大型輸水工程PCCP管道陰極保護淺析

宋　放

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局， 沈陽　110166)

大型輸水工程PCCP管道陰極保護淺析

宋放

(遼寧省大伙房水庫輸水工程建設局， 沈陽110166)

【摘要】長距離輸水工程PCCP管道防腐措施得當是工程安全運行及長期使用的重要保證。本文重點介紹了管道防腐中最常用也是最重要的措施——陰極保護在大伙房水庫輸水工程中的應用。

【關鍵詞】預應力鋼筒混凝土管； 防腐措施； 陰極保護； 輸水工程

1引言

遼寧省大伙房水庫輸水工程是“十五”期間重點工程項目，該工程從遼寧東部山區取水，通過隧洞及管線輸配至遼寧中南部七座城市，年供水量達17.86億m3。其中，二期工程劉山村隧洞出口至海城牛莊段為PCCP管道。對于長期埋設于地下的管道，尤其在土壤氯離子含量較高的環境下，管道受電化學腐蝕的影響極大，陰極保護作為抵御電化學腐蝕的有效方法在多個工程中得到了應用。

2防腐段的劃分

在輸水管道施工前期，按照土壤、地下水、電阻率等參數指標劃分多個防腐段，充分掌握工程沿線水質及土壤含氯量等參數，針對不同的防腐段采取不同的防腐措施。下頁表列出了輸水工程防腐系統比較典型的第七安裝標段防腐段劃分情況，其余標段類同。

該工程實施前，國家并無相關的標準規范可遵循，因而參考了多篇國外相關資料，例如：美國混凝土壓力管道協會的《混凝土管道面層防腐技術》、美國水工協會標準《混凝土壓力管道手冊M9》、美國侵蝕工程西部協會和國家協會的《關于預應力鋼筒混凝土管在侵蝕環境下使用的建議》等。這些文獻主要針對土壤電阻率及含氯量兩個參數指標給出了相關措施建議，雖然定量標準有差別，但相同之處為： 管道埋設在干濕交替頻繁的地區、土壤電阻率在15Ω·m以下，且含氯化物環境時，除常規的提供鈍化環境外，應采用外涂防腐層或電連接監測實施陰極保護。參考國家《巖土工程勘察規范》，當土壤中的氯離子含量小于250ppm時，判斷其對混凝土中的鋼筋無腐蝕作用。綜合國內外標準，結合PCCP安裝段的腐蝕環境特點，采用的防腐標準為：

第七安裝標段防腐段劃分表

a.當土壤電阻率在20Ω·m以下且地下水或土壤中氯離子含量不小于250ppm時，PCCP外覆涂層隔絕防腐，并施加犧牲陽極的陰極保護。

b.當土壤電阻率不大于20Ω·m時，PCCP施以電聯結，并采用犧牲陽極保護。

c.當20Ω·m<土壤電阻率≤50Ω·m時，PCCP施以電聯結，埋設連接陽極電纜，每隔500m設置腐蝕監測樁。

d.當土壤電阻率大于50Ω·m時，PCCP僅施以電聯結。

3陰極保護設計

3.1保護方法和采用材料

經對國內外工程實例的調查和了解，綜合考慮該工程情況，設計采用鋅合金犧牲陽極材料。這是由PCCP管道的特殊性所決定的，因保護的對象是預應力鋼筋，如電位過負達到-1.10V，將產生析氫，而鎂陽極比重小、電位負，對鋼的驅動電壓較大，所以保護PCCP管應慎用鎂陽極。同時，為了保證犧牲陽極輸出電流穩定，提高陽極電流效率，降低陽極接地電阻，持續維持陽極的活性，鋅陽極周圍一定要填加嚴格按比例配成的填充料，需用鋅陽極專用填充料。

3.2保護參數選取

相關資料顯示，土壤中氯離子的含量越高，所需保護電流密度越大。由上述可知，對全線PCCP管實施陰極保護，土壤腐蝕性較嚴重的PCCP管段施加涂層保護。對于沒有涂層保護的區域，設計最小保護電流密度為0.6mA/m2，對于有涂層保護的區域，設計最小保護電流密度為0.2 mA/m2。

除保護電流密度外，保護電位也是判斷陰極保護效果的一個重要參數。一般對于新建優質混凝土構件，最小保護電位可取-0.50V(CSE)；對于環境腐蝕性惡劣，尤其是氯離子含量高的土壤環境，最小保護電位可取-0.71V(CSE)；對于破損嚴重、鋼筋已外露的鋼筋混凝土構件可按鋼結構對待，即最小保護電位可取-0.85V(CSE)。通常鋼筋混凝土的自然電位較正，約為-0.2～-0.3V(CSE)，若采取普通鋼的保護電位參數-0.85V(CSE)投入較大，對于該工程所用管材顯然是不經濟的，其他保護電位參數的選取沒有形成標準或規范，不能作為執行依據。在《埋地鋼質管道犧牲陽極陰極保護設計規范》石油工業部標準中有一條 “管道極化電位差達100mV以上”的標準可以作為良好保護效果的判據，該工程以此作為依據。

4設計計算

4.1計算思路

確定保護參數后，計算過程相對簡單，即核準PCCP管道的實際保護面積，由最小保護電流密度得出單根PCCP管道的保護電流，用單支陽極發生電流除以單根PCCP管道的保護電流即得出保護單根PCCP管道所需陽極數量，而單支陽極發生電流是已知的。最后計算陽極壽命。

4.2單根PCCP管道的保護面積及保護電流

PCCP管材是將帶有鋼筒的高強度混凝土管芯纏繞預應力鋼絲，噴以水泥砂漿制成，采用鋼制承插口，同鋼筒焊在一起。由此可見，PCCP管線保護的主要對象為纏繞在PCCP管外側的預應力鋼筋和管內層的鋼套筒，另外還有承插口鋼環和預埋連接鋼帶的面積需計入保護面積。

該工程采用的PCCP管材有DN3200和DN2400兩種口徑，根據覆土深度和內部設計壓力的不同設計了四種壁厚，分別為155mm、180mm、220mm、290mm，各管段的預應力鋼筋設計不同，預應力鋼筋保護面積也不同。參考美國水工協會標準《混凝土壓力管道手冊M9》，對鋼筒表面積進行近似計算，最終得出單根DN3200管預應力鋼筋保護面積為50m2、DN2400管預應力鋼筋保護面積為45m2。由此可計算出保護電流，在無涂層情況下，單根DN3200管保護電流為0.03A，單根DN2400管保護電流為0.027A；在有涂層情況下，單根DN3200管保護電流為0.01A，單根DN2400管保護電流為0.009A。

4.3單支陽極發生電流及所需陽極數量

單支陽極發生電流主要與陽極自身的規格型號有關。該工程PCCP管道保護采用棒狀鋅合金陽極，陽極發生電流可簡單按照歐姆定律計算，即陽極驅動電壓除以陽極接地電阻，陽極接地電阻R可按公式(1)計算：

(1)

式中L——填料包長度，m;

D——填料包直徑,m;

ρ——土壤電阻率,Ω·m。

經計算R=8.2Ω。

陽極驅動電壓為0.5V，因此，得出單支陽極發生電流量If=0.5/8.2=0.06A。

單根PCCP管陽極所需數量可按公式(2)計算：

(2)

式中N——陽極數量;

I——所需保護電流；

If——單支陽極輸出電流。

通過上式可以得出如下結論：

當PCCP管道無涂層保護時，一支陽極可保護兩根DN3200管；一支陽極可保護兩根DN2400管。

當PCCP管道有涂層保護時，一支陽極可保護六根DN3200管；一支陽極可保護六根DN2400管。

4.4陽極使用壽命計算

該工程要求PCCP管和鋼管的陰極保護設計壽命為25年，通過公式(3)可對陽極使用壽命進行計算：

(3)

式中Y—— 陽極使用壽命;

Q——陽極實際電容量,A·h/kg;

G——每只陽極凈重量,kg;

1/K——陽極利用系數;

Im——陽極平均發生電流,mA;

If——陽極發生電流。

其中，Im=0.7If

可以得出陽極使用壽命Y=25年，滿足設計要求。

5陽極安裝

按照規范，犧牲陽極的安裝分為安裝前準備、陽極埋設、陽極與被保護體連接、陽極床澆水、陽極床回填等步驟。該工程陽極安裝遵循上述步驟，需要注意的有以下幾點。

a.犧牲陽極安裝前用砂紙將陽極表面打磨干凈。

b.陽極須沿軸向水平安裝于管道側面。

c.陽極埋設位置距管道外壁以不小于1.0m為宜，埋設深度應低于管中心位置。

d.采用電焊或銅焊與PCCP管承插口處預制的鋼板牢固連接。

6遠程監測系統

陰極保護系統在輸水工程中屬于隱蔽工程，人們很難從直觀上了解埋入地下系統的工作情況。對于工程管理者而言，隨時隨地掌握管道腐蝕情況、陰極保護系統的工作狀況，是管好工程、用好工程的重要手段，而通信技術的迅猛發展使遠程監測成為可能。

6.1系統組成及監測內容

在PCCP管道沿線共設置10套綜合監測裝置。該裝置主要由電源系統、數據采集系統、數據傳輸系統組成，為對腐蝕環境進行測定還裝有傳感器單元。監測的主要內容包括： PCCP管保護電位、犧牲陽極輸出電流、PCCP管周圍的環境溫度、PCCP管混凝土電阻率、氯離子濃度以及預應力鋼筋的腐蝕速度和自腐蝕電位等。

6.2管道保護電位及陽極輸出電流監測

PCCP管電位的日常監測由6支參比電極組成的一組電位測試點提供信號。6支參比電極均勻分布在PCCP管圓周上，距離圓柱體外表面大約300mm。推薦采用二氧化錳參比電極。

PCCP管保護電流的日常測量通過監測柱上采樣電阻的電壓獲得，監測柱用直徑125mm的鋼管制作，預計鋼管長度約為1600mm，埋設的監測柱高出地面500mm以上。監測柱上部末端采用內部加強筋，以支撐終端板。

6.3腐蝕環境監測

腐蝕環境監測主要通過混凝土測試樁實現。混凝土測試樁埋設在管道的中間深度，且安裝在距離管道的外表面1～1.5m之間的位置。在監測柱附近，安裝一個混凝土試驗測試樁。見混凝土測試樁位置圖。

混凝土測試樁位置圖

混凝土測試樁內部埋設兩組腐蝕監測傳感器。一組是由預應力鋼筋、不銹鋼鋼筋和參比電極組成的電化學腐蝕測量三電極探頭，通過恒電量脈沖方法(CPM)測量不受陰極保護的預應力鋼筋的腐蝕速度和自腐蝕電位；另一組傳感器為ECI-1型腐蝕監測探頭，通過ECI-1探頭，可以監測獲得氯離子濃度、混凝土電阻率、極化電阻、溫度和開路電位。

6.4數據的遠程傳輸

數據在遠程傳輸之前，須將模擬信號轉換為數字信號，然后通過傳輸系統傳送至遠程的數據終端進行數據處理。數據遠程傳輸可采用多種形式，光纜、電話線、GMS和GPRS均可。該工程采用GPRS作為傳輸方式。

6.5數據終端

數據終端上的監測和評估軟件基于中文Windows平臺。監測軟件由測量設置、數據瀏覽、數據分析、外接程序等部分組成。管理者可以方便地收集數據、查看歷史數據和瀏覽實時數據。

7結語

PCCP管道的陰極保護在國內應用較少，本文所述陰極保護系統已在遼寧大伙房水庫輸水工程應用五年時間，目前系統運行狀態及防腐效果良好。

參考文獻

王自本.PCCP陰極保護應注意的問題[J].山西水利科技,2008(4):29-30.

中圖分類號：TV672+.2

文獻標志碼：A

文章編號：1005-4774(2015)04-0061-04

On large-scale water conveyance project PCCP pipeline
cathodic protection

SONG Fang

(LiaoningDahuofangReservoirWaterDiversionProjectConstructionBureau,Shenyang110166,China)

Abstract：Proper corrosion-proof measures in long-distance water conveyance project PCCP pipeline is important guarantee to safe operation and long-term service life of the project. In the paper, application of the most common and most important measure in pipeline corrosion prevention—cathodic protection in Dahuofang Reservoir Water Conveyance Project is mainly introduced.

Key words：pre-stressed steel cylinder concrete pipes; anti-corrosion measures; cathodic protection; water conveyance project