PCCP输水管线阴极保护应用实例及数值模拟验证

2021-10-23王善章李威力

全面腐蚀控制 2021年9期

王静王善章李威力

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东青岛 266101）

0 引言

预应力钢筒混凝土管（PCCP）在国内的供水工程中已得到广泛认可，应用越来越多。在国内实施了PCCP管阴极保护的项目中，同等规模的可参考的工程很少，而且运行时间较短，相应的工程经验不足。本文就PCCP输水管线的阴极保护设计进行论述，通过软件数值模拟分析与实地试验测试相结合的方式，对保护电流密度取值的合理性和阴极保护效果进行评估。

1 工程概述及阴极保护设计参数选择

1.1 工程概述

某工程埋管段由3根管DN3800mm的PCCP管并排同槽布置，总长约5km，管线穿越鄂北众多山区丘陵地带、平原、水塘、河道等复杂地形，沿线土壤特性及其腐蚀性变化较大。PCCP管道防腐方案初拟对PCCP管道砂浆保护层外采用环氧煤沥青涂料，同时对埋地PCCP管道及PCCP管道构筑物（进气阀井、人孔、泄流阀等部位）进行阴极保护，单节PCCP管道的技术参数如表1所示。

1.2 阴极保护设计参数选择

PCCP管道阴极保护设计参数如表2所示。

表2 PCCP管道阴极保护设计参数

2 牺牲阳极的设计计算[1～3]

2.1 保护电流密度的选取

根据管道外防腐层种类、设计使用寿命及防腐层绝缘电阻与阴极保护电流密度的对应关系（如表3所示），并考虑到本项目的埋地管道需使用50年，并且50年后管道防腐层绝缘电阻值下降的较大，并借鉴国内外埋地PCCP工程的成功案例利比亚人工大运河工程、美国西部管道工程、南水北调中线工程、大伙房水库输水工程、辽西北调水等相关工程经验，因此，选择本项目中的最小阴极保护电流密度为0.3mA/m2。

表3 电流密度和防腐层绝缘电阻的对应关系

2.2 阴极保护总电流的计算

总阴极保护电流需要量计算如下：

I总=i×S=0.3×426570=127971mA=127.971A（其中S=142.19×（5000×3/5m）=426570m2）。

2.3 牺牲阳极的选择

牺牲阳极材料有：镁合金、锌合金和铝合金三种。通过从阳极电位、土壤电阻率、阳极使用年限及经济性、安全性考虑，决定选用锌合金牺牲阳极，型号为ZP-1。锌阳极填包料的配方：石膏粉：膨润土：工业硫酸钠=75:20:5（质量分数），电阻率为1Ω·m。

2.4 单支水平式阳极接地电阻计算

其中：Ra为水平式牺牲阳极接地电阻（Ω）；

ρ为土壤电阻率（Ω·m），ρ=25Ω·m；

ρg为阳极填包料电阻率（Ω·m），ρg为=1Ω·m；

Lg为裸牺牲阳极长度（m）；

dg为裸阳极等效直径（m）；

Dg为预包装牺牲阳极直径（m）；

tg为牺牲阳极中心至地面的距离（m）。

对于上式计算可得，锌合金阳极的接地电阻Ra=5.43Ω。

2.5 牺牲阳极组输出电流计算

其中：

Ia为阳极输出电流（A）；

Ec为阴极开路电位（V）；

Ea为阳极开路电位（V）；

ec为阴极极化电位（V）；

ea为阳极极化电位（V）；

Rc为阴极过渡电阻（Ω）；

Ra为阳极接地电阻（Ω）；

Rw为回路导线电阻（Ω）；

R为回路总电阻（Ω）。

本公式中Ra>>Rc+Rw。

2.6 牺牲阳极数量计算

其中：N为阳极数量（支）；

IA为所需保护电流（A），127.971A；

Ia为单支阳极输出电流（A）；

B为备用系数（考虑到实际施工每5m布置1只阳极及一定施工变动余量，取1.1）。

经过计算可知，所需锌合金牺牲阳极为N=3060只。

2.7 牺牲阳极寿命计算

式中：T为阳极工作寿命（a）；

w为阳极净质量（kg）；

ω为阳极消耗率[kg/(A·a)]；

I为阳极平均输出电流（A）。

对于ZP-1锌合金阳极，w=49kg，ω=17.25kg/（A·a），I=0.046A，计算可得设计寿命T=52.49年，满足设计寿命不小于50年的要求。

3 阴极保护效果评估

3.1 阴极保护现场测试结果

现场采用数字万用表、ZC-8接地电阻测试仪、双臂电桥等检测设备，对阴极保护数据进行实地测量，测量结果如表4所示。

表4 实地测量结果

3.2 阴极保护效果分析

经实地测试，阳极在埋设后，其阳极开路、闭路电位均满足设计要求，分析试验数据，各区域的阴极保护电位均达到有效保护电位，普遍处于-0.88V～-0.98V，结合自然电位值普遍处于-0.3～-0.5，各处构件电位极化差值均大于100mV，证实有充足的阳极保护电流作用在被保护构件，各管段的阴极保护均成功实现了对管道的有效保护。