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摘要：在目前的光伏工程应用中，螺旋钢管桩是最普遍的支架固定基础，故而其能否长效安全使用关系到光伏发电工程的稳定效果。我国幅员辽阔，涉及的地基形式很多，因此，地下介质的腐蚀问题将直接影响到钢管桩的结构安全。因而如何针对钢管桩运行过程中的腐蚀破坏行为进行有效评价，将直接影响结构的安全设计。通过对国内外有关规范的分析和比较，并针对我国城市土壤环境特点，制定了一套适合我国不同土质环境下的螺旋钢管桩腐蚀评价标准。
关键词：土壤环境；螺旋钢管桩；腐蚀；预防
钢管桩因其承载力高，施工方便、速度快、环境友好等特点，正逐渐在一些复杂的地质条件下得到推广。但目前国内外对钢管桩的研究主要集中于碳钢结构，其在土壤环境下极易被腐蚀，从而导致其使用寿命降低，尤其是在盐碱地区。
1钢管桩的分类
在传统的建筑桩基中，钢管桩只是一类桩身为金属材质的管桩的总称。工程建设中常见的钢管桩按桩顶可分为两类：①开口桩；②闭口桩。按制造方式可以分为3大类：
①直焊缝钢管；②螺旋焊缝钢管；③无缝钢管。
2钢管桩的电化学腐蚀机理
在土壤、水和户外湿度条件下，钢管桩的腐蚀主要是由于电化学反应造成的。电化学腐蚀是指在一定的时间尺度上，随着时间的推移，钢水中的原子间的结合能逐渐降低，从而使一种或几种电子从钢水中脱离出来，产生一种电流。电流随后在电解液中经由金属离子的迁移而传播。这一现象的发生有两个前提：①有氧；②有电解质。这种方法是在金属的部分表面上产生一个电势差，从而在部分区域内形成一个阴阳极。在这种情况下，金属的腐蚀损耗主要集中在阳极区，并伴随有Fe离子的析出。
3腐蚀的基本理论
3.1金属腐蚀的本质与分类
从热力学角度讲，将金属转变成含能较小的氧化物的过程叫做金属腐蚀。在工程上，金属的腐蚀是指金属在与其所处环境（介质）的化学和电化学作用下所造成的损伤。因为金属腐蚀涉及的范围很广，而且其作用机制比较复杂，所以对其进行分类的方法也很多，以下只列出几种与钢管桩的腐蚀相关的主要的分类方法。
（1）按侵蚀方式分。①总侵蚀，即侵蚀在全部金属表面上的侵蚀，有均匀或不均匀。②所谓局部腐蚀，就是腐蚀只发生在一小块地方，其它地方基本不受影响。该腐蚀是一种难于控制和监控的复杂结构，极易引起局部损伤，引发严重的安全事故。其中，点腐蚀（点蚀）、缝隙腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、氢脆、疲劳腐蚀等是目前腐蚀研究领域的热点问题。
（2）从腐蚀机制上进行分类。①单纯的物理腐蚀，即金属因单纯的物理溶解而引起的损害。②“化学侵蚀”是指在不含电解液的环境中，由于金属表面的单纯化学侵蚀而引起的一种侵蚀。如果金属在乾燥气体或非水介质中被侵蚀，则称为化学侵蚀。③电化学腐蚀，即金属与电解液之间的电化学反应，在反应时会产生电流，从而造成破坏。电化学腐蚀是最普遍的一种腐蚀形式。在输气管线中，不管是内外壁的腐蚀，都以电化学腐蚀为主。
3.2电化学腐蚀的基本原理
在腐蚀介质中，金属材料因其表面理化特性的非均匀性而形成腐蚀电池。任何一种具有腐蚀性的电池都包括阳极、阴极、电解液以及将正极与阴极相连的导电体。在此过程中，由于铁的电化学性质，其电子被释放出来，并以离子的形式存在于电解液中。正极材料的还原过程是由氧化剂得到电子，然后由氢气（酸）和溶氧（中性和碱性）将电子还原。在该系统中，电子的迁移和离子的迁移分别产生了腐蚀电流和离子的迁移。
3.3腐蚀热力学
除了少数几种贵金属（如金、铂等），大部分金属在自然界和多种腐蚀介质中都具有自腐蚀行为。利用热力学法，可对其腐蚀倾向及程度作出判断。吉布斯的自由能按照热力学第二定律，当一个体系从一个状态向另外一个状态转化时，其自由能的变化量为负值时，就意味着体系在转化的过程中丧失了自己的自由能力，处于自然变化之中。否则，这一过程将不会自动进行，而需要向这个体系注入更多的能量。这同样适用于电化学反应。
4钢管桩腐蚀形态及影响因素
按其破坏特点，可将其分为三种类型：均匀腐蚀、局部腐蚀和点腐蚀。同种锈蚀是指锈蚀在管线的全表面上，具有较大的面积和较深的锈蚀。所谓局部腐蚀，就是在管线表面某一部位发生的腐蚀。在均匀、局部腐蚀条件下，裂纹失效占主导地位。当腐蚀呈孔洞状，孔洞直径和孔洞深度接近时，即为点腐蚀，其破坏模式为穿孔泄漏。由于空气、土壤中存在的自由水，使其在管线表面壁以原位存在，从而引起了电化学腐蚀。而其它有害物质会与管道内壁破坏位置发生原位反应，从而引起管桩金属结构的化学腐蚀。另外，杂散电流对钢管桩的腐蚀也有一定影响。在地下管桩中，由于防腐涂层的损坏，会使直流电气化铁道及阴极保护设备产生的杂散电流通过防腐涂层向金属本体中流动。导致管线在短期内发生严重的点蚀，并引起穿孔泄漏。在电阻率较大的区域中，由于电磁耦合作用而形成的交变电流，将加剧已有的腐蚀现象，从而影响到管桩防护系统的正常运行。设备的安全性受到威胁。
5钢管桩腐蚀检测技术现状
5.1非开挖腐蚀检测技术
在埋地钢管中，常用的一种防护系统是由外部防腐层与阴极保护组成的。非挖沟测试是在不挖沟的条件下，通过外部测试技术，对埋设在地下的钢管外涂层及阴极保护效果进行测试与评估。
（1）阴极保护效果的检测。阴极保护采用外接电力的方式，使管线发生阴极极化。在腐蚀过程中，管身起到了阴极区的作用，对管身起到了保护作用。常规的测试方法是在钢管试桩附近进行管地电位测试，根据两个电位差来判定钢管是否满足了保护基准电位要求。但这种方法的不足之处在于，只能在靠近试桩的地方才能起作用。管内紧邻距离电位探测技术（CIPS）突破了该技术的限制，能够在较短的探测时间内准确地评估管内保护状态。在CIPS法中，最重要的问题就是如何精确地检测出管道的接地电势。
（2）防腐层质量检测。钢管外防腐层是一种经除锈处理后，覆盖在钢管外表面的一种均匀、致密的防腐层，它可以隔绝外界的腐蚀性介质。随着管线服役年限的延长，管线外防腐涂层会发生老化、剥落、破损等现象。传统的检测技术主要有：直流电压梯度法、皮尔逊法、电流衰减法、频率选择法等。地下管线的非挖掘探测是对管线外部腐蚀进行直观评估的一项重要技术。在此基础上，结合防护体系的实际状况，可以判断出防护体系的锈蚀风险区，并对其锈蚀程度作出初步估计，从而实现维护工作的经济性和有效性。但该方法也有不足之处：仅能进行周期性的测试，耗资巨大；必须要有专门的检测员，才能将所有的管线都检查一遍，这是一个漫长而又漫长的过程。
5.2管桩开挖后无损检测技术
按照探伤原理，传统的探伤技术主要有：漏流探伤、涡流探伤、超声探伤、x射线成像探伤、热成像探伤等。探伤是以设备为核心的外壁探测方式，适用范围广，但效率较低，不适用于自动探测，是目前国内外超声、漏磁、涡流场等领域的研究热点。该系统可对钢管桩的锈蚀、渗漏情况进行全面的监测。在输油等管道内进行无损检测时，通常采用的是内探伤方法，包括漏磁法和超声法。传统的非破坏性测试技术已经在很多领域得到了广泛的应用。但是，两种方法都具有相同的缺陷：探测是一个点一个点地进行，不利于大量的管桩进行探测；目前仅有周期性的测试方法，所需的测试时间较长，测试时间内的腐蚀状况难以追踪。
6钢管桩腐蚀监测技术现状
由于传统检测技术的不足，近年来人们一直在尝试一种实时监测的方法。钢管桩的腐蚀监控可分为三个层次：起因、过程和结果。
6.1钢管桩腐蚀环境监测
对管桩进行定向腐蚀防治。利用电化学方法，对管桩外的土层进行了腐蚀气体含量、水分成分及*生物群落等方面的监测。首先测定管线周围的腐蚀情况，再用同样的试样在相同的环境下进行了腐蚀检测，以判断管线周围环境对管线的影响。电化学腐蚀监控技术主要有电阻法、电化学噪声法、交流阻抗法、线性极化法、恒能法等。在计算机技术不断进步的今天，采用智能化的腐蚀监测设备已是一种必然趋势。
6.2现有方法用于城镇土壤评价的不足
在对不同的土壤进行分级时，常用土壤电阻率方法，但在对城市土壤进行腐蚀判定时，其误差可达到30%～40%。例如，在深圳，虽然某些区域的土壤电阻率较高，但是埋在地下的钢管还是受到了较大的侵蚀。究其原因，主要是由于我国大部分城市的钢管桩分布在较少或无人居住地区，土体结构、渗透特性变化平缓，相邻管段之间的电位差很小，而对土壤的侵蚀则主要依赖于土体的整体电导率。因为不同地区特征不同，所以土壤的结构、渗透性、离子含量等都会有很大的改变，这就导致了在地埋钢管的不同位置上会形成一个很高密度的蓄电池。对城市地埋钢管来说，还应该考虑到土壤的化学污染、杂散电流、细菌腐蚀等问题，此外，不同种类的离子对腐蚀的影响也是不相同的，而这些因素都不能仅仅通过土壤电阻率就完全反映出来。即土壤电阻率能够反映土壤的综合电导率，能够很好地反映土壤的粒度、含水量、总可溶性离子含量等，但是并不能完全反映出土壤结构、渗透率、离子类型、杂散电流、细菌含量等与金属腐蚀速率有很大关系的因素。美国、德国等国家都有各自的评估指标体系，以更好地体现各因素对评估结果的影响。德国标准DIN50929对土壤的种类、土壤电阻率、水分含量、pH值、缓冲容量、硫化物、中性盐、硫酸根、地下水水位、埋深与表土电阻率的差异，埋深和周边土壤的电阻率差异、金属管的接地电势等12个项目进行了测试。国内的SYJ7工业标准中的SYJ7管道和容器的防腐蚀工程，在德国的基础上，略*做了一些修改，其中包括了土壤的种类、土壤的电阻率、水分含量、pH值、总酸度、总碱度、硫化物、硫酸根、地下水位、氯离子、再氧化电位等。根据美国国家标准ANSIA21.5，测定了土壤的电阻率、酸碱度、氧化还原势、硫化物、地下水等五项指数。在上面的标准里，土壤的腐蚀程度是根据各个指标的权重，用它们的代数法和表格法来确定的。我国SY/T0053《油气管道岩土工程勘察规范》在内容上与美国相似，只是在内容上做了一些*调，增加了土体电阻率、极化电流密度、试样失重、pH值、再氧化电势等指标，但是综合评定的方式却不一样，需要单独评定，并通过条件判定来决定。该标准研究周期较短，重点关注现场实际情况。要注意在施工过程中，对不同部位、不同时刻的测试结果进行对比分析。本课题拟以《油气管道岩土勘察规范》为依据，通过对国际、国内有关标准的分析、对比，合理增加测试内容，并结合土体特点及安全性评估需求，建立专门的城市土体腐蚀分级标准。
7腐蚀控制技术
为保证钢管桩长期服役于土壤或高含水区域中，长期服役后不受侵蚀，从而降低其承载力，工程技术人员往往通过理论计算对其进行分析。但是，从理论上讲，钢管桩的成本要比工程造价高得多。所以，在工程实践中，如何在桩基造价与其服役年限之间取得平衡，是一个极具挑战性的问题。为确保钢管桩在腐蚀地区的正常工作，应采取如下措施。
7.1设计余量
针对任意形式的锈蚀破坏，最简便的办法就是通过对其断面进行超量纲分析，增大其壁厚，留出锈蚀裕度，以确保其在设计使用年限内具有充分的承载力。对各种形式的钢管桩，其锈蚀损耗也与其与土、水接触面积有关对于围护结构的钢管桩，一般仅在桩身外侧出现严重的锈蚀。但是，在开放的钢管桩中，除外表层以外，内部层也极易受到腐蚀。如果开孔钢管桩长期埋设在地下水中，其顶部为密封状态，那么其桩身就会形成一个密闭的、不透水的套筒，其表层的锈蚀几乎可以忽略。国外研究表明，钢管桩70年锈蚀率在0.075mm~-0.9mm之间，我国规范较国外更严格，因此，为了应对超过预期的锈蚀率，需要在结构形式上增加桩身厚度。
7.2升级材质
在腐蚀条件下，使用高屈服强度钢材替代低碳钢材制成的钢管桩，可以有效地提高工程的使用寿命。在锈蚀条件下，提高桩基的最低屈服强度，可保证桩基的承载力。
7.3有机涂层
在桩身表面涂有防腐蚀涂层的情况下，一般不会采用防腐蚀涂层。但是，如果需要，也可以选用有机树脂涂层。在土壤、淡水和海水中使用特殊的涂料，特别适用于钢板和支撑桩。在近海使用中，使用水泥外皮和纤维外皮也是一种经济有效的防护措施。目前，国内外对钢管桩的防护主要采用环氧粉末、聚氨酯、改性环氧玻璃板、聚酯玻璃板等涂层。LNG接收站内钢管桩的设计使用年限为20年，其飞溅区及以下部位为飞溅表湿区，对其进行了试验研究和分析。在防腐蚀方面，选用了一种新型的、具有良好防腐蚀性能的氧化膜，并通过不同的喷涂工艺，得到了800μm的防腐蚀涂料。在浸没区，同样使用了一种改进的氧化铝薄板，但是这一区域的干燥薄膜的厚度仅为500μm。
7.4阴极保护
阴极保护是一种利用保护倒流对桩身中的腐蚀电流进行补偿的防腐措施。使用直流电时，会使金属的表面变成一个阴极，用来收集电流。当电流大到一定程度时，全部的金属表面就会变成外阳极的负极。采用阴极保护对钢管进行了腐蚀状态的实时监控。国内外已有大量的工程实例，对不同类型的船舶及内河工程中的钢管桩进行了腐蚀分析。通过上述研究，可为工程技术人员在经济合理的前提下，合理地调整桩基的设计参数，从而达到保证工程使用寿命的目的。
8结语
综上所述，因此，对钢管桩的锈蚀进行有效的检测与监控显得尤为重要。目前已有多种常规的测试手段，但是这些手段都存在着相同的缺陷，测试需要逐个地进行，而且需要周期性地进行，需要消耗大量的人力和物力。在工程实践中，对于各种工况下的管线，采用一种检测方法难以获得令人满意的效果。各种监控和测试手段要相互补充，要结合实际情况，将各种监控和测试手段结合起来，才能更好地适应生产的要求。该方法不仅能提高工作效率，而且能确保试验质量。后台-系统设置-扩展变量-手机广告位-内容正文底部 -
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土壤环境下螺旋钢管桩腐蚀评估与预防措施论文
人参与 2024-09-05 14:00:00 分类 : 理学 点这评论 作者：团论文网 来源：https://www.tuanlunwen.com/
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