防腐技术在南水北调PCCP工程中的应用
李向东
（水利部山西水利水电勘测设计研究院，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60m3/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14km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达270PPm，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100mA；电阻率较低，低于50Ω2m，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。根据依据国外经验，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、沿线环境的后，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
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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2.5kg/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48MPa，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
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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。
升降装置喷枪辊射机回转平台配料室辊射设备 图1 PCCP防腐机械化湿喷设备
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1.6MPa，均大于1.2MPa，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 100MΩ，不带涂层的外壁电阻为低于10KΩ。
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100mV，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的电连续
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53.3mm、厚1.5mm、长5 000mm，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
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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。
电阻测试设备与扁钢带连接的测试电缆与钢丝连接的测试电缆预应力钢丝PCCP预应力钢丝扁钢带
图2 阴极保护电阻测试示意图
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100Ω2m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100Ω2m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。
规格1规格2
图3 阳极断面尺寸图
根据NACE RP0100,阳极的布置须使被保护管线平衡在至少100mV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200mm、深100mm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
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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50cm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。
填包料管顶阳极管底阳极
（尺寸单位：mm） 图4 阳极锌带安装示意图
被保护的PCCP在承插口分别焊接宽60mm、厚3mm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/PVC1325mm20.6/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。
砂浆预应力钢丝铜芯电缆扁钢带锚固块导电扁钢带钢筒内壁插口承口
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图5 PCCP管间电连续连接示意图
设计每100m即20节管道为一个独立的保护单元，并在每隔25m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1km），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，最大程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，最大程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。 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。
[收稿日期：2009-03-10，修回日期：2009-03-26]
Application of corrosion protection in PCCP of South-to-North
Water Diversion Project
Li Xiang-dong
Abstract: The geo-environments along the Beijing Section of South- to-North Water Diversion Project is complicated, deleterious medium and stray-current exist, effective steps should be taken to control PCCP corrosion. The improvement of properties of concrete and mortar, the application of anticorrosive Coating and CP, are good methods to solve the corrosion problem of the pipeline, the security and durability of the project are improved. Valuable experience is provided for the future PCCP project.
Key words: South- to-North Diversion Project PCCP corrosion anticorrosive Coating Cathodic Protection (CP)
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