大型輸水工程PCCP管道陰極保護(hù)淺析

宋　放

(遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局， 沈陽　110166)

大型輸水工程PCCP管道陰極保護(hù)淺析

宋放

(遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程建設(shè)局， 沈陽110166)

【摘要】長(zhǎng)距離輸水工程PCCP管道防腐措施得當(dāng)是工程安全運(yùn)行及長(zhǎng)期使用的重要保證。本文重點(diǎn)介紹了管道防腐中最常用也是最重要的措施——陰極保護(hù)在大伙房水庫(kù)輸水工程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管； 防腐措施； 陰極保護(hù)； 輸水工程

1引言

遼寧省大伙房水庫(kù)輸水工程是“十五”期間重點(diǎn)工程項(xiàng)目，該工程從遼寧東部山區(qū)取水，通過隧洞及管線輸配至遼寧中南部七座城市，年供水量達(dá)17.86億m3。其中，二期工程劉山村隧洞出口至海城牛莊段為PCCP管道。對(duì)于長(zhǎng)期埋設(shè)于地下的管道，尤其在土壤氯離子含量較高的環(huán)境下，管道受電化學(xué)腐蝕的影響極大，陰極保護(hù)作為抵御電化學(xué)腐蝕的有效方法在多個(gè)工程中得到了應(yīng)用。

2防腐段的劃分

在輸水管道施工前期，按照土壤、地下水、電阻率等參數(shù)指標(biāo)劃分多個(gè)防腐段，充分掌握工程沿線水質(zhì)及土壤含氯量等參數(shù)，針對(duì)不同的防腐段采取不同的防腐措施。下頁表列出了輸水工程防腐系統(tǒng)比較典型的第七安裝標(biāo)段防腐段劃分情況，其余標(biāo)段類同。

該工程實(shí)施前，國(guó)家并無相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范可遵循，因而參考了多篇國(guó)外相關(guān)資料，例如：美國(guó)混凝土壓力管道協(xié)會(huì)的《混凝土管道面層防腐技術(shù)》、美國(guó)水工協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土壓力管道手冊(cè)M9》、美國(guó)侵蝕工程西部協(xié)會(huì)和國(guó)家協(xié)會(huì)的《關(guān)于預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管在侵蝕環(huán)境下使用的建議》等。這些文獻(xiàn)主要針對(duì)土壤電阻率及含氯量?jī)蓚€(gè)參數(shù)指標(biāo)給出了相關(guān)措施建議，雖然定量標(biāo)準(zhǔn)有差別，但相同之處為： 管道埋設(shè)在干濕交替頻繁的地區(qū)、土壤電阻率在15Ω·m以下，且含氯化物環(huán)境時(shí)，除常規(guī)的提供鈍化環(huán)境外，應(yīng)采用外涂防腐層或電連接監(jiān)測(cè)實(shí)施陰極保護(hù)。參考國(guó)家《巖土工程勘察規(guī)范》，當(dāng)土壤中的氯離子含量小于250ppm時(shí)，判斷其對(duì)混凝土中的鋼筋無腐蝕作用。綜合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合PCCP安裝段的腐蝕環(huán)境特點(diǎn)，采用的防腐標(biāo)準(zhǔn)為：

第七安裝標(biāo)段防腐段劃分表

a.當(dāng)土壤電阻率在20Ω·m以下且地下水或土壤中氯離子含量不小于250ppm時(shí)，PCCP外覆涂層隔絕防腐，并施加犧牲陽極的陰極保護(hù)。

b.當(dāng)土壤電阻率不大于20Ω·m時(shí)，PCCP施以電聯(lián)結(jié)，并采用犧牲陽極保護(hù)。

c.當(dāng)20Ω·m<土壤電阻率≤50Ω·m時(shí)，PCCP施以電聯(lián)結(jié)，埋設(shè)連接陽極電纜，每隔500m設(shè)置腐蝕監(jiān)測(cè)樁。

d.當(dāng)土壤電阻率大于50Ω·m時(shí)，PCCP僅施以電聯(lián)結(jié)。

3陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

3.1保護(hù)方法和采用材料

經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例的調(diào)查和了解，綜合考慮該工程情況，設(shè)計(jì)采用鋅合金犧牲陽極材料。這是由PCCP管道的特殊性所決定的，因保護(hù)的對(duì)象是預(yù)應(yīng)力鋼筋，如電位過負(fù)達(dá)到-1.10V，將產(chǎn)生析氫，而鎂陽極比重小、電位負(fù)，對(duì)鋼的驅(qū)動(dòng)電壓較大，所以保護(hù)PCCP管應(yīng)慎用鎂陽極。同時(shí)，為了保證犧牲陽極輸出電流穩(wěn)定，提高陽極電流效率，降低陽極接地電阻，持續(xù)維持陽極的活性，鋅陽極周圍一定要填加嚴(yán)格按比例配成的填充料，需用鋅陽極專用填充料。

3.2保護(hù)參數(shù)選取

相關(guān)資料顯示，土壤中氯離子的含量越高，所需保護(hù)電流密度越大。由上述可知，對(duì)全線PCCP管實(shí)施陰極保護(hù)，土壤腐蝕性較嚴(yán)重的PCCP管段施加涂層保護(hù)。對(duì)于沒有涂層保護(hù)的區(qū)域，設(shè)計(jì)最小保護(hù)電流密度為0.6mA/m2，對(duì)于有涂層保護(hù)的區(qū)域，設(shè)計(jì)最小保護(hù)電流密度為0.2 mA/m2。

除保護(hù)電流密度外，保護(hù)電位也是判斷陰極保護(hù)效果的一個(gè)重要參數(shù)。一般對(duì)于新建優(yōu)質(zhì)混凝土構(gòu)件，最小保護(hù)電位可取-0.50V(CSE)；對(duì)于環(huán)境腐蝕性惡劣，尤其是氯離子含量高的土壤環(huán)境，最小保護(hù)電位可取-0.71V(CSE)；對(duì)于破損嚴(yán)重、鋼筋已外露的鋼筋混凝土構(gòu)件可按鋼結(jié)構(gòu)對(duì)待，即最小保護(hù)電位可取-0.85V(CSE)。通常鋼筋混凝土的自然電位較正，約為-0.2～-0.3V(CSE)，若采取普通鋼的保護(hù)電位參數(shù)-0.85V(CSE)投入較大，對(duì)于該工程所用管材顯然是不經(jīng)濟(jì)的，其他保護(hù)電位參數(shù)的選取沒有形成標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，不能作為執(zhí)行依據(jù)。在《埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》石油工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)中有一條 “管道極化電位差達(dá)100mV以上”的標(biāo)準(zhǔn)可以作為良好保護(hù)效果的判據(jù)，該工程以此作為依據(jù)。

4設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1計(jì)算思路

確定保護(hù)參數(shù)后，計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)單，即核準(zhǔn)PCCP管道的實(shí)際保護(hù)面積，由最小保護(hù)電流密度得出單根PCCP管道的保護(hù)電流，用單支陽極發(fā)生電流除以單根PCCP管道的保護(hù)電流即得出保護(hù)單根PCCP管道所需陽極數(shù)量，而單支陽極發(fā)生電流是已知的。最后計(jì)算陽極壽命。

4.2單根PCCP管道的保護(hù)面積及保護(hù)電流

PCCP管材是將帶有鋼筒的高強(qiáng)度混凝土管芯纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲，噴以水泥砂漿制成，采用鋼制承插口，同鋼筒焊在一起。由此可見，PCCP管線保護(hù)的主要對(duì)象為纏繞在PCCP管外側(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼筋和管內(nèi)層的鋼套筒，另外還有承插口鋼環(huán)和預(yù)埋連接鋼帶的面積需計(jì)入保護(hù)面積。

該工程采用的PCCP管材有DN3200和DN2400兩種口徑，根據(jù)覆土深度和內(nèi)部設(shè)計(jì)壓力的不同設(shè)計(jì)了四種壁厚，分別為155mm、180mm、220mm、290mm，各管段的預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)計(jì)不同，預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)面積也不同。參考美國(guó)水工協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土壓力管道手冊(cè)M9》，對(duì)鋼筒表面積進(jìn)行近似計(jì)算，最終得出單根DN3200管預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)面積為50m2、DN2400管預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)面積為45m2。由此可計(jì)算出保護(hù)電流，在無涂層情況下，單根DN3200管保護(hù)電流為0.03A，單根DN2400管保護(hù)電流為0.027A；在有涂層情況下，單根DN3200管保護(hù)電流為0.01A，單根DN2400管保護(hù)電流為0.009A。

4.3單支陽極發(fā)生電流及所需陽極數(shù)量

單支陽極發(fā)生電流主要與陽極自身的規(guī)格型號(hào)有關(guān)。該工程PCCP管道保護(hù)采用棒狀鋅合金陽極，陽極發(fā)生電流可簡(jiǎn)單按照歐姆定律計(jì)算，即陽極驅(qū)動(dòng)電壓除以陽極接地電阻，陽極接地電阻R可按公式(1)計(jì)算：

(1)

式中L——填料包長(zhǎng)度，m;

D——填料包直徑,m;

ρ——土壤電阻率,Ω·m。

經(jīng)計(jì)算R=8.2Ω。

陽極驅(qū)動(dòng)電壓為0.5V，因此，得出單支陽極發(fā)生電流量If=0.5/8.2=0.06A。

單根PCCP管陽極所需數(shù)量可按公式(2)計(jì)算：

(2)

式中N——陽極數(shù)量;

I——所需保護(hù)電流；

If——單支陽極輸出電流。

通過上式可以得出如下結(jié)論：

當(dāng)PCCP管道無涂層保護(hù)時(shí)，一支陽極可保護(hù)兩根DN3200管；一支陽極可保護(hù)兩根DN2400管。

當(dāng)PCCP管道有涂層保護(hù)時(shí)，一支陽極可保護(hù)六根DN3200管；一支陽極可保護(hù)六根DN2400管。

4.4陽極使用壽命計(jì)算

該工程要求PCCP管和鋼管的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)壽命為25年，通過公式(3)可對(duì)陽極使用壽命進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中Y—— 陽極使用壽命;

Q——陽極實(shí)際電容量,A·h/kg;

G——每只陽極凈重量,kg;

1/K——陽極利用系數(shù);

Im——陽極平均發(fā)生電流,mA;

If——陽極發(fā)生電流。

其中，Im=0.7If

可以得出陽極使用壽命Y=25年，滿足設(shè)計(jì)要求。

5陽極安裝

按照規(guī)范，犧牲陽極的安裝分為安裝前準(zhǔn)備、陽極埋設(shè)、陽極與被保護(hù)體連接、陽極床澆水、陽極床回填等步驟。該工程陽極安裝遵循上述步驟，需要注意的有以下幾點(diǎn)。

a.犧牲陽極安裝前用砂紙將陽極表面打磨干凈。

b.陽極須沿軸向水平安裝于管道側(cè)面。

c.陽極埋設(shè)位置距管道外壁以不小于1.0m為宜，埋設(shè)深度應(yīng)低于管中心位置。

d.采用電焊或銅焊與PCCP管承插口處預(yù)制的鋼板牢固連接。

6遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

陰極保護(hù)系統(tǒng)在輸水工程中屬于隱蔽工程，人們很難從直觀上了解埋入地下系統(tǒng)的工作情況。對(duì)于工程管理者而言，隨時(shí)隨地掌握管道腐蝕情況、陰極保護(hù)系統(tǒng)的工作狀況，是管好工程、用好工程的重要手段，而通信技術(shù)的迅猛發(fā)展使遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)成為可能。

6.1系統(tǒng)組成及監(jiān)測(cè)內(nèi)容

在PCCP管道沿線共設(shè)置10套綜合監(jiān)測(cè)裝置。該裝置主要由電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成，為對(duì)腐蝕環(huán)境進(jìn)行測(cè)定還裝有傳感器單元。監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括： PCCP管保護(hù)電位、犧牲陽極輸出電流、PCCP管周圍的環(huán)境溫度、PCCP管混凝土電阻率、氯離子濃度以及預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕速度和自腐蝕電位等。

6.2管道保護(hù)電位及陽極輸出電流監(jiān)測(cè)

PCCP管電位的日常監(jiān)測(cè)由6支參比電極組成的一組電位測(cè)試點(diǎn)提供信號(hào)。6支參比電極均勻分布在PCCP管圓周上，距離圓柱體外表面大約300mm。推薦采用二氧化錳參比電極。

PCCP管保護(hù)電流的日常測(cè)量通過監(jiān)測(cè)柱上采樣電阻的電壓獲得，監(jiān)測(cè)柱用直徑125mm的鋼管制作，預(yù)計(jì)鋼管長(zhǎng)度約為1600mm，埋設(shè)的監(jiān)測(cè)柱高出地面500mm以上。監(jiān)測(cè)柱上部末端采用內(nèi)部加強(qiáng)筋，以支撐終端板。

6.3腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)

腐蝕環(huán)境監(jiān)測(cè)主要通過混凝土測(cè)試樁實(shí)現(xiàn)。混凝土測(cè)試樁埋設(shè)在管道的中間深度，且安裝在距離管道的外表面1～1.5m之間的位置。在監(jiān)測(cè)柱附近，安裝一個(gè)混凝土試驗(yàn)測(cè)試樁。見混凝土測(cè)試樁位置圖。

混凝土測(cè)試樁位置圖

混凝土測(cè)試樁內(nèi)部埋設(shè)兩組腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器。一組是由預(yù)應(yīng)力鋼筋、不銹鋼鋼筋和參比電極組成的電化學(xué)腐蝕測(cè)量三電極探頭，通過恒電量脈沖方法(CPM)測(cè)量不受陰極保護(hù)的預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕速度和自腐蝕電位；另一組傳感器為ECI-1型腐蝕監(jiān)測(cè)探頭，通過ECI-1探頭，可以監(jiān)測(cè)獲得氯離子濃度、混凝土電阻率、極化電阻、溫度和開路電位。

6.4數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸

數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)程傳輸之前，須將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過傳輸系統(tǒng)傳送至遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸可采用多種形式，光纜、電話線、GMS和GPRS均可。該工程采用GPRS作為傳輸方式。

6.5數(shù)據(jù)終端

數(shù)據(jù)終端上的監(jiān)測(cè)和評(píng)估軟件基于中文Windows平臺(tái)。監(jiān)測(cè)軟件由測(cè)量設(shè)置、數(shù)據(jù)瀏覽、數(shù)據(jù)分析、外接程序等部分組成。管理者可以方便地收集數(shù)據(jù)、查看歷史數(shù)據(jù)和瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

7結(jié)語

PCCP管道的陰極保護(hù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，本文所述陰極保護(hù)系統(tǒng)已在遼寧大伙房水庫(kù)輸水工程應(yīng)用五年時(shí)間，目前系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及防腐效果良好。

參考文獻(xiàn)

王自本.PCCP陰極保護(hù)應(yīng)注意的問題[J].山西水利科技,2008(4):29-30.

中圖分類號(hào)：TV672+.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-4774(2015)04-0061-04

On large-scale water conveyance project PCCP pipeline
cathodic protection

SONG Fang

(LiaoningDahuofangReservoirWaterDiversionProjectConstructionBureau,Shenyang110166,China)

Abstract：Proper corrosion-proof measures in long-distance water conveyance project PCCP pipeline is important guarantee to safe operation and long-term service life of the project. In the paper, application of the most common and most important measure in pipeline corrosion prevention—cathodic protection in Dahuofang Reservoir Water Conveyance Project is mainly introduced.

Key words：pre-stressed steel cylinder concrete pipes; anti-corrosion measures; cathodic protection; water conveyance project