混凝土管陰極保護測試探頭的製作方法

2023-08-04 04:50:11

專利名稱：混凝土管陰極保護測試探頭的製作方法
技術領域：
混凝土管陰極保護測試探頭
實用新型領域
本實用新型涉及陰極保護檢測技術領域，特別涉及混凝土管陰極保護測試 探頭，主要用於測量混凝土管鋼絲(特別是PCCP管及鋼筋混凝土結構預應力 鋼絲)的自然腐蝕電位、陰極保護極化電位、腐蝕速率、極化特性等參數。
背景技術：
預應力鋼筒混凝土管(簡稱PCCP)是國內近十多年發展起來的新型管材料。
它集合了鋼板、高強預應力鋼絲、高強混凝土、高強砂漿和橡膠密封圈等原輔 材料製作而成，是一種具備高強度、高抗滲性和高密封性的複合型管材。由於
具備諸多優點，PCCP管材在輸水工程中的應用日益增多。南水北調中線北京 段即採用56公裡PCCP管道。為了最大限度的減小PCCP管道運行過程中內部 鋼筒和預應力鋼絲的腐蝕破壞，延長使用壽命，需要採取塗層及陰極保護防腐 措施。為了判斷陰極保護效果，需要獲得準確的測量數據，由於PCCP管的結 構特徵，使得PCCP管陰極保護效果判定存在以下問題:要準確的判斷NACE RP 0100-2004標準中規定的100mV極化準則，需要獲得陰極極化電位和自然腐蝕 電位，而當PCCP陰極保護系統通電後，很難再獲得準確的自然腐蝕電位，這 就給該準則的判斷帶來困難。同時混凝土的結構特徵，使得PCCP管陰極保護 電位測試中的IR降較大，影響陰極保護效果判定的精確性。對於鋼筋混凝土結 構，國外實踐和相關標準(NACE TM0497、 NACE RP0104)要求在陰極保護 頂'J試中必須採用與被保護體結構和材質相同的探頭，否貝'J難以測量到真實的陰 極保護電位，目前國內尚無專用於混凝土結構的陰極保護測試探頭。而傳統的 鋼質管道用測試探頭無法測量得到鋼絲的自然腐蝕電位，無法模擬出PCCP管 道的混凝土環境，也無法模擬PCCP中預應力鋼絲承受一定的應力狀態，因此 無法滿足PCCP陰極保護測試的要求。PCCP陰極保護測試技術目前在國內還 是空白。在利比亞大人工河工程中嘗試過混凝土測試探頭方面的工作，由於受 到探頭結構和內部參比的限制，測試效果並不理想。查新報告指出目前國內外 尚無專用於PCCP管道，'能夠同時測量陰極保護電位和自然腐蝕電位的陰極保護測試探頭。隨著PCCP管道的應用日益增多，PCCP陰極保護測試探頭的開 發也成為一項迫在眉睫的工作。
同時，在普通混凝土管陰極保護測試技術中，由於目前採用的都是簡單的 測試片的方式，電位測試中同樣存在IR降較大、陰極保護效果判定不準確的問

實用新型內容
供一種有效地測量混凝土管中鋼絲，特別是PCCP管中預應力鋼絲的自然腐蝕 電位、陰極保護極化電位及其他腐蝕參數的陰極保護測試探頭，通過測試探頭 來獲得預應力鋼絲的陰極保護參數，從而判斷所達到的陰極保護水平。
為實現上述目的，本實用新型提供了一種混凝土管陰極保護測試探頭，該
探頭用於模混凝土管的運行狀態，該探頭包括混凝土結構體，模擬混凝土管 的混凝土芯；在混凝土結構體上設置彼此間隔開的處於無應力狀態的第 一鋼絲、 參比電極和輔助電極；多根電纜，包括第一鋼絲電纜、參比電極電纜和輔助電 極電纜，相應電纜的一端與對應第一鋼絲、參比電極和輔助電極分別電相連， 而各電纜的另一端從混凝土結構體伸出；外護層，覆蓋在混凝土結構體表面； 所述混凝土結構體、第一鋼絲、外護層均採用與所模擬混凝土管相同的材料。
根據本實用新型的一個方面，混凝土管為PCCP管，所述探頭的混凝土結 構體上纏繞處於應力狀態的第二鋼絲，該第二鋼絲所承受的預應力大於或等於 所模擬的PCCP管中鋼絲所承受的預應力，第二鋼絲與PCCP管的預應力鋼絲 的材料相同，並與第一鋼絲、參比電極和輔助電極間隔開設置。多根電纜還包 括第二鋼絲電纜，其一端與第二鋼絲相連，另一端伸出混凝土結構體外。
本實用新型的陰極保護測試探頭在結構上與所模擬的混凝土管道相近，特 別是在模擬PCCP管的情況下，能夠模擬出PCCP管中預應力鋼絲所處的混凝 土環境和承受一定的應力狀態。本實用新型的陰極保護測試探頭採用近參比測 試技術，來消除電位測量過程中的IR降。所採用的內嵌式參比電極應保證在混 凝土環境中電位的穩定性和測量的準確性。該陰極保護測試探頭能夠準確的測 量PCCP管穿越不同物性的土壤環境時內部預應力鋼絲的自然腐蝕電位、陰極 保護電位、腐蝕電流密度、腐蝕速率等參數。此外，本實用新型的PCCP陰極保護測試探頭加工製作工藝方案可行，質量易於控制，便於批量生產。

圖1為本實用新型混凝土管陰極保護測試探頭一實施例的示意圖2為本實用新型混凝土管陰極保護測試探頭另 一實施例的示意圖； 圖3為本實用新型混凝土管陰極保護測試探頭又一實施例的示意圖。
具體實施方式
下面將結合附圖以具體實施例為例詳細描述本實用新型。但是，這些實施 例不以任何方式限制本實用新型的範圍。
如圖I所示，本實用新型的混凝土管測試探頭1具有與所模擬的混凝土管 相似的結構，即包括混凝土結構體10和在混凝土結構體外的外護層11。混凝 土結構體是由混凝土材料在模具中振動壓實> 並經脫模養護而成，具有強度。 在可以為圓柱體、立方體或長方體混凝土結構體10中也可以具有如普通混凝土 管那樣的鋼絲(圖1中未示出)。另外，可以採用本領域任何公知的方式在混凝 土結構體中設置彼此間隔開的處於無應力狀態的第一鋼絲12、參比電極13和 輔助電極14。在一個優選的實施方式中，可以在混凝土結構體的外周上形成間 隔開的三個凹部，如通過切槽15, 15，，15"的方式形成，第一鋼絲12、參比電 極13和輔助電極14設置在對應的凹部中。為了保持參比電極的穩定性，參比 電極13的測試頭一端附近添加吸水保溼填料。第一鋼絲12、參比電極13和輔 助電極14分別與對應的電纜16、 17、 18通過焊接或機械夾緊方式進行電連接， 並可以在連接部位進行絕緣防腐處理。這些電纜最終延伸出混凝土結構體10， 可以與設置在地面的測試樁相連。
測試人員可以利用現有的電位測量儀表和電化學測試系統進行測試。通過 將電位測量儀表分別連接參比電極的電纜和與所模擬的混凝土管鋼絲相連的第 一鋼絲的電纜測得陰極保護極化電位，將電位測量儀表分別連接參比電極的電 纜和未與所模擬的混凝土管鋼絲相連的第一鋼絲的電纜測得自然腐蝕電位，並 通過將電化學測試系統連接參比電極的電纜和第 一鋼絲的電纜和輔助陽極的電 纜構成的三電極體系而測得鋼絲在不同環境中的極化曲線，根據極化曲線可得 其腐蝕特性，包括自腐蝕電流密度、腐蝕速率等。由上述結果可以對探頭所模擬的混凝土管陰極保護系統的有效性作出判斷。
為了測量方便，在一個用於普通混凝土管的探頭的優選例子中，第一鋼絲 可以包括兩段，即第一段和第二段，這兩段第一鋼絲彼此間隔設置並具有各自 的電纜。電位測量儀表可以連接第一段鋼絲的電纜和參比電極的電纜來測量鋼 絲的自然腐蝕電位。同時，第二段鋼絲的電纜可以與所測量的混凝土管的鋼絲 電纜相連。電位儀表可以測量第二段的電纜和參比電極的電纜來獲得陰極保護 極化電位。
在本實用新型圖3所示的實施方式中，在探頭的一端形成空腔20，分別與 第一鋼絲12、參比電極13和輔助電極14相連的電纜16、 17、 18經混凝土結 構體上形成的通孔22 (如圖1所示)容納在空腔20中，空腔中可以充填環氧 樹脂固化劑來密封。最後延伸出混凝土結構體的電纜可以容納在一個電纜束套 21中。
上述的參比電極和輔助電極可以採用本領域公知的電極。在特別優選的例 子中，參比電極選用二氧化錳參比電極。輔助電極採用混合金屬氧化物輔助陽 極、導電聚合物輔助陽極或碳棒輔助陽極。
在如圖2所示的本實用新型的另一個方案中，混凝土管為PCCP管，探頭 的混凝土結構體上纏繞處於應力狀態的第二鋼絲30。根據混凝土結構體的規 格，採用不同規格的彎曲模具對第二鋼絲30進行彎曲加工，彎曲過程中不能進 行任何熱處理，不能破壞材料性能。該第二鋼絲所承受的預應力大於或等於所 模擬的PCCP管中鋼絲所承受的預應力，第二鋼絲與PCCP管的預應力鋼絲的 材料相同，並與第一鋼絲、參比電極和輔助電極間隔開。第二鋼絲30與第二鋼 絲電纜31相連。第二鋼絲電纜31的另一端如其它電纜一樣伸出混凝土結構體 外與測試樁相連，如可通過通孔32容納在混凝土結構體的空腔中。圖2所示的 其它方面可以與如上所述的實施例完全相同。
測試人員可以利用現有的電位測量儀表和電化學測試系統進行測試。通過 將電位測量儀表分別連接參比電極的電纜和與所模擬的PCCP管鋼絲相連的第 一鋼絲的電纜測得陰極保護極化電位，將電位測量儀表分別連接第二鋼絲的電 纜和參比電極的電纜測得自然腐蝕電位，並通過將電化學測試系統連接參比電 極的電纜和第 一鋼絲的電纜和輔助陽極的電纜構成的三電極體系而測得鋼絲在 不同環境中的極化曲線，根據極化曲線可得其腐蝕特性，包括自腐蝕電流密度、腐蝕速率等。由上述結果可以對探頭所模擬的PCCP管陰極保護系統的有效性 作出判斷。
因此，該PCCP陰極保護測試探頭實施例的設計結構具備以下功能
① 能夠測量PCCP管穿越不同物性的土壤環境時，預應力鋼絲的自然腐蝕 電位；
② 能夠測量施加陰極保護後，PCCP管中預應力鋼絲的陰極保護極化電位；
③ 能夠模擬PCCP管中鋼絲所處的應力狀態；
④ 能夠測量PCCP管穿越不同物性的土壤環境時，預應力鋼絲的腐蝕極化 曲線、腐蝕速率等。
下面描述形成本實用新型PCCP陰極保護測試探頭的實例，進一步說明本 實用新型的特點
實例
(1)加工製作了混凝土芯模具，所要製作的混凝土芯直徑為150mm、高 為300mm，內部為一直徑75mm、高150mm的的圓柱體空腔；
(2 )根據混凝土探頭結構的力學性能需求，建立混凝土的振動結構壓實臺 架。將一定配比的水泥、沙子和石子裝入模具內，在振動臺內振動壓實，經過 一定時間後脫模；
(3 )建立恆溫恆溼的混凝土芯養護室，將混凝土芯放在養護室內進行養護， 直到達到所要求的強度；
(4) 對直徑為5mm的預應力鋼絲進行彎曲操作，形成混凝土中預應力鋼 絲結構形狀。值得注意的是為了不破壞材料性能，彎曲過程中不能進行任何熱 處理。
(5) 在混凝土柱體上機械加工三個大小各異的槽，以放入參比電極、工作 電極和輔助電極。並在混凝土壁上鑽孔，以便電纜連線穿過混凝土壁從探頭頂 部伸出。
(6) 在混凝土柱體上切好的槽內分別放入參比電極、工作電極和輔助電極， 為防止參比電極頭部乾燥，在其頭部位置增加高吸水保溼填料。將電纜分別與 彎曲狀態的預應力鋼絲、自腐蝕狀態的預應力鋼絲、參比電極和工作電極相連， 連接後用萬用表進行電通測試，接頭部位要保證足夠牢固，並採用熱收縮套進行絕緣。電纜連線穿過混凝土壁上的小孔從探頭頂部的袋式結構內伸出，然後 往袋式結構內灌注環氧樹脂固化劑，使電纜穿出部位密封並絕緣。
(7)在裝好參比電極、工作電極、輔助電極，完成電纜連接後，在探頭外 側噴塗水泥砂漿覆蓋層，待覆蓋層凝固後即得到可以使用的預應力混凝土探頭。
在管路的鋪設範圍內設置多個如上的探頭，就可以清楚地了解整個管路的 鋼絲腐蝕和陰極保護狀況。
在本實用新型中，探頭的混凝土主體結構體、第一和第二鋼絲、外護層都 選用與所模擬的混凝土管或PCCP管相同的材料。
儘管參照優選實施例描述了本實用新型，但本實用新型並不限於此，在不 脫離本實用新型精神和實質的前提下，本領域的普通技術人員可以對本實用新 型進行各種等效的變形和改動，而這些變形與改動都在本實用新型的涵蓋範圍 內。
權利要求1.一種混凝土管陰極保護測試探頭，該探頭用於模混凝土管的運行狀態，該探頭包括混凝土結構體，模擬混凝土管的混凝土芯；在混凝土結構體中設置彼此間隔開的處於無應力狀態的第一鋼絲、參比電極和輔助電極；多根電纜，包括第一鋼絲電纜、參比電極電纜和輔助電極電纜，相應電纜的一端與對應第一鋼絲、參比電極和輔助電極分別電相連，而各電纜的另一端從混凝土結構體伸出；外護層，覆蓋在混凝土結構體表面；所述混凝土結構體、第一鋼絲、外護層均採用與所模擬混凝土管相同的材料。
2. 按照權利要求1所述的混凝土管陰極保護測試探頭，其特徵在於， 所述混凝土管為PCCP管，所述探頭的混凝土結構體上纏繞處於應力狀態的 第二鋼絲，該第二鋼絲所承受的預應力大於或等於所模擬的PCCP管中鋼絲 所承受的預應力，第二鋼絲與PCCP管的預應力鋼絲的材料相同，並與第一 鋼絲、參比電才及和輔助電極間隔開設置，所述電纜包括第二鋼絲電纜，其一端與第二鋼絲相連，另一端伸出混凝 土結構體外。
3. 按照權利要求1或2所述的混凝土管陰極保護測試探頭，其特徵在 於，所述在混凝土結構體的一個端部具有空腔，所述多^^艮電纜容放在所述空 腔中並從所述空腔伸出，所述空腔中填充絕緣密封填充材料。
4. 按照權利要求1所述的混凝土管陰極保護測試探頭，其特徵在於， 所述延伸出混凝土結構體的多根電纜容納在一個電纜束套中。
5. 按照權利要求2所述的混凝土管陰極保護測試探頭，其特徵在於， 在混凝土結構體的外周面上形成三個凹部，在凹部中分別設置所述第一鋼 絲、參比電才及和輔助電糹及。
6. 按照權利要求5所述的混凝土管陰極保護測試探頭，其特徵在於， 所述凹部為槽。
7. 按照權利要求1或2所述的混凝土管陰極保護測試探頭，其特徵在於，混凝土結構體是由混凝土材料在模具中振動壓實，並經脫模養護而成， 具有強度。
8. 按照權利要求1或2所述的PCCP陰極保護測設探頭，其特徵在於，混凝土結構體為圓柱體、立方體或長方體。
9. 按照權利要求1所述的PCCP陰極保護測試探頭，其特徵在於，第 一鋼絲、參比電極和輔助電極分別與電纜通過焊接或機械夾緊方式進行電連 接，並在連接部位進行絕緣防腐處理。
10. 按照權利要求1所述的PCCP陰極保護測試探頭，其特徵在於，所 述第一鋼絲包括用於測試自然腐蝕電位的第一段和用於測試陰極保護極化 電位的第二段，第一段和第二段具有各自的電纜並彼此間隔開。
11. 按照權利要求2所述的彎曲狀態預應力鋼絲，其特徵在於，第二鋼 絲經過彎曲加工，彎曲過程中不進行熱處理。
12. 按照權利要求1或2所述的PCCP陰極保護測試探頭，其特徵在於， 所述參比電極選擇二氧化錳參比電極。
13. 按照權利要求1或2所述的PCCP陰極保護測試探頭，其特徵在於， 參比電極的測試頭一端附近添加吸水保溼填料。
14. 按照權利要求1所述的PCCP陰極保護測試探頭，其特徵在於，所 述輔助電極採用混合金屬氧化物輔助陽極、導電聚合物輔助陽極或碳棒輔助 陽極。
專利摘要本實用新型公開了一種混凝土管陰極保護測試探頭。該探頭包括混凝土結構體，模擬混凝土管的混凝土芯；在混凝土結構體中設置彼此間隔開的處於無應力狀態的第一鋼絲、參比電極和輔助電極；多根電纜，包括第一鋼絲電纜、參比電極電纜和輔助電極電纜，相應電纜的一端與對應第一鋼絲、參比電極和輔助電極分別電相連，而各電纜的另一端從混凝土結構體伸出；外護層，覆蓋在混凝土結構體表面；所述混凝土結構體、第一鋼絲、外護層均採用與所模擬混凝土管相同的材料。該陰極保護測試探頭能夠準確的測量混凝土管穿越不同物性的土壤環境時內部鋼絲的自然腐蝕電位、陰極保護電位、腐蝕電流密度、腐蝕速率等參數。
文檔編號C23F13/22GK201347454SQ20082017675
公開日2009年11月18日 申請日期2008年11月18日 優先權日2008年11月18日
發明者姜鵬飛, 杜豔霞, 楊進新, 沈來新, 王東黎, 石維新, 路民旭 申請人:北京市水利規劃設計研究院;北京安科管道工程科技有限公司;北京科技大學