PCCP管道防腐阴极保护防护的建议

赵松源

(吉林松辽工程监理监测咨询有限公司,长春 130021)

预应力钢筒混凝土管(PCCP)于1989年由山东电力管道工程公司从美国阿麦隆公司引进以来，已经在水利、电力、市政工程中得到广泛的应用。截至2015年底，PCCP在我国铺设已超过15 000 km(中国水泥制品协会统计)，国内工程使用时间已近30年，PCCP在中国的应用总体上来说是成功的。但据国外PCCP管的失效、爆管的资料统计，如美国在1942-2006年的65年中，共发生399次爆管事故(数据来自AWWARF 4304报告“PCCP的失效破坏”)。利比亚大人工河工程一期投入使用后，6年间发生5起爆管。而在我国，随着PCCP工程使用年限的增加和工程规模的扩大，爆管情况也时有发生，笔者就曾参与了几起爆管事故的分析和抢险工作。

1 PCCP管道爆管实例及原因分析

国内某工程DN2200PCCP，2004年10月份生产，当年冬季安装，运行接近6年，于2010年9月份爆管。图1和图2是事故工程中的两根管道照片。

1#管：生产日期2004年10月25日，管道爆裂(裂口长度2.12m)。

图1 1#管

2#管：生产日期2004年10月25日，外壁保护层有空鼓现象，外壁有6条明显裂缝，长度依次为1.26，1.75，1.90，3.12，1.25和0.80 m，空鼓层下钢丝锈蚀且存在断裂现象。

图2 2#管

1.1 原因分析

管线地勘资料和事后检验表明，管道沿线土壤和水均无腐蚀性。可能原因是：当地气候干燥，土壤透气性好，干湿交替，加快了钢筋锈蚀。

1.2 处理办法

首先更换损坏的管道，然后借鉴国外的方法，对整条管线施加阴极保护。

以上案例说明，钢筋混凝土结构的腐蚀破坏是相当迅速的。

2 PCCP管道的防腐阴极保护的方法

埋地PCCP管的腐蚀破损包括两个方面：①混凝土的老化失效；②混凝土中钢筋的腐蚀。其中，钢筋腐蚀是影响结构物耐久性的主要原因。PCCP管钢筋腐蚀过程是电化学过程，阻止腐蚀过程最直接的方式就是阴极保护，同时阴极保护技术与涂层保护相结合使工程更加经济。

国外自从1946年法国第一次将阴极保护技术应用到预应力混凝土结构上开始，几十年间，美国、阿根廷、秘鲁、澳大利亚、利比亚、西班牙、加拿大等国家对其进行了广泛的研究，并在许多预应力混凝土管道上采用阴极保护或用阴极保护技术对已发生腐蚀爆管的管道进行修复。其中，利比亚大人工河新建PCCP管采用锌合金牺牲阳极进行阴极保护；西班牙马德里市Picadas西部供水系统PCCP管道在发生断裂后，采用棒状镁阳极保护；加拿大Halifax市Pockwock的PCCP输水管线运行10年后，对被破坏的PCCP管道施加锌阳极保护，都取得了良好的效果。

我国预应力混凝土管道的阴极保护应用还处于起步阶段，需要进行一段时间的摸索、试验和实践检验，才能在钢筋混凝土管道中系统科学合理地应用阴极保护技术。

3 PCCP管道的防腐阴极保护的建议

3.1 管顶以上覆土厚度

由于管线沿线标准冻深1.80～2.00 m，含砂低液限黏土、低液限黏土、含砂低液限粉土等均为冻胀土，因此建议管顶以上覆土不少于2 m，作为严控指标。

3.2 加强PCCP管阴极防腐的设计、施工和运行监测工作

工程建设单位、工程设计单位和国内阴极保护专业单位要紧密合作，深入研究。

3.2.1 做好全线水与土的腐蚀性评价

混凝土或钢管道处于地下水位以下时，应采取水试样进行水的腐蚀性试验；处于地下水位以上时，应采取土试样进行土的腐蚀性试验，以便确定腐蚀性范围和腐蚀性种类——主要根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50287-1999)中的附录G进行腐蚀性评价。

3.2.2 外防腐范围界定

根据美国水工协会标准《混凝土压力管道手册M9》的规定：当管道铺设地区的土壤经历周期性的湿润和彻底干燥时(例如干旱地区)，砂浆保护层乃至钢件表面就可能出现足够浓度的氯离子和大量的游离氧。当土壤中的氯离子含量超过150 ppm时，就必须考虑在管子保护层外表面设置阻水层，以保护管道或对管道实施电连接并定期监测管线的腐蚀情况。

根据美国混凝土压力管道协会《混凝土管道面层防腐技术》，当管道埋入土壤中时，土壤电阻率在15 Ω·m以下，并且同样地点水溶性氯化物浓度超过400 ppm时，应采取下列保护措施之一：

1) 潮湿环境作为保护外表面的屏障。

2) 水泥中掺入8%～10%的硅土或在外保护层设阻水层或在混凝土中加入腐蚀抑制剂。

3) 如果探测发现腐蚀发生，安装阴极保护装置。

根据美国侵蚀工程西部协会和国家协会《关于预应力钢筒混凝土管在侵蚀环境下使用的建议》，高氯化物土壤其土壤电阻率一般小于15 Ω·m，建议PCCP管的保护方法为：

1) 在预应力钢丝下设置短路钢带。

2) 钢件在电化学上全部要连通。

3) 分别在预加应力及喷涂水泥砂浆前，在混凝土管芯喷上一层水泥浆。

4) 预应力钢丝外喷涂厚3/4英寸的水泥砂浆。

5) 安装后管道的接口在电化学上要相互连通。

6) 管道接口内部凹槽要用砂浆填满。

7) 管道接口外部凹槽，要包上聚乙烯炮沫带，用水泥砂浆填满。

8) 管道外部涂厚浆型环氧煤焦油沥青。

值得注意的是，上述说法和氯化物定量标准尽管有差别，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15 Ω·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》(GB 50021-2001)，当土壤中的氯离子含量<250 ppm时，判断为对混凝土中的钢筋无腐蚀。

设计单位和阴极保护专业单位要综合国内外标准，结合PCCP安装段的腐蚀环境特点，来决定所采用的防腐标准。

3.2.3 设置试验段

本工程规模大、管线长、工期长，建议设置试验段，通过试验探讨和分析影响PCCP管钢筋腐蚀、阴极保护效果和保护范围的各种因素，以及有效阴极保护所需要的保护电流密度等参数，为设计提供依据，更加合理和有效地对PCCP管线实施全面的阴极保护。

阴极保护实验的主要目的：

1) 对本工程环境下PCCP管阴极保护的必要性进行界定。

2) 通过实地测试和分析，对阴极保护设计参数进行复核和调整。

3) 对选用的阳极型式进行分析。

4) 对沿线杂散电流进行测试，对有杂散影响的区域提出处理方案。

5) 完善设计方法和测试方法，指导全线PCCP管段阴极保护的设计和施工。

通过试验，取得充分的阴极保护实际运行参数，进而完善设计，指导全线PCCP管段阴极保护的实施。

3.2.4 阴极保护实施监测建议采用ECI智能化监测系统

在PCCP管实验段选择有代表性的位置处设置一套智能化监测系统，通过实施腐蚀监测，要求定期获得的如下参数：

·PCCP管的保护电位

·牺牲阳极的输出电流

·PCCP管混凝土的电阻率

·氯离子浓度

·不受阴极保护的预应力钢筋的腐蚀速度和自腐蚀电位

·极化电阻

·PCCP管周围的环境温度

ECI智能化监测装置在辽宁某水库输水工程PCCP管道的应用，是这项新技术在我国PCCP输水管线中的首次应用。该系统可连续监测多个预应力钢筋腐蚀相关的腐蚀参数和钢筋阴极保护状态下的运行参数。系统具有自动采集、工作效率高、现场安装适用性好、扩展能力强等特点。本工程阴极保护实施监测，建议采用ECI智能化监测系统。