云南昆钢建设集团有限公司云南昆明650302
摘要：随着我国城市化进程的不断推进，市政工程得到了快速发展，大型市政项目对于长输管线管网的安全可靠运行要求越来越高。埋于地下的钢制管道的腐蚀问题一直是个施工、运营维护难题，必须进行腐蚀控制以及防腐保护工作，以确保管道系统的安全运行，从而延长管道的使用寿命，以避免不必要损失和不良影响。
关键词：阴极保护；市政工程；长线输水工程；腐蚀；施工
1输水管道腐蚀原因及阴极保护的必要性
1.1腐蚀原因分析
虽然钢制管道、管件设计时均采取各种涂层防腐措施可以有效的阻止有害物质的侵入，从而保护钢管或管件不受腐蚀。然而由于钢管在生产、运输、贮存、安装过程中，难免造成其涂层物理阻隔破坏以及涂层保护自身存在的缺陷（比如针孔的存在），从而使钢管或管件暴露于腐蚀环境中，这些缺陷的存在导致大阴极小阳极的现象，使得涂层破损处腐蚀加速，引起管道外壁、焊缝等位置锈蚀导致钢制管道爆管、泄漏等危害。
1.2阴极保护必要性
由于地下水的侵蚀，会使管道的结构及性能遭到破坏。对于钢管来说，由于遭到腐蚀，其厚度将减小，同时由于表面腐蚀，钢管防腐保护层会脱落，管道分层后结构遭到破坏，管道的承压能力将遭到破坏，如果工作压力超出其承受范围，势必产生爆管、泄漏等事故。
自然界中大多数金属存在的方式是化合状态，通过冶炼被赋予新的能量，然而金属固有本性是回归自然状态，当金属与其周围电解质发生反应，并使其由原子状态变成离子状态，这个转变过程就称为“腐蚀”。每一种金属都会产生一定的腐蚀电位，其中失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区，由于失去电子受到腐蚀，而得到电子受到保护。因此，要想延长管道使用寿命，就必须采取相应保护措施，在实践中常采用阴极保护。
长输管道输送的多为石油、天然气、水、矿浆等重要自然资源，其对社会经济及人民群众的生命财产安全影响巨大。又因其多埋设于地下，其力学性质、结构变化不易被察觉和发现。因此，长输管道的防腐保护，应该引起广大工程建设者和运行管理者的重视。
1.3阴极保护在钢制管道中的作用
阴极保护原理具体来说是将还原型较强的金属作为保护级，增强钢表面的碱性，维持其钝化状态，进行阴极保护后，金属表面就会产生如下反应:O2+2H2O+4e→4OH-，而其中反应物H-促使碱度升高，从而使得表面钝化状态得以保持。
2阴极保护技术原理
针对埋地管线的阴极保护技术目前主要分为外加强制电流阴极保护技术和牺牲阳极阴极保护技术。其原理结构示意图如下图1和图2。外加强制电流阴极保护技术由外部的直流电源通过辅助阳极向被保护的埋地钢管施加阴极保护电流，使之阴极极化，达到保护目的。牺牲阳极阴极保护技术由一种比被保护的埋地钢管电位更负的金属或合金与被保护的埋地钢管连接所构成。在土壤及地下水所形成的电解质作用下，牺牲阳极因较活泼而优先溶解，释放电子供被保护的埋地钢管进行阴极极化，实现对被保护的埋地钢管的保护。
通常来说，外加强制电流阴极保护技术具有输出保护电流大、输出电流连续可调、保护范围广、受环境电阻影响小、保护系统使用寿命长等优点，但存在维护管理工作量大、对非保护邻近其它金属构件干扰大等缺点。牺牲阳极阴极保护技术具有不需要外部电源、对邻近非保护钢结构干扰小、保护电流分布均匀等优点，但存在着对环境土壤电阻率较敏感、保护电流不能调节、消耗宝贵的有色金属资源等不利因素。实践中常采用牺牲阳极阴极保护方式。
3安装施工技术要求
3.1钢管防腐涂层
防腐涂层与阴极保护技术相结合是目前广泛采用的腐蚀控制技术。良好的涂层不仅能大大减少阴极保护所需的保护电流密度，还能有效改善阴极保护电流分布，延长阴极保护系统的使用寿命。
根据钢管安装位置，钢管外涂层涂装不同结构的防腐涂层：直接埋地管线外壁采用喷砂除锈达Sa2.5级，表面涂装总干膜厚度为500μm的环氧涂层；顶管外壁采用喷砂除锈达Sa2.5级，表面涂装总干膜厚度为800μm的无溶剂高强度环氧涂层，增加表面耐磨性能；明管外壁采用喷砂除锈达Sa2.5级，表面涂装干膜厚度为60μm的环氧富锌底漆，干膜厚度为120μm的环氧中间漆和干膜厚度为70μm的聚氨脂面漆；外包混凝土钢管外壁采用喷砂除锈达Sa1级，表面涂装水泥漆。
3.2阴极保护电流密度
牺牲阳极阴极保护技术最基本的参数是阴极保护电流密度，其大小取决于管道涂层的防腐性能和沿线土壤腐蚀性的强弱。根据管线沿线土壤电阻率及土壤性质，结合工程的防腐涂层设计，根据《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001,2009年版)，当土壤的视电阻率＜20Ω•m时，对钢管具有强腐蚀性；当视电阻率为20～50Ω•m时，对钢管具有中腐蚀性。综合分析，此类土壤对钢管有中到通常土壤腐蚀性较弱的部位，阴极保护电流密度选取0.4mA/m2左右；土壤腐蚀性极强的部位，阴极保护电流密度选取0.75mA/m2。
3.3牺牲阳极材料及规格
目前广泛采用的牺牲阳极材料主要为铝合金牺牲阳极、锌合金牺牲阳极和镁合金牺牲阳极，阳极材料的选择的基本原则可参考下表1。从适用范围看，铝合金牺牲阳极主要用于海水介质;锌合金阳极应用范围相对较广，既可在海水、海泥中应用，也可应用于含氯离子土壤和其它低电阻率土壤中；镁合金牺牲阳极主要应用于土壤介质中，尤其是高土壤电阻率介质中。根据工程沿线土壤电阻率情况，同时为保证全线牺牲阳极材料的一致性，工程选用牺牲阳极材料为镁合金牺牲阳极。根据相关标准，埋地镁合金牺牲阳极规格有4kg、8kg、11kg、14kg、22kg等规格。一般情况下，土壤电阻率高宜采用小规格阳极，土壤电阻率低宜采用大规格阳极。阳极规格的选择可参考下表2：
3.4牺牲阳极安装
牺牲阳极的安装主要确定阳极组的安装间距和每组阳极的支数。为减少牺牲阳极的安装对涂层的破坏，阳极组的安装间距应尽量远。土壤电阻率小于100Ω•m时，阳极组的安装间距控制在50m左右，土壤电阻率大于100Ω•m时，减小阳极组的安装间距。
特殊位置的牺牲阳极安装如下：在高压线塔处，牺牲阳极安装位置应尽量选择高压线塔的接地体处，并将阳极置于高压线塔接地体与钢管之间。当高压线塔对地放电时，可尽可能避免高压线塔接地体直接对埋地钢管放电而破坏钢管本体及防腐层。由于顶管段一般无法安装牺牲阳极，可根据顶管长度，在顶管两端适当增加牺牲阳极的安装数量，并注意顶管与主管线的电连接。架空管桥应注意钢管与其它外来钢结构的电绝缘，避免阴极保护电流流失，注意控制管桥两端的牺牲阳极埋设位置与数量。
4阴极保护的检测与维护
4.1自动化监测
采用探头断电法(GB/T21246中5.9条)测量输水管的保护电位，并利用探头上的自腐蚀试片(钢筋)测量该处的自然电位。测试项目通常有管道通电保护电位、自然电位、管道开路电位、极化电位差、交流电压、输出电流、土壤电阻率等。
4.1.1通电保护电位
通电保护电位是反映保护效果的重要指标，根据NACERP0100-2004标准，在输液管道阴极保护系统正式投入运行后，管道的极化电位差不应小于100mV；最低负电位不应负于-1000mV(CSE，去IR降)，根据所测数据结果分析，均符合标准。
4.1.2自然电位
依据美国ASTMC876标准，通过不锈钢输水管的自然电位值可以判断钢管腐蚀的可能性(见表3)。并根据监测结果采取对应防治措施。
4.1.3极化电位差
极化电位差是以阴极保护实施前的自然电位与阴极保护稳定后输水管极化电位之差表示。根据NACERP0100-2004阴极保护标准中规定的：极化电位需满足正于-1000mV(相对于CSE)和极化值≥100mV的两个定量指标。
4.1.4干扰交流电压
根据GB50698—2011标准规定，管线的交流电压不得超过4V。
4.2人工巡检
管道阴极防腐的主要管理工作就是加强日常维护中的巡检工作。人工巡检的工作内容是：利用工程建设时预设的电位测试桩，测试埋设管道的保护电位和开路电位。如果保护电位升高超过-0.85V，说明管道内的钢筒和预应力钢丝已开始腐蚀。此时需要尽快重新补充牺牲阳极，鉴定管道腐蚀程度，更换管道并加强监测。人工巡检是一项长期工作，但其对保障管道安全有着十分重要的作用，因此，需要工程运行管理者高度重视。
5前景
输水管道的阴极保护，已在国内外得到了广泛的应用。利用阴极保护原理解决埋地金属管道（钢构件）防腐的问题，有着广阔的前景。阴极保护的防腐方法，具有长期防腐的优点，即使定期更换镁阳极的工艺过程也不复杂，操作简便，透明度高，只要测定回路电流强度、电压、电阻和观察镁阳极的损失情况就能发现金属构件的腐蚀情况。避开地下、水下防腐操作带来的技术和施工难题，也避免了管道（钢构件）保护层脱落需要关闸停供水重新修补带来的损失。因而，阴极保护的防腐不失为一种简捷、经济有效的防腐途径，它的推广应用仅仅是个时间问题。
参考文献
[1]宋放.大型输水工程PCCP管道阴极保护浅析[J].水利建设与管理,2015,(04):61-64.
[2]栾俊亮.阴极保护在长兴岛临港工业区二期供水工程输水钢管中的应用[J].山西水利科技,2014,(04):7-8+14.