摘 要：预应力钢筒混凝土管（PCCP）在国内外都有广泛的应用，为长距离输水提供了方便。但是PCCP长期埋在地下运行，受周围土体的影响，特别是在高盐地区，虽然钢丝外侧喷涂了砂浆进行防腐蚀处理，但是仍然容易发生电化学腐蚀。从而导致预应力钢丝锈蚀断裂，管承载能力降低，影响PCCP管运行寿命，引发安全事故。本文结合相关规范和文献，简单介绍PCCP阴极保护措施和计算方法。 关键词：PCCP管，电化学腐蚀，阴极保护
1 PCCP结构特征与腐蚀机理
1.1 PCCP结构特点
随着我过经济的发展，城镇用水量日益增多。但是我国又是一个水资源分布极不均匀的国家，水资源的缺乏制约着地方经济的发展，因此建设输水工程在我国就显得尤为重要。南水北调工程正是这样的背景下应运而生。南水北调分为东线、中线、西线工程，其中中线工程尤为重要。中线工程南起丹江口水库，北到北京颐和园团城湖水库，总长达1267公里。 这项跨世纪的大工程中，输水方式的选择就很重要了。一般分为明渠、管道以及明渠与管道相结合的方式。考虑到管的工作性能、耐腐蚀性、抗压性、维护成本等选择预应力钢筒混凝土管（PCCP）作为输水管道[1]。 PCCP管分为两种，这两种管的区别在于钢筒相对于混凝土的位置不同。钢筒位于混凝土外侧，预应力钢丝缠绕在钢筒外表，称为内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL），一般适用流量不大的小口径管，如图1.1所示；钢筒埋嵌在混凝土中，大约靠近内侧混凝土1/3处，预应力钢丝缠绕在混凝土外表面，称为埋置式预应力钢筒混凝土管，适用于流量大的大口径管，如图1.2所示。
图1.1 内衬式预应力钢筒混凝土管 图1.2 埋置式预应力钢筒混凝土管
与普通铸铁管、钢管、PVC管以及石棉水泥管，PCCP管有如下优点。
（1）承受高内压与外荷载；
（2）良好的抗渗性与耐久性；
（3）接头密封好；
（4）耐腐蚀性能好；
（5）糙率小，过流断面大；
（6）施工简单；
（7）维护费用小
PCCP由法国人开发，美国人推进了PCCP技术的发展，并在美国和加拿大应用广泛，就美国国内的而言，PCCP用于加州的中央亚利桑那工程和卡司太克工程。前者管径达到6.4m，
内压0.98MPa，管顶覆土10.5m，修建长度10.5km；后者管径5.1m，内压0.95MPa，管道覆土13.5m。除了在北美的应用外，世界上PCCP应用最广泛的是利比亚人工大运河——把南部撒哈拉沙漠4处地下水源的地下水抽上了，通过人工运河输送到北部沿海地区，并联成全国统一的地下水管网。输水量达到25亿m3/年，输水干线总长4500km[2]。
国内PCCP起步较晚，但是发展迅速。近些年来，我国通过各种科研项目，进行了有关室内原材料及混凝土与砂浆试验、结构计算方法研究与程序开发、管道水力研究、大型管道现场试验、管道运输安装研究、管道耐久性及结构安全研究等，并达到了国际领先水平。从山东电力管道公司和无锡管道公司最开始筹建PCCP厂，发展到目前的新疆国统管道有限公司和浙江金华市巨龙管业有限公司，随着我国城市供水、工业用水以及农田水利建设的发展，PCCP已经在我国广泛应用于各项输水工程，如表1.1所示[3]层压机硅胶板。
表1.1国内应用PCCP工程
序号 | 工程名称 | 直径 （m） | 工作压力 （MPa） | 管长 （km） | 建设时间 |
1 | 深圳西部发电站海水循环管道 | 2.4 | 0.3 | 0.22 | 1996 |
2 | 深圳中—西部管道输水工程 | 2.2 | 0.8 | 22.7 | 1997 |
3 | 深圳东部管道输水工程 | 2.6 | 0.6 | 7.8 | 1997 |
4 | 深圳输水管道 | 3.0 | 0.6 | 9.5 | 1998 |
5 | 黑龙江七台河电厂循环水工程 | 2.4 | 分度机构0.6 | 0.72 | 1998 |
6 | 莱城电厂补充水、循环水工程 | 2.4 | 1.0 | 0.185 | |
7 | 日照电厂循环水管工程 | 2.4 | 0.4 | 1.0 | 1997 |
8 | 上海河流污水处理工程二期 | 爬墙式3.6 | 0.6 | 3.91 | |
9 | 呼和浩特引黄工程 | 2.0 | 1.0 | 63 | |
10 | 长春市引松入长工程 | 2.0 | 1.0、0.8 | 12.0 | 1998～2000 |
11 | 山西万家寨引黄工程连接段 | 3.0 | 0.6～1.0 | 43.6 | 2002 |
12 | 哈尔滨磨盘山输水工程 | 2.2 | 1.0 | 2×135 | 2003～2009 |
13 | 和田皮墨垦区引水灌溉工程 | 1.2～2.4 | 1.0 | 35 | 2004 |
14 | 北疆供水工程三个泉倒虹吸工程 | 2.8 | 0.4～1.4 | 2×7.385 | 2005 |
15 | 广州西江引水工程 | 3.6 | | 2×46.5 | 2009 |
16 | 山西万家寨引黄二期北干线工程 | 2.2～3.0 | | 117.4 | 2010 |
17 | 辽宁大伙房水库输水（二期）工程 | 2.4、3.2 | 0.6～1.0 | 265 | 2009 |
18 | 辽宁大伙房水库输水（三期）工程 | 2.4、2.8 | | 150.96 | 2010 |
19 | 南水北调京石段供水工程北京段 | 擦玻璃机器人原理4.0 | 0.6～0.8 | 2×56.4 | 2006～2008 |
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1.2 PCCP管的腐蚀
20世纪90年代初，有些PCCP管出现了一些破裂现象，使大家对PCCP的使用产生了担忧。由于PCCP的口径大，内部压力大，所以其破坏一般会造成灾难性后果。对已破坏管线进行内外检测发现存在内部裂缝，敲击时会有空洞的声音，将管挖出会发现此PCCP处于临界破裂的损伤状态。使用PCCP供水的单位对其管线的破裂风险非常关心，因此已经开始研究并制定PCCP管线状态评估计划。为了确定破裂原因，用户对管子进行了详细调查发现：管子破裂部位有些钢丝出现腐蚀，有些存在韧性断裂，还有一些出现脆性断裂，表面呈现明显的锯齿形。另外，许多管的钢丝出现纵向撕裂，极高强钢丝由于回火工艺造成了动态应变软化的特点。钢丝的抗拉强度越高，其越容易受脆性断裂的影响。由此看来，钢筋腐蚀会导致预应力损失，承载力降低，局部压力增大，最后引起PCCP管爆管，造成事故。
1.3 PCCP腐蚀条件与机理
就管本身而言，钢筋表面的不均匀性、周围氧气、水以及离子浓度含量等会影响钢筋腐蚀情况。管线中水具有中性，对管不构成腐蚀条件。周围土体中，主要是硫酸盐或者氯化盐
与Fe反应，引起钢丝腐蚀。腐蚀的反应过程如下[4]：
阴极（正极）反应，进行O2的还原反应：
（1.1）
阳极（负极）反应，铁失去电子变成铁离子进入溶液，并进一步反应；
（1.2）
（1.3）
（1.4）
（1.5）
因此，在地形复杂区域进行相应的保护能降低管发生事故的概率，延长使用寿命，提高安全性。
2 阴极保护
根据Sandor Popvics电化学腐蚀是一切腐蚀损坏的实质。阴极保护就是把被保护的金属与直流电源的负极相联结，施加阴极电流使金属阴极产生较大的负电位，这个电位值低于腐蚀原电池阳极的开路电位。阴极保护就是使整个钢筋表现不存在阳极区域，都放出电子，这样就只能发生阴极反应，从而就完全防止了属于阳极过程的电化学腐蚀。[5]从腐蚀反应过程中看出，要控制反应有两种方法：①控制电流产生；②保护Fe，用比Fe更易反应的金属置换。与此相对应的阴极保护方法有外加电流法和牺牲阳极法。
2.1 外加电流法
从反应中得出，既然阴极要得到电子生成，那我们就通过外加电流给钢丝提供足够的电子，这样钢丝就不会失去电子而被腐蚀了。如图2.1所示
图2.1 外加电流法
图中1——被保护的预应力管线；2——辅助阳极；3——智能开关方案直流低压电源；4——阴极电缆；5——阳极电缆。
外加电流阴极保护是用外部的直流电源作阴极保护的极化电源，将电源的负极与被保护金属相连，将电源的正极接至辅助阳极，使被保护金属成为阴极而实现保护。混凝土中钢筋的腐蚀属于电化学腐蚀，因此可以通过阴极保护方法来防止腐蚀的发生。另外，在电场的作用下，带负电的氯离子可向阳极（混凝土表面）迁移，等于从钢筋表面除掉氯离子，这对于钢筋的防护十分有利。[6]
2.2 牺牲阳极法
反应式中，有Fe失去电子成为Fe2+，这种氧化还原反应总有一种金属失去电子变成离子。在钢筋锈蚀中，如果失去离子的金属不是Fe，而是一种还原性比Fe弱的金属，这样Fe就被保护起来了。牺牲阳极法就是基于此原理。具体方法为：将还原性较强的金属（常用锌合金、铝合金、镁合金）作为保护极，与被保护Fe相连构成元电池，还原性较强的金属作为
负极发生氧化反应消耗，被保护的Fe就可以避免腐蚀。如图2.2所示。
图2.2 牺牲阳极法
图中1——被保护的预应力管线；2——牺牲阳极；3——填包料；4——电缆
这两种方法各有所长，适应范围也不尽相同，优缺点表2.1所示：[6]
表2.1 外加电流法和牺牲阳极法优缺点
优缺点
方法 | 优点 | 缺点 |
外加电流法 | 1.输出电流、电压连续可调 | 1.需要外部电源
2.对邻近金属建筑物干扰大
3.维护管理工作量大 |
2.保护范围大 |
3.不受环境电阻率限制 |
4.工程规模越大越经济 |
5.保护装置寿命长 |
牺牲阳极法 | 1.不需要外部电源 | 1.高电阻率环境不宜使用
2.保护电流几乎不可调
3.覆盖层质量必须好
4.投产调试工作复杂
5.消耗有金属 |
2.对邻近构筑物无干扰或很小 |
3.投产调试后可不需要管理 |
4.工程规模越小越经济 |
5.保护电流分布均与、利用率高 |
| | |
对PCCP管来说，采用外加电流法纵向电阻大保护范围小（每根管长不超过6m），保护电流分布不均，另外保护电位控制要求严格，容易造成过保护，引起管道氢脆。参照国内外经验，PCCP阴极保护方案选择牺牲阳极法。新金瓶酶2
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