預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用介紹

譚新明 陳麗

摘 要：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）在國(guó)內(nèi)的供水工程中已得到了廣泛認(rèn)可，應(yīng)用越來(lái)越多，南水北調(diào)北京段就采用了DN4000mm的PCCP管。為防止PCCP管中鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)（鋼筒和預(yù)應(yīng)力鋼絲）的腐蝕，國(guó)外對(duì)PCCP管道采用了陰極保護(hù)技術(shù)，成功克服了PCCP管的腐蝕，延長(zhǎng)了PCCP管的使用壽命。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）；陰極保護(hù)；帶狀鋅陽(yáng)極

概 述

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是在帶鋼筒（薄鋼筒的厚度約1.5～2.0mm左右）的混凝土管芯上纏繞一層或二層環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲，并用水泥砂漿保護(hù)層而制成的管子。它的開發(fā)應(yīng)用已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。這一技術(shù)是法國(guó)Bonna公司最先研制的，到20世紀(jì)40年代歐、美競(jìng)相開發(fā)，目前美、法各國(guó)的年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)公里，其中美國(guó)、加拿大是世界上推廣使用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管最多的國(guó)家，廣泛應(yīng)用于城市輸配水干管、火電站供水管、水利工程、雨污水干管、工業(yè)供水及廢水管線等方面。

PCCP管的腐蝕

由于鋼筋的成分及冷軋的生產(chǎn)工藝，人們一直認(rèn)為鋼筋很容易發(fā)生析氫反應(yīng)。為了改善預(yù)應(yīng)力鋼筋的性能，根據(jù)ASTM A227測(cè)試方法進(jìn)行了析氫測(cè)試。Lewis從測(cè)試結(jié)果得出，現(xiàn)有的許多PCCP管道都是采用了易發(fā)生析氫反應(yīng)的鋼筋，并且有很多關(guān)于在輔助陽(yáng)極地床附近PCCP管道開裂事故的報(bào)道。

對(duì)混凝土中鋼的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了探討，指出有很多因素能使多孔混凝土里水溶液的鈍化作用發(fā)生改變。當(dāng)氯離子滲透到加強(qiáng)鋼筋并達(dá)到氯離子臨界濃度時(shí)，鈍態(tài)膜就被破壞了。在潮濕的混凝土里，甚至在多孔混凝土吸收堿水時(shí)也會(huì)發(fā)生局部腐蝕。鋼筋混凝土構(gòu)筑物中，限定氯離子濃度為水泥質(zhì)量的0.4%，而在預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)筑物中，限定氯離子濃度為水泥質(zhì)量的0.2%。

去鈍化的另一個(gè)原因是混凝土的堿度降低所致（即，所吸收水分的pH值降低了）。當(dāng)混凝土與大氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)而碳化時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。當(dāng)插入構(gòu)筑物的鋼質(zhì)構(gòu)件上有足夠厚的混凝土覆蓋層時(shí)，特別是有致密的、空隙率很低的優(yōu)質(zhì)混凝土?xí)r，碳化作用就無(wú)關(guān)緊要了。如果混凝土質(zhì)量很差或者混凝土覆蓋層很薄很少，碳化作用就會(huì)滲透到加強(qiáng)鋼筋，最終使它失去鈍性。當(dāng)氯離子或碳化作用發(fā)生去鈍化時(shí)，只有在氧侵入的條件下，潮濕的混凝土中才會(huì)有腐蝕危險(xiǎn)。當(dāng)陰極表面積與陽(yáng)極表面積的比值Sc/Sa很高并且陰極處于良好充氣狀態(tài)下，就會(huì)在陽(yáng)極區(qū)發(fā)生非常高的腐蝕速率。

PCCP管的防蝕

根據(jù)電化學(xué)的原理，埋地PCCP管采用陰極保護(hù)是一項(xiàng)明智的選擇，用鋼筋混凝土試件進(jìn)行的研究表明，即使在不利的條件下，如富含氯離子的堿性環(huán)境中，充氣的大面積陰極和小面積的潮濕陽(yáng)極，加入氯離子使其處于脫鈣（中性）環(huán)境下，在UCu-CuSO4為0.7 V和-0.8 V的試驗(yàn)電位下能抑制電池的形成。

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，在富含氯離子的環(huán)境中加強(qiáng)鋼筋實(shí)測(cè)的自然腐蝕電位UCu-CuSO4在-0.58～-0.6 V之間；在中性環(huán)境中，實(shí)測(cè)的自然腐蝕電位UCu-CuSO4在-0.46～-0.5 V之間；在純混凝土中，實(shí)測(cè)的自然腐蝕電位UCu-CuSO4為-0.16 V。經(jīng)過(guò)6個(gè)月后，在實(shí)施陰極保護(hù)的試件上沒(méi)有檢測(cè)出腐蝕。而在未實(shí)施保護(hù)的比較試件上，腐蝕速率為4mm/a，根據(jù)電池電流測(cè)量值，這表明自腐蝕率為50%。

混凝土構(gòu)筑物的陰極保護(hù)在美國(guó)已經(jīng)有了很大進(jìn)步，并制定出相應(yīng)的保護(hù)準(zhǔn)則。準(zhǔn)則選用了斷電測(cè)量技術(shù)，即切關(guān)斷保護(hù)電流后，在 h內(nèi)極化電位衰減超過(guò)0. V，那么可以認(rèn)定這一保護(hù)效果是合適的。借助內(nèi)裝式Ag-AgCl參比電極或者裝在外表面上的任何電極，可以在受保護(hù)物體的任何部位進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量。

陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

4. 電連續(xù)性要求

根據(jù)NACE RP 0100標(biāo)準(zhǔn)[8]要求，應(yīng)對(duì)PCCP管中預(yù)應(yīng)力鋼筋和鋼筒進(jìn)行電連續(xù)性連接，保證預(yù)應(yīng)力鋼筋和鋼筒之間陰極保護(hù)電流的電連續(xù)性；同時(shí)為保證PCCP管之間的電連續(xù)性，應(yīng)對(duì)每節(jié)PCCP管進(jìn)行電連續(xù)性跨接。

加強(qiáng)鋼筋的陰極保護(hù)和雜散電流防護(hù)措施均假定通過(guò)該加強(qiáng)鋼筋有著延伸的電連續(xù)性。采用鋼筋的鋼筋混凝土構(gòu)筑物大多數(shù)屬于這種情況，但是這要通過(guò)對(duì)加強(qiáng)鋼筋網(wǎng)的電阻測(cè)量加以驗(yàn)證。為此，在互相相距很遠(yuǎn)距離的不同點(diǎn)上清除掉混凝土后，把測(cè)量電纜連接到加強(qiáng)鋼筋上。為避免接觸電阻的影響，應(yīng)徹底除去接觸點(diǎn)的鐵銹。如果實(shí)測(cè)電阻值大于 Ω，表明沒(méi)有完全達(dá)到電連續(xù)性。那么應(yīng)將此鋼筋與已經(jīng)達(dá)到完全電連續(xù)性的鋼筋網(wǎng)其余加強(qiáng)鋼筋進(jìn)行短路連接。

4. 電絕緣

為防止雜散電流的干擾和PCCP管道保護(hù)電流的流失，在保護(hù)管道的首末端、分支處以及與外部管道的連接處安裝絕緣設(shè)施進(jìn)行電絕緣。具體作法推薦為相鄰兩管的插接關(guān)的鋼環(huán)內(nèi)、外兩個(gè)表面采用雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末覆蓋層。

4. 陰極保護(hù)準(zhǔn)則

NACE RP 0100-2004標(biāo)準(zhǔn)，要求在PCCP管道陰極保護(hù)系統(tǒng)正式投入運(yùn)行后，管道的極化電位差應(yīng)不小于100 MV；最低負(fù)電位應(yīng)不負(fù)于- 000 MV（除去IR降）。本準(zhǔn)則適用于PCCP管線陰極保護(hù)和腐蝕控制。本標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果和成功的陰極保護(hù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)時(shí)，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定陰極保護(hù)方法和檢測(cè)周期，以滿足相近的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4. 100 MV極化準(zhǔn)則

預(yù)應(yīng)力鋼筋及所有被保護(hù)的金屬嵌入體與穩(wěn)定參比電極間的最小陰極極化電位達(dá)100 MV，就達(dá)到了充分的保護(hù)效果。通過(guò)測(cè)量極化建立或衰減來(lái)確定電位偏移量。首先在施加陰極保護(hù)前，測(cè)量鋼筋的自然電位，然后啟動(dòng)陰極保護(hù)系統(tǒng)，在經(jīng)過(guò)充分時(shí)間的極化后，重新測(cè)量其瞬間斷電電位（去除IR降）。斷電電位與自然電位的差值為極化電位偏移量。極化過(guò)程為管地電位由自然電位向極化電位轉(zhuǎn)變的過(guò)程。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，極化準(zhǔn)則可以在施加陰極保護(hù)系統(tǒng)后幾秒鐘、幾分鐘、幾小時(shí)、幾天、幾周或幾個(gè)月獲得。

4. 最低負(fù)電位應(yīng)不低于- 000 MV（CSE）

因?yàn)闃O化電位低于- 000 MV，預(yù)應(yīng)力鋼筋表面可能產(chǎn)生析氫反應(yīng)，并發(fā)生氫脆。在混凝土施工質(zhì)量完好，pH值為12.4條件下，當(dāng)預(yù)應(yīng)力鋼筋極化到- 04 MV時(shí)在其表面發(fā)生析氫反應(yīng)。析氫反應(yīng)過(guò)程中伴有腐蝕反應(yīng)。氫原子能進(jìn)入鋼筋，破壞其性能。在弱堿環(huán)境中，析氫反應(yīng)在更負(fù)的極化電位才會(huì)反生，在這種情況下可取更負(fù)的最大保護(hù)電位值。然而，陰極保護(hù)電流在PCCP管道中通過(guò)時(shí)，pH值比無(wú)電流時(shí)更高，所以最大保護(hù)電位值限定于- 000 MV。

4.6 陰極保護(hù)方案

陰極保護(hù)分為犧牲陽(yáng)極和強(qiáng)制電流兩種方法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到本工程為混凝土構(gòu)筑物，管徑大，電阻率高，電流分布難度大，我們參照利比亞大人工河的作法，采用了沿管線上下埋設(shè)四條帶狀鋅陽(yáng)極的保護(hù)方案。本方案的特點(diǎn)是，電流分布均勻、不會(huì)造成過(guò)負(fù)的電位、不需要外部電源、對(duì)土壤電阻率的依賴性和影響小等。

4.8 檢測(cè)系統(tǒng)

為準(zhǔn)確地掌握PCCP管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況及管道的腐蝕狀況，在管道沿線間隔1km的人孔排氣閥井、排空閥井上安裝測(cè)試探頭和測(cè)試盒。

每個(gè)測(cè)試點(diǎn)安裝1支測(cè)試探頭；采用每公里兩管交替設(shè)置管段圓周電位分布測(cè)試探頭，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)沿管道圓周安裝6支測(cè)試探頭。為保證合理的檢測(cè)兩條PCCP管道的腐蝕情況，測(cè)試探頭應(yīng)在兩條平行管線上交替設(shè)置，本工程共設(shè)置53處測(cè)試點(diǎn)。

4.9 測(cè)試方法

本設(shè)計(jì)采用探頭斷電電位法測(cè)量PCCP管的保護(hù)電位，并利用探頭上的自腐蝕試片測(cè)量該處的自然電位。

測(cè)試項(xiàng)目主要包括：管道的通電保護(hù)電位；犧牲陽(yáng)極的開路電位；犧牲陽(yáng)極的閉路電位；犧牲陽(yáng)極的輸出電流；管道沿線的自然電位；管道的極化電位。

結(jié)語(yǔ)

PCCP管為排水工程提供了優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)壽的管道材料，對(duì)于大口徑長(zhǎng)距離具有極大的優(yōu)勢(shì)，近幾年在國(guó)內(nèi)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但由于PCCP管在國(guó)內(nèi)應(yīng)用時(shí)間較短，這類管子的腐蝕問(wèn)題還沒(méi)有引起人們的重視。國(guó)內(nèi)的PCCP管技術(shù)雖然起步較晚，但起點(diǎn)較高，南水北調(diào)工程中的PCCP管已設(shè)計(jì)了陰極保護(hù)，并正在付諸實(shí)施，這在國(guó)內(nèi)尚屬首次，它的經(jīng)驗(yàn)將會(huì)給今后國(guó)內(nèi)PCCP管的建設(shè)帶來(lái)質(zhì)的飛躍。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：新疆國(guó)統(tǒng)管道股份有限公司）