長距離輸水管道防腐技術分析與研究

蘇俊男

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

在長距離輸水管線中，管道內部通常因受到水、管道材質的影響，而發生溶解氧腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕等。管道外部由于長時間埋藏在地下也可能會遭受土壤腐蝕[1]。長距離輸水管道往往由不同管材組成，常見的管材包括球墨鑄鐵管、鋼管和預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP），本文重點討論球墨鑄鐵管以及鋼管的防腐措施。為防止和抑制管道的腐蝕，延長管道的使用壽命，對球墨鑄鐵管及鋼管可采用設置防腐層的防護措施。在某些特殊局部位置，例如頂管、倒虹管等，可采用防腐層與電化學保護相結合的腐蝕防護措施。常見做法是在管道的內部與外部均涂抹防腐材料[2]并在鋼管段配合采取陰極保護措施進行防護。

某長距離輸水工程在不同線路上主要采用DN1800 壁厚等級K9 的球墨鑄鐵管以及DN1800 壁厚16 mm 的鋼管兩種不同材質的輸水管道。以下分別針對這兩種不同材質管道的防腐措施進行分析研究。

1 管道外防腐

1.1 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管具有安全性能高，使用壽命長達90 年以上的優勢。球墨鑄鐵管主要應用于輸水管道、輸氣管道，是長距離輸水管道普遍選用的材料。根據某長距離輸水工程的實際應用，球墨鑄鐵管管道及管件外防腐可采用金屬鋅層和終飾層。終飾層是指在鋅層上涂覆的與鋅涂層相容的合成樹脂。金屬鋅層和終飾層應符合相關規范要求，管道鋅層質量的平均值不小于130 g/m2，局部最小值不小于110 g/m2，終飾層干膜的平均厚度不小于70 μm，局部最小厚度不小于50 μm。管件鋅涂層和終飾層應符合相關規范要求，富鋅涂料涂層質量的平均值不小于150 g/m2，局部最小值不小于130 g/m2，終飾層干膜的平均厚度不小于70 μm，局部最小厚度不小于50 μm。

1.2 鋼管

鋼管的安全性（抗展、承內、外壓） 較好，可以選擇多種方式進行敷設，如直埋敷設、頂管敷設以及管橋敷設。常用鋼的等級為Q235B 和Q355B，輸水管道管材強度等級應不低于Q235B。對于某實際長距離輸水工程，鋼管管道直徑為1 600 mm，鋼管管道及管件需要進行外防腐除銹，除銹標準應達到Sa2 1/2 級，并滿足相關規范要求。埋地鋼管、倒虹管及相應管件外防腐考慮采用環氧涂層[3]，具體可采用熔結環氧粉末防腐層，涂層的設計厚度不小于400 μm，并符合現行相關規范要求。管橋鋼管及相應管件外防腐采用熔結環氧粉末防腐層，涂層的設計厚度不小于400 μm；管橋外露鋼管需設置保溫結構，保溫結構由保溫層和保護層組成，保溫層材料及制品采用玻璃棉制品，保護層采用鍍鋅薄鋼板，厚度0.3～0.5 mm。保溫管道與非保溫管道連接位置的保溫層端面應密封，保溫層和保護層可現場制作。管件可以不設保溫結構。頂管鋼管及相應管件外防腐采用環氧玻璃鱗片，干膜厚度不小于300 μm。泵組進出水管室外部分防腐可參照埋地鋼管、倒虹管及相應管件外防腐要求。室內部分采用兩道環氧富鋅底漆和一道面漆，總干膜厚度不小于240 μm。

2 管道內防腐

考慮管道用于輸送原水，管道內防腐要求管道內襯材料不會對水質造成不良影響，有優越的防腐蝕性能，附著力強，長時間通水也不會使附著力下降，內襯層不易受到損傷，即使局部受損，也不會因此引起周圍內襯層的劣化。

球墨鑄鐵管和鋼管推薦采用水泥砂漿襯里。對于某實際長距離輸水工程，鋼管直徑為1 600 mm，鋼管管道機械涂抹厚度應不小于14 mm，手工涂抹厚度應不小于16 mm；球墨鑄鐵管道的直徑為1 800 mm，球墨鑄鐵管管道水泥砂漿內襯公稱厚度不小于9 mm。另頂管水泥砂漿內需摻入纖維材料，加強抗裂性能，水泥砂漿抗壓強度標準值應不小于30 N/mm2。

3 陰極保護

3.1 陰極保護方式選擇

大型、長距離金屬原水管通過腐蝕性土壤、電氣化鐵路附近或有雜散電流存在區域時，應采取陰極保護措施。陰極保護有犧牲陽極與強制電流兩種方法[4]。選擇方法時考慮的因素有保護體的外防護層狀況、工程規模的大小、環境條件和經濟性等。陰極保護方法的優缺點見表1。

表1 陰極保護優缺點比較表

某工程大部分管道采用球墨鑄鐵管，僅在局部特殊位置，如頂管穿河、塘等部位采用鋼管。球墨鑄鐵管由于電阻較大，且管道接口采用橡膠密封圈密封，具有絕緣作用，因此不需擔心電腐蝕，僅考慮局部特殊位置的鋼管段應采取陰極保護措施[5]。結合工程特點，若采用外加電流陰極保護方案需提供外部電源和站點，維護工作量大、管理不便，因此推薦采用犧牲陽極陰極保護法。根據某工程地勘報告，土壤電阻率在30～100 Ω·m 之間，可采用棒狀鎂合金犧牲陽極。

3.2 陰極保護設計

某工程陰極保護范圍為頂管、倒虹管等鋼管埋管段。陰極保護設計通常需結合工程實際情況，綜合考慮地質參數、管材、管徑、管壁厚度、犧牲陽極材質、水文地質條件等多個因素。本次陰極保護設計參數由廠家通過實際經驗給出擬定值，具體需通過現場試驗成果進行設計。

3.2.1 設計指標

鎂合金犧牲陽極使用壽命50 年。管道最小保護電位為-0.85 V（銅/飽和硫酸銅參比電極，簡稱CSE） 或更負。管道防腐結構的限制電位應不小于-1.20 V（CSE），并且犧牲陽極應該起到以下作用，如防止防腐結構出現陰極剝離、起泡、管體氫脆等現象。

3.2.2 設計參數

根據管道所處的具體環境情況，參考同類工程運行參數，擬定的陰極保護設計參數如下，具體需根據現場試驗成果進行設計：管道自然電位-0.55 V，最小保護電位-0.85 V，最大保護電位-2.00 V，平均保護電流密度0.08 mA/m2，平均涂層電阻率4 000 Ω·m2，平均土壤電阻率40 Ω·m，鋼管外徑×壁厚1 829×16 mm（埋管及倒虹管），1 829×22 mm（頂管）。

3.2.3 計算公式

保護電流的計算公式為

式中：I0為單側管道保護電流；Dp為管道外徑；Js為保護電流密度；Lp為單側保護管道長度。

犧牲陽極輸出電流的計算公式為

式中：Ig為犧牲陽極輸出電流；ec為陰極極化電位；ea為陽極極化電位；R為回路總電阻；Ec為陰極開路電位；ΔEc為陰極極化電位；Ea為陽極開路電位；ΔEa為陽極極化電位；Rg為多支組合犧牲陽極接地電阻；Rc為陰極過渡電阻；R1為導線電阻。

犧牲陽極支數的計算公式為

式中：I為保護電流；Ig0為單支犧牲陽極輸出電流；B為備用系數，取2～3；n為陽極支數。

單支立式犧牲陽極接地電阻的計算公式為

式中：Rv 為立式犧牲陽極接地電阻；ρ 為土壤電阻率；lg為裸犧牲陽極長度；Dg為預包裝犧牲陽極直徑；tg為犧牲陽極中心至地面的距離；ρg為填包料電阻率；dg為裸犧牲陽極等效直徑。

多支犧牲陽極接地電阻的計算公式為

式中：Rg為多支犧牲陽極接地電阻；f為犧牲陽極電阻修正系數；R0為單支立式犧牲陽極接地電阻；n為陽極支數。

犧牲陽極工作壽命的計算公式為

式中：Tg為犧牲陽極工作壽命；Wg為犧牲陽極組凈質量；wg為犧牲陽極消耗率；I為保護電流。

根據以上公式計算，頂管段、埋地鋼管及倒虹管鎂合金犧牲陽極應按每隔約50 m 設置一組鎂合金犧牲陽極布置，每組兩支，單支重量22 kg。

3.2.4 犧牲陽極布置

在埋管段以及倒虹管段設置犧牲陽極時，可采用棒狀鎂合金犧牲陽極，埋設方式采用水平式與立式混合布置。鎂合金犧牲陽極型號可采用CAZ63B-22-S，結構尺寸與成分性能滿足相關規范要求。填包料每只填料需達到50 kg。管道外壁距離鎂合金犧牲陽極宜為600 mm，陽極頂部埋設深度不小于2 m。相鄰鎂合金犧牲陽極組在管道兩側間隔布置，具體埋設位置應以現場施工情況確定。犧牲陽極應埋設在陽極坑內，回填土采用原狀土回填，不得含有塑料石塊等雜物。犧牲陽極埋設施工與管道同步施工。

3.2.5 測試樁布置

為便于及時掌握陰極保護設施的運行情況，需布置一定數量的測試裝置。測試裝置與陰極保護系統同步安裝。根據《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》，本工程陰極保護測試裝置主要布置于頂管及倒虹管穿河段，每處各1 個，每個測試裝置與管道相連接的電纜不小于2 根。電纜與管道焊接位置不宜在彎頭上或管道焊縫兩側150 mm 范圍內。測試樁應做相應標識，位置可根據現場實際條件進行調整，方便安裝檢測。

4 結束語

長距離輸水管線，無論是球墨鑄鐵管還是鋼管都應采用恰當的防腐措施對管道內外進行保護。對于管道外防腐，球墨鑄鐵管可采用金屬鋅層和其上覆蓋與鋅相容的合成樹脂終飾層。熔結環氧粉末防腐層可適用于直埋段鋼管、倒虹管、管橋鋼管及相應管件的外防腐結構。對于頂管鋼管及相應管件外防腐可采用環氧玻璃鱗片。對于管道內防腐，球墨鑄鐵管和鋼管推薦采用水泥砂漿襯里。同時在采用頂管、埋地鋼管以及倒虹管等采用鋼制管材的管段應配合采取陰極保護措施，對于長距離輸水管線可采用犧牲陽極法，具體布置數量及方式應通過計算確定。