陰極保護(hù)在PCCP輸水管線工程的應(yīng)用實(shí)例

王 靜 盧宗春 張 偉

（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

某地區(qū)PCCP輸水管線供水項(xiàng)目，PCCP管段（樁號(hào) 55+181~60+181），為防止PCCP管中的鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕，對(duì) PCCP管道砂漿保護(hù)層外采用環(huán)氧煤瀝青涂料，同時(shí)對(duì)埋地 PCCP管道構(gòu)筑物進(jìn)行陰極保護(hù)，延長PCCP管的使用年限。

1 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)[1-6]

1.1 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)原則

（1）管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)保護(hù)年限50年；

（2）PCCP的陰極極化電位差不小于100mV，允許的最負(fù)極化電位為-1000mV/CSE；

（3）鋼管最小保護(hù)電位為-0.85V（相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極）或極化電位差不小于100mV；

（4）在有效保護(hù)期間內(nèi)，管線腐蝕基本上得到有效控制，不發(fā)生腐蝕泄漏。

1.2 埋地PCCP管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）管道總長度：5km×3（3根管道并排），單節(jié)長度5m；

（2）防腐層：環(huán)氧煤瀝青；

（3）單節(jié)鋼筒外壁面積：62.33m2；

（4）單節(jié)PCCP管內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋表面積： 79.86m2；

（5）單節(jié)PCCP管鋼筒和鋼筋陰極保護(hù)總面積：142.19m2；

（6）管道沿線平均土壤電阻率：25Ω·m（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值）；

（7）陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命：50年。

1.3 埋地PCCP管道陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.3.1 陰極保護(hù)總電流的計(jì)算

根據(jù)管道外壁防腐層種類、設(shè)計(jì)使用壽命50年及陰極保護(hù)電流密度與防腐層絕緣電阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并借鑒國內(nèi)外埋地PCCP工程的成功案例，比如南水北調(diào)項(xiàng)目，選擇本項(xiàng)目中的最小陰極保護(hù)電流密度取0.3mA/m2。

總陰極保護(hù)電流需要量計(jì)算如下：

其中：i=0.3mA/m2；

S=426530m2。

1.3.2 犧牲陽極種類的選擇

犧牲陽極材料有：鎂合金、鋅合金和鋁合金三種，在土壤中，通常選擇鎂合金和鋅合金，其性能如表1所示。通過從陽極電位、土壤電阻率、陽極使用年限及經(jīng)濟(jì)性、PCCP管道安全性考慮，決定選用ZR-1型帶狀鋅合金犧牲陽極，其規(guī)格為25.40×31.75mm，在土壤電阻率大于20Ω·m的部位，鋅陽極填包料的配方為：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。

表1 鎂陽極與鋅合金陽極電化學(xué)性能（土壤中）

1.3.3 單支帶狀鋅合金犧牲陽極接地電阻計(jì)算

其中：

Ra-帶狀鋅合金犧牲陽極接地電阻（Ω）；

ρ-土壤電阻率（Ω·m），ρ=25Ω·m；

Lg-裸犧牲陽極長度（m）。

對(duì)于ZR-1型鋅合金，ρ=25Ω·m，考慮到帶狀鋅合金陽極容易斷裂的情況，單支長度平均按照Lg=100m計(jì)算，代入上式計(jì)算可得，100米ZR-1型鋅合金陽極的接地電阻Ra=0.25Ω。

1.3.4 單支帶狀鋅合金犧牲陽極輸出電流計(jì)算

其中：

Ia-陽極輸出電流（A）；

Ec-陰極開路電位（V）；

Ea-陽極開路電位（V）；

ec-陰極極化電位（V）；

ea-陽極極化電位（V）；

Rc-陰極過渡電阻（Ω）；

Ra-陽極接地電阻（Ω）；

Rw-回路導(dǎo)線電阻（Ω）；

△E陽極有效電位差（V）；

R-回路總電阻（Ω）。

本公式中Ra>>Rc+Rw，因此可簡化為：

對(duì)于ZR-1型鋅合金犧牲陽極，根據(jù)德國DIN標(biāo)準(zhǔn)PCCP中鋼筋的保護(hù)電位為-750mV。

故取△E=0.25V，代入上式計(jì)算可得100米帶狀鋅陽極Ia=1A，即每米帶狀鋅陽極可輸出0.01A 電流。

1.3.5 犧牲陽極數(shù)量計(jì)算

其中：N-陽極數(shù)量（米）；

IA-所需保護(hù)電流，127.971A；

Ia-每米帶狀陽極的輸出電流0.01A；

B-備用系數(shù)，取3。

1.3.6 犧牲陽極壽命計(jì)算

式中： T-陽極工作壽命（a）；

w-陽極凈質(zhì)量（kg）；

ω-陽極消耗率[kg/(A·a)]；

-陽極平均輸出電流（A）。

對(duì)于ZR-1型鋅合金犧牲（陽極帶線質(zhì)量為3.57kg/m），w=3.57kg，ω=17.25kg/（A·a），I=0. 0032A（127.971/40000），計(jì)算可得設(shè)計(jì)壽命T=54.9年，滿足設(shè)計(jì)壽命大于50年的要求。

2 犧牲陽極分布位置設(shè)計(jì)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，鋅帶分8處布置，其分布位置如圖1所示，鋅帶距離管道外壁0.5～1.0米，鋅帶周圍鋪設(shè)一層橫截面積為0.3×0.3m的犧牲陽極填包料將陽極包裹，條件允許的話，陽極填包料應(yīng)用足量的水浸泡。

圖1 鋅帶位置安裝剖視圖

經(jīng)過計(jì)算可知，所需ZR-1型鋅合金犧牲陽極為38391米，考慮到實(shí)際施工需要，帶狀鋅陽極的數(shù)量取40000米，即同槽的3條PCC鋪設(shè)8條帶狀鋅陽極。

3 陰極保護(hù)數(shù)據(jù)測(cè)試

3.1 測(cè)量工具[7]

數(shù)據(jù)萬用表、ZC-8接地電阻測(cè)試儀、雙臂電橋。

3.2 實(shí)地測(cè)量結(jié)果

對(duì)帶狀鋅合金犧牲陽極，Y-02單元至Y-06單元管段分別測(cè)試2處，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 沿線陰極保護(hù)數(shù)據(jù)

4 陰極保護(hù)效果分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，陽極埋設(shè)后，陽極開路電位均小于-1.05V（相對(duì)于CSE），陽極閉路電位均小于-1.03V（相對(duì)于CSE），符合設(shè)計(jì)要求。原設(shè)計(jì)中預(yù)估陽極平均輸出電流值為0.0032A，實(shí)際陽極初始輸出電流值為0.0021-0.0031A，實(shí)際工程中，陽極壽命預(yù)估為56～83年，滿足設(shè)計(jì)壽命大于50年的 要求。

經(jīng)過工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值與原設(shè)計(jì)參數(shù)取值的對(duì)比可知，實(shí)際工程中，陽極在初始階段提供了足量電流已實(shí)現(xiàn)有效陰極保護(hù)。