Pccp预应力钢制管道阴极保护

Pccp预应力钢制管道阴极保护

预应力钢筒混凝土管 PCCP( prestr essed concrete cylinder pipe) 是将高强钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢板的防渗有机结合在一起, 充分合理利用了材料各自的物理力学特性的高品质的输水管材。

预应力钢筒混凝土管是在带钢筒( 薄钢筒的厚度约 1. 5~ 2. 0 mm) 的混凝土管芯上缠绕一层或二层环向预应力钢丝, 并用水泥砂浆作保护层而制成的管子。它的开发应用已有半个多世纪的历史。这一技术是法国 Bonna 公司最先研制的, 到上世纪 40年代欧、美竞相开发, 目前美、法各国的年产量达数十万千米, 其中美国、加拿大是世界上推广使用预应力钢筒混凝土管最多的国家, 广泛应用于城市输配水干管、火电站供水管、水利工程、雨/ 污水干管、工业供水及废水管线等方面。预应力钢筒混凝土管 PCCP( prestr essed concrete cylinder pipe) 是将高强钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢板的防渗有机结合在一起, 充分合理利用了材料各自的物理力学特性的高品质的输水管材。

预应力钢筒混凝土管是在带钢筒( 薄钢筒的厚度约 1. 5~ 2. 0 mm) 的混凝土管芯上缠绕一层或二层环向预应力钢丝, 并用水泥砂浆作保护层而制成的管子。它的开发应用已有半个多世纪的历史。这一技术是法国 Bonna 公司最先研制的, 到上世纪 40年代欧、美竞相开发, 目前美、法各国的年产量达数十万千米, 其中美国、加拿大是世界上推广使用预应力钢筒混凝土管最多的国家, 广泛应用于城市输配水干管、火电站供水管、水利工程、雨/ 污水干管、工业供水及废水管线等方面。

1、预应力钢筒混凝土管具有以下特点:

(1) 管芯中嵌入了一层薄壁钢筒, 具有较好的抗渗性;

(2) 承插端的工作面是定型钢制口环, 承插工作面间隙仅 1~ 2 mm, O型胶圈占满凹型 槽内, 密封性能良好, 大口径管的承插口, 可采用双胶圈;

(3) 管材的承插接口是半柔性, 可减缓或克服一定程度上的土壤应力影响;

(4) 预应力钢丝可多层重叠, 管材承受内水压力可达2~ 3 MPa, 最高可达 5 M Pa, 埋土深度大。

(5) 钢筒在混凝土的包裹之中, 处于钝化状态,减缓腐蚀, 管体之间的钢筒端面容易用导线连接, 施加阴极保护更方便;

(6) 管件配套齐全、简便、可靠。不依赖大量金属配套管材转换, 既方便、可靠, 又节省造价;

(7) 非金属管材, 埋于土壤中巡管定位容易。PCCP 管的防蚀

根据电化学的原理, 埋地 PCCP 管采用阴极保护是一项明智的选择。用钢筋混凝土试件进行的研究表明, 即使在不利的条件下, 如富含氯离子的碱性环境, 充气的大面积阴极和小面积的潮湿阳极, 加入氯离子使其处于脱钙( 中性) 的环境下, - 0. 75 V 和- 0. 85 V( CSE) 的试验电位仍能抑制电池的形成。该项试验进行六个月后, 拆下的试件上没有可以辨认的腐蚀证据。试验开始时, 在富含氯离子的环境中加强钢筋实测的自然腐蚀电位是- 0. 58~ - 0. 63 V( CSE ) 。在中性环境中, 实测 的自然 腐蚀电 位是 - 0. 46 ~ - 0. 55 V( CSE) 。在纯混凝土中, 实测的自然腐蚀电位是- 0. 16 V( CSE) 。如图所示是试验结束后拆下的试件对比。经过六个月后, 在实施阴极保护的试件上没有检测出腐蚀。而在未实施保护的比较试件上, 腐蚀速率为 4 mm/ a, 根据电 池电流测量值,表明自腐蚀率为 50% 。

实际上, 保护混凝土构筑物所需的电流密度一般都比较低。原因是阴极表面没有很好通气, 而阳极区 域 是 干 的。 实 际 经 验 表 明, 甚 至 在 UH = - 0. 35 V比表 1 所列值更正的电位下, 也能够达到明显的保护, 因此, 能够把 U Hs = - 0. 4 V 认作为保护电位( 在 DIN 30676 标准中, 规定 U Hs = - 0. 43 V[ - 0. 75 V( CSE) ] )

由于混凝土构筑物的阴极保护在美国已经有了很大进展, 所以已经制定出相应的保护准则。准则选用了断电测量技术, 即切断保护电流后, 在 4 h 内极化电位衰减超过 0. 1 V, 那么可以认定这一保护效果是合适的。借助内装式 AgAgCl 参比电极或者装在外表面上的任何电极, 可以在受保护物体的任何部位进行此项测量。

4、 南水北调北京段 PCCP 管的阴极保护南水北调工程中北京段 PCCP 管采用阴极保护是出于以下的考虑:

( 1) 管线所经地带电阻率在 13~ 50Ω· m 间,比美国 M P 杂志 1992 年 5 期中 PCCP 管的腐蚀案例的电阻率 10~ 70   m 还要严重;

( 2) 现场测试提供的氧化还原电位、电阻率和极化电流密度参数, 按国家现行标准中的指标判断多为强腐蚀性, 只有少量为中等;

( 3) 影响 PCCP 管腐蚀的因素有: 钢筋自身、氯化物、碳化、氧和水等, 在本项工程中均存在;

( 4) 考 虑 到 混 凝 土 层 防腐 蚀 的 重 要 性 和 意义, 防患于未然是阴极保护技术的特色;

( 5) 韩国相关公司咨询资料中指出, 新建管道上阴极保护的费用是后来补加的 1/ 3;

( 6) 利比亚大人工河关于阴极保护的经验及教训的总结

4.1、电连续性要

根据 NA CE RP 0100 标准 [ 8] 要求, 应对 PCCP管中预应力钢筋和钢筒进行电连续性连接, 保证预应力钢筋和钢筒之间阴极保护电流的电连续性; 同时应对每节 PCCP 管进行电连续性跨接。在 PCCP 管道保护段, 为保证牺牲阳极的使用寿命和保护范围, 每 20 节 PCCP 管( 约 100 m) 作为一个保护单元, 进行电连续性跨接; 而每个保护单元之间不 进 行 电 连 续 性 跨 接, 这 一 作 法 在 后 来 的NACE 专家建议下修改为 全部电连接。

4. 2、电绝缘

为防止杂散电流的干扰和 PCCP 管道保护电流的流失, 在保护管道的首末端、分支处以及与外部管道的连接处安装绝缘设施进行电绝缘。建议相邻两管的插接关的钢环内、外两个表面采用双层熔结环氧粉末覆盖层。

4.3 、 阴极保护准则

早在 1984 年, 盖平—营口供水线阴极保护 设计时, 所查文献表明混凝土保护层未受破坏时, 保护电位应为- 0. 50 V( CSE, 下同) ; 氯化物已作用到钢筋时应为- 0. 71 V; 已经腐蚀的钢筋, 应为- 0. 77V。日本在海洋中混凝土构筑物防腐蚀指南中规定,保护电位为- 0. 77~ - 0. 85 V; 综上所述, 盖平—营口供水线 阴极保 护采用 了负向 偏移 - 0. 10 V 和- 0. 77~ - 0. 85 V 的准则。最大保护电位在析氢电位以下, 析氢电位为- 1. 170 V。NACE RP 0100- 2004 标准要求, 在 PCCP 管道阴极保护系统正式投入运行后, 管道的极化电位差应不小于 100 mV ; 最低负电位应不 低于- 1000mV( 除去 IR 降) 。本准则适用于 PCCP 管线阴极保护和腐蚀控制。本标准来源于实验室试验结果和成功的阴极保护经验数据。设计时, 可根据经验来确定阴极保护方法和检测周期, 以满足相近的标准要求。

4.4 、影响阴极保护的选择的因素虽然阴极保护是一种行之有效的防蚀方法, 或者可能还是延长因氯化物侵蚀使钢筋腐蚀的钢筋混凝土构筑物寿命的唯一方法, 但是, 对于混凝土钢构筑物只有解决了下列问题后, 才能做出使用阴极保护的选择。

( 1) 外表面进行修复以确保电解质的电连续性是可能的, 并且是可行的。

( 2) 阴极保护安装和维护费用都应该明显低于对受影响结构进行修复和更换的费用。

( 3) 应备有对阴极保护系统的维护措施, 以确保其可以连续运行并达到保护电位。

( 4) 被保护构筑物的外观应是可以接受的。

( 5) 应设法证实钢筋基本上具有电连续性。

( 6) 构筑物中不应含有与高浓度碱反应非常敏感的骨料。

4. 5 、 阴极保护方案

考虑到本工程为混凝土构筑物, 管径大, 电阻率高, 电流分布难度大, 参照利比亚大人工河的作法,采用了沿管线上 下埋设四条带状锌阳极 的保护方案。本方案的特点是, 电流分布均匀、不会造成过负的电位、不需要外部电源、对土壤电阻率的依赖性和影响小等。

4.6 、 带状锌阳极安装

带状锌阳极的安装应与 PCCP 主体管道安装同步进行。当 PCCP 管沟挖好后, 首先安装 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好的阳极进行保护, 但土层的厚度不能影响 PCCP 管的下沟。PCCP 管就位后, 回填土 层达到要求的高度后, 再进行 PCCP 管道顶部带状锌阳极的安装。带状锌 阳极 应 置 于阳 极 沟 中, 阳 极沟 宽 200mm, 深 100 mm, 阳极周围应填 充特定组分的化学填料。当条件允许时, 阳极周围填充的化学填料应加入足量的水进行浸泡。阳极电缆与带状锌阳 极采用压接方 式进行连接, 并采用专用电缆连接套进行连接和防腐蚀。

4. 7 、 检测系统为准确掌握 PCCP 管道阴极保护系统的运行情况及管道的腐蚀状况, 在沿线间隔 1 km 的人孔排气阀井、排空阀井上安装测试探头和测试盒。每个测试点安装 1 支测试探头; 本工程共 设 53 处测 试点。本工程采用探头( 试件) 断电电位法测量 PCCP管的保护电位, 并利用探头上的自腐蚀试片测量该处的自然电位。