预应力钢筒混凝土管的多重防腐蚀措施

何庆坤　邢士波　李同华

1.引言

预应力钢筒混凝土管（PCCP）是一种将高强度钢丝的抗拉，钢板的抗渗，混凝土的抗压，结合到一起的一种复合管材，是在1983年由法国的邦纳公司研制的。它不仅具有钢筋混凝土的耐腐蚀性特点及对水质污染小的特点，而且具有钢管的抗渗及高强度的特点。是一种被广泛应用的高品质输水管材。我们国家于20世纪80年代开始引进、生产该种管材。被广泛应用于跨区域输水，市政给排水、电力系统等多个领域。国内具有代表性的大型调水工程有：辽宁大伙房调水工程、万家寨取水工程、南水北调工程等。目前PCCP根据结构形式进行划分，主要分为：内衬式预应力钢筒混凝土管和埋置式预应力钢筒混凝土管。

2.PCCP的腐蚀

PCCP作为输水管道，其功能及材质的特性决定了其长期处于地下，与地下水、土壤、微生物等介质长期接触。其发生的腐蚀因其长期隐蔽于地下而不易被人们察觉，其腐蚀具有腐蚀速度较慢、一旦腐蚀破坏后果严重的特点。PCCP的腐蚀主要分为两种类型的腐蚀，一种是混凝土的腐蚀破坏，另一种是金属的腐蚀破坏。混凝土是一种具有多空隙的结构，当水、CO2等介质跑到这些空隙中时，就会与混凝土中所含有的Ca（OH）2进行反应，产生体积更大的CaCO3从而膨胀产生裂纹，此外盐碱土壤中含有大量的Mg2+离子，当Mg2+在一定条件下可与Ca（OH）2发生发应生成无凝胶能力的Mg（OH）2，也会造成混凝土的腐蚀破坏。PCCP产生破坏的最主要原因是其中金属材料的腐蚀破坏，包括预应力钢丝的腐蚀、钢筒的腐蚀、及承插口的腐蚀。电化学腐蚀是造成金属腐蚀的主要原因，包括宏电池腐蚀和微电池腐蚀。宏电池腐蚀是由于管线较长，不同区域土壤性质不一，长区域范围内存在较大的电位差，从而形成宏腐蚀电池，腐蚀原理如下：

PCCP管表面埋地土壤环境是腐蚀微电池强弱的主要影响因素。Cl-离子是造成金属出现腐蚀的最主要原因之一，正常情况下，钢筒及钢丝表面有一层致密的氧化膜，此氧化膜阻止了腐蚀的进行，当Cl-离子透过PCCP外层的混凝土层接触到金属时，产生的腐蚀产物会与未腐蚀的部分形成腐蚀电池，从而加速了腐蚀的进行，造成管材的破坏。

3.PCCP防腐蚀的多重措施

PCCP作为一种混凝土、钢丝、钢筒等材质组成的复合型管材，钢丝对混凝进行了强化，混凝土对钢丝进行了包覆，减少了钢丝钢筒与腐蚀介质的接触，其结构类型本身就是一种防腐蚀的设计。但是由于PCCP管的设计年限一般都超过50年，如果只靠钢筋混凝土本身很难达到设计年限50年以上的要求而不产生破坏。针对PCCP特点，对PCCP针对性的采取了以下防腐蚀措施。

（1）阴极保护。阴极保护是一种被广泛应用于钢筋混凝土防护的防腐蚀技术，于20世纪90年代中期被应用于预应力钢筋混凝土结构的防腐蚀保护，又被称为阴极防护。其工作原理是向混凝土内部的金属（钢筋、钢筒等）施加阴极电流，在外加电流的作用下，金属表面发生阴极极化，形成了一种钝化状态，从而抑制了腐蚀的发生。相关研究表明，对于造成金属腐蚀的最要因素Cl-离子，阴极保护可以起到很好的抑制作用，阴极保护可以阻止Cl-离子向金属表面的移动，阴极保护并不是电流越大越好，过大点电流会会导致金属特别是预应力钢丝发生氢脆，电流过小，则起不到很好的保护作用。因此在进行阴极保护的过程中，要根据每段工程的实际情况，进行研究设计，选择合适的阴极保护参数。（2）涂层保护。混凝土的多空隙结构形式，不可避免的腐蚀介质可以通过这些空隙进入到混凝土内部，对里面的预应力钢丝及钢筒造成腐蚀，产生腐蚀破坏。为了阻挡PCCP外部土壤中的腐蚀介质进入到PCCP内部造成腐蚀。通常采用在混凝土外部的砂浆保护层上喷涂涂料，形成一个隔离层，阻止各种介质进入到混凝土中，避免混凝土的破坏和金属的腐蚀。这就要求这种涂料具有较好的耐腐蚀性、耐水性、寿命长久、附着力强等性能。常用的品种有：水溶性环氧、聚氨酯、环氧煤沥青等。涂层一方面对管材进行了保护，另一方面也对刚才存在的缺陷进行了遮挡。（3）内衬保护。Gerwick等人最早提出了通过混凝土管内壁做PVC衬层的防腐方式，随后，科研工作者提出了多种内衬保护形式。其一是在混凝土管芯浇筑前，将带有T型键或者菱形键的PVC片材通过预焊做成筒状，然后套至PCCP浇筑内模上，浇筑混凝土形成内衬PVC衬层的管芯，从而通过此种管芯制作成具有很好内防腐性能的内衬PVC管。此种防腐蚀方式具有施工方式简易、原料相对低廉，抗渗性好、材料稳定诸多优点。（4）承插口喷镀锌合金保护。根据原电池原理分析表明：Zn的电位为-0.763mV，Fe的電位为-0.440mV，O的电位是1.4mV，因此电化学位差相对更大的锌氧之间更容易形成原电池，因此当在承插口表面喷涂锌合金时，就会对钢承插口形成很好的防腐蚀保护作用。此外，土壤环境中，锌会与土壤中的碳酸盐物质反应形成不溶性的碳酸锌化合物，从而在金属锌表面形成一层致密养护膜，阻止腐蚀的进一步进行。（5）其它防腐蚀措施。PCCP作为一种复合型管材，其结构的多样、安装地土壤环境的多样性导致了PCCP的腐蚀原因的多样性，土壤环境的酸碱度、含水率、离子含量等多种因素都会对PCCP造成不同的腐蚀影响，这就需要针对不同的使用环境及安装环境进行PCCP的防腐蚀设计。其它的防腐蚀设计有在保护砂浆中添加钢丝防锈剂，减缓钢丝的修饰速度；采取措施改变管道外部的土壤环境；采用环氧树脂涂层的方法进行防腐等多种方式。

4.PCCP管防腐还存在的问题

对于埋地的PCCP，钢材的防腐往往是人们关注的地方，而忽视了对混凝土腐蚀的考虑。金属外表面的混凝土层使钢丝、钢筒与外部环境处于一种隔绝状态，并且其碱性环境使金属表面钝化，更有效的保护金属免受腐蚀。然而在一些特殊土壤环境中，混凝土也会发生侵蚀、粉解，特别是钢丝外层的砂浆保护层，如若破坏，就会至使预应力钢丝裸露于环境之中，加速钢丝的腐蚀，最终导致管体的破坏、失效。

总结

PCCP作为输水管道在国内已得到了广泛的使用，在二十多年的使用过程中，不乏出现爆管的报道出现，如何确保其经济性又同时确保其安全性，成为了科研工作者不断研究的方向，而做好管道的防腐保护就是确保其长久性的关键所在。这就要求从业人员通过不断的开发、改进PCCP的防腐工艺、提高其产品性能，延长使用寿命，PCCP必将为我国的经济建设和国民生活水平提高做出更大贡献。

（作者单位：山东龙泉管道工程股份有限公司）

作者简介

何庆坤，男，1988年生，汉族，硕士学历，莒县人，山东龙泉管道工程股份有限公司新材料工程技术研究院院长助理。