CN104005032B - 预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测试探头和制备方法 - Google Patents

Abstract

一种预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测试探头，在水泥砂浆包裹体中设有处于阴极保护状态下的预应力钢丝试样、自然腐蚀状态的预应力钢丝试样、参比电极、辅助阳极、预应力承载框架、绝缘组件、连接件和多根电缆。本发明的优点是：本探头中的拉伸试样与PCCP的预应力钢丝材质相同，钢丝试样外包裹水泥砂浆与所模拟的PCCP外层水泥的牌号相同，拉伸试样与预应力钢丝埋深相同，能够模拟出PCCP中预应力钢丝所处的混凝土环境和承受一定的应力状态。通过测量可得PCCP预应力钢丝的自然腐蚀电位、阴极保护极化电位、腐蚀速率、极化特性等参数，从而对PCCP管阴极保护效果和运行状态做出评估。

Description

预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测试探头和制备方法

技术领域

本发明涉及阴极保护领域，具体为一种预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测量组元。

背景技术

自从1946年法国第一次将阴极保护技术应用到预应力混凝土结构上开始，几十年间，美国、阿根廷、秘鲁、澳大利亚、利比亚、西班牙、加拿大等国家对其进行了广泛的研究，并在许多预应力混凝土管道上采用了阴极保护，以便最大限度的减小PCCP（预应力钢筒混凝土管道）运行过程中预应力钢丝的腐蚀破坏，延长PCCP的使用寿命。

为了判断阴极保护效果，需要获得准确的测量数据，由于PCCP的结构特征，传统的钢质管道用测试探头无法测量得到钢丝的自然腐蚀电位，无法模拟出PCCP的混凝土环境，也无法模拟PCCP 中预应力钢丝承受一定的应力状态，因此无法满足PCCP 阴极保护测试的要求。

因此，随着PCCP的应用日益增多，PCCP阴极保护测试探头的开发也成为一项迫在眉睫的工作。

中国专利CN 102146566 A公开了一种预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测量组元，所述阴极保护测量组元为位于混凝土结构体中的三部分构成：第一个组成部分是处于阴极保护状态下的钢丝试件：测量组元被保护体；第二个组成部位是处于自然腐蚀状态下的钢丝试件：自然腐蚀体；第三个组成部分是长效硫酸铜参比电极。该发明参比电极都与钢丝试件共同处于混凝土环境中，所用的参比电极是经典的硫酸铜参比电极。

中国专利CN101738368 B公开了一种PCCP 阴极保护测试探头及测试方法，探头包括：混凝土结构体，模拟PCCP 管的混凝土芯；在混凝土结构体中设置彼此间隔开的处于无应力状态的第一钢丝、参比电极、辅助电极，结构体上缠绕处于应力状态的第二钢丝，第二钢丝所承受预应力大于或等于所模拟管中钢丝承受的预应力，第二钢丝与PCCP 预应力钢丝材料相同；多根电缆，包括第一钢丝电缆、第二钢丝电缆、参比电极电缆和辅助电极电缆，相应电缆的一端与对应第一钢丝、第二钢丝、参比电极和辅助电极分别电相连，而各电缆的另一端从混凝土结构体伸出；外护层，覆盖在混凝土结构体表面；所述混凝土结构体、第一钢丝、外护层均采用与所模拟PCCP 相同的材料。这种测试探头及测试方法，主要用于测量混凝土管钢丝（特别是PCCP 及钢筋混凝土结构预应力钢丝）的自然腐蚀电位、阴极保护极化电位、腐蚀速率、极化特性等参数。

现有技术存在的缺点是：

中国专利CN 102146566 A只解决了处于阴极保护状态下钢丝电位的测量，但是最大问题是测量的试件均不是一定预应力状态下的。由于预应力钢丝在自腐蚀状态下与不受应力的自然状态钢丝，在腐蚀电化学特征上仍然存在差异，尤其是腐蚀环境苛刻条件下，这种差异将更加明显。因此，这种方法只是对不受力的钢丝自腐蚀和阴极保护做出对比，无法真正模拟一定应力状态下钢丝腐蚀与阴极保护的电化学特征。

中国专利CNCN 101738368 B实现了预应力状态下的阴极保护钢丝电位测量，真实的模拟了预应力钢丝的环境。但是，其自腐蚀状态下的钢丝则是自然状态（无预应力）的，仍然无法测量预应力钢丝真正的自腐蚀状态。对PCCP钢丝，只能测量预应力下的保护电位，没有模拟自腐蚀试样的受力状态，两根试样的工况状态是存在较大差异的，因此，两根钢丝在腐蚀电化学特征上仍然存在差异。如果直接对比钢丝受到阴极保护与否的电位差异，不能消除预应力对电位的影响。另外，该专利设计难以制备钢丝直径在5毫米以上的预应力探头，为了防止预应力松弛，两端的夹具要求也比较高。总体而言，钢丝预应力状态的保持和制备不能准确计量，重现性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术中存在的问题，提供一种有效地测量PCCP中预应力状态下钢丝的自腐蚀电位、阴极保护极化电位及其他腐蚀参数的阴极保护测试探头。通过测试探头来获得预应力钢丝的阴极保护参数，从而对PCCP阴极保护效果和运行状态做出评估。本发明还提供了一种PCCP钢丝预应力加载所需螺纹的特殊制备方法。PCCP钢丝表面硬度很高，加工试样两端的细牙螺纹，通过数控车床粗加工螺纹牙型、外圆磨、普通车床精加工、板牙过丝等一系列组合步骤形成特殊的制备方法。

本发明的技术方案是：一种预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测试探头，包括水泥砂浆包裹体6，在所述的水泥砂浆包裹体6中设有第一钢丝试样1、第二钢丝试样2、参比电极3、辅助阳极4、预应力承载框架5、绝缘组件7、连接件和多根电缆11，所述的第一钢丝试样1为一根处于阴极保护状态下的预应力钢丝试样，第二钢丝试样2为一根自然腐蚀状态的预应力钢丝试样。

所述的预应力承载框架5为矩形金属框架，在两个相对边设有两对对应的通孔；所述的第一钢丝试样1和第二钢丝试样2均为圆柱体，在其两端设有细牙螺纹，在中部加工成直径2-3毫米的工作段，将第一钢丝试样1和第二钢丝试样2两端插入预应力承载框架5相对的通孔内，在通孔内装有绝缘组件7，用螺母拧紧施加预应力；该第一钢丝试样1、第二钢丝试样2、参比电极3和辅助阳极4相互间隔设置，并分别与多根电缆11的一端连接，电缆11的另一端引出水泥砂浆包裹体6。

所述的第一钢丝试样1和第二钢丝试样2应力加载步骤主要包括：（1）固定一端螺母，顺时针旋紧另一端螺母，从而形成钢丝的拉应力；（2）钢丝拉应力施加值大于或等于所模拟的PCCP管中钢丝所承受的预应力，拉应力的具体施加值通过钢丝试样拉伸试验测定的应力-应变量曲线来确定，通过控制钢丝的应变量来控制钢丝的拉应力载荷；（3）钢丝试样的预应力形成过程应该缓慢，通过电机带动夹具来控制旋紧螺母的前进速度，最终控制试样的应变速度在0.05～0.001 mm/min，以便模拟应力腐蚀慢应变速率范围。

所述的第一钢丝试样1和第二钢丝试样2的材质与PCCP管的预应力钢丝材质相同，施加的预应力等于或大于PCCP管钢丝的预应力；所述的水泥砂浆包裹体6的水泥与所模拟的PCCP外层水泥的型号相同，第一钢丝试样1和第二钢丝试样2与PCCP的预应力钢丝埋深相同。

所述的第一钢丝试样1、第二钢丝试样2、参比电极3和辅助电极4通过焊接或机械夹紧方式与电缆11连接，并在连接部位进行防水密封处理。

所述的第一钢丝试样1和第二钢丝试样2的加工方法，包括以下步骤：

（1）先用硬质合金刀具配合数控车床做螺纹加工预定位，粗加工螺纹牙型，留出后期磨床加工的余量；

（2）再用外圆磨加工直径为2~3毫米的工作段；

（3）最后经普通车床精加工、板牙过丝达到规定尺寸。

本发明的优点是：本发明的探头中的拉伸试样与PCCP的预应力钢丝材质相同，钢丝试样外包裹水泥砂浆与所模拟的PCCP外层水泥的牌号相同，拉伸试样与预应力钢丝埋深相同，能够模拟出PCCP中预应力钢丝所处的混凝土环境和承受一定的应力状态。本发明的探头制备方法工艺方案可行，质量易于控制，批量生产重现性好。PCCP阴极保护探头的电缆与测试桩相连，通过测量可得PCCP预应力钢丝的自然腐蚀电位、阴极保护极化电位、腐蚀速率、极化特性等参数，从而对PCCP管阴极保护效果和运行状态做出评估。

附图说明

图1是本发明PCCP阴极保护测试探头实施例的结构示意图。

附图标记说明：1、阴极保护状态下的预应力钢丝试样；2、自然腐蚀状态的预应力钢丝试样；3、参比电极；4、辅助阳极；5、预应力承载框架；6、水泥砂浆包裹体；7、绝缘组件；8、垫片；9、固定螺母；10、旋紧螺母；11、多根电缆。

具体实施方式

下面将结合附图以具体实施例为例详细描述本发明。但是，实施例不以任何方式限制本发明的范围。

参见图1，本发明一种预应力钢筒混凝土管道阴极保护测试探头，该探头用于模拟PCCP管的运行状态，该探头由三个组成部分构成：第一个组成部分是第一钢丝试样1和第二钢丝试样2，其中第一钢丝试样1是处于阴极保护状态下的预应力钢丝试样，模拟PCCP被保护状态；第二钢丝试样2是自然腐蚀状态的预应力钢丝试样。第二个组成部位是电化学测量的三电极体系：包括第二钢丝试样2、参比电极3和辅助阳极4；第三个组成部分包括：预应力承载框架5、水泥砂浆包裹体6、绝缘组件7、垫片8、固定螺母9和旋紧螺母10、多根电缆11。本发明中的第一钢丝试样1和第二钢丝试样2与PCCP管的预应力钢丝材质相同，并且两个钢丝受到的预应力均等于或大于PCCP钢丝，应力加载重现性好，可计量；水泥砂浆包裹体6水泥砂浆与所模拟的PCCP外层水泥的牌号相同，拉伸试样与预应力钢丝埋深相同，能够模拟出PCCP中预应力钢丝所处的混凝土环境和承受一定的应力状态。受阴极保护的第一钢丝试样1、自腐蚀状态的第二钢丝试样2、参比电极3和辅助阳极4间隔开设置，并采用绝缘组件7实现两根钢丝的电绝缘。多根电缆11的一端分别连接第一钢丝试样1、第二钢丝试样2、参比电极3和辅助阳极4，电缆11的另一端从水泥砂浆包裹体6伸出，与测试桩相连，通过测量可得PCCP预应力钢丝的自然腐蚀电位、阴极保护极化电位、腐蚀速率、极化特性等参数，从而对PCCP阴极保护效果和运行状态做出评估。由于本发明设计的两根试样的工况状态是一致的，因此，在施加阴极保护之前，两根钢丝具有相同的腐蚀电化学特征。在施加阴极保护之后，直接对比钢丝受到阴极保护与否的电位差异，已经消除了预应力对自腐蚀电位的影响。因此，评估阴极保护效果将更加准确。

所述的预应力承载框架5为矩形金属框架，通常材质为碳钢或不锈钢，在两个相对边设有两对对应的通孔；所述的第一钢丝试样1和第二钢丝试样2均为圆柱体，在其两端设有细牙螺纹，在中部设有与模拟PCCP中钢丝直径相等的缩径部分12，将第一钢丝试样1和第二钢丝试样2两端插入预应力承载框架5相对的通孔内，在通孔内装有绝缘组件7，用螺母拧紧施加预应力；该第一钢丝试样1、第二钢丝试样2、参比电极3和辅助阳极4相互间隔设置，并分别与多根电缆11的一端连接，电缆11的另一端引出水泥砂浆包裹体6。

本发明在第一钢丝试样1和第二钢丝试样2上的应力加载方法：采用台钳夹紧固定螺母9，然后顺时针旋紧另一端螺母10，从而使第一钢丝试样1和第二钢丝试样2拉应力大于或等于所模拟的PCCP管中钢丝所承受的预应力；拉应力的具体施加值通过钢丝试样拉伸试验测定的应力-应变量曲线来确定，通过控制钢丝的应变量来控制钢丝的拉应力载荷，应力加载具有可计量的优点，批量生产重现性好。对于牌号为SWRH77B的PCCP管预应力钢丝，抗拉强度在1570MPa以上，直径7毫米的钢丝拉伸试样形变量达到0.35～0.5毫米，即可达到上述预应力要求。然后，两根钢丝试样1和2、参比电极3和辅助电极4的一端通过焊接或机械夹紧方式进行电连接，并在连接部位进行防水密封处理。这些电缆最终伸出水泥砂浆包裹体6，可以与设置在对面的测试桩相连。

钢丝试样的预应力施加过程应该缓慢，通过电机带动夹具来控制旋紧螺母的前进速度，最终控制试样的应变速度在0.05～0.001 mm/min，以便模拟应力腐蚀慢应变速率范围。由于PCCP预应力钢丝（第一钢丝试样1和第二钢丝试样2）表面硬度很高，普通机加工和合金刀具均无法制备拉伸试样的细牙螺纹，本发明还提供了一种冷拉光面钢丝特殊的螺纹加工方法。具体包括：先用硬质合金刀具配合数控车床做螺纹加工预定位，粗加工螺纹牙型；再用外圆磨加工工作段；车加工时需留出后期磨床加工的裕量；最后经普通车床精加工、板牙过丝达到规定尺寸。上述加工过程，成功解决了在表面硬度很高的钢丝表面制备细牙螺纹的难题。

测试人员可以旅游现有的电位测量仪表和电化学测试系统进行测试。通过电位测量仪表分别连接参比电极电缆和所模拟的PCCP的第一钢丝试样1和第二钢丝试样2，分别测得阴极保护极化电位和自腐蚀电位，并通过电化学测试系统连接参比电极3、辅助电极4和第二钢丝试样2构成的三电极体系，测得预应力钢丝在PCCP管环境中的腐蚀参数，包括腐蚀速率、极化曲线等。由上述结果可以对探头所模拟的PCCP管阴极保护系统的有效性做出评估。

上述的参比电极3和辅助阳极4可以采用本领域公知的电极。在特别优选的例子中，参比电极3选用内腔带有超强吸水剂二氧化锰参比电极，以便保持参比电极稳定性。辅助阳极4采用不锈钢钢丝或混合氧化物。在装好参比电极、工作电极、辅助电极，完成电缆连接后，在探头外侧喷涂水泥砂浆覆盖层，钢丝试样与PCCP管预应力钢丝埋深相同，待覆盖层凝固后即得到可以使用的PCCP管阴极保护测试探头。

对直径7毫米的预应力钢丝做机械加工前，先在材料拉伸机上测试应力-应变量曲线，通过控制钢丝的应变量来模拟相应的PCCP预应力钢丝的拉应力载荷；为了更好地控制旋紧螺母10的前进速度，钢丝试样1和2的预应力制造通过电机带动夹具来控制旋紧螺母的前进速度，使之应变速度为0.05 mm/min。

由于本发明设计的两根试样的工况状态是一致的，因此，在施加阴极保护之前，两根钢丝具有相同的腐蚀电化学特征。在施加阴极保护之后，直接对比钢丝受到阴极保护与否的电位差异，已经消除了预应力对自腐蚀电位的影响。因此，评估阴极保护效果将更加准确。

本发明的试样拉伸过程模拟了应力腐蚀慢应变速率范围，应力加载可计量，因此，预应力加载准确、探头制备重现性高。

Claims (5)

1.一种预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测试探头，包括水泥砂浆包裹体，其特征在于，在所述的水泥砂浆包裹体中设有第一钢丝试样、第二钢丝试样、参比电极、辅助阳极、预应力承载框架、绝缘组件、连接件和多根电缆，所述的第一钢丝试样为一根处于阴极保护状态下的预应力钢丝试样，第二钢丝试样为一根自然腐蚀状态的预应力钢丝试样；所述的预应力承载框架为矩形金属框架，在两个相对边设有两对对应的通孔；所述的第一钢丝试样和第二钢丝试样均为圆柱体，在其两端设有细牙螺纹，在中部加工成直径2-3毫米的工作段，将第一钢丝试样和第二钢丝试样两端插入预应力承载框架相对的通孔内，在通孔内装有绝缘组件，用螺母拧紧施加预应力；该第一钢丝试样、第二钢丝试样、参比电极和辅助阳极相互间隔设置，并分别与多根电缆的一端连接，电缆的另一端引出水泥砂浆包裹体。

2.根据权利要求1所述的预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测试探头，其特征在于，所述的第一钢丝试样和第二钢丝试样应力加载步骤主要包括：（1）固定一端螺母，顺时针旋紧另一端螺母，从而形成钢丝的拉应力；（2）钢丝拉应力施加值大于或等于所模拟的PCCP管中钢丝所承受的预应力，拉应力的具体施加值通过钢丝试样拉伸试验测定的应力-应变量曲线来确定，通过控制钢丝的应变量来控制钢丝的拉应力载荷；（3）钢丝试样的预应力形成过程应该缓慢，通过电机带动夹具来控制旋紧螺母的前进速度，最终控制试样的应变速度在0.05～0.001 mm/min，以便模拟应力腐蚀慢应变速率范围。

3.根据权利要求1所述的预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测试探头，其特征在于，所述的第一钢丝试样和第二钢丝试样的材质与PCCP管的预应力钢丝材质相同，施加的预应力等于或大于PCCP管钢丝的预应力；所述的水泥砂浆包裹体的水泥与所模拟的PCCP外层水泥的型号相同，第一钢丝试样和第二钢丝试样与PCCP的预应力钢丝埋深相同。

4.根据权利要求1所述的预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测试探头，其特征在于，所述的第一钢丝试样、第二钢丝试样、参比电极和辅助电极通过焊接或机械夹紧方式与电缆连接，并在连接部位进行防水密封处理。

5.根据权利要求1所述的预应力钢筒混凝土管道的阴极保护测试探头，其特征在于，所述的第一钢丝试样和第二钢丝试样的加工方法，包括以下步骤：

（1）先用硬质合金刀具配合数控车床做螺纹加工预定位，粗加工螺纹牙型，留出后期磨床加工的余量；

（2）再用外圆磨加工直径为2~3毫米的工作段；

（3）最后经普通车床精加工、板牙过丝达到规定尺寸。