防腐技术在南水北调PCCP工程中的应用.docx

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防腐技术在南水北调PCCP工程中的应用

防腐技术在南水北调PCCP工程中的应用

2010-03-1909:

53:

44作者：

李向东来源：

水利部山西水利水电勘测设计研究太原030024

 摘要：

南水北调工程北京段工程沿线地质环境复杂，存在有害介质腐蚀和杂散电流腐蚀 危害，必须采取有效的PCCP防腐措施。

通过改善混凝土及砂浆性能、进行涂层防腐和阴 极保护，可以有效解决南水北调工程北京段PCCP管线的腐蚀问题，提高工程安全和耐久 性，为今后PCCP工程积累了宝贵经验。

    关键词:

南水北调；PCCP；腐蚀；涂层防腐；阴极保护

    中图分类号：

TV672文献标识码：

B

    1 工程防腐的必要性

    南水北调中线京石段应急供水工程（北京段）惠南庄~大 宁段采用2排并行DN4000预应力钢筒混凝土管（PCCP）输 水，设计最大输水流量60 m3/s。

项目初期腐蚀调查显示：

工 程沿线共约30km地段地下水位高于管底，地下水对钢管具 有弱腐蚀性，对混凝土全线均无腐蚀性；沿线累计约14 km 地段对混凝土内钢筋有弱腐蚀性；沿线土壤的pH值在 8.27~8.8之间，对PCCP不具腐蚀性；氯离子浓度在沿线局 部地段土壤中对PCCP具有弱腐蚀性，但在大部分地段对 PCCP不具腐蚀性；沿线土壤中硫酸根离子浓度对PCCP管 不具腐蚀性；土壤中的氧化还原电位较高，均大于100 mV； 电阻率较低，低于50Ω·m，极化电流密度较高，管路全线杂 散电流对钢管具中、强腐蚀性。

    南水北调北京段PCCP工程工压高、覆土深，地质环境 较复杂，多处与电缆、道路、管线等对工程电位和电流有影响 的结构交叉，存在诸多潜在腐蚀因素。

依据国外经验，在具有 腐蚀性的地段，尤其是存在杂散电流的地段，若不采用有效 的防护措施，多则十几年，少则几年，PCCP管线就可能发生 爆管事故。

设计单位在综合考虑管线运行工况、沿线环境后， 以确保95%的供水保证率为原则，从降低运行、管理和维护 费用的角度出发，在充分利用管道自身防腐能力的基础上， 在工程全线实施了涂层防腐和牺牲阳极的阴极保护。

笔者通 过参加南水北调北京段PCCP监造工作，在结合工程实践的 基础上研究、学习相关规范和文献资料，对PCCP管线腐蚀 控制措施有了更进一步的理解。

    2 发挥管道自身防腐能力

    从PCCP自身结构分析，混凝土管芯和密实的水泥砂浆 保护层，一方面可以隔绝外界腐蚀性介质渗入结构内部与钢 丝接触，另一方面形成碱性环境，使预应力钢丝表面包裹一 层稳定的惰性氧化膜，称为钝化膜，它起着保护钢丝防止锈 蚀的作用。

南水北调北京段PCCP输水工程从混凝土和砂浆质量和性能方面加以研究，通过提高耐久性和控制裂缝等缺 陷，强化和保护了钝化膜，达到了防腐目的。

    2.1预防碱活性破坏

    为预防骨料中的活性氧化硅颗粒与水泥等原材料带入 的碱类物质发生反应，造成管芯和保护层膨胀开裂，设计首 先从原材料控制方面提出要求，使用非碱活性砂石骨料和碱 含量不大于0.6%的低碱水泥，并要求混凝土碱含量控制在 2.5 kg/m3以内，排除了发生碱骨料反应的两个条件。

制造单 位在混凝土配合比设计时，采用掺加优质粉煤灰方案，减少 了水泥用量，也控制了混凝土碱含量。

通过采用严格的双控 措施，杜绝了管芯混凝土和保护层砂浆发生碱骨料反应，确保护了钢丝和钢筒不受腐蚀破坏。

    2.2提高混凝土和保护层砂浆强度

    管芯混凝土设计强度为C55和C60，且采用蒸汽养护提 高早期强度；砂浆设计强度为48 MPa，有效避免了吊运、安 装等环节的损坏，保证了对预应力钢丝的有效保护。

从设计 入手，通过配合比优化等多项措施，避免了外保护层和混凝 土裂缝、掉块、碰损等缺陷，强化了预应力钢丝周围的碱环 境，充分发挥了PCCP自身抗腐蚀的特点，为管线防腐奠定 了基础，为钢丝和钢筒提供了保护。

    2.3 提高管芯和保护层质量

    在规定管芯不允许出现蜂窝麻面等常规混凝土缺陷的 基础上，拒绝使用存在外表面裂缝管芯；管道外保护层也不 允许出现任何空鼓、裂缝、分层及剥落现象。

通过使用高效减 水剂、完善管芯成型工艺、实行合理的管芯及保护层蒸养制 度、规范吊装和运输等操作，有效地减少了温度裂缝、收缩裂 缝等缺陷，保证了管芯和保护层质量。

    3 进行涂层防腐

    南水北调北京段PCCP输水工程全线PCCP均采用超厚 膜重防腐蚀环氧煤沥青涂料进行涂层防腐。

该漆膜具有优异 的抗化学介质腐蚀和渗透性，良好的物理机械性能，还具有 优异的电绝缘性、抗水渗透性、抗微生物侵蚀、抗杂散电流、耐热、耐高温骤变等优良性能，漆膜坚韧、耐磨，耐水、耐海 水、耐盐雾性能佳。

环氧涂层设计干膜厚度600±100μm，分 两遍喷涂，每遍为设计厚度的一半。

    工程在国内首次实施了防腐涂层机械化湿喷技术：

利用 PCCP管道保护层辊射设备回转平台和喷枪提升系统（见图 1），在砂浆保护层辊射完成后，选用无气高压喷涂设备，在辊 射回转平台带动管道旋转过程中，提升设备匀速下降，同时 喷枪均匀喷涂雾化涂料至保护层。

通过控制回转平台的旋转 速度、喷射宽度和压缩空气压力，对涂装漆膜的厚度进行调 整。

为了保证喷涂质量，回转平台旋转一周喷枪向下移动1/2 喷射宽度，即各喷涂带之间有1/2的宽度重叠［1］，保证了漆膜均匀，提高了保护层质量和生产效率。

    通过本工程防腐涂层质量控制的实践，笔者认为除应满 足平整、光滑、厚度均匀等防腐涂层的常规指标外，应充分考 虑外防腐与阴极保护的兼容性问题［2］，重点对与阴极保护有 关的涂层指标如电阻、附着强度等指标进行控制，并保证涂 层无露底、针孔、漏点、裂缝、气泡等缺陷，以避免资源浪费和 两种防腐形式不兼容造成腐蚀。

对60节PCCP分三批次抽 检的结果显示，干膜厚度平均值为671μm，最小干膜厚度大 于400μm；漆膜平均附着强度为1.6 MPa，均大于1.2 MPa， 大于保护层自身强度。

涂层各项指标满足设计要求。

通过对 未防腐和防腐管道电阻测试对比，防腐后管道外壁电阻平均 值为3 100 MΩ，不带涂层的外壁电阻为低于10 kΩ。

    4 进行阴极保护

    南水北调北京段PCCP工程首次在国内针对PCCP管线 实施了牺牲阳极的阴极保护：

平行于PCCP管道埋设带状锌 阳极，对PCCP管道内钢筒和预应力钢丝进行保护；对PCCP 管线中的钢配件，采用棒状镁阳极对其进行保护（本文不再 赘述）。

根据NACE RP0100的阴极保护准则，运行阶段PCCP 与稳定铜/硫酸铜参比电极（CSE）之间的最小阴极极化电位 为100 mV，并避免低于-1 000 mV的极化电位。

阴极保护的 设计年限为25年。

    4.1单节PCCP的电连接

    根据NACE RP0100，为提高PCCP管的纵向导电率和在 阴极保护期间在管道内形成更好的均匀电流分布，PCCP管芯缠丝前，在管芯外壁承口钢环和插口钢环上焊接一条导电 扁钢带。

本工程钢带材料为Q235A，尺寸为宽53.3 mm、厚1.5 mm、长5 000 mm，缠丝过程直接压在预应力钢筋下，保持良 好的电连接。

对于双层缠丝的PCCP，两层预应力钢丝下各压 一条导电扁钢带。

为确保预应力钢丝与钢筒间以及相邻管道 间的电连续跨接，阴极保护预埋件（L型钢带）一端与导电扁 钢带及锚座焊接，另一端与承插口相接，形成了改良的锚固 块，实现了钢筒、预应力钢丝及导电扁钢的电连续性连接。

    被保护PCCP的电阻是影响阴极保护效果的关键因素 之一，除应保证钢带尺寸外，还应对焊接质量材料除锈操作 进行严格控制。

缠丝前，应对导电扁钢带进行除锈处理，避免 存在氧化皮、铁锈、油污等增加与钢丝的接触电阻的异物存 在；同时对导电扁钢带与预应力钢丝接触的棱角进行打磨， 使其形成一定的倒角或弧度，避免在该处产生应力集中对钢 丝造成破坏。

单节PCCP需在厂内经电连续性测试合格，测 试方法如图2所示，测量导电扁钢带和与其相对180°圆周 处钢丝间的电阻。

通过生产监造人员对60节PCCP测试，平 均电阻为0.4Ω，低于1.0Ω的设计要求［3］，满足PCCP阴极 保护电连续需要。

    4.2牺牲阳极的安装

    南水北调北京段PCCP工程采用带状锌阳极对PCCP进 行阴极保护，两条管线共设6条，分为两种布置形式，由施工 单位根据设计要求和施工前测得的土壤电阻选择具体阳极 布置。

当土壤电阻率小于100Ω·m时，6条阳极均采用图3 中规格1；当土壤电阻率大于或等于100Ω·m时，管道底部 3条阳极采用图3中规格1，管道顶部3条阳极采用图3中 规格2。

在阴极保护系统中，阳极锌带通过自身消耗（腐蚀）释放保护PCCP预应力钢丝和钢筒所需电子，其尺寸直接影响 着阴极保护系统运行年限，因此是设计和施工控制的重点。

 根据NACE RP0100,阳极的布置须使被保护管线平衡在至少 100 mV的极化电位。

阳极的安装融合到PCCP安装过程中。

 在管道安装完成后，首先按照施工图要求（图4）铺设管底阳 极。

具体方法：

在沟槽底部开挖宽200 mm、深100 mm的阳 极沟，先在阳极沟内填约1/2高的化学填包料，再将调直的 锌阳极带铺设在填包料中间，然后再用填包料将阳极沟填 满。

管道回填至管顶约50 cm时，按照下层铺设方法和要求， 完成管顶阳极安装。

    化学填包料采用石膏粉、膨润土和工业硫酸材料，按照 重量比0.75∶0.20∶0.50的比例混合制成。

其主要作用是：

改善 阳极的周围环境，降低阳极的接地电阻，增加阳极输出电流， 保证阳极输出电流有良好的使用效率并延长其使用寿命；填 料的化学成分有利于阳极产物的溶解，防止阳极腐蚀产物结 痂，减少不必要的阳极极化；吸收土壤水分，维持阳极长期湿 润。

为有效发挥阳极保护作用，安装过程应确保阳极处于填 包料中间，严禁使用土壤代替，并在安装完成后及时对填包 料进行浇水使其充分湿润。

    被保护的PCCP在承插口分别焊接宽60 mm、厚3 mm 的跨接（钢）片，利用单节PCCP的电连续实现了跨接片与钢 丝、钢筒的电连续连接。

管道完成对接后，在接口上部利用 XLPE/PVC1×25 mm2 0.6/kV铜芯电缆与跨接片采用铝热方 式焊接，以实现PCCP间的电连续性连接。

工程采用NACE RP0100中“连接电缆”形式的连接（见图5），电缆留有足够 的松弛度，并用水泥砂浆包裹。

跨接片在焊接前也应经过处 理，处理要求同导电扁钢带。

经对安装完毕的连接进行检测， PCCP承插口处的跨接片之间的电阻均满足小于1.0Ω的设 计要求，电缆与跨接片间的连接电阻满足不大于0.01Ω的 设计要求。

PCCP间的连接能满足管线阴极保护电阻要求。

 设计每100 m即20节管道为一个独立的保护单元，并 在每隔25 m的距离用铜芯导线把阳极锌带连接到PCCP管道上，管段间进行电连续性连接。

腐蚀监测控制点安装在距 此保护单元最近的排气阀或检修阀井室内（阀井间隔约1 km），运行管理过程依据采集的电位、电流、电阻等监测数 据，判定阴极保护效果。

    4.3阴极保护系统的运行

    在经历了周密的设计和规范化的施工后，还需要根据 NACE RP0100及设计要求进行科学的激励和系统调试，并 在运行维护阶段对系统的运行情况进行科学监测，数据采集 处理，认真分析总结，最大限度发挥防腐技术的经济、社会效 益，以有利于我国PCCP输水行业发展，增加投资回报，造福 人民。

    5 结语

    南水北调工程在国内首次实施了PCCP阴极保护，同时 采用了管道外防腐涂层措施以及提高管道自身抗腐蚀能力 的综合措施，最大限度保证了管线的安全和耐久，通过工程 实践提出并完善了防腐涂层和阴极保护措施的生产、安装工 艺和检测标准，为同类工程提供了宝贵的参考经验。

参考文献

［1］何鱼游，杜建伟，孟春晖，林竹，胡延新.PCCP自动化外 壁防腐工艺在南水北调工程中的应用［J］.石油工程建设， 2008（8）：

58-60.

［2］A.W.皮博迪等.管线腐蚀控制［M］.吴建华，许立坤，等， 译.第二版.北京：

化学工业出版社，2004：

7-12.

［3］胡士信，王东黎，张本革，窦宏强，陈弘，钱德林.预应 力钢管混凝土管阴极保护技术应用介绍［J］.南水北调与水 利科技，2008

（1）：

303-306.

作者简介：

李向东，男，1982年生，2005年毕业于河北农业大 学水利水电工程专业，助理工程师。