鋼質(zhì)海底輸水管道防腐方案及犧牲陽極保護(hù)設(shè)計

胡勇HU Yong；孫國強(qiáng)SUN Guo-qiang

（浙江省水利水電勘測設(shè)計院，杭州310002）

0 引言

海底管道處于海洋環(huán)境，對于鋼質(zhì)的海底輸水管道，其承受的外部化學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)環(huán)境相比較陸地管道要惡劣很多。由于管道長期處于海水（海泥）中，外部遭受海水環(huán)境腐蝕，而海泥也處于海水飽和狀態(tài)，含鹽量高，電阻率低，對于鋼質(zhì)管材具有較強(qiáng)的腐蝕性。同時，海底輸水管道內(nèi)部輸送的淡水對管道內(nèi)壁也會產(chǎn)生腐蝕影響。在外部海水和內(nèi)部輸送淡水的共同作用下，海底管道發(fā)生腐蝕是不可避免的。但海底管道又長期埋設(shè)于海床面下，管道腐蝕無論是在監(jiān)測檢查或是維護(hù)更換方面都面臨較高的技術(shù)難度。在工程實(shí)踐中，必須采取必要的措施減輕管道的腐蝕發(fā)生，延長管道的使用年限。

1 鋼質(zhì)海底輸水管道防腐方案選擇

1.1 外防腐保護(hù)方案

鋼管外防腐保護(hù)方案一般有涂層防護(hù)及陰極保護(hù)等。對于海底管道，一般采用涂層加陰極保護(hù)聯(lián)合防腐的措施。

1.1.1 涂層材料選擇

自19 世紀(jì)60年代埋地鋼質(zhì)管道投入使用，應(yīng)用于管道外防腐的涂層主要包括瀝青涂層、煤焦油瓷漆、膠帶、雙層聚乙烯、熔結(jié)環(huán)氧粉末（FBE/2FBE，單層和雙層）和三層聚乙烯（3PE）。由于材料自身的適用性及環(huán)境因素，瀝青涂層、煤焦油瓷漆、膠帶和雙層聚乙烯目前已較少應(yīng)用于海底鋼管，F(xiàn)BE/2FBE 和3PE 是目前涂層市場的主流產(chǎn)品。實(shí)踐表明，F(xiàn)BE/2FBE 和3PE 都具有使用壽命長、抗土壤化學(xué)腐蝕、柔性好、電絕緣性好、耐陰極剝離等性能。主要差異在于：

FBE 成本相對較低，但其屬多孔性薄涂層，耐沖擊性能和耐水汽滲透性能較差，易被尖銳硬物碰破，在裝卸、運(yùn)輸、鋪管、回填過程中存在涂層破壞的風(fēng)險。而且對于螺旋縫鋼管，焊縫處涂層厚度較難控制。FBE 通常不能單獨(dú)用于海底管道外防腐，幾乎總是與混凝土配重層或保溫層結(jié)合使用。對于鋼質(zhì)海底輸水管道，由于輸送介質(zhì)的密度與海水密度較接近，對配重結(jié)構(gòu)的要求比油氣管道少，一般不設(shè)混凝土配重層，因此FBE 基本不用于鋼質(zhì)海底輸水管道。

2FBE 是在傳統(tǒng)的防腐型粉末涂層外面再噴涂一層改性的保護(hù)型環(huán)氧粉末涂層，較大地提高了防腐層的機(jī)械性能，增強(qiáng)了防腐層的抗沖擊能力、耐高溫能力以及高溫時的抗?jié)B透性，同時保持了FBE 與陰極保護(hù)的相容性能，不會產(chǎn)生陰極保護(hù)屏蔽，其整體防腐層的厚度在600～1000μm 之間。成膜后涂層的抗沖擊、抗彎曲、耐劃、耐磨、耐熱等性能要求很高。

3PE 由較薄的熔結(jié)環(huán)氧涂層、膠粘劑層和外部較厚的聚乙烯層構(gòu)成，既保持了FBE 的優(yōu)點(diǎn)，又具有耐磨、抗沖擊、吸水率低、耐酸堿鹽和微生物腐蝕、抗海水浸泡性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用過程中需防止粘結(jié)層失效，但隨著工藝的不斷完善，3PE 在國內(nèi)外均得到了廣泛的應(yīng)用，目前還沒有發(fā)生剝離防腐層下出現(xiàn)膜下腐蝕的案例。目前，海底鋼管基本采用2FBE 或3PE 作為外防腐的涂層材料。

1.1.2 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)是將被保護(hù)的金屬管道進(jìn)行陰極極化，從而使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。它可以成倍地延長金屬管道的使用壽命。陰極保護(hù)分為犧牲陽極保護(hù)和外加電流保護(hù)兩種方法，對于海底管道，由于難以安裝電源裝置，且從免維護(hù)的角度出發(fā)，主要采用犧牲陽極的方法。陰極保護(hù)與防護(hù)涂料聯(lián)合使用時，陰極保護(hù)使涂層缺陷處和毛細(xì)孔處鋼管免遭腐蝕，延長涂料的使用壽命；涂層則可以降低陰極保護(hù)所需要的保護(hù)電流，擴(kuò)大陽極的保護(hù)范圍，減少陽極安裝數(shù)量，使陰極保護(hù)電流均勻分布于鋼管表面，提高陰極的保護(hù)效果。兩者的保護(hù)相輔相成，使腐蝕保護(hù)強(qiáng)度大大提高，腐蝕控制成本降低。

1.2 內(nèi)防腐保護(hù)方案

輸水鋼管的內(nèi)防護(hù)技術(shù)有水泥砂漿襯里、聚烯烴膜襯里、涂層襯里等。

1.2.1 水泥砂漿襯里

金屬管道內(nèi)水泥砂漿襯里一直被廣泛采用，特別是在大口徑、長距離的輸、配水工程中，是一種經(jīng)濟(jì)、有效的內(nèi)防腐方法。砂漿主要依靠水分子和鐵原子之間的范德華力襯貼在管壁上，形成8～18mm 的附著層，使鋼鐵和輸送介質(zhì)隔離。由于水泥砂漿具有價廉易和無污染的特點(diǎn)，從人體健康和工程造價綜合考慮，是目前輸水管道內(nèi)防腐的常用方案。但對于海底管道，由于受施工工藝限制，拖管施工過程中鋼管需適應(yīng)一定程度的變形，對水泥砂漿襯里的涂裝質(zhì)量和工藝要求很高，在海底管道中很少采用水泥砂漿襯里的內(nèi)防腐方案。

1.2.2 聚烯烴薄膜襯里

采用聚烯烴塑料薄膜內(nèi)襯技術(shù)是近年借鑒國外舊管道翻襯法修復(fù)工藝開發(fā)出來的三層結(jié)構(gòu)：主防護(hù)層-增強(qiáng)層-增粘層的聚烯烴膜內(nèi)襯，采用三層復(fù)合共擠成膜，膜厚0.2～0.5mm。它與鋼管之間的粘合，也采用底、中、面三層聚烯烴粘合膠，這是聚烯烴材料的特點(diǎn)，目的是為了增強(qiáng)附著力，充分發(fā)揮各自功能。

聚烯烴薄膜襯里防護(hù)法的優(yōu)點(diǎn)是無污染、表面光滑和防腐蝕性能較好，但存在價格較高、施工不好時粘接復(fù)合度差的缺點(diǎn)。目前輸水管道工程內(nèi)防腐蝕設(shè)計中尚較少采用。

1.2.3 涂層襯里

金屬管道涂層襯里是利用噴涂涂料使金屬管道內(nèi)壁與輸送介質(zhì)隔離的防腐方法。對于海底輸水管道，尤其是輸送用于城鄉(xiāng)居民生活使用的原水，涂層襯里材料除了滿足內(nèi)防腐要求外，還應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水輸配水設(shè)置及防護(hù)材料的安全性評價標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T17219）的有關(guān)規(guī)定，具有衛(wèi)生部門頒發(fā)的衛(wèi)生許可證。采用涂層襯里的內(nèi)防腐方案施工簡便，質(zhì)量可靠，是海底管道較為常用的內(nèi)防腐方案。舟山市大陸引水工程的跨海輸水鋼管采用了厚漿型IPN8710-2B 飲水容器涂料作為內(nèi)防腐的涂層材料，使用效果良好。

2 犧牲陽極保護(hù)設(shè)計

當(dāng)采用陰極保護(hù)方案時，被保護(hù)管道所需的總的保護(hù)電流強(qiáng)度采用下式進(jìn)行計算：

式中，I 為被保護(hù)管道所需的總的保護(hù)電流；S 為被保護(hù)管道的總表面面積；j 為管道所需最小保護(hù)電流密度；D為管道直徑；L 為管道長度。

根據(jù)法拉第定律，當(dāng)采用犧牲陽極的保護(hù)方案時，所選犧牲陽極保護(hù)金屬管道的使用年限計算公式：

式中，W 為管道所需犧牲陽極的重量；I 為陽極發(fā)生電流；T 為設(shè)計保護(hù)年限；η 為陽極的電流效率，鋁合金陽極取85%；η1為陽極的利用率，一般取0.8～0.85；Q 為陽極的理論發(fā)電量，鋁-鋅-銦系合金陽極可取2400Ah/kg。

以舟山市大陸引水工程金塘島跨海輸水管道跨海輸水管線為例，鋼質(zhì)管道外直徑0.828m，所處海土地基為中等腐蝕環(huán)境，海土泥的土壤電阻率一般為111～208Ω·cm，開路電位-1.18～-1.10V，工作電位-1.12～-1.05V。犧牲陽極設(shè)計使用壽命按50年考慮，當(dāng)采用鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極，每個管節(jié)使用的陽極單套質(zhì)量162kg。

3 總結(jié)

對于鋼質(zhì)海底輸水管道，內(nèi)外防腐的要求和陸上輸水鋼管有所不同，主要原因在于海洋環(huán)境對鋼管耐腐蝕要求高，且海底輸水管道具有獨(dú)特的施工工藝和運(yùn)營環(huán)境要求。在對鋼質(zhì)海底輸水管道進(jìn)行防腐方案選擇時，應(yīng)選擇合適的內(nèi)外防腐涂層材料，同時做好犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計。

結(jié)合舟山市大陸引水工程海底輸水管道的實(shí)踐應(yīng)用情況，外防腐采用雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末（2FBE）或三層聚乙烯（3PE）涂料保護(hù)外加犧牲陽極，內(nèi)防腐采用厚漿型IPN8710-2B 飲水容器涂料的保護(hù)方案，從施工質(zhì)量、實(shí)際使用情況等方面，均達(dá)到了較好的效果。