范建強(qiáng)，趙令劍，李鳳濱

(1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000；2.遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

供水管線面臨的電化學(xué)腐蝕問(wèn)題，特別是容易產(chǎn)生問(wèn)題的埋地鋼管、PCCP管，其安全防護(hù)面臨著非常嚴(yán)峻的考驗(yàn)。陰極防腐手段是應(yīng)對(duì)供水管線電化學(xué)腐蝕強(qiáng)有力的保障措施。目前該技術(shù)研究文章，常見(jiàn)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(hù)，也可見(jiàn)于接地設(shè)備防護(hù)[8]、水工結(jié)構(gòu)防護(hù)[9]等，有著非常廣闊的研究領(lǐng)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(yīng)用的有效性及實(shí)踐推廣方面存在著不足，理論與實(shí)踐存在著脫節(jié)，主要體現(xiàn)在：①陰極防腐的某些電化學(xué)機(jī)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(guò)程是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，其防腐有效性難以長(zhǎng)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(shí)踐上難以推廣。針對(duì)上述出現(xiàn)的不足，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)某重點(diǎn)供水工程陰極防腐運(yùn)行管理維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，從多角度、多方面對(duì)陰極防腐工程的應(yīng)用實(shí)踐重點(diǎn)領(lǐng)域進(jìn)行綜述說(shuō)明，為后續(xù)陰極防腐技術(shù)的研究及實(shí)踐推廣提供重要的數(shù)據(jù)支持及借鑒價(jià)值。

1 工程概況

某國(guó)內(nèi)著名的供水工程自2010年11月份投入生產(chǎn)運(yùn)行，管線的防腐及安全防護(hù)一直視為重中之重，其中管線的陰極防腐工程量巨大，任務(wù)非常重，這與管線的建設(shè)特點(diǎn)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(zhǎng)達(dá)261km，管段銜接采用法蘭連接；③沿線附屬設(shè)備設(shè)施眾多，其中空氣閥(井)、檢修閥、調(diào)流閥、泵組等總計(jì)達(dá)2000臺(tái)；④交叉穿越管段較多，其中包含穿越國(guó)道12次、穿越河流8次，穿越交叉管線6次等共計(jì)約32次；⑤管線幾乎全部埋設(shè)于地下，沿線地質(zhì)、水環(huán)境多樣且復(fù)雜；⑥管線運(yùn)行采用高壓供水且運(yùn)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(xué)腐蝕，一種是間接接觸的電化學(xué)腐蝕。其中最為常見(jiàn)的、危害較大的是電化學(xué)腐蝕。

電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生的基本條件：①必須有陽(yáng)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(dǎo)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(shè)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(shí)，管線內(nèi)、外與水體或?qū)щ娡寥拉h(huán)境，為陰陽(yáng)極的電性連接創(chuàng)造了條件，從而導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕的產(chǎn)生。

電化學(xué)腐蝕具有反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、反應(yīng)速度慢、時(shí)間長(zhǎng)、難探測(cè)等特點(diǎn)，同時(shí)由于該腐蝕的存在，使得管線的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)腐蝕類(lèi)型及主要影響因素

3.1 供水管線電化學(xué)腐蝕類(lèi)型

本工程的供水管線電化學(xué)腐蝕發(fā)生在以下部位：埋地管線外壁、鋼管腐蝕；預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(簡(jiǎn)寫(xiě)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(jiàn)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(hù)最為重要，原因如下：

PCCP管預(yù)應(yīng)力鋼絲砂漿保護(hù)層僅為25mm，屬于相對(duì)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(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致鋼套筒或纏繞鋼絲的電化學(xué)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(jìn)而引發(fā)管線滲漏、爆裂災(zāi)害。

3.2 電化學(xué)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(dǎo)電性能綜合指標(biāo)，是陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)，其值受含水量及溫度的影響比較大，當(dāng)含水量大于16%時(shí)或溫度達(dá)到0℃以上，土壤電阻率保持相對(duì)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(qiáng)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(rèn)為，當(dāng)土壤或水體pH值處于6～8之間一般不會(huì)是影響土壤腐蝕性的主要變量。當(dāng)pH<4時(shí)，鐵的腐蝕速率顯著增大；當(dāng)pH值較高時(shí)，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(gè)反映電化學(xué)腐蝕的強(qiáng)度綜合指標(biāo)，電位值越高，氧化性越強(qiáng)，電位越低，氧化性越弱。電位值為正值時(shí)，表現(xiàn)出一定氧化性，為負(fù)值時(shí)，顯示出還原性。

本工程上認(rèn)為，當(dāng)氧化還原電位測(cè)值小于0.4V時(shí)，土壤被認(rèn)為是腐蝕性的，當(dāng)氧化還原電位大于0.4V時(shí)，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(chē)、無(wú)軌電車(chē)、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(yīng)用實(shí)踐

4.1 管道防腐施工基本要求

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

被保護(hù)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(shí)，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(shí)，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(dāng)管道與其他結(jié)構(gòu)平行時(shí)，其間距一般大于10m。每隔1～2km安裝一個(gè)測(cè)試樁。如果相鄰管道權(quán)屬單位不同或陰極保護(hù)方式不一樣，應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢妙A(yù)留跨接線共用測(cè)試樁，陰極保護(hù)投用后，如果發(fā)現(xiàn)互相干擾，可以將管道進(jìn)行跨接，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合保護(hù)。

管道上的閥門(mén)、三通、管件也要涂覆，管道上的電動(dòng)閥頭要不閥體絕緣(可采用接地電池進(jìn)行接地)。管道不能與固定墩中的鋼筋短路。采用金屬支架進(jìn)行跨越時(shí)，應(yīng)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(hù)方法

4.2.1犧牲陽(yáng)極保護(hù)方法

本工程普遍采用的是犧牲陽(yáng)極保護(hù)的方法，其典型布置方式如圖1所示，該法一次性投資費(fèi)用低，維護(hù)簡(jiǎn)單，保護(hù)電流的利用率高且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)保護(hù)現(xiàn)象，另外，對(duì)臨近金屬設(shè)施的干擾較小。

圖1 犧牲陽(yáng)極兩種布置圖

犧牲陽(yáng)極的材質(zhì)常見(jiàn)的有鎂質(zhì)、鋅質(zhì)、鋁質(zhì)3種。其中，鋅質(zhì)陽(yáng)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(guò)49℃時(shí)嚴(yán)禁使用，低于49℃時(shí)必須配合使用回填料(成分一般為石膏粉75%、膨潤(rùn)土20%、硫酸鈉5%，電阻率會(huì)在50Ω·m 左右)；鎂質(zhì)陽(yáng)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(cè)值大多介于20～50Ω·m，為中等腐蝕區(qū)，因此陽(yáng)極材質(zhì)以鎂質(zhì)為主，需要注意的是，鎂陽(yáng)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(jìn)行實(shí)際安裝時(shí)，確保陽(yáng)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(hù)方法

本工程也局部采用外加電流陰極保護(hù)方法，其應(yīng)用選擇位置有三類(lèi)：

Ⅰ類(lèi)：保護(hù)范圍內(nèi)電阻率大于50Ω·m的微、弱腐蝕區(qū)；

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

Ⅲ類(lèi)：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(hù)方法施工圖

4.3 PCCP管線防護(hù)涂層設(shè)計(jì)

PCCP管防腐方案與土壤電阻率大小有關(guān)，涂層量的計(jì)算應(yīng)分類(lèi)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[16]，本工程設(shè)計(jì)綜合國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及工程使用經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，采用的防腐標(biāo)準(zhǔn)為：

(1)當(dāng)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(shí)，PCCP外覆涂層隔絕防腐，并施加犧牲鋅陽(yáng)極的陰極保護(hù)。

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

(3)當(dāng)土壤電阻率>50Ω·m時(shí)，PCCP外覆涂層隔絕防腐。

4.4 參比電極及電位測(cè)試樁

參比電極是用來(lái)測(cè)量電極電位的，是陰極保護(hù)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(hù)檢測(cè)的埋地型長(zhǎng)壽命Cu/CuSO4參比電極和用于PCCP管陰極保護(hù)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)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(cè)試樁剖面圖

測(cè)試樁用于陰極保護(hù)電位的監(jiān)測(cè)，若管道陰極保護(hù)有效，則電位標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)土壤中鋼管保護(hù)電位標(biāo)準(zhǔn)：大于-1.25V小于-0.85V(CuSO4參比電極)；

(2)PCCP管保護(hù)電位標(biāo)準(zhǔn)：大于-1.2V小于管道自然腐蝕電位。

本供水工程在陰極保護(hù)段每2km、腐蝕監(jiān)測(cè)段每2km設(shè)置均設(shè)置測(cè)試樁一處；每獨(dú)立的過(guò)河或過(guò)路段均設(shè)置一處。

5 結(jié)語(yǔ)

本工程的陰極防腐技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的施工維護(hù)，歷經(jīng)多年工程實(shí)踐考驗(yàn)，其有效性得到了充分體現(xiàn)，對(duì)類(lèi)似陰極防腐技術(shù)具有多方面的指導(dǎo)意義。

(2)供水管線犧牲陽(yáng)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(yīng)分別進(jìn)行選定；外加電流保護(hù)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(hù)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(hù)的有效性可通過(guò)保護(hù)電位測(cè)定值進(jìn)行評(píng)定。

陰極防腐工程是一個(gè)龐雜的工程，其防護(hù)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(shè)計(jì)思路，不同的工程、設(shè)備防腐防護(hù)時(shí)，可從以上角度進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行改進(jìn)，才能確保防腐的長(zhǎng)期有效性。