灌區節水改造工程PCCP引水管道陰極保護問題探討

李 冰

(上饒市水利水電工程建設監理中心，江西 上饒 334000)

1 工程背景

鄱湖灌區位于鄱陽縣中北部，東接景德鎮市浮梁縣，北鄰安徽東至縣，西與九江市都昌縣接壤，南臨余干縣。灌區范圍涉及鄱陽縣的16個鄉鎮，314個村，灌區總面積為13.49×104hm2，其中耕地面積4.85×104hm2，設計灌溉面積2.34×104hm2，目前實際灌溉面積1.34×104hm2。灌區地勢東北高、西南低，全境以低丘崗地、濱湖平原為主。鄱湖灌區續建配套與節水改造項目施工2標段為四干渠2標(樁號0-118-15+744)引水管道及渠系建筑物工程，該引水工程PCCP引水管道長期埋設于地下，工程區土壤氯離子含量較高，對引水管道電化學電化學腐蝕性較大，為此，應采用陰極保護抵御PCCP引水管道電化學腐蝕。

在灌區續建配套與節水改造項目施工2標段設計階段，根據項目區土壤、地下水、電阻率等條件將引水管線劃分為若干防腐段，并充分檢測管線沿線地下水水質和土壤氯離子含量，以便有針對性的對不同防腐段采取仿佛措施。該灌區續建配套與節水改造項目施工2標段防腐段的劃分情況詳見表1所示。

表1 灌區續建配套與節水改造項目施工2標段防腐段的劃分情況

鄱湖灌區續建配套與節水改造項目施工2標段引水管道及渠系建筑物工程施工前，國家并無相關的引水管道防腐保護相關標準和規范可以遵循，為此，該工程主要參考和借鑒了國外相關規范和標準，如美國混凝土壓力管道協會的《混凝土管道面層防腐技術》、美國水工協會的《混凝土壓力管道手冊》等，以上規范和標準均針對土壤電阻率和氯離子含量給出了引水管道防腐技術措施建議，雖然其規定和建議與本工程存在定量標準方面的差異，但是具有很大的相似之處，如引水管道埋設在干濕交替頻繁地區；土壤電阻率不足15Ω·m；氯離子含量較高的土壤條件下除應提供鈍化環境外，還應增加防腐外涂層或實施陰極保護措施。根據我國《巖土工程勘察規范》的相關規定，當土體中含氯量不足250ppm時，土壤對混凝土及鋼筋結構不產生腐蝕影響。綜合考慮國內外有關標準并結合本灌區續建配套與節水改造項目土壤腐蝕環境，將防腐標準確定如下：

當土壤中含氯量不足250ppm且土壤電阻率在20Ω·m以下時，在PCCP引水管道外覆涂層并采取陰極保護的措施隔絕防腐；當土壤電阻率在20Ω·m及以下時，通過電連接和陰極保護防腐；當土壤電阻率∈(20,50]Ω·m時，應通過電連接，并設置腐蝕監測樁；當土壤電阻率在50Ω·m以上時，僅通過電連接防腐。

2 引水管道陰極保護設計

2.1 設計思路

根據鄱湖灌區續建配套與節水改造項目施工2標段實際情況確定陰極保護參數，并進行PCCP引水管道實際保護面積核準，根據最小保護電流的實際密度確定單根PCCP引水管道保護電流；單根PCCP引水管道保護所需陽極數量根據單根陽極發生電流與單根PCCP引水管道保護電流之比計算；最后確定單根PCCP引水管道陽極壽命。

2.2 保護材料的選用

預應力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)作為新型的鋼性管材，主要由薄鋼板、高強鋼絲和混凝土構成。考慮到PCCP管材的特殊性，并根據對國內外類似工程引水管道防腐保護實踐的調查，結合本灌區續建配套與節水改造項目實際情況，保護對象是PCCP管內的預應力鋼筋，如果電位降至-1.1V，則會發生析氫現象，而鎂陽極電位負、比重小，并會對鋼產生較大的驅動電壓，所以，PCCP管材的保護不應使用鎂陽極，而擬用鋅合金犧牲陽極材料。為增強犧牲陽極電流輸出的穩定性，并激發陽極活性，應在鋅合金陽極周圍按比例填加鋅陽極專用填充料。

2.3 參數選擇

通常情況下，土壤中含氯量越高，待保護電流密度也越大，所以，本灌區續建配套與節水改造項目PCCP引水管道全線均應實施陰極保護，并對腐蝕嚴重的管段加覆涂層保護。未設置涂層保護的管段，應將其保護電流密度控制在0.6mA/m2及以下，而設置了涂層保護的管段，其保護電流密度應控制在0.2mA/m2及以下。

保護電位也是PCCP引水管道陰極保護施工效果的重要參數之一。性能優良的混凝土構件保護電位應≥-0.5V；含氯量高且腐蝕性大的土壤環境下保護電位應≥-0.71V；破損嚴重且鋼筋材料外露的混凝土構件保護電位應≥-0.85V。鋼筋混凝土自然電位通常在-0.2--0.3V范圍內，如果采用普通鋼保護電位參數則會增加工程投入，降低管材經濟性。本工程主要以《埋地鋼質管道犧牲陽極陰極保護設計規范》所規定的“PCCP引水管道極化電位差應控制在100mV以上”的標準作為保護效果的判斷依據。

2.4 管線保護面積及保護電流

PCCP引水管道材料是將預應力鋼絲纏繞于帶鋼筒的高強度混凝土管芯，并噴涂水泥砂漿而成，再通過鋼制承插口和鋼筒焊接。所以，PCCP引水管材所保護的主要是管內鋼筒套和纏繞于管外側的預應力鋼筋，還應同時考慮承插口鋼環與預埋連接鋼帶的保護。

本灌區續建配套與節水改造項目主要采用管徑DN2400的管材，并根據內部設計壓力和覆土深度分別采用15.5cm、18cm、22cm和29cm四種壁厚，且不同管段對應不同的預應力鋼筋設計和鋼筋保護面積。根據美國水工協會《混凝土壓力管道手冊》所給出的鋼筒表面積[1]確定方法所確定的本項目單根管徑DN2400的PCCP引水管道預應力鋼筋保護面積應為45m2，無涂層和有涂層的單根管道保護電流分別為0.025A和0.009A。

2.5 陽極電流及陽極數量

PCCP引水管材單支陽極電流輸出值的大小主要受陽極規格型號的影響。本灌區續建配套與節水改造項目采用鋅合金陽極引水管道保護，并通過歐姆定律進行陽極電流的確定[2]，即為陽極驅動電壓與陽極接地電阻之比，而后者主要通過以下公式確定：

(1)

式中：R為接地電阻值，Ω；ρ為項目區土壤電阻率，Ω·m；L為填料包實際長度，m；D為填料包實際直徑，m。

將本灌區續建配套與節水改造項目施工2標段實際參數代入式(1)后求得基地電阻值為8.2Ω。由于陽極驅動電壓設計值為0.5V,所以，PCCP引水管材單支陽極電流輸出值為0.06A。則所需的單支PCCP引水管材陽極數量按下式確定：

(2)

式中：If為PCCP引水管材單支陽極電流輸出值，A；N為所需的單支PCCP引水管材陽極數量；I為所需的保護電流數量。

根據式(2)可以看出，當PCCP引水管道不設置保護涂層時，一支陽極可以保護2根管徑DN2400的管材；而當PCCP引水管道設置保護涂層時，一支陽極可保護6根管徑DN2400的管材。

本灌區續建配套與節水改造項目施工2標段PCCP管材及鋼管陰極保護的設計使用壽命為25a，陽極使用壽命應按下式確定：

(3)

2.6 陽極安裝

根據設計將本灌區續建配套與節水改造項目施工2標段PCCP管材及鋼管犧牲陽極安裝過程分為安裝前的準備、陽極埋設處理、連接陽極與被保護體、陽極床澆水、回填等階段，除應嚴格遵循以上安裝步驟外，還應加強以下方面的控制：在安裝前將犧牲陽極表面用砂紙打磨平整，并沿軸向將犧牲陽極水平安裝在管道側面；陽極埋設處和管道外壁的間距應控制在1.0m及以上，埋設深度不超過管中心位置；PCCP管承插口處的預制鋼板通過電焊焊接牢固。

3 陰極保護系統遠程監測

灌區續建配套與節水改造項目施工2標段PCCP引水管道陰極保護屬于隱蔽工程，很難從直觀上了解管材下埋及保護情況。通信技術的發展為工程管理人員隨時隨地掌握管材腐蝕情況、陰極保護運行狀況及保護效果提供了可能。

3.1 監測系統的組成

按照本灌區續建配套與節水改造項目施工2標段PCCP引水管線的管段劃分情況，在各管段均設置監測裝置，共設置10套監測裝置，每套監測裝置具體包括電源、數據采集與傳輸、傳感器等部分，監測裝置主要進行保護電位、輸出電流、環境溫度、土壤氯離子含量、電阻率、腐蝕速度、腐蝕電位等方面的監測。

3.2 管道保護電極及陽極輸出電流

由均勻設置在PCCP引水管道圓周的二氧化錳參比電極進行電位測試和數據采集，且通過監測柱上采樣電阻所對應的電壓進行保護電流數值的獲取，監測柱由長度160cm、直徑12.5cm的鋼管制成，監測柱在埋設時應至少高出地面50cm，并在其上部末端內部加筋處理，以增強其支撐性能。

4 結 論

分析結果表明，采用犧牲陽極的陰極保護方法能有效防止灌區節水改造供引水工程PCCP管材的腐蝕，保護電位是陰極保護中非常重要的指標，最小的保護電位即PCCP管材與其他材料相比可能發生陽極腐蝕的最小電位，如果陰極保護過程中實際陰極保護電位值小于最小電位值，則引水管材便能得到完全防護，通過加強對保護電位的分析與控制，以有效增強引水管道陰極防護效果。