阴极保护技术在渭南供水工程中的应用及研究

阴极保护技术在渭南供水工程中的应用及研究

黄卫民李媛张倚瑞

渭南市黄河水务有限责任公司陕西渭南714000

摘要：渭南抽黄供水工程预应力钢筒混凝土管道（简称PCCP）穿过地下水位较浅、氯离子含量较高地区，为减少管道腐蚀，延长寿命，首次在渭南供水工程采用了阴极保护技术，通过试验研究及应用进行总结，希望给类似工程提供借鉴。

关键词：供水；管道；阴极保护

1.渭南市抽黄供水工程概况

渭南市抽黄供水工程是利用东雷抽黄二期灌溉工程太里湾枢纽一、二级站从黄河干流取水，向渭南中心城区、渭北煤化工工业区、卤阳湖开发区供水的Ⅱ等大（2）型工程。设计最高日供水规模39.55万m3/d，设计年供水12125万m3。其中输水管线全长40.73km，设计流量为4.04m3/s，输水管道全部采用DN1800、0.6MPa抗硫酸盐侵蚀PCCP管和钢管件。

2.抽黄供水工程阴极保护设计

2.1阴极保护的作用

阴极保护技术是目前比较先进、有效的保护地下管道的方法，世界各国普遍采用，我国也开始在长距离管道开始推广应用。阴极保护技术是电化学保护技术的一种，其原理是向被腐蚀金属结构物表面施加一个外加电流，被保护结构物成为阴极，从而使得金属腐黄卫民，1968年，男（汉族），陕西华县人，高级工程师，学士，主要从事水利工程方面的研究及管理工作。

蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。阴极保护的技术有两种：牺牲阳极阴极保护和强制电流（外加电流）阴极保护。阴极保护已经广泛的应用在海船、埋地管道、地下电缆以及一些化工的领域，现在主要应用在土壤和海水中的金属构筑物的保护之中。

2.2数据测试

2.2.1土壤电阻率测试

本工程中管道沿线土壤，是影响PCCP管道腐蚀的主要因素，黄河水务公司就委托有关单位进行了管道沿线土壤电阻率测试，为设计提供了可靠的依据。

工程输水线路沿线跨越渭河一、二级阶地，属于渭北盐碱地区，地下水埋深1.7m～4.5m。沿线土壤、地下水对普通水泥有硫酸盐型强腐蚀，对钢结构及钢筋混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性；参考国家《岩土工程勘察规范》，当土壤电阻率在20Ω.m以下且地下水或土壤中氯离子含量不小于250ppm时，PCCP及钢管除外覆防腐层并应进行阴极保护。最终确定采用牺牲阳极阴极保护。

2.3阴极保护设计

2.3.1PCCP管道结构特点

本工程输水管道采用DN1800、0.6MPa抗硫酸盐侵蚀预应力钢筒混凝土管是带有钢筒的高强混凝土管芯上缠绕环向预应力钢丝，再在其上喷制致密的水泥砂浆保护层而制成的输水管。它是由薄钢板、高强钢丝和混凝土构成的复合管材，它充分而又综合地发挥了钢材的抗拉、易密封和混凝土的抗压、耐腐蚀性能，具有高密封性、高强度和高抗渗的特性。

2.3.2阳极种类的选择根据土壤电阻率选取牺阳极种类和电流的大小选取阳极的规格。

根据《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》要求，本工程输水管道在土壤环境中作参比电极用，牺牲阳极宜选用高纯锌，且周围应有填包料。

2.3.3填包料化学成分要求

填包料拌合采用人工配合小型拌和机拌合，根据施工规范采用相应的比例，且加入适量的水。锌阳极化学填料成分：石膏粉CaSO42H2O占75%，工业硫酸钠占5%，膨润土20%。

2.3.4钢管件阴极保护施工布置

工程中钢管件采用棒状纯锌阳极进行阴极保护。如排气阀井、计量阀井、分水阀井、连通设施、分水口和弯头处，PCCP管与钢构件不进行电连接，单独进行保护。在排气补气阀室两侧各安装一支棒状锌阳极，镇墩钢制管件处安装一支棒状锌阳极，阳极放置在钢管一侧，距管子外壁3.0m，立式摆放，阳极顶部与管顶同高。

2.3.5工程阴极保护设计工程量

本工程PCCP管道长34.153km，JPCCPDE管道长342m，钢管件2883t。设计阴极保护材料用量锌带74.414km，锌棒378个，测试盒10个，测试探头20个。

3.阴极保护施工技术

3.1施工程序

材料进场、材料验收、填包料拌合、管道电连接、焊接点防腐

阳极安装、测试点安装（测试盒及测试探头）、系统检测。

3.2阴极保护施工所涉及的材料

包括：带状锌阳极、棒状锌阳极、化学填料（石膏粉、工业硫酸钠、膨润土）、铜芯电缆、双组份聚硫密封膏。所有材料的成分必须满足设计要求。

3.3带状锌阳极安装

为充分发挥牺牲阳极的利用率，锌带分别放置在PCCP管子的两侧，锌带应放置在管底位置，管沟的一角。带状锌阳极的安装应与PCCP主体管道安装同步进行。当PCCP管沟挖好且基础处理完成后，根据设计图纸安装PCCP管道底部的带状锌阳极。阳极周围填充特定组分和尺寸的化学填料，再覆盖一定厚度的土层对安装的阳极进行保护。

3.4钢制管件棒状锌阳极安装

在阀井实二侧各安装一支棒状锌阳极，在镇墩钢制管件处安装一支棒状锌阳极，阳极放置在钢管一侧，距管子外壁3.0m，立式摆放，阳极顶部与管顶同高。在JPCCPDE管道保护段，阳极可在管道两端放置（每端2支）放置位置距管子外壁3.0m，立式摆放，阳极顶部与管顶同高。

3.5管道电连接

管道安装后，PCCP管道间采用XLPE/PVC0.6/1KV1*25mm2铜芯电缆进行电连续性跨接，跨接电缆采用铜焊方式分别焊接在相邻的两节PCCP管子的跨接钢片上。焊接电缆方向要与管轴同向，焊接牢固。电缆焊接前钢片的焊接部分打磨除锈致出现金属光泽。电缆焊接完成后，除去焊点周围的焊渣等杂物，再使用双组份聚硫密封膏对焊点做密封防腐处理，对PCCP管道跨接点处进行覆盖和保护，焊接金属和电缆铜芯无外露。

3.6测试点的安装

测试点处30米PCCP管成一个单独的单元，该处的阳极出线电缆引入测试盒内，阴极汇流电缆只连接30m内PCCP管，直接引进测试盒内，在盒内通过接线柱与阳极电连接。该点处埋入2支测试探头，2支探头的导线直接引进测试盒内，一支与管子相连，用于测量极化电位，另一支与管子不相连，用于测量自然电位。

测试盒安装在排气阀井的内壁，位于与井内的踏步垂直的位置。各种电缆经穿线管引入测试盒。在测试点处，30m的2支锌带1端绝缘，1端电缆直接接入测试盒，不与PCCP管电连接；PCCP管引出两条电缆，接入测试盒。

3.7电缆安装

本工程所使用的电缆均为XLPE/PVC型铜芯电缆。所有在地面顶部水平敷设的电缆都应埋设在冻土层以下（最小埋设深度为1米），电缆四周填上细土，在电缆上面回填细土后应敷设塑料警示带。所有埋地电缆应留有足够的余量，避免拉伸应力。电缆与电缆的连接，电缆与镀锡铜的连接，以及电缆与锌带的连接主要采用压接方式（铜焊接也可），再使用专用电缆保护套进行防腐和密封。

4.工程检测

PCCP管道阴极保护检测设备有：ZC-8接地电阻测试仪、数字万用表、便携式CSE参比电极。

阴极保护的测试，按照检测的时间顺序可分为阴极保护施加前测试、施加期间的测试和后期的维护管理测试。施加前测试前已叙述。施加期间原始参数测试主要有：每节PCCP管的电阻测试、管道自然电位测试、阳极开路电位测试、阳极地床接地电阻的测试及阳极输出电流的测试等。取沿线部分15个焊点电阻测试经检测，每节PCCP管两端钢筋与电缆的连接电阻小于0.03欧姆，电缆间的连接电阻小于0.01欧姆，均满足规范要求。

5．结论及建议：

5.1.在渭南抽黄供水工程中阴极保护技术研究、设计、施工均满足规范要求，经检验评价非常成功。填补了渭南市在这项技术上的空白，为渭北高盐碱化土壤及地下水氯离子含量高的环境，供水工程设计、施工提供了宝贵的经验。

5.2.每个工程所在地区的土壤、地下水质、地下水位等状况不同，必须在设计前对影响因素进行必要的测试研究，以保证设计的针对性和科学性。

5.3.阴极保护材料及施工对于工程质量至关重要，材料必须是经认定的合格产品、安装图纸等资料要齐全，应选用具备相应资质的专业队伍，严格按照规范要求施工。

5.4.本工程采用高纯锌作为牺牲阳极材料，可有效避免过保护现象的发生，值得参考。

5.5阴极保护技术与管道防腐技术共同完成对管道的保护，在工程设计、施工中且不可忽视了防腐技术的使用和施工质量。

5.6管道进入正常运行阶段，应按照规范要求及时检测，并进行分析，为确保阴极保护设施的良好运行。

参考文献

[1]渭南市抽黄供水工程输水线路阴极保护设计

[2]中华人民共和国国家标准，埋地预应力钢筒混凝土管道的阴极保护：GB/T28725-2012

[3]中华人民共和国国家标准，埋地钢质管道阴极保护技术规范：GB/T21448-2008

[4]中华人民共和国国家标准，埋地钢质管道阴极保护参数测试方法：GB/T21246-2007