陰極保護在PCCP管道防腐中的應用

陳麗 譚新明

摘 要：預應力鋼筒混凝土管（PrestressedConcreteCylinderPipe，簡稱PCCP）長期埋設在土壤中，PCCP中的鋼構件不可避免地會發生電化學腐蝕，必須對其采用有效的防腐措施。實踐表明，陰極保護是最佳防腐的方法，可以有效地解決PCCP的腐蝕問題，延長管道的使用壽命。文章主要對陰極保護在PCCP防腐中的應用進行探討。

關鍵詞：PCCP；陰極保護；管道防腐；復合輸水管材

1概述

PCCP是目前世界上使用非常廣泛的大口徑的優質復合輸水管材，具有適用范圍廣、抗震性能好、安裝方便、運行費用低、經濟壽命長、基本不漏水等優點，近年來逐漸被應用于供水、引水、污水處理、電廠循環水等各種管線。雖然PCCP管道外層的水泥砂漿保護層對高強鋼絲提供一定的保護作用，但在某些土壤環境中氯離子等活性離子的作用下，由于高強鋼絲的腐蝕有可能導致PCCP爆管事故的發生，陰極保護能從根本上抑制高強鋼絲的各類電化學腐蝕。近年來，國內外已陸續采用陰極保護技術防止或修復PCCP的腐蝕。因此，陰極保護在PCCP防腐中的應用具有重要意義。

2PCCP在土壤中的腐蝕及影響土壤腐蝕的因素

對于金屬材料來說，在自然環境中不可避免地會產生腐蝕。腐蝕是金屬與其環境作用而遭受破壞的現象，埋設在土壤環境中的PCCP的腐蝕主要是電化學腐蝕。

2.1微電池和宏觀電池引起的土壤腐蝕

土壤腐蝕電池大致可分為腐蝕微電池和腐蝕宏電池兩類：

（1）腐蝕微電池是因埋地PCCP管表面狀態的影響，是由于氧電極反應的平衡電位與PCCP中金屬電極反應的平衡電位之差而形成導致的腐蝕電池。

（2）腐蝕宏電池是因土壤性質差異引起的腐蝕電池。埋地PCCP經過物化性質差異很大的土壤時，可以形成較大的電位差，形成腐蝕電池。反應式如下：

陽極上的氧化反應：Fe→Fe2++2e（陽極區）

陰極上的還原反應：2H++2e→H2↑（酸性溶液中）

O2+4H++4e→2H2O（陰極區）

總的電化學反應式：O2+2H2O+4e→4OH-

2.2雜散電流引起的土壤腐蝕

所謂雜散電流通常是指在大地中做無規律性移動的電流，雜散電流腐蝕是由雜散電流引起的電化學腐蝕，其腐蝕程度受外部電流極性和大小的影響，比一般土壤腐蝕激烈得多。產生雜散電流的設備有電氣軌道、變電站、電解工廠直流電源、陰極保護設施等。

2.3土壤中微生物引起的腐蝕

在缺氧的土壤中，如密實、潮濕的粘土處，金屬腐蝕過程似乎難以進行，但這種土壤條件卻有利于某些微生物的生長。土壤微生物的新陳代謝產物也會加速腐蝕。常常發現，因硫酸鹽還原菌（厭氧菌）和硫桿菌的活動而引起金屬的強烈腐蝕。

3陰極保護技術在PCCP管道的應用

陰極保護技術是對PCCP管道保護的重要技術之一，陰極保護技術是電化學保護技術的一種，陰極保護就是使被保護的金屬電位負移，發生陰極極化，稱為電化學體系中的陰極受到保護的電化學保護方法。陰極保護可以防止環境介質（土壤、海水、淡水、化工產品）的電化學腐蝕，對點蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞、晶間腐蝕、雜散電流、細菌等腐蝕作用有很好的防止作用。

4陰極保護技術的原理及電流分布規律

保護能提升輸油埋地管道的使用壽命，減少其他化學物質的腐蝕性，進而達到維護管道安全的作用。以下將對陰極保護技術原理及電流分布規律進行分析。

4.1陰極保護基本原理。保護技術是通過向被保護的鋼質管道通以足夠的電流，保證管道表面產生陰極極化，達到減少將鋼質管道土壤腐蝕性電位差，將腐蝕電流降到最低，達到保護的作用。

在腐蝕電流的作用下，金屬表面陽極不斷被溶解，發生腐蝕性破壞。此時對技術進行陰極保護，施加陰性電流，保證金屬自腐蝕性電流向負方向移動，當金屬總電位移到Ep時，所需要的極化電流為Ic。在實踐中陽極溶解的電流小于Icor，說明金屬表面得到保護，外部陰極電流逐漸增多，金屬電位變為負值，腐蝕電流變為零，此時外加電流達到保護中所需的電流。

4.2管線外加電位及電流分布規律。穩流電場理論分析陰極保護系統的各個電流，根據穩流電場理論推導并驗證了罐底保護電位和距離中心比率。在實踐過程中根據比率確定多個檢查法，分別為一點法、二點法、多點法，該技術被應用于陽極位置及罐底中心保護中，方法簡單實用。首先要確定陰極保護系數。

4.2.1最小保護電位。陰極保護時，金屬表面得到完全的電位值為最小電位，達到有效保護為合理保護值。當被保護的金屬陰極電位與其他腐蝕性電池陽極初始電位一致，金屬表面腐蝕才能完全停止。在實踐中為了保證保護程度及保護效率，要將電位保護范圍控制在合理范圍中，金屬在保護電位下仍然可以以勻速進行腐蝕。不同金屬和合金的腐蝕產程度不同，因此需要根據不同金屬的特性確定電位值。

4.2.2最小保護電流密度。在陰極保護中，被保護結構達到最小保護電位時，對應的保護電流密度成為最小保護電流密度。最小電流密度的數值收到多種因素的影響，例如金屬表面狀態、環境條件、及技術種類等，因此需要在實踐中根據構件的類型及材質確定電流的保護密度。

5陰極保護在PCCP管道應用的條件及注意事項

陰極保護在PCCP管道應用的過程中，應具備的條件有：腐蝕介質是否導電，以便建立起連續的電路；被保護金屬在所處介質中要易于進行陰極極化，否則耗電量大；要保證保護構筑物系統間的電連續性；一些不安全因素必須考慮。

下面就PCCP管道陰極保護在工作環境的分析、設計、施工方面以及陰極保護對PCCP制造方面等應注意的事項做簡要的說明：

首先是土壤環境與水的取樣分析。在PCCP制造與安裝施工前應對其工作環境的土試樣及水試樣做取樣分析，對取樣地點及取樣量的多少都要有準確的記錄，并盡快地送至實驗室進行試樣分析試驗，以便確定環境對PCCP的腐蝕性范圍及種類。

其次是如何設計陰極保護的準則、技術指標、參數選取、材料選取和保護方法，通常是通過分析腐蝕性范圍及種類并參照標準進行設計選擇。

再次是陰極保護施工前應注意的問題。在使用犧牲陽極陰極保護法的情況下，安裝陽極之前，先要對陽極表面進行檢查是否存在油污及氧化物，如果有要處理干凈。然后將陽極與特定組分和尺寸的化學填充料裝入包中（陽極在包的中央，被化學填充料緊密包裹）置于陽極溝中（如果條件允許，陽極周圍填充的化學填料應加入足量的水進行浸泡），再覆蓋一定厚度的土層保護安裝好的陽極，但是土層的厚度不能影響PCCP的敷設，并禁止向坑內回填砂石、水泥塊、塑料等雜物。

最后是陰極保護對PCCP制造與安裝的要求說明。PCCP內部的鋼筒、承插口鋼環、預應力鋼絲等鋼結構物都應該進行電連接；在陽極電纜的埋設、PCCP的埋設、防腐覆蓋層的電絕緣性、控制保護電位、絕緣的保護、混凝土與砂漿質量、鋼絲纏繞質量、避免雜散電流的流入、對于復雜構筑物要考慮其幾何上的屏蔽作用防止電流的不均勻性、陽極電纜與PCCP管道的焊接質量以及PCCP管線的定期檢測和維修等方面也需要特別注意，這將有利于整個PCCP管道的建設和運行。

結語

近年來，我國對水利建設的投資越來越大，最明顯的例子就是南水北調工程。在工程中應用最多的管材就是PCCP，但是作為埋設在土壤環境中的PCCP，隨著使用時間的延長發生滲漏甚至爆管的可能性越來越大，給管道系統的安全運行造成隱患，而陰極保護能從根本上抑制各類電化學腐蝕。采用陰極保護，可大大提高PCCP的耐久性、安全性和可靠性，降低運行管理中的維修費用，增加管道的有效利用率，大大延長了管道的使用壽命。本文主要針對陰極保護在PCCP管道中的應用進行了初步的分析，相信對同類工程的實際應用有所借鑒。

參考文獻

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[2]郭永峰，楊進新，王東黎.南水北調中線工程PCCP管道陰極保護防腐技術探討[J].特種結構，2009，26（02）：109-113.

（作者單位：新疆國統管道股份有限公司）