PCCP輸水管線陰極保護應用實例及數值模擬驗證

王 靜 王善章 李威力

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

預應力鋼筒混凝土管（PCCP）在國內的供水工程中已得到廣泛認可，應用越來越多。在國內實施了PCCP管陰極保護的項目中，同等規模的可參考的工程很少，而且運行時間較短，相應的工程經驗不足。本文就PCCP輸水管線的陰極保護設計進行論述，通過軟件數值模擬分析與實地試驗測試相結合的方式，對保護電流密度取值的合理性和陰極保護效果進行評估。

1 工程概述及陰極保護設計參數選擇

1.1 工程概述

某工程埋管段由3根管DN3800mm的PCCP管并排同槽布置，總長約5km，管線穿越鄂北眾多山區丘陵地帶、平原、水塘、河道等復雜地形，沿線土壤特性及其腐蝕性變化較大。PCCP管道防腐方案初擬對PCCP管道砂漿保護層外采用環氧煤瀝青涂料，同時對埋地PCCP管道及PCCP管道構筑物（進氣閥井、人孔、泄流閥等部位）進行陰極保護，單節PCCP管道的技術參數如表1所示。

1.2 陰極保護設計參數選擇

PCCP管道陰極保護設計參數如表2所示。

表2 PCCP管道陰極保護設計參數

2 犧牲陽極的設計計算[1～3]

2.1 保護電流密度的選取

根據管道外防腐層種類、設計使用壽命及防腐層絕緣電阻與陰極保護電流密度的對應關系（如表3所示），并考慮到本項目的埋地管道需使用50年，并且50年后管道防腐層絕緣電阻值下降的較大，并借鑒國內外埋地PCCP工程的成功案例利比亞人工大運河工程、美國西部管道工程、南水北調中線工程、大伙房水庫輸水工程、遼西北調水等相關工程經驗，因此，選擇本項目中的最小陰極保護電流密度為0.3mA/m2。

表3 電流密度和防腐層絕緣電阻的對應關系

2.2 陰極保護總電流的計算

總陰極保護電流需要量計算如下：

I總=i×S=0.3×426570=127971mA=127.971A（其中S=142.19×（5000×3/5m）=426570m2）。

2.3 犧牲陽極的選擇

犧牲陽極材料有：鎂合金、鋅合金和鋁合金三種。通過從陽極電位、土壤電阻率、陽極使用年限及經濟性、安全性考慮，決定選用鋅合金犧牲陽極，型號為ZP-1。鋅陽極填包料的配方：石膏粉：膨潤土：工業硫酸鈉=75:20:5（質量分數），電阻率為1Ω·m。

2.4 單支水平式陽極接地電阻計算

其中：Ra為水平式犧牲陽極接地電阻（Ω）；

ρ為土壤電阻率（Ω·m），ρ=25Ω·m；

ρg為陽極填包料電阻率（Ω·m），ρg為=1Ω·m；

Lg為裸犧牲陽極長度（m）；

dg為裸陽極等效直徑（m）；

Dg為預包裝犧牲陽極直徑（m）；

tg為犧牲陽極中心至地面的距離（m）。

對于上式計算可得，鋅合金陽極的接地電阻Ra=5.43Ω。

2.5 犧牲陽極組輸出電流計算

其中：

Ia為陽極輸出電流（A）；

Ec為陰極開路電位（V）；

Ea為陽極開路電位（V）；

ec為陰極極化電位（V）；

ea為陽極極化電位（V）；

Rc為陰極過渡電阻（Ω）；

Ra為陽極接地電阻（Ω）；

Rw為回路導線電阻（Ω）；

R為回路總電阻（Ω）。

本公式中Ra>>Rc+Rw。

2.6 犧牲陽極數量計算

其中：N為陽極數量（支）；

IA為所需保護電流（A），127.971A；

Ia為單支陽極輸出電流（A）；

B為備用系數（考慮到實際施工每5m布置1只陽極及一定施工變動余量，取1.1） 。

經過計算可知，所需鋅合金犧牲陽極為N=3060只。

2.7 犧牲陽極壽命計算

式中：T為陽極工作壽命（a）；

w為陽極凈質量（kg）；

ω為陽極消耗率[kg/(A·a)]；

I為陽極平均輸出電流（A）。

對于ZP-1鋅合金陽極，w=49kg，ω=17.25kg/（A·a），I=0.046A，計算可得設計壽命T=52.49年，滿足設計壽命不小于50年的要求。

3 陰極保護效果評估

3.1 陰極保護現場測試結果

現場采用數字萬用表、ZC-8接地電阻測試儀、雙臂電橋等檢測設備，對陰極保護數據進行實地測量，測量結果如表4所示。

表4 實地測量結果

3.2 陰極保護效果分析

經實地測試，陽極在埋設后，其陽極開路、閉路電位均滿足設計要求，分析試驗數據，各區域的陰極保護電位均達到有效保護電位，普遍處于-0.88V～-0.98V，結合自然電位值普遍處于-0.3～-0.5，各處構件電位極化差值均大于100mV，證實有充足的陽極保護電流作用在被保護構件，各管段的陰極保護均成功實現了對管道的有效保護。

4 軟件數值模擬分析

仿真分析軟件采用BEASY公司開發的Beasy金屬腐蝕仿真軟件，可以進行多變化條件下管線陰極保護效果的模擬分析，可以進行特定條件下管線電位分布情況的數值模擬。

4.1 鋅陽極保護仿真模型

塊狀鋅陽極規格為Z P-1，尺寸為1 0 0 0×（78+88）×85mm，重50kg，鋅陽極位于管道底部，陽極間距為5m。建立的仿真模型如圖1所示。

圖1 塊狀鋅陽極陰極保護數值模型

4.2 鋅陽極保護仿真效果

利用建立的模型，對塊狀鋅陽極陰極保護效果進行仿真計算，其保護效果如圖2所示。由圖可知，管道的保護電位在-0.92V～-0.98V之間，該保護電位區間能使管道得到有效保護，且保護電位分布較均勻。

圖2 塊狀鋅陽極陰極保護效果

5 結語

分析試驗數據，采用ZP-1型棒狀鋅陽極，經過現場實地測量和數值仿真計算，均可實現對管道的有效、均勻保護，同時驗證最小保護電流密度取值的是合理的，以及陰極保護計算結果的正確性。