大口徑預應力鋼筒混凝土管陰極保護施工分析

姚瑞，楊新開

（1.合肥工大共達工程檢測試驗有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽水利開發(fā)有限公司，安徽 蚌埠 233000）

隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，區(qū)域性水資源供需矛盾愈發(fā)凸顯。為解決區(qū)域水資源短缺問題，全國各類型調水、引水工程施工逐漸增多，輸水管道技術在水利工程方面的運用也得到了長足的進步。其中，預應力鋼筒混凝土管（PCCP管）因其高效的輸水能力而獲得廣泛應用。

預應力鋼筒混凝土管將高強鋼絲的抗拉、混凝土的抗壓和鋼板的抗?jié)B有機結合在一起，充分利用了三種材料的力學特性[1]。它通常深埋地下，土壤中的酸性物質、氯化物會向管外壁聚集，腐蝕PCCP 管，導致預應力鋼絲腐蝕發(fā)生斷裂破壞。根據(jù)電化學的原理，埋地PCCP 管采用陰極保護是明智的，但通常的強制電流法弊端較多。

1 工程概況

龍河口引水工程施工一標段項目主要位于合肥市肥西縣和六安市舒城縣，為原水管道工程，工程規(guī)模60 萬m3/d。供水范圍及對象為合肥市、舒城縣居民生活需水，其中向合肥市年供水量為12000 萬m3（45 萬m3/d），向舒城縣年供水量為2800 萬m3（遠期15 萬m3/d、近期10萬m3/d）。本標段施工總長度約33.925km，合同工期為670 日歷天。主要建設工程可分為取水口工程、隧道工程及新建單道DN2400 輸水管道工程。涉及到的主體工程內容為取水口引渠、水閘、交通橋工程，輸水管道工程，DN2400PCCP 管安裝、DN2400×24mm鋼管及頂管工程，隧洞工程，穿越道路工程，穿越河渠工程，穿越溝塘工程等。新建單道PCCP管施工總長約30000m。

2 施工工藝流程及操作要點

2.1 工藝流程

施工準備→陽極安裝坑開挖→陽級組化學填充料填充及安裝→電纜連接→陽極組回填及電纜鋪設→測試裝置安裝→測試。

2.2 操作要點

2.2.1 施工準備

2.2.1.1 材料準備

施工前，首先應根據(jù)設計圖紙相關要求對所需的材料進行采購，主要材料為犧牲陽極組（包括鋅、鎂合金犧牲陽極）、電纜、測試樁、防腐材料。

2.2.1.2 材料驗收

材料使用前，會同業(yè)主、監(jiān)理、質檢人員對材料進行核對驗收，驗收合格并簽字后方可使用，其材料驗收標準如下。

①應提供材料出廠合格證和檢測報告，合格證上顯示的材料品種、型號、規(guī)格及產(chǎn)品檢測報告上的各項指標應符合設計要求。特別是陽極化學分析報告和陽極電化學性能檢測報告必須符合設計要求的相關指標，并且該報告需由國家認可且具有材料試驗檢驗資格的第三方驗證試驗機構出具。

②對陽極棒材料進行外觀質量檢查，其陽極的表面質量應滿足相關規(guī)范要求。

③對進場的陽級組陽極純度及化學成分進行抽檢，抽檢結果應符合規(guī)范要求。

2.2.1.3 設備準備

材料運輸車輛、澆水設備（容器及水管等）、人力挖掘工具、銅焊設備、鋁熱焊設備、檢測設備（電阻測量儀、數(shù)字萬用表、參比電極等）。

2.2.2 陽極組安裝坑槽的開挖

為了確保電位的分布均勻、最大限度地減少管道前后壁的自我屏蔽以及陽極間互相屏蔽的影響，并便于管線陰極保護的施工，應遵循陽極采用異側交錯布置的原則，如遇閥井則對每個閥井加裝一只陽極進行保護。按以上原則及設計圖紙位置異側交錯布置開挖坑，開挖坑距管外壁距離大于50cm，開挖深度不小70cm，開挖陽極安裝坑槽時，其四周應平整，不得有鐵件、磚、石等雜物。

2.2.3 陽級組化學填充料填充及安裝

為確保填料包的性能和質量，廠家在制作過程中遵循了嚴格的規(guī)范和要求。首先，使用布袋將化學填包料和陽極進行組裝，確保陽極位于布袋的中央位置。其次，對四周進行填充，填料包的厚度應不少于50mm。此外，廠家特別關注陽極周圍填料包的厚度一致性和密實度，以確保整體的均勻性和可靠性。在預包裝過程中，廠家必須選用棉麻織品作為包裝材料。同時，為確保填包料的均勻性和純凈度，廠家還特別強調了填包料的攪拌要求，嚴禁混入石塊、泥土、雜草等雜質。

在完成陽極包的組裝后，將其運送至施工現(xiàn)場。人工操作吊運設備，將陽極包逐個且準確地放置在已開挖好的安裝坑內。為確保填料包的充分浸透，向坑內注入了足夠的水量，使之完全覆蓋填料包。此外，保持一段時間的坑內積水，以確保填料包被徹底浸透[2]。

2.2.4 電纜連接

電纜連接主要包括電纜與陽極鐵芯連接、電纜與PCCP 管道、鋼管連接、PCCP 管跨接、電纜與承插口鋼板連接、電纜與智能測試樁連接。

2.2.4.1 電纜與陽極鐵芯連接

該項電纜連接主要在工廠制作完成，每支鋅合金犧牲陽極尾隨3m 長陽極電纜。在陽極與電纜的連接方式上，采用銅焊工藝，確保雙邊焊縫長度均不小于50mm。為了提高絕緣性能，焊接點需涂覆環(huán)氧涂料，并使用電工膠布、絕緣膠帶和熱熔膠進行多層保護。此外，還需覆蓋熱收縮套，外部再纏繞絕緣膠帶以強化保護。在施工過程中，必須保證焊接穩(wěn)固，確保其良好的絕緣性能。在搬運和施工過程中，需避免直接拉扯電纜，以防破壞焊接點和絕緣層。

2.2.4.2 陽極電纜與PCCP管的連接

陽極電纜與PCCP 的焊接采用銅焊法，將陽極電纜與PCCP 管引出的鋼帶進行焊接連接，其焊接部位應焊接牢固、焊縫均勻，焊接點強度需大于焊接后銅芯電纜的承載力。焊接完成且溫度降低后進行焊縫檢查，合格后對焊接部位和接線處采用熱熔膠進行防腐包裹，再用補傷片進行防腐密封，最后沿管縫一圈用水泥砂漿進行保護。禁止將電纜直接焊在預應力鋼絲上。

具體連接方式如下所示。①銅焊連接：陽極引出線與PCCP 管承插口鋼帶的連接用銅焊連接，其主要材料和工具為銅焊焊劑和模具。②熱熔膠封閉、混凝土保護：用火將熱熔膠顆粒加熱到熔化狀態(tài)，然后將其涂抹在焊接點周圍，用以封閉焊點和承插口，熱熔膠涂抹均勻，封閉嚴密；澆筑的水泥砂漿保護層要密實，寬度應符合要求。

2.2.4.3 陽極電纜與鋼管的連接

在陽極埋設完成后，陽極電纜可直接與鋼管進行焊接連接。為確保連接穩(wěn)固，與鋼管相接的電纜應采用鋁熱焊接技術。焊點完成后，需進行防腐絕緣處理，所使用的防腐材料和等級應與原有的覆蓋層保持一致，以確保整體的防腐性能不受影響。

2.2.4.4 PCCP的跨接

為了保證預應力鋼絲的電連續(xù)性，各PCCP 之間應用電纜進行兩兩跨接，跨接電纜焊接于兩節(jié)管道承插口的鋼帶上，采用銅焊法焊接，跨接焊點處需先做防腐補傷絕緣，再做水泥砂漿保護層。

2.2.4.5 鋼管的跨接

兩條鋼管之間應用符合設計要求的電纜進行均壓跨接，跨接焊點處應重新進行防腐絕緣處理。為了確保與原有覆蓋層的一致性，選擇使用相同等級的防腐材料進行操作，從而確保焊點處的防腐性能與整體覆蓋層相匹配。

2.2.4.6 電纜與智能測試樁的連接

電纜與接線柱采用銅連接螺栓連接，即用氧-乙炔火焰燈熔除或采取其它方便可行的方式除去電纜保護套，露出銅芯，將銅鼻子壓接到銅芯上，然后用銅連接螺栓連接銅鼻子。

陽極電纜與管道測試電纜在測量裝置處進行連接。為確保連接的可靠性和后續(xù)操作的靈活性，陽極電纜在鋪設時應留有足夠的余量，以防止電纜或焊點因受力而發(fā)生脫落。在焊點及其他連接處，應預設蛇形彎[3]。

2.2.5 陽級組回填及電纜鋪設

應選擇至少為0.3m 厚的細土回填陽極組安裝坑，為確保陽極的正常運行和安全性，嚴禁向坑內回填大塊砂石、水泥塊、塑料等雜物[4]。

陽級組與PCCP 管連接的電纜鋪設時，其電纜應沿著管道外壁弧度進行鋪設，并埋入基坑建基面以下，敷設的電纜要留有一定富余量，防止管槽回填碾壓因電纜較緊而造成破壞，鋪設的電纜四周應墊有50～100mm 厚的細土或細砂。

2.2.6 智能測試裝置安裝

測試裝置主要由測試樁、測試電纜及測量組元3 部分組成，采用銅連接螺栓或其它方便可靠的電連接方式連接（圖1）。其中測量組元包括極化探頭、腐蝕掛片、銅/硫酸銅參比電極。具體布置及安裝要求如下。

圖1 棒狀鋅合金犧牲陽級及測試樁位置示意圖

為在今后運行中全面掌握輸水管道的保護狀態(tài)，在實施陰極保護的區(qū)域，智能測試樁平均每一公里安裝一套，具體位置現(xiàn)場調整，偏差不超過500m；智能測試樁安裝時應安裝牢固，其外壁需涂刷防腐漆，防腐漆厚度及尺寸需符合設計要求。

極化探頭、參比電極和腐蝕掛片均為成品材料，現(xiàn)場安裝時，應安裝在管溝底部，與管道間距為100mm，參比電極和檢查試片間距為100mm。

2.2.7 陰極保護測試

2.2.7.1 施工期間陰極保護參數(shù)測試

在犧牲陽極的埋設施工期間，應適時測量相關參數(shù)并確保記錄的準確性。這些測試數(shù)據(jù)主要包括陽極的開路電位、閉路電位、管道的自然電位、管道的保護電位以及土壤的電阻率等[5]。

2.2.7.2 測試方法

①陽極開路電位測試

在陽極安裝完成后，但尚未與管道連接之前，為了確保CSE 參比電極與土壤的良好電接觸，需將其置于管道頂部上方1m 的濕土壤中并澆水。接著將數(shù)字萬用表的黑表筆與CSE 參比電極的引線相連接，紅表筆連接到犧牲陽極的陽極引線上。將萬用表設置為直流電壓2V檔，讀取并記錄數(shù)值。

②陽極閉路電位測試

使用近參比法和遠參比法進行陽極閉路電位的測試。在管道上方，距離測試點1m 的位置挖出放置CSE 參比電極的坑，確保參比電極距離管壁或犧牲陽極3～5cm。澆水后，將萬用表的黑表筆與CSE 參比電極的引線相連接，紅表筆則連接到陽極與管道的連接點上。同樣，將萬用表設置為直流電壓2V 檔，讀取并記錄數(shù)值。

③陽極輸出電流測試

為了評估陽極的性能，需要測量犧牲陽極的輸出電流。可以使用萬用表直接串聯(lián)在陽極和管線之間來測試。將陽極與管道連接后，在陽極與管道的連接處接入數(shù)字萬用表，讀取并記錄數(shù)值。

④管/地自然（腐蝕）電位測試

在無電的環(huán)境中，使用數(shù)字萬用表和參比電極來測量PCCP 管鋼筋和預制混凝土塊中探頭的自然電位[5]，這種測量能夠幫助判斷自然腐蝕的狀態(tài)以及周圍環(huán)境的影響。首先，將CSE 參比電極埋入土壤中，并確保土壤濕潤；其次，將數(shù)字萬用表的黑表筆連接到CSE 參比電極的引線上，紅表筆則與管道的引線相連接；最后，將萬用表設置為直流電壓2V檔，讀取并記錄顯示的數(shù)值[6]。

⑤土壤電阻率測試

在試驗階段，使用ZC-8 型接地電阻測量儀，每隔管線100m 處進行一次管底深度的土壤電阻率測試。為了實現(xiàn)這一目標，采用了四極法進行測試，具體步驟如下。在被測區(qū)域埋入4 根探測棒，確保它們之間的距離為acm，并且每根棒的埋入深度不超過距離a 的1/20。隨后打開C2 和P2、C1 和P1 的連接片，并用導線將探測棒與設備連接起來。參照接地電阻測試方法來測量土壤的電阻率，電阻率計算公式為：

式中，R是接地電阻表的讀數(shù)，單位為歐姆（Ω）；a是探測棒之間的距離，單位為厘米（cm）；P則是該區(qū)域的土壤電阻率。

⑥犧牲陽極接地電阻測試

接地電阻的測試需要及時進行，是因為陽極電流的輸出取決于陽極接地電阻的數(shù)值。在開始測量之前，必須先將犧牲陽極與管道斷開。隨后，如圖2 所示，沿著與管道垂直的方向布置電極。

圖2 測試接線示意圖

⑦PCCP 管道承口處和插口處跨接片的電阻測試

在完成PCCP 管道的安裝后，需確保承插口鋼板在管道的兩邊都已焊接牢固。并對焊接部位進行打磨，以便進行后續(xù)的測量操作。隨后選擇一端用電纜進行連接，并確保電纜的另一端與萬用表的紅表筆相連。同時，萬用表的黑表筆需與Cu/CuSO4參比電極的引線相連接。調整萬用表至相應的歐姆檔位，進行測量并讀取數(shù)值。跨接電纜連接完畢后，采用QJ44 雙臂電橋對PCCP 管道間連接電阻進行測試。測試方法為將跨接電纜兩側打磨好的鋼片分別與雙臂電橋的C2、P2 和C1、P1 相連接，調零，調節(jié)檔位，使刻度指示牌指針指到0 位時讀取數(shù)據(jù)，計算結果并記錄數(shù)據(jù)。

⑧管/地通電電位測試

在電源接通的狀態(tài)下，使用數(shù)字萬用表和參比電極來測量管線和極化探頭通電后的電位。陰極保護的效果、覆蓋范圍以及保護電位的分布情況，能夠通過測量管線上其他測試點和測試樁上的通電電位來評估。

在陰極保護工程完成之后，需要使用與犧牲陽極閉路電位的測試方法相同的方式對整個管線進行全面的保護，例如位于各配水站內部、河流和穿越道路的鋼質管道部位的電位測試樁。測試結果需要整理歸檔，以便后續(xù)的分析和評估。這些數(shù)據(jù)對于確保陰極保護系統(tǒng)的正常運行和效果評估至關重要。

3 質量控制方法

3.1 關鍵部位、關鍵工序的質量要求

3.1.1 陽級組的組裝及安裝

為確保工廠制作填料包的性能和質量，廠家在制作過程中需嚴格遵循相關規(guī)范和要求。使用布袋將化學填包料和陽極進行組裝，確保陽極位于布袋的中央位置。對陽極四周進行填充時，填料包的厚度應不少于50mm。要確保陽極周圍填料包的厚度的一致性和密實度的標準性，以確保整體的均勻性和可靠性。預包裝時，必須選用棉麻織品作為包裝材料。為確保填包料的均勻性和純凈度，需要特別強調填包料的攪拌要求，嚴禁混入石塊、泥土、雜草等雜質。

逐個將陽極包準確放置在已開挖好的安裝坑內時，為確保填料包的充分浸透，需向坑內注入充足的水量，使之完全覆蓋填料包。此外，保持一段時間的坑內積水，以確保填料包被徹底浸透[2]，這對于確保陽極的正常運行至關重要。

3.1.2 電纜焊接

在連接陽極電纜與PCCP 管引出的鋼帶時，應確保其焊接質量。焊縫需堅固穩(wěn)定，且焊縫的均勻性也需得到保證。焊接點的強度應大于焊接后銅芯電纜的承載能力。在焊接工作完成且溫度降低后，應對焊縫進行嚴格檢查。只有合格的焊縫才能進行后續(xù)的防腐處理步驟。使用專業(yè)的防腐材料對焊接部位和接線處進行全面的包裹，以防腐蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生。使用補強片對防腐部位進行密封。

3.2 質量控制措施及方法

認真仔細地閱讀施工圖紙，吃透和領會施工圖的要求，施工前認真做好各項技術交底工作，嚴格監(jiān)督質量檢查程序及“三檢制”。通過對現(xiàn)場檢查記錄和每道工序施工過程中的檢查記錄，確保工程設施質量達到既定的質量目標。

3.2.1 安裝坑施工質量控制措施

在施工過程中，應嚴格遵循施工圖紙的要求，充分考慮保護電位的均勻分布。為了減少陽極之間的相互屏蔽和管道前后壁的自我屏蔽效應，采用了異側交錯的布置方式。在遇到閥井時可以為每個閥井增設一只陽極，以確保其得到充分的保護[3]。

開挖坑距管外壁距離大于50cm，開挖深度不小于70cm。開挖陽極安裝坑槽時，其四周應平整，不得有鐵件、磚、石等雜物。

3.2.2 電纜連接過程中質量控制措施

在連接陽極棒與電纜時，雙邊焊縫的長度不得小于50mm。焊接完成后，需要在焊接點上涂抹環(huán)氧涂料，并用電工膠布和絕緣膠帶進行纏繞，再使用熱熔膠進行密封，最后用熱收縮套進行包覆，并再次纏繞膠帶進行保護。確保焊接處牢固且絕緣性能良好，搬運和施工過程中應避免提拉電纜，以免造成損壞。

陽極電纜與PCCP 管引出的鋼帶之間的焊接連接需要確保焊接部位牢固、焊縫均勻，且焊接點的強度應大于焊接后銅芯電纜的承載力。在焊接完成且溫度降低后，需對焊縫進行檢查，確保其滿足要求。合格后，應對焊接部位和接線處采用熱熔膠進行防腐包裹，并用補傷片進行密封。禁止將電纜直接焊接在預應力鋼絲上。

當陽極電纜與鋼管相連接時，應采用鋁熱焊接技術。焊點完成后，應進行防腐絕緣處理，并確保所使用的防腐材料和等級與原有的覆蓋層保持一致。

為了保證各PCCP 管之間預應力鋼絲的電連續(xù)性，應用電纜進行跨接[7]，跨接電纜焊接于兩節(jié)管道承插口的鋼帶上，跨接焊點處需做防腐補傷絕緣。

兩條鋼管之間應用符合設計要求的電纜進行均壓跨接。跨接焊點處應重新進行防腐絕緣處理，防腐材料、等級應與原有覆蓋層一致。

沿管道接口一圈需澆筑水泥砂漿保護層，澆筑的砂漿要密實，且寬度應符合要求。

3.2.3 陽級組回填及電纜鋪設質量控制

陽極組安裝坑回填，應選用細土進行陽極坑內的回填，回填厚度至少為0.3m，禁止向坑內回填大塊砂石、水泥塊、塑料等雜物[4]。

陽級組與PCCP 管連接的電纜鋪設，其電纜應沿著管道外壁弧度進行鋪設，并留有一定富余量，電纜需埋入基坑建基面以下，防止管槽回填碾壓因電纜較緊而造成破壞。

鋪設的電纜四周應墊有50～100mm厚的細土或細砂。

4 結語

龍河口引水工程施工一標段項目于2022年1月18日開工。在管道施工中，采用大口徑預應力鋼筒混凝土管陰極保護施工技術，對PCCP 管中預應力鋼筋和鋼筒進行電連續(xù)性連接。同時沿管線埋設帶狀鋅陽極的犧牲陽極的陰極保護方案，將一種電位更負的金屬與被保護金屬連接，并處于同一電解質中，使其形成一個新的腐蝕原電池。被保護金屬作陰極，所連接的金屬作陽極，優(yōu)先溶解，其上的電子轉移到被護金屬上，從而使被護金屬得到被護，提高了預應力鋼筒混凝土管長時間處于地下的使用壽命。后期管理成本低、防腐性能好、安全性高、利用率高、節(jié)能環(huán)保。經(jīng)檢測，管道內部保護電流均勻穩(wěn)定、連續(xù)、防腐性能好，各項參數(shù)均符合設計及規(guī)范要求。