定，同时测定该土壤的温度。

实测值(E实测)是土壤中铂电极的电位值与甘汞电极的电位差，然后经过换算成以氢电极为基准的电位值(Eh土壤)和pH值校正，最终取得土壤pH=7的电位值(Eh7)。

1.3 电阻率测试

现场挖至供水管道管身埋深位置，平整坑底土层表面，采用对称四极法，小极距测试，供电电极AB/2=0.3m，测量电极MN/2=0.15m，测量4组电阻率进行算数平均后即为该土层的实测土壤电阻率(ρ)。同时测定土壤的温度。

为便于数据的相互比较，土壤视电阻率均校正至土壤温度为15℃时的值，参与土壤腐蚀性评价。

1.4 极化电流密度

采用原位极化法。将2支金属面积均为6.25cm2的电极插入待测土壤中，给仪器逐步加大电流，即得系列电位差。然后以电流除以电极面积(6.25cm2)得出的各个极化电流密度i(mA/cm2)为横坐标，以测得的与各电流密度相应的电位差△U(mV)为纵坐标作图，绘制电位差-电流密度曲线图。从极化曲线上查出电位差△U=500mV时的极化电流密度i(mA/cm2)即为该土壤的极化电流密度。

1.5 质量损失测试

采用管罐法。用埋地钢结构相同材料，制成一定规格面积、质量的钢管，置于铁皮罐中，在罐管间填充待测土壤，并加蒸馏水使其饱和，管为正极，罐为负极，通直流电6V、24h后取出钢管，对其清洗除锈、烘干，然后称其失重，即为质量损失。

2 工程实例

2.1 概况

某引调水工程供水管道采用压力管道输水(单联PCCP管)，设计流量5m3/s，管线总长31.44km，管道埋深3.5～4.0m左右(管径约2.0m)，输水管采用明挖填埋的方法实施。

2.2 测试成果与评价

表1 土对钢结构腐蚀性评价标准

2.2.1 土壤酸碱度(pH值)腐蚀性评价

一般来说，pH值越低，表明土壤去极化能力越强，金属不易生成钝化膜，因而土壤腐蚀性强。pH值越高，表明土壤碱性越大，金属表面容易生成钝化膜，对金属产生一定的保护作用，因而土壤腐蚀性弱。

沿线土壤酸碱度(pH值)测试成果如图2所示，由此可见所测定的15组酸碱度(pH值)变化范围为6.17～7.84，均大于5.5，按表1均评价为微腐蚀。

图2 土壤酸碱度(pH值)测试成果

2.2.2 土壤氧化还原电位腐蚀性评价

土壤氧化还原电位是反映土壤通气状况，反映土壤介质氧化还原程度强弱的一个综合指标。它受土壤水分、有机质、盐基状况、通气性的影响。

测定土壤氧化还原电位的主要目的是为了确定土壤微生物腐蚀的有无及强弱。土壤中对金属腐蚀最严重的微生物是硫酸盐还原菌，硫酸盐还原菌在缺氧的还原性土壤(含有丰富的有机物质和适量硫酸盐)中会大量繁殖，使钢质材料失去电子而腐蚀。因此，氧化还原电位低，表明土壤体系通气性差，以硫酸盐还原菌为主的土壤微生物腐蚀性就严重；反之，则表明土壤体系通气性较好，土壤微生物腐蚀性就弱。

沿线氧化还原电位测试成果如图3所示，由此可见所测定的15组氧化还原电位变化范围为472～837mv，均大于400mv，按表1均评价为微腐蚀。

图3 土壤氧化还原电位测试成果

2.2.3 土壤视电阻率腐蚀性评价

土壤视电阻率腐蚀性的强弱，与土的粒度、含盐量、含水量和温度息息相关。土壤视电阻率是土壤导电能力的总体特征，是导电率的倒数，电阻率越低，电流越容易流过土壤，土壤的腐蚀性就越强。

沿线土壤视电阻率测试成果如图4所示，由此可见所测定的15组视电阻率变化范围为25.1～39.2Ω·m，按表1均评价为中腐蚀。

图4 土壤视电阻率测试成果

2.2.4 土壤极化电流密度腐蚀性评价

土壤极化电流密度腐蚀性的强弱，不仅与土壤含水量(或干燥湿润程度)、土壤中盐的性质(易溶盐、中熔盐、难溶盐)和盐的含量有关，而且与成土地质条件、气候特征等密切相关。一般而言，土壤在干燥状态小，极化电流密度很低，几乎没有腐蚀性，但在湿润状态下，极化电流密度将根据含水量、易溶盐量的变化而增大，对钢结构的腐蚀性也将增强。

沿线土壤极化电流密度测试典型曲线如图5所示，测试成果如图6所示。由此可见所测定的15组极化电流密度变化范围为0.002～0.086mA/cm2，按表1评价可得：TK3处为中腐蚀；TK4、TK6、TK7、TK8处为弱腐蚀；其余10处为微腐蚀。

图5 TK10探坑极化电流密度曲线

图6 土壤极化电流密度测试成果

2.2.5 质量损失腐蚀性评价

由于土壤中的溶液电解质作用，对埋在地下的钢结构产生一定的化学反应，导致钢结构腐蚀生锈，在钢结构表面形成一层腐蚀物，腐蚀物的多少，是评价土壤对钢结构腐蚀程度的一个重要指标。因此，腐蚀物越多，质量损失就越大，说明土壤对钢结构的腐蚀程度越高，反之，则腐蚀程度就低。

表2 土对钢结构的腐蚀性评价

沿线质量损失测试成果如图7所示。由此可见所测定的15组质量损失变化范围为1.5～3.5g，按表1评价可得：TK4、TK5、TK8处为强腐蚀；TK1、TK2、TK3、TK6、TK7、TK11、TK13、TK14、TK15处为中腐蚀；TK9、TK10、TK12处为弱腐蚀。

图7 土壤质量损失测试成果

2.2.6 综合评价

根据上述各项评价结果，选取各指标中腐蚀等级最高者作为综合评价结果，见表2。从表2中可看出，该供水管道TK1～TK3，TK6～TK7和TK9～TK15等处土壤对钢结构腐蚀性等级为中腐蚀性，TK4、TK5和TK8等处土壤对钢结构腐蚀性等级为强腐蚀性。

鉴于该供水管道沿线土壤对钢结构腐蚀性评价等级介于中-强腐蚀性，按照规范要求应采取相应防腐措施。因此建议，依据该输水管道沿线地层岩性变化情况，在管道桩号0-111.92～4+909.05m，8+915.29～12+932.56m和14+840.24～30+825.57m土对钢结构腐蚀性评价为中腐蚀的地段，使用长效涂层的保护方法进行防护；建议在桩号4+909.05～8+915.29m和12+932.56～14+840.24m土对钢结构腐蚀性评价为强腐蚀的地段，使用阴极保护的方法防腐。

3 结语

以上详细介绍了场地土壤对埋地钢质供水管道的腐蚀性测试技术、数据处理方法及其腐蚀程度的评价标准与过程。通过野外测试和室内试验，依据相关标准对管道沿线土壤腐蚀性进行评价，并根据评价结论给出采取管道涂层防腐和阴极保护方法防腐的建议。为埋地钢质供水管道防腐设计、制造和施工提供科学依据，满足了工程需要，取得了较好的经济效益和社会效益。

PCCP管既是一种特殊的钢结构，其中预应力钢丝及钢筒又区别于混凝土中的钢筋，所以土壤对它的腐蚀情况具有特殊性，希望今后通过我们的努力，在实际工程应用中总结出一组针对PCCP管道腐蚀性评价标准。这一组评价标准不仅要能比较正确客观反映土壤腐蚀的严重性，还应能方便地测量得到，同时必须具有一定的通用范围及较普遍的代表性，而且要有预测性和相对的稳定性，这样在使用中更为方便快捷且针对性更强。