供水管線陰極防腐應用實踐

范建強，趙令劍，李鳳濱

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學院，福建 永安 366000；2.遼寧潤中供水有限責任公司，遼寧 沈陽 110166)

供水管線面臨的電化學腐蝕問題，特別是容易產(chǎn)生問題的埋地鋼管、PCCP管，其安全防護面臨著非常嚴峻的考驗。陰極防腐手段是應對供水管線電化學腐蝕強有力的保障措施。目前該技術(shù)研究文章，常見于輸油管線[1]、天然氣管道[2- 3]及輸水埋地管道[4- 7]的安全保護，也可見于接地設備防護[8]、水工結(jié)構(gòu)防護[9]等，有著非常廣闊的研究領域。然而，相比陰極防腐工程的理論研究多樣化，陰極防腐技術(shù)在與工程應用的有效性及實踐推廣方面存在著不足，理論與實踐存在著脫節(jié)，主要體現(xiàn)在：①陰極防腐的某些電化學機理[10- 13]尚不明晰；②陰極防腐手段多樣，不同工程下的防腐手段差異較大；③陰極防腐過程是一個長期過程，其防腐有效性難以長久保障；④某些特殊材料、加工工藝下的防腐工程[14- 15]投資巨大，實踐上難以推廣。針對上述出現(xiàn)的不足，本文結(jié)合國內(nèi)某重點供水工程陰極防腐運行管理維護經(jīng)驗，從多角度、多方面對陰極防腐工程的應用實踐重點領域進行綜述說明，為后續(xù)陰極防腐技術(shù)的研究及實踐推廣提供重要的數(shù)據(jù)支持及借鑒價值。

1 工程概況

某國內(nèi)著名的供水工程自2010年11月份投入生產(chǎn)運行，管線的防腐及安全防護一直視為重中之重，其中管線的陰極防腐工程量巨大，任務非常重，這與管線的建設特點密不可分，主要體現(xiàn)在：①供水管線以鋼管和PCCP管為主(占比75%)，這兩種管線易受腐蝕破壞，防腐布置非常重要；②供水管線總長達261km，管段銜接采用法蘭連接；③沿線附屬設備設施眾多，其中空氣閥(井)、檢修閥、調(diào)流閥、泵組等總計達2000臺；④交叉穿越管段較多，其中包含穿越國道12次、穿越河流8次，穿越交叉管線6次等共計約32次；⑤管線幾乎全部埋設于地下，沿線地質(zhì)、水環(huán)境多樣且復雜；⑥管線運行采用高壓供水且運行調(diào)度作業(yè)繁重，微小滲水不可避免，集水、滲水現(xiàn)象不可避免。

2 供水管線出現(xiàn)腐蝕的原因

管線腐蝕分為兩種，一種是直接接觸的化學腐蝕，一種是間接接觸的電化學腐蝕。其中最為常見的、危害較大的是電化學腐蝕。

電化學腐蝕產(chǎn)生的基本條件：①必須有陽極；②必須有陰極；③兩極之間電性連接；④兩極極置于同一導電性介質(zhì)中(通常是水或土壤)。

供水鋼管的不同組分之間、PCCP管內(nèi)金屬與鄰近設備結(jié)構(gòu)之間、管道上各部分(如焊道、三通、彎頭)等都存在著電位差異，同時，管線內(nèi)、外與水體或?qū)щ娡寥拉h(huán)境，為陰陽極的電性連接創(chuàng)造了條件，從而導致電化學腐蝕的產(chǎn)生。

電化學腐蝕具有反應機理復雜、反應速度慢、時間長、難探測等特點，同時由于該腐蝕的存在，使得管線的使用壽命遠遠低于理論壽命，因而，行之有效的陰極防腐工程措施意義非常重要。

3 供水管線電化學腐蝕類型及主要影響因素

3.1 供水管線電化學腐蝕類型

本工程的供水管線電化學腐蝕發(fā)生在以下部位：埋地管線外壁、鋼管腐蝕；預應力鋼筒混凝土管(簡寫PCCP)鋼套筒或纏繞鋼絲位置。

其中埋地管線多為與腐蝕性土壤或水體接觸，鋼管腐蝕常見管體本身腐蝕、防腐層脫落后的腐蝕兩種，而本工程很大比例采用PCCP管其腐蝕防護最為重要，原因如下：

PCCP管預應力鋼絲砂漿保護層僅為25mm，屬于相對薄弱的部位。由于砂漿層本身存在著或多或少的氣孔和裂縫，給水和腐蝕性介質(zhì)提供了存留的滲透的條件，會進一步導致鋼套筒或纏繞鋼絲的電化學腐蝕，從內(nèi)部造成PCCP管的結(jié)構(gòu)破壞，降低其承壓能力，或進而引發(fā)管線滲漏、爆裂災害。

3.2 電化學腐蝕主要影響因素

3.2.1土壤電阻率

土壤電阻率是供水管線外部水(土)環(huán)境導電性能綜合指標，是陰極保護設計的一個非常重要的指標，其值受含水量及溫度的影響比較大，當含水量大于16%時或溫度達到0℃以上，土壤電阻率保持相對恒定。

根據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》2009版，土壤電阻率低于20Ω·m的為強腐蝕區(qū)；電阻率值在20～50Ω·m的為中等腐蝕區(qū)；電阻率值在50～100Ω·m的為弱腐蝕區(qū)；電阻率值大于100Ω·m的為微腐蝕區(qū)。

3.2.2pH值

通常認為，當土壤或水體pH值處于6～8之間一般不會是影響土壤腐蝕性的主要變量。當pH<4時，鐵的腐蝕速率顯著增大；當pH值較高時，鐵將發(fā)生鈍化，有較好的防腐作用。

3.2.4氧化還原電位

氧化還原電位是一個反映電化學腐蝕的強度綜合指標，電位值越高，氧化性越強，電位越低，氧化性越弱。電位值為正值時，表現(xiàn)出一定氧化性，為負值時，顯示出還原性。

本工程上認為，當氧化還原電位測值小于0.4V時，土壤被認為是腐蝕性的，當氧化還原電位大于0.4V時，土壤是非腐蝕性的。

3.2.5雜散電流腐蝕

雜散電流造成的腐蝕比自然腐蝕要大得多，并且較為集中，多源于穿越交叉建筑物。比如直流氣電化鐵路、有軌電車、無軌電車、電解電鍍裝置和采礦牽引系統(tǒng)等產(chǎn)生的直流干擾或著交流架空或埋地輸電線、交流電氣化鐵路及交流輸電相的形式產(chǎn)生的交流干擾。

4 供水工程陰極防腐應用實踐

4.1 管道防腐施工基本要求

受保護的管道若非焊接施工必須電氣連續(xù)，設有承插口、法蘭連接的閥門，需要跨接線跨接。

被保護的管道必須和其他埋地管道、電纜、接地極絕緣，絕緣方式采用絕緣法蘭或絕緣接頭；套管穿越時，主管和套管之間需要安裝絕緣墊塊。

管道穿越其他管道、電纜或者埋地結(jié)構(gòu)時，兩者間距要大于0.4m，如果間距小于0.1m，要在他們之間安裝絕緣板。當管道與其他結(jié)構(gòu)平行時，其間距一般大于10m。每隔1～2km安裝一個測試樁。如果相鄰管道權(quán)屬單位不同或陰極保護方式不一樣，應在適當?shù)奈恢妙A留跨接線共用測試樁，陰極保護投用后，如果發(fā)現(xiàn)互相干擾，可以將管道進行跨接，實現(xiàn)聯(lián)合保護。

管道上的閥門、三通、管件也要涂覆，管道上的電動閥頭要不閥體絕緣(可采用接地電池進行接地)。管道不能與固定墩中的鋼筋短路。采用金屬支架進行跨越時，應在管道跨越兩端安裝絕緣接頭，并用跨接線將跨越兩端的管道連接。

4.2 兩種陰極防腐保護方法

4.2.1犧牲陽極保護方法

本工程普遍采用的是犧牲陽極保護的方法，其典型布置方式如圖1所示，該法一次性投資費用低，維護簡單，保護電流的利用率高且不會產(chǎn)生過保護現(xiàn)象，另外，對臨近金屬設施的干擾較小。

圖1 犧牲陽極兩種布置圖

犧牲陽極的材質(zhì)常見的有鎂質(zhì)、鋅質(zhì)、鋁質(zhì)3種。其中，鋅質(zhì)陽極適用于電阻率小于20Ω·m 的土壤環(huán)境或淡水中，環(huán)境溫度超過49℃時嚴禁使用，低于49℃時必須配合使用回填料(成分一般為石膏粉75%、膨潤土20%、硫酸鈉5%，電阻率會在50Ω·m 左右)；鎂質(zhì)陽極適用于電阻率在20～70Ω·m的土壤或淡水環(huán)境。

本工程的電阻率測值大多介于20～50Ω·m，為中等腐蝕區(qū)，因此陽極材質(zhì)以鎂質(zhì)為主，需要注意的是，鎂陽極電容量容易受表面電流密度影響，使用壽命一般在20年以內(nèi)，在進行實際安裝時，確保陽極與管道的距離至少大于1.5m。

4.2.2外加電流陰極兩種保護方法

本工程也局部采用外加電流陰極保護方法，其應用選擇位置有三類：

Ⅰ類：保護范圍內(nèi)電阻率大于50Ω·m的微、弱腐蝕區(qū)；

Ⅱ類：存在強烈雜散電流干擾區(qū)，比如交叉穿越河流、高速路、國道、省道、鐵路等交叉穿越管段，如圖2所示；

Ⅲ類：局部裸露或防腐層質(zhì)量交叉的管道。

圖2 穿越河道的外加電流陰極保護方法施工圖

4.3 PCCP管線防護涂層設計

PCCP管防腐方案與土壤電阻率大小有關(guān)，涂層量的計算應分類進行統(tǒng)計[16]，本工程設計綜合國內(nèi)外標準及工程使用經(jīng)驗教訓，采用的防腐標準為：

(1)當土壤電阻率在20Ω·m以下，且地下水或土壤中氯離子含量≥250ppm時，PCCP外覆涂層隔絕防腐，并施加犧牲鋅陽極的陰極保護。

(2)當20Ω·m<土壤電阻率≤50Ω·m時，PCCP外覆涂層隔絕防腐，PCCP施以電聯(lián)結(jié)，埋設連接陽極電纜。

(3)當土壤電阻率>50Ω·m時，PCCP外覆涂層隔絕防腐。

4.4 參比電極及電位測試樁

參比電極是用來測量電極電位的，是陰極保護系統(tǒng)的重要組成部分。本供水工程采用了兩種參比電極，分別用于鋼管陰極保護檢測的埋地型長壽命Cu/CuSO4參比電極和用于PCCP管陰極保護檢測和監(jiān)測的二氧化錳參比電極，其布置形式如圖3—6所示。

圖3 參比電極縱向布置圖

圖4 PCCP管線參比電極剖面布置圖

圖5 鋼管參比電極剖面布置圖

圖6 電位測試樁剖面圖

測試樁用于陰極保護電位的監(jiān)測，若管道陰極保護有效，則電位標準如下：

(1)土壤中鋼管保護電位標準：大于-1.25V小于-0.85V(CuSO4參比電極)；

(2)PCCP管保護電位標準：大于-1.2V小于管道自然腐蝕電位。

本供水工程在陰極保護段每2km、腐蝕監(jiān)測段每2km設置均設置測試樁一處；每獨立的過河或過路段均設置一處。

5 結(jié)語

本工程的陰極防腐技術(shù)經(jīng)過長期的施工維護，歷經(jīng)多年工程實踐考驗，其有效性得到了充分體現(xiàn)，對類似陰極防腐技術(shù)具有多方面的指導意義。

(2)供水管線犧牲陽極材質(zhì)及防腐涂層選擇，主要與土壤電阻率大小密切相關(guān)，應分別進行選定；外加電流保護管線主要是交叉穿越管道。

(3)從使用效果和壽命而言，可采用Cu/CuSO4作為鋼管陰極保護的參比電極，采用二氧化錳用于PCCP管線防腐參比電極。

(4)管線陰極保護的有效性可通過保護電位測定值進行評定。

陰極防腐工程是一個龐雜的工程，其防護條件、方法多式多樣，本文提供的方法為提供的僅是其中一種防腐設計思路，不同的工程、設備防腐防護時，可從以上角度進行分析，結(jié)合工程實踐進行改進，才能確保防腐的長期有效性。