阴极保护在PCCP管道防腐中的应用

陈丽 谭新明

摘 要：预应力钢筒混凝土管（PrestressedConcreteCylinderPipe，简称PCCP）长期埋设在土壤中，PCCP中的钢构件不可避免地会发生电化学腐蚀，必须对其采用有效的防腐措施。实践表明，阴极保护是最佳防腐的方法，可以有效地解决PCCP的腐蚀问题，延长管道的使用寿命。文章主要对阴极保护在PCCP防腐中的应用进行探讨。

关键词：PCCP；阴极保护；管道防腐；复合输水管材

1概述

PCCP是目前世界上使用非常广泛的大口径的优质复合输水管材，具有适用范围广、抗震性能好、安装方便、运行费用低、经济寿命长、基本不漏水等优点，近年来逐渐被应用于供水、引水、污水处理、电厂循环水等各种管线。虽然PCCP管道外层的水泥砂浆保护层对高强钢丝提供一定的保护作用，但在某些土壤环境中氯离子等活性离子的作用下，由于高强钢丝的腐蚀有可能导致PCCP爆管事故的发生，阴极保护能从根本上抑制高强钢丝的各类电化学腐蚀。近年来，国内外已陆续采用阴极保护技术防止或修复PCCP的腐蚀。因此，阴极保护在PCCP防腐中的应用具有重要意义。

2PCCP在土壤中的腐蚀及影响土壤腐蚀的因素

对于金属材料来说，在自然环境中不可避免地会产生腐蚀。腐蚀是金属与其环境作用而遭受破壞的现象，埋设在土壤环境中的PCCP的腐蚀主要是电化学腐蚀。

2.1微电池和宏观电池引起的土壤腐蚀

土壤腐蚀电池大致可分为腐蚀微电池和腐蚀宏电池两类：

（1）腐蚀微电池是因埋地PCCP管表面状态的影响，是由于氧电极反应的平衡电位与PCCP中金属电极反应的平衡电位之差而形成导致的腐蚀电池。

（2）腐蚀宏电池是因土壤性质差异引起的腐蚀电池。埋地PCCP经过物化性质差异很大的土壤时，可以形成较大的电位差，形成腐蚀电池。反应式如下：

阳极上的氧化反应：Fe→Fe2++2e（阳极区）

阴极上的还原反应：2H++2e→H2↑（酸性溶液中）

O2+4H++4e→2H2O（阴极区）

总的电化学反应式：O2+2H2O+4e→4OH-

2.2杂散电流引起的土壤腐蚀

所谓杂散电流通常是指在大地中做无规律性移动的电流，杂散电流腐蚀是由杂散电流引起的电化学腐蚀，其腐蚀程度受外部电流极性和大小的影响，比一般土壤腐蚀激烈得多。产生杂散电流的设备有电气轨道、变电站、电解工厂直流电源、阴极保护设施等。

2.3土壤中微生物引起的腐蚀

在缺氧的土壤中，如密实、潮湿的粘土处，金属腐蚀过程似乎难以进行，但这种土壤条件却有利于某些微生物的生长。土壤微生物的新陈代谢产物也会加速腐蚀。常常发现，因硫酸盐还原菌（厌氧菌）和硫杆菌的活动而引起金属的强烈腐蚀。

3阴极保护技术在PCCP管道的应用

阴极保护技术是对PCCP管道保护的重要技术之一，阴极保护技术是电化学保护技术的一种，阴极保护就是使被保护的金属电位负移，发生阴极极化，称为电化学体系中的阴极受到保护的电化学保护方法。阴极保护可以防止环境介质（土壤、海水、淡水、化工产品）的电化学腐蚀，对点蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、晶间腐蚀、杂散电流、细菌等腐蚀作用有很好的防止作用。

4阴极保护技术的原理及电流分布规律

保护能提升输油埋地管道的使用寿命，减少其他化学物质的腐蚀性，进而达到维护管道安全的作用。以下将对阴极保护技术原理及电流分布规律进行分析。

4.1阴极保护基本原理。保护技术是通过向被保护的钢质管道通以足够的电流，保证管道表面产生阴极极化，达到减少将钢质管道土壤腐蚀性电位差，将腐蚀电流降到最低，达到保护的作用。

在腐蚀电流的作用下，金属表面阳极不断被溶解，发生腐蚀性破坏。此时对技术进行阴极保护，施加阴性电流，保证金属自腐蚀性电流向负方向移动，当金属总电位移到Ep时，所需要的极化电流为Ic。在实践中阳极溶解的电流小于Icor，说明金属表面得到保护，外部阴极电流逐渐增多，金属电位变为负值，腐蚀电流变为零，此时外加电流达到保护中所需的电流。

4.2管线外加电位及电流分布规律。稳流电场理论分析阴极保护系统的各个电流，根据稳流电场理论推导并验证了罐底保护电位和距离中心比率。在实践过程中根据比率确定多个检查法，分别为一点法、二点法、多点法，该技术被应用于阳极位置及罐底中心保护中，方法简单实用。首先要确定阴极保护系数。

4.2.1最小保护电位。阴极保护时，金属表面得到完全的电位值为最小电位，达到有效保护为合理保护值。当被保护的金属阴极电位与其他腐蚀性电池阳极初始电位一致，金属表面腐蚀才能完全停止。在实践中为了保证保护程度及保护效率，要将电位保护范围控制在合理范围中，金属在保护电位下仍然可以以匀速进行腐蚀。不同金属和合金的腐蚀产程度不同，因此需要根据不同金属的特性确定电位值。

4.2.2最小保护电流密度。在阴极保护中，被保护结构达到最小保护电位时，对应的保护电流密度成为最小保护电流密度。最小电流密度的数值收到多种因素的影响，例如金属表面状态、环境条件、及技术种类等，因此需要在实践中根据构件的类型及材质确定电流的保护密度。

5阴极保护在PCCP管道应用的条件及注意事项

阴极保护在PCCP管道应用的过程中，应具备的条件有：腐蚀介质是否导电，以便建立起连续的电路；被保护金属在所处介质中要易于进行阴极极化，否则耗电量大；要保证保护构筑物系统间的电连续性；一些不安全因素必须考虑。

下面就PCCP管道阴极保护在工作环境的分析、设计、施工方面以及阴极保护对PCCP制造方面等应注意的事项做简要的说明：

首先是土壤环境与水的取样分析。在PCCP制造与安装施工前应对其工作环境的土试样及水试样做取样分析，对取样地点及取样量的多少都要有准确的记录，并尽快地送至实验室进行试样分析试验，以便确定环境对PCCP的腐蚀性范围及种类。

其次是如何设计阴极保护的准则、技术指标、参数选取、材料选取和保护方法，通常是通过分析腐蚀性范围及种类并参照标准进行设计选择。

再次是阴极保护施工前应注意的问题。在使用牺牲阳极阴极保护法的情况下，安装阳极之前，先要对阳极表面进行检查是否存在油污及氧化物，如果有要处理干净。然后将阳极与特定组分和尺寸的化学填充料装入包中（阳极在包的中央，被化学填充料紧密包裹）置于阳极沟中（如果条件允许，阳极周围填充的化学填料应加入足量的水进行浸泡），再覆盖一定厚度的土层保护安装好的阳极，但是土层的厚度不能影响PCCP的敷设，并禁止向坑内回填砂石、水泥块、塑料等杂物。

最后是阴极保护对PCCP制造与安装的要求说明。PCCP内部的钢筒、承插口钢环、预应力钢丝等钢结构物都应该进行电连接；在阳极电缆的埋设、PCCP的埋设、防腐覆盖层的电绝缘性、控制保护电位、绝缘的保护、混凝土与砂浆质量、钢丝缠绕质量、避免杂散电流的流入、对于复杂构筑物要考虑其几何上的屏蔽作用防止电流的不均匀性、阳极电缆与PCCP管道的焊接质量以及PCCP管线的定期检测和维修等方面也需要特别注意，这将有利于整个PCCP管道的建设和运行。

结语

近年来，我国对水利建设的投资越来越大，最明显的例子就是南水北调工程。在工程中应用最多的管材就是PCCP，但是作为埋设在土壤环境中的PCCP，随着使用时间的延长发生渗漏甚至爆管的可能性越来越大，给管道系统的安全运行造成隐患，而阴极保护能从根本上抑制各类电化学腐蚀。采用阴极保护，可大大提高PCCP的耐久性、安全性和可靠性，降低运行管理中的维修费用，增加管道的有效利用率，大大延长了管道的使用寿命。本文主要针对阴极保护在PCCP管道中的应用进行了初步的分析，相信对同类工程的实际应用有所借鉴。

参考文献

[1]王川江.双侧交互式阴极保护技术在PCCP管道防腐中的应用[J].中国给水排水，2014，30（15）：92-94.

[2]郭永峰，杨进新，王东黎.南水北调中线工程PCCP管道阴极保护防腐技术探讨[J].特种结构，2009，26（02）：109-113.

（作者单位：新疆国统管道股份有限公司）