高盐渍地区PCCP供水管道的防腐机理和安全措施

白文轩 胡元泽 何惠磊 史 睿 田晓姣 郑少飞 李 锐 樊小东

（宁夏长城水务有限责任公司，宁夏 银川 750000）

0 引言

我国国土面积大、水资源分布极不均匀，近年来在国家大力实施水资源合理调配的背景下，通过兴建大型引、调水工程，以解决地域、县域之间的供水问题。PCCP管道[1]以其具有耐高压、防渗性好、内壁光滑阻力小、安装方便、维护费用低等一系列的优点，已成为国内大口径、长距离、高工压的大型输水管道项目的首选管材，其结构图见图1。现今PCCP已在多个工程中应用，比如南水北调工程京石段、辽宁省重点输水工程、山西万家寨引黄工程、新疆ABH水资源配置工程、深圳东深供水工程、引江济淮、引绰济辽等。

图1 埋置式PCCP结构示意图

PCCP分为两种结构型式：一种是在管芯外缠绕钢筒，在钢筒外表面直接缠绕施加了预应力的钢丝，之后再在钢丝外侧喷射浇筑砂浆保护层，称为内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCP-L）；另一种是在钢筒外侧再浇筑一层混凝土，将钢筒埋置于两层混凝土中间，之后在外层混凝土再缠绕预应力钢丝，喷射砂浆保护层，这种称为埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCP-E）。

虽然PCCP早在20世纪40年代就已产生，但直到20世纪80年代末才真正引入国内，且在2000年后PCCP才在我国得到广泛应用。经过30多年的探索学习与发展，我国已经基本建立起PCCP设计、生产和安装的一整套体系，但由于应用时间较短，其在使用期间有许多新的问题产生，长期埋置于地下的PCCP管道，在含酸性地下水和含高黏土土壤的地区中存在大量的SO42-、Cl-等腐蚀介质会对其产生腐蚀作用，造成最外层保护层膨胀、开裂、预应力钢丝锈蚀和断裂，导致爆管现象出现。近些年国内陆续出现了多起PCCP爆管事故，引起了人们的广泛关注。爆管事故不仅造成了巨大的经济损失和资源浪费，甚至会威胁人们的生命安全。如何进行防腐设计和采用哪些安全措施已成为当前PCCP研究的重点，

本文以宁夏“长城能化管线DN1000PCCP供水”工程为依托开展相关试验，通过研究PCCP管道腐蚀机理研究，针对性的提出相应防腐措施，为同行业提供经验参考。图1为埋置式PCCP管结构示意图。

2 PCCP管的抗腐蚀性

PCCP管是由混凝土管芯、钢筒、预应力钢丝和外层水泥砂浆保护层组成的承插式复合管，预应力钢丝外面的水泥砂浆层厚度一般为25mm，由于砂浆层较薄，因此对强度和密实度要求很高。产品标准规定砂浆层的强度标准值不低于45MPa，吸水率平均值不超过9%，单个值不超过11%，吸水率是保证砂浆层密实性的控制性指标。

PCCP自身抗腐蚀性[2]主要从两方面体现，首先，PCCP外层的砂浆保护层隔离了预应力钢丝与外界腐蚀介质的直接接触，从而使预应力钢丝得到保护，增加了管道的抗腐蚀能力。另外，PCCP的混凝土和砂浆采用硅酸盐水泥，水泥中的纯石灰与水反应生成氢氧化钙，氢氧化钙的PH值为12.5～13.6。预应力钢丝等金属在高碱性环境中钝化后生成保护膜，其抗腐蚀性远大于砂浆隔离层的作用。砂浆保护层上述两种抗腐蚀功能，保证了PCCP的耐久性。

3 PCCP管的腐蚀机理

PCCP具有的高抗腐蚀性[3,4]，使其得到广泛的应用，一般环境下使用寿命都在50年以上，国外很多的工程实例都予以证实。但埋设在腐蚀环境下，若不采用有效的防腐蚀保护措施，工程中极易出现断丝爆管事故，并且可能造成巨大损失。其主要存在以下几方面的腐蚀。

3.1 侵蚀性腐蚀

3.1.1 氯离子侵蚀

氯离子渗透性很强，在有电解溶液的条件下，可渗透穿过隔离层接触到金属表面，与管道中金属发生化学反应生成氯化亚铁，在有氧时发生电化学作用生成氢氧化化亚铁，金属被腐蚀，同时置换出氯离子。新生氯离子可以继续上述反应，并进一步侵蚀PCCP预应力钢丝。

3.1.2 硫酸盐侵蚀

硫酸盐浓度高时，硫酸根（SO42-）的含量也高，SO42-对PCCP的侵蚀属结晶性腐蚀。一方面SO42-与PCCP中的Ca+发生化学反应生成硫酸钙（CaSO4·2H2O），二水石膏结晶体积增大1倍多；另一方面硫酸盐又与混凝土和砂浆中铝酸三钙发生化学反应，生成硫铝酸钙（钙矶石）结晶，膨胀力达20MPa。结晶后体积的增大和膨胀力的增大，可降低PCCP混凝土或砂浆强度指标，进而导致砂浆层破坏。

3.1.3 活性二氧化碳（CO2）侵蚀

CO2与混凝土或砂浆中的氢氧化钙作用生成碳酸钙（所谓碳化[5]），碳酸钙的pH值比氢氧化钙低，这样埋设在混凝土或砂浆中的金属表层氧化膜会受到破坏。侵蚀性CO2活度高时，又能将混凝土或砂浆表面难溶解的碳酸钙变成碳酸氢钙 (CaHCO3), 碳酸氢钙的溶解性强，溶解度达到1890mg/L，溶解后被水带走，同时使混凝土或砂浆深层的氢氧化钙裸露。新裸露出来的氢氧化钙又与CO2反应生成碳酸钙薄膜层，该薄膜层继续与活性CO2反应生成可溶性的碳酸氢钙，溶于水后被带走，如此不断的反复，直至混凝土或砂浆层完全侵蚀破坏，PCCP的预应力钢丝也就失去保护。

3.2 强酸性腐蚀

强酸性侵蚀指地下水或土壤中的pH值低，pH值低则溶液中酸性强，对管道砂浆层及y预应力钢丝和钢筒腐蚀程度增加。强酸性侵蚀除与pH值有关外，还与土壤中的水向管道砂浆层的补充程度有关。粘性土渗透系数小，能在很大程度阻止酸性土壤中的水流动临近管道，腐蚀性减弱；反之粒状（砂性）土，透水性较好，酸性土壤中的水临近管道程度高，对管道的腐蚀严重。

3.3 杂散电流腐蚀

杂散电流腐蚀[6,7]指埋地PCCP附近有电气化铁道高压输电线路接地、电解工厂等非指定回路上流动电流引起的外加电流腐蚀。杂散电流在PC CP绝缘不良的点流入管道，沿着管道金属导体流动，然后在绝缘损坏的另一处离开管道，流回杂散电流源，这时在管道的流出处发生腐蚀。杂散电流腐蚀属电化学腐蚀。

3.4 应力腐蚀

由于管道的工作环境大都在地下，在含酸性地下水以及含高黏土土壤的地区中存在大量的SO42-、Cl-等，根据传统的钢筋混凝土结构腐蚀破坏机理，这些离子将逐渐渗入到混凝土内部，与水泥水化物发生反应，并使钢筋锈蚀，从而产生混凝土保护层膨胀、开裂以及钢筋与混凝土粘结力降低，甚至钢筋断裂破坏等现象。而在分析PCCP破坏原因时发现，由于PCCP为复合型管材和本身高预应力的存在，其腐蚀破坏机理不同于普通钢筋混凝土结构，需要考虑应力腐蚀作用，如图2、图3为应力腐蚀断裂照片。

图2 纵向应力腐蚀断裂

图3 横向应力腐蚀断裂

4 PCCP管的防腐蚀安全措施

虽然PCCP结构本身具备基本的防腐蚀性能，若PCCP 混凝土表面致密度低，存在气孔和微裂纹，腐蚀介质渗入后，会发生化学和电化学腐蚀，使PCCP破坏。要想减缓和防止PCCP的腐蚀，除首先控制混凝土的密实性外，可根据具体情况采用被动隔离法、电化学保护法及改变腐蚀环境等不同的防护措施，减缓管道腐蚀的发生。

4.1 选用耐蚀材料

减小水灰比、添加外加剂等会增加混凝土的抗渗性，同时控制好水泥砂浆保护层的强度和吸水率，可有效减少腐蚀性物质渗入和存留的机会。将普通水泥改用抗硫酸盐水泥等，是提高管道钢丝抗硫酸盐腐蚀能力的主要技术措施。

4.2 喷涂表面涂层

表面涂层[8]是通过在管道混凝土和水泥砂浆保护层外增加一层屏蔽隔离层而起到保护管道作用的，由于混凝土的强碱性，防腐层的耐碱性是先决条件，其次是黏结力和耐蚀性。管道内防腐可选用环氧树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸树脂、乙烯基树脂、氯化树脂等。环氧类涂料效果好，可较好地渗入混凝土内部，减缓混凝土碳化反应。管道外防腐可选用石油沥青、煤沥青和环氧煤沥青等进行防腐，必要时缠绕玻璃丝布等进行加强。管道的内外防腐应根据腐蚀环境合理确定防腐等级。

目前国内已实施的工程项目中，主要采用的防腐设计方案是在 PCCP 管外表面涂装无溶剂环氧煤焦油重防腐双组分涂料，该涂层具有适应喷涂在湿态水泥砂浆保护层表面，耐酸、碱、盐、附着力强，适合于地下潮湿环境等特点。一般环境中 PCCP管外防腐层设计干膜厚度为600μm或900μm。施工方法采用高压无气喷涂施工，其优点为：（1）工作效率高；（2）涂料利用率高，有效利用率为70%～80%；（3）很少反弹，涂料能深入孔隙，涂层膜与结合面形成有机咬合，附着力好；（4）涂层厚度均匀，容易控制和确保施工质量；（5）飞散较少，作业环境较好；（6）喷射面积成扇形，适用于较大面积的喷涂作业。

现在还出现了无溶剂弹性聚氨酯重防腐新涂料，该涂料是一种不含任何溶剂或挥发性的有机化合物，通过化学反应形成100%固体含量的环保型聚氨酯涂层。聚氨酯防腐的抗拉强度、撕裂强度、冲击强度、粘结力、抗阴极剥离、绝缘强度、延伸率、耐磨性能等性能良好。其材料环保安全，材料性能优越；固化速度快，施工效率高；应用环境适应性强，即使在-40℃低温情况下，几十分钟也会完全固化，因而特别适合冬季防腐施工作业。

4.3 采用阴极保护

阴极保护[9,10]是向被保护的预应力钢丝施加外部电流，使混凝土中预应力钢丝的电位向着减小氧化反应的方向偏移，从而减小钢丝腐蚀的速率。从腐蚀电化学理论来讲，只要控制金属电极电位比最小保护电位更负，就可停止金属腐蚀。但阴极保护电位也不可过负，过负且达到析氢电位时，将发生析氢反应，导致过保护破坏。根据阴极保护供电方式的不同，可分为牺牲阳极和外加电流两种保护形式。牺牲阳极是向被保护物串联一个电位更高的金属，使其不断消耗自己，给被保护物供应源源不断的电子，使被保护物得以保护；外加电流是通过外加一个恒电位仪或恒电流仪外部电源，再加以辅助阳极和参比电极，通过外部电源给被保护物不断供应电子，使被保护物得以保护。

4.4 添加阻锈剂

钢丝的阻锈剂的种类很多，分为水剂与粉剂。应用较多的是以亚硝酸盐为主要成分的复合填加剂，其对海砂中氯盐有很好的阻锈效果。

4.5 减少杂散电流

若PCCP工作区段存在杂散电流时，钢丝会因干扰作用而产生电腐蚀，其速度相当快，应引起高度重视。通过相互影响的管线之间排流跨接、交叉处使用牺牲阳极、使用涂层及电屏蔽层等方法，可以有效地减少或消除杂散电流对管道的腐蚀。

4.6 阴极保护与表面涂层配套使用

由于涂层在施工和吊装过程中，不可避免的会出现针孔、剐蹭、涂层脱落等问题。一旦埋入地下后，在管道针孔位置处就会形成“大阴极、小阳极”现象。反而会加速管道的腐蚀。因此引入阴极保护和涂层配套使用，阴极保护将弥补表面涂层的缺陷问题，共同保护管道。

目前我国大型输水工程中所采用的PCCP 管外壁水泥砂浆表面保护涂层，大都为无溶剂环氧煤焦油重防腐双组分涂料防腐层与阴极保护相结合的复合防护方案。实践证实它是非常必要的，也是可行的。

5 结语

随着我国输水工程建设的高速发展，PCCP被大量采用，这也使腐蚀环境下PCCP管的防腐设计引起业界的普遍关注，如何进行防腐设计和采用哪些安全措施已成为当前PCCP研究的重点。本文通过相关文献查阅结合工程实际现场调研，简明阐述了高盐渍环境下PCCP供水管道腐蚀机理及相应的安全技术措施，为同行业PCCP供水管道安全运行研究提供借鉴与参考。