PCCP腐蝕與防護(hù)淺析

張其軍

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030024)

PCCP腐蝕與防護(hù)淺析

張其軍

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030024)

本文結(jié)合作者多年來(lái)從事PCCP輸水管道工程的設(shè)計(jì)及工程咨詢的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PCCP的主要腐蝕機(jī)理及腐蝕形式進(jìn)行了介紹，并列舉了PCCP的有效防護(hù)措施，可供類(lèi)似PCCP供水工程管道防腐設(shè)計(jì)參考。

PCCP;腐蝕機(jī)理;腐蝕形式;管道防護(hù)

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(簡(jiǎn)稱(chēng)PCCP)是由薄鋼板、承插口鋼圈、高標(biāo)號(hào)混凝土、預(yù)應(yīng)力鋼絲和高強(qiáng)水泥砂漿等原輔材料經(jīng)多種施工工序制作而成的復(fù)合管材，因其具有安全，經(jīng)濟(jì)，承受高內(nèi)壓和外荷載，密封性、抗震性及耐久性良好，安裝快速方便，運(yùn)行費(fèi)用較低等特點(diǎn)，因此在國(guó)內(nèi)外被用作長(zhǎng)距離供水、城市給水和電廠回水等工程領(lǐng)域的首選管材。

隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，PCCP在各個(gè)領(lǐng)域已廣泛使用，管道輸送的介質(zhì)不同，埋設(shè)環(huán)境也不同，因而腐蝕環(huán)境也不盡相同，若不采取有效的針對(duì)性防護(hù)措施，必然會(huì)使管道的使用壽命縮短，嚴(yán)重威脅工程的運(yùn)行安全，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。因此，PCCP防護(hù)已成為PCCP工程應(yīng)用中應(yīng)特別關(guān)注的問(wèn)題。

1 PCCP事故記錄及分析

據(jù)美國(guó)土木工程協(xié)會(huì)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料:17400項(xiàng)PCCP工程中有 25項(xiàng)工程出現(xiàn)事故，事故率約為0.14%，大部分為管道外部腐蝕造成。

據(jù)ACPPA有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料:美國(guó)和加拿大的9家公司(不包括已破產(chǎn)的 Interpace公司)，1943—1990年P(guān)CCP損壞事故比例占0.30%，其中82.1%的管道事故由各種腐蝕造成。

國(guó)內(nèi)個(gè)別PCCP供水工程試運(yùn)行及投運(yùn)期間，出現(xiàn)過(guò)PCCP因鋼絲銹蝕等而引發(fā)的事故。

雖然PCCP應(yīng)用領(lǐng)域廣，在工程實(shí)踐中具有被社會(huì)所公認(rèn)的優(yōu)良品質(zhì)，但從國(guó)內(nèi)外PCCP工程的事故記錄來(lái)看，各種腐蝕造成PCCP的損壞比例占絕大多

數(shù)，外部腐蝕失事后造成的經(jīng)濟(jì)損失尤其大。

2 PCCP防腐及腐蝕機(jī)理

PCCP中的鋼筒和預(yù)應(yīng)力鋼絲被混凝土管芯和水泥砂漿保護(hù)層包裹，由于混凝土和水泥砂漿自身的強(qiáng)堿性(pH值為12～13.5)給管道內(nèi)部的鋼材提供一個(gè)鈍化的工作環(huán)境，從而使得PCCP具有一定的防腐蝕性能。

PCCP的腐蝕主要與材料因素、施工因素、表面狀態(tài)和環(huán)境因素等有關(guān)，其中最主要體現(xiàn)在混凝土及水泥砂漿保護(hù)層是否密實(shí)。PCCP的腐蝕速度主要取決于鋼材的保護(hù)環(huán)境——混凝土及水泥砂漿保護(hù)層的碳化速度，混凝土碳化導(dǎo)致pH值降低到9以下時(shí)，鋼材表面則失去鈍化狀態(tài)，而混凝土表面存在著的氣孔和微細(xì)裂紋，給水和侵蝕性介質(zhì)也提供了存留和滲透的條件，當(dāng)遇到PCCP埋設(shè)環(huán)境中的O2、CO2、SO2等腐蝕介質(zhì)，在水的作用下發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)，鋼材逐漸會(huì)銹蝕膨脹，可造成PCCP的損壞。PCCP結(jié)構(gòu)中鋼絲為預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)鋼絲，在不利的土壤環(huán)境中水泥砂漿保護(hù)層腐蝕后鋼絲極易發(fā)生脆斷，而其脆斷又造成管道承載能力的不斷降低，最終導(dǎo)致爆管。因此，PCCP結(jié)構(gòu)中鋼絲腐蝕產(chǎn)生的危害比一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)重。

3 PCCP腐蝕形式

PCCP的腐蝕分為內(nèi)部腐蝕和外部腐蝕，其腐蝕形式主要包括碳化反應(yīng)、氯離子侵蝕、硫酸鹽腐蝕、酸雨腐蝕、溶出性腐蝕、凍融破壞以及微生物腐蝕等。

3.1 碳化反應(yīng)

水泥砂漿保護(hù)層覆蓋在鋼絲表面，在一定程度上起著隔離腐蝕介質(zhì)的作用，但對(duì)鋼絲提供主要保護(hù)作用的還是水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生的Ca(OH)2，使得鋼絲具有高堿度工作環(huán)境，鋼絲表面會(huì)形成一層較致密的鈍化膜，使鋼絲具有一定的抗銹蝕性能。PCCP埋地投運(yùn)后，土壤中可能存在較強(qiáng)的，在水的參與下與Ca(OH)2反應(yīng)生成CaCO3，水泥砂漿的pH值會(huì)降低，加上鋼絲本身的成分、組織、狀態(tài)和應(yīng)力等不均一，包裹鋼絲的水泥砂漿保護(hù)層薄厚也不一致，鋼絲的表面則處于活化狀態(tài)或不完全鈍化狀態(tài)，導(dǎo)致鋼絲銹蝕。銹蝕產(chǎn)物的體積往往膨脹2～4倍，產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力有時(shí)高達(dá)30MPa以上，水泥砂漿保護(hù)層會(huì)出現(xiàn)裂縫，更多的水、氧和電解介質(zhì)將滲透到鋼絲表面，加速了鋼絲的銹蝕，保護(hù)層則逐漸開(kāi)裂甚至剝落，對(duì)鋼絲的保護(hù)作用部分或全部喪失。鋼絲與水泥砂漿保護(hù)層的聯(lián)合承載能力迅速下降或解體，直至造成預(yù)應(yīng)力鋼絲發(fā)生突然斷裂。

3.2 氯離子侵蝕

埋地環(huán)境中的C1－非常活潑，極易滲透到混凝土中，與混凝土中的主要成分(3CaO·2Al2O3·3H2O)發(fā)生反應(yīng)，生成易溶的CaCl2，會(huì)造成混凝土的破壞。同時(shí)，Cl－能夠穿透鈍化膜使鋼絲發(fā)生點(diǎn)蝕，進(jìn)而引發(fā)大面積鋼絲的電化學(xué)腐蝕，易引起鋼絲的脆斷。

3.3 硫酸鹽腐蝕

硫酸鹽的腐蝕速度比氯離子侵蝕速度要快。硫酸鹽可與混凝土中的水化物Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生體積更大的產(chǎn)物，其產(chǎn)生的膨脹壓力使水泥強(qiáng)度降低，增加了保護(hù)層的滲透性。硫酸鹽還可與混凝土中的鋁酸三鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生白色糊狀帶大量結(jié)晶的水產(chǎn)物。兩者將導(dǎo)致混凝土松散、開(kāi)裂、粉化直至破壞。

3.4 酸雨腐蝕

由于工業(yè)污染，化工廠排放的SO2形成酸雨，雨水若流入管道中，可使混凝土酸化并產(chǎn)生可溶性物質(zhì)，隨水流失，對(duì)混凝土管道造成腐蝕。同時(shí)，酸雨也會(huì)增加土壤及河流中腐蝕介質(zhì)的含量，對(duì)混凝土管道外部造成腐蝕。

3.5 溶出性腐蝕

如果管道輸送的介質(zhì)含有一定的礦化物和陰陽(yáng)離子，和混凝土中的一些難溶物發(fā)生反應(yīng)，生成易溶物和微溶物，被管道的水流帶走，就會(huì)造成溶出性腐蝕。

3.6 凍融破壞

若PCCP埋設(shè)深度未達(dá)凍土深度，在冬季0°C以

下時(shí)，水在管道的氣孔和裂縫中結(jié)冰，冰的體積膨脹，會(huì)產(chǎn)生巨大的膨脹力。隨著氣溫的不斷升降，循環(huán)出現(xiàn)混凝土的收縮和膨脹，會(huì)造成部分混凝土產(chǎn)生裂痕和粉化，甚至破壞。

4 PCCP防護(hù)措施

雖然PCCP結(jié)構(gòu)本身具備基本的防腐蝕性能，若PCCP混凝土表面致密度低，存在氣孔和微裂紋，腐蝕介質(zhì)滲入后，會(huì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)腐蝕，使PCCP破壞。要想減緩和防止PCCP的腐蝕，除首先控制混凝土的密實(shí)性外，可根據(jù)具體情況采用被動(dòng)隔離法、電化學(xué)保護(hù)法及改變腐蝕環(huán)境等不同的防護(hù)措施，減緩管道腐蝕的發(fā)生。

4.1 選用耐蝕材料

減小水灰比、添加外加劑等會(huì)增加混凝土的抗?jié)B性，同時(shí)控制好水泥砂漿保護(hù)層的強(qiáng)度和吸水率，可有效減少腐蝕性物質(zhì)滲入和存留的機(jī)會(huì)。將普通水泥改用抗硫酸鹽水泥等，是提高管道鋼絲抗硫酸鹽腐蝕能力的主要技術(shù)措施。

4.2 噴涂表面涂層

表面涂層是通過(guò)在管道混凝土和水泥砂漿保護(hù)層外增加一層屏蔽隔離層而起到保護(hù)管道作用的，由于混凝土的強(qiáng)堿性，防腐層的耐堿性是先決條件，其次是黏結(jié)力和耐蝕性。管道內(nèi)防腐可選用環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、丙烯酸樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂、氯化樹(shù)脂等。環(huán)氧類(lèi)涂料效果好，可較好地滲入混凝土內(nèi)部，減緩混凝土碳化反應(yīng)。管道外防腐可選用石油瀝青、煤瀝青和環(huán)氧煤瀝青等進(jìn)行防腐，必要時(shí)纏繞玻璃絲布等進(jìn)行加強(qiáng)。管道的內(nèi)外防腐應(yīng)根據(jù)腐蝕環(huán)境合理確定防腐等級(jí)。

4.3 采用陰極保護(hù)

陰極保護(hù)是向被保護(hù)的預(yù)應(yīng)力鋼絲施加外部電流，使混凝土中預(yù)應(yīng)力鋼絲的電位向著減小氧化反應(yīng)的方向偏移，從而減小鋼絲腐蝕的速率。從腐蝕電化學(xué)理論來(lái)講，只要控制金屬電極電位比最小保護(hù)電位更負(fù)，就可停止金屬腐蝕。但陰極保護(hù)電位也不可過(guò)負(fù)，過(guò)負(fù)且達(dá)到析氫電位時(shí)，將發(fā)生析氫反應(yīng)，導(dǎo)致過(guò)保護(hù)破壞。

根據(jù)陰極極化電流來(lái)源的不同，陰極保護(hù)可分為外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)。前者是借助于一個(gè)外加直流電源和輔助陽(yáng)極提供陰極極化電流，后者是借助于電位更負(fù)的金屬或合金與鋼絲電性偶合來(lái)提供陰極極化電流。

4.4 添加阻銹劑

鋼絲的阻銹劑的種類(lèi)很多，分為水劑與粉劑。應(yīng)用較多的是以亞硝酸鹽為主要成分的復(fù)合填加劑，其對(duì)海砂中氯鹽有很好的阻銹效果。

4.5 減少雜散電流

若PCCP工作區(qū)段存在雜散電流時(shí)，鋼絲會(huì)因干擾作用而產(chǎn)生電腐蝕，其速度相當(dāng)快，應(yīng)引起高度重視。通過(guò)相互影響的管線之間排流跨接、交叉處使用犧牲陽(yáng)極、使用涂層及電屏蔽層等方法，可以有效地減少或消除雜散電流對(duì)管道的腐蝕。

4.6 陰極保護(hù)與表面涂層配套使用

表面涂層本身難免存在針孔、破損、漏涂等缺陷和自然老化現(xiàn)象，防腐效果是有限的，有條件的情況下還應(yīng)采取陰極保護(hù)配套的防腐手段。陰極保護(hù)和表面涂層相結(jié)合，一方面陰極保護(hù)可防止表面涂層破損處產(chǎn)生點(diǎn)蝕，另一方面表面涂層可大大降低陰極保護(hù)所需的極化電流，并使管道表面的保護(hù)電位分布更均勻，獲得更強(qiáng)的保護(hù)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

科學(xué)合理、有效地做好PCCP的防腐工作，確保PCCP的使用壽命及工程運(yùn)行安全，使PCCP工程真正成為社會(huì)所公認(rèn)的高品質(zhì)工程，是國(guó)內(nèi)PCCP行業(yè)應(yīng)值得關(guān)注的問(wèn)題。同時(shí)，應(yīng)該正確判定PCCP輔助防腐設(shè)置的必要性，否則會(huì)給工程造成不必要的浪費(fèi)。

［美］比安切蒂R L．管線腐蝕控制［M］．吳建華，許立坤，譯．北京，化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

On PCCP corrosion and protection

ZHANG Qijun
(Shanxi Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Institute，Taiyuan 030024，China)

In the paper，practical experience of the author engaged in design and project consultation of PCCP water diversion pipeline projects is combined for introducing main corrosion mechanism and corrosion form of PCCP．Effective protection measures of PCCP are cited as examples，thereby providing reference for pipeline anti-corrosion design in similar PCCP water supply projects．

PCCP;corrosion mechanism;corrosion form;pipeline protection

TU991.38

A

1005-4774(2015)06-0073-03