PCCP管道防蚀技术简介

PCCP管道防蚀技术简介PCCP制作是由预应力钢丝、钢筒、混凝土构成的复合管材；它是在带钢筒的混凝土管芯上，环向缠绕预应力钢丝，最后在管外部施喷水泥砂浆保护层而制成的。PCCP组成：高强度混凝土管芯；抗渗钢筒；冷拉预应力钢丝；水泥砂浆保护层；钢制承、插口接头。•预应力钢筒混凝土管(PCCP)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1-2mm，О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，管材承受内水压力高、埋土深度大，承受内水压力可达2-3MPa，最高可达5MPa；•⑤钢筒在混凝土的包裹之中，处于钝化状态，减缓腐蚀，管体之间的钢筒端部容易用导线电连接，施加阴极保护更方便；•⑥管材的管件配套齐全、简便、可靠。而不依赖大量金属配套管材转换，既方便、可靠，又节省造价；•⑦管材属非金属管材，埋于土壤中定位容易。原因Causes:−钢丝质量差Poorwirequality.−制造缺陷Manufacturingdeficiencies.−安装损坏Installationdamage.−腐蚀性土壤Corrosivesoils.−杂散电流Straycurrent.−操作不当Operationalconsiderations.PCCP管的失效FailureofPCCP•PCCP管的寿命应是多少：•——AWWA认为100年•——国内设计寿命为50年•在PCCP管的失效原因中，有些可以通过选材、制造过程中的质量控制、最佳的运行和管理来得到改善。•关于腐蚀问题，是今天的主题：•——混凝土的腐蚀•——PCCP管中钢构件的腐蚀ExternaldistressatStation112+70.LongitudinalcrackatStation88+10.ExternalcoatingcrackatStation88+10.BrokenprestresswirebeneathcoatingcrackatStation88+10.PipeRupturePipeRupture•美国，1942-2006年的65年中共发生了399次爆管事故（数据来自AWWARF4304报告“PCCP的失效破坏”）。•在墨西哥、南非、沙特阿拉伯也出现了PCCP爆管。•利比亚大人工河工程一期投入使用后，6年间发生5起爆管，均发生在没有阴极保护的腐蚀性弱的地带。•中国没有这方面的统计，但已知有多起爆管事件发生。•引自王五平《大型调水工程PCCP爆管预警及风险管理技术》什么是金属腐蚀？ISO《腐蚀》定义：金属与环境间的物理-化学相互作用，其结果使金属的性能发生变化,并常可导致金属、环境或由它们作为组成部分的技术体系的功能受到损伤。注：该相互作用通常为电化学性质。（见GB/T10123-2001）①氧化铁②高炉③酸性转炉④管子轧制⑤钢管⑥管线腐蚀⑦氧化铁提炼过程腐蚀过程热力学规律:材料总是趋向于最低能量状态存在金属为什么会发生腐蚀？混凝土中钢筋为什么不腐蚀？•混凝土及其砂浆保护层隔离腐蚀介质；•水泥水化过程产生氢氧化钙，孔隙液给钢筋提供了高碱度的工作环境（pH12.6)，在这种条件下钢筋表面形成20～100Å的钝化膜，这个膜抗腐蚀•不腐蚀的条件是钝化膜不破坏，孔隙液不污染。混凝土中钢筋为什么会腐蚀？•钝化膜的破坏：土壤中的强酸性、地下水的流动和渗透、溶解氧的存在、土壤中腐蚀离子的活动等。•钢筋中存在着电化学腐蚀条件，具有腐蚀原电池的作用的所有因素。•所以腐蚀不可避免，必须防腐蚀钢筋腐蚀过程•钢筋腐蚀，其产物体积要比钢本身大2～4倍，产生膨胀应力高达30MPa，致使混凝土开裂，直至剥落。•钢筋腐蚀结果，破坏混凝土结构，导致钢筋截面减小，承载能力下降，最终导致爆管。爆裂后的管道AWWAM9混凝土压力管道对环境的考虑（第12章）•氯化物1000ppm(湿),150ppm(干湿)•杂散电流要采用牺牲阳极排流•硫酸盐2000ppm，5000ppm•强酸环境pH5•二氧化碳要防碳化PCCP管腐蚀机理•腐蚀主要是电化学形式•影响因素有：•1氯化物的作用•2氧的作用•3钢筋本身的因素•4混凝土的因素氯离子、碳化造成的腐蚀（1）氯离子、碳化造成的腐蚀（2）预应力钢筋和钢筒间的腐蚀电池预应力钢筋不同位置处的腐蚀电池碳化引起的钢筋腐蚀不同土壤引起的腐蚀电池充气差异腐蚀（1）充气差异腐蚀（2）Concretee-e-AnodeCathodeFe2+OH-2OH-+O2+4e-4OH-FeFe2++2e-Concretee-e-AnodeCathodeFe2+OH-2OH-+O2+4e-4OH-FeFe2++2e-钢筋的腐蚀过程阳极:钢筋中的腐蚀区域阴极:钢筋中未腐蚀的区域电解质:潮湿混凝土导体:钢筋、绑筋典型的宏观腐蚀图CathodeAnode2OH-+O2+4e-4OH-Fe2+Fe2+FeFe2++2e-典型的微观腐蚀图AnodeCathodeAnodeCathodeRebarRebar腐蚀发生的必要条件•阳极•阴极•电解质•电子/金属通道腐蚀发生在腐蚀电池中⑤沥青封闭⑥空位间隙⑦碳和二氧化锰混合物⑧碳棒①防护外壳②电解质糊（氯化铵和氯化锌）③锌④隔板⑨负极•阳极（锌）•阴极（石墨）•电解质（电解质糊、碳、氧化锰）•电子通路（外部回路）石墨-锌电池——腐蚀电池ASTMC867腐蚀判据指标•腐蚀可能性钢/混凝土电位•（去钝化）UCu-CuSO4（V）•10%：钝化，不腐蚀–0.20•不可预测–0.20～–0.35•90%：去钝化，可能腐蚀–0.35•严重腐蚀–0.50利比亚大人工河经验告诉我们什么：•英国BAC公司关于对利比亚大人工河DN4000的PCCP管（4000km300亿$)阴极保护项目的认识：•“大人工河管理局正在尽力确保所有已安装的PCCP管道接受阴极保护”；•“在最初安装时，根据实际的环境状况，一些PCCP管道采用了阴极保护，而另一些没有”；•“为了增加管道的寿命，大人工河管理局最后决定在所有管段补加阴极保护”。•MP/2005/4PCCP管阴极保护的必要性•利比亚大人工河管理局观点：•“在工程费用的观点上，管子覆土工程事先实施防腐工程的费用仅是事后工程费用的1/3，所以业主倾向于事前工程”•参见巨宇科贸有限公司《利比亚“大人工河”工程中防腐设施》利比亚大人工河Over4,000kmofPCCP利比亚大人工河项目DN4000的PCCP管PCCP管阴极保护的必要性•输往Madrid的PCCP输水管，长17,231m，最大输送量为3.8m3/s.•1987年8月，16kg/cm2下，局部开裂。•修复后在另一处，8kg/cm2下再次开裂。•不得不补加阴极保护•自然电位为-100--500mV，保护电位为-800--1000mV（CSE）。•沿线土壤电阻率为1000-7000Ω.cm；•阴极保护的费用为$70/m。•参见MP/MAY/1992美国加利福尼亚和平山谷管道预应力钢丝的断裂PCCP管阴极保护的必要性•钢筋自身的影响•不均匀性受力差异、钝化膜不连续性•氯化物的影响•氯离子破坏钝化膜•碳化的影响•空气中的CO2与混凝土中氢氧化钙作用•氧和水的影响•提供钢筋的腐蚀条件•见魏宝明《钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀与防护》PCCP管阴极保护的必要性•美国钢筋混凝土修复费用2500亿$/年；•加拿大如果对已破坏全部修复费用超过5000亿$;•美国钢筋破坏占55%，约为1500亿$；•中国腐蚀损失约为5000亿元/年（2003）；•采用阴极保护可减少损失。•洪乃丰《建筑腐蚀与可持续发展》•中国工程院院士候保荣指出：•2010年我国由于腐蚀所造成的经济损失超过了1.2万亿元人民币。•在结构新建时，如果节省了1元的腐蚀防护费用，在腐蚀刚发生时进行维护会花掉5元，在发生轻度腐蚀时进行修复需要25元，如果腐蚀严重威胁安全时，修复就需要125元，如果大家能够认识到这一点，在新建工程时舍得多花一点钱，其实更能省钱。•引自《腐蚀防护之友》2012年第1期，P40PCCP管阴极保护的必要性•在中国一般工程沿线的土壤电阻率：•均存在小于20Ω.m的；•多数土壤电阻率20-50Ω.m间；•对于土壤电阻率大于50Ω.m也会发生腐蚀，如同利比亚大人工河；•目前输水管道的环境与MP1992的腐蚀案例相类似。PCCP管阴极保护的必要性•在PCCP管的结构中预应力钢筋与钢筒相连构成了腐蚀电偶电池加速了钢筋的腐蚀•环境中含氯盐和硫酸盐情况很普遍•潮湿的混凝土是电的导电体•要实现PCCP管百年寿命，必须要采取防腐蚀技术，主要措施是阴极保护阴极保护必要性（上世纪国内预应力管腐蚀案例）•160年代，包头一条1400mm预应管全线报废，1960年敷设，1961年发现环向筋断裂，1962年大部分管子外表环筋有黄锈，12%的管子钢筋断裂。•2宁夏某扬水工程采用1200mm的预应力管，1975年敷设，1978年5月通水，仅第二年后管子发生第一次爆裂，到1982年9月共发生八次破坏事故。•3山西一输水工程，采用900mm的预应力管，1976年施工，1978年底试运行时，管子爆裂4次，到1982年底共爆裂17次。•4河南一条600mm，长8.5km的预应力管尚未通水就全部报废。•5山东一条1200的预应力管，1981年敷设，因钢筋断裂严重，一直无法投用。阴极保护的可行性•PCCP管的阴极保护在国外已应用多年，美国及欧洲制订了相关标准，如：•NACERP0100PCCP管的阴极保护•EN12696混凝土中钢的阴极保护•AWWAM9混凝土压力管道手册等。•NACERP0100现已修订为NACESP0100-2008阴极保护可行性•在国内埋地钢质油气管道早已采用了阴极保护技术，这些技术经历了探索期、成长期、成熟期等多个发展阶段，现在已制订了一系列的标准规范，对于埋地的PCCP管来说，其技术大同小异，完全可以借鉴。•GB/T28725-2012埋地PCCP管道的阴极保护标准颁布•GB/T28721-2012大气环境中混凝土中钢筋的阴极保护标准颁布•2012年SL预应力钢筒混凝土管道技术规范通过审查阴极保护的可行性•在国内，80年代的营口预应混凝土管道和2007年的北京PCCP管的阴极保护实践，为我们实施阴极保护提供了丰富的有价值的经验。•当前国内钢质管道阴极保护所用的材料设备完全可以满足PCCP管的需要，可大大缩短了PCCP管阴极保护的探索期。•埋地钢质管道的阴极保护检测技术可以直接移植到PCCP管上，检测方法、设备都可直接用到PCCP管阴极保护的领域。GB/T28725-2012标准的要求–按GB50021规定的环境对混凝土中钢筋、钢结构的腐蚀性评价为中、强腐蚀等级时，新建或已建PCCP管道，均应采用阴极保护，并在管道运行期间始终维持。腐蚀性评价为弱腐蚀等级时，宜采用阴极保护。已建的PCCP管道如果没有采用阴极保护，经检测、确认需加阴极保护时，应及时补加阴极保护。PCCP管道阴极保护的必要性确认见附录A。–新建PCCP管道的阴极保护工程应与主体工程同时勘察、设计、施工和运行。–在杂散电流地区，经确认需要采取排流保护措施后，阴极保护和排流保护措施应在PCCP管道埋地三个月内投入运行。预应力钢筒混凝土管道技术规范（第9章阴极保护）•9.1一般规定•9.2阴极保护准则•9.3阴极保护系统设计•9.4阴极保护系统安装•9.5阴极保护启动与调试•9.6阴极保护运行与维护•9.7阴极保护技术档案•引自2012年（送审稿）阴极保护技术简介•阴极保护原理•阴极保护方法•阴极保护准则•阴极保护设计•检测系统阴极保护原理向被保护金属施加阴极电流，使被保护的金属电极电位从原平衡电位向负偏移（阴极极化），并进入该金属的免蚀区，从而实现保护的目的。阳极阴极管线表面上的腐蚀电池阴极保护极化理论阴极阴极金属通路电解质阴极保护阳极应用阴极保护电流-.5-.6-.65-.6-.7-.