譚新明 陳麗

摘 要：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了廣泛認可，應(yīng)用越來越多，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，國外對PCCP管道采用了陰極保護技術(shù)，成功克服了PCCP管的腐蝕，延長了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；帶狀鋅陽極

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，并用水泥砂漿保護層而制成的管子。它的開發(fā)應(yīng)用已有半個多世紀的歷史。這一技術(shù)是法國Bonna公司最先研制的，到20世紀40年代歐、美競相開發(fā)，目前美、法各國的年產(chǎn)量達數(shù)十萬公里，其中美國、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測試方法進行了析氫測試。Lewis從測試結(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)于在輔助陽極地床附近PCCP管道開裂事故的報道。

對混凝土中鋼的腐蝕機理進行了探討，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)氯離子滲透到加強鋼筋并達到氯離子臨界濃度時，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也會發(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，就會發(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，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，碳化作用就會滲透到加強鋼筋，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，只有在氧侵入的條件下，潮濕的混凝土中才會有腐蝕危險。當(dāng)陰極表面積與陽極表面積的比值Sc/Sa很高并且陰極處于良好充氣狀態(tài)下，就會在陽極區(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管采用陰極保護是一項明智的選擇，用鋼筋混凝土試件進行的研究表明，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的試驗電位下能抑制電池的形成。

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

混凝土構(gòu)筑物的陰極保護在美國已經(jīng)有了很大進步，并制定出相應(yīng)的保護準則。準則選用了斷電測量技術(shù)，即切關(guān)斷保護電流后，在 h內(nèi)極化電位衰減超過0. V，那么可以認定這一保護效果是合適的。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，可以在受保護物體的任何部位進行此項測量。

陰極保護設(shè)計

4. 電連續(xù)性要求

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

加強鋼筋的陰極保護和雜散電流防護措施均假定通過該加強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，但是這要通過對加強鋼筋網(wǎng)的電阻測量加以驗證。為此，在互相相距很遠距離的不同點上清除掉混凝土后，把測量電纜連接到加強鋼筋上。為避免接觸電阻的影響，應(yīng)徹底除去接觸點的鐵銹。如果實測電阻值大于 Ω，表明沒有完全達到電連續(xù)性。那么應(yīng)將此鋼筋與已經(jīng)達到完全電連續(xù)性的鋼筋網(wǎng)其余加強鋼筋進行短路連接。

4. 電絕緣

為防止雜散電流的干擾和PCCP管道保護電流的流失，在保護管道的首末端、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)、外兩個表面采用雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末覆蓋層。

4. 陰極保護準則

NACE RP 0100-2004標準，要求在PCCP管道陰極保護系統(tǒng)正式投入運行后，管道的極化電位差應(yīng)不小于100 MV；最低負電位應(yīng)不負于- 000 MV（除去IR降）。本準則適用于PCCP管線陰極保護和腐蝕控制。本標準來源于實驗室試驗結(jié)果和成功的陰極保護經(jīng)驗數(shù)據(jù)。設(shè)計時，可根據(jù)經(jīng)驗來確定陰極保護方法和檢測周期，以滿足相近的標準要求。

4. 100 MV極化準則

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

4. 最低負電位應(yīng)不低于- 000 MV（CSE）

因為極化電位低于- 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時在其表面發(fā)生析氫反應(yīng)。析氫反應(yīng)過程中伴有腐蝕反應(yīng)。氫原子能進入鋼筋，破壞其性能。在弱堿環(huán)境中，析氫反應(yīng)在更負的極化電位才會反生，在這種情況下可取更負的最大保護電位值。然而，陰極保護電流在PCCP管道中通過時，pH值比無電流時更高，所以最大保護電位值限定于- 000 MV。

4.6 陰極保護方案

陰極保護分為犧牲陽極和強制電流兩種方法，各有優(yōu)缺點，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)四條帶狀鋅陽極的保護方案。本方案的特點是，電流分布均勻、不會造成過負的電位、不需要外部電源、對土壤電阻率的依賴性和影響小等。

4.8 檢測系統(tǒng)

為準確地掌握PCCP管道陰極保護系統(tǒng)的運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、排空閥井上安裝測試探頭和測試盒。

每個測試點安裝1支測試探頭；采用每公里兩管交替設(shè)置管段圓周電位分布測試探頭，每個測試點沿管道圓周安裝6支測試探頭。為保證合理的檢測兩條PCCP管道的腐蝕情況，測試探頭應(yīng)在兩條平行管線上交替設(shè)置，本工程共設(shè)置53處測試點。

4.9 測試方法

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

測試項目主要包括：管道的通電保護電位；犧牲陽極的開路電位；犧牲陽極的閉路電位；犧牲陽極的輸出電流；管道沿線的自然電位；管道的極化電位。

結(jié)語

PCCP管為排水工程提供了優(yōu)質(zhì)長壽的管道材料，對于大口徑長距離具有極大的優(yōu)勢，近幾年在國內(nèi)有了突飛猛進的發(fā)展，但由于PCCP管在國內(nèi)應(yīng)用時間較短，這類管子的腐蝕問題還沒有引起人們的重視。國內(nèi)的PCCP管技術(shù)雖然起步較晚，但起點較高，南水北調(diào)工程中的PCCP管已設(shè)計了陰極保護，并正在付諸實施，這在國內(nèi)尚屬首次，它的經(jīng)驗將會給今后國內(nèi)PCCP管的建設(shè)帶來質(zhì)的飛躍。

參考文獻

[1]竇鐵生，程冰清，胡赫，夏世法，楊進新，張奇.預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的原型試驗研究Ⅰ：內(nèi)壓[J].水利學(xué)報，2017，48（12）：1438-1446.

[2]鐘勝，馮新，趙琳，周晶.預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管插口內(nèi)壁環(huán)裂機理分析[J].市政技術(shù)，2016，34（04）：122-128.

（作者單位：新疆國統(tǒng)管道股份有限公司）