引绰济辽工程平原区土壤对PCCP管道腐蚀性评价研究

于明鑫 武学毅 邵 杨

(1.内蒙古引绰济辽供水有限责任公司，内蒙古 乌兰浩特 137400；2.中国水利水电科学研究院，北京 100044；3.北京中水科工程集团有限公司，北京 100044)

长距离调水项目的实施是地区间水资源配置的重要手段，也是实现国家水网战略的重要工程措施。在输水建筑物选取方面，预应力钢筒混凝土管(PCCP管，Prestressed Concrete Cylinder Pipe)由于其自身将高强度钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢板的防渗性能结合，充分利用了材料各自的物理力学特性，成为国内外广泛应用于城市输配水、火电站供水、水利工程、雨污水、工业供水及废水等管线干管管材的选择[1-2]。然而，PCCP管道长年埋置于土壤内，土壤对PCCP管道的腐蚀对管道安全运行影响很大[3]。据ACPPA有关统计资料，美国和加拿大的9家公司，1943—1990年PCCP管道发生事故的时间比例占总运行期的0.3%，其中82.1%的管道事故由各种腐蚀造成。国内个别PCCP供水工程试运行及投运期间[4]，也出现过PCCP因钢丝锈蚀等而引发的事故[5]。因此除PCCP管自身质量外，查明管道沿线土壤对PCCP管的腐蚀性至关重要。

引绰济辽工程是国家“十三五”时期实施的172项节水供水重大工程之一，该工程从嫩江支流绰尔河引水到西辽河，向沿线城市及工业园区供水，设计最大年调水量为4.88亿m3，为大(2)型工程[6]。工程由文得根水利枢纽和输水工程组成，输水工程由山区输水隧洞和平原区PCCP输水管线组成。本文通过研究选取土壤腐蚀性评价指标、构建评价模型，对引绰济辽工程平原区土壤对PCCP管道的腐蚀性进行评价。

1 腐蚀性评价指标

PCCP管道是一种特殊的钢结构，表层为水泥砂浆，钢结构不与涂层直接接触，但又区别于混凝土中的钢筋。已有资料显示，目前已知影响土壤腐蚀性的环境因素多达23种，针对不同地区实施的工程，如何选取适应本工程的土壤腐蚀性评价指标，将对土壤腐蚀性评价产生较大影响。此前，国内学者针对不同工程，采用了不同的土壤腐蚀性评价指标，徐华新等选择了土壤电阻率、氧化还原电位、pH值作为土壤腐蚀性评价的指标[7]，朱璐选择了土壤电阻率、土壤氧化还原电位、土壤湿度、pH值、土壤氯离子含量作为土壤腐蚀性评价的指标，但其工程应用的输水管线为钢管[8]，钱朝阳选择视电阻率、极化电流密度、pH值作为土壤腐蚀性评价指标[9]，杨正春等采用土壤的pH值、氧化还原电位、视电阻率、极化电流密度、质量损失等作为土壤腐蚀性评价的指标[10]，王晓丹等通过多元线性回归分析，对土壤理化性质对土壤腐蚀性的影响及理化性质的相互关系进行相关分析，对土壤腐蚀性进行预测和评价[11]。

这些评价指标中，土壤电阻率是土壤导电性指标，土壤腐蚀性和土壤电阻率呈负相关性。土壤电阻率和土壤的质地，松紧程度，有机质含量，土壤温度，含水量、含盐量等有密切关系。它是反映土壤理化性质的综合指标，电阻率越小，土壤含电解质越多，土壤腐蚀性越强。氧化还原电位作为微生物腐蚀的一个指标，反映土壤通气状况、水分、有机质、含盐量等，一般认为200mV(SHE)以下的厌氧环境中土壤腐蚀性剧烈，易受到硫酸盐还原菌的作用，故在低氧化还原条件下，要注意厌氧微生物导致金属的土壤微生物腐蚀。土壤中氧化还原电位(Eh7)可视作为土壤微生物腐蚀的指标。通常腐蚀电位越负，此处管道腐蚀越快。pH值表示土壤的酸碱性，酸性土壤腐蚀性强。

除了上述这些相对稳定的指标外，杂散电流的作用也不可忽视。杂散电流是在大地中漫流的一种大小、方向都不固定的电流，这种电流对金属的腐蚀称为杂散电流腐蚀，属于电解腐蚀范畴。它是由使用直流电的电气化铁路、电镀、电解、电焊、电信电缆、发电站、变电站等电力设备接地装置或供电设备接地及相邻阴极保护管道等泄漏到大地中的电流。这种电流对地下管道产生严重的破坏作用，不断产生极不规则的杂散电流，杂散电流在管道涂层破损处流出，导致发生电解腐蚀。相关文献显示，杂散电流腐蚀程度，对钢铁而言，1A电流每年可腐蚀9～10kg钢铁。

在综合分析土壤腐蚀性评价指标的基础上，结合工程实际，引绰济辽工程采用土壤电阻率、氧化还原电位、管道腐蚀电位、土壤pH值、杂散电流作为土壤腐蚀性评价指标，构建腐蚀性评价模型。

2 腐蚀性评价模型及方法

通过查阅资料，已建调水工程中，PCCP管道土壤腐蚀性评价相关成果较少，故对引绰济辽工程PCCP管道土壤腐蚀性进行综合评价时，采用单项指标评价法，即不同指标对土壤腐蚀性评价等级不同时，从偏安全角度出发，综合评价结论采用最高腐蚀等级进行评定。引绰济辽工程平原区土壤对PCCP管道腐蚀性评价指标见表1。

表1 引绰济辽工程平原区土壤腐蚀性评价指标

2.1 土壤电阻率

土壤电阻率测定采用ZC-8接地电阻测试仪，采用交流四极法测定。土壤电阻仪测出的数据代入式1进行计算，可得出土壤电阻率：

ρ=2πaR

(1)

式中ρ——土壤电阻率，Ω·m；

π——圆周率，取3.14；

a——探针间距，m；

R——接地电阻测试仪测值，Ω。

相关研究成果显示，土壤温度对电阻率影响较为明显，温度每相差1℃，土壤电阻率约变化2%。冬季时，土壤电阻率增大，电阻率增加可能受土壤中水分结冰影响。考虑温度对土壤电阻率的影响，需对式1进行较正，修正后的公式为

ρ15=ρ[1+α(T-15)]

(2)

式中ρ15——土壤温度为15℃时的电阻率，Ω；

α——温度系数，取2%；

T——测量时的土壤温度，取0.5m深土壤温度，℃。

2.2 氧化还原电位

采用电压表正极接铂电极、负极接饱和甘汞电极的方法测定土壤氧化还原电位。需要说明的是，当土壤pH值在5.5～8.5之间(尤其pH值为7.0)，盐分小于2%，土壤湿润，有机质(如树叶、树根、木质纤维)较多时，土壤中微生物较活跃，并有硫酸盐存在，易产生微生物腐蚀。土壤微生物活动产生大量酸性物质，致使管道局部pH值很低，使金属遭受腐蚀。因此应将测定所得的电位差换算成相对标准氢电极电位，公式如下：

Eh7=E测+E甘汞+59(pH测-7)

(3)

式中E测——现场测值；

pH测——现场测值；

E甘汞——取244mV。

2.3 管道自然腐蚀电位

自然腐蚀电位测定的方法有两种，一是将相同材质钢铁片埋入土壤中，测定钢铁片相对于饱和Cu/CuSO4参比电极的电位；二是直接测量PCCP管地电位，即PCCP管相对于饱和Cu/CuSO4参比电极的电位。工程中通常采用方法二进行管道自然腐蚀电位的测定。但应用该方法时，管道应处于未接入牺牲阳极保护装置的情形下。

2.4 土壤pH值

土壤pH值测定的方法有两种，一是现场采取地下水试样用pH值试纸进行测定得到近似pH值；二是采用20g风干土、20ml蒸馏水制成土壤溶液用pH值试纸测量。工程中通常采用方法一进行土壤pH值测定。

2.5 杂散电流

杂散电流指不按规定途径移动的电流，土壤中宏观电池作用的电位差一般在0.2～0.4V，即测点地电位梯度较小时，可判断杂散电流较弱。而人工直流电源所引起的电位差一般可达几伏至几十伏。在工程应用中，对于管道沿线与高压架空电缆平行或交叉部位，应作为杂散电流测定的重点部位。

相关研究成果显示，杂散电流对管地电位变化的影响是通过土壤电位梯度的变化施加的，因此可采用直接测定土壤电位梯度的方法判定土壤对管道腐蚀性的影响，即杂散电流对管道腐蚀性的影响。工程应用中，用2支CuSO4参比电极，相距1m测其电位差，依次在东西、南北两个方向及不同距离进行测量，做出地电位梯度分布图，判断大地中流动电流的大小和方向及漏电情况。

3 腐蚀性评价结果

引绰济辽工程平原区管线段长约206km，选取工程改线段桩号G(1)0+070.5～G(1)0+443.5线路为工程应用案例，对该范围内土壤进行腐蚀性评价。评价结果显示，改线段上述线路范围内土壤腐蚀性介于弱腐蚀到中腐蚀之间，各指标评价汇总见表2。

表2 引绰济辽工程改线段土壤对PCCP管道腐蚀性评价汇总

对土壤腐蚀性指标进一步分析，地表土壤电阻率在38.94～75.36Ω·m之间，槽底土壤电阻率在37.68～66.57Ω·m之间，土壤腐蚀等级为弱—中腐蚀，电阻率较低部位集中在桩号G(1)0+118.5～G(1)0+443.5之间，随桩号增加，地表土壤和槽底土壤电阻率总体呈减小变化(见图1)；上述范围内土壤氧化还原电位在237.1～269.4mV之间，显示土壤腐蚀等级为弱腐蚀(见图2)；管道自然腐蚀地位在-0.350～-0.324V之间，显示土壤腐蚀等级为弱腐蚀(见图3)；pH值在7.8～8.2之间，显示土壤腐蚀等级为弱腐蚀(见图4)。此外，上述线路中有管线与高压线塔交叉，存在杂散电流(杂散电流标识见表2)，对PCCP管道的安全生产不利影响。按单项指标评价法，该范围土壤腐蚀性评价为中腐蚀。

图1 改线段土壤电阻率沿线分布

图2 氧化还原电位沿线分布

图3 管道自然腐蚀电位沿线分布

图4 pH值沿线分布

4 结 论

针对引绰济辽工程平原区PCCP管线沿线土壤，采用土壤电阻率、氧化还原电位、管道自然腐蚀电位、土壤pH值、杂散电流作为土壤腐蚀性评价指标，构建土壤腐蚀性评价模型，采用单项指标评价法，对土壤腐蚀性进行评价。评价结果显示，桩号G(1)0+070.5～G(1)0+443.5之间土壤腐蚀等级为弱腐蚀至中腐蚀，其中桩号G(1)0+443.5附近存在杂散电流干扰。对评价为中腐蚀或存在杂散电流干扰的线路，建议实施PCCP管道牺牲阳极保护。

本文采用单项指标法评价了土壤对PCCP管的腐蚀性，该方法对土壤腐蚀性评价结论偏保守，如何进一步优化评价模型，在保障土壤腐蚀性评价结论全面、准确的基础上提高评价成果的精确性，还有待进一步研究。