某長距離大口徑輸水工程管道防腐設計研究

劉峰

摘 要：針對輸水管道線路長、地基土腐蝕性強的特點，對鋼管采取內、外壁防腐再加陰極保護的措施。自投用以來，供水效果良好，為大口徑鋼管在水利工程中的推廣應用提供了借鑒和參考。

關鍵詞：輸水鋼管 電化學腐蝕 管道防腐

1.工程概況

該工程位于新疆克拉瑪依市境內，管線全長5890m，管徑DN1400，輸水流量為3.47m3/s。

2.工程地質條件

輸水管線沿線場地土層主要由第四系的素填土（Q4ml）、角礫（Q4al+pl）及侏羅紀（J）的泥巖組成。通過地勘成果分析，場地土對混凝土結構具有中等～強腐蝕性；對鋼筋混凝土結構中鋼筋具有微～中等腐蝕性，綜合評價為強硫酸鹽漬土。另外，場地土電腐蝕性為中等腐蝕性。防腐蝕設計對管道的長期安全運行至關重要，所以須加強對管道的內外壁防腐處理。

3.管材比選結論

長距離輸水管管材選擇首先要求所選管材在保證輸水安全、持久耐用、接口密封性能、施工及維護管理方便的條件下綜合造價經濟合理。從管材造價、運輸條件、施工難度、防腐、維護、接口及可靠性等綜合分析比較，綜合分析比較后結論為：采用螺旋縫埋弧焊鋼管。

4.管道防腐設計

對管道結構應根據環境條件和輸送介質的性能，設計內、外防腐構造。

4.1設計原則

（1）嚴格遵循防腐蝕工程有關的設計規范、技術標準和技術規定。

（2）采用成熟技術，做到經濟合理、安全可靠。

（3）選擇合適的防腐防護材料和結構，保證防腐防護效果。

4.2管道內防腐

輸水鋼管的內防腐材料應具有無毒、耐水、耐磨、低阻的性能。常用材料瀝青涂料、水泥砂漿、環氧粉末、無毒涂料等。本工程中輸水鋼管的內防腐采用無溶劑環氧防腐涂層，防腐層干膜厚度≥300μm。

采用無溶劑環氧防腐涂料襯里后能達到將鋼管內壁與水或空氣隔離的作用，形成一層致密的保護層，從而抑制了鋼管內壁腐蝕。對比其它的防腐蝕涂層，無溶劑環氧防腐涂料對管道過流能力影響較小。

4.3管道外防腐

輸水管道的外防腐包括物理防護和電化學防護。物理防護法是在管道外表面進行涂層保護，將金屬與腐蝕介質分隔開。這種方法使用廣泛，但在實際工程應用中，由于種種原因效果不是十分可靠。由于管壁與防腐絕緣層界面之間的物質傳遞是不可避免的，電化學保護法則可對防腐層的缺陷進行補救，通過對腐蝕反應進行積極的干預，從而是腐蝕反應的發生大大降低。

根據輸水管道工程使用環境的特點，單一的防腐方案不能達到輸水管道長期安全、經濟運行的要求，因此，工程中通常選擇外防腐層加陰極保護的防腐方案。

（1）管道外壁涂層防護。該方法的特點是將一些防護材料涂覆在鋼管管外，阻止使用環境中的腐蝕性介質，如空氣、水分以及土壤中的氧、水、鹽類等對鋼材的腐蝕。由于此方法具有適應性強、有效、造價較小、施工方便等特點，是目前廣泛使用的防腐措施。

隨著長距離管道的發展，管道外防腐材料迅速發展，除基本的石油瀝青防腐和環氧煤瀝青涂料防腐，近年又出現了煤焦油瓷漆防腐、環氧粉末防腐、擠壓聚乙烯（聚丙烯）復合結構防腐（簡稱2PE、3PE）、熱熔聚乙烯防腐等。

煤焦油瓷漆涂層的特點是化學穩定性好、吸水率低，能可靠地防止微生物侵蝕和植物根莖穿透，造價較小，陰極保護相容性好，使用壽命較長。但耐溫性差，抗土壤應力、機械性能不理想，施工過程中會產生有毒有害氣體，對環境造成不良影響，因而限制了其應用。

環氧粉末涂層具有良好的粘結性、耐溫性、耐化學性能和機械性能，環境適用性強。但由于其造價較高、涂層薄引起防水性能、抗沖擊性能較差、施工補口技術要求高，使其在長距離輸水管道防腐中發展較慢。

2PE、3PE：由線性聚乙烯和色母料及輔料混合而成，標準要求PE層厚度≥2.3mm以上，其工藝為加熱后擠壓成帶狀纏繞，是一個物理過程。2PE與3PE區別是2PE底層為粘合膠外纏繞PE帶，3PE為底層熱熔120μm環氧粉末，外涂粘合膠再纏繞PE帶。

熱熔聚乙烯（PE）：由線性聚乙烯、高壓聚乙烯、樹脂膠、抗氧化劑、紫外光吸收劑、促脂酚、色母料、潤滑劑等成份配比組成，其受熱后發生化學反應，其功能團釋放分子鏈鏈接聚合，使得其附著力、韌性、硬度大大增強。

鋼管只做外涂裝時，3PE與熱熔聚乙烯均是目前最佳產品，性能穩定可靠，但鋼管內壁需做熱熔環氧涂裝時則對外壁工藝要求非常嚴格，3PE與熱熔聚乙烯（PE）防腐對比見表1。

目前，三層結構聚乙烯（3PE）和涂塑均在工程中得到廣泛的應用，經過環境條件、施工條件及經濟條件等綜合比較分析，本工程推薦采用涂塑做為外防腐的方案。

（2）陰極保護。陰極保護是防止金屬腐蝕的一種電化學保護技術，通過陰極極化降低腐蝕電位，從而達到大大減小金屬腐蝕速率，向被保護金屬施加陰極電流，使金屬的電極電位從原平衡電位向負偏移，并進入該金屬的免蝕區，以達到防護的意圖。陰極保護分為強制電流法和犧牲陽極法，方法的選用主要取決于保護對象和對周圍構筑物的干擾影響，土壤電阻率也是主要因素。

犧牲陽極法陰極保護是將一種更負的金屬或合金與被保護金屬連接，并處于同一電解質中，形成一個新的腐蝕原電池。被保護金屬作陰極，所連接的金屬或合金作陽極，優先溶解，其上的電子轉移到被保護金屬上去，從而使被保護金屬得以防護。其優點是不需要外部電源、對周圍構筑物沒有干擾影響、保護電流分布均勻、利用率高，且日常管理工作量小等。其缺點是保護電流幾乎不可調，投產調試工作復雜，消耗犧牲陽極金屬。

強制電流法陰極保護是用外部的直流電源作陰極保護的極化電源，將電源的負極與被保護金屬相連，電源的正極與輔助陽極相接，使被保護金屬成為陰極，以實現保護。其優點是輸出電流連續可調，保護范圍寬，環境電阻率限制極小，保護裝置壽命長。其缺點是對鄰近構筑物干擾大，需要外部電源，維護管理工作量大。

通過對兩種陰極保護法的比較，從防腐層施工質量的預期效果、以及現場條件的干擾大小和運行管理是否方便等考慮，采用犧牲陽極法陰極保護措施。

5.結語

長距離輸水管投資大，正確的防腐和安裝可以保證輸水鋼管的使用壽命。該工程管道內防腐采用無溶劑環氧防腐涂料涂層，外防腐采用涂塑防腐結構加陰極保護的防腐方案，自2017年投入使用以后，至今效果良好，為大口徑鋼管在長距離輸水工程中的應用提供了借鑒。

參考文獻：

[1]郭浩亮.舟山引水工程海底輸水鋼管防腐設計[J].浙江水利科技，2005.

[2]李海川.淺析原油與天然氣長輸管道的腐蝕與防護[J].中國石油和化工標準與質量，2011.[3]熊紅仿.長輸管道外防腐技術概述[J].石油工程建設，2002.

[4]李文新.陰極保護技術在引洮供水PCCP管道上的應用[J].中國農村水利水電，2014.

[5]胡超，張輝，任懷毅，王紅.淺談陰極保護技術在PCCP管道工程中的應用[J].河南水利與南水北調，2012.

[6]蘇功軍.埋地鋼質輸水管道防腐蝕設計[J].大眾科技，2007， （9）：13.