阴极保护在PCCP输水管线工程的应用实例

王 静 卢宗春 张 伟

（青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司，山东 青岛 266101）

0 引言

某地区PCCP输水管线供水项目，PCCP管段（桩号 55+181~60+181），为防止PCCP管中的钢结构的腐蚀，对 PCCP管道砂浆保护层外采用环氧煤沥青涂料，同时对埋地 PCCP管道构筑物进行阴极保护，延长PCCP管的使用年限。

1 阴极保护设计[1-6]

1.1 阴极保护设计原则

（1）管道阴极保护设计保护年限50年；

（2）PCCP的阴极极化电位差不小于100mV，允许的最负极化电位为-1000mV/CSE；

（3）钢管最小保护电位为-0.85V（相对于饱和硫酸铜参比电极）或极化电位差不小于100mV；

（4）在有效保护期间内，管线腐蚀基本上得到有效控制，不发生腐蚀泄漏。

1.2 埋地PCCP管道阴极保护设计参数

（1）管道总长度：5km×3（3根管道并排），单节长度5m；

（2）防腐层：环氧煤沥青；

（3）单节钢筒外壁面积：62.33m2；

（4）单节PCCP管内预应力钢筋表面积： 79.86m2；

（5）单节PCCP管钢筒和钢筋阴极保护总面积：142.19m2；

（6）管道沿线平均土壤电阻率：25Ω·m（根据现场测试数据取平均值）；

（7）阴极保护系统设计寿命：50年。

1.3 埋地PCCP管道阴极保护的设计计算

1.3.1 阴极保护总电流的计算

根据管道外壁防腐层种类、设计使用寿命50年及阴极保护电流密度与防腐层绝缘电阻的对应关系，并借鉴国内外埋地PCCP工程的成功案例，比如南水北调项目，选择本项目中的最小阴极保护电流密度取0.3mA/m2。

总阴极保护电流需要量计算如下：

其中：i=0.3mA/m2；

S=426530m2。

1.3.2 牺牲阳极种类的选择

牺牲阳极材料有：镁合金、锌合金和铝合金三种，在土壤中，通常选择镁合金和锌合金，其性能如表1所示。通过从阳极电位、土壤电阻率、阳极使用年限及经济性、PCCP管道安全性考虑，决定选用ZR-1型带状锌合金牺牲阳极，其规格为25.40×31.75mm，在土壤电阻率大于20Ω·m的部位，锌阳极填包料的配方为：石膏粉：膨润土：工业硫酸钠=75:20:5（质量分数），电阻率为1Ω·m。

表1 镁阳极与锌合金阳极电化学性能（土壤中）

1.3.3 单支带状锌合金牺牲阳极接地电阻计算

其中：

Ra-带状锌合金牺牲阳极接地电阻（Ω）；

ρ-土壤电阻率（Ω·m），ρ=25Ω·m；

Lg-裸牺牲阳极长度（m）。

对于ZR-1型锌合金，ρ=25Ω·m，考虑到带状锌合金阳极容易断裂的情况，单支长度平均按照Lg=100m计算，代入上式计算可得，100米ZR-1型锌合金阳极的接地电阻Ra=0.25Ω。

1.3.4 单支带状锌合金牺牲阳极输出电流计算

其中：

Ia-阳极输出电流（A）；

Ec-阴极开路电位（V）；

Ea-阳极开路电位（V）；

ec-阴极极化电位（V）；

ea-阳极极化电位（V）；

Rc-阴极过渡电阻（Ω）；

Ra-阳极接地电阻（Ω）；

Rw-回路导线电阻（Ω）；

△E阳极有效电位差（V）；

R-回路总电阻（Ω）。

本公式中Ra>>Rc+Rw，因此可简化为：

对于ZR-1型锌合金牺牲阳极，根据德国DIN标准PCCP中钢筋的保护电位为-750mV。

故取△E=0.25V，代入上式计算可得100米带状锌阳极Ia=1A，即每米带状锌阳极可输出0.01A 电流。

1.3.5 牺牲阳极数量计算

其中：N-阳极数量（米）；

IA-所需保护电流，127.971A；

Ia-每米带状阳极的输出电流0.01A；

B-备用系数，取3。

1.3.6 牺牲阳极寿命计算

式中： T-阳极工作寿命（a）；

w-阳极净质量（kg）；

ω-阳极消耗率[kg/(A·a)]；

-阳极平均输出电流（A）。

对于ZR-1型锌合金牺牲（阳极带线质量为3.57kg/m），w=3.57kg，ω=17.25kg/（A·a），I=0. 0032A（127.971/40000），计算可得设计寿命T=54.9年，满足设计寿命大于50年的要求。

2 牺牲阳极分布位置设计

根据计算结果可知，锌带分8处布置，其分布位置如图1所示，锌带距离管道外壁0.5～1.0米，锌带周围铺设一层横截面积为0.3×0.3m的牺牲阳极填包料将阳极包裹，条件允许的话，阳极填包料应用足量的水浸泡。

图1 锌带位置安装剖视图

经过计算可知，所需ZR-1型锌合金牺牲阳极为38391米，考虑到实际施工需要，带状锌阳极的数量取40000米，即同槽的3条PCC铺设8条带状锌阳极。

3 阴极保护数据测试

3.1 测量工具[7]

数据万用表、ZC-8接地电阻测试仪、双臂电桥。

3.2 实地测量结果

对带状锌合金牺牲阳极，Y-02单元至Y-06单元管段分别测试2处，测试结果如表2所示。

表2 沿线阴极保护数据

4 阴极保护效果分析

根据现场测量数据分析，阳极埋设后，阳极开路电位均小于-1.05V（相对于CSE），阳极闭路电位均小于-1.03V（相对于CSE），符合设计要求。原设计中预估阳极平均输出电流值为0.0032A，实际阳极初始输出电流值为0.0021-0.0031A，实际工程中，阳极寿命预估为56～83年，满足设计寿命大于50年的 要求。

经过工程现场实测值与原设计参数取值的对比可知，实际工程中，阳极在初始阶段提供了足量电流已实现有效阴极保护。