蘇俊男

（中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310000）

在長(zhǎng)距離輸水管線中，管道內(nèi)部通常因受到水、管道材質(zhì)的影響，而發(fā)生溶解氧腐蝕、電偶腐蝕、縫隙腐蝕等。管道外部由于長(zhǎng)時(shí)間埋藏在地下也可能會(huì)遭受土壤腐蝕[1]。長(zhǎng)距離輸水管道往往由不同管材組成，常見(jiàn)的管材包括球墨鑄鐵管、鋼管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，PCCP），本文重點(diǎn)討論球墨鑄鐵管以及鋼管的防腐措施。為防止和抑制管道的腐蝕，延長(zhǎng)管道的使用壽命，對(duì)球墨鑄鐵管及鋼管可采用設(shè)置防腐層的防護(hù)措施。在某些特殊局部位置，例如頂管、倒虹管等，可采用防腐層與電化學(xué)保護(hù)相結(jié)合的腐蝕防護(hù)措施。常見(jiàn)做法是在管道的內(nèi)部與外部均涂抹防腐材料[2]并在鋼管段配合采取陰極保護(hù)措施進(jìn)行防護(hù)。

某長(zhǎng)距離輸水工程在不同線路上主要采用DN1800 壁厚等級(jí)K9 的球墨鑄鐵管以及DN1800 壁厚16 mm 的鋼管兩種不同材質(zhì)的輸水管道。以下分別針對(duì)這兩種不同材質(zhì)管道的防腐措施進(jìn)行分析研究。

1 管道外防腐

1.1 球墨鑄鐵管

球墨鑄鐵管具有安全性能高，使用壽命長(zhǎng)達(dá)90 年以上的優(yōu)勢(shì)。球墨鑄鐵管主要應(yīng)用于輸水管道、輸氣管道，是長(zhǎng)距離輸水管道普遍選用的材料。根據(jù)某長(zhǎng)距離輸水工程的實(shí)際應(yīng)用，球墨鑄鐵管管道及管件外防腐可采用金屬鋅層和終飾層。終飾層是指在鋅層上涂覆的與鋅涂層相容的合成樹(shù)脂。金屬鋅層和終飾層應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求，管道鋅層質(zhì)量的平均值不小于130 g/m2，局部最小值不小于110 g/m2，終飾層干膜的平均厚度不小于70 μm，局部最小厚度不小于50 μm。管件鋅涂層和終飾層應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范要求，富鋅涂料涂層質(zhì)量的平均值不小于150 g/m2，局部最小值不小于130 g/m2，終飾層干膜的平均厚度不小于70 μm，局部最小厚度不小于50 μm。

1.2 鋼管

鋼管的安全性（抗展、承內(nèi)、外壓） 較好，可以選擇多種方式進(jìn)行敷設(shè)，如直埋敷設(shè)、頂管敷設(shè)以及管橋敷設(shè)。常用鋼的等級(jí)為Q235B 和Q355B，輸水管道管材強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不低于Q235B。對(duì)于某實(shí)際長(zhǎng)距離輸水工程，鋼管管道直徑為1 600 mm，鋼管管道及管件需要進(jìn)行外防腐除銹，除銹標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)達(dá)到Sa2 1/2 級(jí)，并滿足相關(guān)規(guī)范要求。埋地鋼管、倒虹管及相應(yīng)管件外防腐考慮采用環(huán)氧涂層[3]，具體可采用熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層，涂層的設(shè)計(jì)厚度不小于400 μm，并符合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求。管橋鋼管及相應(yīng)管件外防腐采用熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層，涂層的設(shè)計(jì)厚度不小于400 μm；管橋外露鋼管需設(shè)置保溫結(jié)構(gòu)，保溫結(jié)構(gòu)由保溫層和保護(hù)層組成，保溫層材料及制品采用玻璃棉制品，保護(hù)層采用鍍鋅薄鋼板，厚度0.3～0.5 mm。保溫管道與非保溫管道連接位置的保溫層端面應(yīng)密封，保溫層和保護(hù)層可現(xiàn)場(chǎng)制作。管件可以不設(shè)保溫結(jié)構(gòu)。頂管鋼管及相應(yīng)管件外防腐采用環(huán)氧玻璃鱗片，干膜厚度不小于300 μm。泵組進(jìn)出水管室外部分防腐可參照埋地鋼管、倒虹管及相應(yīng)管件外防腐要求。室內(nèi)部分采用兩道環(huán)氧富鋅底漆和一道面漆，總干膜厚度不小于240 μm。

2 管道內(nèi)防腐

考慮管道用于輸送原水，管道內(nèi)防腐要求管道內(nèi)襯材料不會(huì)對(duì)水質(zhì)造成不良影響，有優(yōu)越的防腐蝕性能，附著力強(qiáng)，長(zhǎng)時(shí)間通水也不會(huì)使附著力下降，內(nèi)襯層不易受到損傷，即使局部受損，也不會(huì)因此引起周圍內(nèi)襯層的劣化。

球墨鑄鐵管和鋼管推薦采用水泥砂漿襯里。對(duì)于某實(shí)際長(zhǎng)距離輸水工程，鋼管直徑為1 600 mm，鋼管管道機(jī)械涂抹厚度應(yīng)不小于14 mm，手工涂抹厚度應(yīng)不小于16 mm；球墨鑄鐵管道的直徑為1 800 mm，球墨鑄鐵管管道水泥砂漿內(nèi)襯公稱厚度不小于9 mm。另頂管水泥砂漿內(nèi)需摻入纖維材料，加強(qiáng)抗裂性能，水泥砂漿抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不小于30 N/mm2。

3 陰極保護(hù)

3.1 陰極保護(hù)方式選擇

大型、長(zhǎng)距離金屬原水管通過(guò)腐蝕性土壤、電氣化鐵路附近或有雜散電流存在區(qū)域時(shí)，應(yīng)采取陰極保護(hù)措施。陰極保護(hù)有犧牲陽(yáng)極與強(qiáng)制電流兩種方法[4]。選擇方法時(shí)考慮的因素有保護(hù)體的外防護(hù)層狀況、工程規(guī)模的大小、環(huán)境條件和經(jīng)濟(jì)性等。陰極保護(hù)方法的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 陰極保護(hù)優(yōu)缺點(diǎn)比較表

某工程大部分管道采用球墨鑄鐵管，僅在局部特殊位置，如頂管穿河、塘等部位采用鋼管。球墨鑄鐵管由于電阻較大，且管道接口采用橡膠密封圈密封，具有絕緣作用，因此不需擔(dān)心電腐蝕，僅考慮局部特殊位置的鋼管段應(yīng)采取陰極保護(hù)措施[5]。結(jié)合工程特點(diǎn)，若采用外加電流陰極保護(hù)方案需提供外部電源和站點(diǎn)，維護(hù)工作量大、管理不便，因此推薦采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法。根據(jù)某工程地勘報(bào)告，土壤電阻率在30～100 Ω·m 之間，可采用棒狀鎂合金犧牲陽(yáng)極。

3.2 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

某工程陰極保護(hù)范圍為頂管、倒虹管等鋼管埋管段。陰極保護(hù)設(shè)計(jì)通常需結(jié)合工程實(shí)際情況，綜合考慮地質(zhì)參數(shù)、管材、管徑、管壁厚度、犧牲陽(yáng)極材質(zhì)、水文地質(zhì)條件等多個(gè)因素。本次陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)由廠家通過(guò)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)給出擬定值，具體需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

鎂合金犧牲陽(yáng)極使用壽命50 年。管道最小保護(hù)電位為-0.85 V（銅/飽和硫酸銅參比電極，簡(jiǎn)稱CSE） 或更負(fù)。管道防腐結(jié)構(gòu)的限制電位應(yīng)不小于-1.20 V（CSE），并且犧牲陽(yáng)極應(yīng)該起到以下作用，如防止防腐結(jié)構(gòu)出現(xiàn)陰極剝離、起泡、管體氫脆等現(xiàn)象。

3.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)管道所處的具體環(huán)境情況，參考同類工程運(yùn)行參數(shù)，擬定的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)如下，具體需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果進(jìn)行設(shè)計(jì)：管道自然電位-0.55 V，最小保護(hù)電位-0.85 V，最大保護(hù)電位-2.00 V，平均保護(hù)電流密度0.08 mA/m2，平均涂層電阻率4 000 Ω·m2，平均土壤電阻率40 Ω·m，鋼管外徑×壁厚1 829×16 mm（埋管及倒虹管），1 829×22 mm（頂管）。

3.2.3 計(jì)算公式

保護(hù)電流的計(jì)算公式為

式中：I0為單側(cè)管道保護(hù)電流；Dp為管道外徑；Js為保護(hù)電流密度；Lp為單側(cè)保護(hù)管道長(zhǎng)度。

犧牲陽(yáng)極輸出電流的計(jì)算公式為

式中：Ig為犧牲陽(yáng)極輸出電流；ec為陰極極化電位；ea為陽(yáng)極極化電位；R為回路總電阻；Ec為陰極開(kāi)路電位；ΔEc為陰極極化電位；Ea為陽(yáng)極開(kāi)路電位；ΔEa為陽(yáng)極極化電位；Rg為多支組合犧牲陽(yáng)極接地電阻；Rc為陰極過(guò)渡電阻；R1為導(dǎo)線電阻。

犧牲陽(yáng)極支數(shù)的計(jì)算公式為

式中：I為保護(hù)電流；Ig0為單支犧牲陽(yáng)極輸出電流；B為備用系數(shù)，取2～3；n為陽(yáng)極支數(shù)。

單支立式犧牲陽(yáng)極接地電阻的計(jì)算公式為

式中：Rv 為立式犧牲陽(yáng)極接地電阻；ρ 為土壤電阻率；lg為裸犧牲陽(yáng)極長(zhǎng)度；Dg為預(yù)包裝犧牲陽(yáng)極直徑；tg為犧牲陽(yáng)極中心至地面的距離；ρg為填包料電阻率；dg為裸犧牲陽(yáng)極等效直徑。

多支犧牲陽(yáng)極接地電阻的計(jì)算公式為

式中：Rg為多支犧牲陽(yáng)極接地電阻；f為犧牲陽(yáng)極電阻修正系數(shù)；R0為單支立式犧牲陽(yáng)極接地電阻；n為陽(yáng)極支數(shù)。

犧牲陽(yáng)極工作壽命的計(jì)算公式為

式中：Tg為犧牲陽(yáng)極工作壽命；Wg為犧牲陽(yáng)極組凈質(zhì)量；wg為犧牲陽(yáng)極消耗率；I為保護(hù)電流。

根據(jù)以上公式計(jì)算，頂管段、埋地鋼管及倒虹管鎂合金犧牲陽(yáng)極應(yīng)按每隔約50 m 設(shè)置一組鎂合金犧牲陽(yáng)極布置，每組兩支，單支重量22 kg。

3.2.4 犧牲陽(yáng)極布置

在埋管段以及倒虹管段設(shè)置犧牲陽(yáng)極時(shí)，可采用棒狀鎂合金犧牲陽(yáng)極，埋設(shè)方式采用水平式與立式混合布置。鎂合金犧牲陽(yáng)極型號(hào)可采用CAZ63B-22-S，結(jié)構(gòu)尺寸與成分性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。填包料每只填料需達(dá)到50 kg。管道外壁距離鎂合金犧牲陽(yáng)極宜為600 mm，陽(yáng)極頂部埋設(shè)深度不小于2 m。相鄰鎂合金犧牲陽(yáng)極組在管道兩側(cè)間隔布置，具體埋設(shè)位置應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)施工情況確定。犧牲陽(yáng)極應(yīng)埋設(shè)在陽(yáng)極坑內(nèi)，回填土采用原狀土回填，不得含有塑料石塊等雜物。犧牲陽(yáng)極埋設(shè)施工與管道同步施工。

3.2.5 測(cè)試樁布置

為便于及時(shí)掌握陰極保護(hù)設(shè)施的運(yùn)行情況，需布置一定數(shù)量的測(cè)試裝置。測(cè)試裝置與陰極保護(hù)系統(tǒng)同步安裝。根據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，本工程陰極保護(hù)測(cè)試裝置主要布置于頂管及倒虹管穿河段，每處各1 個(gè)，每個(gè)測(cè)試裝置與管道相連接的電纜不小于2 根。電纜與管道焊接位置不宜在彎頭上或管道焊縫兩側(cè)150 mm 范圍內(nèi)。測(cè)試樁應(yīng)做相應(yīng)標(biāo)識(shí)，位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件進(jìn)行調(diào)整，方便安裝檢測(cè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)距離輸水管線，無(wú)論是球墨鑄鐵管還是鋼管都應(yīng)采用恰當(dāng)?shù)姆栏胧?duì)管道內(nèi)外進(jìn)行保護(hù)。對(duì)于管道外防腐，球墨鑄鐵管可采用金屬鋅層和其上覆蓋與鋅相容的合成樹(shù)脂終飾層。熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層可適用于直埋段鋼管、倒虹管、管橋鋼管及相應(yīng)管件的外防腐結(jié)構(gòu)。對(duì)于頂管鋼管及相應(yīng)管件外防腐可采用環(huán)氧玻璃鱗片。對(duì)于管道內(nèi)防腐，球墨鑄鐵管和鋼管推薦采用水泥砂漿襯里。同時(shí)在采用頂管、埋地鋼管以及倒虹管等采用鋼制管材的管段應(yīng)配合采取陰極保護(hù)措施，對(duì)于長(zhǎng)距離輸水管線可采用犧牲陽(yáng)極法，具體布置數(shù)量及方式應(yīng)通過(guò)計(jì)算確定。