盤(pán)錦應(yīng)急供水工程PCCP管材受環(huán)境水腐蝕的評(píng)價(jià)探討

李 娜

（遼寧宏禹水利工程建設(shè)監(jiān)理有限公司,遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 工程背景

大伙房水庫(kù)輸水（二期）工程盤(pán)錦二步應(yīng)急供水工程即盤(pán)錦應(yīng)急供水工程為大伙房水庫(kù)輸水（二期）二步工程的組成部分,位于盤(pán)錦等城市,地處遼河中下游地區(qū),地處中緯度,屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候,其特點(diǎn)寒冷期長(zhǎng),平原風(fēng)大,溫度變化較大。夏季以東南風(fēng)為主,炎熱潮濕,雨量集中,多連陰雨、暴雨天氣。降水量主要集中在6 月~9 月,約占全年的70%~80%,其中7 月、8 兩月更為集中,約占全年的50 %左右。降水量323.1 mm~914.9 mm。冬季盛行西北季風(fēng),干冷空氣頻繁入侵,氣候嚴(yán)寒。下游平原及丘陵地帶無(wú)霜期約169 天,初霜約在9 月上中旬,終霜在次年5 月中旬。全年日照5 月最長(zhǎng),12 月最短,氣溫7 月最高平均在23 ℃~25 ℃,極端最高氣溫為34 ℃~37 ℃。1 月最低在-9 ℃~-14 ℃之間,極端最低氣溫為-28 ℃~-36 ℃。

盤(pán)錦應(yīng)急供水工程營(yíng)盤(pán)配水站-大洼/遼濱分水口段為1×DN2000 PCCP管,管道工程長(zhǎng)度為 32.17 km,大洼/遼濱分水口段-盤(pán)錦市接管點(diǎn)段為1×DN2000 PCCP管,管道長(zhǎng)度為 13.24 km。整個(gè)管道線(xiàn)路全長(zhǎng)45.41 km。管道覆土最小值為1.5 m,管道工壓等級(jí)為0.8 MPa。環(huán)境水對(duì)混凝土具有腐蝕性的區(qū)段累計(jì)長(zhǎng)度為8.01 km,環(huán)境水對(duì)砼中鋼筋具有腐蝕性的區(qū)段累計(jì)長(zhǎng)度為45.413 km,其中具中等腐蝕、弱腐蝕性的區(qū)段累計(jì)長(zhǎng)度為24.713 km、20.7 km。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性的區(qū)段主要分布于盤(pán)錦支線(xiàn)下游,其累計(jì)長(zhǎng)度為24.713 km,其它段為弱腐蝕性。對(duì)于埋置在有腐蝕性土壤或地下水中的PCCP管,均采用PCCP管表面涂環(huán)氧煤瀝青防腐層及PCCP管采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)防腐措施。

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

當(dāng)前PCCP管材受環(huán)境水腐蝕的影響并未形成完善的評(píng)價(jià)模式,各行業(yè)仍然借用環(huán)境水腐蝕鋼筋混凝土的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行環(huán)境水對(duì)供水工程PCCP管材腐蝕的影響評(píng)價(jià)。

2.1 環(huán)境水對(duì)混凝土腐蝕的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

以SO42-腐蝕為例,將目前相關(guān)規(guī)范中有關(guān)環(huán)境水中SO42-含量對(duì)混凝土腐蝕性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行匯總,具體見(jiàn)表1~表3。

表1 GB 50487-2008環(huán)境水中SO42-對(duì)混凝土腐蝕性的判斷標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg/L

表3 SL191-2008水中SO42-的化學(xué)侵蝕程度單位：mg/L

GB 50487-2008 規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境水對(duì)混凝土腐蝕性的判斷標(biāo)準(zhǔn)適用于不具有干濕交替/凍融交替作用的地區(qū)以及具有干濕交替/凍融交替的濕潤(rùn)、半濕潤(rùn)地區(qū)；而對(duì)于具有干濕交替/凍融交替的干旱半干旱地區(qū)以及高寒地區(qū),必須進(jìn)行論證[1]。

GB 50021-2001 規(guī)范所給出的判斷標(biāo)準(zhǔn)適用于干濕交替作用的地區(qū),若Ⅰ、Ⅱ類(lèi)腐蝕性環(huán)境不存在干濕交替作用,則應(yīng)以表中所規(guī)定的SO42-含量數(shù)值乘以1.3；表中所給出的為環(huán)境水中SO42-含量高度對(duì)地區(qū)混凝土腐蝕性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),如進(jìn)行環(huán)境土的腐蝕性評(píng)價(jià),應(yīng)以表中數(shù)值乘以1.5,且SO42-含量單位為mg/L[2]。

SL 191-2008 規(guī)范所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于水體和土體均適用,水體中SO42-含量∈[4000,10000）mg/L,則為重度侵蝕,若水體中SO42-含量∈[1000,4000）mg/L,則為中度侵蝕,若水體中SO42-含量∈[200,1000）mg/L,則為輕度侵蝕；土體中SO42-含量∈[6000,15000）mg/L,為重度侵蝕,土體中SO42-含量∈[1500,6000）mg/L,為重度侵蝕,土體中SO42-含量∈[300,1500）mg/L為輕度侵蝕。

根據(jù)對(duì)不同規(guī)范中硫酸鹽型腐蝕判斷標(biāo)準(zhǔn)的分析發(fā)現(xiàn),GB 50487-2008 的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和適用范圍均最嚴(yán)格,除了該規(guī)范外,其余規(guī)范對(duì)硫酸鹽作用等級(jí)的劃分基本一致。GB 50487-2008 所規(guī)定的硫酸鹽強(qiáng)腐蝕下限SO42-含量為500 mg/L,與其余規(guī)范所規(guī)定的弱腐蝕上限或中等腐蝕大致相當(dāng),這無(wú)疑增加了防腐措施設(shè)計(jì)難度[3]。供水工程PCCP管材混凝土結(jié)構(gòu)較為薄弱,且屬于隱蔽性工程,如果在設(shè)計(jì)時(shí)沿用較為寬松的標(biāo)準(zhǔn),一旦發(fā)生環(huán)境水硫酸鹽腐蝕,必將增加檢測(cè)維修難度和費(fèi)用,甚至造成管道爆裂、供水中斷、周邊房屋農(nóng)田被沖毀等無(wú)法挽回的損失。綜合考慮供水工程PCCP管材混凝土結(jié)構(gòu)的安全性,盤(pán)錦應(yīng)急供水工程應(yīng)當(dāng)按照最為嚴(yán)格的GB 50487 -2008 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2.2 環(huán)境水對(duì)鋼筋腐蝕的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

就環(huán)境水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕性評(píng)價(jià),GB 50021-2001（2009 版）與GB 50487-2008 的標(biāo)準(zhǔn)大致相同,只是前者將環(huán)境水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕性評(píng)價(jià)的相關(guān)內(nèi)容做了刪除,并將環(huán)境水中Cl-含量對(duì)鋼筋腐蝕性的評(píng)價(jià)內(nèi)容與歐美規(guī)范接軌,不再進(jìn)行SO42-含量的折算,具體見(jiàn)表4~表5。

表4 GB 50487-2008環(huán)境水對(duì)鋼筋腐蝕性的判斷標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg/L

GB 50487-2008 規(guī)范所規(guī)定的環(huán)境水對(duì)鋼筋腐蝕性的判斷標(biāo)準(zhǔn)適用于干濕交替作用的地區(qū),如若環(huán)境水中硫酸鹽和氯化物同時(shí)存在,則表5中的Cl-含量為氯化物內(nèi)的Cl-含量和硫酸鹽內(nèi)的Cl-含量之和,即Cl-含量=Cl-+0.25× SO42-。

表5 GB 50021-2001(2009版)環(huán)境水對(duì)鋼筋腐蝕性的判斷標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg/kg

表5 中Ⅰ表示超出工程區(qū)地下水位的砂土、碎石土、粉土及硬塑性黏土；Ⅱ表示濕潤(rùn)型粉土,可塑~軟塑及流塑狀黏土。

2.3 環(huán)境水對(duì)供水工程PCCP管材腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)確定

在對(duì)比分析現(xiàn)有規(guī)范中對(duì)環(huán)境水/土腐蝕混凝土及混凝土中鋼筋相關(guān)規(guī)定的基礎(chǔ)上,結(jié)合盤(pán)錦應(yīng)急供水工程區(qū)地面實(shí)際高程和氣候條件,不難發(fā)現(xiàn),盤(pán)錦應(yīng)急供水工程PCCP管材大多直接臨水或長(zhǎng)期處于強(qiáng)透水層地下水干濕交替環(huán)境中,且其PCCP管運(yùn)行環(huán)境中大部分地下水埋深較淺,對(duì)施工具有較大的影響。該工程區(qū)屬于表1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)適用范圍之外的地區(qū),其腐蝕程度應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)論證；參考表2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍來(lái)看,工程區(qū)腐蝕環(huán)境應(yīng)在表2 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上除以1.3 的系數(shù),從而得出干旱/半干旱地區(qū)干濕交替/凍融交替作用下環(huán)境水中硫酸鹽腐蝕供水工程混凝土的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),具體見(jiàn)表6。

表2 GB 50021-2001環(huán)境水中SO42-對(duì)混凝土腐蝕性的判斷標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg/L

表6 盤(pán)錦應(yīng)急供水工程區(qū)環(huán)境水中硫酸鹽腐蝕混凝土的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg/L

考慮到工程區(qū)腐蝕類(lèi)型主要為硫酸鹽腐蝕,且盤(pán)錦應(yīng)急供水工程PCCP管混凝土厚度較薄,容易出現(xiàn)裂縫,地下水侵入裂縫后腐蝕管中環(huán)向鋼絲,混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)鋼絲的防護(hù)作用大大減弱。結(jié)合相關(guān)分析,不規(guī)定弱腐蝕下限濃度,而其余評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不變,具體見(jiàn)表7。

表7 盤(pán)錦應(yīng)急供水工程區(qū)環(huán)境水對(duì)混凝土中鋼筋腐蝕性的 判斷標(biāo)準(zhǔn) 單位：mg/L

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 氧化還原電位

進(jìn)行盤(pán)錦應(yīng)急供水工程區(qū)土壤氧化還原電位檢測(cè)和評(píng)價(jià)的主要目的在于確定土壤微生物腐蝕的強(qiáng)弱,當(dāng)氧化還原電位檢測(cè)值較高時(shí),說(shuō)明土壤體系具有良好的通氣性,相反,則土壤通氣性差[4]。盤(pán)錦應(yīng)急供水工程區(qū)土壤氧化還原電位檢測(cè)采用DMP-2型氧化還原電位儀和鉑電極法,分別進(jìn)行鉑電極所對(duì)應(yīng)甘汞電位差的測(cè)量,并通過(guò)實(shí)測(cè)電位差與甘汞電極電位差的和計(jì)算盤(pán)錦應(yīng)急供水工程區(qū)土壤氧化還原電位。盤(pán)錦應(yīng)急供水工程甘汞電極電位結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 甘汞電極電位

3.2 視電阻率

盤(pán)錦應(yīng)急供水工程區(qū)土壤視電阻率是土壤導(dǎo)電性能的表征指標(biāo),通常情況下,視電阻率越低,則土壤腐蝕性越高,所以該指標(biāo)也常用于工程區(qū)土壤腐蝕程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一,本工程采用ZC-8型視電阻率測(cè)試儀和對(duì)稱(chēng)四級(jí)交流電測(cè)試技術(shù),土壤視電阻率按下式確定：

式中：ρ為土壤視電阻率,Ω·m；ρ15為經(jīng)溫度矯正后的土壤視電阻率,Ω·m；a為測(cè)量深度系數(shù)；R為比例系數(shù)；T為土壤深度為0.5 m時(shí)的土體溫度,℃。

3.3 極化電流密度

該指標(biāo)主要通過(guò)極化曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)定,即采用低碳鋼板按長(zhǎng)×寬的設(shè)計(jì)尺寸制作方形電極,并將其引線(xiàn)焊接在電極背面,借助環(huán)氧樹(shù)脂材料絕緣處理。將從盤(pán)錦應(yīng)急供水工程區(qū)取回的土體切割成厚度5 cm~6 cm的塊體,夾放在電極間,并使電極和土塊緊密接觸,靜置10 min~15 min后開(kāi)始試驗(yàn)。將電源正負(fù)極與鋼板相接,隨著電流密度的逐漸增大,電極出現(xiàn)極化現(xiàn)象,當(dāng)電極極化電位差超出600 mV時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。在所取得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中讀取電位差為500 mV時(shí)的電流密度值,即為極化電流密度。

3.4 質(zhì)量損失

采用室內(nèi)管灌法進(jìn)行盤(pán)錦應(yīng)急供水工程區(qū)土體標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失的測(cè)定,即先進(jìn)行試件標(biāo)準(zhǔn)化處理,包括除銹、去油、洗凈、干燥、稱(chēng)重等環(huán)節(jié),再將取回的土壤烘干處理,并研磨過(guò)篩后置入試件內(nèi)加壓24 h,斷電后取出,將土及腐蝕產(chǎn)物等統(tǒng)統(tǒng)去除,并在堿性溶液中通過(guò)陰極剝離徹底去除掉腐蝕產(chǎn)物,再將試件清洗、干燥、稱(chēng)重后進(jìn)行土標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量損失的確定。

4 評(píng)價(jià)成果

根據(jù)原位測(cè)試和室內(nèi)測(cè)試結(jié)果,盤(pán)錦應(yīng)急供水工程PCCP管段管道沿線(xiàn)地層土壤氧化還原電位、視電阻率、極化電流密度、質(zhì)量損失等指標(biāo)計(jì)算結(jié)果以及環(huán)境水對(duì)管材混凝土和鋼筋腐蝕性的評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 盤(pán)錦應(yīng)急供水工程PCCP管段管道受環(huán)境水腐蝕的評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)對(duì)工程區(qū)各個(gè)測(cè)點(diǎn)地下水對(duì)PCCP管材所具腐蝕性的評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出,各測(cè)點(diǎn)氧化還原電位及pH值的評(píng)價(jià)結(jié)果均為微腐蝕,而視電阻率的評(píng)價(jià)結(jié)果為微~中腐蝕,極化電流密度評(píng)價(jià)結(jié)果為中~強(qiáng)腐蝕,質(zhì)量損失評(píng)價(jià)結(jié)果為微~弱腐蝕；且綜合評(píng)價(jià)結(jié)果主要取決于極化電流密度。

工程區(qū)土體因粒徑不同而在氧化還原電位和質(zhì)量損失等方面存在較大差距,對(duì)于粗粒土而言,氧化還原電位和質(zhì)量損失均表現(xiàn)為微腐蝕,而細(xì)粒土的氧化還原電位為中腐蝕,質(zhì)量損失為弱腐蝕。為此,應(yīng)針對(duì)細(xì)粒土層采取有效的供水管段防腐措施。

5 結(jié)論

通過(guò)本文對(duì)盤(pán)錦應(yīng)急供水工程PCCP供水管受環(huán)境水腐蝕的評(píng)價(jià)與分析表明,PCCP管材結(jié)構(gòu)特殊,屬于新興建筑材料,當(dāng)前尚無(wú)針對(duì)PCCP管材的腐蝕性評(píng)價(jià)規(guī)范,應(yīng)參考埋地鋼制管道的腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行其安全評(píng)價(jià)；盤(pán)錦應(yīng)急供水工程中PCCP管在供水線(xiàn)路中占比較大,隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),PCCP管出現(xiàn)大范圍斷絲和爆管的可能性大大增加,為此,必須結(jié)合工程區(qū)地質(zhì)條件和環(huán)境類(lèi)型,加強(qiáng)管材結(jié)構(gòu)的防腐處理；本文針對(duì)盤(pán)錦應(yīng)急供水工程實(shí)際給出了干旱/半干旱地區(qū)干濕交替/凍融交替運(yùn)行情況下環(huán)境水對(duì)混凝土硫酸鹽腐蝕程度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),可為其余環(huán)境類(lèi)型環(huán)境水腐蝕離子評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的分析提供借鑒參考。