陰極保護在PCCP輸水管線工程的應用實例

王 靜 盧宗春 張 偉

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

某地區PCCP輸水管線供水項目，PCCP管段（樁號 55+181~60+181），為防止PCCP管中的鋼結構的腐蝕，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管道構筑物進行陰極保護，延長PCCP管的使用年限。

1 陰極保護設計[1-6]

1.1 陰極保護設計原則

（1）管道陰極保護設計保護年限50年；

（2）PCCP的陰極極化電位差不小于100mV，允許的最負極化電位為-1000mV/CSE；

（3）鋼管最小保護電位為-0.85V（相對于飽和硫酸銅參比電極）或極化電位差不小于100mV；

（4）在有效保護期間內，管線腐蝕基本上得到有效控制，不發生腐蝕泄漏。

1.2 埋地PCCP管道陰極保護設計參數

（1）管道總長度：5km×3（3根管道并排），單節長度5m；

（2）防腐層：環氧煤瀝青；

（3）單節鋼筒外壁面積：62.33m2；

（4）單節PCCP管內預應力鋼筋表面積： 79.86m2；

（5）單節PCCP管鋼筒和鋼筋陰極保護總面積：142.19m2；

（6）管道沿線平均土壤電阻率：25Ω·m（根據現場測試數據取平均值）；

（7）陰極保護系統設計壽命：50年。

1.3 埋地PCCP管道陰極保護的設計計算

1.3.1 陰極保護總電流的計算

根據管道外壁防腐層種類、設計使用壽命50年及陰極保護電流密度與防腐層絕緣電阻的對應關系，并借鑒國內外埋地PCCP工程的成功案例，比如南水北調項目，選擇本項目中的最小陰極保護電流密度取0.3mA/m2。

總陰極保護電流需要量計算如下：

其中：i=0.3mA/m2；

S=426530m2。

1.3.2 犧牲陽極種類的選擇

犧牲陽極材料有：鎂合金、鋅合金和鋁合金三種，在土壤中，通常選擇鎂合金和鋅合金，其性能如表1所示。通過從陽極電位、土壤電阻率、陽極使用年限及經濟性、PCCP管道安全性考慮，決定選用ZR-1型帶狀鋅合金犧牲陽極，其規格為25.40×31.75mm，在土壤電阻率大于20Ω·m的部位，鋅陽極填包料的配方為：石膏粉：膨潤土：工業硫酸鈉=75:20:5（質量分數），電阻率為1Ω·m。

表1 鎂陽極與鋅合金陽極電化學性能（土壤中）

1.3.3 單支帶狀鋅合金犧牲陽極接地電阻計算

其中：

Ra-帶狀鋅合金犧牲陽極接地電阻（Ω）；

ρ-土壤電阻率（Ω·m），ρ=25Ω·m；

Lg-裸犧牲陽極長度（m）。

對于ZR-1型鋅合金，ρ=25Ω·m，考慮到帶狀鋅合金陽極容易斷裂的情況，單支長度平均按照Lg=100m計算，代入上式計算可得，100米ZR-1型鋅合金陽極的接地電阻Ra=0.25Ω。

1.3.4 單支帶狀鋅合金犧牲陽極輸出電流計算

其中：

Ia-陽極輸出電流（A）；

Ec-陰極開路電位（V）；

Ea-陽極開路電位（V）；

ec-陰極極化電位（V）；

ea-陽極極化電位（V）；

Rc-陰極過渡電阻（Ω）；

Ra-陽極接地電阻（Ω）；

Rw-回路導線電阻（Ω）；

△E陽極有效電位差（V）；

R-回路總電阻（Ω）。

本公式中Ra>>Rc+Rw，因此可簡化為：

對于ZR-1型鋅合金犧牲陽極，根據德國DIN標準PCCP中鋼筋的保護電位為-750mV。

故取△E=0.25V，代入上式計算可得100米帶狀鋅陽極Ia=1A，即每米帶狀鋅陽極可輸出0.01A 電流。

1.3.5 犧牲陽極數量計算

其中：N-陽極數量（米）；

IA-所需保護電流，127.971A；

Ia-每米帶狀陽極的輸出電流0.01A；

B-備用系數，取3。

1.3.6 犧牲陽極壽命計算

式中： T-陽極工作壽命（a）；

w-陽極凈質量（kg）；

ω-陽極消耗率[kg/(A·a)]；

-陽極平均輸出電流（A）。

對于ZR-1型鋅合金犧牲（陽極帶線質量為3.57kg/m），w=3.57kg，ω=17.25kg/（A·a），I=0. 0032A（127.971/40000），計算可得設計壽命T=54.9年，滿足設計壽命大于50年的要求。

2 犧牲陽極分布位置設計

根據計算結果可知，鋅帶分8處布置，其分布位置如圖1所示，鋅帶距離管道外壁0.5～1.0米，鋅帶周圍鋪設一層橫截面積為0.3×0.3m的犧牲陽極填包料將陽極包裹，條件允許的話，陽極填包料應用足量的水浸泡。

圖1 鋅帶位置安裝剖視圖

經過計算可知，所需ZR-1型鋅合金犧牲陽極為38391米，考慮到實際施工需要，帶狀鋅陽極的數量取40000米，即同槽的3條PCC鋪設8條帶狀鋅陽極。

3 陰極保護數據測試

3.1 測量工具[7]

數據萬用表、ZC-8接地電阻測試儀、雙臂電橋。

3.2 實地測量結果

對帶狀鋅合金犧牲陽極，Y-02單元至Y-06單元管段分別測試2處，測試結果如表2所示。

表2 沿線陰極保護數據

4 陰極保護效果分析

根據現場測量數據分析，陽極埋設后，陽極開路電位均小于-1.05V（相對于CSE），陽極閉路電位均小于-1.03V（相對于CSE），符合設計要求。原設計中預估陽極平均輸出電流值為0.0032A，實際陽極初始輸出電流值為0.0021-0.0031A，實際工程中，陽極壽命預估為56～83年，滿足設計壽命大于50年的 要求。

經過工程現場實測值與原設計參數取值的對比可知，實際工程中，陽極在初始階段提供了足量電流已實現有效陰極保護。