阴极保护技术在 PCCP管道供水工程中的应用

阴极保护技术在 PCCP管道供水工程中的应用

张超魁

中国水电基础局有限公司 天津武清 301700

【摘 要】阴极保护技术即利用电化学的方法，将需要保护的管道结构极化，使之电位向负向移动，以达到在环境介质中处于阴极，使管道处于被保护的状态。本文介绍阴极保护技术在PCCP管道工程中的工作原理及安装方法。

【关键词】PCCP管道 引水工程 阴极保护

1 前言

为了延长和保证PCCP管道的使用寿命，阴极保护技术目前已广泛应用到各种供水、引水、污水处理等管线项目中。该技术是一种用于防止金属在电介质（海水、淡水及土壤等介质）中腐蚀的电化学保护技术，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制，避免或减弱腐蚀的发生。本文则以某供水工程为例，介绍阴极保护技术在PCCP管道工程中的工作原理及安装方法。

2 工程概况

某供水工程合同主体工程为管道和溢流池的建安工程，主管道为4根DN3200的PCCP管或钢管。线路全长为18.469km，其中PCCP管段线路长18.032km，钢管段线路长0.277 km，溢流池段长0.16km。标段沿线地下水较丰富，地质条件复杂，土壤环境有较强的腐蚀性。

PCCP是目前使用非常广泛的优质复合管材，它是由钢筒、高强预应力钢丝、高强混凝土、高强砂浆和橡胶密封圈等原材料制作而成，不仅具有抗渗性、耐久性、使用寿命长、抗震能力强、施工维护方便等优点，还能适用于高工压、厚覆土等工程环境。

3 PCCP管道腐蚀原因分析

PCCP管道是带有钢筒的高强度混凝土管芯缠绕预应力钢丝，喷以水泥砂浆保护层，采用钢制承插口，同钢筒焊在一起，承插口有凹槽和胶圈形成了滑动式胶圈的柔性接头，是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合结构，它充分而又综合地发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀，具有高密封性、高强度和高抗渗的特性。

PCCP 管道外层保护砂浆密实度很高，能有效阻止有害物质的侵入，而且砂浆的高碱性为钢丝提供了钝化环境，促使钢丝表面形成稳定钝化膜，保护钢丝和钢筒不腐蚀。但是PCCP管表面砂浆保护层本身是一种多孔材料，即使再密实还是会存在从凝胶孔到毛细孔一系列不同孔径的孔隙；在生产过程中由于砂浆自身收缩、干燥收缩等因素也可能产生细微裂缝；在使用过程中由于环境对砂浆的腐蚀而产生缺陷、由于PCCP受力膨胀而引起砂浆开裂，或由于基础不均匀沉陷形成PCCP管承插口灌注砂浆开裂。因此在管体埋设后，管周地下水会逐渐渗入钢丝，导致管材锈蚀破坏；即使PCCP埋于土中之后，也可能因为砂浆的碳化或氯离子的侵入，逐渐使钢丝表面的钝化膜破坏，其腐蚀产物和腐蚀过程中产生的氢原子渗入到高强钢丝结构，引起高强钢丝的氢脆断裂，因高强钢丝受到腐蚀发生氢脆断裂导致的PCCP爆管已成为PCCP管线主要的事故形式。

4 阴极保护技术的原理

4.1 阴极极化作用

阴极保护技术即利用电化学的方法，将需要保护的管道结构极化，使之电位向负向移动，以达到在环境介质中处于阴极，使管道处于被保护的状态。

具体来讲就是将还原性较强的金属作为保护极，增强钢丝表面的碱性，维持钝化状态。施加阴极保护后，金属表面会发生如下反应：O₂+2H₂O+4e→4OH^-，反应产物OH^-使钢丝表面的碱度升高，从而保持表面钝化状态。

4.2 降低混凝土中有害离子的含量

降低混凝土中有害离子的含量由于钢丝表面碱性提高，抑制了Cl^-、HCO₃^-、NO₃^-、SO₄^2-等离子向混凝土内部扩散，尤其是降低了Cl^-向混凝土中的渗透，能保护钢丝和混凝土。

5 阴极保护技术在PCCP管道中的应用

5.1 设计技术指标

PCCP管和钢管的阴极保护设计寿命为25年，在设计寿命内钢管最小保护电位为-0.85V （相对于饱和硫酸铜参比电极） 或极化电位差不小于100mV；PCCP的阴极极化电位差不小于100mV，允许的最负极化电位为-1000mV；在有效保护期间内，保护度大于90%；阴极保护系统对管线不产生副作用，并且不会对环境造成污染。

5.2 阴极保护方案

阴极保护法有强制电流和牺牲阳极两种保护方法，两者都是利用阴极极化来减缓金属腐蚀。强制电流是通过向被保护管道输入直流电流, 使其阴极化从而达到阴极保护的目的。牺牲阳极则是借助阳极与被保护金属之间有较大电位差从而产生电流来达到阴极极化的目的。

本工程PCCP管道采用锌合金牺牲阳极保护,以确保供水管道在设计寿命内安全有效运行。本工程所使用的锌阳极分为三种规格：36kg锌阳极（净重35kg），15kg锌阳极（净重14.6kg），9kg锌阳极（净重8.7kg）。

表1 锌阳极规格尺寸

序号	锌阳极重量	阳极填料包尺寸	阳极规格
1	36kg	￠300mm*1200mm	950×（65+75）×78
2	15kg	￠300mm*1200mm	550×（58+64）×65
3	9kg	￠300mm*1200mm	600×（40+48）×49

6 阴极保护在PCCP管道中的安装与施工

6.1 阳极安装前的准备

（1）安装前应检查阳极、电缆、参比电极、测试桩。

（2）所有阳极现场进行组装，组装前仔细检查阳极表面及接头处。阳极接头以及密封的完整性应与技术规格一致。缩孔深度不得超过厚度的10%，最大深度不得超过10mm；冷隔深度不得超过10mm，总长度不得超过150mm；非金属夹渣不得超过阳极表面的1%；不得存在宽度大于3mm、纵向长度大于阳极长度50%、扩展到铁芯或贯穿整个阳极的裂纹，无毛刺、飞边，表面清洁无污物。阳极表面的油污和氧化物能降低阳极的活性，影响阳极电流的发生，所以阳极表面如存在油污和氧化物，应采用砂纸将阳极表面打磨干净。在搬运和安装期间应小心进行，以防阳极断裂或损伤。

（3）所有电缆均应仔细检查，检测其绝缘缺陷，对电缆的绝缘缺陷必须进行修补。

（4）所有硫酸铜参比电极在使用前需在硫酸铜溶液中浸泡24小时，安装前多个参比电极间进行电位校验。

（5）填料包的组装可在室内或现场进行，应保证阳极四周的填料厚度一致、密实，各边厚度不小于50mm，阳极必须位于布袋包正中央，严禁明显偏心。填料应搅拌均匀，不得混入石块、泥土、杂草等。每只阳极需用填料约50kg。

6.2 阳极安装施工

阳极沿轴线方向水平安装于管道侧面，由于管径大，为了使保护电流均匀，牺牲阳极应沿管道前进方向左右相间地进行埋设。在双排管道内侧与管道底部平齐。当阳极旁离管壁较近时，回路电阻较小，阳极输出电流较大，而电流分布范围较窄；相反，回路电阻变大，输出电流较小。同槽管道间阳极位于管底，管道外侧的位于管中心线，平行于管道卧式埋设，距管道外壁应不小于1.0m，阳极安装见图1。

必须要在阳极填料包放入极坑后对坑内进行浇水，且要求完全侵没填料包，并维持一段时间使填料包被彻底浸没，及时测量牺牲阳极的开路电位，测得值不应正于-1.05V。阳极坑回填时，应向阳极坑内回填细土，禁止回填杂物。

6.3 阳极与阳极电缆的组装

阳极与电缆之间的连接采用锡焊，双边焊缝长度不小于50mm。在焊接点上涂覆环氧涂料，加缠电工胶布和绝缘胶带，再包覆热收缩套，并缠胶带保护。必须保证焊接牢固并且绝缘性能良好。

6.4 锌阳极电缆（跨接电缆）与PCCP管的连接

电缆与管道的焊接采用铜焊，跨接电缆与PCCP管单侧导通带焊接。焊接牢固，焊缝均匀，焊接点电阻要求小于4×10-4Ω，焊接点强度大于焊接后铜芯电缆的承载力。焊接完成且温度降低后进行焊缝检查，合格后对焊接部位、裸露钢片、铜导线进行补口，补口材料采用环氧煤沥青漆。在电位侧身装置处，阳极电缆与管道测试电缆在测试桩内连接。阳极电缆敷设时应留有足够余量，在焊点及其他连接处预留蛇形弯，防止电缆或焊点受力脱落。

6.5 测试桩的安装

PCCP管线路每1-2公里设置一个电位测试桩和一套长效硫酸铜参比电极。过河、顶管、过路处及施工图标示点设多功能测试桩，每个配水站设两个多功能测试桩，并配装长效硫酸铜参比电极。多功能测试桩能测试保护电流、断电电位、自腐蚀电位、套管电位等。布置在PCCP段的多功能测试桩处应埋设一PCCP模式测试探头，用于测定PCCP自然电位和断电电位。由预应力钢丝、不锈钢钢筋和二氧化锰参比电极组成，外部浇筑与PCCP同配比的水泥砂浆。

安装要求：将测试电缆、参比电极电缆通过电缆沟和电缆套管接到测试桩的参比接线柱上；测试桩应埋设于坚实的地基之上，地下部高不小于0.6 米，露出地面部分约0.8米。以防测试桩在使用过程中发生倾倒。

7 结语

综上所述，目前在类似的供水、引水、污水处理等管线项目中，PCCP管道的应用较为普及，在自然土壤环境中，PCCP管中预应力钢丝及钢筒会发生电化学腐蚀，但通过阴极保护和防腐涂料对PCCP管进行联合保护，可有效解决管道在土壤中的腐蚀问题，从而提高PCCP管道运行的安全性和可靠性，增加管道的有效利用率，大大延长管道的使用寿命。本文主要针对阴极保护在某PCCP管道供水工程中的应用进行了简单的阐述，相信对同类工程的实际应用有所借鉴。