預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是在帶鋼筒( 薄鋼筒的厚度約 1. 5~ 2. 0 mm) 的混凝土管芯上纏繞一層或二層環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲, 并用水泥砂漿作保護(hù)層而制成的管子。它的開發(fā)應(yīng)用已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。這一技術(shù)是法國(guó) Bonna 公司最先研制的, 到上世紀(jì) 40年代歐、美競(jìng)相開發(fā), 目前美、法各國(guó)的年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)千米, 其中美國(guó)、加拿大是世界上推廣使用預(yù)應(yīng)

力鋼筒混凝土管最多的國(guó)家, 廣泛應(yīng)用于城市輸配水干管、火電站供水管、水利工程、雨/ 污水干管、工業(yè)供水及廢水管線等方面。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管 PCCP( prestr essed concrete cylinder pipe) 是將高強(qiáng)鋼絲的抗拉、混凝土的抗壓和鋼板的防滲有機(jī)結(jié)合在一起, 充分合理利用了材料各自的物理力學(xué)特性的高品質(zhì)的輸水管材。

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是在帶鋼筒( 薄鋼筒的厚度約 1. 5~ 2. 0 mm) 的混凝土管芯上纏繞一層或二層環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲, 并用水泥砂漿作保護(hù)層而制成的管子。它的開發(fā)應(yīng)用已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史。這一技術(shù)是法國(guó) Bonna 公司最先研制的, 到上世紀(jì) 40年代歐、美競(jìng)相開發(fā), 目前美、法各國(guó)的年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)千米, 其中美國(guó)、加拿大是世界上推廣使用預(yù)應(yīng)

力鋼筒混凝土管最多的國(guó)家, 廣泛應(yīng)用于城市輸配水干管、火電站供水管、水利工程、雨/ 污水干管、工業(yè)供水及廢水管線等方面。1、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管具有以下特點(diǎn):

( 1) 管芯中嵌入了一層薄壁鋼筒, 具有較好的抗?jié)B性;

( 2) 承插端的工作面是定型鋼制口環(huán), 承插工作面間隙僅 1~ 2 mm, O 型膠圈占滿凹型 槽內(nèi), 密封性能良好, 大口徑管的承插口, 可采用雙膠圈;

( 3) 管材的承插接口是半柔性, 可減緩或克服一定程度上的土壤應(yīng)力影響;

( 4) 預(yù)應(yīng)力鋼絲可多層重疊, 管材承受內(nèi)水壓力可達(dá) 2~ 3 MPa, 最高可達(dá) 5 M Pa, 埋土深度大。

( 5) 鋼筒在混凝土的包裹之中, 處于鈍化狀態(tài),減緩腐蝕, 管體之間的鋼筒端面容易用導(dǎo)線連接, 施加陰極保護(hù)更方便;

( 6) 管件配套齊全、簡(jiǎn)便、可靠。不依賴大量金屬配套管材轉(zhuǎn)換, 既方便、可靠, 又節(jié)省造價(jià);

( 7) 非金屬管材, 埋于土壤中巡管定位容易。

PCCP 管的防蝕

根據(jù)電化學(xué)的原理, 埋地 PCCP 管采用陰極保護(hù)是一項(xiàng)明智的選擇。用鋼筋混凝土試件進(jìn)行的研究表明, 即使在不利的條件下, 如富含氯離子的堿性環(huán)境, 充氣的大面積陰極和小面積的潮濕陽(yáng)極, 加入氯離子使其處于脫鈣( 中性) 的環(huán)境下, - 0. 75 V 和- 0. 85 V( CSE) 的試驗(yàn)電位仍能抑制電池的形成。該項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)行六個(gè)月后, 拆下的試件上沒(méi)有可以辨認(rèn)的腐蝕證據(jù)。試驗(yàn)開始時(shí), 在富含氯離子的環(huán)境中加強(qiáng)鋼筋實(shí)測(cè)的自然腐蝕電位是- 0. 58~ - 0. 63 V( CSE ) 。在中性環(huán)境中, 實(shí)測(cè) 的自然 腐蝕電 位是 - 0. 46 ~ - 0. 55 V( CSE) 。在純混凝土中, 實(shí)測(cè)的自然腐蝕電位是- 0. 16 V( CSE) 。圖 2 所示是試驗(yàn)結(jié)束后拆下的試件對(duì)比。經(jīng)過(guò)六個(gè)月后, 在實(shí)施陰極保護(hù)的試件上沒(méi)有檢測(cè)出腐蝕。而在未實(shí)施保護(hù)的比較試件上, 腐蝕速率為 4 mm/ a, 根據(jù)電 池電流測(cè)量值,表明自腐蝕率為 50% 。

實(shí)際上, 保護(hù)混凝土構(gòu)筑物所需的電流密度一般都比較低。原因是陰極表面沒(méi)有很好通氣, 而陽(yáng)極區(qū) 域 是 干 的。 實(shí) 際 經(jīng) 驗(yàn) 表 明, 甚 至 在 UH = - 0. 35 V比表 1 所列值更正的電位下, 也能夠達(dá)到明顯的保護(hù), 因此, 能夠把 U Hs = - 0. 4 V 認(rèn)作為保護(hù)電位( 在 DIN 30676 標(biāo)準(zhǔn)中, 規(guī)定 U Hs = - 0. 43 V[ - 0. 75 V( CSE) ] ) 。

由于混凝土構(gòu)筑物的陰極保護(hù)在美國(guó)已經(jīng)有了很大進(jìn)展, 所以已經(jīng)制定出相應(yīng)的保護(hù)準(zhǔn)則。準(zhǔn)則選用了斷電測(cè)量技術(shù), 即切斷保護(hù)電流后, 在 4 h 內(nèi)極化電位衰減超過(guò) 0. 1 V, 那么可以認(rèn)定這一保護(hù)效果是合適的。借助內(nèi)裝式 AgAgCl 參比電極或者裝在外表面上的任何電極, 可以在受保護(hù)物體的任何部位進(jìn)行此項(xiàng)測(cè)量。

4、 南水北調(diào)北京段 PCCP 管的陰極保護(hù)

南水北調(diào)工程中北京段 PCCP 管采用陰極保護(hù)是出于以下的考慮:

( 1) 管線所經(jīng)地帶電阻率在 13~ 50Ω· m 間,比美國(guó) M P 雜志 1992 年 5 期中 PCCP 管的腐蝕案例的電阻率 10~ 70 m 還要嚴(yán)重;

( 2) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試提供的氧化還原電位、電阻率和極化電流密度參數(shù), 按國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的指標(biāo)判斷多為強(qiáng)腐蝕性, 只有少量為中等;

( 3) 影響 PCCP 管腐蝕的因素有: 鋼筋自身、氯化物、碳化、氧和水等, 在本項(xiàng)工程中均存在;

( 4) 考 慮 到 混 凝 土 層 防腐 蝕 的 重 要 性 和 意義, 防患于未然是陰極保護(hù)技術(shù)的特色;

( 5) 韓國(guó)相關(guān)公司咨詢資料中指出, 新建管道上陰極保護(hù)的費(fèi)用是后來(lái)補(bǔ)加的 1/ 3;

( 6) 利比亞大人工河關(guān)于陰極保護(hù)的經(jīng)驗(yàn)及教訓(xùn)的總結(jié)

4.1、電連續(xù)性要求

根據(jù) NA CE RP 0100 標(biāo)準(zhǔn) [ 8] 要求, 應(yīng)對(duì) PCCP管中預(yù)應(yīng)力鋼筋和鋼筒進(jìn)行電連續(xù)性連接, 保證預(yù)應(yīng)力鋼筋和鋼筒之間陰極保護(hù)電流的電連續(xù)性; 同時(shí)應(yīng)對(duì)每節(jié) PCCP 管進(jìn)行電連續(xù)性跨接。在 PCCP 管道保護(hù)段, 為保證犧牲陽(yáng)極的使用壽命和保護(hù)范圍, 每 20 節(jié) PCCP 管( 約 100 m) 作為一個(gè)保護(hù)單元, 進(jìn)行電連續(xù)性跨接; 而每個(gè)保護(hù)單元之間不 進(jìn) 行 電 連 續(xù) 性 跨 接, 這 一 作 法 在 后 來(lái) 的NACE 專家建議下修改為 全部電連接。

4. 2、 電絕緣

為防止雜散電流的干擾和 PCCP 管道保護(hù)電流的流失, 在保護(hù)管道的首末端、分支處以及與外部管道的連接處安裝絕緣設(shè)施進(jìn)行電絕緣。建議相鄰兩管的插接關(guān)的鋼環(huán)內(nèi)、外兩個(gè)表面采用雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末覆蓋層。

4. 3 、 陰極保護(hù)準(zhǔn)則

早在 1984 年, 蓋平—營(yíng)口供水線陰極保護(hù) 設(shè)計(jì)時(shí), 所查文獻(xiàn)表明混凝土保護(hù)層未受破壞時(shí), 保護(hù)電位應(yīng)為- 0. 50 V( CSE, 下同) ; 氯化物已作用到鋼筋時(shí)應(yīng)為- 0. 71 V; 已經(jīng)腐蝕的鋼筋, 應(yīng)為- 0. 77V。日本在海洋中混凝土構(gòu)筑物防腐蝕指南中規(guī)定,保護(hù)電位為- 0. 77~ - 0. 85 V; 綜上所述, 蓋平—營(yíng)口供水線 陰極保 護(hù)采用 了負(fù)向 偏移 - 0. 10 V 和- 0. 77~ - 0. 85 V 的準(zhǔn)則。最大保護(hù)電位在析氫電位以下, 析氫電位為- 1. 170 V。NACE RP 0100- 2004 標(biāo)準(zhǔn)要求, 在 PCCP 管道陰極保護(hù)系統(tǒng)正式投入運(yùn)行后, 管道的極化電位差應(yīng)不小于 100 mV ; 最低負(fù)電位應(yīng)不 低于- 1000mV( 除去 IR 降) 。本準(zhǔn)則適用于 PCCP 管線陰極保護(hù)和腐蝕控制。本標(biāo)準(zhǔn)來(lái)源于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果和成功的陰極保護(hù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)時(shí), 可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定陰極保護(hù)方法和檢測(cè)周期, 以滿足相近的標(biāo)準(zhǔn)要求。

4. 4 、影響陰極保護(hù)的選擇的因素

雖然陰極保護(hù)是一種行之有效的防蝕方法, 或者可能還是延長(zhǎng)因氯化物侵蝕使鋼筋腐蝕的鋼筋混凝土構(gòu)筑物壽命的唯一方法, 但是, 對(duì)于混凝土鋼構(gòu)筑物只有解決了下列問(wèn)題后, 才能做出使用陰極保護(hù)的選擇。

( 1) 外表面進(jìn)行修復(fù)以確保電解質(zhì)的電連續(xù)性是可能的, 并且是可行的。

( 2) 陰極保護(hù)安裝和維護(hù)費(fèi)用都應(yīng)該明顯低于對(duì)受影響結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)和更換的費(fèi)用。

( 3) 應(yīng)備有對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)的維護(hù)措施, 以確保其可以連續(xù)運(yùn)行并達(dá)到保護(hù)電位。

( 4) 被保護(hù)構(gòu)筑物的外觀應(yīng)是可以接受的。

( 5) 應(yīng)設(shè)法證實(shí)鋼筋基本上具有電連續(xù)性。

( 6) 構(gòu)筑物中不應(yīng)含有與高濃度堿反應(yīng)非常敏感的骨料。

4. 5 、 陰極保護(hù)方案

考慮到本工程為混凝土構(gòu)筑物, 管徑大, 電阻率高, 電流分布難度大, 參照利比亞大人工河的作法,采用了沿管線上 下埋設(shè)四條帶狀鋅陽(yáng)極 的保護(hù)方案。本方案的特點(diǎn)是, 電流分布均勻、不會(huì)造成過(guò)負(fù)的電位、不需要外部電源、對(duì)土壤電阻率的依賴性和影響小等。

4. 6 、 帶狀鋅陽(yáng)極安裝

帶狀鋅陽(yáng)極的安裝應(yīng)與 PCCP 主體管道安裝同步進(jìn)行。當(dāng) PCCP 管溝挖好后, 首先安裝 PCCP 管道底部的帶狀鋅陽(yáng)極。陽(yáng)極周圍填充特定組分和尺寸的化學(xué)填料, 再覆蓋一定厚度的土層對(duì)安裝好的陽(yáng)極進(jìn)行保護(hù), 但土層的厚度不能影響 PCCP 管的下溝。PCCP 管就位后, 回填土 層達(dá)到要求的高度后, 再進(jìn)行 PCCP 管道頂部帶狀鋅陽(yáng)極的安裝。帶狀鋅 陽(yáng)極 應(yīng) 置 于陽(yáng) 極 溝 中, 陽(yáng) 極溝 寬 200mm, 深 100 mm, 陽(yáng)極周圍應(yīng)填 充特定組分的化學(xué)填料。當(dāng)條件允許時(shí), 陽(yáng)極周圍填充的化學(xué)填料應(yīng)加入足量的水進(jìn)行浸泡。陽(yáng)極電纜與帶狀鋅陽(yáng) 極采用壓接方 式進(jìn)行連接, 并采用專用電纜連接套進(jìn)行連接和防腐蝕。

4. 7 、 檢測(cè)系統(tǒng)

為準(zhǔn)確掌握 PCCP 管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況及管道的腐蝕狀況, 在沿線間隔 1 km 的人孔排氣閥井、排空閥井上安裝測(cè)試探頭和測(cè)試盒。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)安裝 1 支測(cè)試探頭; 本工程共 設(shè) 53 處測(cè) 試點(diǎn)。本工程采用探頭( 試件) 斷電電位法測(cè)量 PCCP管的保護(hù)電位, 并利用探頭上的自腐蝕試片測(cè)量該處的自然電位。