PCCP輸水管線陰極保護(hù)應(yīng)用實例及數(shù)值模擬驗證

王 靜 王善章 李威力

（青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）在國內(nèi)的供水工程中已得到廣泛認(rèn)可，應(yīng)用越來越多。在國內(nèi)實施了PCCP管陰極保護(hù)的項目中，同等規(guī)模的可參考的工程很少，而且運行時間較短，相應(yīng)的工程經(jīng)驗不足。本文就PCCP輸水管線的陰極保護(hù)設(shè)計進(jìn)行論述，通過軟件數(shù)值模擬分析與實地試驗測試相結(jié)合的方式，對保護(hù)電流密度取值的合理性和陰極保護(hù)效果進(jìn)行評估。

1 工程概述及陰極保護(hù)設(shè)計參數(shù)選擇

1.1 工程概述

某工程埋管段由3根管DN3800mm的PCCP管并排同槽布置，總長約5km，管線穿越鄂北眾多山區(qū)丘陵地帶、平原、水塘、河道等復(fù)雜地形，沿線土壤特性及其腐蝕性變化較大。PCCP管道防腐方案初擬對PCCP管道砂漿保護(hù)層外采用環(huán)氧煤瀝青涂料，同時對埋地PCCP管道及PCCP管道構(gòu)筑物（進(jìn)氣閥井、人孔、泄流閥等部位）進(jìn)行陰極保護(hù)，單節(jié)PCCP管道的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2 陰極保護(hù)設(shè)計參數(shù)選擇

PCCP管道陰極保護(hù)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 PCCP管道陰極保護(hù)設(shè)計參數(shù)

2 犧牲陽極的設(shè)計計算[1～3]

2.1 保護(hù)電流密度的選取

根據(jù)管道外防腐層種類、設(shè)計使用壽命及防腐層絕緣電阻與陰極保護(hù)電流密度的對應(yīng)關(guān)系（如表3所示），并考慮到本項目的埋地管道需使用50年，并且50年后管道防腐層絕緣電阻值下降的較大，并借鑒國內(nèi)外埋地PCCP工程的成功案例利比亞人工大運河工程、美國西部管道工程、南水北調(diào)中線工程、大伙房水庫輸水工程、遼西北調(diào)水等相關(guān)工程經(jīng)驗，因此，選擇本項目中的最小陰極保護(hù)電流密度為0.3mA/m2。

表3 電流密度和防腐層絕緣電阻的對應(yīng)關(guān)系

2.2 陰極保護(hù)總電流的計算

總陰極保護(hù)電流需要量計算如下：

I總=i×S=0.3×426570=127971mA=127.971A（其中S=142.19×（5000×3/5m）=426570m2）。

2.3 犧牲陽極的選擇

犧牲陽極材料有：鎂合金、鋅合金和鋁合金三種。通過從陽極電位、土壤電阻率、陽極使用年限及經(jīng)濟(jì)性、安全性考慮，決定選用鋅合金犧牲陽極，型號為ZP-1。鋅陽極填包料的配方：石膏粉：膨潤土：工業(yè)硫酸鈉=75:20:5（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），電阻率為1Ω·m。

2.4 單支水平式陽極接地電阻計算

其中：Ra為水平式犧牲陽極接地電阻（Ω）；

ρ為土壤電阻率（Ω·m），ρ=25Ω·m；

ρg為陽極填包料電阻率（Ω·m），ρg為=1Ω·m；

Lg為裸犧牲陽極長度（m）；

dg為裸陽極等效直徑（m）；

Dg為預(yù)包裝犧牲陽極直徑（m）；

tg為犧牲陽極中心至地面的距離（m）。

對于上式計算可得，鋅合金陽極的接地電阻Ra=5.43Ω。

2.5 犧牲陽極組輸出電流計算

其中：

Ia為陽極輸出電流（A）；

Ec為陰極開路電位（V）；

Ea為陽極開路電位（V）；

ec為陰極極化電位（V）；

ea為陽極極化電位（V）；

Rc為陰極過渡電阻（Ω）；

Ra為陽極接地電阻（Ω）；

Rw為回路導(dǎo)線電阻（Ω）；

R為回路總電阻（Ω）。

本公式中Ra>>Rc+Rw。

2.6 犧牲陽極數(shù)量計算

其中：N為陽極數(shù)量（支）；

IA為所需保護(hù)電流（A），127.971A；

Ia為單支陽極輸出電流（A）；

B為備用系數(shù)（考慮到實際施工每5m布置1只陽極及一定施工變動余量，取1.1） 。

經(jīng)過計算可知，所需鋅合金犧牲陽極為N=3060只。

2.7 犧牲陽極壽命計算

式中：T為陽極工作壽命（a）；

w為陽極凈質(zhì)量（kg）；

ω為陽極消耗率[kg/(A·a)]；

I為陽極平均輸出電流（A）。

對于ZP-1鋅合金陽極，w=49kg，ω=17.25kg/（A·a），I=0.046A，計算可得設(shè)計壽命T=52.49年，滿足設(shè)計壽命不小于50年的要求。

3 陰極保護(hù)效果評估

3.1 陰極保護(hù)現(xiàn)場測試結(jié)果

現(xiàn)場采用數(shù)字萬用表、ZC-8接地電阻測試儀、雙臂電橋等檢測設(shè)備，對陰極保護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實地測量，測量結(jié)果如表4所示。

表4 實地測量結(jié)果

3.2 陰極保護(hù)效果分析

經(jīng)實地測試，陽極在埋設(shè)后，其陽極開路、閉路電位均滿足設(shè)計要求，分析試驗數(shù)據(jù)，各區(qū)域的陰極保護(hù)電位均達(dá)到有效保護(hù)電位，普遍處于-0.88V～-0.98V，結(jié)合自然電位值普遍處于-0.3～-0.5，各處構(gòu)件電位極化差值均大于100mV，證實有充足的陽極保護(hù)電流作用在被保護(hù)構(gòu)件，各管段的陰極保護(hù)均成功實現(xiàn)了對管道的有效保護(hù)。

4 軟件數(shù)值模擬分析

仿真分析軟件采用BEASY公司開發(fā)的Beasy金屬腐蝕仿真軟件，可以進(jìn)行多變化條件下管線陰極保護(hù)效果的模擬分析，可以進(jìn)行特定條件下管線電位分布情況的數(shù)值模擬。

4.1 鋅陽極保護(hù)仿真模型

塊狀鋅陽極規(guī)格為Z P-1，尺寸為1 0 0 0×（78+88）×85mm，重50kg，鋅陽極位于管道底部，陽極間距為5m。建立的仿真模型如圖1所示。

圖1 塊狀鋅陽極陰極保護(hù)數(shù)值模型

4.2 鋅陽極保護(hù)仿真效果

利用建立的模型，對塊狀鋅陽極陰極保護(hù)效果進(jìn)行仿真計算，其保護(hù)效果如圖2所示。由圖可知，管道的保護(hù)電位在-0.92V～-0.98V之間，該保護(hù)電位區(qū)間能使管道得到有效保護(hù)，且保護(hù)電位分布較均勻。

圖2 塊狀鋅陽極陰極保護(hù)效果

5 結(jié)語

分析試驗數(shù)據(jù)，采用ZP-1型棒狀鋅陽極，經(jīng)過現(xiàn)場實地測量和數(shù)值仿真計算，均可實現(xiàn)對管道的有效、均勻保護(hù)，同時驗證最小保護(hù)電流密度取值的是合理的，以及陰極保護(hù)計算結(jié)果的正確性。