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生直流雜散干擾，高壓鐵塔可能對輸水管道產生交流雜散干擾。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。考慮到施工便捷性和造價經濟性，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。