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三湾水利枢纽输水管线阴极保护初步设计方案
一、立项的必要性及意义
三湾水利枢纽及输水工程的主要任务是以丹东城市供水为主，兼顾发电并为城市供水安全提供保障的大型综合利用水利工程，是爱河流域骨干工程之一，主要承担向丹东供水的任务。
水库最大库容为1.54亿m3，市规划水平年2025年应急情况下向丹东市日供水56.30万m3/d，年供水2.05亿m3。
丹东市为地区级市且为全国最大的边境城市，规划水平年供水人口将达到86.83万人，属重要的城市。
根据《防洪标准》（GB50201-94）、《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）的有关规定，按照水库总库容及供水对象的重要性确定三湾水利枢纽工程级别为Ⅱ等，工程规模为大
（2）型。
本工程中使用的预应力钢筒混凝土管（prestressedconcretecylinderpipe，简称PCCP）是一种在带有钢筒的混凝土外侧，环向缠绕预应力钢丝、并制作水泥砂浆保护层的复合型管材。
具体结构形式分为内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL）和埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCPE）。
PCCP综合了各种制管材料各自的物理力学特性，将高强预应力钢丝的抗拉、混凝土的抗压、钢筒的防渗、橡胶密封圈的防漏有机地结合在一起，它可满足更高的工作压力并可制成较大的直径。
因此，PCCP在输水干线、配水干线、排水压力干线、工厂管网、电厂补给水管及冷却循环系统、压力隧道管线及深覆土涵管等方面的应用越来越多，发展前景广阔。
本项目管道铺设沿线地处黄海附近，受海水倒灌侵蚀、土壤电阻率、地下水及土壤中含有大量氯盐及硫酸盐，对混凝土管及钢材有腐蚀性，影响管材的使用寿命。
因此，管道阴极保护必须受到高度重视，避免由于腐蚀造成严重经济损失。
根据该项目所在地区地下水的水质分析结果，地下水为氯盐-重碳酸盐-硫酸钙镁型水，从地下水水质评价来看，土壤或地下水中含氯离子浓度一般为150-300mg/l，最高达1017.9mg/l；重碳酸根HCO3-离子浓度一般在150-425mg/l，最高达878.6mg/l；二氧化碳含量一般为40-484.2mg/l。
介质中的Cl–离子会促进金属的局部腐蚀，在氯化物中，铁及其合金均可产生点蚀，氯离子的存在可加速金属的腐蚀，当氯离子含量较高时，在阳极区导致一般坑蚀的蔓延，另一方面，由于氯离子半径较小，宜穿透保护膜，使腐蚀加剧，产生局部腐蚀，随着氯离子浓度的增加，钢铁表面钝化膜稳定性下降，因此氯
离子对碳钢腐蚀性大。
一般土壤中氯离子含量超过150mg/l时，就必须考虑在PCCP管子保护层外表面设置阻水层以保护管道同时须对管道实施阴极保护并定期监测管线的保护情况。
HCO3-离子在高浓度且有氯离子存在时，会导致局部腐蚀。
HCO3-不仅可以与CO2互相转化，而且离解后产生H+和CO32-，前者加速腐蚀，后者与Ca2+成垢。
碳化作用是指砂浆或混凝土中的氢氧化钙及其它水化产物与环境中的二氧化碳发生化学反应生成碳酸钙的过程。
由于碳酸钙的pH值低于氢氧化钙，因此埋置于已碳化的混凝土或砂浆中的钢材将无法保持其钝化的氧化铁保护膜不受破坏。
目前对于土壤或地下水环境二氧化碳含量超出某一特定值时，则应采用密封材料或保护层材料对管道外壁进行防腐处理。
PCCP不仅仅受到环境水的作用，而且受到环境水和土壤的共同作用。
对于该段土壤环境的条件，我们选取了29个点进行测量，土壤电阻率测量结果见附表1
按着有关国际标准和我国石油天然气总公司颁布的SY/T0019—97的规范，土壤电阻率低于20Ω·m的为强腐蚀区；电阻率值在20～50Ω·m的为中等腐蚀区；电阻率值在50～100Ω·m的为弱腐蚀区；电阻率值大于100Ω·m的为很弱腐蚀区。
但是这种分级并没有考虑管线上供氧差异腐蚀电池的作用，具有局限性。
从测量结果看，本工程输水管线沿线大部分区段土壤电阻率小于50欧姆·米，为中、强腐蚀。
另外，PCCP属于地下长线结构，根据腐蚀电化学原理，地下长线结构上极易形成供氧差异腐蚀电池，通常加速阳极区的腐蚀，在这种情况下，环境水和土壤的腐蚀性已不再是上述孤立情况所描述的程度。
虽然PCCP管及金属管材的外表面可以做保护层材料及阴极保护等措施进行防腐，但是仍存在由于防腐层的密封质量、运输或施工过程中对防腐层的破坏隐患，造成管道的点蚀，发生爆管事故。
阴极保护可对钢筒及预应力钢丝进行保护，效果明显。
二、国内外现状
1、国外现状
早在1940年以前，PCCP就已经生产和应用了。
目前美国、法国等发达国家PCCP的年产量已达数十万公里，其中美国和加拿大是世界上推广使用PCCP最多的国家。
20世纪九十年代初，仅在美国钢筋腐蚀造成的损失每年在1500~2000亿美元。
世界最大的输水工程利比亚“大人工河”一期工程只有30%的PCCP做了环氧煤沥青保护层，没有全部采用阴极保护，结果在管道运行中因腐蚀而引起爆管，造成严重损失。
为了防止PCCP的腐蚀，延长管道使用寿命，大人工河管理局最终决定在PCCP的所有管段实施阴极保护。
利比亚“大人工河”输水管道采用的是DN4000的PCCP管，输水距离长达1900km。
该工程建成后，运行时间不长，在其中一段发生爆管事故，挖开后发现预应力钢筋锈蚀严重，分析原因是土壤中的高盐类离子通过雨水经管道表面砂浆保护层的裂缝渗透到预应力钢筋表面，从而腐蚀了钢筋。
处理措施采取在管道表面涂刷环氧煤沥青防腐，并对承插接口做阴极保护。
2、国内现状
新疆克拉玛依市的一条供水管线，管径DN1200，投资1.9亿元，施工安装后打压试验，频频爆管，从爆管处看钢筋腐蚀严重，已远远满足不了强度要求。
分析原因，由于地下水含氯离子及硫酸根离子浓度高，混凝土管的拌和均采用当地地下水，造成钢筋的直接腐蚀，钢筋在一年时间内因为腐蚀而失效，后将原管线全部更换，实施了阴极保护，至今运行良好。
80年代初，盖州至营口的自来水管线曾因混凝土管材的腐蚀多次发生爆管事故，后来采用了阴极保护才挽救了这条长22km的管道。
1996年，营口三友医药化工有限公司，曾因混凝土管道腐蚀，出现污水泄漏、污染周围环境的事件，该事故发生在管道铺设仅5年之后，原因是管道没做阴极保护。
目前，从近几年已施工完的、正在施工的及将要施工的国内大型输水工程来看，输水管材PCCP、钢管等全线都做了阴极保护处理。
已施工完的工程如：
南水北调北京段（PCCP内径4.0m）；正在施工的工程如：
大伙房水库输水二期工程（PCCP内径3.2m、2.4m）；将要施工的工程如：
大伙房水库输水应急入连工程（PCCP内径2.8m、2.4m）。
三、PCCP管防腐处理依据及处理措施
土壤及地下水中含有Cl-和SO42-离子超过一定浓度时，会对PCCP管产生腐蚀，造成事故爆管。
一般土壤中氯离子含量超过150mg/l时，就必须考虑在PCCP管道保护层外表面设置阻水层以保护管道或对管道实施阴极保护并定期监测管线的腐蚀情况。
按着有关国际标准和我国石油天然气总公司颁布的SY/T0019—97的规范：
土壤电阻率低于20Ω·m的为强腐蚀区
电阻率值在20～50Ω·m的为中等腐蚀区
电阻率值在50～100Ω·m的为弱腐蚀区
电阻率值大于100Ω·m的为很弱腐蚀区
对土壤电阻率值低于100Ω·m的埋地钢管必须进行电化学保护。
混凝土压力管道实施有效防腐所需的电流密度通常在0.11～1.11mA/m2，考虑本工程土壤电阻率大部分为15～50Ω·m，为中、强腐蚀，本设计PCCP管的电流密度采用0.2mA/m2。
采取阴极保护的管道，必须在生产制造过程中将低碳钢条在缠丝时衬垫在所有预应力钢丝下面，使所有的环向预应力钢丝实施短路导通，通常在每根管子两侧180o的位置各设置一条。
为了隔绝腐蚀性土壤及地下水与钢筒的接触，对于PCCP管的承插口处的密封，通常采用密封膏密封承插口处的间隙。
综上所述，对于埋置在腐蚀性土壤或地下水中的PCCP管，应采用三项防腐措施：
a）PCCP管表面采用涂环氧煤沥青防腐层；
b）PCCP管采用牺牲阳极的阴极保护防腐措施；
c）承插口采用密封膏密封；
四、阴极保护设计方案：
1、设计依据
GB/T19685-2005预应力钢筒混凝土管。
GB/T21448-2008埋地钢质管道阴极保护技术规范。
GB/T21447-2008钢质管道外腐蚀控制规范。
GB/T21246-2007埋地钢质管道阴极保护参数测量方法。
GB50046-2008工业建筑防腐蚀设计规范。
GB50212-2002建筑防腐蚀施工及验收规范。
GB/50224-95建筑防腐蚀工程质量检验收规范。
沿线工程地质勘查报告中土壤与地下水对混凝土、对钢的腐蚀性评价。
2、设计对象：
输水管线采用PCCP
单根管线长度5m
预应力钢丝直径6mm
预应力钢丝缠绕间距20.7mm
PCCP管径1.8m1.6m1.4m
各规格管线长度：
φ1.8m长31915.8m
φ1.6m长11858.7m
φ1.4m长3850m
输水管线总长：
47624.5m
沿线土壤电阻率等参数：
见附表1，附表2
沿线地下水腐蚀性能评价：
见附表3
管体防腐涂层等级与区段：
涂环氧煤沥青防腐层
3、设计目标：
输水管的阴极保护年限为50年，确保管道50年安全运行。
最小保护电位在-0.85以下（相对饱和硫酸铜参比电位）。
在编制本设计方案时，参考了国外混凝土中钢筋的阴极保护、1982年我国营口穿越盐田的预应力混凝土管道等阴极保护的实践，并综合考虑阴极保护效果与相应的投资成本，也可以采用至少100mV阴极极化值为判定准则。
4、设计的保护方式：
对埋地PCCP管、钢管而言，土壤本身所含水分及水中所含各种离子将对金属产生腐蚀，单纯采用普通外防腐措施并不能彻底解决管道的腐蚀问题。
除受普通外防腐材料本身耐水性及耐微生物性等因素的限制外，防腐施工中不规范操作是影响防腐层寿命的主要原因。
从理论上讲，采用普通防腐材料做成完整无缺、绝缘性能很高、防腐性能很强的防腐绝缘层是可以达到的，但造价很昂贵且对施工要求非常严格，在实际工程中难以实现。
对地下长距离输水管采用阴极保护与防腐
绝缘层联合保护的方法是目前最经济最有效的防护措施。
所以欲对输水管道中的管材达到有效保护应采用阴极保护与防腐绝缘层联合保护的方法。
阴极保护有两种方法，即外加电流阴极保护和牺牲阳极保护法。
考虑到外加电流法虽然具有保护范围大、适应性强、使用寿命长等优点，但初次建造费用较高，运行中需外部电源，需设专门的阴极保护站，需要专人进行维护管理，运行中维护管理费用较高。
而牺牲阳极法不需要外部电源，施工及维护管理简单、安全、可靠，保护电流利用率高，建造费用较低，所以推荐采用牺牲阳极法。
5、牺牲阳极种类的选择：
牺牲阳极种类的选择主要根据土壤电阻率、土壤含盐种类及被保护管道覆盖层状态来进行。
一般来说，镁阳极适用于各种土壤环境中；锌阳极适用于电阻率低的潮湿环境。
根据石油部标准，土壤电阻率小于30欧姆·米的选用锌合金阳极为宜，土壤电阻率在30~100欧姆·米的选用镁合金阳极。
根据现场电阻率测试可知，本工程输水管线土壤电阻率腐蚀性土壤电阻率均在15-50欧姆·米之间，因而根据具体条件部分选用镁合金阳极。
在电阻率低的潮湿环境下，部分选用锌合金阳极。
6、牺牲阳极的质量要求：
锌阳极的化学成份和电化学性能必须满足GB/T21448-2008中表4和表5的要求；
镁阳极的化学成分和电化学性能的必须满足GB/T21448-2008中表8和表9的要求。
7、牺牲阳极的填包料配比：
本次设计中选用的锌阳极及镁阳极必须使用相应的化学填包料，以保证牺牲阳极的输出电流、接地阻值、保护长度、保护年限等参数达到设计值。
锌阳极：
石膏粉（CaSO4·2H2O）50%
工业硫酸钠5%
膨润土45%
镁阳极：
石膏粉（CaSO4·2H2O）15%
工业硫酸镁35%
膨润土50%
填包料袋必须用布袋。
制作的填包料袋必须保证阳极周围的填色料厚度至少为150mm。
填包料应事先配制好之后运到施工现场；填包料必须搅拌均匀，不能有结晶块，不得混入泥土、石子、杂草、沙子等杂物。
施工时，现将阳极置于填包料袋的中心处，然后将事先配好的填包料分几次全部倒入该袋中，并保证阳极周围的填包料厚度均匀。
然后将填包料袋子收口系紧。
所有的安装完毕后，回填。
先回填精细土，阳极袋周围不能填进石块、垃圾，然后回填粗土、原地表土。
8、牺牲阳极规格：
锌阳极8/22kg/支
镁阳极8/24kg/支
两种牺牲阳极在使用前，必须用钢丝刷、砂布清除表面的氧化膜及油污、渍，使阳极呈现亮银色光泽。
9、牺牲阳极用量估算：
总用量约为4800支，其中
锌阳极1600支
镁阳极3200支
10、牺牲阳极埋设时与管道的距离：
最大不超过2.5m，取2.5m
最小不超过0.3m，取0.3m
11、电缆规格与用量
规格VV1KV/1×10mm2
用量25000m
12、阳极钢芯与电缆的连接：
阳极钢芯和电缆之间用铜焊焊牢，双边焊缝长度不得小于50mm，焊接处用热缩管、热融胶封牢；在阳极钢芯上焊出的预制电缆的长度不小于0.8m。
预制电缆和与管体连接的电缆均为铜芯电缆。
13、测试桩、检查片的设置：
测试桩每公里埋设一个，穿越段两端各加一个，用量约为80个。
检查片（自然片和保护片）埋设在典型测试桩近旁，并做好牢固明显的标识，以备日后挖掘、评价。
牺牲阳极、测试桩、检查片的埋设应与管道施工同步进行。
14、电位参数测量组元（自然电位、保护电位、保护电流等）30套。
五、阴极保护工程量
工程量预算表
编号
工程项目名称
单位
数量
单价（元）
设备安装
合计（万元）
1
锌镁阳极注1
组
400
8941
2772
468.52
2
阳极填包料注2
组
400
17317
4860
887.08
3
测试桩
个
80
5200
87
42.30
4
检查片
个
26
360
55
1.08
4
测量组元
套
30
6000
77
18.23
5
电缆
米
25000
25
12
92.50
合计
1509.71
注1：
阳极每组8支镁阳极，4支锌阳极。
注2：
填包料每组12个。
附表1土壤对钢结构腐蚀性参数统计表
桩号
段长
（m）
氧化还原电位
（mv）
pH值
--
电阻率
（Ω·m）
区间值
腐蚀性
区间值
腐蚀性
区间值
腐蚀性
锦江山公园大门20米
1500
399
弱腐蚀
7.5
无腐蚀
6
强㈩腐蚀
七道沟桥洞子上游200米
1000
438
弱腐蚀
7.4
无腐蚀
24
强㈠腐蚀
七道沟桥洞子上游400米
200
385~576
弱腐蚀
5.8~7.5
无腐蚀
5
强㈩腐蚀
八道沟桥洞下游100米
1500
449~508
弱腐蚀
7.2~7.8
无腐蚀
14
强㈩腐蚀
元宝山净水厂分支口下游50—100米处
1500
527~549
弱腐蚀
6.1~7.2
无腐蚀
20
强㈩腐蚀
大沙河桥上游50米
1000
399~612
弱腐蚀
6.9~7.5
无腐蚀
43
强㈠腐蚀
鸭纸经山街
1000
415~589
弱腐蚀
5.6~7.6
无腐蚀
18
强㈩腐蚀
珍珠加油站
1000
391
弱腐蚀
7.6
无腐蚀
54.3
强㈩腐蚀
九连城42号（鸭绿江净水厂分支口）
1200
428
弱腐蚀
7.8
无腐蚀
26.6
强㈠腐蚀
东平大街交通门上游20米（河鱼大全对面）
1500
453
弱腐蚀
7.9
无腐蚀
117
中等腐蚀
横道河下游50米
1000
302~440
弱腐蚀
6.4~7.2
无腐蚀
19
强㈩腐蚀
蛤蟆塘分支口
1500
165
中等腐蚀
7.1
无腐蚀
17
强㈩腐蚀
丹吉公路交汇路上游100米
1000
484
弱腐蚀
6.0
无腐蚀
110
弱腐蚀
爱河大桥以下500米
1000
335~567
弱腐蚀
5.8~7.8
无腐蚀
24
强㈠腐蚀
炮台顶大坝上游80米
1000
527~549
弱腐蚀
6.1~7.2
无腐蚀
44
强㈠腐蚀
炮台顶大坝上游200米
120
165
中等腐蚀
7.1
无腐蚀
72
中等腐蚀
炮台顶大坝下游300米
500
266~389
弱腐蚀
6.0~7.5
无腐蚀
2.0~13.2
强㈠腐蚀
炮台顶大坝下游+300米
50
133
中等腐蚀
7.2
无腐蚀
37
强㈠腐蚀
丹吉公路+700米
1500
527~549
弱腐蚀
6.1~7.2
无腐蚀
22
强㈠腐蚀
续附表1土壤对钢结构腐蚀性参数统计表
桩号
段长
（m）
氧化还原电位
（mv）
pH值
--
电阻率
（Ω·m）
区间值
腐蚀性
区间值
腐蚀性
区间值
腐蚀性
丹吉公路+1200米
500
484
弱腐蚀
6.0
无腐蚀
12
强㈩腐蚀
丹吉公路九连城村
1500
415~589
弱腐蚀
5.6~7.6
无腐蚀
63
中等腐蚀
九连城一组农田
1000
527~549
弱腐蚀
6.1~7.2
无腐蚀
11
强㈩腐蚀
锦江山公园下500米
399~612
弱腐蚀
6.9~7.5
无腐蚀
10
强㈩腐蚀
新世纪花园（滨江中路口）
1000
527~549
弱腐蚀
6.1~7.2
无腐蚀
16
强㈩腐蚀
传染病医院
1000
332~567
弱腐蚀
5.8~7.8
无腐蚀
15
强㈩腐蚀
帽盔山
1000
507~549
弱腐蚀
6.1~7.2
无腐蚀
20
强㈩腐蚀
意翔塑料模具制造厂
1000
527~549
弱腐蚀
6.1~7.2
无腐蚀
15
强㈩腐蚀
二潮沟A
1500
389
弱腐蚀
7.5
无腐蚀
3
强㈩腐蚀
二潮沟B
50
436
弱腐蚀
7.4
无腐蚀
45
强㈠腐蚀
附表2土壤对砼中钢筋的腐蚀性区段表
桩号
段长
（m）
土中Cl-含量
（mg/kg）
腐蚀性评价
七道沟桥洞子上游400米
2000
865.6
中等腐蚀
珍珠加油站
5000
784.2
中等腐蚀
横道河下游50米
3000
756.2
中等腐蚀
炮台顶大坝上游200米
5000
332.3
弱腐蚀
丹吉公路+700米
1500
499.5
中等腐蚀
锦江山公园下500米
6000
603.2
中等腐蚀
传染病医院
2500
702.5.
中等腐蚀
意翔塑料模具制造厂
2300
797.6
中等腐蚀
二潮沟B
2000
586.3
中等腐蚀
合计
29300
附表3环境水对砼中钢筋腐蚀性区段表
桩号
段长
（m）
水中Cl-含量
（mg/l）
腐蚀性评价
七道沟桥洞子上游400米
2000
984.6
中等腐蚀
珍珠加油站
5000
893.2
中等腐蚀
横道河下游50米
3000
864.2
中等腐蚀
炮台顶大坝上游200米
5000
381.3
弱腐蚀
丹吉公路+700米
1500
583.5
中等腐蚀
锦江山公园下500米
6000
653.2
中等腐蚀
传染病医院
2500
783.4
中等腐蚀
意翔塑料模具制造厂
2300
841.6
中等腐蚀
二潮沟B
2000
628.3
中等腐蚀
合计
29300
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