阴极保护在PCCP管道防腐中的应用

邢士波　苏霄　王相民　李丽　杨体绍　霍文静

摘要：预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，简称PCCP）长期埋设在土壤中，PCCP中的钢构件不可避免地会发生电化学腐蚀，必须对其采用有效的防腐措施。实践表明，阴极保护是最佳防腐的方法，可以有效地解决PCCP的腐蚀问题，延长管道的使用寿命。文章主要对阴极保护在PCCP防腐中的应用进行探讨。

关键词：PCCP；阴极保护；管道防腐；复合输水管材

中图分类号：TV546 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）14-0046-02

1 概述

PCCP是目前世界上使用非常广泛的大口径的优质复合输水管材，具有适用范围广、抗震性能好、安装方便、运行费用低、经济寿命长、基本不漏水等优点，近年来逐渐被应用于供水、引水、污水处理、电厂循环水等各种管线。虽然PCCP管道外层的水泥砂浆保护层对高强钢丝提供一定的保护作用，但在某些土壤环境中氯离子等活性离子的作用下，由于高强钢丝的腐蚀有可能导致PCCP爆管事故的发生，阴极保护能从根本上抑制高强钢丝的各类电化学腐蚀。近年来，国内外已陆续采用阴极保护技术防止或修复PCCP的腐蚀。因此，阴极保护在PCCP防腐中的应用具有重要意义。

2 PCCP在土壤中的腐蚀及影响土壤腐蚀的因素

对于金属材料来说，在自然环境中不可避免地会产生腐蚀。腐蚀是金属与其环境作用而遭受破坏的现象，埋设在土壤环境中的PCCP的腐蚀主要是电化学腐蚀。

2.1 微电池和宏观电池引起的土壤腐蚀

土壤腐蚀电池大致可分为腐蚀微电池和腐蚀宏电池

两类：

（1）腐蚀微电池是因埋地PCCP管表面状态的影响，是由于氧电极反应的平衡电位与PCCP中金属电极反应的平衡电位之差而形成导致的腐蚀电池。

（2）腐蚀宏电池是因土壤性质差异引起的腐蚀电池。埋地PCCP经过物化性质差异很大的土壤时，可以形成较大的电位差，形成腐蚀电池。反应式如下：

阳极上的氧化反应：Fe→Fe2++2e（阳极区）

阴极上的还原反应：2H++2e→H2↑（酸性溶液中）

O2+4H++4e→2H2O（阴极区）

总的电化学反应式：O2+2H2O+4e→4OH-

2.2 杂散电流引起的土壤腐蚀

所谓杂散电流通常是指在大地中做无规律性移动的电流，杂散电流腐蚀是由杂散电流引起的电化学腐蚀，其腐蚀程度受外部电流极性和大小的影响，比一般土壤腐蚀激烈得多。产生杂散电流的设备有电气轨道、变电站、电解工厂直流电源、阴极保护设施等。

2.3 土壤中微生物引起的腐蚀

在缺氧的土壤中，如密实、潮湿的粘土处，金属腐蚀过程似乎难以进行，但这种土壤条件却有利于某些微生物的生长。土壤微生物的新陈代谢产物也会加速腐蚀。常常发现，因硫酸盐还原菌（厌氧菌）和硫杆菌的活动而引起金属的强烈腐蚀。

3 阴极保护技术在PCCP管道的应用

阴极保护技术是对PCCP管道保护的重要技术之一，阴极保护技术是电化学保护技术的一种，阴极保护就是使被保护的金属电位负移，发生阴极极化，称为电化学体系中的阴极受到保护的电化学保护方法。阴极保护可以防止环境介质（土壤、海水、淡水、化工产品）的电化学腐蚀，对点蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、晶间腐蚀、杂散电流、细菌等腐蚀作用有很好的防止作用。

4 阴极保护在PCCP管道保护中的原理

4.1 阴极极化作用

阴极保护原理主要是阴极极化作用，具体方法为将还原性较强的金属作为保护极。

4.2 增强钢丝表面的碱性，维持钝化状态

施加阴极保护后，在金属表面发生如下阴极反应：O2+2H2O+4e→4OH-，反应产物OH-使钢丝表面碱度升高，使其表面保持钝化状态。

4.3 降低混凝土中有害离子的含量

由于钢丝表面碱性提高，抑制了Cl-、HCO3-、NO3-、SO42-等离子向混凝土内部扩散，特别是降低了Cl-向混凝土中的渗透，对钢丝及混凝土起到了良好的保护作用。

5 阴极保护在PCCP管道应用的条件及注意

事项

阴极保护在PCCP管道应用的过程中，应具备的条件有：腐蚀介质是否导电，以便建立起连续的电路；被保护金属在所处介质中要易于进行阴极极化，否则耗电量大；要保证保护构筑物系统间的电连续性；一些不安全因素必须考虑。

下面就PCCP管道阴极保护在工作环境的分析、设计、施工方面以及阴极保护对PCCP制造方面等应注意的事项做简要的说明：

首先是土壤环境与水的取样分析。在PCCP制造与安装施工前应对其工作环境的土试样及水试样做取样分析，对取样地点及取样量的多少都要有准确的记录，并尽快地送至实验室进行试样分析试验，以便确定环境对PCCP的腐蚀性范围及种类。

其次是如何设计阴极保护的准则、技术指标、参数选取、材料选取和保护方法，通常是通过分析腐蚀性范围及种类并参照标准进行设计选择。

再次是阴极保护施工前应注意的问题。在使用牺牲阳极阴极保护法的情况下，安装阳极之前，先要对阳极表面进行检查是否存在油污及氧化物，如果有要处理干净。然后将阳极与特定组分和尺寸的化学填充料装入包中（阳极在包的中央，被化学填充料紧密包裹）置于阳极沟中（如果条件允许，阳极周围填充的化学填料应加入足量的水进行浸泡），再覆盖一定厚度的土层保护安装好的阳极，但是土层的厚度不能影响PCCP的敷设，并禁止向坑内回填砂石、水泥块、塑料等杂物。

最后是阴极保护对PCCP制造与安装的要求说明。PCCP内部的钢筒、承插口钢环、预应力钢丝等钢结构物都应该进行电连接；在阳极电缆的埋设、PCCP的埋设、防腐覆盖层的电绝缘性、控制保护电位、绝缘的保护、混凝土与砂浆质量、钢丝缠绕质量、避免杂散电流的流入、对于复杂构筑物要考虑其几何上的屏蔽作用防止电流的不均匀性、阳极电缆与PCCP管道的焊接质量以及PCCP管线的定期检测和维修等方面也需要特别注意，这将有利于整个PCCP管道的建设和运行。

6 结语

近年来，我国对水利建设的投资越来越大，最明显的例子就是南水北调工程。在工程中应用最多的管材就是PCCP，但是作为埋设在土壤环境中的PCCP，随着使用时间的延长发生渗漏甚至爆管的可能性越来越大，给管道系统的安全运行造成隐患，而阴极保护能从根本上抑制各类电化学腐蚀。采用阴极保护，可大大提高PCCP的耐久性、安全性和可靠性，降低运行管理中的维修费用，增加管道的有效利用率，大大延长了管道的使用寿命。本文主要针对阴极保护在PCCP管道中的应用进行了初步的分析，相信对同类工程的实际应用有所借鉴。

参考文献

[1] 吴荫顺，曹备.阴极保护和阳极保护——原理、技术及工程应用[M].北京：中国石化出版社，2007.

[2] 葛燕，朱锡昶.混凝土中钢筋的腐蚀与阴极保护

[M].北京：化学工业出版社，2007.

作者简介：邢士波，男，山东临沂人，河北工程大学讲师，硕士，研究方向：金属腐蚀与防护。

（责任编辑：周 琼）