張許平

(水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院,山西太原 030024)

引黃工程北干線土壤對PCCP管的腐蝕性測試評價

張許平

(水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院,山西太原 030024)

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)在國內(nèi)外的供水工程中已得到了廣泛認可,應用越來越多,山西省萬家寨引黃工程北干線就采用了PCCP管道。為了防止PCCP管中鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)被腐蝕,通過管道沿線土壤對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性的測試及評價,提出采取做環(huán)氧煤瀝青保護層、陰極保護等防護措施的處理建議。

土壤;PCCP管;腐蝕性評價

1 概述

山西省萬家寨引黃入晉北干線工程是解決平朔、大同水資源供需矛盾,為晉北能源基地可持續(xù)發(fā)展提供支撐和保障的重大基礎(chǔ)設(shè)施。引黃北干線工程近期年引水量2.96億m3,相應引水流量11.8 m3/s;最終年引水量5.6億m3,引水流量22.2 m3/s。北干線線路全長156.67 km,其中約113 km為倒虹,全部采用PCCP管輸水。PCCP輸水管線主要沿桑干河流域的山前丘陵、山前傾斜平原及支流河漫灘布設(shè);管線穿過第四系松散堆積物,地層巖性復雜;管道沿線地下水位埋藏深度1.5～30 m,變化較大;交直流電氣化鐵路、高壓電力線路及變電站多處與PCCP管線交叉。

預應力鋼筒混凝土管PCCP(Prestressed Concrete Cylinder Pipe)是將高強度鋼絲的抗拉、混凝土的抗壓和鋼板的防滲性能有機結(jié)合在一起,充分利用了材料各自的物理力學特性的高品質(zhì)輸水管材。目前國外廣泛應用于城市輸配水干管、火電站供水管、水利工程、雨污水干管、工業(yè)供水及廢水管線等方面,國內(nèi)南水北調(diào)工程、山西省萬家寨引黃入晉工程聯(lián)接段工程均采用PCCP管輸水方案。近年來美國M P雜志報道PCCP管由于被腐蝕而引發(fā)爆管事故,最后均對PCCP管采取了陰極保護措施,國內(nèi)南水北調(diào)工程也對PCCP管全線采用了陰極保護措施[1]。對于即將在山西省萬家寨引黃入晉工程北干線中采用的PCCP管,沿線復雜的土層對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性如何,附近與其交叉的交直流電氣化鐵路、高壓電力線路、變電站等接地裝置在土中產(chǎn)生雜散電流對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性如何,是否需要全線采用陰極保護措施,成為設(shè)計人員首先考慮的問題。

土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕主要為原電池、細菌、雜散電流及酸類腐蝕,為查明屬于何種腐蝕及其腐蝕程度,需要對土的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)狀況、通氣性、含水量進行調(diào)查。主要測試項目有:土壤的視電阻率、pH值、氧化還原電位、極化電流密度、質(zhì)量損失及電位梯度等內(nèi)容。

工作中分別對土壤的視電阻率、pH值、氧化還原電位及電位梯度進行了原位測試,對極化電流密度及質(zhì)量損失進行了取樣室內(nèi)試驗。通過測定上述參數(shù),對土壤腐蝕性進行了綜合評價。

2 測試技術(shù)

2.1 土的電阻率測試

土的電阻率的測試采用的是國產(chǎn)ZC-8型接地電阻測定儀?，F(xiàn)場測試采用對稱四極交流電法。將四支金屬探針垂直等距插入土地,插入土地深度為0.05a(a為每相鄰兩支探針之間的距離,等于欲測土層的深度)。將儀器水平放置,檢查檢流計指針是否在中心線上,將儀器導線按順序接在探針上。將倍率標度置于最大倍數(shù)(一般為10),搖動電阻儀手柄,同時轉(zhuǎn)動“測量標度盤”和倍率鈕,當指針接近平衡位置時加快發(fā)電機搖動的速度,使搖動速度>120轉(zhuǎn)/m in,調(diào)整標度盤使指針指于中心線上,即可讀數(shù)。在測試過程中同時測定土的溫度(0.5m以下的土溫)。根據(jù)電阻值及裝置系數(shù)即可求得電阻率值,具體計算過程如下:

(1)計算土的電阻率(P)值 計算公式:

式中:P——土的電阻率(Ω·m);a——兩探針之間的距離(m);R——接地電阻(Ω)。

(2)溫度校正 土的溫度對電阻率有較大的影響。一般土的溫度每增加1℃,電阻減少2%。為便于數(shù)據(jù)相互比較,土的溫度均校正至15℃。校正公式:

式中:P15——土溫15℃時的電阻率;α——溫度系數(shù)(一般為2%);t——實測土的溫度(指0.5 m以下的土溫)。

(3)管件深度土的電阻率的計算 土的不均勻性對不同深度土的電阻率會產(chǎn)生影響,尤其在土的不均勻的地區(qū)這種影響會更大,因此需求得管件埋藏深度土的電阻率。管件埋藏深度的土的電阻率計算公式:

式中:P(a-b)——管件深度(土層)的土的電阻率;Pa——從地表到a深度土的電阻率;Pb——從地表到b深度土的電阻率;Ra——探針間距為a時的儀表讀數(shù);Rb——探針間距為b時的儀表讀數(shù)。

2.2 土的氧化還原電位測試

使用pH-101B型便攜式mV/pH計測試氧化還原電位?，F(xiàn)場采用鉑電極法。首先鉑電極在使用前進行脫膜處理,然后用純水清洗后,浸入ORP電極浸泡液中6 h后開始使用。在野外原位測定時,先將五支鉑電極分別插入預測土層中,平衡1 h。然后鉑電極接儀器的正極,插在附近土中的甘汞電極接儀器的負極,儀器的選擇鈕撥至“mV”檔,儀器穩(wěn)定后的讀數(shù)即為土地中鉑電極的電位值對甘汞電極的電位差,單位為mV,分別測得五支鉑電極的電位值對甘汞電極的電位差。

從儀器上讀得的電位值,是土地中鉑電極的電位值對甘汞電極的電位差,需換算成以氫電極為基準的電位值。

式中甘汞電極的電位不同溫度的差異見表1。

表1 飽和甘汞電極在不同溫度時的電位Tab le 1 Satu rated calom e l electrode po ten tial at various tem peratu res

用式②分別求得5支鉑電極以氫電極為基準的電位值,然后求得上述5個電位值的平均值即為該點的氧化還原電位。

2.3 土的酸堿度(pH值)測試

使用國產(chǎn)數(shù)字pH計,采用復合電極的原位測試系統(tǒng)。在野外進行原位測試時,現(xiàn)場挖坑至管線的埋置深度,平整坑底土層表面,在適中位置插入復合電極,待平衡后測試,儀器的讀數(shù)即為該點處的pH值。

2.4 土的標準質(zhì)量損失測試

試樣采用低碳鋼管(長10 cm,外徑23 mm,壁厚2mm),用純鹽酸去銹、去油,經(jīng)蒸餾水洗凈干燥后稱重。在烘箱中恒溫烘干(溫度為105℃,時間4 h),進行研磨后過1.00mm篩子。將低碳鋼管試件放在鍍鋅鋼筒中,試件底部用橡皮塞塞住,起到絕緣作用,試件底部距鍍鋅鋼筒底部保持10～12mm距離。鍍鋅鋼筒與試件中間用被測土填滿,并精心搗實,然后加蒸餾水直至達到飽和。將直流電源正極接到試件上,負極接到鍍鋅鋼筒上,其間加6 V電壓,保持24 h。停電后取出試件,去掉土和疏松的腐蝕產(chǎn)物,在8%NaOH水溶液中進行陰極剝離(電流密度為15～20 A/dm2),直到腐蝕產(chǎn)物除凈為止。將試件再用蒸餾水清洗、干燥、稱重(誤差至0.01 g)。每個土樣作3個試樣的平行試驗,最后取平均值。

2.5 土的極化電流密度測試

用低碳鋼板制25 mm×25 mm的方形電極,電極引線焊在每個電極背面,用環(huán)氧樹脂絕緣。試驗前已將電極表面用砂紙磨光,并用濃鹽酸去銹去污。對從野外取回的原狀土進行切割,使厚度介于50～60mm,夾于兩電極之間,電極與試驗土樣緊密接觸,保持10～15m in后開始試驗。

為了測得極化曲線,將電源正負極接于鋼板,當電流密度逐漸增大時,電極產(chǎn)生極化。每個電流值的持續(xù)時間為5m in,電極間電位差的測量是在極化電路斷開時進行。當電極間極化電位差>600 mV時,終止試驗。

電流密度iK(mA/cm2)按下列公式計算:

式中:IK——測得的電流(mA);6.25——電極表面積,2.5×2.5=6.25(cm2)。

按照取得的數(shù)據(jù),繪制電位差—電流密度曲線圖。將電位差等于500mV時的電流密度作為土地的腐蝕性評價指標。

2.6 土的電位梯度測試

土的電位梯度的測試采用的是重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-2多功能數(shù)字直流激電儀。測線等長且垂直對稱布置,其中一條沿線與管道平行,本次測試的電極間距為1 m。計算時建立直角坐標系,使其縱、橫坐標軸分別于南北向(S-N)、東西向(E-W)相對應,將測得的數(shù)值與方向記入坐標中,然后利用矢量合成法,分別求出每個測試點的矢量和。計算所得的數(shù)值分別除以各自對應的參比電極間距(以m為單位),即為電位梯度。

3 測試成果與評價

3.1 土的腐蝕性的綜合評價標準

表2為土壤對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價標準[2],表3為引黃北干線PCCP管線沿線pH值、氧化還原電位、電阻率、極化電流密度及質(zhì)量損失實測成果,表4為測試成果評價。

對按試驗指標對應評價標準評價的腐蝕性等級不同時,綜合評定按最高腐蝕等級進行評定[3]。

表2 土對鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評價標準Tab le 2 Eva luation standard of soil corrosive effectson steel structu re

經(jīng)對土的電阻率、電位梯度、酸堿度(pH值)、氧化還原電位、標準質(zhì)量損失和土的極化電流密度綜合分析評價,引黃北干線PCCP管線周圍土層具有腐蝕性,級別為中等或強腐蝕性。

表3 土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性測試成果表Table 3 Test resultsof so il corrosive effectson steel structu re

續(xù)表3

表4 土對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性測試成果評價表Tab le 4 Evaluation on test resu ltof soil corrosive effectson steel structure

3.2 雜散電流對管道的腐蝕性評價標準

由于交直流電氣化鐵路、高壓電力線路、變電站等接地裝置可能會在土中產(chǎn)生雜散電流,因此使土體在兩點間產(chǎn)生電位差。表5為雜散電流強弱程度的判斷標準[4]。工作中采用點距100 m,測試PCCP管線周圍的雜散電流干擾情況,在遇到高壓線、電氣化鐵路、變電站等可能產(chǎn)生雜散電流的設(shè)施時,加密測試點距。原位測試了土的電位梯度及電阻率,利用土的電位梯度對土的腐蝕性進行分級,確定管道需保護的里程區(qū)間,從統(tǒng)計測試成果可看出,土的電位梯度位于0.07 m V/m與11.58 mV/m之間。土的電位梯度<2.5 mV/m的點812個,占測試點的71%;土的電位梯度>2.5 mV/m的點332個,占測試點的29%。判定土的電位梯度>2.5 mV/m的地段雜散電流為中等—強腐蝕,根據(jù)測試點統(tǒng)計,該地段長度約33 km,依據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護技術(shù)標準》(SY/T0017—2006),對管道附近土的電位梯度>2.5mV/m的地段,PCCP管需采取直流排流保護或其它防護措施。

表5 雜散電流強弱程度的判斷指標Tab le 5 C ritica l determ inan tof stray cu rren t degree

4 結(jié)論

(1)經(jīng)對土的電阻率、電位梯度、酸堿度(pH值)、氧化還原電位、標準質(zhì)量損失和土的極化電流密度綜合分析評價,引黃北干線PCCP管線周圍土層對鋼結(jié)構(gòu)具有腐蝕性,級別為中等或強腐蝕性,建議采取做環(huán)氧煤瀝青保護層等防護措施。

(2)經(jīng)過雜散電流的測試,約33 km的PCCP管線段土的電位梯度>2.5mV/m,雜散電流對PCCP管具腐蝕性,級別為中等或強,建議采取陰極保護等防護措施。

(3)PCCP管既是一種特殊的鋼結(jié)構(gòu),其中鋼筒又區(qū)別于混凝土中的鋼筋,因此,僅用埋地鋼質(zhì)管道的腐蝕標準來評價PCCP管的腐蝕情況,僅從工程造價情況來看,采用陰極保護措施并不適用于所有工程項目,希望通過本文能起到拋磚引玉作用,在PCCP管以后的工作中有一個針對性的評價標準。

[1] 胡世信,等.預應力鋼筒混凝土管陰極保護技術(shù)應用介紹[J].南水北調(diào)與水利科技,2008(1):303-307.

[2] 工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊[S].北京:中國工業(yè)建筑出版社,2007:327.

[3] SY/T0017—2006,埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護技術(shù)標準[S].

[4] GB50021—2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

(責任編輯: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

張許平(1969-),男,高級工程師,碩士,工程地質(zhì)專業(yè),從事水利水電工程、巖土工程方面的工作。E-mail:ZXP486@163.com