PCCP腐蚀与防护浅析

张其军

(山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024)

PCCP腐蚀与防护浅析

张其军

(山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原 030024)

本文结合作者多年来从事PCCP输水管道工程的设计及工程咨询的实践经验，对PCCP的主要腐蚀机理及腐蚀形式进行了介绍，并列举了PCCP的有效防护措施，可供类似PCCP供水工程管道防腐设计参考。

PCCP;腐蚀机理;腐蚀形式;管道防护

预应力钢筒混凝土管(简称PCCP)是由薄钢板、承插口钢圈、高标号混凝土、预应力钢丝和高强水泥砂浆等原辅材料经多种施工工序制作而成的复合管材，因其具有安全，经济，承受高内压和外荷载，密封性、抗震性及耐久性良好，安装快速方便，运行费用较低等特点，因此在国内外被用作长距离供水、城市给水和电厂回水等工程领域的首选管材。

随着经济高速发展，PCCP在各个领域已广泛使用，管道输送的介质不同，埋设环境也不同，因而腐蚀环境也不尽相同，若不采取有效的针对性防护措施，必然会使管道的使用寿命缩短，严重威胁工程的运行安全，造成不必要的经济损失。因此，PCCP防护已成为PCCP工程应用中应特别关注的问题。

1 PCCP事故记录及分析

据美国土木工程协会有关统计资料:17400项PCCP工程中有 25项工程出现事故，事故率约为0.14%，大部分为管道外部腐蚀造成。

据ACPPA有关统计资料:美国和加拿大的9家公司(不包括已破产的 Interpace公司)，1943—1990年PCCP损坏事故比例占0.30%，其中82.1%的管道事故由各种腐蚀造成。

国内个别PCCP供水工程试运行及投运期间，出现过PCCP因钢丝锈蚀等而引发的事故。

虽然PCCP应用领域广，在工程实践中具有被社会所公认的优良品质，但从国内外PCCP工程的事故记录来看，各种腐蚀造成PCCP的损坏比例占绝大多

数，外部腐蚀失事后造成的经济损失尤其大。

2 PCCP防腐及腐蚀机理

PCCP中的钢筒和预应力钢丝被混凝土管芯和水泥砂浆保护层包裹，由于混凝土和水泥砂浆自身的强碱性(pH值为12～13.5)给管道内部的钢材提供一个钝化的工作环境，从而使得PCCP具有一定的防腐蚀性能。

PCCP的腐蚀主要与材料因素、施工因素、表面状态和环境因素等有关，其中最主要体现在混凝土及水泥砂浆保护层是否密实。PCCP的腐蚀速度主要取决于钢材的保护环境——混凝土及水泥砂浆保护层的碳化速度，混凝土碳化导致pH值降低到9以下时，钢材表面则失去钝化状态，而混凝土表面存在着的气孔和微细裂纹，给水和侵蚀性介质也提供了存留和渗透的条件，当遇到PCCP埋设环境中的O2、CO2、SO2等腐蚀介质，在水的作用下发生化学和电化学反应，钢材逐渐会锈蚀膨胀，可造成PCCP的损坏。PCCP结构中钢丝为预应力高强钢丝，在不利的土壤环境中水泥砂浆保护层腐蚀后钢丝极易发生脆断，而其脆断又造成管道承载能力的不断降低，最终导致爆管。因此，PCCP结构中钢丝腐蚀产生的危害比一般的钢筋混凝土结构更加严重。

3 PCCP腐蚀形式

PCCP的腐蚀分为内部腐蚀和外部腐蚀，其腐蚀形式主要包括碳化反应、氯离子侵蚀、硫酸盐腐蚀、酸雨腐蚀、溶出性腐蚀、冻融破坏以及微生物腐蚀等。

3.1 碳化反应

水泥砂浆保护层覆盖在钢丝表面，在一定程度上起着隔离腐蚀介质的作用，但对钢丝提供主要保护作用的还是水泥在水化过程中产生的Ca(OH)2，使得钢丝具有高碱度工作环境，钢丝表面会形成一层较致密的钝化膜，使钢丝具有一定的抗锈蚀性能。PCCP埋地投运后，土壤中可能存在较强的，在水的参与下与Ca(OH)2反应生成CaCO3，水泥砂浆的pH值会降低，加上钢丝本身的成分、组织、状态和应力等不均一，包裹钢丝的水泥砂浆保护层薄厚也不一致，钢丝的表面则处于活化状态或不完全钝化状态，导致钢丝锈蚀。锈蚀产物的体积往往膨胀2～4倍，产生的膨胀应力有时高达30MPa以上，水泥砂浆保护层会出现裂缝，更多的水、氧和电解介质将渗透到钢丝表面，加速了钢丝的锈蚀，保护层则逐渐开裂甚至剥落，对钢丝的保护作用部分或全部丧失。钢丝与水泥砂浆保护层的联合承载能力迅速下降或解体，直至造成预应力钢丝发生突然断裂。

3.2 氯离子侵蚀

埋地环境中的C1－非常活泼，极易渗透到混凝土中，与混凝土中的主要成分(3CaO·2Al2O3·3H2O)发生反应，生成易溶的CaCl2，会造成混凝土的破坏。同时，Cl－能够穿透钝化膜使钢丝发生点蚀，进而引发大面积钢丝的电化学腐蚀，易引起钢丝的脆断。

3.3 硫酸盐腐蚀

硫酸盐的腐蚀速度比氯离子侵蚀速度要快。硫酸盐可与混凝土中的水化物Ca(OH)2发生化学反应，产生体积更大的产物，其产生的膨胀压力使水泥强度降低，增加了保护层的渗透性。硫酸盐还可与混凝土中的铝酸三钙发生化学反应，产生白色糊状带大量结晶的水产物。两者将导致混凝土松散、开裂、粉化直至破坏。

3.4 酸雨腐蚀

由于工业污染，化工厂排放的SO2形成酸雨，雨水若流入管道中，可使混凝土酸化并产生可溶性物质，随水流失，对混凝土管道造成腐蚀。同时，酸雨也会增加土壤及河流中腐蚀介质的含量，对混凝土管道外部造成腐蚀。

3.5 溶出性腐蚀

如果管道输送的介质含有一定的矿化物和阴阳离子，和混凝土中的一些难溶物发生反应，生成易溶物和微溶物，被管道的水流带走，就会造成溶出性腐蚀。

3.6 冻融破坏

若PCCP埋设深度未达冻土深度，在冬季0°C以

下时，水在管道的气孔和裂缝中结冰，冰的体积膨胀，会产生巨大的膨胀力。随着气温的不断升降，循环出现混凝土的收缩和膨胀，会造成部分混凝土产生裂痕和粉化，甚至破坏。

4 PCCP防护措施

虽然PCCP结构本身具备基本的防腐蚀性能，若PCCP混凝土表面致密度低，存在气孔和微裂纹，腐蚀介质渗入后，会发生化学和电化学腐蚀，使PCCP破坏。要想减缓和防止PCCP的腐蚀，除首先控制混凝土的密实性外，可根据具体情况采用被动隔离法、电化学保护法及改变腐蚀环境等不同的防护措施，减缓管道腐蚀的发生。

4.1 选用耐蚀材料

减小水灰比、添加外加剂等会增加混凝土的抗渗性，同时控制好水泥砂浆保护层的强度和吸水率，可有效减少腐蚀性物质渗入和存留的机会。将普通水泥改用抗硫酸盐水泥等，是提高管道钢丝抗硫酸盐腐蚀能力的主要技术措施。

4.2 喷涂表面涂层

表面涂层是通过在管道混凝土和水泥砂浆保护层外增加一层屏蔽隔离层而起到保护管道作用的，由于混凝土的强碱性，防腐层的耐碱性是先决条件，其次是黏结力和耐蚀性。管道内防腐可选用环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、乙烯基树脂、氯化树脂等。环氧类涂料效果好，可较好地渗入混凝土内部，减缓混凝土碳化反应。管道外防腐可选用石油沥青、煤沥青和环氧煤沥青等进行防腐，必要时缠绕玻璃丝布等进行加强。管道的内外防腐应根据腐蚀环境合理确定防腐等级。

4.3 采用阴极保护

阴极保护是向被保护的预应力钢丝施加外部电流，使混凝土中预应力钢丝的电位向着减小氧化反应的方向偏移，从而减小钢丝腐蚀的速率。从腐蚀电化学理论来讲，只要控制金属电极电位比最小保护电位更负，就可停止金属腐蚀。但阴极保护电位也不可过负，过负且达到析氢电位时，将发生析氢反应，导致过保护破坏。

根据阴极极化电流来源的不同，阴极保护可分为外加电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护。前者是借助于一个外加直流电源和辅助阳极提供阴极极化电流，后者是借助于电位更负的金属或合金与钢丝电性偶合来提供阴极极化电流。

4.4 添加阻锈剂

钢丝的阻锈剂的种类很多，分为水剂与粉剂。应用较多的是以亚硝酸盐为主要成分的复合填加剂，其对海砂中氯盐有很好的阻锈效果。

4.5 减少杂散电流

若PCCP工作区段存在杂散电流时，钢丝会因干扰作用而产生电腐蚀，其速度相当快，应引起高度重视。通过相互影响的管线之间排流跨接、交叉处使用牺牲阳极、使用涂层及电屏蔽层等方法，可以有效地减少或消除杂散电流对管道的腐蚀。

4.6 阴极保护与表面涂层配套使用

表面涂层本身难免存在针孔、破损、漏涂等缺陷和自然老化现象，防腐效果是有限的，有条件的情况下还应采取阴极保护配套的防腐手段。阴极保护和表面涂层相结合，一方面阴极保护可防止表面涂层破损处产生点蚀，另一方面表面涂层可大大降低阴极保护所需的极化电流，并使管道表面的保护电位分布更均匀，获得更强的保护效果。

5 结语

科学合理、有效地做好PCCP的防腐工作，确保PCCP的使用寿命及工程运行安全，使PCCP工程真正成为社会所公认的高品质工程，是国内PCCP行业应值得关注的问题。同时，应该正确判定PCCP辅助防腐设置的必要性，否则会给工程造成不必要的浪费。

［美］比安切蒂R L．管线腐蚀控制［M］．吴建华，许立坤，译．北京，化学工业出版社，2003．

On PCCP corrosion and protection

ZHANG Qijun
(Shanxi Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Institute，Taiyuan 030024，China)

In the paper，practical experience of the author engaged in design and project consultation of PCCP water diversion pipeline projects is combined for introducing main corrosion mechanism and corrosion form of PCCP．Effective protection measures of PCCP are cited as examples，thereby providing reference for pipeline anti-corrosion design in similar PCCP water supply projects．

PCCP;corrosion mechanism;corrosion form;pipeline protection

TU991.38

A

1005-4774(2015)06-0073-03