谈埋地输水PCCP管道外防腐措施的重要性

刘 雪 飞

(中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176)

谈埋地输水PCCP管道外防腐措施的重要性

刘 雪 飞

(中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176)

从水泥砂浆层腐蚀破坏与钢骨腐蚀破坏两个角度分析了埋地输水PCCP管道腐蚀的主要原因，对PCCP的防腐措施进行了探讨，提出了改善水泥砂浆和混凝土品质、涂覆外防腐层、阴极保护等措施，指出PCCP管道多用于大型输水工程，管径大，输水量高，提高其运行的耐久性与安全性至关重要。

PCCP管道，腐蚀，破坏，重要性

预应力钢筒混凝土管简称PCCP，是在带有钢筒的混凝土管芯外侧缠绕环向预应力钢丝并用水泥砂浆作保护层而制成的管材。从结构设计上来看，较薄的管芯钢筒主要起防水层作用，预应力钢筋则在管芯内部产生均匀的预压应力，以抵抗由内压和外荷载在管芯内引起的拉应力，是管道承受内外压力的核心；最外侧的水泥砂浆层厚度一般为20 mm，主要作用是保护预应力钢筋，使其免受碰撞损伤和外界腐蚀。

PCCP因其管材组成特性，具有抗渗性高、承受内外压力能力强、接头密封性好、施工便捷、经济寿命长等特点，是国家《中国节水技术政策大纲》在大口径(DN>1 200 mm)供水管网中优先推广的新型管材。也因为PCCP的结构特点，外界普遍认为在不加内外防腐措施的情况下，除非环境恶劣，PCCP的常规使用寿命均能达到50年，甚至更久，但根据国外的实际运行经验，管道破坏常发生在建成后15年～20年左右，而使用十余年或更短时间就发生爆管的案例也并不鲜见。

研究表明，PCCP管道损坏的主要原因是预应力钢筋的断裂，当预应力钢筋发生腐蚀断裂后，会导致断丝对应区域的管芯混凝土损伤开裂，并降低PCCP管的承载性能，在管道内水压力的作用下，加剧钢筒和钢丝层的腐蚀，易造成爆管等严重后果，危害PCCP的稳定运行。因PCCP多应用于大型输水工程，管径大，输水量高，一旦发生爆管，造成的经济损失巨大，后果严重，故提高PCCP运行的耐久性和安全性至关重要。

1 PCCP的腐蚀分析

按照腐蚀对象分类，PCCP的腐蚀可分为对混凝土或水泥砂浆的腐蚀和对钢骨架的腐蚀等。钢骨架包括预应力钢筋、钢筒和承插口钢环等。PCCP自身对钢骨架的保护主要是通过管芯混凝土和最外侧的水泥砂浆保护层实现的，管芯混凝土和水泥砂浆保护层不仅将钢骨架与外界隔绝，而且提供碱性环境使钢骨架表面形成稳定的钝化膜，从而使其不受锈蚀。在输水应用中，除了输送有腐蚀性的污废水会对管芯混凝土产生腐蚀影响，需采取内防腐措施外，原水和清水对混凝土几乎无腐蚀性，因此，对PCCP管道钢骨架的腐蚀通常是地下水或周围土壤通过侵蚀最外层的水泥砂浆，将腐蚀介质扩散或渗透至钢骨架后完成的，而预应力钢筋紧挨着水泥砂浆层，最易受到腐蚀。

经分析，造成PCCP内部的预应力钢筋腐蚀的原因主要有以下几个方面：

1)水泥砂浆保护层遭受腐蚀破坏，自身pH值下降，使预应力钢筋丧失碱性环境，破坏钝化状态，造成钢筋腐蚀。

2)因外力或内力作用，水泥砂浆层开裂，外部腐蚀物质直接与钢筋接触，造成钢筋腐蚀。

3)管道接口处理不当，或在使用过程中发生较大偏移，导致接口处钢材外露，造成钢筒及钢筋的腐蚀。

1.1 水泥砂浆层腐蚀破坏分析

1)水泥砂浆层腐蚀破坏分析。

造成PCCP最外侧的水泥砂浆层腐蚀破坏的原因主要有碳化反应、氯离子腐蚀、硫酸盐腐蚀、溶出物腐蚀等。

碳化反应：水和空气中的二氧化碳等酸性物质在水的参与下和水泥砂浆中的Ca(OH)2反应，生成CaCO3，导致水泥砂浆pH值下降，钢铁表面钝化膜不稳定甚至消失，遇氧生锈，生锈后的钢铁体积膨胀，膨胀力会导致水泥砂浆开裂，开裂处的钢铁会加速腐蚀，最终导致水泥砂浆层脱落和钢筋的腐蚀断裂。

氯离子腐蚀：Cl-渗透到水泥砂浆中与其主要成分3CaO·2Al2O3·3H2O发生反应，产生易溶的CaCl2，造成水泥砂浆的破坏。Cl-同时也会破坏钢铁表面的钝化膜，加速钢铁的电化学腐蚀。

硫酸盐腐蚀：硫酸盐与水泥砂浆中的Ca(OH)2反应，生成CaSO4，反应生成物体积增大，造成水泥砂浆开裂和粉化，与水泥砂浆中的铝酸三钙起反应，生成白色糊状带大量结晶水产物，使水泥砂浆松散、开裂和粉化，硫酸盐和氯化物还会在混凝土孔隙中结晶，盐晶体积增加，也会造成水泥砂浆的膨胀和粉化。

溶出性腐蚀：水中的矿化物和阴阳离子与水泥砂浆中的一些难溶物质发生反应，产生易溶物和微溶物，被水带走，造成腐蚀破坏。

2)导致水泥砂浆层开裂的内外力分析。

导致水泥砂浆层开裂的外力主要有：管道运输或吊装过程中的震动、碰撞，冻融破坏等。

导致管芯混凝土和水泥砂浆层开裂的内力主要有：因管道内压过高产生的膨胀力导致内筒混凝土和水泥砂浆层变形，或因管道制作过程中钢筒圆整度不够，在进水加压后因内水压力和环向力作用使钢筒重新调整圆弧度，导致管芯混凝土和水泥砂浆层开裂等。

3)接口腐蚀破坏分析。

PCCP接口采用承插口钢环与橡胶圈密封形式，承插口钢环与钢筒焊接连接，在实际工程应用中，埋地段PCCP管多采用水泥砂浆灌注、填缝密封的接口处理方法。这种接口方式属于半柔性接口，一旦管道发生位移，极有可能导致水泥砂浆填缝发生开裂，使钢环接口暴露在土壤中。

1.2 钢骨架腐蚀破坏分析

造成埋地钢材腐蚀的原因主要有：土壤腐蚀、杂散电流腐蚀和微生物腐蚀等。

土壤腐蚀：基本上属于电化学腐蚀，因为土壤含有水分、少量酸、碱和其他盐类，是一种复杂的电解质，与埋地钢材接触后，形成腐蚀电池。

杂散电流腐蚀：地下杂散电流对钢材的腐蚀作用，也属于电化学腐蚀范畴，杂散电流的来源包括电气轨道、变电站、电解工厂直流电源、阴极保护设施等。

微生物腐蚀：土壤中一些微生物的活动对钢材有侵蚀作用，如硫酸盐还原细菌等，可促进钢材的腐蚀进程。

可见，对于埋地的PCCP，一旦外侧的水泥砂浆保护层发生腐蚀或开裂，均会直接造成管道内部的预应力钢筋的腐蚀，从而影响管道的安全性和耐久性，威胁管道的正常运行。

2 PCCP的防腐措施

PCCP的防腐措施主要包括内、外防腐两部分，其中，管道内防腐的主要目的是改善水力条件和防止输送流体对管道由内而外的侵蚀作用，方法主要是在管道内侧涂覆内防腐层，本文对此不做重点讨论。管道外防腐的主要目的是为了抵御地下水、土壤等外界环境对管道由外而内的侵蚀作用，方法主要有改善水泥砂浆和混凝土品质、涂覆外防腐层、阴极保护等。

2.1 改善水泥砂浆和混凝土品质

改善水泥砂浆和混凝土品质的目的是降低水泥砂浆和混凝土的孔隙率和渗透性，提高抗碳化能力和抗腐蚀能力，方法主要有：改善水泥品质提高其自身致密性，针对土壤的腐蚀因素添加防腐蚀添加剂等。

2.2 涂覆外防腐层

在管道外侧涂覆外防腐层的目的是对水泥砂浆外表面进行封闭，隔绝水泥砂浆与水、土壤等腐蚀物质的接触，阻隔腐蚀介质的渗入和留存，减缓或防止腐蚀的发生。涂覆外防腐层还可降低管道因吊装、碰撞、冻融破坏等造成的损伤，达到保护管道的作用。防腐涂料主要有环氧煤沥青等。

2.3 阴极保护

阴极保护的目的是直接保护预应力钢筋和钢筒，是对钢骨架最直接有效的防护方式。主要措施是将管体之间的钢筒和预应力钢筋端面用导线连接在一起，采取牺牲阳极的方式对管道进行保护。

目前，国内常用的外防腐措施是涂覆外防腐层和阴极保护，一般采用单独涂覆外防腐层或两者联合防护的措施，具体应用时应根据实际工程环境和工程的重要性来确定。

3 PCCP防腐的重要性

对于埋地管道，人们根据经验，往往重视钢材的防腐，而忽视混凝土的防腐，认为混凝土就是最有效的防腐层。同样的，也认为PCCP中的管芯混凝土和水泥砂浆层就是预应力钢筋和钢筒的天然防护卫士，不仅能有效阻隔了钢材与外界的接触，还制造碱性环境使钢材表面生成稳定的钝化膜，是PCCP长效使用运行的有力保障。但是，根据GB/T 19685—2005预应力钢筒混凝土管基本尺寸标准，保护预应力钢筋的水泥砂浆层厚度仅20 mm，远小于管芯混凝土的厚度，而大口径PCCP自重往往很大，在运输、吊装和堆放过程中很难保证不会损伤位于管道最外侧的水泥砂浆层，埋地敷设后，较薄的水泥砂浆层对土壤、地下水、空气等腐蚀物质侵蚀的抵御能力也很有限，一旦产生裂缝，对预应力钢筋的影响往往是致命的，可以说，管道的破坏有时等同于出现裂缝，因此，我们应该重视PCCP的外防腐，在微腐蚀、中腐蚀或重腐蚀的条件下均采取必要的防腐蚀措施。

4 结语

我国生产、使用PCCP较晚，因为使用年限不长，到目前为止管道破坏的报道还比较少，但是，鉴于国外应用过程中所发生的重大事故，以及PCCP所参与工程的重要性，我们应足够重视PCCP管道的防腐问题，而不是盲目信仰混凝土和水泥砂浆是钢材的天然防腐层，应认识到PCCP失效后的严重后果，遵循预防为主、防护结合的原则，确保PCCP正常运行的稳定性和安全性：

1)重视对管材生产过程的质量监控和后期养护。

2)根据土壤环境条件、腐蚀介质的性质、腐蚀性等级等对PCCP进行管道腐蚀分析并进行防腐蚀设计。

3)在输水设计时也应采取有效的防水锤措施，避免瞬时骤增或骤降的内水压力对管道的冲击。

4)管道在运输、吊装、堆放、施工下管过程应严格按照相关要求执行，脆性的水泥砂浆层一旦产生裂纹，必须及时修复，避免成为管道产生裂缝和发展裂缝的诱因。

[1] GB/T 19685—2005，预应力钢筒混凝土管[S].

[2] CECS 140∶2011，给水排水工程埋地预应力混凝土管和预应力钢筒混凝土管管道结构设计规程[S].

[3] GB 50476—2008，混凝土结构耐久性设计规范[S].

[4] 张 炼，冯洪臣.材料延寿与可持续发展——管道工程保护技术[M].北京：化学工业出版社，2014:39- 43.

[5] 沈之基，郑小明.美国PCCP管的失效及对中国给水管道应用的警示[J].水利规划与设计,2014(10):1-5.

[6] 张金承，许高胜，唐 虎.某供水工程PCCP管道爆管原因分析[J].给水排水，2012(3):97-99.

[7] 邢士波.PCCP管材中预应力钢丝腐蚀分析与探讨[J].中国高新技术企业，2013(19):45-57.

[8] 李金瑞，胡孝民，杨铁占.在寒冷地区存放使用预应力钢筒混凝土管易被忽视的问题[J].混凝土与水泥制品，2013(10):28-30.

On importance of external corrosion prevention measures of buried water-supply PCCP

Liu Xuefei

(MCCCapitalEngineering&ResearchIncorporationLimited,Beijing100176,China)

From the corrosion damage of cement and sand layer and steel corrosion damages, the paper analyzes the main reasons for buried water-supply PCCP pipeline corrosion, explores PCCP corrosion prevention measures, points out measures to improve the cement mortar and concrete quality, coat external corrosion prevention layer, and cathodic protection, and points out PCCP pipeline can be used in large-scale water-supply project with larger pipe diameter and higher water supply volume, so it is important to improve the durability and safety.

PCCP pipeline, corrosion, damage, importance

1009-6825(2015)07-0116-02

2014-12-15

刘雪飞(1980- )，女，工程师

TU991.36

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