供水管线阴极防腐应用实践

范建强，赵令剑，李凤滨

(1.福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000；2.辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110166)

供水管线面临的电化学腐蚀问题，特别是容易产生问题的埋地钢管、PCCP管，其安全防护面临着非常严峻的考验。阴极防腐手段是应对供水管线电化学腐蚀强有力的保障措施。目前该技术研究文章，常见于输油管线[1]、天然气管道[2- 3]及输水埋地管道[4- 7]的安全保护，也可见于接地设备防护[8]、水工结构防护[9]等，有着非常广阔的研究领域。然而，相比阴极防腐工程的理论研究多样化，阴极防腐技术在与工程应用的有效性及实践推广方面存在着不足，理论与实践存在着脱节，主要体现在：①阴极防腐的某些电化学机理[10- 13]尚不明晰；②阴极防腐手段多样，不同工程下的防腐手段差异较大；③阴极防腐过程是一个长期过程，其防腐有效性难以长久保障；④某些特殊材料、加工工艺下的防腐工程[14- 15]投资巨大，实践上难以推广。针对上述出现的不足，本文结合国内某重点供水工程阴极防腐运行管理维护经验，从多角度、多方面对阴极防腐工程的应用实践重点领域进行综述说明，为后续阴极防腐技术的研究及实践推广提供重要的数据支持及借鉴价值。

1 工程概况

某国内著名的供水工程自2010年11月份投入生产运行，管线的防腐及安全防护一直视为重中之重，其中管线的阴极防腐工程量巨大，任务非常重，这与管线的建设特点密不可分，主要体现在：①供水管线以钢管和PCCP管为主(占比75%)，这两种管线易受腐蚀破坏，防腐布置非常重要；②供水管线总长达261km，管段衔接采用法兰连接；③沿线附属设备设施众多，其中空气阀(井)、检修阀、调流阀、泵组等总计达2000台；④交叉穿越管段较多，其中包含穿越国道12次、穿越河流8次，穿越交叉管线6次等共计约32次；⑤管线几乎全部埋设于地下，沿线地质、水环境多样且复杂；⑥管线运行采用高压供水且运行调度作业繁重，微小渗水不可避免，集水、渗水现象不可避免。

2 供水管线出现腐蚀的原因

管线腐蚀分为两种，一种是直接接触的化学腐蚀，一种是间接接触的电化学腐蚀。其中最为常见的、危害较大的是电化学腐蚀。

电化学腐蚀产生的基本条件：①必须有阳极；②必须有阴极；③两极之间电性连接；④两极极置于同一导电性介质中(通常是水或土壤)。

供水钢管的不同组分之间、PCCP管内金属与邻近设备结构之间、管道上各部分(如焊道、三通、弯头)等都存在着电位差异，同时，管线内、外与水体或导电土壤环境，为阴阳极的电性连接创造了条件，从而导致电化学腐蚀的产生。

电化学腐蚀具有反应机理复杂、反应速度慢、时间长、难探测等特点，同时由于该腐蚀的存在，使得管线的使用寿命远远低于理论寿命，因而，行之有效的阴极防腐工程措施意义非常重要。

3 供水管线电化学腐蚀类型及主要影响因素

3.1 供水管线电化学腐蚀类型

本工程的供水管线电化学腐蚀发生在以下部位：埋地管线外壁、钢管腐蚀；预应力钢筒混凝土管(简写PCCP)钢套筒或缠绕钢丝位置。

其中埋地管线多为与腐蚀性土壤或水体接触，钢管腐蚀常见管体本身腐蚀、防腐层脱落后的腐蚀两种，而本工程很大比例采用PCCP管其腐蚀防护最为重要，原因如下：

PCCP管预应力钢丝砂浆保护层仅为25mm，属于相对薄弱的部位。由于砂浆层本身存在着或多或少的气孔和裂缝，给水和腐蚀性介质提供了存留的渗透的条件，会进一步导致钢套筒或缠绕钢丝的电化学腐蚀，从内部造成PCCP管的结构破坏，降低其承压能力，或进而引发管线渗漏、爆裂灾害。

3.2 电化学腐蚀主要影响因素

3.2.1土壤电阻率

土壤电阻率是供水管线外部水(土)环境导电性能综合指标，是阴极保护设计的一个非常重要的指标，其值受含水量及温度的影响比较大，当含水量大于16%时或温度达到0℃以上，土壤电阻率保持相对恒定。

根据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》2009版，土壤电阻率低于20Ω·m的为强腐蚀区；电阻率值在20～50Ω·m的为中等腐蚀区；电阻率值在50～100Ω·m的为弱腐蚀区；电阻率值大于100Ω·m的为微腐蚀区。

3.2.2pH值

通常认为，当土壤或水体pH值处于6～8之间一般不会是影响土壤腐蚀性的主要变量。当pH<4时，铁的腐蚀速率显著增大；当pH值较高时，铁将发生钝化，有较好的防腐作用。

3.2.4氧化还原电位

氧化还原电位是一个反映电化学腐蚀的强度综合指标，电位值越高，氧化性越强，电位越低，氧化性越弱。电位值为正值时，表现出一定氧化性，为负值时，显示出还原性。

本工程上认为，当氧化还原电位测值小于0.4V时，土壤被认为是腐蚀性的，当氧化还原电位大于0.4V时，土壤是非腐蚀性的。

3.2.5杂散电流腐蚀

杂散电流造成的腐蚀比自然腐蚀要大得多，并且较为集中，多源于穿越交叉建筑物。比如直流气电化铁路、有轨电车、无轨电车、电解电镀装置和采矿牵引系统等产生的直流干扰或着交流架空或埋地输电线、交流电气化铁路及交流输电相的形式产生的交流干扰。

4 供水工程阴极防腐应用实践

4.1 管道防腐施工基本要求

受保护的管道若非焊接施工必须电气连续，设有承插口、法兰连接的阀门，需要跨接线跨接。

被保护的管道必须和其他埋地管道、电缆、接地极绝缘，绝缘方式采用绝缘法兰或绝缘接头；套管穿越时，主管和套管之间需要安装绝缘垫块。

管道穿越其他管道、电缆或者埋地结构时，两者间距要大于0.4m，如果间距小于0.1m，要在他们之间安装绝缘板。当管道与其他结构平行时，其间距一般大于10m。每隔1～2km安装一个测试桩。如果相邻管道权属单位不同或阴极保护方式不一样，应在适当的位置预留跨接线共用测试桩，阴极保护投用后，如果发现互相干扰，可以将管道进行跨接，实现联合保护。

管道上的阀门、三通、管件也要涂覆，管道上的电动阀头要不阀体绝缘(可采用接地电池进行接地)。管道不能与固定墩中的钢筋短路。采用金属支架进行跨越时，应在管道跨越两端安装绝缘接头，并用跨接线将跨越两端的管道连接。

4.2 两种阴极防腐保护方法

4.2.1牺牲阳极保护方法

本工程普遍采用的是牺牲阳极保护的方法，其典型布置方式如图1所示，该法一次性投资费用低，维护简单，保护电流的利用率高且不会产生过保护现象，另外，对临近金属设施的干扰较小。

图1 牺牲阳极两种布置图

牺牲阳极的材质常见的有镁质、锌质、铝质3种。其中，锌质阳极适用于电阻率小于20Ω·m 的土壤环境或淡水中，环境温度超过49℃时严禁使用，低于49℃时必须配合使用回填料(成分一般为石膏粉75%、膨润土20%、硫酸钠5%，电阻率会在50Ω·m 左右)；镁质阳极适用于电阻率在20～70Ω·m的土壤或淡水环境。

本工程的电阻率测值大多介于20～50Ω·m，为中等腐蚀区，因此阳极材质以镁质为主，需要注意的是，镁阳极电容量容易受表面电流密度影响，使用寿命一般在20年以内，在进行实际安装时，确保阳极与管道的距离至少大于1.5m。

4.2.2外加电流阴极两种保护方法

本工程也局部采用外加电流阴极保护方法，其应用选择位置有三类：

Ⅰ类：保护范围内电阻率大于50Ω·m的微、弱腐蚀区；

Ⅱ类：存在强烈杂散电流干扰区，比如交叉穿越河流、高速路、国道、省道、铁路等交叉穿越管段，如图2所示；

Ⅲ类：局部裸露或防腐层质量交叉的管道。

图2 穿越河道的外加电流阴极保护方法施工图

4.3 PCCP管线防护涂层设计

PCCP管防腐方案与土壤电阻率大小有关，涂层量的计算应分类进行统计[16]，本工程设计综合国内外标准及工程使用经验教训，采用的防腐标准为：

(1)当土壤电阻率在20Ω·m以下，且地下水或土壤中氯离子含量≥250ppm时，PCCP外覆涂层隔绝防腐，并施加牺牲锌阳极的阴极保护。

(2)当20Ω·m<土壤电阻率≤50Ω·m时，PCCP外覆涂层隔绝防腐，PCCP施以电联结，埋设连接阳极电缆。

(3)当土壤电阻率>50Ω·m时，PCCP外覆涂层隔绝防腐。

4.4 参比电极及电位测试桩

参比电极是用来测量电极电位的，是阴极保护系统的重要组成部分。本供水工程采用了两种参比电极，分别用于钢管阴极保护检测的埋地型长寿命Cu/CuSO4参比电极和用于PCCP管阴极保护检测和监测的二氧化锰参比电极，其布置形式如图3—6所示。

图3 参比电极纵向布置图

图4 PCCP管线参比电极剖面布置图

图5 钢管参比电极剖面布置图

图6 电位测试桩剖面图

测试桩用于阴极保护电位的监测，若管道阴极保护有效，则电位标准如下：

(1)土壤中钢管保护电位标准：大于-1.25V小于-0.85V(CuSO4参比电极)；

(2)PCCP管保护电位标准：大于-1.2V小于管道自然腐蚀电位。

本供水工程在阴极保护段每2km、腐蚀监测段每2km设置均设置测试桩一处；每独立的过河或过路段均设置一处。

5 结语

本工程的阴极防腐技术经过长期的施工维护，历经多年工程实践考验，其有效性得到了充分体现，对类似阴极防腐技术具有多方面的指导意义。

(2)供水管线牺牲阳极材质及防腐涂层选择，主要与土壤电阻率大小密切相关，应分别进行选定；外加电流保护管线主要是交叉穿越管道。

(3)从使用效果和寿命而言，可采用Cu/CuSO4作为钢管阴极保护的参比电极，采用二氧化锰用于PCCP管线防腐参比电极。

(4)管线阴极保护的有效性可通过保护电位测定值进行评定。

阴极防腐工程是一个庞杂的工程，其防护条件、方法多式多样，本文提供的方法为提供的仅是其中一种防腐设计思路，不同的工程、设备防腐防护时，可从以上角度进行分析，结合工程实践进行改进，才能确保防腐的长期有效性。