张 晴，谢立华

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 研究意义及背景

长距离输水钢管由于受到沿线地面的各种限制，大都埋于地下，容易受到微生物、土壤、地下水以及杂散电流的影响而腐蚀。输水钢管外壁一般采用涂料进行防腐保护，涂料的使用寿命有限，而埋地管道外壁重新防腐的难度较大，且输水管道使用寿命往往要求较长，因此，对长距离输水钢管实施阴极保护，可有效解决输水钢管的外防腐问题，从而延长管道的使用寿命。

嘉兴市域外配水工程(杭州方向)位于杭州市第二水源千岛湖配水工程的下游，起点为杭州市仁和节点，通过隧洞、管道、泵站输送千岛湖原水至嘉兴各受水厂，设计年引水量2.3 亿m3。[1]输水线路总长171.6 km，其中杭州段长23.1 km(全线盾构隧洞)，嘉兴段长148.5 km(盾构隧洞长1.7 km，其余全部为管道)。输水管道采用双管并行设计，管径DN2 200—DN600，管材为钢管和球墨铸铁管，其中管径DN1600以上选用钢管，其余为球墨铸铁管。输水钢管分为普通埋地钢管、钢顶管和钢筋混凝土顶管内置钢管，钢管内壁采用水泥砂浆衬里，外壁采用熔结环氧粉末防腐。

本文以嘉兴市域外配水工程(杭州方向)为依托，详细介绍长距离输水钢管的阴极保护设计过程。

2 阴极保护方式选择

管道阴极保护目前包含牺牲阳极法和强制电流法两种方式，各有优缺点，本工程最终采用牺牲阳极阴极保护，主要考虑到以下因素：

(1)工程主要位于富庶的杭嘉湖平原，输水管道沿途穿过部分城镇，外加电流法需要沿输水管道设置供电基站，征地成本较高。此外，管道沿线地下建筑物复杂，可能导致电流路径不可控，从而达不到预期的保护效果。

(2)输水管道多次与浙江省天然气管道及电气化铁路(高铁)交叉，外加电流法产生的杂散电流容易对这些天然气管道和电气化铁路等设施造成影响。

(3)本工程欲打造百年民生工程，外加电流法基站相关的电气设备寿命有限，需要长期维护，给运行管理带来了一定的麻烦。采用牺牲阳极法，一次性投入的阴极保护系统设计寿命可达50年。

(4)本工程输水管道沿线土壤电阻率低，牺牲阳极法比较适合应用在电阻率低的土壤里。

3 管道沿线土壤腐蚀性的初步勘察

土壤作为管道所处的腐蚀环境，其腐蚀性的强弱决定了管道所需要保护程度。土壤的腐蚀性主要由以下几项因素决定，包括土壤电阻率、土壤PH值、土壤氧化还原电位、土壤中氯离子等浓度、土壤含水量及杂散电流等。土壤环境腐蚀检测一般采用理化性能分析法，即在阴极保护整体方案设计前通过选择典型地段(共20个测点)，进行现场电阻率测试，随后对土壤取样后理化分析，另外，对可能产生杂散电流干扰的地区进行干扰排查，通过以上方式综合评价输水管道沿线土壤的腐蚀性强弱。[2]

(1)土壤电阻率

土壤电阻率是影响地下金属构件腐蚀的一个重要因素，土壤中的含水量、含盐量、松紧度、质地、PH值等均能对土壤电阻率产生影响，故土壤电阻率是反映某些土壤理化性质的一个综合指标，因此，土壤电阻率被普遍认为是重要的腐蚀指标之一。我国一般地区土壤腐蚀性分级标准[3](见表1)。

表1 一般地区土壤腐蚀性分级标准

本工程采用等距四极法[4]进行测试，将接地电阻测量仪的四个电极以等间距a布置在一条直线上，电极入土深度小于a/20，实际操作中a取6 m，将所测结果代入土壤电阻率计算公式进行数据处理，得到图1所示土壤电阻率分布图。

图1 测试点土壤电阻率分布图

从图1中可以看出，测试区域土壤电阻率集中在10～14 Ω·m之间，且大部分均低于15 Ω·m，所测区域土壤腐蚀性等级均为“强”，钢制输水管道在埋设区域土壤环境中易受到腐蚀。

(2)其它理化指标

土壤其它理化指标主要通过20个测试点土壤现场取样后在实验室测试，将测试结果与相关规范的腐蚀性评价标准进行对比，从而得到各单项腐蚀等级评价[5]。实验结果显示，土壤单项腐蚀因子测试结果大部分为“微”腐蚀性，部分为“弱”或“中”，但结合土壤电阻率评价方法，土壤综合腐蚀性应定为“强”级，对埋地输水管道进行阴极保护很有必要。

(3)杂散电流干扰排查

在长距离输水管道中可能产生杂散电流干扰的位置主要在石油天然气管线、电气化铁路及高压铁塔交叉或邻近地带。杂散电流分为直流杂散电流与交流杂散电流，其中石油天然气管线与电气化铁路可能对输水管道产生直流杂散干扰，高压铁塔可能对输水管道产生交流杂散干扰。对于在新建管道的设计阶段，主要进行直流杂散干扰排查。[6]本工程选取4处与天然气管线或高铁交叉的典型位置进行测试，测试结果表明，测试1号点(电位梯度为2～3 mV/m)与测试4号点(电位梯度为3～5 mV/m)杂散强度为“中”，测试2号点(电位梯度为10～12 mV/m)与测试3号点(电位梯度为15～20 mV/m)杂散强度为“强”，设计中应考虑杂散电流排流措施，并在管道铺设过程中沿线仔细排查可能存在的直流及交流杂散电流，从而定量考虑排流方案。

4 阴极保护工程的设计

本工程管道类型较多，主要有普通埋地钢管、钢顶管、钢筋混凝土顶管内置钢管及球墨铸铁管。由于球墨铸铁材料的耐腐蚀性强于碳钢材料，平均腐蚀速率是钢管的1/3～1/2，加上球墨铸铁管外壁涂料的防护，可以保证较长的使用寿命，因此，本工程主要针对钢管进行阴极保护设计。[7]阴极保护设计方法为传统计算与有限元仿真模拟相结合、施工过程中进一步优化调整的方法。

根据输水管道外防腐类型、设计使用寿命及防腐层绝缘电阻与阴极保护电流的关系，结合输水管道使用年限，借鉴国内外埋地钢制管道工程的成功案例，选择本工程普通埋地钢管段的阴极保护电流密度为0.3 mA/m2，顶管段的阴极保护电流密度为0.6 mA/m2。

在土壤中阴极保护所用的牺牲阳极材料一般采用镁合金或锌合金。镁合金阳极比重小，发电量大，对碳钢的驱动电位高，易于过保护，特别适用于作悬挂式或用于电阻率(50～100 Ω·m)较高的土壤环境。[8]锌合金阳极比重大，发电量小，对碳钢的驱动电位低，自腐蚀程度较低，常用于电阻率(<50 Ω·m)较低的土壤环境。从本工程土壤电阻率的测试数据来看，应优先采用锌合金牺牲阳极。

(1)普通埋地钢管牺牲阳极

图2为普通埋地钢管牺牲阳极的埋设示意图。普通埋地钢管采用管槽开挖后原状土回填的施工方法，双管平行铺设，管顶覆土深度为1.0～1.6 m，双管之间的净距为0.5～1.0 m，管槽开挖宽度为2.52～7.48 m。考虑到施工便捷性和造价经济性，采用棒状锌合金阳极组，即沿输水管道两侧等距设置阳极坑，将锌合金阳极包埋设在阳极坑内，通过电缆将阳极包与输水钢管相连，最后利用原状土将管槽进行回填。

①通过计算得到输水钢管所需锌合金阳极包的数量，并结合输水钢管的分节情况，最终确定锌合金阳极包的布设间距，阳极包最好布设在靠近管节连接处，因为电缆需通过加强板焊接到输水钢管上，焊接点宜在管节间环向焊缝附近，以免破坏管道的熔结环氧粉末涂层。

②电缆连接焊点应在输水钢管(环向)水平靠下的位置，有利于焊接施工操作，另外，电缆应沿输水钢管管壁向下布设至管底，回折后沿管底地面连接至锌合金阳极包，可以有效避免电缆在土壤回填的过程中被扯断的情况发生。

③电缆连接处应进行防腐和防水(高压绝缘胶带缠绕)处理，以防止电缆铜芯的自腐蚀。

④锌合金牺牲阳极包埋设后应灌水使填包料达到饱和。

图2 普通埋地钢管牺牲阳极埋设示意图

(2)钢筋混凝土顶管内置钢管牺牲阳极

当输水管道需要穿越高速公路、国道、省道及重要道路时，采用有钢筋混凝土顶管内置钢管的穿越方案。钢筋混凝土套管内径比钢管外径大0.6 m。在钢管做好阴极保护且铺设到钢筋混凝土顶管里面后，内置钢管与钢筋混凝土顶管之间采用充砂注浆进行填实，内置钢管式示意图(见图3)。

针对钢筋混凝土顶管内置钢管的施工特点，特采用带状锌合金阳极对钢管进行阴极保护。带状锌合金阳极沿管线方向紧贴钢管安装，每节管道安装4条(或2条，根据不同管径计算确定)带状锌合金阳极，通过等间距布置的环向尼龙绳将带状锌合金阳极与钢管固定。带状锌合金阳极通过焊接方式将其铁芯连接到钢管上，焊接点选择在管节间环向焊缝附近，以尽量避免对涂层的损伤。

图3 钢筋混凝土顶管内置钢管牺牲阳极方案示意图(仅示意单管)

(3)钢顶管牺牲阳极

图4为当输水管道需要穿越河道、建筑物或其它不方便开挖的地段(重要道路除外)时，采用钢顶管穿越方案。顶管管顶覆土厚度为3倍管径，顶管井采用沉井型式，相邻两顶管井之间的距离为84～870 m。

钢顶管阴极保护既不能等间距埋设棒状锌合金阳极，又无法贴管安装带状锌合金阳极，最终采用深井镁合金阳极组的保护方式，即根据顶管井间距，在顶管井旁设置若干口竖向阳极井，将8～12只镁合金阳极通过电缆串联成组后埋设到阳极井中，最后采用原状土进行回填的施工方案。该方案有以下几个问题需要说明：

①选用镁合金阳极作为深井阳极组的“原料”，是因为顶管井间距较大，需要保护的顶管长度相应较长，而镁阳极比重小、发电量大，特别适合串联成组后进行大范围的阴极保护。

②阳极井的设置数量与顶管井间距息息相关，具体要根据计算和有限元仿真模拟结果来确定，本工程阳极井数量与顶管井间距对应关系(见表2)。

表2 阳极井数量与顶管井间距对应关系表

连续无套管顶管段，阳极数量以两侧管道长度较长的一侧为准。

③阳极井中心与输水管道中心的距离为7 m，阳极井间水平及竖向距离也为7 m，具体位置根据现场情况可在2 m范围内调整。

图4 钢顶管牺牲阳极方案示意图

5 结语

本文对嘉兴市域外配水工程(杭州方向)输水钢管进行了牺牲阳极阴极保护设计，但在工程阴极保护设计前，需要对管道沿线土壤腐蚀性进行初步勘察，以论证设置阴极保护的必要性。在工程的阴极保护设计中应将传统计算方法与有限元仿真模拟相结合，以得到牺牲阳极材料最佳用量，在后期施工过程中应对管道沿线土壤腐蚀性进行详细复测，进一步优化完善设计方案。