淺談陰極保護技術在PCCP管道工程中的應用

□胡 超 □張 輝 □任懷毅 □王 紅

（中國水利水電第十一工程局有限公司）

陰極保護技術目前已發(fā)展成熟，被廣泛應用到海水、淡水、化工介質中的鋼質管道、電纜、鋼碼頭、艦船、儲罐罐底、冷卻器等金屬構筑物的腐蝕控制工程中。為了延長和保證PCCP管道使用壽命，在南水北調中線北京段PCCP管道工程中首次引進了陰極保護技術，以每20節(jié)PCCP管子（約100 m）作為一個保護單元進行電連續(xù)連接，通過電化學的方法，將需要保護的管道結構極化，使之電位向負向移動，以達到在環(huán)境介質中處于陰極，使管道處于被保護狀態(tài)。陰極保護技術在南水北調PCCP工程中的成功應用，為我們積累了應用經(jīng)驗，也為同類或類似工程的應用提供參考。

1.南水北調PCCP管道實施陰極保護技術的必要性

1.1 PCCP管道結構特點

預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡稱PCCP），作為一種新興管材，它是由鋼筒、高強預應力鋼絲、高強混凝土、高強砂漿和橡膠密封圈等原輔材料制作而成，不僅具有抗?jié)B性、耐久性，使用壽命長，抗震能力強、施工維護方便等優(yōu)點，還能適用于高工壓和高覆土等工程環(huán)境。

PCCP管道是由帶鋼筒的混凝土管芯、纏繞管芯外的預應力鋼絲和鋼絲外的水泥砂漿保護層組成的。管道兩端采用鋼制承、插口圈，接頭采用橡膠密封圈進行連接。管道結構見圖1。

此外，在南水北調北調中線北京段PCCP管道工程中，對管道實施環(huán)氧煤焦瀝青涂層進行防腐。考慮到該工程的腐蝕性土壤電阻率均低于50Ω·m和防腐年限為25 d，工程設計采用超厚膜(干膜平均厚度為600μm)環(huán)氧煤焦瀝青涂料。

圖1 PCCP管道結構示意圖

1.2 PCCP管道腐蝕原因分析

PCCP管道預應力鋼絲外層砂漿的水灰比通常為0.28～0.3，砂漿密實度很高，有效阻止了土壤或地下水中有害物質的侵入。而且砂漿的高堿性（通常為pH值12以上）為鋼絲提供了鈍化環(huán)境，促使鋼絲表面形成穩(wěn)定的鈍化膜，保護鋼絲和鋼筒不腐蝕。但是PCCP管表面砂漿保護層本身是一種多孔材料，即使再密實還是會存在從凝膠孔到毛細孔一系列不同孔徑的孔隙；在生產(chǎn)過程中由于砂漿自身收縮、干燥收縮等因素也可能產(chǎn)生細微裂縫；在使用過程中由于環(huán)境對砂漿的腐蝕而產(chǎn)生缺陷、由于PCCP受力膨脹而引起砂漿開裂，或由于基礎不均勻沉陷形成PCCP管承插口灌注砂漿開裂。因此在一定的埋設條件下，例如：高氯離子含量或干濕環(huán)境中，土壤和地下水中的氯離子會通過砂漿層中這些孔隙滲入到鋼絲表面，導致其表面鈍化膜破裂而發(fā)生電化學腐蝕，其腐蝕過程中產(chǎn)生的氫原子滲入預應力鋼絲格構，引起預應力鋼絲的氫脆斷裂，一旦一根鋼絲腐蝕斷裂，臨近鋼絲會受更大應力，導致多根鋼絲斷裂，就會有爆裂危險。大量研究和工程實踐表明，因腐蝕性物質滲入砂漿保護層，導致預應力鋼絲腐蝕氫脆斷裂而發(fā)生PCCP爆管已成為其主要的事故模式。

1.3 類似工程經(jīng)驗教訓

據(jù)查閱相關資料，在國內外PCCP工程中，由于鋼絲腐蝕引起的管道爆裂事件就有很多。例如：美國一條輸往Madrid的輸水預應力鋼筒混凝土管道（被稱為西部管道），長17.23 km，直徑為1600 mm最大輸送量為3.8 m3/s，1987年多處管道出現(xiàn)了局部開裂，后采用鎂陽極進行了陰極保護；美國Pockwock輸水管線管道直徑為1070 mm，主要為Halfax市供水，管線運行了10年后出現(xiàn)了開裂事故，緊接著至少又發(fā)生了5次爆管事故，后采用鋅陽極對腐蝕開裂處的管道進行陰極保護。利比亞人工河一期工程沒有采用環(huán)氧煤瀝青防腐保護層和陰極保護，管線腐蝕破壞嚴重，有超過10000根管道發(fā)生腐蝕破壞，后對已鋪設的一期管線追加陰極保護設施。二期工程全部使用環(huán)氧煤瀝青及陰極保護相結合的防腐措施，取得了成功的經(jīng)驗。

1.4 實施陰極保護的必要性

通過對比分析發(fā)現(xiàn)，北京段PCCP管線的管徑、工作壓力、流速等與利比亞人工河參數(shù)基本一致，利比亞人工河工程地處干旱的沙漠地區(qū)，在較低的氯離子濃度中都遭受了腐蝕破壞。而南水北調北京段PCCP管線穿越丘陵地區(qū)、高地下水位、巖石層、土層呈等復雜地質，還穿越北京市油、氣、電線路走廊，存在雜散電流的不利影響；南水北調北京段PCCP管線埋深較大，一般管頂覆土7～10 m，最大管頂覆土20 m，不具備在運行期追加陰極保護設施的條件。

另外，由于管道在制造、存放、搬運、安裝過程中，難以避免出現(xiàn)表面環(huán)氧煤瀝青老化及損傷等。通過增加陰極保護技術防腐，可以有效防止涂層破損處產(chǎn)生電蝕、降低陰極保護所需的極化電流，使得結構物表面的保護電位分布更均勻，以達到更好的保護效果。

通過與國外同類工程對比，考慮到本工程沿線地下水及土壤影響PCCP管道腐蝕的因素很多，為保證工程質量及運行安全，管道全線采用陰極保護措施是十分必要的。

2.PCCP管道陰極保護實施方案

2.1 保護方案

陰極保護技術是防止金屬腐蝕的有效措施之一，該技術通過向被保護金屬通以足夠的陰極電流使其發(fā)生陰極極化從而減少或防止金屬的腐蝕。陰極保護技術可分為犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護兩種方法。

犧牲陽極陰極保護是將一種電位更負的金屬或合金（如鋅合金、鎂合金）與被保護金屬連接，并處于同一電解質中，形成一個新的腐蝕原電池，被保護金屬作陰極，所連接的金屬或合金作陽極，優(yōu)先溶解，其上的電子轉移到被保護金屬上去，從而使被保護金屬得到保護。

外加電流陰極保護是用外部的直流電源作陰極保護的極化電源，將電源的負極與被保護金屬相連，將電源的正極接至輔助陽極，使被保護金屬成為陰極而實現(xiàn)保護。

本工程采用犧牲陽極陰極保護方案：對于PCCP標準管，采用了平行PCCP管線（雙排）上、下、左、右埋設共6條帶狀鋅陽極的保護方案；在PCCP管道鋼制構件，如排氣閥、空氣閥、連通設施、分水口和彎頭處，采用棒狀鎂陽極對PCCP管道的鋼制構件進行保護。

本方案的特點是:電流均勻，相對于強制電流，不會造成過負的電位，預應力鋼絲出現(xiàn)氫脆可能性小，不需要外部電源，對土壤電阻率的依賴性和影響小，日常管理工作小。

2.2 標準及技術指標

南水北調PCCP管道工程陰極保護設計采用NACERP0100-2004標準，所采用的具體技術指標為：

第一，管道的極化電位差≥100mV，即PCCP中預應力鋼絲及所有被保護的金屬嵌入體的陰極極化電位與自然防腐電位差值≥100mV，就能達到充分保護的效果。在實際操作過程中是通過測量極化建立或衰減過程的電位偏移量來檢查是否滿足該指標。

第二，最低負電位≥-1000 mV，該指標是為了抑制預應力鋼絲表面可能產(chǎn)生的析氫反應，避免預應力鋼絲發(fā)生氫脆。

第三，陰極保護設計中采用的設計電流密度為1 mA/m2,陰極保護設計壽命為25年。

3.PCCP管道陰極保護技術要求

3.1 PCCP管道電連接

在PCCP管道預制和安裝期間，應預先將鋼筒和預應力鋼筋進行電連接，并在PCCP管兩端的承口鋼環(huán)和插口鋼環(huán)上焊接陰極保護系統(tǒng)電跨接用鋼片。

PCCP管子間采用XLPE/PVC1×25 mm20.6/1 kV銅芯電纜（或φ14連接鋼棒）進行電連續(xù)性跨接。跨接電纜采用鋁熱焊方式分別焊接在相連的兩節(jié)PCCP管子的跨接鋼片上（如為鋼棒，則將鋼棒焊接到管道內部的承插口環(huán)上）。焊接要求牢固，不能虛焊。電纜（或連接鋼棒）焊接前鋼片的焊接部分應打磨除銹致出現(xiàn)金屬光澤。如采用電纜跨接方式，電纜焊接完成后，除去焊點周圍的焊渣等雜物，再使用熱熔膠對焊點做密封防腐處理，不得有焊接金屬和銅芯電纜外漏。等熱熔膠固化后，使用水泥砂漿對PCCP管道跨接點處進行覆蓋和保護。

為保證犧牲陽極的使用壽命和保護范圍，每100m（20節(jié)）PCCP管作為一個保護單元進行電連續(xù)性跨接，而每個保護單元之間不進行電連續(xù)性跨接。

3.2 犧牲陽極安裝

3.2.1 棒狀鎂陽極安裝

在PCCP管道中包含有鋼制管件的特殊地帶，如排氣閥井、排空閥井、連通設施、分水口和彎頭等處，應采用棒狀鎂陽極進行陰極保護。在棒狀鎂陽極安裝位置鉆出直徑為300 mm的陽極安裝井，并超出管道底部300 mm。陽極應垂直安裝，周圍填充特定成分組成的化學填料。應保證陽極底部的化學填料層厚度為300 mm，頂部厚度為200 mm。

陽極周圍填充的化學填料應加入足量的水進行浸泡。安裝完成后，應對陽極井浸泡24 h以上，以保證陽極電流的順利分散。陽極電纜與陽極匯流電纜采用壓接或焊接方式進行連接，并采用專用電纜連接套進行連接和防腐。

3.2.2 帶狀鋅陽極安裝

對PCCP管道應安裝帶狀鋅陽極進行陰極保護。兩條管道共設置6條帶狀鋅陽極，當土壤電阻率<100Ω·m時，6條帶狀鋅陽極的規(guī)格為15.8 mm×22.2 mm，當土壤電阻率≥100Ω·m時，管道底部3條帶狀鋅陽極的規(guī)格為15.8 mm×22.2 mm，管道頂部3條帶狀鋅陽極的規(guī)格為12.7mm×14.28 mm。

帶狀鋅陽極應置于陽極溝中，陽極溝寬200 mm，深100 mm，陽極周圍應填充特定組分的化學填料，應采取一定措施防止填料和泥土的混合，當條件允許時，陽極周圍填充的化學填料應加入足量的水進行浸泡。陽極電纜與帶狀鋅陽極采用壓接方式進行連接，并采用專用電纜連接套進行連接和防腐。

3.3 測試盒的安裝

為保證測試點的日常管理和維護，本工程沿PCCP管線約1 km間隔的位置上設置一個測試點，測試盒應與排氣閥井相結合。

PCCP管道的鋼制管件，如排氣閥井、排空閥井、連通設施、分水口和彎頭，采用棒狀鎂陽極保護時，兩條平行的PCCP管道采用交替間隔的方式，使棒狀鎂陽極通過測試盒與管道連接。

對于鋼制排氣閥井、排空閥井和連通設施，測試盒安裝在它們的內壁，位于與井內的踏步垂直的位置。為保證測試樁與井壁的牢固連接，首先采用M8膨脹螺釘在井壁上安裝兩條扁鋼作為測試樁安裝的支架,再采用鍍鋅鋼箍將測試樁與鍍鋅扁鋼支架連接。

而對于水平和豎向彎頭，由于現(xiàn)場無合適安裝測試裝置的位置，因此暫不考慮對它們的測試問題。棒狀鎂陽極直接連接到彎頭的鋼制管件上，如果現(xiàn)場情況許可，測試盒也可安裝在地面上，為保證穩(wěn)定性應澆注在500 mm×500 mm×500 mm的混凝土基礎上。

3.4 測試探頭的安裝

每個測試探頭都有3根連接電纜，分別標為CSE（參比電極，電纜顏色為白色）、N（自然電位，電纜顏色為黃色）和C（測試試片，電纜顏色為紅色）。

測試探頭為預包裝產(chǎn)品，埋設前應在水中浸泡24 h以上。埋設后應再加足夠的水浸泡，以保證測試探頭周圍土壤足夠濕潤。測試探頭應距離管道200 mm埋設。

每1 km在PCCP管道A管與B管交替的位置上沿管道周長埋設6支測試探頭。

3.5 電纜安裝

陰極保護系統(tǒng)施工中使用的電纜均為XLPE/PVC型銅芯電纜，其中XLPE/PVC1×25 mm20.6/1 kV型電纜為跨接電纜，XLPE/PVC1×16 mm20.6/1 kV型電纜為陽極電纜，XLPE/PVC1×6mm20.6/1 kV型電纜為測試電纜。

所有在地面頂部水平敷設的電纜都應埋設在凍土層以下（最小埋設深度為1m），鋪砂蓋磚保護，保護磚為200 mm×200 mm×50mm混凝土磚。所有埋地電纜應留有足夠的余量，避免拉伸應力。

電纜與電纜的連接，電纜與鍍鋅銅鼻子的連接，以及電纜與鋅帶連接采用壓接方式（銅焊接也可），再使用專用電纜保護套進行防腐和密封。電纜與鋼片應采用鋁熱焊方式進行，再使用熱熔膠密封防腐。

4.PCCP管道陰極保護技術施工方法

4.1 原材料控制

所用材料應符合設計技術要求，并經(jīng)監(jiān)理工程師批準后方可使用。

棒狀鎂陽極和帶狀鋅陽極成分性能和成分應符合《埋地鋼質管道犧牲陽極陰極保護設計規(guī)范》（SY/T0019-97）技術要求，測試方法符合《鋅-鋁-鎘系合金犧牲陽極》（GB/T4950-2002）標準要求。

對所用材料都應進行嚴格的質量檢查并提供相應的合格證或測試報告；對主要材料如帶狀鋅陽極、棒狀鎂陽極材料按照要求進行材料復驗，性能應符合設計文件和《埋地鋼質管道犧牲陽極陰極保護設計規(guī)范》SY/T0019-97標準的技術要求。

4.2 施工方法

4.2.1 PCCP管道電連接

每節(jié)PCCP管道間采用XLPE/PVC1×25mm20.6/1 kV銅芯電纜進行電連續(xù)性跨接,跨接電纜采用鋁熱焊方式分別焊接在相連的兩節(jié)PCCP管的跨接鋼片上。

鋁熱焊施工方法：電纜剝皮露出50～60 mm銅芯，電纜與鋼片的焊接部分打磨除銹至出現(xiàn)金屬光澤。模具就位后將電纜壓入底孔部位；將金屬銅片放入模具腔內，倒入焊劑并輕輕壓實；放入點火器，蓋好模具蓋子；壓住模具使電纜與鋼片表面貼緊；用電池接通點火器焊接。電纜焊接完成后，除去焊點周圍的焊渣等雜物，再使用熱溶膠對焊點做密封防腐處理，等熱溶膠固化后，使用混凝土（砂漿）對跨連接點處進行覆蓋和保護。

4.2.2 犧牲陽極安裝

4.2.2.1 棒狀鎂陽極安裝

先用汽車鉆孔機在測定鎂陽極安裝位置鉆出直徑為300 mm陽極安裝井，安裝井最深處超出PCCP管子底部300 mm。將制作好的棒狀鎂陽極置于陽極安裝井的中間位置垂直安裝并固定，再在陽極周圍填充化學填料并壓實，陽極安裝井底部的化學填料層厚度為300 mm，頂部厚度為200 mm。并在陽極周圍的化學填料中加入足夠的水進行浸泡，參見圖2。

圖2 棒狀鎂陽極安裝示意圖

對于PCCP管道周圍地質為砂礫石或風化巖的情況時，不能打井，可將棒狀鎂陽極預組裝在Ф300 mm×4500 mm的棉布袋里垂直安裝。每支棒狀鎂陽極為4 m長，共由4節(jié)組成，每兩節(jié)間通過澆鑄于陽極內部的螺柱和帶內螺紋桿擰緊，擰緊前兩節(jié)鎂棒之間涂抹密封膠，最頂端一節(jié)通過壓接或焊接方式將電纜與鎂陽極鐵芯連接，并絕緣密封好。在棉布袋內填入300 mm厚填料，將組裝好的鎂棒放入袋中心，填滿填實填充料。安裝方法是在溝槽底部距離管道中心設計位置處挖一直徑≥300 mm、深度≥300 mm的圓坑，放入預組裝好的鎂陽極（在回填時，該部位采用人工進行回填，保證棒狀鎂陽極垂直），回填后向鎂陽極袋中澆水浸透，將電纜引出，鋪砂蓋磚接至測試盒內。

4.2.2.2 帶狀鋅陽極安裝

帶狀鋅陽極的安裝應與PCCP管道安裝同步進行，對已安裝完管道部分鋅帶亦可安裝在溝槽底部回填層上。首先根據(jù)圖紙所示的位置開挖管溝，陽極溝寬≥200mm，深≥100mm。管溝挖好后，安裝帶狀鋅陽極，帶狀鋅陽極應置于陽極溝中心，陽極周圍填充特定組分和尺寸的化學填料，填充過程中避免填料和泥土混合，陽極周圍填充的化學填料應加入足量的水進行浸泡。最后覆蓋一定厚度的土層對安裝好的陽極進行保護，但土層的厚度不能影響PCCP管的下溝。PCCP管就位后，當回填土層達到要求的高度后，再進行PCCP管道頂部帶狀鋅陽極的安裝，參見圖3。

圖3 帶狀鋅陽極安裝示意圖

4.2.3 測試盒的安裝

PCCP管道的鋼制管件，如排氣閥井、排空閥井、連通設施、分水口和彎頭，采用棒狀鎂陽極保護時，兩條平行PCCP管道采用交替間隔的方式，使棒狀鎂陽極通過測試盒與管道連接。對于鋼制排氣閥井、排空閥井、連通設施，測試盒安裝在它們的內壁，位于與井內的踏步垂直的位置。為保證測試樁與井壁的牢固連接，首先采用M8的膨脹螺釘在井壁上安裝兩條鍍鋅扁鋼作為測試盒安裝的支架。再采用鍍鋅鋼箍將測試盒與鍍錫扁鋼支架連接。

每個測試盒的測試板上有25個接線柱。根據(jù)不同安裝位置測試探頭埋設的位置不同，為直觀的表示出測試探頭的埋設位置，所有測試探頭的連接電纜，都根據(jù)測試探頭和PCCP管道的相應位置連接在測試板上相對應的接線柱上。同時為保證電纜與接線柱的正確連接，每個接線柱都應有永久性的標識符號，以保證日常管理的正常運行。電纜與接線柱的連接應通過鍍錫銅鼻子連接。

4.2.4 測試探頭的安裝

測試探頭內有3個測試探頭，分別為1只長壽命埋地銅/硫酸銅參比電極和2根預應力鋼絲，與電纜連接密封后埋入混凝土中。

測試探頭埋設前在水中浸泡24 h以上，埋設后應再加足夠的水浸泡，以保證測試探頭周圍土壤足夠潤濕。測試探頭應距離管道200 mm埋設。對已經(jīng)安裝完畢的PCCP管，可以將探頭的位置偏移一個角度后再安裝，但盡量靠近PCCP管正下方。

4.2.5 電纜安裝

4.2.5.1 電纜與陽極鋼芯連接

帶狀陽極與陽極電纜連接采用銅壓接管連接。施工前，根據(jù)連接技術要求，剝出銅芯電纜芯線，除去陽極鋼芯和電纜銅芯表面的銹或氧化皮，然后用專用銅壓接套管套接后（要求保證插入長度），使用壓鉗壓緊。

然后安裝樹脂澆鑄模具，進行接頭處樹脂灌注，充滿后對灌口密封。

4.2.5.2 電纜與管道鋼片的連接

管道和陽極均按要求安裝好后進行陽極電纜與管道預制鋼片連接。首先對鋼片表面的浮銹、水跡和其它雜物進行全面清理，并露出金屬光澤。然后將陽極電纜剝出的芯線按要求固定，安裝好鋁熱焊接用的模具，采用鋁熱焊劑進行連接焊接。

接頭焊完后，檢查焊縫合格隨即采用熱熔膠裹縛，最后對接頭的凹坑采用混凝土覆蓋。

4.2.5.3 電纜與接線柱的連接

一個保護單元內的閥井，采用跨接電纜做電連續(xù)性跨接處理連接按要求進行連接，接頭采用接線柱安裝板（非金屬）可靠固定。

4.2.5.4 跨接電纜與電纜的連接

跨接電纜須敷設在凍土層以下，埋深一般在1 m以上。電纜敷設至溝槽內后，先回填約350 mm后的細砂，并使用混凝土磚覆蓋后，在同土將溝填平，土層厚度≥900 mm。

跨接電纜有“—”型和“Y”型兩種連接方式。

4.3 注意事項

按照施工工藝，先敷設管道底部的3條鋅帶和T4、T5、T6三個測試探頭以及鎂陽極，并將電纜引上固定；在管道回填到上部時安裝上部的三條鋅帶和測試探頭T1、T2、T3；最后將電纜全部連入接線盒。

每個鋁熱焊、電纜壓接頭以及接線柱安裝完成后，必須測試連接效果，保證連接電阻<0.01Ω。按照設計要求對犧牲陽極保護系統(tǒng)運行效果進行全面調試，調試結果應達到設計技術指標。

5.結語

南水北調中線北京段PCCP管道工程應用陰極保護技術進行防腐，開創(chuàng)了在南水北調PCCP項目中應用陰極保護技術的先例。在陰極保護技術的實施過程中，根據(jù)專家的咨詢意見，緊密結合本工程實際情況，對設計、施工方案進行了優(yōu)化。工程試運行期間聯(lián)合測試組對管道全線進行了系統(tǒng)測試，由專業(yè)人員對測試數(shù)據(jù)進行分析并編制完成了《PCCP管道陰極保護驗收測試報告》。報告認為，測試數(shù)據(jù)符合NACERP0100-2004《PCCP管陰極保護技術規(guī)范》保護準則的要求，滿足PCCP管腐蝕控制的要求。

陰極保護技術的應用，將大大提高PCCP管道的使用壽命，可在類似工程中推廣應用。