談埋地輸水PCCP管道外防腐措施的重要性

劉 雪 飛

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

談埋地輸水PCCP管道外防腐措施的重要性

劉 雪 飛

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100176)

從水泥砂漿層腐蝕破壞與鋼骨腐蝕破壞兩個角度分析了埋地輸水PCCP管道腐蝕的主要原因，對PCCP的防腐措施進行了探討，提出了改善水泥砂漿和混凝土品質(zhì)、涂覆外防腐層、陰極保護等措施，指出PCCP管道多用于大型輸水工程，管徑大，輸水量高，提高其運行的耐久性與安全性至關(guān)重要。

PCCP管道，腐蝕，破壞，重要性

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管簡稱PCCP，是在帶有鋼筒的混凝土管芯外側(cè)纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲并用水泥砂漿作保護層而制成的管材。從結(jié)構(gòu)設(shè)計上來看，較薄的管芯鋼筒主要起防水層作用，預(yù)應(yīng)力鋼筋則在管芯內(nèi)部產(chǎn)生均勻的預(yù)壓應(yīng)力，以抵抗由內(nèi)壓和外荷載在管芯內(nèi)引起的拉應(yīng)力，是管道承受內(nèi)外壓力的核心；最外側(cè)的水泥砂漿層厚度一般為20 mm，主要作用是保護預(yù)應(yīng)力鋼筋，使其免受碰撞損傷和外界腐蝕。

PCCP因其管材組成特性，具有抗?jié)B性高、承受內(nèi)外壓力能力強、接頭密封性好、施工便捷、經(jīng)濟壽命長等特點，是國家《中國節(jié)水技術(shù)政策大綱》在大口徑(DN>1 200 mm)供水管網(wǎng)中優(yōu)先推廣的新型管材。也因為PCCP的結(jié)構(gòu)特點，外界普遍認為在不加內(nèi)外防腐措施的情況下，除非環(huán)境惡劣，PCCP的常規(guī)使用壽命均能達到50年，甚至更久，但根據(jù)國外的實際運行經(jīng)驗，管道破壞常發(fā)生在建成后15年～20年左右，而使用十余年或更短時間就發(fā)生爆管的案例也并不鮮見。

研究表明，PCCP管道損壞的主要原因是預(yù)應(yīng)力鋼筋的斷裂，當預(yù)應(yīng)力鋼筋發(fā)生腐蝕斷裂后，會導致斷絲對應(yīng)區(qū)域的管芯混凝土損傷開裂，并降低PCCP管的承載性能，在管道內(nèi)水壓力的作用下，加劇鋼筒和鋼絲層的腐蝕，易造成爆管等嚴重后果，危害PCCP的穩(wěn)定運行。因PCCP多應(yīng)用于大型輸水工程，管徑大，輸水量高，一旦發(fā)生爆管，造成的經(jīng)濟損失巨大，后果嚴重，故提高PCCP運行的耐久性和安全性至關(guān)重要。

1 PCCP的腐蝕分析

按照腐蝕對象分類，PCCP的腐蝕可分為對混凝土或水泥砂漿的腐蝕和對鋼骨架的腐蝕等。鋼骨架包括預(yù)應(yīng)力鋼筋、鋼筒和承插口鋼環(huán)等。PCCP自身對鋼骨架的保護主要是通過管芯混凝土和最外側(cè)的水泥砂漿保護層實現(xiàn)的，管芯混凝土和水泥砂漿保護層不僅將鋼骨架與外界隔絕，而且提供堿性環(huán)境使鋼骨架表面形成穩(wěn)定的鈍化膜，從而使其不受銹蝕。在輸水應(yīng)用中，除了輸送有腐蝕性的污廢水會對管芯混凝土產(chǎn)生腐蝕影響，需采取內(nèi)防腐措施外，原水和清水對混凝土幾乎無腐蝕性，因此，對PCCP管道鋼骨架的腐蝕通常是地下水或周圍土壤通過侵蝕最外層的水泥砂漿，將腐蝕介質(zhì)擴散或滲透至鋼骨架后完成的，而預(yù)應(yīng)力鋼筋緊挨著水泥砂漿層，最易受到腐蝕。

經(jīng)分析，造成PCCP內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕的原因主要有以下幾個方面：

1)水泥砂漿保護層遭受腐蝕破壞，自身pH值下降，使預(yù)應(yīng)力鋼筋喪失堿性環(huán)境，破壞鈍化狀態(tài)，造成鋼筋腐蝕。

2)因外力或內(nèi)力作用，水泥砂漿層開裂，外部腐蝕物質(zhì)直接與鋼筋接觸，造成鋼筋腐蝕。

3)管道接口處理不當，或在使用過程中發(fā)生較大偏移，導致接口處鋼材外露，造成鋼筒及鋼筋的腐蝕。

1.1 水泥砂漿層腐蝕破壞分析

1)水泥砂漿層腐蝕破壞分析。

造成PCCP最外側(cè)的水泥砂漿層腐蝕破壞的原因主要有碳化反應(yīng)、氯離子腐蝕、硫酸鹽腐蝕、溶出物腐蝕等。

碳化反應(yīng)：水和空氣中的二氧化碳等酸性物質(zhì)在水的參與下和水泥砂漿中的Ca(OH)2反應(yīng)，生成CaCO3，導致水泥砂漿pH值下降，鋼鐵表面鈍化膜不穩(wěn)定甚至消失，遇氧生銹，生銹后的鋼鐵體積膨脹，膨脹力會導致水泥砂漿開裂，開裂處的鋼鐵會加速腐蝕，最終導致水泥砂漿層脫落和鋼筋的腐蝕斷裂。

氯離子腐蝕：Cl-滲透到水泥砂漿中與其主要成分3CaO·2Al2O3·3H2O發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生易溶的CaCl2，造成水泥砂漿的破壞。Cl-同時也會破壞鋼鐵表面的鈍化膜，加速鋼鐵的電化學腐蝕。

硫酸鹽腐蝕：硫酸鹽與水泥砂漿中的Ca(OH)2反應(yīng)，生成CaSO4，反應(yīng)生成物體積增大，造成水泥砂漿開裂和粉化，與水泥砂漿中的鋁酸三鈣起反應(yīng)，生成白色糊狀帶大量結(jié)晶水產(chǎn)物，使水泥砂漿松散、開裂和粉化，硫酸鹽和氯化物還會在混凝土孔隙中結(jié)晶，鹽晶體積增加，也會造成水泥砂漿的膨脹和粉化。

溶出性腐蝕：水中的礦化物和陰陽離子與水泥砂漿中的一些難溶物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生易溶物和微溶物，被水帶走，造成腐蝕破壞。

2)導致水泥砂漿層開裂的內(nèi)外力分析。

導致水泥砂漿層開裂的外力主要有：管道運輸或吊裝過程中的震動、碰撞，凍融破壞等。

導致管芯混凝土和水泥砂漿層開裂的內(nèi)力主要有：因管道內(nèi)壓過高產(chǎn)生的膨脹力導致內(nèi)筒混凝土和水泥砂漿層變形，或因管道制作過程中鋼筒圓整度不夠，在進水加壓后因內(nèi)水壓力和環(huán)向力作用使鋼筒重新調(diào)整圓弧度，導致管芯混凝土和水泥砂漿層開裂等。

3)接口腐蝕破壞分析。

PCCP接口采用承插口鋼環(huán)與橡膠圈密封形式，承插口鋼環(huán)與鋼筒焊接連接，在實際工程應(yīng)用中，埋地段PCCP管多采用水泥砂漿灌注、填縫密封的接口處理方法。這種接口方式屬于半柔性接口，一旦管道發(fā)生位移，極有可能導致水泥砂漿填縫發(fā)生開裂，使鋼環(huán)接口暴露在土壤中。

1.2 鋼骨架腐蝕破壞分析

造成埋地鋼材腐蝕的原因主要有：土壤腐蝕、雜散電流腐蝕和微生物腐蝕等。

土壤腐蝕：基本上屬于電化學腐蝕，因為土壤含有水分、少量酸、堿和其他鹽類，是一種復雜的電解質(zhì)，與埋地鋼材接觸后，形成腐蝕電池。

雜散電流腐蝕：地下雜散電流對鋼材的腐蝕作用，也屬于電化學腐蝕范疇，雜散電流的來源包括電氣軌道、變電站、電解工廠直流電源、陰極保護設(shè)施等。

微生物腐蝕：土壤中一些微生物的活動對鋼材有侵蝕作用，如硫酸鹽還原細菌等，可促進鋼材的腐蝕進程。

可見，對于埋地的PCCP，一旦外側(cè)的水泥砂漿保護層發(fā)生腐蝕或開裂，均會直接造成管道內(nèi)部的預(yù)應(yīng)力鋼筋的腐蝕，從而影響管道的安全性和耐久性，威脅管道的正常運行。

2 PCCP的防腐措施

PCCP的防腐措施主要包括內(nèi)、外防腐兩部分，其中，管道內(nèi)防腐的主要目的是改善水力條件和防止輸送流體對管道由內(nèi)而外的侵蝕作用，方法主要是在管道內(nèi)側(cè)涂覆內(nèi)防腐層，本文對此不做重點討論。管道外防腐的主要目的是為了抵御地下水、土壤等外界環(huán)境對管道由外而內(nèi)的侵蝕作用，方法主要有改善水泥砂漿和混凝土品質(zhì)、涂覆外防腐層、陰極保護等。

2.1 改善水泥砂漿和混凝土品質(zhì)

改善水泥砂漿和混凝土品質(zhì)的目的是降低水泥砂漿和混凝土的孔隙率和滲透性，提高抗碳化能力和抗腐蝕能力，方法主要有：改善水泥品質(zhì)提高其自身致密性，針對土壤的腐蝕因素添加防腐蝕添加劑等。

2.2 涂覆外防腐層

在管道外側(cè)涂覆外防腐層的目的是對水泥砂漿外表面進行封閉，隔絕水泥砂漿與水、土壤等腐蝕物質(zhì)的接觸，阻隔腐蝕介質(zhì)的滲入和留存，減緩或防止腐蝕的發(fā)生。涂覆外防腐層還可降低管道因吊裝、碰撞、凍融破壞等造成的損傷，達到保護管道的作用。防腐涂料主要有環(huán)氧煤瀝青等。

2.3 陰極保護

陰極保護的目的是直接保護預(yù)應(yīng)力鋼筋和鋼筒，是對鋼骨架最直接有效的防護方式。主要措施是將管體之間的鋼筒和預(yù)應(yīng)力鋼筋端面用導線連接在一起，采取犧牲陽極的方式對管道進行保護。

目前，國內(nèi)常用的外防腐措施是涂覆外防腐層和陰極保護，一般采用單獨涂覆外防腐層或兩者聯(lián)合防護的措施，具體應(yīng)用時應(yīng)根據(jù)實際工程環(huán)境和工程的重要性來確定。

3 PCCP防腐的重要性

對于埋地管道，人們根據(jù)經(jīng)驗，往往重視鋼材的防腐，而忽視混凝土的防腐，認為混凝土就是最有效的防腐層。同樣的，也認為PCCP中的管芯混凝土和水泥砂漿層就是預(yù)應(yīng)力鋼筋和鋼筒的天然防護衛(wèi)士，不僅能有效阻隔了鋼材與外界的接觸，還制造堿性環(huán)境使鋼材表面生成穩(wěn)定的鈍化膜，是PCCP長效使用運行的有力保障。但是，根據(jù)GB/T 19685—2005預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管基本尺寸標準，保護預(yù)應(yīng)力鋼筋的水泥砂漿層厚度僅20 mm，遠小于管芯混凝土的厚度，而大口徑PCCP自重往往很大，在運輸、吊裝和堆放過程中很難保證不會損傷位于管道最外側(cè)的水泥砂漿層，埋地敷設(shè)后，較薄的水泥砂漿層對土壤、地下水、空氣等腐蝕物質(zhì)侵蝕的抵御能力也很有限，一旦產(chǎn)生裂縫，對預(yù)應(yīng)力鋼筋的影響往往是致命的，可以說，管道的破壞有時等同于出現(xiàn)裂縫，因此，我們應(yīng)該重視PCCP的外防腐，在微腐蝕、中腐蝕或重腐蝕的條件下均采取必要的防腐蝕措施。

4 結(jié)語

我國生產(chǎn)、使用PCCP較晚，因為使用年限不長，到目前為止管道破壞的報道還比較少，但是，鑒于國外應(yīng)用過程中所發(fā)生的重大事故，以及PCCP所參與工程的重要性，我們應(yīng)足夠重視PCCP管道的防腐問題，而不是盲目信仰混凝土和水泥砂漿是鋼材的天然防腐層，應(yīng)認識到PCCP失效后的嚴重后果，遵循預(yù)防為主、防護結(jié)合的原則，確保PCCP正常運行的穩(wěn)定性和安全性：

1)重視對管材生產(chǎn)過程的質(zhì)量監(jiān)控和后期養(yǎng)護。

2)根據(jù)土壤環(huán)境條件、腐蝕介質(zhì)的性質(zhì)、腐蝕性等級等對PCCP進行管道腐蝕分析并進行防腐蝕設(shè)計。

3)在輸水設(shè)計時也應(yīng)采取有效的防水錘措施，避免瞬時驟增或驟降的內(nèi)水壓力對管道的沖擊。

4)管道在運輸、吊裝、堆放、施工下管過程應(yīng)嚴格按照相關(guān)要求執(zhí)行，脆性的水泥砂漿層一旦產(chǎn)生裂紋，必須及時修復，避免成為管道產(chǎn)生裂縫和發(fā)展裂縫的誘因。

[1] GB/T 19685—2005，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管[S].

[2] CECS 140∶2011，給水排水工程埋地預(yù)應(yīng)力混凝土管和預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].

[3] GB 50476—2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 張 煉，馮洪臣.材料延壽與可持續(xù)發(fā)展——管道工程保護技術(shù)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2014:39- 43.

[5] 沈之基，鄭小明.美國PCCP管的失效及對中國給水管道應(yīng)用的警示[J].水利規(guī)劃與設(shè)計,2014(10):1-5.

[6] 張金承，許高勝，唐 虎.某供水工程PCCP管道爆管原因分析[J].給水排水，2012(3):97-99.

[7] 邢士波.PCCP管材中預(yù)應(yīng)力鋼絲腐蝕分析與探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013(19):45-57.

[8] 李金瑞，胡孝民，楊鐵占.在寒冷地區(qū)存放使用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管易被忽視的問題[J].混凝土與水泥制品，2013(10):28-30.

On importance of external corrosion prevention measures of buried water-supply PCCP

Liu Xuefei

(MCCCapitalEngineering&ResearchIncorporationLimited,Beijing100176,China)

From the corrosion damage of cement and sand layer and steel corrosion damages, the paper analyzes the main reasons for buried water-supply PCCP pipeline corrosion, explores PCCP corrosion prevention measures, points out measures to improve the cement mortar and concrete quality, coat external corrosion prevention layer, and cathodic protection, and points out PCCP pipeline can be used in large-scale water-supply project with larger pipe diameter and higher water supply volume, so it is important to improve the durability and safety.

PCCP pipeline, corrosion, damage, importance

1009-6825(2015)07-0116-02

2014-12-15

劉雪飛(1980- )，女，工程師

TU991.36

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