李 江，杨辉琴，何向国，马 军
（1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；
2.新疆寒旱区水资源与生态水利工程研究中心，新疆 乌鲁木齐 830000；
3.河南灿加防腐保温工程有限公司，河南 郑州 450001）
钢管（SP管）是石油、燃气、水利行业中应用最广泛的管材，而大口径预应力钢筒混凝土管（PCCP 管）在输水行业应用也极为普遍。近年来随着区域水资源配置工程、长距离引调水工程、城乡一体化供水工程的建设，在大口径管道方面，SP、PCCP管与化学管材相比较因其优异的抗内外压能力、加工制作便利、连接形式多样成为上述工程的首选管材。但SP 管和PCCP管中的内衬钢筒、预应力钢丝等都属于金属，金属材料和周围介质接触时所发生化学或电化学反应而引起的腐蚀却是金属材料本质特性。SP、PCCP 管除了采用内外防腐材料对管壁进行涂装以外，还需要考虑如何消除或减弱水、土壤侵蚀的影响，即管道的设计采用“内抗+外防”的防护手段。所谓“内抗”，即采用涂层进行内外涂装，SP 管过去采用三布五油、3PE、浸塑等方式，现在多用内外涂塑；
PCCP 管的持力层预应力钢丝喷涂高标号砂浆+外壁涂刷环氧沥青等方式，其目的是通过涂装层提高管道内外壁的抗侵蚀能力，延长管道使用寿命；
所谓“外防”，即采用其他手段如阴极保护、管道外加装塑料套管、管周土换填或采用两布一膜土工布隔绝与外界侵蚀性环境接触等提高管道抗侵蚀能力［1］。
由于运行环境的变化、涂装层材料的老化、失效，管材自身粗制滥造等，管道运行后产生裂缝、破损就不可避免，从而导致发生爆管、泄露等事故，有的教训极为深刻、代价极为惨重［2］。如“新疆某供水与生态建设工程”建设时国内对PCCP 管的防腐蚀设计要求不高，而管线地基土腐蚀性较强且当地地震频发，造成管线建成通水后爆管时有发生，影响当地生产、生活用水；
又如2013年11月22日，中国黄岛输油管道爆炸事件，事故共造成62 人死亡，136 人受伤，直接经济损失7.5 亿元，事后查明事故发生的直接原因是输油管道与排水暗渠交汇所处区域土壤盐碱和地下水氯化物含量高，导致管道加速腐蚀减薄、破裂，造成原油泄漏，进一步导致爆炸事故。
近年来，新疆实施的多个引调水工程、城乡一体化供水工程，除了在管材上考虑“内抗”措施以外，普遍都重视和关注管道的“外防”问题，采用阴极保护成为首选。而阴极保护的有效性、与管道SCADA系统嵌入的智能化管理都成为关注焦点。
图1 新疆某供水管道破裂爆管现场Fig.1 A water supply pipe burst site in Xinjiang
图2 黄岛输油管道爆炸现场Fig.2 Explosion site of Huangdao oil pipeline
1.1 新疆复杂侵蚀环境
新疆特有三山夹两盆的地理环境和地形地貌，使高浓度的酸碱盐离子在冲洪积平原的中下部及沙漠边缘聚集，特别是水土中Cl-、SO42-、HCO3-、侵蚀性CO2不同程度存在，如准噶尔盆地天山北缘山前冲洪积扇11-12月地下水中的SO42-离子含量1 134～15 129 mg∕L，Mg2+离子含量175～1 057 mg∕L，矿化度3.20～31.24 g∕L；
在4-5月地下水中的SO42-离子含量565.9～30 595 mg∕L，Mg2+离子含量83～2 203 mg∕L，矿化度1.43～102.8 g∕L；
1.0～5.0 m 以内，土层中的含盐量2.11%～10.4%（高含盐部位一般在2～2.5 m 或地下水位以上），Na2SO4含量0.36%～1.49%，属硫酸盐中－强盐渍土，造成管道或混凝土构筑物的外部腐蚀。
1.2 金属管道腐蚀
根据有关资料，正常的埋地金属管道的年腐蚀速度为0.2～0.4 mm，但在发生局部腐蚀或干扰腐蚀的情况下，壁厚8～9 mm钢管2～3个月就可能穿孔渗水。同时由于输送原水中含有泥沙或侵蚀性离子还会造成管道内腐蚀。新建工程的管道内壁一般比较光滑，但随着运行时间的增加，管道内壁尤其是钢管内壁由于腐蚀导致粗糙系数急剧增大，深圳水库一条1961年建成的DN1400 对香港供水钢管，1964年检查时发现其内壁已严重瘤化，实测管内壁糙率n值竟达0.017 71，为原设计值（0.012）148%，严重影响管道输水能力。新疆罗布泊钾肥外部供水一期工程钢管段土壤侵蚀环境极其恶劣，采用三布五油作为外防腐，同时辅以阴极保护，维护工作量较大［3］。长期腐蚀可以破坏管道的受力结构，发生事故危及工程安全，是影响管道长期运行安全的首要问题，通过采用阴极保护技术可有效解决管道腐蚀问题。
2.1 阴极保护的原理
阴极保护是通过向被保护的金属结构物表面通入足够的阴极极化电流，金属表面电子富集而电位负移，阴极反应所消耗的电子由外部电路提供，从而使金属自身电化学腐蚀得到有效抑制。和别的防腐手段不同的是，它是通过对腐蚀反应进行积极的干预，从根本上抑制电化学腐蚀的发生，因而保护效果彻底和有效。
2.2 阴极保护方法
根据提供保护电流的方式不同，阴极保护可分为牺牲阳极和外加电流两种方法。前者是将一种比被保护金属更活泼的材料（牺牲阳极）与被保护金属结构物件电性连接，通过这种金属的溶解消耗来提供保护电流［4］。后者是将外部交流电转变成可控低压直流电，通过专门的辅助阳极经由介质向金属结构物提供保护电流。
2.3 腐蚀性评价
依据岩土工程勘察规范GB50021-2001，分析水、土对钢管和对混凝土结构的腐蚀性评价，应符合表1与表2的规定。
表1 土对钢结构腐蚀性评价Tab.1 Corrosion of soil to steel structures
表2 水和土对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价Tab.2 Corrosion of steel in reinforced concrete by water and soil
2.4 阴极保护技术研究及应用
埋地钢质管道阴极保护技术的应用，国外已有80多年的历史和实践经验，国内也有四十年的历史。美国政府在《联邦规程》法规第39号192部分中规定：“在1971年7月31日以后安装的埋地管线，除特殊情况外，必须安装阴极保护系统，以保证管道的安全。”
美国NACE 标准《地下或水下金属管线装置的外部腐蚀控制》中规定：“凡地下或水下的钢、铸铁、铜、铝管线装置，只要有腐蚀就必须采用防腐蚀涂层与阴极保护的防腐蚀措施。”除此之外，日本、前苏联、英国、德国等工业发达的国家都明文强制性规定：“禁止使用未加阴极保护而只有防腐涂层的地下金属管道”。
我国《室外给水设计规范》GB50013-2018第7.5.2条规定了当金属管道敷设在腐蚀性土中以及电气化铁路附近或其他有杂散电流存在的地区时，应采取防止发生电化学腐蚀的外加电流阴极保护或牺牲阳极的阴极保护措施。
《埋地预应力钢筒混凝土管道的阴极保护》GB∕T28725-2012 第4.1 条：按国标50021 规定的环境对混凝土中钢筋、钢结构的腐蚀性评价为中、强等级时，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［5］。腐蚀性评价为弱腐蚀等级时，宜采用阴极保护［6］。
3.1 阴极保护设计指标
根据《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB∕T21448-2017，阴极保护准则的要求：
（1）管道的所有保护部分都极化到相对于铜∕饱和硫酸铜参比电极-850 mV 或更负的电位。这一电位应是剔除IR 降后的电位。
（2）为防止防腐层损坏，避免析氢有害影响，管道上相对于铜∕饱和硫酸铜参比电极阴极保护临界电位（不含IR 降）不应负于-1 200 mV。
（3）对于在高电阻率的土壤里埋设的管道，可采用比相对于铜∕饱和硫酸铜参比电极-850 mV 更正的电位准则，例如：土壤电阻率100＜ρ＜1 000 Ω·m 的情况，可采用保护电位-750 mV；
土壤电阻率ρ≥1 000 Ω·m的情况，可采用保护电位-650 mV。
（4）作为上述保护电位准则的补充，可采用相对于腐蚀电位最少100 mV 的阴极极化，这一准则适用于极化的形成与衰减过程。
3.2 阴极保护方式与数量选择
对于埋地PCCP 管道，国内外一般采用棒状锌合金阳极或者带状高纯锌阳极对预应力钢丝进行保护，辅以PCCP 专用极化探头测量保护效果［7］。
对于埋地钢管，依据《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB∕T21448-2017，可采用牺牲阳极法、强制电流法或者两种方法结合的方式，应视工程规模、土壤环境、管道防腐层绝缘性能的因素，经济合理的选用。一般认为牺牲阳极法适用于电阻率低的土壤、水、沼泽或湿地环境中的小口径管道或距离较短且带有优质防腐层的管道。
阴极保护的数量计算，可以参考《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB∕T21448-2017 和《埋地预应力钢筒混凝土管道的阴极保护》GB∕T28725-2012，考虑到新疆地区普遍干旱、电阻率较大的特性，一般选择规格型号较大的直流电源。
3.3 典型阴极保护案例
目前，新疆长距离供水工程中涉及电化学腐蚀和含金属材质的管道都在实施阴极保护技术。喀什地区一市两县安全饮水工程、伽师城乡安全饮水工程、罗布泊钾肥供水工程、柯坪县城乡安全饮水工程等项目中的钢制管材及准东供水二级管网、JK 供水工程的PCCP 管道都采用了阴极保护技术，总实施长度达到了数千千米，并且运行效果良好。
3.4 典型工程效果评价
从表4典型长距离输水工程阴极保护电位保护及运行情况统计数据可以看出，4个典型案例中，有个别检测点的电位未达到-0.85 V，但满足保护度大于85%的要求，阴极保护运行良好，保护效果满足设计及标准规范的要求。
表3 新疆长距离输水工程阴极保护工程典型案例Tab.3 Typical case of cathodic protection in long-distance water conveyance project in Xinjiang
表4 新疆典型长距离输水工程阴极保护电位保护及运行情况统计Tab.4 CATHODIC protection potential protection and operation statistics of typical long-distance water conveyance projects in Xinjiang
4.1 远程采集及传输数据失真
由于现场施工保护不到位导致人为破坏探头，以及采集和远程传输装置、接线门不能准确合拢水气进入导致元器件受潮、智能采集装置安装位置信号源不足。
针对以上问题，具体解决方案为施工过程中对探头和采集以及传输装置加以特别保护，并安装警示标识，同时尽量将这些装置安装于阀井等结构物处，以减少外来破坏。
采用IP65防水防尘等更高的防护等级，提高出厂产品的加工精度。
在允许的范围内，通过手机信号初步判断安装位置，如果实在由于移动手机信号源不足，可以考虑采用光纤等有线传输方式。
图3 喀什地区一市两县阴极保护测试桩Fig.3 Cathodic protection test piles in one city and two counties of Kashi
4.2 阴极保护设施与钢管连接对涂塑等防腐层的破坏
无论是外加电流技术还是牺牲阳极技术，都需要通过电缆与钢制管道施行电性连接，难免对成品的管道防腐层造成人为破坏。
解决方案为电缆与管道的焊接位置避免在焊缝两侧150 mm 范围内，并且在焊点做防腐密封，施工方法是首先彻底清除焊渣，在焊点处涂敷足量的热熔胶进行密封，然后用专用补伤片进行补伤，补伤片是由辐射交联聚烯烃基材和特种密封热熔胶涂层复合而成，在施工时加热熔化胶层，粘贴破损管道表面，与原管道防腐层形成连续、紧密的防腐体系，可以抵抗土壤应力，抗静水压力，抗阴极剥离，抗化学腐镞蚀和霉菌侵蚀等多种腐蚀行为。
图4 喀什地区一市两县深井阳极Fig.4 Deep well anode in one city and two counties of Kashi
4.3 PCCP阴极保护系统安装困难
PCCP 管阴极保护的对象是预应力钢丝，但预应力钢丝不能直接焊接，且预应力钢丝全部外包混凝土和环氧砂浆，无法焊接。
解决方案为在制管时沿管芯纵向安装两条约成180°的导电用薄钢带，薄钢带接触预应力钢丝的一侧，需要做圆弧过渡。每节PCCP 管在两端引出两条导电钢带，以供管道之间电性连接和安装阴极保护设施。
5.1 太阳能恒电位仪的应用
随着长输管线距离越来越长，阴极保护站在数量增加的同时也伴随着用电困难。由于新疆地区气候干燥、日照时间长，具备大规模使用太阳能恒电位仪的条件。太阳能恒电位仪阴极保护站作为一种典型的新能源阴极保护系统，具有可持续发展和绿色环保两大优势，同时还解决了户外长输管线阴极保护站电源的问题，对阴极保护技术具有更高的实用价值和研究意义。表5～7 为部分新疆长输管道项目太阳能恒电位仪运行状况。
表5 伽师城乡饮水项目太阳能恒电位仪运行情况表Tab.5 Operation of Solar Potentiostat in Peyziwat County"s urban and rural drinking water project
5.2 新型广谱合金阳极的开发
牺牲阳极的发展随着阴极保护重视程度的加深在不断扩展［8］，牺性阳极材料也由早期的单一的纯金属发展到今天的合金阳极。目前新型合金化又将是未来牺牲阳极的发展方向，新型广谱的合金阳极，既能适用于普遍的环境，还具有高的电流效率特点并正在向智能化方向转变。克服传统Mg 合金阳极的电流效率低，Zn 合金阳极适用于低电阻环境的缺点［9］，智能化的阳极可以根据被保护体对电流的需要的变化，实现自我调节。目前出现的新型复合阳极，已经有了一定的自我调节性能，这种阳极的出现，代表了未来牺牲阳极发属的趋势，市场也需要智能化的牺牲阳极的出现，以实现长寿命绿色发展的需要。
表6 喀什“一市两县”饮水项目设备及运行情况表Tab.6 Equipment and operation of drinking water project in one city and two counties in Kashi
表7 柯坪县城乡饮水项目设备及运行情况表Tab.7 Facilities and operation of urban and rural drinking water projects in Kalpin County
另外解决屏蔽问题将是辅助阳极材料的发展方向。辅助阳极的发展主要在于阳极的结构上，如网状阳极和柔性阳极打破传统的棒型、条型的设计思维。今后新型结构的阳极将会进一步发展，通过阳极结构的发展，解决复杂环境下的屏弊问题应该有比较好的发展空间［10］。
5.3 阴极保护与防腐层的联动和兼容
管道腐蚀控制系统是由阴极保护系统和防腐层系统共同组成的，二者相互影响。阴极保护系统可以为防腐层漏点管道提供保护，同时防腐层电阻率也会反过来影响到阴极保护系统的保护能力［11］。随着管道阴极保护技术的发展，阴极保护与防腐层的兼容性将越来越受到重视。
目前，在外涂防腐层与阴极保护兼容性方面主要存在两个问题：①阴极保护系统的较小电流是否能够对防腐层漏点提供有力的保护；
②外涂防腐层与管道一旦剥离，水进入管道剥离层内，防腐层就会屏蔽阴极保护电流，导致管道保护失效［12］。因此未来还需要围绕这些回题来研究防腐层与阴极保护兼容性技术，通过大量的数据统计和分析对防腐层的失效情况进行研究和实践，不断提高阴极保护与防腐层之间的联动性和兼容性，优化和完善管道腐蚀控制系统。
5.4 智能监测系统的研发
长距离管道阴极保护的难点是距离长、地理环境复杂、人工数据采集慢、不够精准，导致整个管道腐蚀监测和腐蚀评价不够准确［13］。基于目前通讯手段、数据传输等领域的高速发展，结合传感器、电子技术、无线通讯技术、互联网技术、计算机软件技术，把阴极保护数据的采集、传输、显示、监控、存储以及数据比对和远程控制等工作交给系统，可进一步提高可靠性和实效性。
SCADA 系统，全名为数据采集与监视控制系统，典型采集方式是采用RTU 或FTU 等，阴极保护数据采集系统与之类似，只要在SCADA 系统内按照采集仪的通信协议（TCP∕IP）数据格式编写相应的软件，解析采集仪上传的数据，进行存储、监控等操作即可。另一种方式就是由SCADA 系统访问和调取阴极保护数据采集系统的数据库进行监测，具体视情况而定。
GIS 阴极保护可视化监控管理，是将管道监测点的地理信息及阴极保护相关监测数据集合到 GIS 地理信息系统平台，并通过分析图表、数据统计等的直观实时展示，达到牺牲阳极输出电流和阴极保护电位的在线实时输出、监测，还可进一步实现对阴极保护设备进行远程操控［14］。
阴极保护数据在整个大环境、大系统中只占小部分数据量，但又是运行安全必不可少的数据［15］。在不久的将来，以互联网物联网技术为基础，阴极保护数据平台可全面融合腐蚀控制的绝大多数传感器，采用人工智能技术，自主调节管道阴极保护的电位数据，大数据指导管道保护安全运行的经验性操作；
数据传输将采用更为高速的5G 或卫星通信，使管道腐蚀控制更为科学、更为安全。
图5 伽师城乡饮水工程自动化监控系统Fig.5 Automatic Monitoring System for urban and rural drinking water projects in Peyziwat County
图6 柯坪县城乡引水项目远程监控系统Fig.6 Remote Monitoring and control system for Kalpin County"s urban-rural water diversion project
金属腐蚀是影响长输管道安全运行的一个重大因素，特别是在新疆这样严苛复杂的地理环境下对管道运行的要求就更为严格。在新疆长距离输水管道工程中，发生过对腐蚀机理认识不清而产生的管道安全问题，如金属管道外有覆盖层保护就不考虑做阴极保护、PCCP 管只注重外覆砂浆和环氧煤沥青涂层而未考虑增加阴极保护措施或过杂散电流区未考虑排流问题等［16］，都发生过严重事故，影响了工程的正常运行，造成了重大的经济损失，教训是十分深刻的。目前，新疆长距离引调水工程中的钢管（包含涂塑、3PE 管道）、PCCP 管只要涉及到腐蚀性环境，基本都要求进行阴极保护设置，同时也紧跟信息化、智能化发展要求在工程中逐步开展管道监测工作，其中包含阴极保护运行数据监测工作，但目前离智能化运行管控还有一定差距，大力开展阴极保护新技术应用及运维管理，同时利用新疆得天独厚的光热资源开展环保设备研发，是今后新疆长距离输水管道工程阴极保护的研究方向之一。
图7 物联网技术为基础的阴极保护应用前景Fig.7 Application prospect of CATHODIC protection combined with Internet of things technology
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