浅谈阴极保护技术在PCCP管道工程中的应用

□胡 超 □张 辉 □任怀毅 □王 红

（中国水利水电第十一工程局有限公司）

阴极保护技术目前已发展成熟，被广泛应用到海水、淡水、化工介质中的钢质管道、电缆、钢码头、舰船、储罐罐底、冷却器等金属构筑物的腐蚀控制工程中。为了延长和保证PCCP管道使用寿命，在南水北调中线北京段PCCP管道工程中首次引进了阴极保护技术，以每20节PCCP管子（约100 m）作为一个保护单元进行电连续连接，通过电化学的方法，将需要保护的管道结构极化，使之电位向负向移动，以达到在环境介质中处于阴极，使管道处于被保护状态。阴极保护技术在南水北调PCCP工程中的成功应用，为我们积累了应用经验，也为同类或类似工程的应用提供参考。

1.南水北调PCCP管道实施阴极保护技术的必要性

1.1 PCCP管道结构特点

预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP），作为一种新兴管材，它是由钢筒、高强预应力钢丝、高强混凝土、高强砂浆和橡胶密封圈等原辅材料制作而成，不仅具有抗渗性、耐久性，使用寿命长，抗震能力强、施工维护方便等优点，还能适用于高工压和高覆土等工程环境。

PCCP管道是由带钢筒的混凝土管芯、缠绕管芯外的预应力钢丝和钢丝外的水泥砂浆保护层组成的。管道两端采用钢制承、插口圈，接头采用橡胶密封圈进行连接。管道结构见图1。

此外，在南水北调北调中线北京段PCCP管道工程中，对管道实施环氧煤焦沥青涂层进行防腐。考虑到该工程的腐蚀性土壤电阻率均低于50Ω·m和防腐年限为25 d，工程设计采用超厚膜(干膜平均厚度为600μm)环氧煤焦沥青涂料。

图1 PCCP管道结构示意图

1.2 PCCP管道腐蚀原因分析

PCCP管道预应力钢丝外层砂浆的水灰比通常为0.28～0.3，砂浆密实度很高，有效阻止了土壤或地下水中有害物质的侵入。而且砂浆的高碱性（通常为pH值12以上）为钢丝提供了钝化环境，促使钢丝表面形成稳定的钝化膜，保护钢丝和钢筒不腐蚀。但是PCCP管表面砂浆保护层本身是一种多孔材料，即使再密实还是会存在从凝胶孔到毛细孔一系列不同孔径的孔隙；在生产过程中由于砂浆自身收缩、干燥收缩等因素也可能产生细微裂缝；在使用过程中由于环境对砂浆的腐蚀而产生缺陷、由于PCCP受力膨胀而引起砂浆开裂，或由于基础不均匀沉陷形成PCCP管承插口灌注砂浆开裂。因此在一定的埋设条件下，例如：高氯离子含量或干湿环境中，土壤和地下水中的氯离子会通过砂浆层中这些孔隙渗入到钢丝表面，导致其表面钝化膜破裂而发生电化学腐蚀，其腐蚀过程中产生的氢原子渗入预应力钢丝格构，引起预应力钢丝的氢脆断裂，一旦一根钢丝腐蚀断裂，临近钢丝会受更大应力，导致多根钢丝断裂，就会有爆裂危险。大量研究和工程实践表明，因腐蚀性物质渗入砂浆保护层，导致预应力钢丝腐蚀氢脆断裂而发生PCCP爆管已成为其主要的事故模式。

1.3 类似工程经验教训

据查阅相关资料，在国内外PCCP工程中，由于钢丝腐蚀引起的管道爆裂事件就有很多。例如：美国一条输往Madrid的输水预应力钢筒混凝土管道（被称为西部管道），长17.23 km，直径为1600 mm最大输送量为3.8 m3/s，1987年多处管道出现了局部开裂，后采用镁阳极进行了阴极保护；美国Pockwock输水管线管道直径为1070 mm，主要为Halfax市供水，管线运行了10年后出现了开裂事故，紧接着至少又发生了5次爆管事故，后采用锌阳极对腐蚀开裂处的管道进行阴极保护。利比亚人工河一期工程没有采用环氧煤沥青防腐保护层和阴极保护，管线腐蚀破坏严重，有超过10000根管道发生腐蚀破坏，后对已铺设的一期管线追加阴极保护设施。二期工程全部使用环氧煤沥青及阴极保护相结合的防腐措施，取得了成功的经验。

1.4 实施阴极保护的必要性

通过对比分析发现，北京段PCCP管线的管径、工作压力、流速等与利比亚人工河参数基本一致，利比亚人工河工程地处干旱的沙漠地区，在较低的氯离子浓度中都遭受了腐蚀破坏。而南水北调北京段PCCP管线穿越丘陵地区、高地下水位、岩石层、土层呈等复杂地质，还穿越北京市油、气、电线路走廊，存在杂散电流的不利影响；南水北调北京段PCCP管线埋深较大，一般管顶覆土7～10 m，最大管顶覆土20 m，不具备在运行期追加阴极保护设施的条件。

另外，由于管道在制造、存放、搬运、安装过程中，难以避免出现表面环氧煤沥青老化及损伤等。通过增加阴极保护技术防腐，可以有效防止涂层破损处产生电蚀、降低阴极保护所需的极化电流，使得结构物表面的保护电位分布更均匀，以达到更好的保护效果。

通过与国外同类工程对比，考虑到本工程沿线地下水及土壤影响PCCP管道腐蚀的因素很多，为保证工程质量及运行安全，管道全线采用阴极保护措施是十分必要的。

2.PCCP管道阴极保护实施方案

2.1 保护方案

阴极保护技术是防止金属腐蚀的有效措施之一，该技术通过向被保护金属通以足够的阴极电流使其发生阴极极化从而减少或防止金属的腐蚀。阴极保护技术可分为牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护两种方法。

牺牲阳极阴极保护是将一种电位更负的金属或合金（如锌合金、镁合金）与被保护金属连接，并处于同一电解质中，形成一个新的腐蚀原电池，被保护金属作阴极，所连接的金属或合金作阳极，优先溶解，其上的电子转移到被保护金属上去，从而使被保护金属得到保护。

外加电流阴极保护是用外部的直流电源作阴极保护的极化电源，将电源的负极与被保护金属相连，将电源的正极接至辅助阳极，使被保护金属成为阴极而实现保护。

本工程采用牺牲阳极阴极保护方案：对于PCCP标准管，采用了平行PCCP管线（双排）上、下、左、右埋设共6条带状锌阳极的保护方案；在PCCP管道钢制构件，如排气阀、空气阀、连通设施、分水口和弯头处，采用棒状镁阳极对PCCP管道的钢制构件进行保护。

本方案的特点是:电流均匀，相对于强制电流，不会造成过负的电位，预应力钢丝出现氢脆可能性小，不需要外部电源，对土壤电阻率的依赖性和影响小，日常管理工作小。

2.2 标准及技术指标

南水北调PCCP管道工程阴极保护设计采用NACERP0100-2004标准，所采用的具体技术指标为：

第一，管道的极化电位差≥100mV，即PCCP中预应力钢丝及所有被保护的金属嵌入体的阴极极化电位与自然防腐电位差值≥100mV，就能达到充分保护的效果。在实际操作过程中是通过测量极化建立或衰减过程的电位偏移量来检查是否满足该指标。

第二，最低负电位≥-1000 mV，该指标是为了抑制预应力钢丝表面可能产生的析氢反应，避免预应力钢丝发生氢脆。

第三，阴极保护设计中采用的设计电流密度为1 mA/m2,阴极保护设计寿命为25年。

3.PCCP管道阴极保护技术要求

3.1 PCCP管道电连接

在PCCP管道预制和安装期间，应预先将钢筒和预应力钢筋进行电连接，并在PCCP管两端的承口钢环和插口钢环上焊接阴极保护系统电跨接用钢片。

PCCP管子间采用XLPE/PVC1×25 mm20.6/1 kV铜芯电缆（或φ14连接钢棒）进行电连续性跨接。跨接电缆采用铝热焊方式分别焊接在相连的两节PCCP管子的跨接钢片上（如为钢棒，则将钢棒焊接到管道内部的承插口环上）。焊接要求牢固，不能虚焊。电缆（或连接钢棒）焊接前钢片的焊接部分应打磨除锈致出现金属光泽。如采用电缆跨接方式，电缆焊接完成后，除去焊点周围的焊渣等杂物，再使用热熔胶对焊点做密封防腐处理，不得有焊接金属和铜芯电缆外漏。等热熔胶固化后，使用水泥砂浆对PCCP管道跨接点处进行覆盖和保护。

为保证牺牲阳极的使用寿命和保护范围，每100m（20节）PCCP管作为一个保护单元进行电连续性跨接，而每个保护单元之间不进行电连续性跨接。

3.2 牺牲阳极安装

3.2.1 棒状镁阳极安装

在PCCP管道中包含有钢制管件的特殊地带，如排气阀井、排空阀井、连通设施、分水口和弯头等处，应采用棒状镁阳极进行阴极保护。在棒状镁阳极安装位置钻出直径为300 mm的阳极安装井，并超出管道底部300 mm。阳极应垂直安装，周围填充特定成分组成的化学填料。应保证阳极底部的化学填料层厚度为300 mm，顶部厚度为200 mm。

阳极周围填充的化学填料应加入足量的水进行浸泡。安装完成后，应对阳极井浸泡24 h以上，以保证阳极电流的顺利分散。阳极电缆与阳极汇流电缆采用压接或焊接方式进行连接，并采用专用电缆连接套进行连接和防腐。

3.2.2 带状锌阳极安装

对PCCP管道应安装带状锌阳极进行阴极保护。两条管道共设置6条带状锌阳极，当土壤电阻率<100Ω·m时，6条带状锌阳极的规格为15.8 mm×22.2 mm，当土壤电阻率≥100Ω·m时，管道底部3条带状锌阳极的规格为15.8 mm×22.2 mm，管道顶部3条带状锌阳极的规格为12.7mm×14.28 mm。

带状锌阳极应置于阳极沟中，阳极沟宽200 mm，深100 mm，阳极周围应填充特定组分的化学填料，应采取一定措施防止填料和泥土的混合，当条件允许时，阳极周围填充的化学填料应加入足量的水进行浸泡。阳极电缆与带状锌阳极采用压接方式进行连接，并采用专用电缆连接套进行连接和防腐。

3.3 测试盒的安装

为保证测试点的日常管理和维护，本工程沿PCCP管线约1 km间隔的位置上设置一个测试点，测试盒应与排气阀井相结合。

PCCP管道的钢制管件，如排气阀井、排空阀井、连通设施、分水口和弯头，采用棒状镁阳极保护时，两条平行的PCCP管道采用交替间隔的方式，使棒状镁阳极通过测试盒与管道连接。

对于钢制排气阀井、排空阀井和连通设施，测试盒安装在它们的内壁，位于与井内的踏步垂直的位置。为保证测试桩与井壁的牢固连接，首先采用M8膨胀螺钉在井壁上安装两条扁钢作为测试桩安装的支架,再采用镀锌钢箍将测试桩与镀锌扁钢支架连接。

而对于水平和竖向弯头，由于现场无合适安装测试装置的位置，因此暂不考虑对它们的测试问题。棒状镁阳极直接连接到弯头的钢制管件上，如果现场情况许可，测试盒也可安装在地面上，为保证稳定性应浇注在500 mm×500 mm×500 mm的混凝土基础上。

3.4 测试探头的安装

每个测试探头都有3根连接电缆，分别标为CSE（参比电极，电缆颜色为白色）、N（自然电位，电缆颜色为黄色）和C（测试试片，电缆颜色为红色）。

测试探头为预包装产品，埋设前应在水中浸泡24 h以上。埋设后应再加足够的水浸泡，以保证测试探头周围土壤足够湿润。测试探头应距离管道200 mm埋设。

每1 km在PCCP管道A管与B管交替的位置上沿管道周长埋设6支测试探头。

3.5 电缆安装

阴极保护系统施工中使用的电缆均为XLPE/PVC型铜芯电缆，其中XLPE/PVC1×25 mm20.6/1 kV型电缆为跨接电缆，XLPE/PVC1×16 mm20.6/1 kV型电缆为阳极电缆，XLPE/PVC1×6mm20.6/1 kV型电缆为测试电缆。

所有在地面顶部水平敷设的电缆都应埋设在冻土层以下（最小埋设深度为1m），铺砂盖砖保护，保护砖为200 mm×200 mm×50mm混凝土砖。所有埋地电缆应留有足够的余量，避免拉伸应力。

电缆与电缆的连接，电缆与镀锌铜鼻子的连接，以及电缆与锌带连接采用压接方式（铜焊接也可），再使用专用电缆保护套进行防腐和密封。电缆与钢片应采用铝热焊方式进行，再使用热熔胶密封防腐。

4.PCCP管道阴极保护技术施工方法

4.1 原材料控制

所用材料应符合设计技术要求，并经监理工程师批准后方可使用。

棒状镁阳极和带状锌阳极成分性能和成分应符合《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》（SY/T0019-97）技术要求，测试方法符合《锌-铝-镉系合金牺牲阳极》（GB/T4950-2002）标准要求。

对所用材料都应进行严格的质量检查并提供相应的合格证或测试报告；对主要材料如带状锌阳极、棒状镁阳极材料按照要求进行材料复验，性能应符合设计文件和《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》SY/T0019-97标准的技术要求。

4.2 施工方法

4.2.1 PCCP管道电连接

每节PCCP管道间采用XLPE/PVC1×25mm20.6/1 kV铜芯电缆进行电连续性跨接,跨接电缆采用铝热焊方式分别焊接在相连的两节PCCP管的跨接钢片上。

铝热焊施工方法：电缆剥皮露出50～60 mm铜芯，电缆与钢片的焊接部分打磨除锈至出现金属光泽。模具就位后将电缆压入底孔部位；将金属铜片放入模具腔内，倒入焊剂并轻轻压实；放入点火器，盖好模具盖子；压住模具使电缆与钢片表面贴紧；用电池接通点火器焊接。电缆焊接完成后，除去焊点周围的焊渣等杂物，再使用热溶胶对焊点做密封防腐处理，等热溶胶固化后，使用混凝土（砂浆）对跨连接点处进行覆盖和保护。

4.2.2 牺牲阳极安装

4.2.2.1 棒状镁阳极安装

先用汽车钻孔机在测定镁阳极安装位置钻出直径为300 mm阳极安装井，安装井最深处超出PCCP管子底部300 mm。将制作好的棒状镁阳极置于阳极安装井的中间位置垂直安装并固定，再在阳极周围填充化学填料并压实，阳极安装井底部的化学填料层厚度为300 mm，顶部厚度为200 mm。并在阳极周围的化学填料中加入足够的水进行浸泡，参见图2。

图2 棒状镁阳极安装示意图

对于PCCP管道周围地质为砂砾石或风化岩的情况时，不能打井，可将棒状镁阳极预组装在Ф300 mm×4500 mm的棉布袋里垂直安装。每支棒状镁阳极为4 m长，共由4节组成，每两节间通过浇铸于阳极内部的螺柱和带内螺纹杆拧紧，拧紧前两节镁棒之间涂抹密封胶，最顶端一节通过压接或焊接方式将电缆与镁阳极铁芯连接，并绝缘密封好。在棉布袋内填入300 mm厚填料，将组装好的镁棒放入袋中心，填满填实填充料。安装方法是在沟槽底部距离管道中心设计位置处挖一直径≥300 mm、深度≥300 mm的圆坑，放入预组装好的镁阳极（在回填时，该部位采用人工进行回填，保证棒状镁阳极垂直），回填后向镁阳极袋中浇水浸透，将电缆引出，铺砂盖砖接至测试盒内。

4.2.2.2 带状锌阳极安装

带状锌阳极的安装应与PCCP管道安装同步进行，对已安装完管道部分锌带亦可安装在沟槽底部回填层上。首先根据图纸所示的位置开挖管沟，阳极沟宽≥200mm，深≥100mm。管沟挖好后，安装带状锌阳极，带状锌阳极应置于阳极沟中心，阳极周围填充特定组分和尺寸的化学填料，填充过程中避免填料和泥土混合，阳极周围填充的化学填料应加入足量的水进行浸泡。最后覆盖一定厚度的土层对安装好的阳极进行保护，但土层的厚度不能影响PCCP管的下沟。PCCP管就位后，当回填土层达到要求的高度后，再进行PCCP管道顶部带状锌阳极的安装，参见图3。

图3 带状锌阳极安装示意图

4.2.3 测试盒的安装

PCCP管道的钢制管件，如排气阀井、排空阀井、连通设施、分水口和弯头，采用棒状镁阳极保护时，两条平行PCCP管道采用交替间隔的方式，使棒状镁阳极通过测试盒与管道连接。对于钢制排气阀井、排空阀井、连通设施，测试盒安装在它们的内壁，位于与井内的踏步垂直的位置。为保证测试桩与井壁的牢固连接，首先采用M8的膨胀螺钉在井壁上安装两条镀锌扁钢作为测试盒安装的支架。再采用镀锌钢箍将测试盒与镀锡扁钢支架连接。

每个测试盒的测试板上有25个接线柱。根据不同安装位置测试探头埋设的位置不同，为直观的表示出测试探头的埋设位置，所有测试探头的连接电缆，都根据测试探头和PCCP管道的相应位置连接在测试板上相对应的接线柱上。同时为保证电缆与接线柱的正确连接，每个接线柱都应有永久性的标识符号，以保证日常管理的正常运行。电缆与接线柱的连接应通过镀锡铜鼻子连接。

4.2.4 测试探头的安装

测试探头内有3个测试探头，分别为1只长寿命埋地铜/硫酸铜参比电极和2根预应力钢丝，与电缆连接密封后埋入混凝土中。

测试探头埋设前在水中浸泡24 h以上，埋设后应再加足够的水浸泡，以保证测试探头周围土壤足够润湿。测试探头应距离管道200 mm埋设。对已经安装完毕的PCCP管，可以将探头的位置偏移一个角度后再安装，但尽量靠近PCCP管正下方。

4.2.5 电缆安装

4.2.5.1 电缆与阳极钢芯连接

带状阳极与阳极电缆连接采用铜压接管连接。施工前，根据连接技术要求，剥出铜芯电缆芯线，除去阳极钢芯和电缆铜芯表面的锈或氧化皮，然后用专用铜压接套管套接后（要求保证插入长度），使用压钳压紧。

然后安装树脂浇铸模具，进行接头处树脂灌注，充满后对灌口密封。

4.2.5.2 电缆与管道钢片的连接

管道和阳极均按要求安装好后进行阳极电缆与管道预制钢片连接。首先对钢片表面的浮锈、水迹和其它杂物进行全面清理，并露出金属光泽。然后将阳极电缆剥出的芯线按要求固定，安装好铝热焊接用的模具，采用铝热焊剂进行连接焊接。

接头焊完后，检查焊缝合格随即采用热熔胶裹缚，最后对接头的凹坑采用混凝土覆盖。

4.2.5.3 电缆与接线柱的连接

一个保护单元内的阀井，采用跨接电缆做电连续性跨接处理连接按要求进行连接，接头采用接线柱安装板（非金属）可靠固定。

4.2.5.4 跨接电缆与电缆的连接

跨接电缆须敷设在冻土层以下，埋深一般在1 m以上。电缆敷设至沟槽内后，先回填约350 mm后的细砂，并使用混凝土砖覆盖后，在同土将沟填平，土层厚度≥900 mm。

跨接电缆有“—”型和“Y”型两种连接方式。

4.3 注意事项

按照施工工艺，先敷设管道底部的3条锌带和T4、T5、T6三个测试探头以及镁阳极，并将电缆引上固定；在管道回填到上部时安装上部的三条锌带和测试探头T1、T2、T3；最后将电缆全部连入接线盒。

每个铝热焊、电缆压接头以及接线柱安装完成后，必须测试连接效果，保证连接电阻<0.01Ω。按照设计要求对牺牲阳极保护系统运行效果进行全面调试，调试结果应达到设计技术指标。

5.结语

南水北调中线北京段PCCP管道工程应用阴极保护技术进行防腐，开创了在南水北调PCCP项目中应用阴极保护技术的先例。在阴极保护技术的实施过程中，根据专家的咨询意见，紧密结合本工程实际情况，对设计、施工方案进行了优化。工程试运行期间联合测试组对管道全线进行了系统测试，由专业人员对测试数据进行分析并编制完成了《PCCP管道阴极保护验收测试报告》。报告认为，测试数据符合NACERP0100-2004《PCCP管阴极保护技术规范》保护准则的要求，满足PCCP管腐蚀控制的要求。

阴极保护技术的应用，将大大提高PCCP管道的使用寿命，可在类似工程中推广应用。