陰極保護在PCCP管道防腐中的應用

邢士波等

院，河北 邯鄲 056038；4.北京科技大學新材料技術研究院，北京 100083；5.河南華安煤業有限公司，河南 安陽 455000）

摘要：預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡稱PCCP）長期埋設在土壤中，PCCP中的鋼構件不可避免地會發生電化學腐蝕，必須對其采用有效的防腐措施。實踐表明，陰極保護是最佳防腐的方法，可以有效地解決PCCP的腐蝕問題，延長管道的使用壽命。文章主要對陰極保護在PCCP防腐中的應用進行探討。

關鍵詞：PCCP；陰極保護；管道防腐；復合輸水管材

中圖分類號：TV546 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）14-0046-02

1 概述

PCCP是目前世界上使用非常廣泛的大口徑的優質復合輸水管材，具有適用范圍廣、抗震性能好、安裝方便、運行費用低、經濟壽命長、基本不漏水等優點，近年來逐漸被應用于供水、引水、污水處理、電廠循環水等各種管線。雖然PCCP管道外層的水泥砂漿保護層對高強鋼絲提供一定的保護作用，但在某些土壤環境中氯離子等活性離子的作用下，由于高強鋼絲的腐蝕有可能導致PCCP爆管事故的發生，陰極保護能從根本上抑制高強鋼絲的各類電化學腐蝕。近年來，國內外已陸續采用陰極保護技術防止或修復PCCP的腐蝕。因此，陰極保護在PCCP防腐中的應用具有重要意義。

2 PCCP在土壤中的腐蝕及影響土壤腐蝕的因素

對于金屬材料來說，在自然環境中不可避免地會產生腐蝕。腐蝕是金屬與其環境作用而遭受破壞的現象，埋設在土壤環境中的PCCP的腐蝕主要是電化學腐蝕。

2.1 微電池和宏觀電池引起的土壤腐蝕

土壤腐蝕電池大致可分為腐蝕微電池和腐蝕宏電池

兩類：

（1）腐蝕微電池是因埋地PCCP管表面狀態的影響，是由于氧電極反應的平衡電位與PCCP中金屬電極反應的平衡電位之差而形成導致的腐蝕電池。

（2）腐蝕宏電池是因土壤性質差異引起的腐蝕電池。埋地PCCP經過物化性質差異很大的土壤時，可以形成較大的電位差，形成腐蝕電池。反應式如下：

陽極上的氧化反應：Fe→Fe2++2e（陽極區）

陰極上的還原反應：2H++2e→H2↑（酸性溶液中）

O2+4H++4e→2H2O（陰極區）

總的電化學反應式：O2+2H2O+4e→4OH-

2.2 雜散電流引起的土壤腐蝕

所謂雜散電流通常是指在大地中做無規律性移動的電流，雜散電流腐蝕是由雜散電流引起的電化學腐蝕，其腐蝕程度受外部電流極性和大小的影響，比一般土壤腐蝕激烈得多。產生雜散電流的設備有電氣軌道、變電站、電解工廠直流電源、陰極保護設施等。

2.3 土壤中微生物引起的腐蝕

在缺氧的土壤中，如密實、潮濕的粘土處，金屬腐蝕過程似乎難以進行，但這種土壤條件卻有利于某些微生物的生長。土壤微生物的新陳代謝產物也會加速腐蝕。常常發現，因硫酸鹽還原菌（厭氧菌）和硫桿菌的活動而引起金屬的強烈腐蝕。

3 陰極保護技術在PCCP管道的應用

陰極保護技術是對PCCP管道保護的重要技術之一，陰極保護技術是電化學保護技術的一種，陰極保護就是使被保護的金屬電位負移，發生陰極極化，稱為電化學體系中的陰極受到保護的電化學保護方法。陰極保護可以防止環境介質（土壤、海水、淡水、化工產品）的電化學腐蝕，對點蝕、應力腐蝕、腐蝕疲勞、晶間腐蝕、雜散電流、細菌等腐蝕作用有很好的防止作用。

4 陰極保護在PCCP管道保護中的原理

4.1 陰極極化作用

陰極保護原理主要是陰極極化作用，具體方法為將還原性較強的金屬作為保護極。

4.2 增強鋼絲表面的堿性，維持鈍化狀態

施加陰極保護后，在金屬表面發生如下陰極反應：O2+2H2O+4e→4OH-，反應產物OH-使鋼絲表面堿度升高，使其表面保持鈍化狀態。

4.3 降低混凝土中有害離子的含量

由于鋼絲表面堿性提高，抑制了Cl-、HCO3-、NO3-、SO42-等離子向混凝土內部擴散，特別是降低了Cl-向混凝土中的滲透，對鋼絲及混凝土起到了良好的保護作用。

5 陰極保護在PCCP管道應用的條件及注意

事項

陰極保護在PCCP管道應用的過程中，應具備的條件有：腐蝕介質是否導電，以便建立起連續的電路；被保護金屬在所處介質中要易于進行陰極極化，否則耗電量大；要保證保護構筑物系統間的電連續性；一些不安全因素必須考慮。

下面就PCCP管道陰極保護在工作環境的分析、設計、施工方面以及陰極保護對PCCP制造方面等應注意的事項做簡要的說明：

首先是土壤環境與水的取樣分析。在PCCP制造與安裝施工前應對其工作環境的土試樣及水試樣做取樣分析，對取樣地點及取樣量的多少都要有準確的記錄，并盡快地送至實驗室進行試樣分析試驗，以便確定環境對PCCP的腐蝕性范圍及種類。

其次是如何設計陰極保護的準則、技術指標、參數選取、材料選取和保護方法，通常是通過分析腐蝕性范圍及種類并參照標準進行設計選擇。

再次是陰極保護施工前應注意的問題。在使用犧牲陽極陰極保護法的情況下，安裝陽極之前，先要對陽極表面進行檢查是否存在油污及氧化物，如果有要處理干凈。然后將陽極與特定組分和尺寸的化學填充料裝入包中（陽極在包的中央，被化學填充料緊密包裹）置于陽極溝中（如果條件允許，陽極周圍填充的化學填料應加入足量的水進行浸泡），再覆蓋一定厚度的土層保護安裝好的陽極，但是土層的厚度不能影響PCCP的敷設，并禁止向坑內回填砂石、水泥塊、塑料等雜物。

最后是陰極保護對PCCP制造與安裝的要求說明。PCCP內部的鋼筒、承插口鋼環、預應力鋼絲等鋼結構物都應該進行電連接；在陽極電纜的埋設、PCCP的埋設、防腐覆蓋層的電絕緣性、控制保護電位、絕緣的保護、混凝土與砂漿質量、鋼絲纏繞質量、避免雜散電流的流入、對于復雜構筑物要考慮其幾何上的屏蔽作用防止電流的不均勻性、陽極電纜與PCCP管道的焊接質量以及PCCP管線的定期檢測和維修等方面也需要特別注意，這將有利于整個PCCP管道的建設和運行。

6 結語

近年來，我國對水利建設的投資越來越大，最明顯的例子就是南水北調工程。在工程中應用最多的管材就是PCCP，但是作為埋設在土壤環境中的PCCP，隨著使用時間的延長發生滲漏甚至爆管的可能性越來越大，給管道系統的安全運行造成隱患，而陰極保護能從根本上抑制各類電化學腐蝕。采用陰極保護，可大大提高PCCP的耐久性、安全性和可靠性，降低運行管理中的維修費用，增加管道的有效利用率，大大延長了管道的使用壽命。本文主要針對陰極保護在PCCP管道中的應用進行了初步的分析，相信對同類工程的實際應用有所借鑒。

參考文獻

[1] 吳蔭順，曹備.陰極保護和陽極保護——原理、技術及工程應用[M].北京：中國石化出版社，2007.

[2] 葛燕，朱錫昶.混凝土中鋼筋的腐蝕與陰極保護

[M].北京：化學工業出版社，2007.

作者簡介：邢士波，男，山東臨沂人，河北工程大學講師，碩士，研究方向：金屬腐蝕與防護。

（責任編輯：周 瓊）