孫治新，劉康和，楊正春，劉棟臣，劉 潔

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽 合肥 230601)

環(huán)境介質(zhì)腐蝕性的定義：環(huán)境介質(zhì)對(duì)建筑材料的化學(xué)、物理化學(xué)和生物化學(xué)作用的侵蝕能力。自然環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的物質(zhì)體系，建筑材料的腐蝕現(xiàn)象，與其周?chē)h(huán)境各種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)相聯(lián)系在一起。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年因腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約7千億美元，占各國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值的2%～4%。我國(guó)近年來(lái)腐蝕經(jīng)濟(jì)損失平均高達(dá)1.5千億元左右，約占國(guó)民生產(chǎn)總值的4%。

在我國(guó)隨著基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)建的地下設(shè)施在輸供水、天然氣、石油等工程中得到廣泛應(yīng)用。這些鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施大多埋在地下，周?chē)h(huán)境會(huì)對(duì)其產(chǎn)生不同程度的腐蝕，而土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕主要為原電池、細(xì)菌、雜散電流及酸類(lèi)腐蝕，使得鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的腐蝕會(huì)降低結(jié)構(gòu)承載能力，減少結(jié)構(gòu)設(shè)施使用壽命，如圖1所示。為查明屬于何種腐蝕及其腐蝕程度，需要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施場(chǎng)地土的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)狀況、通氣性、含水量等進(jìn)行調(diào)查與測(cè)試[1]，測(cè)定的主要項(xiàng)目有：土壤酸堿度(pH值)、土壤氧化還原電位、土壤電阻率、土壤極化電流密度、質(zhì)量損失等內(nèi)容，可為管道防腐設(shè)計(jì)、制造和施工提供科學(xué)依據(jù)。因此，測(cè)試和評(píng)價(jià)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施所處環(huán)境的腐蝕原因及對(duì)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的腐蝕性程度，并采取有效的防護(hù)措施，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 鋼質(zhì)供水管道(PCCP管)腐蝕破壞

1 測(cè)試技術(shù)

1.1 酸堿度(pH值)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)挖探坑至鋼結(jié)構(gòu)埋置深度，平整坑底土層表面，采用錐形玻璃電極法，以飽和KCl甘汞電極為參比電極，在適中的位置插入待測(cè)土壤中，以它為圓心，以20～50cm為半徑的圓周上，取3等分插入3支錐形pH電極為指示電極，待平衡5～10min后，依次測(cè)試土壤的pH值(溫度自動(dòng)補(bǔ)償)，進(jìn)行算數(shù)平均后即為該土層的酸堿度(pH值)測(cè)試結(jié)果。

1.2 氧化還原電位測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)挖探坑至鋼結(jié)構(gòu)埋置深度，平整坑底土層表面，采用鉑電極法，先將5只鉑電極插入欲測(cè)土壤中，平衡1h后，鉑電極接儀器正極，插在附近土壤中的飽和甘汞電極接儀器負(fù)極，進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)測(cè)定該土壤的溫度。

實(shí)測(cè)值(E實(shí)測(cè))是土壤中鉑電極的電位值與甘汞電極的電位差，然后經(jīng)過(guò)換算成以氫電極為基準(zhǔn)的電位值(Eh土壤)和pH值校正，最終取得土壤pH=7的電位值(Eh7)。

1.3 電阻率測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)挖至供水管道管身埋深位置，平整坑底土層表面，采用對(duì)稱(chēng)四極法，小極距測(cè)試，供電電極AB/2=0.3m，測(cè)量電極MN/2=0.15m，測(cè)量4組電阻率進(jìn)行算數(shù)平均后即為該土層的實(shí)測(cè)土壤電阻率(ρ)。同時(shí)測(cè)定土壤的溫度。

為便于數(shù)據(jù)的相互比較，土壤視電阻率均校正至土壤溫度為15℃時(shí)的值，參與土壤腐蝕性評(píng)價(jià)。

1.4 極化電流密度

采用原位極化法。將2支金屬面積均為6.25cm2的電極插入待測(cè)土壤中，給儀器逐步加大電流，即得系列電位差。然后以電流除以電極面積(6.25cm2)得出的各個(gè)極化電流密度i(mA/cm2)為橫坐標(biāo)，以測(cè)得的與各電流密度相應(yīng)的電位差△U(mV)為縱坐標(biāo)作圖，繪制電位差-電流密度曲線(xiàn)圖。從極化曲線(xiàn)上查出電位差△U=500mV時(shí)的極化電流密度i(mA/cm2)即為該土壤的極化電流密度。

1.5 質(zhì)量損失測(cè)試

采用管罐法。用埋地鋼結(jié)構(gòu)相同材料，制成一定規(guī)格面積、質(zhì)量的鋼管，置于鐵皮罐中，在罐管間填充待測(cè)土壤，并加蒸餾水使其飽和，管為正極，罐為負(fù)極，通直流電6V、24h后取出鋼管，對(duì)其清洗除銹、烘干，然后稱(chēng)其失重，即為質(zhì)量損失。

2 工程實(shí)例

2.1 概況

某引調(diào)水工程供水管道采用壓力管道輸水(單聯(lián)PCCP管)，設(shè)計(jì)流量5m3/s，管線(xiàn)總長(zhǎng)31.44km，管道埋深3.5～4.0m左右(管徑約2.0m)，輸水管采用明挖填埋的方法實(shí)施。

2.2 測(cè)試成果與評(píng)價(jià)

表1 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 土壤酸堿度(pH值)腐蝕性評(píng)價(jià)

一般來(lái)說(shuō)，pH值越低，表明土壤去極化能力越強(qiáng)，金屬不易生成鈍化膜，因而土壤腐蝕性強(qiáng)。pH值越高，表明土壤堿性越大，金屬表面容易生成鈍化膜，對(duì)金屬產(chǎn)生一定的保護(hù)作用，因而土壤腐蝕性弱。

沿線(xiàn)土壤酸堿度(pH值)測(cè)試成果如圖2所示，由此可見(jiàn)所測(cè)定的15組酸堿度(pH值)變化范圍為6.17～7.84，均大于5.5，按表1均評(píng)價(jià)為微腐蝕。

圖2 土壤酸堿度(pH值)測(cè)試成果

2.2.2 土壤氧化還原電位腐蝕性評(píng)價(jià)

土壤氧化還原電位是反映土壤通氣狀況，反映土壤介質(zhì)氧化還原程度強(qiáng)弱的一個(gè)綜合指標(biāo)。它受土壤水分、有機(jī)質(zhì)、鹽基狀況、通氣性的影響。

測(cè)定土壤氧化還原電位的主要目的是為了確定土壤微生物腐蝕的有無(wú)及強(qiáng)弱。土壤中對(duì)金屬腐蝕最嚴(yán)重的微生物是硫酸鹽還原菌，硫酸鹽還原菌在缺氧的還原性土壤(含有豐富的有機(jī)物質(zhì)和適量硫酸鹽)中會(huì)大量繁殖，使鋼質(zhì)材料失去電子而腐蝕。因此，氧化還原電位低，表明土壤體系通氣性差，以硫酸鹽還原菌為主的土壤微生物腐蝕性就嚴(yán)重；反之，則表明土壤體系通氣性較好，土壤微生物腐蝕性就弱。

沿線(xiàn)氧化還原電位測(cè)試成果如圖3所示，由此可見(jiàn)所測(cè)定的15組氧化還原電位變化范圍為472～837mv，均大于400mv，按表1均評(píng)價(jià)為微腐蝕。

圖3 土壤氧化還原電位測(cè)試成果

2.2.3 土壤視電阻率腐蝕性評(píng)價(jià)

土壤視電阻率腐蝕性的強(qiáng)弱，與土的粒度、含鹽量、含水量和溫度息息相關(guān)。土壤視電阻率是土壤導(dǎo)電能力的總體特征，是導(dǎo)電率的倒數(shù)，電阻率越低，電流越容易流過(guò)土壤，土壤的腐蝕性就越強(qiáng)。

沿線(xiàn)土壤視電阻率測(cè)試成果如圖4所示，由此可見(jiàn)所測(cè)定的15組視電阻率變化范圍為25.1～39.2Ω·m，按表1均評(píng)價(jià)為中腐蝕。

圖4 土壤視電阻率測(cè)試成果

2.2.4 土壤極化電流密度腐蝕性評(píng)價(jià)

土壤極化電流密度腐蝕性的強(qiáng)弱，不僅與土壤含水量(或干燥濕潤(rùn)程度)、土壤中鹽的性質(zhì)(易溶鹽、中熔鹽、難溶鹽)和鹽的含量有關(guān)，而且與成土地質(zhì)條件、氣候特征等密切相關(guān)。一般而言，土壤在干燥狀態(tài)小，極化電流密度很低，幾乎沒(méi)有腐蝕性，但在濕潤(rùn)狀態(tài)下，極化電流密度將根據(jù)含水量、易溶鹽量的變化而增大，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性也將增強(qiáng)。

沿線(xiàn)土壤極化電流密度測(cè)試典型曲線(xiàn)如圖5所示，測(cè)試成果如圖6所示。由此可見(jiàn)所測(cè)定的15組極化電流密度變化范圍為0.002～0.086mA/cm2，按表1評(píng)價(jià)可得：TK3處為中腐蝕；TK4、TK6、TK7、TK8處為弱腐蝕；其余10處為微腐蝕。

圖5 TK10探坑極化電流密度曲線(xiàn)

圖6 土壤極化電流密度測(cè)試成果

2.2.5 質(zhì)量損失腐蝕性評(píng)價(jià)

由于土壤中的溶液電解質(zhì)作用，對(duì)埋在地下的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)腐蝕生銹，在鋼結(jié)構(gòu)表面形成一層腐蝕物，腐蝕物的多少，是評(píng)價(jià)土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕程度的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，腐蝕物越多，質(zhì)量損失就越大，說(shuō)明土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕程度越高，反之，則腐蝕程度就低。

表2 土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)

沿線(xiàn)質(zhì)量損失測(cè)試成果如圖7所示。由此可見(jiàn)所測(cè)定的15組質(zhì)量損失變化范圍為1.5～3.5g，按表1評(píng)價(jià)可得：TK4、TK5、TK8處為強(qiáng)腐蝕；TK1、TK2、TK3、TK6、TK7、TK11、TK13、TK14、TK15處為中腐蝕；TK9、TK10、TK12處為弱腐蝕。

圖7 土壤質(zhì)量損失測(cè)試成果

2.2.6 綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)上述各項(xiàng)評(píng)價(jià)結(jié)果，選取各指標(biāo)中腐蝕等級(jí)最高者作為綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，見(jiàn)表2。從表2中可看出，該供水管道TK1～TK3，TK6～TK7和TK9～TK15等處土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性等級(jí)為中腐蝕性，TK4、TK5和TK8等處土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性等級(jí)為強(qiáng)腐蝕性。

鑒于該供水管道沿線(xiàn)土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)等級(jí)介于中-強(qiáng)腐蝕性，按照規(guī)范要求應(yīng)采取相應(yīng)防腐措施。因此建議，依據(jù)該輸水管道沿線(xiàn)地層巖性變化情況，在管道樁號(hào)0-111.92～4+909.05m，8+915.29～12+932.56m和14+840.24～30+825.57m土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)為中腐蝕的地段，使用長(zhǎng)效涂層的保護(hù)方法進(jìn)行防護(hù)；建議在樁號(hào)4+909.05～8+915.29m和12+932.56～14+840.24m土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)為強(qiáng)腐蝕的地段，使用陰極保護(hù)的方法防腐。

3 結(jié)語(yǔ)

以上詳細(xì)介紹了場(chǎng)地土壤對(duì)埋地鋼質(zhì)供水管道的腐蝕性測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法及其腐蝕程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與過(guò)程。通過(guò)野外測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管道沿線(xiàn)土壤腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)論給出采取管道涂層防腐和陰極保護(hù)方法防腐的建議。為埋地鋼質(zhì)供水管道防腐設(shè)計(jì)、制造和施工提供科學(xué)依據(jù)，滿(mǎn)足了工程需要，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

PCCP管既是一種特殊的鋼結(jié)構(gòu)，其中預(yù)應(yīng)力鋼絲及鋼筒又區(qū)別于混凝土中的鋼筋，所以土壤對(duì)它的腐蝕情況具有特殊性，希望今后通過(guò)我們的努力，在實(shí)際工程應(yīng)用中總結(jié)出一組針對(duì)PCCP管道腐蝕性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。這一組評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不僅要能比較正確客觀反映土壤腐蝕的嚴(yán)重性，還應(yīng)能方便地測(cè)量得到，同時(shí)必須具有一定的通用范圍及較普遍的代表性，而且要有預(yù)測(cè)性和相對(duì)的穩(wěn)定性，這樣在使用中更為方便快捷且針對(duì)性更強(qiáng)。