李 冰

(上饒市水利水電工程建設(shè)監(jiān)理中心，江西 上饒 334000)

1 工程背景

鄱湖灌區(qū)位于鄱陽縣中北部，東接景德鎮(zhèn)市浮梁縣，北鄰安徽東至縣，西與九江市都昌縣接壤，南臨余干縣。灌區(qū)范圍涉及鄱陽縣的16個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，314個村，灌區(qū)總面積為13.49×104hm2，其中耕地面積4.85×104hm2，設(shè)計灌溉面積2.34×104hm2，目前實(shí)際灌溉面積1.34×104hm2。灌區(qū)地勢東北高、西南低，全境以低丘崗地、濱湖平原為主。鄱湖灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段為四干渠2標(biāo)(樁號0-118-15+744)引水管道及渠系建筑物工程，該引水工程PCCP引水管道長期埋設(shè)于地下，工程區(qū)土壤氯離子含量較高，對引水管道電化學(xué)電化學(xué)腐蝕性較大，為此，應(yīng)采用陰極保護(hù)抵御PCCP引水管道電化學(xué)腐蝕。

在灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段設(shè)計階段，根據(jù)項目區(qū)土壤、地下水、電阻率等條件將引水管線劃分為若干防腐段，并充分檢測管線沿線地下水水質(zhì)和土壤氯離子含量，以便有針對性的對不同防腐段采取仿佛措施。該灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段防腐段的劃分情況詳見表1所示。

表1 灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段防腐段的劃分情況

鄱湖灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段引水管道及渠系建筑物工程施工前，國家并無相關(guān)的引水管道防腐保護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范可以遵循，為此，該工程主要參考和借鑒了國外相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，如美國混凝土壓力管道協(xié)會的《混凝土管道面層防腐技術(shù)》、美國水工協(xié)會的《混凝土壓力管道手冊》等，以上規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)均針對土壤電阻率和氯離子含量給出了引水管道防腐技術(shù)措施建議，雖然其規(guī)定和建議與本工程存在定量標(biāo)準(zhǔn)方面的差異，但是具有很大的相似之處，如引水管道埋設(shè)在干濕交替頻繁地區(qū)；土壤電阻率不足15Ω·m；氯離子含量較高的土壤條件下除應(yīng)提供鈍化環(huán)境外，還應(yīng)增加防腐外涂層或?qū)嵤╆帢O保護(hù)措施。根據(jù)我國《巖土工程勘察規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)土體中含氯量不足250ppm時，土壤對混凝土及鋼筋結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生腐蝕影響。綜合考慮國內(nèi)外有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合本灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目土壤腐蝕環(huán)境，將防腐標(biāo)準(zhǔn)確定如下：

當(dāng)土壤中含氯量不足250ppm且土壤電阻率在20Ω·m以下時，在PCCP引水管道外覆涂層并采取陰極保護(hù)的措施隔絕防腐；當(dāng)土壤電阻率在20Ω·m及以下時，通過電連接和陰極保護(hù)防腐；當(dāng)土壤電阻率∈(20,50]Ω·m時，應(yīng)通過電連接，并設(shè)置腐蝕監(jiān)測樁；當(dāng)土壤電阻率在50Ω·m以上時，僅通過電連接防腐。

2 引水管道陰極保護(hù)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

根據(jù)鄱湖灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段實(shí)際情況確定陰極保護(hù)參數(shù)，并進(jìn)行PCCP引水管道實(shí)際保護(hù)面積核準(zhǔn)，根據(jù)最小保護(hù)電流的實(shí)際密度確定單根PCCP引水管道保護(hù)電流；單根PCCP引水管道保護(hù)所需陽極數(shù)量根據(jù)單根陽極發(fā)生電流與單根PCCP引水管道保護(hù)電流之比計算；最后確定單根PCCP引水管道陽極壽命。

2.2 保護(hù)材料的選用

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP)作為新型的鋼性管材，主要由薄鋼板、高強(qiáng)鋼絲和混凝土構(gòu)成。考慮到PCCP管材的特殊性，并根據(jù)對國內(nèi)外類似工程引水管道防腐保護(hù)實(shí)踐的調(diào)查，結(jié)合本灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目實(shí)際情況，保護(hù)對象是PCCP管內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋，如果電位降至-1.1V，則會發(fā)生析氫現(xiàn)象，而鎂陽極電位負(fù)、比重小，并會對鋼產(chǎn)生較大的驅(qū)動電壓，所以，PCCP管材的保護(hù)不應(yīng)使用鎂陽極，而擬用鋅合金犧牲陽極材料。為增強(qiáng)犧牲陽極電流輸出的穩(wěn)定性，并激發(fā)陽極活性，應(yīng)在鋅合金陽極周圍按比例填加鋅陽極專用填充料。

2.3 參數(shù)選擇

通常情況下，土壤中含氯量越高，待保護(hù)電流密度也越大，所以，本灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目PCCP引水管道全線均應(yīng)實(shí)施陰極保護(hù)，并對腐蝕嚴(yán)重的管段加覆涂層保護(hù)。未設(shè)置涂層保護(hù)的管段，應(yīng)將其保護(hù)電流密度控制在0.6mA/m2及以下，而設(shè)置了涂層保護(hù)的管段，其保護(hù)電流密度應(yīng)控制在0.2mA/m2及以下。

保護(hù)電位也是PCCP引水管道陰極保護(hù)施工效果的重要參數(shù)之一。性能優(yōu)良的混凝土構(gòu)件保護(hù)電位應(yīng)≥-0.5V；含氯量高且腐蝕性大的土壤環(huán)境下保護(hù)電位應(yīng)≥-0.71V；破損嚴(yán)重且鋼筋材料外露的混凝土構(gòu)件保護(hù)電位應(yīng)≥-0.85V。鋼筋混凝土自然電位通常在-0.2--0.3V范圍內(nèi)，如果采用普通鋼保護(hù)電位參數(shù)則會增加工程投入，降低管材經(jīng)濟(jì)性。本工程主要以《埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計規(guī)范》所規(guī)定的“PCCP引水管道極化電位差應(yīng)控制在100mV以上”的標(biāo)準(zhǔn)作為保護(hù)效果的判斷依據(jù)。

2.4 管線保護(hù)面積及保護(hù)電流

PCCP引水管道材料是將預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞于帶鋼筒的高強(qiáng)度混凝土管芯，并噴涂水泥砂漿而成，再通過鋼制承插口和鋼筒焊接。所以，PCCP引水管材所保護(hù)的主要是管內(nèi)鋼筒套和纏繞于管外側(cè)的預(yù)應(yīng)力鋼筋，還應(yīng)同時考慮承插口鋼環(huán)與預(yù)埋連接鋼帶的保護(hù)。

本灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目主要采用管徑DN2400的管材，并根據(jù)內(nèi)部設(shè)計壓力和覆土深度分別采用15.5cm、18cm、22cm和29cm四種壁厚，且不同管段對應(yīng)不同的預(yù)應(yīng)力鋼筋設(shè)計和鋼筋保護(hù)面積。根據(jù)美國水工協(xié)會《混凝土壓力管道手冊》所給出的鋼筒表面積[1]確定方法所確定的本項目單根管徑DN2400的PCCP引水管道預(yù)應(yīng)力鋼筋保護(hù)面積應(yīng)為45m2，無涂層和有涂層的單根管道保護(hù)電流分別為0.025A和0.009A。

2.5 陽極電流及陽極數(shù)量

PCCP引水管材單支陽極電流輸出值的大小主要受陽極規(guī)格型號的影響。本灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目采用鋅合金陽極引水管道保護(hù)，并通過歐姆定律進(jìn)行陽極電流的確定[2]，即為陽極驅(qū)動電壓與陽極接地電阻之比，而后者主要通過以下公式確定：

(1)

式中：R為接地電阻值，Ω；ρ為項目區(qū)土壤電阻率，Ω·m；L為填料包實(shí)際長度，m；D為填料包實(shí)際直徑，m。

將本灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段實(shí)際參數(shù)代入式(1)后求得基地電阻值為8.2Ω。由于陽極驅(qū)動電壓設(shè)計值為0.5V,所以，PCCP引水管材單支陽極電流輸出值為0.06A。則所需的單支PCCP引水管材陽極數(shù)量按下式確定：

(2)

式中：If為PCCP引水管材單支陽極電流輸出值，A；N為所需的單支PCCP引水管材陽極數(shù)量；I為所需的保護(hù)電流數(shù)量。

根據(jù)式(2)可以看出，當(dāng)PCCP引水管道不設(shè)置保護(hù)涂層時，一支陽極可以保護(hù)2根管徑DN2400的管材；而當(dāng)PCCP引水管道設(shè)置保護(hù)涂層時，一支陽極可保護(hù)6根管徑DN2400的管材。

本灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段PCCP管材及鋼管陰極保護(hù)的設(shè)計使用壽命為25a，陽極使用壽命應(yīng)按下式確定：

(3)

2.6 陽極安裝

根據(jù)設(shè)計將本灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段PCCP管材及鋼管犧牲陽極安裝過程分為安裝前的準(zhǔn)備、陽極埋設(shè)處理、連接陽極與被保護(hù)體、陽極床澆水、回填等階段，除應(yīng)嚴(yán)格遵循以上安裝步驟外，還應(yīng)加強(qiáng)以下方面的控制：在安裝前將犧牲陽極表面用砂紙打磨平整，并沿軸向?qū)奚枠O水平安裝在管道側(cè)面；陽極埋設(shè)處和管道外壁的間距應(yīng)控制在1.0m及以上，埋設(shè)深度不超過管中心位置；PCCP管承插口處的預(yù)制鋼板通過電焊焊接牢固。

3 陰極保護(hù)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測

灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段PCCP引水管道陰極保護(hù)屬于隱蔽工程，很難從直觀上了解管材下埋及保護(hù)情況。通信技術(shù)的發(fā)展為工程管理人員隨時隨地掌握管材腐蝕情況、陰極保護(hù)運(yùn)行狀況及保護(hù)效果提供了可能。

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)的組成

按照本灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項目施工2標(biāo)段PCCP引水管線的管段劃分情況，在各管段均設(shè)置監(jiān)測裝置，共設(shè)置10套監(jiān)測裝置，每套監(jiān)測裝置具體包括電源、數(shù)據(jù)采集與傳輸、傳感器等部分，監(jiān)測裝置主要進(jìn)行保護(hù)電位、輸出電流、環(huán)境溫度、土壤氯離子含量、電阻率、腐蝕速度、腐蝕電位等方面的監(jiān)測。

3.2 管道保護(hù)電極及陽極輸出電流

由均勻設(shè)置在PCCP引水管道圓周的二氧化錳參比電極進(jìn)行電位測試和數(shù)據(jù)采集，且通過監(jiān)測柱上采樣電阻所對應(yīng)的電壓進(jìn)行保護(hù)電流數(shù)值的獲取，監(jiān)測柱由長度160cm、直徑12.5cm的鋼管制成，監(jiān)測柱在埋設(shè)時應(yīng)至少高出地面50cm，并在其上部末端內(nèi)部加筋處理，以增強(qiáng)其支撐性能。

4 結(jié) 論

分析結(jié)果表明，采用犧牲陽極的陰極保護(hù)方法能有效防止灌區(qū)節(jié)水改造供引水工程PCCP管材的腐蝕，保護(hù)電位是陰極保護(hù)中非常重要的指標(biāo)，最小的保護(hù)電位即PCCP管材與其他材料相比可能發(fā)生陽極腐蝕的最小電位，如果陰極保護(hù)過程中實(shí)際陰極保護(hù)電位值小于最小電位值，則引水管材便能得到完全防護(hù)，通過加強(qiáng)對保護(hù)電位的分析與控制，以有效增強(qiáng)引水管道陰極防護(hù)效果。