阴极保护技术在预应力混凝土管线中的应用.pdf

2 0 1 5年第 6期 6月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C0NC RE T E AND C EME NT P R0 DUC T S 201 5 No 6 J u n e 阴极保护技术在预应力混凝土管线中的应用 汤文友 ( 国家水泥混凝土制品质量监督检验 中心 ， 苏州 2 1 5 0 0 4 ) 摘 要 ： 介 绍 了阴极保护技 术， 并结合工程 实例说 明了阴极保 护技 术在预 应力混凝土输水管防腐 中的应 用成效 ， 展望 了阴极保护技术在 P C CP输水 管线 防腐 中的应用前景。 关键词 ： 阴极保护 ； 预应 力钢 筒混凝土管 ； 腐蚀 ； 防护 Ab s t r a c t ： T h e c a t h o d i c p r o t e c t i o n t e c h n o l o g y f o r s t e e l b a r i s i n t r o d u c e d C o mb i n e d w i t h e n g i n e e r i n g e x a mp l e s ，t h e a pp l i c a t i o n o f c a t ho d i c pr o t e c t i o n t e c hn o l o g y i n a n t i c o r r o s i o n o f pr e s t r e s s e d c o nc r e t e p i pe f o r wa t e r t r a ns mi s s i o n i s i l l u s t r a t e d ，a n d t h e f u t u r e d e v e l o p me n t o f t h e c a t h o d i c p r o t e c t i o n t e c h n o l o g y i n a n t i e o r r o s i o n o f t h e P C CP f P r e s t r e S S e d C o n c r e t e C y l i n d e r P i p e ) wa t e r p i p e l i n e s i s e x p e c t e d Ke y wo r d s ： C a t h o d i c p r o t e c t i o n ； P r e s t r e s s e d C o n c r e t e C y l i n d e r P i p e( P C C P ) ； C o r r o s i o n ； P r o t e c t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 8 7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 5 ) 0 6 3 8 0 4 0前 言 混凝 土中钢筋锈蚀及 防护 问题是影 响混凝 土 构筑物 、 制品安全使用的主要因素之一。混凝土管 的使用寿命通常取决 于钢筋 的耐久性 ， 在正常使用 条件下 ， 具有足够保护层厚度且保护层质量完好的 混凝土能对钢筋起很好的保护作用 ， 但当混凝土保 护层存在质量缺陷且在较强腐蚀 环境条件下使用 时 ， 混凝 土 中的钢 筋将会 遭 到破坏 。至今 为 止 ， 国内 外 已发生多起预应力 混凝土输水管 线因钢筋腐蚀 导致管线破坏的事故。由于腐蚀问题 的重要性 ， 因 此 ， 钢 筋 混凝 土 中钢 筋 锈蚀 问题 引起 了 国 内外 学 者 的广 泛关 注 。 防腐措施通常分为两大类 ： 着眼于提高混凝 土 自身质量 ， 通过优化混凝 土配合 比、 选用具有耐 腐蚀效果 的原材料提高混凝土 自身性能或配制高 性能混凝土以便更好地保护钢筋 ； 在现行混凝土 工艺之外附加的措施 ， 如涂覆防腐绝缘层等 。 阴极保 护 技 术 始 于 1 8 2 4年 ，是 英 国对船 体 采 取的一种防腐措施 。随后 ， 它除作为补救措施外 ， 还 发展成为钢筋锈蚀的预防措施 ， 阴极保护的使用范 围逐渐扩大。但是其在钢筋混凝土管领域内的研究 和应用却不多 ，直到 1 9 4 6年法国首次在混凝土管 线 中使用 了阴极保护技术 11 ， 成功挽救 了一条濒于 报 废 的管 线 ， 从 而全 面 推动 了阴极 保 护 技术 在 混 凝 土 输水 管道 中的研 究应 用 。 1 阴极保 护技 术 的分 类和 比较 阴极保护有两种基本方法 ：外加 电流法 ； 一 3 8一 牺牲阳极法 。这两种方法均通过对混凝土内的钢筋 施加 阴极保护电流 ， 使钢筋 的电极 电位从 自然腐蚀 电位负移 ， 所不 同的是供给阴极 电流的方式 。 外加 电流法是将被保护金属与外加 电源负极 相连 ， 由外部 电源提供保护电流 ， 它 的阴极保护作 用是靠长期不断地消耗 电能 ， 使被保护的金属物为 阴极 ， 强 制 辅 助 阳极 ， 这 种 方法 一 般 适 用 于 对 电流 需求量大的情况 。系统 由直流电源 、 辅助阳极、 监控 系统和电缆等组成 ， 此系统要求经常检查并严格调 节 ， 以防止对钢筋产生过电势 。 牺牲 阳极法是将钢筋和一种可 以提供 阴极保 护 电流 的金属或合金 ( 即消耗性 阳极 ) 相连接 ， 由于 金属性质不同， 就会形成一个原电池。由于消耗性阳 极是电位比钢筋更负 、更易受到腐蚀 的金属材料 ， 因 而使钢相对于它呈较强的阴极性 ，以致两种金属之 间形成的电势差足以抵 消一般 出现在钢筋上 的腐 蚀电池 。在此过程中 ， 由它向被保护的金属提供 电 子 ， 使其表现为阴极 的性质 。这种方法的阴极保 护 作用是 以消耗 阳极为代价 ， 只适用于电流需求量低 的情况 ， 即钢筋面积较小或具有 良好涂层的结构 。 通常应根据被保护的金属和具体 的环境情况来 选择采用哪种 阴极保护法 ， 这两种方法的主要 区别 见 表 l 。 2阴极保 护技 术 的试 验研 究 2 1 保 护 层 质 量是 影 响 保 护 电流 密度 和 阴极 去 极 化 的重 要 因素 在试验室对水 泥电极 ( 采用标准稠度用水量 的 汤文友 阴极保护技术在预应力混凝土管线中的应用 需要 固定 的电源 ， 需要电力维护 大 的设施不需多大费用 装 置寿命长 ， 不需更换 必须采取措施 ， 防止对邻近装置 的干涉 。 可 以调 节 防蚀 电流 需 要 维 护 管 理 交付使 用前 要检查和核对极性 ， 否则极性就会 颠倒 ， 腐蚀就会加剧 适用于没有 电源 的地点 ， 不需要 电力维护费用 小规模设施费用低 阳极寿命较短 ， 需更换 对邻近构筑物干涉小 几乎 不需要调节 防蚀 电流 维护管理简单 不会接错 ， 所 以极性是不会被颠倒 水泥净浆涂抹在尺寸为 4 0 m mx 3 0 m mx 5 mm的钢板 上 ，净浆厚度 5 ram) 、砂浆 电极( 尺寸为 2 0 0 ra m 4 0 m m 4 0 mm， 砂浆 中埋入直径为 5 mm的钢丝) 和混 凝 土 电极 ( 尺寸为 2 0 0 ram 1 0 0 ra mx 1 0 0 ra m， 混凝 土 中埋入直径为 1 2 1 8 mm的钢筋 ， 混凝土强度设计等 级 为 C 2 8 ) 进 行 研 究 2 1 ， 所 有 电极 的两 端 和 钢 筋 露 出 部分及导线与钢筋连接点均采用环氧树脂密封 ， 以 保证其电绝缘性。电极浸泡在模拟海水含盐量和混 凝土碱性环境 的含 0 6 mo l N a C 1 的饱和 C a ( O H) 2 溶 液 中 ， 再 对 电极 实 施 一 8 5 0 mV、 一 1 0 0 0 mV和 一 1 3 0 0 m V 的恒电位阴极极化。工程实际和试验室试验结果均 表明 ， 在电源接通最初的一段时间里 ， 阴极保护的 电流密度是很大的 ， 随着 电位的负 向偏移 ， 阴极极 化 的电流密度很快下降 ， 阴极极化 电流密度 随时间 变化相 当大 ， 其初始值往往是稳定值的几十甚至几 千倍 。在 同样 的极 化 电位 下 ， 混 凝 土 电 极 阴极 极 化 电流 密度 比水 泥 电极 要小 。 在切断电流后 ， 钢筋混凝 土的阴极去极化速度 慢 ， 去 极 化 时 间 的 长 短 与 极 化 时 间 、 极 化 电位 和 系 统扩散 电阻有关 。试验结果和工程实例均表明 ， 保 护层质量对电流密度影响较大 ， 如果混凝土保护层 质量很好 ， 系统的扩散 电阻足够大 ， 那么需要 的保 护电流密度就小 。由此可见 ， 保护层 的质量不但对 钢筋混凝土的积极 防腐至关重要 ， 对采用阴极保护 也同样如此。 2 2 阴极保护对水泥混凝土性能的影响 在实施 阴极保护后 ， 材料 自身变化的情况也 引 起了人们的重视 。在试验室将砂浆试件和混凝土试 件浸泡在 0 6 mo l N a C 1 的饱和 C a ( OH ) 溶液 中， 采用 极化 电位阴极极化 7 5 d ，对钢筋握裹力和界面水化 产物进行试验。与未实施 阴极保护的材料相 比， 采 用一 0 8 5 V的极化 电位不会降低钢筋混凝土 的握裹 力 ， 没有保护的和在一 0 8 5 V下保护的每组试件中各 个实测值 的离散性也大体相同。在一 1 0 0 _ 1 3 0 V下 阴极极化对黏结力也没有影响 ， 但在一 1 3 0 V下还需 进一步试验 ， 常用的阴极保护参数对钢筋混凝 土的 握裹力无 不 良影响 ， 这与 F r a n g u i n在保 护 电位 为 一 0 8 5 1 0 5 V范 围内测得的握裹力( 略有提高 ) 相 一 致 ， 也不会 恶化水 泥基材 料的性能 ； 阴极保护 电 流有减少钢筋混凝土界面处氯离子浓度 ， 促进水泥 水化 和稳 定水 泥石 结构 的作 用 。 阴极保护 防腐措施无论 是试验 电极或是被保 护的构筑物 ， 在通电后装 置即进入工作 状态 ， 马上 就可以起到保护 的作用 ， 能很好地起 到对混凝土输 水管中钢筋的预防腐蚀作用 ， 受保护后 的管线安全 正 常运 行 。 3 阴极保护技术在预应力混凝土输水管线上的应用 3 1 阴极保护技术是防止钢筋 已腐蚀的混凝 土输 水管继续被腐蚀的有效措施 尽 管混凝土管的使 用寿命 比铸铁管 和钢管寿 命长得多， 但是管子质量和使用不 当所引起 的腐蚀 不应被忽视 。采用阴极 防腐技术 防止预应力钢筋混 凝土管中钢丝腐蚀 的方法已在以色列 、 美 国、 法 国、 阿尔及利亚 等国家都取得 了 良好 的成效 。阿根廷 1 9 6 2年至 1 9 6 4年曾铺设了一条预应力管道。由于 土壤含有腐蚀介质 ，于 1 9 6 8年发现管道遭 到严重 破坏 ， 后来采用阴极防腐法 ， 取得 良好效果 。增加 的 成 本仅 占总造价 的 2 。 营 口市 自来 水公司于 1 9 7 1 1 9 7 8年铺设 总长 2 6 k m 的直 径 6 0 0 m m 三 阶 段 预 应 力 混 凝 土 输 水 管 线【3 】 ， 管线沿线有 2 0 k m直接穿越盐场的盐 田， 含有 大量 的氯盐 和硫酸盐 ，管线沿线土壤电阻率只有 0 3 1 1 8 8 n i n ， 属腐蚀性最 强的土壤 ， 腐 蚀性环境 严重威 胁 着管 线 的安全 。 1 9 8 1 年 就发 生 了管子 的破 坏事故 1 9 8 2年 ， 苏州混凝土水泥制品研究 院在三阶段 预应力输水 管线( 环 向钢筋 已腐蚀 ) 上开始 了牺牲 阳极 法 阴极保 护 措施 的研 究 。首先选 择 在 长为 8 0 0 m 的管线 上进 行 了 阴极 保 护 的初 步试验 ， 根 据土 壤 电阻率 的大小确定阳极种类采用 Z A型阳极 ， 为 了使 汇 流 点 和 电缆 末 端 电位 差控 制 在 5 0 m Y 以 内 ， 选用 了1 0 m m W 型聚氯 乙烯绝缘氯 乙烯护套 电力 一 3 9 2 0 1 5年第 6期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 0期 电缆 ，采用一根电缆将 1 0 0 m长为一保护单元 内的 管子逐根并联在一起 ，为提高阳极的工作效率 ， 防 止 阳极无效消耗 ， 采用单支 阳极工作形式。试验结 果表 明， 阳极与管线连接 2 0 mi n后 ， 保 护单元末端 电位就偏移到一 8 2 0 m V ( 相对 于铜一 硫 酸铜 电极 ， 下 同) ， 并且随时间的增长继续发生偏移 。阴极保护系 统工作 1 - 3 d后 ， 末端 电位为一 8 7 0 mV， 开始阳极发射 电流较大 ， 1个月时为 7 1 m A， 5个月时就降为 4 m A， 电缆上的电位降也在原先考虑的范围内。 同时 ， 还探讨 了阳极发射电流与阳极重量的关 系。经实际验证 ， 重量分别为 l O k g 、 2 8 k g 、 3 1 k g不同 尺寸的阳极 ， 它们的初始发射 电流在一段时间内相 差较大 ，在阳极工作一段时间后差值减小。工作 7 个月后 ， 三个单元的平均发射电流按 阳极增大顺序 分别为 3 9 m A、 4 1 6 m A、 4 3 3 m A ，可见阳极发射电流 在土壤电阻率基本一致 的情况下 ， 主要取决于被保 护钢筋 的表面积 ，阳极能 自动调节发射 电流 的大 小 。 采用 l mMm 的电流密度就能满足保护要求 。 通 过 埋 设 的 检 查 片 对 比 发 现 ， l 8个 月 的 保 护 度 为 9 6 3 ， 受保护的检查片表面有一层石灰质 的膜 ， 试 片没锈或者很少有锈 ， 而没有保护的检查片有较多 的黄褐色锈斑 ， 有的部位锈蚀较深。 这是我国首次将牺牲 阳极 法阴极保护技术应 用 于保护钢筋 已腐蚀却仍在运行 的预应力混凝 土 管输水管线 中 3 1 ， 盖营管线 的使用效果 以及 国外 阴 极保护在混凝土管 中的使用情况证 明， 该方法是可 行 的。 3 2 阴极保护技术是防止混凝土输水管钢筋腐蚀 的有效措施 1 9 8 7 1 9 8 9年 ，苏州混凝土水泥制品研究院在 山东潍坊纯碱厂输海水新建管线上采用 了阴极 保 护技术 ，对 约 1 8 k m 的新建 直径 1 2 0 0 m m 和直 径 l O 0 0 mm一 阶段预应力混凝土管线实施阴极保护 ， 管线铺设 于盐碱地床上 ， 沿线 土壤腐蚀性强 。设计 选择 采用 牺 牲 阳极 法 ，混凝 土 管采 用 Z n - A 1 一 C d阳 极 ， 阳极开路电位一 1 0 5 0 m V， 每个保护单元的管子用 铜芯电缆连接线连接 ， 每个阳极组都通过试验点在 某一 连接 点上 与管 线 的螺旋 钢筋 相连 接 。测 试点 位 于地面上 ， 可 在该点处接通或切断 电路 ， 并允许在 以后需要 时将更多的阳极连接到阳极组上 。 通过试 验点 ， 还能随时监视流到管线的电流以及钢筋对土 壤 的电势差 。当预应力混凝土输水管线与锌基 阳 极连接 2 0 m i n后 ，保护单元 的末 端保 护电位就达 到一 8 2 0 m V，在管线通电 1 d内，各单元的保护电位 在一 8 8 0 9 3 0 mV。埋地管线的保护电位达一 l O 0 0 m V 40 左右 ， 该管线处 于很好 的保护状态 中， 保护效果非 常 明显 。 4阴极保 护技 术在 我 国 P C CP中 的应用 前景 P C C P生产技术 自引进到现在 已在我国的输水 工 程 中得到 了广泛 应 用 。由于带 钢筒 的预应 力混 凝 土 管具 有 高抗渗 性( 高抗 渗性 主 要 由薄 钢筒 保 证 ) 、 高密封性 ( 高密封性是 由于接头 采用 了钢制 承插 口环 与橡 胶圈密封 ， 尺寸控制更精确 ) 和高强 度 ( 高强度则 由钢筒 、 预应力钢筋与 内外层混凝土 共 同承担 ) 三大特点 ， 特别是大 口径( 例南水北调工 程就采用了公称直径 4 0 0 0 mm的 P C C P )高工压的 管线具有很强的优势 ，目前 国内 P C C P生产企业 已 有 近百 家 。 美 国混凝土压力管学会 、美 国混凝土学会 、 美 国给水工程协会 、 耐腐蚀协会都对混凝土压力管 的 耐腐蚀性能进行 了研究和探讨。他们认为 P C C P的 寿命可以超过 1 0 0年H I 。但 因腐蚀造成的质量事故 在各地都有发生 ，引起 P C C P失效的原 因常有高氯 化物环境( 氯化物浓度大于7 0 0 p p m或所测电阻率小 于 3 0 Q m) 、 砂浆保护层质量( 密度低 、 厚度不足 、 水 泥含量低 、 包括水泥浆层 内部 的预应力钢丝没有被 完全包裹 ) 、 钢丝 的质量 、 腐蚀性土壤 、 推力 约束不 足 、 施 工损坏 、 简体 焊缝部分 的裂纹 、 覆 盖层剥离 等。近年来 ， 对 P C C P的防腐愈来愈引起设计 、 生产 和使用等各方的重视 。 国外关于 P C C P管采用阴极保护系统对管道进 行 保 护 的 报 道 已 很 多 ， 如 美 国 ( Ma t e r i a l s P e rf o r ma n c e 2 0 0 5年第 4期发表了关于利 比亚大人 工 河 项 目 的 经 验 总 结 ， 管 材 直 径 4 0 0 0 m m、 长 7 5 0 0 mm一期工程只作 了部分 阴极保护 ，发生爆管 后补 加 了阴极 保护 5 1 。 P C C P的腐蚀 防护在我 国也愈来愈引起各方的 重视 ，阴极保护技术 已在多个 管线工程上 得到应 用。在新建 国家重点引水工程的南水北调北京段4 1 ， 该 段管 线所 经 地带 电 阻率在 1 3 5 0 Q m，工程 选 用 直 径 4 0 0 0 mm 的 P C C P管 材 ，采 用 了锌 牺 牲 阳极 系 统对管道进行 阴极保护 。在核工业集团四零四厂取 水 改 造 工 程网 中 ， 采 用 直 径 l O 0 0 m m 的 P C C P管材 ， 管线长期处于水分饱和 的砂砾石环境 中， 水质 电阻 率 1 5 6 Q m， 对管线实施 了镁基合金牺牲阳极 阴极 保护防腐措施。除此之外 ， 国内应用阴极保护作为 管道防腐措施的工程实例还有很多。 2 0 1 2年 9月 国家发布 了 G B T 2 8 7 2 5 -2 0 1 2 ( 埋地预应力钢筒混 凝土管道的阴极保护 l 7 】 ， 随着标准的发布实施必将 进一步推进并指导 阴极保护技术在混凝土输水管 汤 文友 阴极保 护技 术 在预应 力 混凝 土管 线 中的应 用 防腐方面的应用。 为了能更有效和更方便地对 P C C P实施 阴极保 护 ， 可考虑采取 以下措施 ： ( 1 ) P C C P生产 时 ， 在 环筋 下 面 由一 厚 度 为 2 m m 的薄钢带将 环向钢丝连成一体 ，称之为 电导体 ， 钢 制承 口环与插 口环通过 电导体与锚 固箍连接 ， 形成 一 个封闭电路 。接通电源 ， 达到阴极 防腐 目的。 ( 2 ) 喷浆 前在 管子两 端外 表面涂 刷一 圈宽 约 2 0 3 0 ram的环氧树脂 ， 起到保护管子两端环筋和增 加端部保护层与管芯间黏结力的作用。 ( 3 ) 环向缠绕预应力钢丝之后 ， 用水 泥净 浆涂 覆在缠有钢丝的混凝 土管芯或钢筒上 ， 以使靠在管 壁上 的钢丝部分涂上水泥浆 ， 以便减少发生氧浓差 腐 蚀 。 ( 4 ) 根据当前国内外的经验 ， 对于 P C C P管道来 说 ， 牺牲 阳极是首选方案 ， 因阳极可 以均匀分布 、 采 用锌 阳极可以控制析氢造成 的氢脆 。 5结语 ( 1 ) 阴极保护技术对于环 向钢筋 已腐蚀 的预应 力混凝土管线是行之有效 的修补方法 ， 对于铺设在 腐蚀环境 中的新建管线 ， 阴极保护技术又是可靠 的 预防措施。阴极保护技术 的使用实践证 明， 它可 以 有效地防止 钢筋 的电化学腐蚀 、 杂散 电流腐蚀和应 力腐蚀 。该技术是提高预应力管耐久性的有效措施 之一。牺牲阳极保护阴极具有电流分布均匀 ， 不会 对 附近结构 物引起杂散 电流干扰 ， 不会造成过负 的 电位 ， 很少要求对 系统进行频 繁 的监测 、 维修和调 整 的特点。 ( 2 ) 防腐层与电化学保护 的同时使用称之为联 合保 护 ， 可使腐蚀控 制手段相互补 充 ， 使腐蚀控制 工程成本降低 ， 经济合理 ， 安全可靠咧 。混凝土管 的 保护层质量对于混凝土管的使用影响重大 ， 不仅影 响混凝土管的耐久性能 ， 也对后期采用 阴极保护等 防腐措施的成本起着较大决定作用。 参考文献 ： 1 英 国标准局 阴极保护 实施规 范 M 洪 定海， 译 北 京： 国防 工业 出版社， 1 9 8 5 2 周 正， 马酉生 预应力输水 管线 阴极保 护通过 部级鉴定【 J 混凝土 与水泥制 品， 1 9 8 4 ( 6 ) ： 6 4 3 】 周 正， 汤文友， 管永 良 钢筋 混凝土阴极保护 的试验研究 J J 上海建材学 院学报， 1 9 9 3 ， 6 ( 2 ) ： 1 5 3 1 6 0 f 4 胡 士信， 王东黎， 张本革， 等 预应力钢筒混凝 土管阴极保护 技术应用介绍 J 】 南 水北调与水利科技， 2 0 0 8 ， 6 ( 1 ) ： 3 0 3 3 0 7 5 V e a z e y M V C P r e t r o f i t t i n g u n d e r w a y o n L i b y a n p r o j e c t J MP ， 2 0 0 5 ( 4 ) ： 2 2 2 3 f 6 】高军义 P C C P管系钢筋 阴极保 护在取水改造工 程 中的应 用 J 西北水电， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 8 - 5 0 【 7 中华人 民共 和国国家质量监督检验检疫总局， 中国国家标 准化管理委员会 G B T 2 8 7 2 5 -2 0 1 2 ( 埋地预应力钢筒混凝土 管道 的阴极保 护 S 】 北京 ： 中 国标准出版社， 2 0 1 2 8 米琪， 李庆林 管 道防腐 蚀手 册【 M】 北 京： 中 国建 筑工 业 出 版 社 ， 1 9 9 4 收 稿 日期 ： 2 01 5 0 4 - 2 3 作者简介 ： 汤文友 ( 1 9 6 5 一 ) ， 男 ， 工程师 。 通讯地址 ： 苏州市三香路禾家塘岸 6 4号 国家水泥混凝 土 制 品质量监督检验 中心 联系电话 ： 1 3 5 0 6 1 3 1 7 3 5 E ma _ I ： 6 0 3 5 31 1 6 2q q c o m 与 小 酬 品 ； 电 话： 0 5 1 2 6 8 2 8 5 7 1 6 ， 6 8 2 8 5 7 9 3 ( 兼传真) ； - 一 41一 增 一 茶 敝 出 推 磅 一 册 外 呖 拣 定 漶测 借 挟 集 屿 一 ， 丁 目 是 论响 术 按细 渤 H 邮 黧 及 寄 汲 由 徘 加 =： 市 嘶 购 注 一 年 汇 呲 甄