大型输水工程PCCP管道阴极保护浅析

宋　放

(辽宁省大伙房水库输水工程建设局， 沈阳　110166)

大型输水工程PCCP管道阴极保护浅析

宋放

(辽宁省大伙房水库输水工程建设局， 沈阳110166)

【摘要】长距离输水工程PCCP管道防腐措施得当是工程安全运行及长期使用的重要保证。本文重点介绍了管道防腐中最常用也是最重要的措施——阴极保护在大伙房水库输水工程中的应用。

【关键词】预应力钢筒混凝土管； 防腐措施； 阴极保护； 输水工程

1引言

辽宁省大伙房水库输水工程是“十五”期间重点工程项目，该工程从辽宁东部山区取水，通过隧洞及管线输配至辽宁中南部七座城市，年供水量达17.86亿m3。其中，二期工程刘山村隧洞出口至海城牛庄段为PCCP管道。对于长期埋设于地下的管道，尤其在土壤氯离子含量较高的环境下，管道受电化学腐蚀的影响极大，阴极保护作为抵御电化学腐蚀的有效方法在多个工程中得到了应用。

2防腐段的划分

在输水管道施工前期，按照土壤、地下水、电阻率等参数指标划分多个防腐段，充分掌握工程沿线水质及土壤含氯量等参数，针对不同的防腐段采取不同的防腐措施。下页表列出了输水工程防腐系统比较典型的第七安装标段防腐段划分情况，其余标段类同。

该工程实施前，国家并无相关的标准规范可遵循，因而参考了多篇国外相关资料，例如：美国混凝土压力管道协会的《混凝土管道面层防腐技术》、美国水工协会标准《混凝土压力管道手册M9》、美国侵蚀工程西部协会和国家协会的《关于预应力钢筒混凝土管在侵蚀环境下使用的建议》等。这些文献主要针对土壤电阻率及含氯量两个参数指标给出了相关措施建议，虽然定量标准有差别，但相同之处为： 管道埋设在干湿交替频繁的地区、土壤电阻率在15Ω·m以下，且含氯化物环境时，除常规的提供钝化环境外，应采用外涂防腐层或电连接监测实施阴极保护。参考国家《岩土工程勘察规范》，当土壤中的氯离子含量小于250ppm时，判断其对混凝土中的钢筋无腐蚀作用。综合国内外标准，结合PCCP安装段的腐蚀环境特点，采用的防腐标准为：

第七安装标段防腐段划分表

a.当土壤电阻率在20Ω·m以下且地下水或土壤中氯离子含量不小于250ppm时，PCCP外覆涂层隔绝防腐，并施加牺牲阳极的阴极保护。

b.当土壤电阻率不大于20Ω·m时，PCCP施以电联结，并采用牺牲阳极保护。

c.当20Ω·m<土壤电阻率≤50Ω·m时，PCCP施以电联结，埋设连接阳极电缆，每隔500m设置腐蚀监测桩。

d.当土壤电阻率大于50Ω·m时，PCCP仅施以电联结。

3阴极保护设计

3.1保护方法和采用材料

经对国内外工程实例的调查和了解，综合考虑该工程情况，设计采用锌合金牺牲阳极材料。这是由PCCP管道的特殊性所决定的，因保护的对象是预应力钢筋，如电位过负达到-1.10V，将产生析氢，而镁阳极比重小、电位负，对钢的驱动电压较大，所以保护PCCP管应慎用镁阳极。同时，为了保证牺牲阳极输出电流稳定，提高阳极电流效率，降低阳极接地电阻，持续维持阳极的活性，锌阳极周围一定要填加严格按比例配成的填充料，需用锌阳极专用填充料。

3.2保护参数选取

相关资料显示，土壤中氯离子的含量越高，所需保护电流密度越大。由上述可知，对全线PCCP管实施阴极保护，土壤腐蚀性较严重的PCCP管段施加涂层保护。对于没有涂层保护的区域，设计最小保护电流密度为0.6mA/m2，对于有涂层保护的区域，设计最小保护电流密度为0.2 mA/m2。

除保护电流密度外，保护电位也是判断阴极保护效果的一个重要参数。一般对于新建优质混凝土构件，最小保护电位可取-0.50V(CSE)；对于环境腐蚀性恶劣，尤其是氯离子含量高的土壤环境，最小保护电位可取-0.71V(CSE)；对于破损严重、钢筋已外露的钢筋混凝土构件可按钢结构对待，即最小保护电位可取-0.85V(CSE)。通常钢筋混凝土的自然电位较正，约为-0.2～-0.3V(CSE)，若采取普通钢的保护电位参数-0.85V(CSE)投入较大，对于该工程所用管材显然是不经济的，其他保护电位参数的选取没有形成标准或规范，不能作为执行依据。在《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》石油工业部标准中有一条 “管道极化电位差达100mV以上”的标准可以作为良好保护效果的判据，该工程以此作为依据。

4设计计算

4.1计算思路

确定保护参数后，计算过程相对简单，即核准PCCP管道的实际保护面积，由最小保护电流密度得出单根PCCP管道的保护电流，用单支阳极发生电流除以单根PCCP管道的保护电流即得出保护单根PCCP管道所需阳极数量，而单支阳极发生电流是已知的。最后计算阳极寿命。

4.2单根PCCP管道的保护面积及保护电流

PCCP管材是将带有钢筒的高强度混凝土管芯缠绕预应力钢丝，喷以水泥砂浆制成，采用钢制承插口，同钢筒焊在一起。由此可见，PCCP管线保护的主要对象为缠绕在PCCP管外侧的预应力钢筋和管内层的钢套筒，另外还有承插口钢环和预埋连接钢带的面积需计入保护面积。

该工程采用的PCCP管材有DN3200和DN2400两种口径，根据覆土深度和内部设计压力的不同设计了四种壁厚，分别为155mm、180mm、220mm、290mm，各管段的预应力钢筋设计不同，预应力钢筋保护面积也不同。参考美国水工协会标准《混凝土压力管道手册M9》，对钢筒表面积进行近似计算，最终得出单根DN3200管预应力钢筋保护面积为50m2、DN2400管预应力钢筋保护面积为45m2。由此可计算出保护电流，在无涂层情况下，单根DN3200管保护电流为0.03A，单根DN2400管保护电流为0.027A；在有涂层情况下，单根DN3200管保护电流为0.01A，单根DN2400管保护电流为0.009A。

4.3单支阳极发生电流及所需阳极数量

单支阳极发生电流主要与阳极自身的规格型号有关。该工程PCCP管道保护采用棒状锌合金阳极，阳极发生电流可简单按照欧姆定律计算，即阳极驱动电压除以阳极接地电阻，阳极接地电阻R可按公式(1)计算：

(1)

式中L——填料包长度，m;

D——填料包直径,m;

ρ——土壤电阻率,Ω·m。

经计算R=8.2Ω。

阳极驱动电压为0.5V，因此，得出单支阳极发生电流量If=0.5/8.2=0.06A。

单根PCCP管阳极所需数量可按公式(2)计算：

(2)

式中N——阳极数量;

I——所需保护电流；

If——单支阳极输出电流。

通过上式可以得出如下结论：

当PCCP管道无涂层保护时，一支阳极可保护两根DN3200管；一支阳极可保护两根DN2400管。

当PCCP管道有涂层保护时，一支阳极可保护六根DN3200管；一支阳极可保护六根DN2400管。

4.4阳极使用寿命计算

该工程要求PCCP管和钢管的阴极保护设计寿命为25年，通过公式(3)可对阳极使用寿命进行计算：

(3)

式中Y—— 阳极使用寿命;

Q——阳极实际电容量,A·h/kg;

G——每只阳极净重量,kg;

1/K——阳极利用系数;

Im——阳极平均发生电流,mA;

If——阳极发生电流。

其中，Im=0.7If

可以得出阳极使用寿命Y=25年，满足设计要求。

5阳极安装

按照规范，牺牲阳极的安装分为安装前准备、阳极埋设、阳极与被保护体连接、阳极床浇水、阳极床回填等步骤。该工程阳极安装遵循上述步骤，需要注意的有以下几点。

a.牺牲阳极安装前用砂纸将阳极表面打磨干净。

b.阳极须沿轴向水平安装于管道侧面。

c.阳极埋设位置距管道外壁以不小于1.0m为宜，埋设深度应低于管中心位置。

d.采用电焊或铜焊与PCCP管承插口处预制的钢板牢固连接。

6远程监测系统

阴极保护系统在输水工程中属于隐蔽工程，人们很难从直观上了解埋入地下系统的工作情况。对于工程管理者而言，随时随地掌握管道腐蚀情况、阴极保护系统的工作状况，是管好工程、用好工程的重要手段，而通信技术的迅猛发展使远程监测成为可能。

6.1系统组成及监测内容

在PCCP管道沿线共设置10套综合监测装置。该装置主要由电源系统、数据采集系统、数据传输系统组成，为对腐蚀环境进行测定还装有传感器单元。监测的主要内容包括： PCCP管保护电位、牺牲阳极输出电流、PCCP管周围的环境温度、PCCP管混凝土电阻率、氯离子浓度以及预应力钢筋的腐蚀速度和自腐蚀电位等。

6.2管道保护电位及阳极输出电流监测

PCCP管电位的日常监测由6支参比电极组成的一组电位测试点提供信号。6支参比电极均匀分布在PCCP管圆周上，距离圆柱体外表面大约300mm。推荐采用二氧化锰参比电极。

PCCP管保护电流的日常测量通过监测柱上采样电阻的电压获得，监测柱用直径125mm的钢管制作，预计钢管长度约为1600mm，埋设的监测柱高出地面500mm以上。监测柱上部末端采用内部加强筋，以支撑终端板。

6.3腐蚀环境监测

腐蚀环境监测主要通过混凝土测试桩实现。混凝土测试桩埋设在管道的中间深度，且安装在距离管道的外表面1～1.5m之间的位置。在监测柱附近，安装一个混凝土试验测试桩。见混凝土测试桩位置图。

混凝土测试桩位置图

混凝土测试桩内部埋设两组腐蚀监测传感器。一组是由预应力钢筋、不锈钢钢筋和参比电极组成的电化学腐蚀测量三电极探头，通过恒电量脉冲方法(CPM)测量不受阴极保护的预应力钢筋的腐蚀速度和自腐蚀电位；另一组传感器为ECI-1型腐蚀监测探头，通过ECI-1探头，可以监测获得氯离子浓度、混凝土电阻率、极化电阻、温度和开路电位。

6.4数据的远程传输

数据在远程传输之前，须将模拟信号转换为数字信号，然后通过传输系统传送至远程的数据终端进行数据处理。数据远程传输可采用多种形式，光缆、电话线、GMS和GPRS均可。该工程采用GPRS作为传输方式。

6.5数据终端

数据终端上的监测和评估软件基于中文Windows平台。监测软件由测量设置、数据浏览、数据分析、外接程序等部分组成。管理者可以方便地收集数据、查看历史数据和浏览实时数据。

7结语

PCCP管道的阴极保护在国内应用较少，本文所述阴极保护系统已在辽宁大伙房水库输水工程应用五年时间，目前系统运行状态及防腐效果良好。

参考文献

王自本.PCCP阴极保护应注意的问题[J].山西水利科技,2008(4):29-30.

中图分类号：TV672+.2

文献标志码：A

文章编号：1005-4774(2015)04-0061-04

On large-scale water conveyance project PCCP pipeline
cathodic protection

SONG Fang

(LiaoningDahuofangReservoirWaterDiversionProjectConstructionBureau,Shenyang110166,China)

Abstract：Proper corrosion-proof measures in long-distance water conveyance project PCCP pipeline is important guarantee to safe operation and long-term service life of the project. In the paper, application of the most common and most important measure in pipeline corrosion prevention—cathodic protection in Dahuofang Reservoir Water Conveyance Project is mainly introduced.

Key words：pre-stressed steel cylinder concrete pipes; anti-corrosion measures; cathodic protection; water conveyance project