预应力钢筒混凝土管阴极保护技术应用介绍

谭新明 陈丽

摘 要：预应力钢筒混凝土管（PCCP）在国内的供水工程中已得到了广泛认可，应用越来越多，南水北调北京段就采用了DN4000mm的PCCP管。为防止PCCP管中钢质结构（钢筒和预应力钢丝）的腐蚀，国外对PCCP管道采用了阴极保护技术，成功克服了PCCP管的腐蚀，延长了PCCP管的使用寿命。

关键词：预应力钢筒混凝土管（PCCP）；阴极保护；带状锌阳极

概 述

预应力钢筒混凝土管是在带钢筒（薄钢筒的厚度约1.5～2.0mm左右）的混凝土管芯上缠绕一层或二层环向预应力钢丝，并用水泥砂浆保护层而制成的管子。它的开发应用已有半个多世纪的历史。这一技术是法国Bonna公司最先研制的，到20世纪40年代欧、美竞相开发，目前美、法各国的年产量达数十万公里，其中美国、加拿大是世界上推广使用预应力钢筒混凝土管最多的国家，广泛应用于城市输配水干管、火电站供水管、水利工程、雨污水干管、工业供水及废水管线等方面。

PCCP管的腐蚀

由于钢筋的成分及冷轧的生产工艺，人们一直认为钢筋很容易发生析氢反应。为了改善预应力钢筋的性能，根据ASTM A227测试方法进行了析氢测试。Lewis从测试结果得出，现有的许多PCCP管道都是采用了易发生析氢反应的钢筋，并且有很多关于在辅助阳极地床附近PCCP管道开裂事故的报道。

对混凝土中钢的腐蚀机理进行了探讨，指出有很多因素能使多孔混凝土里水溶液的钝化作用发生改变。当氯离子渗透到加强钢筋并达到氯离子临界浓度时，钝态膜就被破坏了。在潮湿的混凝土里，甚至在多孔混凝土吸收碱水时也会发生局部腐蚀。钢筋混凝土构筑物中，限定氯离子浓度为水泥质量的0.4%，而在预应力混凝土构筑物中，限定氯离子浓度为水泥质量的0.2%。

去钝化的另一个原因是混凝土的碱度降低所致（即，所吸收水分的pH值降低了）。当混凝土与大气中的CO2发生反应而碳化时，就会发生这种情况。当插入构筑物的钢质构件上有足够厚的混凝土覆盖层时，特别是有致密的、空隙率很低的优质混凝土时，碳化作用就无关紧要了。如果混凝土质量很差或者混凝土覆盖层很薄很少，碳化作用就会渗透到加强钢筋，最终使它失去钝性。当氯离子或碳化作用发生去钝化时，只有在氧侵入的条件下，潮湿的混凝土中才会有腐蚀危险。当阴极表面积与阳极表面积的比值Sc/Sa很高并且阴极处于良好充气状态下，就会在阳极区发生非常高的腐蚀速率。

PCCP管的防蚀

根据电化学的原理，埋地PCCP管采用阴极保护是一项明智的选择，用钢筋混凝土试件进行的研究表明，即使在不利的条件下，如富含氯离子的碱性环境中，充气的大面积阴极和小面积的潮湿阳极，加入氯离子使其处于脱钙（中性）环境下，在UCu-CuSO4为0.7 V和-0.8 V的试验电位下能抑制电池的形成。

实验开始时，在富含氯离子的环境中加强钢筋实测的自然腐蚀电位UCu-CuSO4在-0.58～-0.6 V之间；在中性环境中，实测的自然腐蚀电位UCu-CuSO4在-0.46～-0.5 V之间；在纯混凝土中，实测的自然腐蚀电位UCu-CuSO4为-0.16 V。经过6个月后，在实施阴极保护的试件上没有检测出腐蚀。而在未实施保护的比较试件上，腐蚀速率为4mm/a，根据电池电流测量值，这表明自腐蚀率为50%。

混凝土构筑物的阴极保护在美国已经有了很大进步，并制定出相应的保护准则。准则选用了断电测量技术，即切关断保护电流后，在 h内极化电位衰减超过0. V，那么可以认定这一保护效果是合适的。借助内装式Ag-AgCl参比电极或者装在外表面上的任何电极，可以在受保护物体的任何部位进行此项测量。

阴极保护设计

4. 电连续性要求

根据NACE RP 0100标准[8]要求，应对PCCP管中预应力钢筋和钢筒进行电连续性连接，保证预应力钢筋和钢筒之间阴极保护电流的电连续性；同时为保证PCCP管之间的电连续性，应对每节PCCP管进行电连续性跨接。

加强钢筋的阴极保护和杂散电流防护措施均假定通过该加强钢筋有着延伸的电连续性。采用钢筋的钢筋混凝土构筑物大多数属于这种情况，但是这要通过对加强钢筋网的电阻测量加以验证。为此，在互相相距很远距离的不同点上清除掉混凝土后，把测量电缆连接到加强钢筋上。为避免接触电阻的影响，应彻底除去接触点的铁锈。如果实测电阻值大于 Ω，表明没有完全达到电连续性。那么应将此钢筋与已经达到完全电连续性的钢筋网其余加强钢筋进行短路连接。

4. 电绝缘

为防止杂散电流的干扰和PCCP管道保护电流的流失，在保护管道的首末端、分支处以及与外部管道的连接处安装绝缘设施进行电絕缘。具体作法推荐为相邻两管的插接关的钢环内、外两个表面采用双层熔结环氧粉末覆盖层。

4. 阴极保护准则

NACE RP 0100-2004标准，要求在PCCP管道阴极保护系统正式投入运行后，管道的极化电位差应不小于100 MV；最低负电位应不负于- 000 MV（除去IR降）。本准则适用于PCCP管线阴极保护和腐蚀控制。本标准来源于实验室试验结果和成功的阴极保护经验数据。设计时，可根据经验来确定阴极保护方法和检测周期，以满足相近的标准要求。

4. 100 MV极化准则

预应力钢筋及所有被保护的金属嵌入体与稳定参比电极间的最小阴极极化电位达100 MV，就达到了充分的保护效果。通过测量极化建立或衰减来确定电位偏移量。首先在施加阴极保护前，测量钢筋的自然电位，然后启动阴极保护系统，在经过充分时间的极化后，重新测量其瞬间断电电位（去除IR降）。断电电位与自然电位的差值为极化电位偏移量。极化过程为管地电位由自然电位向极化电位转变的过程。根据实践经验，极化准则可以在施加阴极保护系统后几秒钟、几分钟、几小时、几天、几周或几个月获得。

4. 最低负电位应不低于- 000 MV（CSE）

因为极化电位低于- 000 MV，预应力钢筋表面可能产生析氢反应，并发生氢脆。在混凝土施工质量完好，pH值为12.4条件下，当预应力钢筋极化到- 04 MV时在其表面发生析氢反应。析氢反应过程中伴有腐蚀反应。氢原子能进入钢筋，破坏其性能。在弱碱环境中，析氢反应在更负的极化电位才会反生，在这种情况下可取更负的最大保护电位值。然而，阴极保护电流在PCCP管道中通过时，pH值比无电流时更高，所以最大保护电位值限定于- 000 MV。

4.6 阴极保护方案

阴极保护分为牺牲阳极和强制电流两种方法，各有优缺点，考虑到本工程为混凝土构筑物，管径大，电阻率高，电流分布难度大，我们参照利比亚大人工河的作法，采用了沿管线上下埋设四条带状锌阳极的保护方案。本方案的特点是，电流分布均匀、不会造成过负的电位、不需要外部电源、对土壤电阻率的依赖性和影响小等。

4.8 检测系统

为准确地掌握PCCP管道阴极保护系统的运行情况及管道的腐蚀状况，在管道沿线间隔1km的人孔排气阀井、排空阀井上安装测试探头和测试盒。

每个测试点安装1支测试探头；采用每公里两管交替设置管段圆周电位分布测试探头，每个测试点沿管道圆周安装6支测试探头。为保证合理的检测两条PCCP管道的腐蚀情况，测试探头应在两条平行管线上交替设置，本工程共设置53处测试点。

4.9 测试方法

本设计采用探头断电电位法测量PCCP管的保护电位，并利用探头上的自腐蚀试片测量该处的自然电位。

测试项目主要包括：管道的通电保护电位；牺牲阳极的开路电位；牺牲阳极的闭路电位；牺牲阳极的输出电流；管道沿线的自然电位；管道的极化电位。

结语

PCCP管为排水工程提供了优质长寿的管道材料，对于大口径长距离具有极大的优势，近几年在国内有了突飞猛进的发展，但由于PCCP管在国内应用时间较短，这类管子的腐蚀问题还没有引起人们的重视。国内的PCCP管技术虽然起步较晚，但起点较高，南水北调工程中的PCCP管已设计了阴极保护，并正在付诸实施，这在国内尚屬首次，它的经验将会给今后国内PCCP管的建设带来质的飞跃。

参考文献

[1]窦铁生，程冰清，胡赫，夏世法，杨进新，张奇.预应力钢筒混凝土管结构变形规律的原型试验研究Ⅰ：内压[J].水利学报，2017，48（12）：1438-1446.

[2]钟胜，冯新，赵琳，周晶.预应力钢筒混凝土管插口内壁环裂机理分析[J].市政技术，2016，34（04）：122-128.

（作者单位：新疆国统管道股份有限公司）