PCCP管道防腐陰極保護防護的建議

趙松源

(吉林松遼工程監理監測咨詢有限公司,長春 130021)

預應力鋼筒混凝土管(PCCP)于1989年由山東電力管道工程公司從美國阿麥隆公司引進以來，已經在水利、電力、市政工程中得到廣泛的應用。截至2015年底，PCCP在我國鋪設已超過15 000 km(中國水泥制品協會統計)，國內工程使用時間已近30年，PCCP在中國的應用總體上來說是成功的。但據國外PCCP管的失效、爆管的資料統計，如美國在1942-2006年的65年中，共發生399次爆管事故(數據來自AWWARF 4304報告“PCCP的失效破壞”)。利比亞大人工河工程一期投入使用后，6年間發生5起爆管。而在我國，隨著PCCP工程使用年限的增加和工程規模的擴大，爆管情況也時有發生，筆者就曾參與了幾起爆管事故的分析和搶險工作。

1 PCCP管道爆管實例及原因分析

國內某工程DN2200PCCP，2004年10月份生產，當年冬季安裝，運行接近6年，于2010年9月份爆管。圖1和圖2是事故工程中的兩根管道照片。

1#管：生產日期2004年10月25日，管道爆裂(裂口長度2.12m)。

圖1 1#管

2#管：生產日期2004年10月25日，外壁保護層有空鼓現象，外壁有6條明顯裂縫，長度依次為1.26，1.75，1.90，3.12，1.25和0.80 m，空鼓層下鋼絲銹蝕且存在斷裂現象。

圖2 2#管

1.1 原因分析

管線地勘資料和事后檢驗表明，管道沿線土壤和水均無腐蝕性。可能原因是：當地氣候干燥，土壤透氣性好，干濕交替，加快了鋼筋銹蝕。

1.2 處理辦法

首先更換損壞的管道，然后借鑒國外的方法，對整條管線施加陰極保護。

以上案例說明，鋼筋混凝土結構的腐蝕破壞是相當迅速的。

2 PCCP管道的防腐陰極保護的方法

埋地PCCP管的腐蝕破損包括兩個方面：①混凝土的老化失效；②混凝土中鋼筋的腐蝕。其中，鋼筋腐蝕是影響結構物耐久性的主要原因。PCCP管鋼筋腐蝕過程是電化學過程，阻止腐蝕過程最直接的方式就是陰極保護，同時陰極保護技術與涂層保護相結合使工程更加經濟。

國外自從1946年法國第一次將陰極保護技術應用到預應力混凝土結構上開始，幾十年間，美國、阿根廷、秘魯、澳大利亞、利比亞、西班牙、加拿大等國家對其進行了廣泛的研究，并在許多預應力混凝土管道上采用陰極保護或用陰極保護技術對已發生腐蝕爆管的管道進行修復。其中，利比亞大人工河新建PCCP管采用鋅合金犧牲陽極進行陰極保護；西班牙馬德里市Picadas西部供水系統PCCP管道在發生斷裂后，采用棒狀鎂陽極保護；加拿大Halifax市Pockwock的PCCP輸水管線運行10年后，對被破壞的PCCP管道施加鋅陽極保護，都取得了良好的效果。

我國預應力混凝土管道的陰極保護應用還處于起步階段，需要進行一段時間的摸索、試驗和實踐檢驗，才能在鋼筋混凝土管道中系統科學合理地應用陰極保護技術。

3 PCCP管道的防腐陰極保護的建議

3.1 管頂以上覆土厚度

由于管線沿線標準凍深1.80～2.00 m，含砂低液限黏土、低液限黏土、含砂低液限粉土等均為凍脹土，因此建議管頂以上覆土不少于2 m，作為嚴控指標。

3.2 加強PCCP管陰極防腐的設計、施工和運行監測工作

工程建設單位、工程設計單位和國內陰極保護專業單位要緊密合作，深入研究。

3.2.1 做好全線水與土的腐蝕性評價

混凝土或鋼管道處于地下水位以下時，應采取水試樣進行水的腐蝕性試驗；處于地下水位以上時，應采取土試樣進行土的腐蝕性試驗，以便確定腐蝕性范圍和腐蝕性種類——主要根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50287-1999)中的附錄G進行腐蝕性評價。

3.2.2 外防腐范圍界定

根據美國水工協會標準《混凝土壓力管道手冊M9》的規定：當管道鋪設地區的土壤經歷周期性的濕潤和徹底干燥時(例如干旱地區)，砂漿保護層乃至鋼件表面就可能出現足夠濃度的氯離子和大量的游離氧。當土壤中的氯離子含量超過150 ppm時，就必須考慮在管子保護層外表面設置阻水層，以保護管道或對管道實施電連接并定期監測管線的腐蝕情況。

根據美國混凝土壓力管道協會《混凝土管道面層防腐技術》，當管道埋入土壤中時，土壤電阻率在15 Ω·m以下，并且同樣地點水溶性氯化物濃度超過400 ppm時，應采取下列保護措施之一：

1) 潮濕環境作為保護外表面的屏障。

2) 水泥中摻入8%～10%的硅土或在外保護層設阻水層或在混凝土中加入腐蝕抑制劑。

3) 如果探測發現腐蝕發生，安裝陰極保護裝置。

根據美國侵蝕工程西部協會和國家協會《關于預應力鋼筒混凝土管在侵蝕環境下使用的建議》，高氯化物土壤其土壤電阻率一般小于15 Ω·m，建議PCCP管的保護方法為：

1) 在預應力鋼絲下設置短路鋼帶。

2) 鋼件在電化學上全部要連通。

3) 分別在預加應力及噴涂水泥砂漿前，在混凝土管芯噴上一層水泥漿。

4) 預應力鋼絲外噴涂厚3/4英寸的水泥砂漿。

5) 安裝后管道的接口在電化學上要相互連通。

6) 管道接口內部凹槽要用砂漿填滿。

7) 管道接口外部凹槽，要包上聚乙烯炮沫帶，用水泥砂漿填滿。

8) 管道外部涂厚漿型環氧煤焦油瀝青。

值得注意的是，上述說法和氯化物定量標準盡管有差別，但相同之處為：管道埋設在干濕交替頻繁的地區、土壤電阻率在15 Ω·m以下且含氯化物環境時，除常規的提供鈍化環境外，應采用外涂防腐層或電連接監測實施陰極保護。參考國家《巖土工程勘察規范》(GB 50021-2001)，當土壤中的氯離子含量<250 ppm時，判斷為對混凝土中的鋼筋無腐蝕。

設計單位和陰極保護專業單位要綜合國內外標準，結合PCCP安裝段的腐蝕環境特點，來決定所采用的防腐標準。

3.2.3 設置試驗段

本工程規模大、管線長、工期長，建議設置試驗段，通過試驗探討和分析影響PCCP管鋼筋腐蝕、陰極保護效果和保護范圍的各種因素，以及有效陰極保護所需要的保護電流密度等參數，為設計提供依據，更加合理和有效地對PCCP管線實施全面的陰極保護。

陰極保護實驗的主要目的：

1) 對本工程環境下PCCP管陰極保護的必要性進行界定。

2) 通過實地測試和分析，對陰極保護設計參數進行復核和調整。

3) 對選用的陽極型式進行分析。

4) 對沿線雜散電流進行測試，對有雜散影響的區域提出處理方案。

5) 完善設計方法和測試方法，指導全線PCCP管段陰極保護的設計和施工。

通過試驗，取得充分的陰極保護實際運行參數，進而完善設計，指導全線PCCP管段陰極保護的實施。

3.2.4 陰極保護實施監測建議采用ECI智能化監測系統

在PCCP管實驗段選擇有代表性的位置處設置一套智能化監測系統，通過實施腐蝕監測，要求定期獲得的如下參數：

·PCCP管的保護電位

·犧牲陽極的輸出電流

·PCCP管混凝土的電阻率

·氯離子濃度

·不受陰極保護的預應力鋼筋的腐蝕速度和自腐蝕電位

·極化電阻

·PCCP管周圍的環境溫度

ECI智能化監測裝置在遼寧某水庫輸水工程PCCP管道的應用，是這項新技術在我國PCCP輸水管線中的首次應用。該系統可連續監測多個預應力鋼筋腐蝕相關的腐蝕參數和鋼筋陰極保護狀態下的運行參數。系統具有自動采集、工作效率高、現場安裝適用性好、擴展能力強等特點。本工程陰極保護實施監測，建議采用ECI智能化監測系統。