大口径预应力钢筒混凝土管阴极保护施工分析

姚瑞，杨新开

（1.合肥工大共达工程检测试验有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽水利开发有限公司，安徽 蚌埠 233000）

随着社会经济的高速发展，区域性水资源供需矛盾愈发凸显。为解决区域水资源短缺问题，全国各类型调水、引水工程施工逐渐增多，输水管道技术在水利工程方面的运用也得到了长足的进步。其中，预应力钢筒混凝土管（PCCP管）因其高效的输水能力而获得广泛应用。

预应力钢筒混凝土管将高强钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢板的抗渗有机结合在一起，充分利用了三种材料的力学特性[1]。它通常深埋地下，土壤中的酸性物质、氯化物会向管外壁聚集，腐蚀PCCP 管，导致预应力钢丝腐蚀发生断裂破坏。根据电化学的原理，埋地PCCP 管采用阴极保护是明智的，但通常的强制电流法弊端较多。

1 工程概况

龙河口引水工程施工一标段项目主要位于合肥市肥西县和六安市舒城县，为原水管道工程，工程规模60 万m3/d。供水范围及对象为合肥市、舒城县居民生活需水，其中向合肥市年供水量为12000 万m3（45 万m3/d），向舒城县年供水量为2800 万m3（远期15 万m3/d、近期10万m3/d）。本标段施工总长度约33.925km，合同工期为670 日历天。主要建设工程可分为取水口工程、隧道工程及新建单道DN2400 输水管道工程。涉及到的主体工程内容为取水口引渠、水闸、交通桥工程，输水管道工程，DN2400PCCP 管安装、DN2400×24mm钢管及顶管工程，隧洞工程，穿越道路工程，穿越河渠工程，穿越沟塘工程等。新建单道PCCP管施工总长约30000m。

2 施工工艺流程及操作要点

2.1 工艺流程

施工准备→阳极安装坑开挖→阳级组化学填充料填充及安装→电缆连接→阳极组回填及电缆铺设→测试装置安装→测试。

2.2 操作要点

2.2.1 施工准备

2.2.1.1 材料准备

施工前，首先应根据设计图纸相关要求对所需的材料进行采购，主要材料为牺牲阳极组（包括锌、镁合金牺牲阳极）、电缆、测试桩、防腐材料。

2.2.1.2 材料验收

材料使用前，会同业主、监理、质检人员对材料进行核对验收，验收合格并签字后方可使用，其材料验收标准如下。

①应提供材料出厂合格证和检测报告，合格证上显示的材料品种、型号、规格及产品检测报告上的各项指标应符合设计要求。特别是阳极化学分析报告和阳极电化学性能检测报告必须符合设计要求的相关指标，并且该报告需由国家认可且具有材料试验检验资格的第三方验证试验机构出具。

②对阳极棒材料进行外观质量检查，其阳极的表面质量应满足相关规范要求。

③对进场的阳级组阳极纯度及化学成分进行抽检，抽检结果应符合规范要求。

2.2.1.3 设备准备

材料运输车辆、浇水设备（容器及水管等）、人力挖掘工具、铜焊设备、铝热焊设备、检测设备（电阻测量仪、数字万用表、参比电极等）。

2.2.2 阳极组安装坑槽的开挖

为了确保电位的分布均匀、最大限度地减少管道前后壁的自我屏蔽以及阳极间互相屏蔽的影响，并便于管线阴极保护的施工，应遵循阳极采用异侧交错布置的原则，如遇阀井则对每个阀井加装一只阳极进行保护。按以上原则及设计图纸位置异侧交错布置开挖坑，开挖坑距管外壁距离大于50cm，开挖深度不小70cm，开挖阳极安装坑槽时，其四周应平整，不得有铁件、砖、石等杂物。

2.2.3 阳级组化学填充料填充及安装

为确保填料包的性能和质量，厂家在制作过程中遵循了严格的规范和要求。首先，使用布袋将化学填包料和阳极进行组装，确保阳极位于布袋的中央位置。其次，对四周进行填充，填料包的厚度应不少于50mm。此外，厂家特别关注阳极周围填料包的厚度一致性和密实度，以确保整体的均匀性和可靠性。在预包装过程中，厂家必须选用棉麻织品作为包装材料。同时，为确保填包料的均匀性和纯净度，厂家还特别强调了填包料的搅拌要求，严禁混入石块、泥土、杂草等杂质。

在完成阳极包的组装后，将其运送至施工现场。人工操作吊运设备，将阳极包逐个且准确地放置在已开挖好的安装坑内。为确保填料包的充分浸透，向坑内注入了足够的水量，使之完全覆盖填料包。此外，保持一段时间的坑内积水，以确保填料包被彻底浸透[2]。

2.2.4 电缆连接

电缆连接主要包括电缆与阳极铁芯连接、电缆与PCCP 管道、钢管连接、PCCP 管跨接、电缆与承插口钢板连接、电缆与智能测试桩连接。

2.2.4.1 电缆与阳极铁芯连接

该项电缆连接主要在工厂制作完成，每支锌合金牺牲阳极尾随3m 长阳极电缆。在阳极与电缆的连接方式上，采用铜焊工艺，确保双边焊缝长度均不小于50mm。为了提高绝缘性能，焊接点需涂覆环氧涂料，并使用电工胶布、绝缘胶带和热熔胶进行多层保护。此外，还需覆盖热收缩套，外部再缠绕绝缘胶带以强化保护。在施工过程中，必须保证焊接稳固，确保其良好的绝缘性能。在搬运和施工过程中，需避免直接拉扯电缆，以防破坏焊接点和绝缘层。

2.2.4.2 阳极电缆与PCCP管的连接

阳极电缆与PCCP 的焊接采用铜焊法，将阳极电缆与PCCP 管引出的钢带进行焊接连接，其焊接部位应焊接牢固、焊缝均匀，焊接点强度需大于焊接后铜芯电缆的承载力。焊接完成且温度降低后进行焊缝检查，合格后对焊接部位和接线处采用热熔胶进行防腐包裹，再用补伤片进行防腐密封，最后沿管缝一圈用水泥砂浆进行保护。禁止将电缆直接焊在预应力钢丝上。

具体连接方式如下所示。①铜焊连接：阳极引出线与PCCP 管承插口钢带的连接用铜焊连接，其主要材料和工具为铜焊焊剂和模具。②热熔胶封闭、混凝土保护：用火将热熔胶颗粒加热到熔化状态，然后将其涂抹在焊接点周围，用以封闭焊点和承插口，热熔胶涂抹均匀，封闭严密；浇筑的水泥砂浆保护层要密实，宽度应符合要求。

2.2.4.3 阳极电缆与钢管的连接

在阳极埋设完成后，阳极电缆可直接与钢管进行焊接连接。为确保连接稳固，与钢管相接的电缆应采用铝热焊接技术。焊点完成后，需进行防腐绝缘处理，所使用的防腐材料和等级应与原有的覆盖层保持一致，以确保整体的防腐性能不受影响。

2.2.4.4 PCCP的跨接

为了保证预应力钢丝的电连续性，各PCCP 之间应用电缆进行两两跨接，跨接电缆焊接于两节管道承插口的钢带上，采用铜焊法焊接，跨接焊点处需先做防腐补伤绝缘，再做水泥砂浆保护层。

2.2.4.5 钢管的跨接

两条钢管之间应用符合设计要求的电缆进行均压跨接，跨接焊点处应重新进行防腐绝缘处理。为了确保与原有覆盖层的一致性，选择使用相同等级的防腐材料进行操作，从而确保焊点处的防腐性能与整体覆盖层相匹配。

2.2.4.6 电缆与智能测试桩的连接

电缆与接线柱采用铜连接螺栓连接，即用氧-乙炔火焰灯熔除或采取其它方便可行的方式除去电缆保护套，露出铜芯，将铜鼻子压接到铜芯上，然后用铜连接螺栓连接铜鼻子。

阳极电缆与管道测试电缆在测量装置处进行连接。为确保连接的可靠性和后续操作的灵活性，阳极电缆在铺设时应留有足够的余量，以防止电缆或焊点因受力而发生脱落。在焊点及其他连接处，应预设蛇形弯[3]。

2.2.5 阳级组回填及电缆铺设

应选择至少为0.3m 厚的细土回填阳极组安装坑，为确保阳极的正常运行和安全性，严禁向坑内回填大块砂石、水泥块、塑料等杂物[4]。

阳级组与PCCP 管连接的电缆铺设时，其电缆应沿着管道外壁弧度进行铺设，并埋入基坑建基面以下，敷设的电缆要留有一定富余量，防止管槽回填碾压因电缆较紧而造成破坏，铺设的电缆四周应垫有50～100mm 厚的细土或细砂。

2.2.6 智能测试装置安装

测试装置主要由测试桩、测试电缆及测量组元3 部分组成，采用铜连接螺栓或其它方便可靠的电连接方式连接（图1）。其中测量组元包括极化探头、腐蚀挂片、铜/硫酸铜参比电极。具体布置及安装要求如下。

图1 棒状锌合金牺牲阳级及测试桩位置示意图

为在今后运行中全面掌握输水管道的保护状态，在实施阴极保护的区域，智能测试桩平均每一公里安装一套，具体位置现场调整，偏差不超过500m；智能测试桩安装时应安装牢固，其外壁需涂刷防腐漆，防腐漆厚度及尺寸需符合设计要求。

极化探头、参比电极和腐蚀挂片均为成品材料，现场安装时，应安装在管沟底部，与管道间距为100mm，参比电极和检查试片间距为100mm。

2.2.7 阴极保护测试

2.2.7.1 施工期间阴极保护参数测试

在牺牲阳极的埋设施工期间，应适时测量相关参数并确保记录的准确性。这些测试数据主要包括阳极的开路电位、闭路电位、管道的自然电位、管道的保护电位以及土壤的电阻率等[5]。

2.2.7.2 测试方法

①阳极开路电位测试

在阳极安装完成后，但尚未与管道连接之前，为了确保CSE 参比电极与土壤的良好电接触，需将其置于管道顶部上方1m 的湿土壤中并浇水。接着将数字万用表的黑表笔与CSE 参比电极的引线相连接，红表笔连接到牺牲阳极的阳极引线上。将万用表设置为直流电压2V档，读取并记录数值。

②阳极闭路电位测试

使用近参比法和远参比法进行阳极闭路电位的测试。在管道上方，距离测试点1m 的位置挖出放置CSE 参比电极的坑，确保参比电极距离管壁或牺牲阳极3～5cm。浇水后，将万用表的黑表笔与CSE 参比电极的引线相连接，红表笔则连接到阳极与管道的连接点上。同样，将万用表设置为直流电压2V 档，读取并记录数值。

③阳极输出电流测试

为了评估阳极的性能，需要测量牺牲阳极的输出电流。可以使用万用表直接串联在阳极和管线之间来测试。将阳极与管道连接后，在阳极与管道的连接处接入数字万用表，读取并记录数值。

④管/地自然（腐蚀）电位测试

在无电的环境中，使用数字万用表和参比电极来测量PCCP 管钢筋和预制混凝土块中探头的自然电位[5]，这种测量能够帮助判断自然腐蚀的状态以及周围环境的影响。首先，将CSE 参比电极埋入土壤中，并确保土壤湿润；其次，将数字万用表的黑表笔连接到CSE 参比电极的引线上，红表笔则与管道的引线相连接；最后，将万用表设置为直流电压2V档，读取并记录显示的数值[6]。

⑤土壤电阻率测试

在试验阶段，使用ZC-8 型接地电阻测量仪，每隔管线100m 处进行一次管底深度的土壤电阻率测试。为了实现这一目标，采用了四极法进行测试，具体步骤如下。在被测区域埋入4 根探测棒，确保它们之间的距离为acm，并且每根棒的埋入深度不超过距离a 的1/20。随后打开C2 和P2、C1 和P1 的连接片，并用导线将探测棒与设备连接起来。参照接地电阻测试方法来测量土壤的电阻率，电阻率计算公式为：

式中，R是接地电阻表的读数，单位为欧姆（Ω）；a是探测棒之间的距离，单位为厘米（cm）；P则是该区域的土壤电阻率。

⑥牺牲阳极接地电阻测试

接地电阻的测试需要及时进行，是因为阳极电流的输出取决于阳极接地电阻的数值。在开始测量之前，必须先将牺牲阳极与管道断开。随后，如图2 所示，沿着与管道垂直的方向布置电极。

图2 测试接线示意图

⑦PCCP 管道承口处和插口处跨接片的电阻测试

在完成PCCP 管道的安装后，需确保承插口钢板在管道的两边都已焊接牢固。并对焊接部位进行打磨，以便进行后续的测量操作。随后选择一端用电缆进行连接，并确保电缆的另一端与万用表的红表笔相连。同时，万用表的黑表笔需与Cu/CuSO4参比电极的引线相连接。调整万用表至相应的欧姆档位，进行测量并读取数值。跨接电缆连接完毕后，采用QJ44 双臂电桥对PCCP 管道间连接电阻进行测试。测试方法为将跨接电缆两侧打磨好的钢片分别与双臂电桥的C2、P2 和C1、P1 相连接，调零，调节档位，使刻度指示牌指针指到0 位时读取数据，计算结果并记录数据。

⑧管/地通电电位测试

在电源接通的状态下，使用数字万用表和参比电极来测量管线和极化探头通电后的电位。阴极保护的效果、覆盖范围以及保护电位的分布情况，能够通过测量管线上其他测试点和测试桩上的通电电位来评估。

在阴极保护工程完成之后，需要使用与牺牲阳极闭路电位的测试方法相同的方式对整个管线进行全面的保护，例如位于各配水站内部、河流和穿越道路的钢质管道部位的电位测试桩。测试结果需要整理归档，以便后续的分析和评估。这些数据对于确保阴极保护系统的正常运行和效果评估至关重要。

3 质量控制方法

3.1 关键部位、关键工序的质量要求

3.1.1 阳级组的组装及安装

为确保工厂制作填料包的性能和质量，厂家在制作过程中需严格遵循相关规范和要求。使用布袋将化学填包料和阳极进行组装，确保阳极位于布袋的中央位置。对阳极四周进行填充时，填料包的厚度应不少于50mm。要确保阳极周围填料包的厚度的一致性和密实度的标准性，以确保整体的均匀性和可靠性。预包装时，必须选用棉麻织品作为包装材料。为确保填包料的均匀性和纯净度，需要特别强调填包料的搅拌要求，严禁混入石块、泥土、杂草等杂质。

逐个将阳极包准确放置在已开挖好的安装坑内时，为确保填料包的充分浸透，需向坑内注入充足的水量，使之完全覆盖填料包。此外，保持一段时间的坑内积水，以确保填料包被彻底浸透[2]，这对于确保阳极的正常运行至关重要。

3.1.2 电缆焊接

在连接阳极电缆与PCCP 管引出的钢带时，应确保其焊接质量。焊缝需坚固稳定，且焊缝的均匀性也需得到保证。焊接点的强度应大于焊接后铜芯电缆的承载能力。在焊接工作完成且温度降低后，应对焊缝进行严格检查。只有合格的焊缝才能进行后续的防腐处理步骤。使用专业的防腐材料对焊接部位和接线处进行全面的包裹，以防腐蚀现象的产生。使用补强片对防腐部位进行密封。

3.2 质量控制措施及方法

认真仔细地阅读施工图纸，吃透和领会施工图的要求，施工前认真做好各项技术交底工作，严格监督质量检查程序及“三检制”。通过对现场检查记录和每道工序施工过程中的检查记录，确保工程设施质量达到既定的质量目标。

3.2.1 安装坑施工质量控制措施

在施工过程中，应严格遵循施工图纸的要求，充分考虑保护电位的均匀分布。为了减少阳极之间的相互屏蔽和管道前后壁的自我屏蔽效应，采用了异侧交错的布置方式。在遇到阀井时可以为每个阀井增设一只阳极，以确保其得到充分的保护[3]。

开挖坑距管外壁距离大于50cm，开挖深度不小于70cm。开挖阳极安装坑槽时，其四周应平整，不得有铁件、砖、石等杂物。

3.2.2 电缆连接过程中质量控制措施

在连接阳极棒与电缆时，双边焊缝的长度不得小于50mm。焊接完成后，需要在焊接点上涂抹环氧涂料，并用电工胶布和绝缘胶带进行缠绕，再使用热熔胶进行密封，最后用热收缩套进行包覆，并再次缠绕胶带进行保护。确保焊接处牢固且绝缘性能良好，搬运和施工过程中应避免提拉电缆，以免造成损坏。

阳极电缆与PCCP 管引出的钢带之间的焊接连接需要确保焊接部位牢固、焊缝均匀，且焊接点的强度应大于焊接后铜芯电缆的承载力。在焊接完成且温度降低后，需对焊缝进行检查，确保其满足要求。合格后，应对焊接部位和接线处采用热熔胶进行防腐包裹，并用补伤片进行密封。禁止将电缆直接焊接在预应力钢丝上。

当阳极电缆与钢管相连接时，应采用铝热焊接技术。焊点完成后，应进行防腐绝缘处理，并确保所使用的防腐材料和等级与原有的覆盖层保持一致。

为了保证各PCCP 管之间预应力钢丝的电连续性，应用电缆进行跨接[7]，跨接电缆焊接于两节管道承插口的钢带上，跨接焊点处需做防腐补伤绝缘。

两条钢管之间应用符合设计要求的电缆进行均压跨接。跨接焊点处应重新进行防腐绝缘处理，防腐材料、等级应与原有覆盖层一致。

沿管道接口一圈需浇筑水泥砂浆保护层，浇筑的砂浆要密实，且宽度应符合要求。

3.2.3 阳级组回填及电缆铺设质量控制

阳极组安装坑回填，应选用细土进行阳极坑内的回填，回填厚度至少为0.3m，禁止向坑内回填大块砂石、水泥块、塑料等杂物[4]。

阳级组与PCCP 管连接的电缆铺设，其电缆应沿着管道外壁弧度进行铺设，并留有一定富余量，电缆需埋入基坑建基面以下，防止管槽回填碾压因电缆较紧而造成破坏。

铺设的电缆四周应垫有50～100mm厚的细土或细砂。

4 结语

龙河口引水工程施工一标段项目于2022年1月18日开工。在管道施工中，采用大口径预应力钢筒混凝土管阴极保护施工技术，对PCCP 管中预应力钢筋和钢筒进行电连续性连接。同时沿管线埋设带状锌阳极的牺牲阳极的阴极保护方案，将一种电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使其形成一个新的腐蚀原电池。被保护金属作阴极，所连接的金属作阳极，优先溶解，其上的电子转移到被护金属上，从而使被护金属得到被护，提高了预应力钢筒混凝土管长时间处于地下的使用寿命。后期管理成本低、防腐性能好、安全性高、利用率高、节能环保。经检测，管道内部保护电流均匀稳定、连续、防腐性能好，各项参数均符合设计及规范要求。