基于犧牲陽極的長距離輸水鋼管陰極保護設計

張 晴，謝立華

(浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002)

1 研究意義及背景

長距離輸水鋼管由于受到沿線地面的各種限制，大都埋于地下，容易受到微生物、土壤、地下水以及雜散電流的影響而腐蝕。輸水鋼管外壁一般采用涂料進行防腐保護，涂料的使用壽命有限，而埋地管道外壁重新防腐的難度較大，且輸水管道使用壽命往往要求較長，因此，對長距離輸水鋼管實施陰極保護，可有效解決輸水鋼管的外防腐問題，從而延長管道的使用壽命。

嘉興市域外配水工程(杭州方向)位于杭州市第二水源千島湖配水工程的下游，起點為杭州市仁和節(jié)點，通過隧洞、管道、泵站輸送千島湖原水至嘉興各受水廠，設計年引水量2.3 億m3。[1]輸水線路總長171.6 km，其中杭州段長23.1 km(全線盾構隧洞)，嘉興段長148.5 km(盾構隧洞長1.7 km，其余全部為管道)。輸水管道采用雙管并行設計，管徑DN2 200—DN600，管材為鋼管和球墨鑄鐵管，其中管徑DN1600以上選用鋼管，其余為球墨鑄鐵管。輸水鋼管分為普通埋地鋼管、鋼頂管和鋼筋混凝土頂管內置鋼管，鋼管內壁采用水泥砂漿襯里，外壁采用熔結環(huán)氧粉末防腐。

本文以嘉興市域外配水工程(杭州方向)為依托，詳細介紹長距離輸水鋼管的陰極保護設計過程。

2 陰極保護方式選擇

管道陰極保護目前包含犧牲陽極法和強制電流法兩種方式，各有優(yōu)缺點，本工程最終采用犧牲陽極陰極保護，主要考慮到以下因素：

(1)工程主要位于富庶的杭嘉湖平原，輸水管道沿途穿過部分城鎮(zhèn)，外加電流法需要沿輸水管道設置供電基站，征地成本較高。此外，管道沿線地下建筑物復雜，可能導致電流路徑不可控，從而達不到預期的保護效果。

(2)輸水管道多次與浙江省天然氣管道及電氣化鐵路(高鐵)交叉，外加電流法產(chǎn)生的雜散電流容易對這些天然氣管道和電氣化鐵路等設施造成影響。

(3)本工程欲打造百年民生工程，外加電流法基站相關的電氣設備壽命有限，需要長期維護，給運行管理帶來了一定的麻煩。采用犧牲陽極法，一次性投入的陰極保護系統(tǒng)設計壽命可達50年。

(4)本工程輸水管道沿線土壤電阻率低，犧牲陽極法比較適合應用在電阻率低的土壤里。

3 管道沿線土壤腐蝕性的初步勘察

土壤作為管道所處的腐蝕環(huán)境，其腐蝕性的強弱決定了管道所需要保護程度。土壤的腐蝕性主要由以下幾項因素決定，包括土壤電阻率、土壤PH值、土壤氧化還原電位、土壤中氯離子等濃度、土壤含水量及雜散電流等。土壤環(huán)境腐蝕檢測一般采用理化性能分析法，即在陰極保護整體方案設計前通過選擇典型地段(共20個測點)，進行現(xiàn)場電阻率測試，隨后對土壤取樣后理化分析，另外，對可能產(chǎn)生雜散電流干擾的地區(qū)進行干擾排查，通過以上方式綜合評價輸水管道沿線土壤的腐蝕性強弱。[2]

(1)土壤電阻率

土壤電阻率是影響地下金屬構件腐蝕的一個重要因素，土壤中的含水量、含鹽量、松緊度、質地、PH值等均能對土壤電阻率產(chǎn)生影響，故土壤電阻率是反映某些土壤理化性質的一個綜合指標，因此，土壤電阻率被普遍認為是重要的腐蝕指標之一。我國一般地區(qū)土壤腐蝕性分級標準[3](見表1)。

表1 一般地區(qū)土壤腐蝕性分級標準

本工程采用等距四極法[4]進行測試，將接地電阻測量儀的四個電極以等間距a布置在一條直線上，電極入土深度小于a/20，實際操作中a取6 m，將所測結果代入土壤電阻率計算公式進行數(shù)據(jù)處理，得到圖1所示土壤電阻率分布圖。

圖1 測試點土壤電阻率分布圖

從圖1中可以看出，測試區(qū)域土壤電阻率集中在10～14 Ω·m之間，且大部分均低于15 Ω·m，所測區(qū)域土壤腐蝕性等級均為“強”，鋼制輸水管道在埋設區(qū)域土壤環(huán)境中易受到腐蝕。

(2)其它理化指標

土壤其它理化指標主要通過20個測試點土壤現(xiàn)場取樣后在實驗室測試，將測試結果與相關規(guī)范的腐蝕性評價標準進行對比，從而得到各單項腐蝕等級評價[5]。實驗結果顯示，土壤單項腐蝕因子測試結果大部分為“微”腐蝕性，部分為“弱”或“中”，但結合土壤電阻率評價方法，土壤綜合腐蝕性應定為“強”級，對埋地輸水管道進行陰極保護很有必要。

(3)雜散電流干擾排查

在長距離輸水管道中可能產(chǎn)生雜散電流干擾的位置主要在石油天然氣管線、電氣化鐵路及高壓鐵塔交叉或鄰近地帶。雜散電流分為直流雜散電流與交流雜散電流，其中石油天然氣管線與電氣化鐵路可能對輸水管道產(chǎn)生直流雜散干擾，高壓鐵塔可能對輸水管道產(chǎn)生交流雜散干擾。對于在新建管道的設計階段，主要進行直流雜散干擾排查。[6]本工程選取4處與天然氣管線或高鐵交叉的典型位置進行測試，測試結果表明，測試1號點(電位梯度為2～3 mV/m)與測試4號點(電位梯度為3～5 mV/m)雜散強度為“中”，測試2號點(電位梯度為10～12 mV/m)與測試3號點(電位梯度為15～20 mV/m)雜散強度為“強”，設計中應考慮雜散電流排流措施，并在管道鋪設過程中沿線仔細排查可能存在的直流及交流雜散電流，從而定量考慮排流方案。

4 陰極保護工程的設計

本工程管道類型較多，主要有普通埋地鋼管、鋼頂管、鋼筋混凝土頂管內置鋼管及球墨鑄鐵管。由于球墨鑄鐵材料的耐腐蝕性強于碳鋼材料，平均腐蝕速率是鋼管的1/3～1/2，加上球墨鑄鐵管外壁涂料的防護，可以保證較長的使用壽命，因此，本工程主要針對鋼管進行陰極保護設計。[7]陰極保護設計方法為傳統(tǒng)計算與有限元仿真模擬相結合、施工過程中進一步優(yōu)化調整的方法。

根據(jù)輸水管道外防腐類型、設計使用壽命及防腐層絕緣電阻與陰極保護電流的關系，結合輸水管道使用年限，借鑒國內外埋地鋼制管道工程的成功案例，選擇本工程普通埋地鋼管段的陰極保護電流密度為0.3 mA/m2，頂管段的陰極保護電流密度為0.6 mA/m2。

在土壤中陰極保護所用的犧牲陽極材料一般采用鎂合金或鋅合金。鎂合金陽極比重小，發(fā)電量大，對碳鋼的驅動電位高，易于過保護，特別適用于作懸掛式或用于電阻率(50～100 Ω·m)較高的土壤環(huán)境。[8]鋅合金陽極比重大，發(fā)電量小，對碳鋼的驅動電位低，自腐蝕程度較低，常用于電阻率(<50 Ω·m)較低的土壤環(huán)境。從本工程土壤電阻率的測試數(shù)據(jù)來看，應優(yōu)先采用鋅合金犧牲陽極。

(1)普通埋地鋼管犧牲陽極

圖2為普通埋地鋼管犧牲陽極的埋設示意圖。普通埋地鋼管采用管槽開挖后原狀土回填的施工方法，雙管平行鋪設，管頂覆土深度為1.0～1.6 m，雙管之間的凈距為0.5～1.0 m，管槽開挖寬度為2.52～7.48 m?？紤]到施工便捷性和造價經(jīng)濟性，采用棒狀鋅合金陽極組，即沿輸水管道兩側等距設置陽極坑，將鋅合金陽極包埋設在陽極坑內，通過電纜將陽極包與輸水鋼管相連，最后利用原狀土將管槽進行回填。

①通過計算得到輸水鋼管所需鋅合金陽極包的數(shù)量，并結合輸水鋼管的分節(jié)情況，最終確定鋅合金陽極包的布設間距，陽極包最好布設在靠近管節(jié)連接處，因為電纜需通過加強板焊接到輸水鋼管上，焊接點宜在管節(jié)間環(huán)向焊縫附近，以免破壞管道的熔結環(huán)氧粉末涂層。

②電纜連接焊點應在輸水鋼管(環(huán)向)水平靠下的位置，有利于焊接施工操作，另外，電纜應沿輸水鋼管管壁向下布設至管底，回折后沿管底地面連接至鋅合金陽極包，可以有效避免電纜在土壤回填的過程中被扯斷的情況發(fā)生。

③電纜連接處應進行防腐和防水(高壓絕緣膠帶纏繞)處理，以防止電纜銅芯的自腐蝕。

④鋅合金犧牲陽極包埋設后應灌水使填包料達到飽和。

圖2 普通埋地鋼管犧牲陽極埋設示意圖

(2)鋼筋混凝土頂管內置鋼管犧牲陽極

當輸水管道需要穿越高速公路、國道、省道及重要道路時，采用有鋼筋混凝土頂管內置鋼管的穿越方案。鋼筋混凝土套管內徑比鋼管外徑大0.6 m。在鋼管做好陰極保護且鋪設到鋼筋混凝土頂管里面后，內置鋼管與鋼筋混凝土頂管之間采用充砂注漿進行填實，內置鋼管式示意圖(見圖3)。

針對鋼筋混凝土頂管內置鋼管的施工特點，特采用帶狀鋅合金陽極對鋼管進行陰極保護。帶狀鋅合金陽極沿管線方向緊貼鋼管安裝，每節(jié)管道安裝4條(或2條，根據(jù)不同管徑計算確定)帶狀鋅合金陽極，通過等間距布置的環(huán)向尼龍繩將帶狀鋅合金陽極與鋼管固定。帶狀鋅合金陽極通過焊接方式將其鐵芯連接到鋼管上，焊接點選擇在管節(jié)間環(huán)向焊縫附近，以盡量避免對涂層的損傷。

圖3 鋼筋混凝土頂管內置鋼管犧牲陽極方案示意圖(僅示意單管)

(3)鋼頂管犧牲陽極

圖4為當輸水管道需要穿越河道、建筑物或其它不方便開挖的地段(重要道路除外)時，采用鋼頂管穿越方案。頂管管頂覆土厚度為3倍管徑，頂管井采用沉井型式，相鄰兩頂管井之間的距離為84～870 m。

鋼頂管陰極保護既不能等間距埋設棒狀鋅合金陽極，又無法貼管安裝帶狀鋅合金陽極，最終采用深井鎂合金陽極組的保護方式，即根據(jù)頂管井間距，在頂管井旁設置若干口豎向陽極井，將8～12只鎂合金陽極通過電纜串聯(lián)成組后埋設到陽極井中，最后采用原狀土進行回填的施工方案。該方案有以下幾個問題需要說明：

①選用鎂合金陽極作為深井陽極組的“原料”，是因為頂管井間距較大，需要保護的頂管長度相應較長，而鎂陽極比重小、發(fā)電量大，特別適合串聯(lián)成組后進行大范圍的陰極保護。

②陽極井的設置數(shù)量與頂管井間距息息相關，具體要根據(jù)計算和有限元仿真模擬結果來確定，本工程陽極井數(shù)量與頂管井間距對應關系(見表2)。

表2 陽極井數(shù)量與頂管井間距對應關系表

連續(xù)無套管頂管段，陽極數(shù)量以兩側管道長度較長的一側為準。

③陽極井中心與輸水管道中心的距離為7 m，陽極井間水平及豎向距離也為7 m，具體位置根據(jù)現(xiàn)場情況可在2 m范圍內調整。

圖4 鋼頂管犧牲陽極方案示意圖

5 結語

本文對嘉興市域外配水工程(杭州方向)輸水鋼管進行了犧牲陽極陰極保護設計，但在工程陰極保護設計前，需要對管道沿線土壤腐蝕性進行初步勘察，以論證設置陰極保護的必要性。在工程的陰極保護設計中應將傳統(tǒng)計算方法與有限元仿真模擬相結合，以得到犧牲陽極材料最佳用量，在后期施工過程中應對管道沿線土壤腐蝕性進行詳細復測，進一步優(yōu)化完善設計方案。