預應力鋼筒混凝土管陰極保護技術應用介紹

譚新明 陳麗

摘 要：預應力鋼筒混凝土管（PCCP）在國內的供水工程中已得到了廣泛認可，應用越來越多，南水北調北京段就采用了DN4000mm的PCCP管。為防止PCCP管中鋼質結構（鋼筒和預應力鋼絲）的腐蝕，國外對PCCP管道采用了陰極保護技術，成功克服了PCCP管的腐蝕，延長了PCCP管的使用壽命。

關鍵詞：預應力鋼筒混凝土管（PCCP）；陰極保護；帶狀鋅陽極

概 述

預應力鋼筒混凝土管是在帶鋼筒（薄鋼筒的厚度約1.5～2.0mm左右）的混凝土管芯上纏繞一層或二層環向預應力鋼絲，并用水泥砂漿保護層而制成的管子。它的開發應用已有半個多世紀的歷史。這一技術是法國Bonna公司最先研制的，到20世紀40年代歐、美競相開發，目前美、法各國的年產量達數十萬公里，其中美國、加拿大是世界上推廣使用預應力鋼筒混凝土管最多的國家，廣泛應用于城市輸配水干管、火電站供水管、水利工程、雨污水干管、工業供水及廢水管線等方面。

PCCP管的腐蝕

由于鋼筋的成分及冷軋的生產工藝，人們一直認為鋼筋很容易發生析氫反應。為了改善預應力鋼筋的性能，根據ASTM A227測試方法進行了析氫測試。Lewis從測試結果得出，現有的許多PCCP管道都是采用了易發生析氫反應的鋼筋，并且有很多關于在輔助陽極地床附近PCCP管道開裂事故的報道。

對混凝土中鋼的腐蝕機理進行了探討，指出有很多因素能使多孔混凝土里水溶液的鈍化作用發生改變。當氯離子滲透到加強鋼筋并達到氯離子臨界濃度時，鈍態膜就被破壞了。在潮濕的混凝土里，甚至在多孔混凝土吸收堿水時也會發生局部腐蝕。鋼筋混凝土構筑物中，限定氯離子濃度為水泥質量的0.4%，而在預應力混凝土構筑物中，限定氯離子濃度為水泥質量的0.2%。

去鈍化的另一個原因是混凝土的堿度降低所致（即，所吸收水分的pH值降低了）。當混凝土與大氣中的CO2發生反應而碳化時，就會發生這種情況。當插入構筑物的鋼質構件上有足夠厚的混凝土覆蓋層時，特別是有致密的、空隙率很低的優質混凝土時，碳化作用就無關緊要了。如果混凝土質量很差或者混凝土覆蓋層很薄很少，碳化作用就會滲透到加強鋼筋，最終使它失去鈍性。當氯離子或碳化作用發生去鈍化時，只有在氧侵入的條件下，潮濕的混凝土中才會有腐蝕危險。當陰極表面積與陽極表面積的比值Sc/Sa很高并且陰極處于良好充氣狀態下，就會在陽極區發生非常高的腐蝕速率。

PCCP管的防蝕

根據電化學的原理，埋地PCCP管采用陰極保護是一項明智的選擇，用鋼筋混凝土試件進行的研究表明，即使在不利的條件下，如富含氯離子的堿性環境中，充氣的大面積陰極和小面積的潮濕陽極，加入氯離子使其處于脫鈣（中性）環境下，在UCu-CuSO4為0.7 V和-0.8 V的試驗電位下能抑制電池的形成。

實驗開始時，在富含氯離子的環境中加強鋼筋實測的自然腐蝕電位UCu-CuSO4在-0.58～-0.6 V之間；在中性環境中，實測的自然腐蝕電位UCu-CuSO4在-0.46～-0.5 V之間；在純混凝土中，實測的自然腐蝕電位UCu-CuSO4為-0.16 V。經過6個月后，在實施陰極保護的試件上沒有檢測出腐蝕。而在未實施保護的比較試件上，腐蝕速率為4mm/a，根據電池電流測量值，這表明自腐蝕率為50%。

混凝土構筑物的陰極保護在美國已經有了很大進步，并制定出相應的保護準則。準則選用了斷電測量技術，即切關斷保護電流后，在 h內極化電位衰減超過0. V，那么可以認定這一保護效果是合適的。借助內裝式Ag-AgCl參比電極或者裝在外表面上的任何電極，可以在受保護物體的任何部位進行此項測量。

陰極保護設計

4. 電連續性要求

根據NACE RP 0100標準[8]要求，應對PCCP管中預應力鋼筋和鋼筒進行電連續性連接，保證預應力鋼筋和鋼筒之間陰極保護電流的電連續性；同時為保證PCCP管之間的電連續性，應對每節PCCP管進行電連續性跨接。

加強鋼筋的陰極保護和雜散電流防護措施均假定通過該加強鋼筋有著延伸的電連續性。采用鋼筋的鋼筋混凝土構筑物大多數屬于這種情況，但是這要通過對加強鋼筋網的電阻測量加以驗證。為此，在互相相距很遠距離的不同點上清除掉混凝土后，把測量電纜連接到加強鋼筋上。為避免接觸電阻的影響，應徹底除去接觸點的鐵銹。如果實測電阻值大于 Ω，表明沒有完全達到電連續性。那么應將此鋼筋與已經達到完全電連續性的鋼筋網其余加強鋼筋進行短路連接。

4. 電絕緣

為防止雜散電流的干擾和PCCP管道保護電流的流失，在保護管道的首末端、分支處以及與外部管道的連接處安裝絕緣設施進行電絕緣。具體作法推薦為相鄰兩管的插接關的鋼環內、外兩個表面采用雙層熔結環氧粉末覆蓋層。

4. 陰極保護準則

NACE RP 0100-2004標準，要求在PCCP管道陰極保護系統正式投入運行后，管道的極化電位差應不小于100 MV；最低負電位應不負于- 000 MV（除去IR降）。本準則適用于PCCP管線陰極保護和腐蝕控制。本標準來源于實驗室試驗結果和成功的陰極保護經驗數據。設計時，可根據經驗來確定陰極保護方法和檢測周期，以滿足相近的標準要求。

4. 100 MV極化準則

預應力鋼筋及所有被保護的金屬嵌入體與穩定參比電極間的最小陰極極化電位達100 MV，就達到了充分的保護效果。通過測量極化建立或衰減來確定電位偏移量。首先在施加陰極保護前，測量鋼筋的自然電位，然后啟動陰極保護系統，在經過充分時間的極化后，重新測量其瞬間斷電電位（去除IR降）。斷電電位與自然電位的差值為極化電位偏移量。極化過程為管地電位由自然電位向極化電位轉變的過程。根據實踐經驗，極化準則可以在施加陰極保護系統后幾秒鐘、幾分鐘、幾小時、幾天、幾周或幾個月獲得。

4. 最低負電位應不低于- 000 MV（CSE）

因為極化電位低于- 000 MV，預應力鋼筋表面可能產生析氫反應，并發生氫脆。在混凝土施工質量完好，pH值為12.4條件下，當預應力鋼筋極化到- 04 MV時在其表面發生析氫反應。析氫反應過程中伴有腐蝕反應。氫原子能進入鋼筋，破壞其性能。在弱堿環境中，析氫反應在更負的極化電位才會反生，在這種情況下可取更負的最大保護電位值。然而，陰極保護電流在PCCP管道中通過時，pH值比無電流時更高，所以最大保護電位值限定于- 000 MV。

4.6 陰極保護方案

陰極保護分為犧牲陽極和強制電流兩種方法，各有優缺點，考慮到本工程為混凝土構筑物，管徑大，電阻率高，電流分布難度大，我們參照利比亞大人工河的作法，采用了沿管線上下埋設四條帶狀鋅陽極的保護方案。本方案的特點是，電流分布均勻、不會造成過負的電位、不需要外部電源、對土壤電阻率的依賴性和影響小等。

4.8 檢測系統

為準確地掌握PCCP管道陰極保護系統的運行情況及管道的腐蝕狀況，在管道沿線間隔1km的人孔排氣閥井、排空閥井上安裝測試探頭和測試盒。

每個測試點安裝1支測試探頭；采用每公里兩管交替設置管段圓周電位分布測試探頭，每個測試點沿管道圓周安裝6支測試探頭。為保證合理的檢測兩條PCCP管道的腐蝕情況，測試探頭應在兩條平行管線上交替設置，本工程共設置53處測試點。

4.9 測試方法

本設計采用探頭斷電電位法測量PCCP管的保護電位，并利用探頭上的自腐蝕試片測量該處的自然電位。

測試項目主要包括：管道的通電保護電位；犧牲陽極的開路電位；犧牲陽極的閉路電位；犧牲陽極的輸出電流；管道沿線的自然電位；管道的極化電位。

結語

PCCP管為排水工程提供了優質長壽的管道材料，對于大口徑長距離具有極大的優勢，近幾年在國內有了突飛猛進的發展，但由于PCCP管在國內應用時間較短，這類管子的腐蝕問題還沒有引起人們的重視。國內的PCCP管技術雖然起步較晚，但起點較高，南水北調工程中的PCCP管已設計了陰極保護，并正在付諸實施，這在國內尚屬首次，它的經驗將會給今后國內PCCP管的建設帶來質的飛躍。

參考文獻

[1]竇鐵生，程冰清，胡赫，夏世法，楊進新，張奇.預應力鋼筒混凝土管結構變形規律的原型試驗研究Ⅰ：內壓[J].水利學報，2017，48（12）：1438-1446.

[2]鐘勝，馮新，趙琳，周晶.預應力鋼筒混凝土管插口內壁環裂機理分析[J].市政技術，2016，34（04）：122-128.

（作者單位：新疆國統管道股份有限公司）