混凝土管阴极保护测试探头的制作方法

专利名称：混凝土管阴极保护测试探头的制作方法
技术领域：
混凝土管阴极保护测试探头
实用新型领域
本实用新型涉及阴极保护检测技术领域，特别涉及混凝土管阴极保护测试 探头，主要用于测量混凝土管钢丝(特别是PCCP管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。
背景技术：
预应力钢筒混凝土管(简称PCCP)是国内近十多年发展起来的新型管材料。
它集合了钢板、高强预应力钢丝、高强混凝土、高强砂浆和橡胶密封圈等原辅 材料制作而成，是一种具备高强度、高抗渗性和高密封性的复合型管材。由于
具备诸多优点，PCCP管材在输水工程中的应用日益增多。南水北调中线北京 段即采用56公里PCCP管道。为了最大限度的减小PCCP管道运行过程中内部 钢筒和预应力钢丝的腐蚀破坏，延长使用寿命，需要采取涂层及阴极保护防腐 措施。为了判断阴极保护效果，需要获得准确的测量数据，由于PCCP管的结 构特征，使得PCCP管阴极保护效果判定存在以下问题:要准确的判断NACE RP 0100-2004标准中规定的100mV极化准则，需要获得阴极极化电位和自然腐蚀 电位，而当PCCP阴极保护系统通电后，很难再获得准确的自然腐蚀电位，这 就给该准则的判断带来困难。同时混凝土的结构特征，使得PCCP管阴极保护 电位测试中的IR降较大，影响阴极保护效果判定的精确性。对于钢筋混凝土结 构，国外实践和相关标准(NACE TM0497、 NACE RP0104)要求在阴极保护 顶'J试中必须采用与被保护体结构和材质相同的探头，否贝'J难以测量到真实的阴 极保护电位，目前国内尚无专用于混凝土结构的阴极保护测试探头。而传统的 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管 道的混凝土环境，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。PCCP阴极保护测试技术目前在国内还 是空白。在利比亚大人工河工程中尝试过混凝土测试探头方面的工作，由于受 到探头结构和内部参比的限制，测试效果并不理想。查新报告指出目前国内外 尚无专用于PCCP管道，'能够同时测量阴极保护电位和自然腐蚀电位的阴极保护测试探头。随着PCCP管道的应用日益增多，PCCP阴极保护测试探头的开 发也成为一项迫在眉睫的工作。
同时，在普通混凝土管阴极保护测试技术中，由于目前采用的都是简单的 测试片的方式，电位测试中同样存在IR降较大、阴极保护效果判定不准确的问

实用新型内容
供一种有效地测量混凝土管中钢丝，特别是PCCP管中预应力钢丝的自然腐蚀 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，从而判断所达到的阴极保护水平。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种混凝土管阴极保护测试探头，该
探头用于模混凝土管的运行状态，该探头包括混凝土结构体，模拟混凝土管 的混凝土芯；在混凝土结构体上设置彼此间隔开的处于无应力状态的第 一钢丝、 参比电极和辅助电极；多根电缆，包括第一钢丝电缆、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、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混凝土管相同的材料。
根据本实用新型的一个方面，混凝土管为PCCP管，所述探头的混凝土结 构体上缠绕处于应力状态的第二钢丝，该第二钢丝所承受的预应力大于或等于 所模拟的PCCP管中钢丝所承受的预应力，第二钢丝与PCCP管的预应力钢丝 的材料相同，并与第一钢丝、参比电极和辅助电极间隔开设置。多根电缆还包 括第二钢丝电缆，其一端与第二钢丝相连，另一端伸出混凝土结构体外。
本实用新型的阴极保护测试探头在结构上与所模拟的混凝土管道相近，特 别是在模拟PCCP管的情况下，能够模拟出PCCP管中预应力钢丝所处的混凝 土环境和承受一定的应力状态。本实用新型的阴极保护测试探头采用近参比测 试技术，来消除电位测量过程中的IR降。所采用的内嵌式参比电极应保证在混 凝土环境中电位的稳定性和测量的准确性。该阴极保护测试探头能够准确的测 量PCCP管穿越不同物性的土壤环境时内部预应力钢丝的自然腐蚀电位、阴极 保护电位、腐蚀电流密度、腐蚀速率等参数。此外，本实用新型的PCCP阴极保护测试探头加工制作工艺方案可行，质量易于控制，便于批量生产。

图1为本实用新型混凝土管阴极保护测试探头一实施例的示意图2为本实用新型混凝土管阴极保护测试探头另 一实施例的示意图； 图3为本实用新型混凝土管阴极保护测试探头又一实施例的示意图。
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实用新型。但是，这些实施 例不以任何方式限制本实用新型的范围。
如图I所示，本实用新型的混凝土管测试探头1具有与所模拟的混凝土管 相似的结构，即包括混凝土结构体10和在混凝土结构体外的外护层11。混凝 土结构体是由混凝土材料在模具中振动压实> 并经脱模养护而成，具有强度。 在可以为圓柱体、立方体或长方体混凝土结构体10中也可以具有如普通混凝土 管那样的钢丝(图1中未示出)。另外，可以采用本领域任何公知的方式在混凝 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12、参比电极13和 辅助电极14。在一个优选的实施方式中，可以在混凝土结构体的外周上形成间 隔开的三个凹部，如通过切槽15, 15，，15"的方式形成，第一钢丝12、参比电 极13和辅助电极14设置在对应的凹部中。为了保持参比电极的稳定性，参比 电极13的测试头一端附近添加吸水保湿填料。第一钢丝12、参比电极13和辅 助电极14分别与对应的电缆16、 17、 18通过焊接或机械夹紧方式进行电连接， 并可以在连接部位进行绝缘防腐处理。这些电缆最终延伸出混凝土结构体10， 可以与设置在地面的测试桩相连。
测试人员可以利用现有的电位测量仪表和电化学测试系统进行测试。通过 将电位测量仪表分别连接参比电极的电缆和与所模拟的混凝土管钢丝相连的第 一钢丝的电缆测得阴极保护极化电位，将电位测量仪表分别连接参比电极的电 缆和未与所模拟的混凝土管钢丝相连的第一钢丝的电缆测得自然腐蚀电位，并 通过将电化学测试系统连接参比电极的电缆和第 一钢丝的电缆和辅助阳极的电 缆构成的三电极体系而测得钢丝在不同环境中的极化曲线，根据极化曲线可得 其腐蚀特性，包括自腐蚀电流密度、腐蚀速率等。由上述结果可以对探头所模拟的混凝土管阴极保护系统的有效性作出判断。
为了测量方便，在一个用于普通混凝土管的探头的优选例子中，第一钢丝 可以包括两段，即第一段和第二段，这两段第一钢丝彼此间隔设置并具有各自 的电缆。电位测量仪表可以连接第一段钢丝的电缆和参比电极的电缆来测量钢 丝的自然腐蚀电位。同时，第二段钢丝的电缆可以与所测量的混凝土管的钢丝 电缆相连。电位仪表可以测量第二段的电缆和参比电极的电缆来获得阴极保护 极化电位。
在本实用新型图3所示的实施方式中，在探头的一端形成空腔20，分别与 第一钢丝12、参比电极13和辅助电极14相连的电缆16、 17、 18经混凝土结 构体上形成的通孔22 (如图1所示)容纳在空腔20中，空腔中可以充填环氧 树脂固化剂来密封。最后延伸出混凝土结构体的电缆可以容纳在一个电缆束套 21中。
上述的参比电极和辅助电极可以采用本领域公知的电极。在特别优选的例 子中，参比电极选用二氧化锰参比电极。辅助电极采用混合金属氧化物辅助阳 极、导电聚合物辅助阳极或碳棒辅助阳极。
在如图2所示的本实用新型的另一个方案中，混凝土管为PCCP管，探头 的混凝土结构体上缠绕处于应力状态的第二钢丝30。根据混凝土结构体的规 格，采用不同规格的弯曲模具对第二钢丝30进行弯曲加工，弯曲过程中不能进 行任何热处理，不能破坏材料性能。该第二钢丝所承受的预应力大于或等于所 模拟的PCCP管中钢丝所承受的预应力，第二钢丝与PCCP管的预应力钢丝的 材料相同，并与第一钢丝、参比电极和辅助电极间隔开。第二钢丝30与第二钢 丝电缆31相连。第二钢丝电缆31的另一端如其它电缆一样伸出混凝土结构体 外与测试桩相连，如可通过通孔32容纳在混凝土结构体的空腔中。图2所示的 其它方面可以与如上所述的实施例完全相同。
测试人员可以利用现有的电位测量仪表和电化学测试系统进行测试。通过 将电位测量仪表分别连接参比电极的电缆和与所模拟的PCCP管钢丝相连的第 一钢丝的电缆测得阴极保护极化电位，将电位测量仪表分别连接第二钢丝的电 缆和参比电极的电缆测得自然腐蚀电位，并通过将电化学测试系统连接参比电 极的电缆和第 一钢丝的电缆和辅助阳极的电缆构成的三电极体系而测得钢丝在 不同环境中的极化曲线，根据极化曲线可得其腐蚀特性，包括自腐蚀电流密度、腐蚀速率等。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 作出判断。
因此，该PCCP阴极保护测试探头实施例的设计结构具备以下功能
① 能够测量PCCP管穿越不同物性的土壤环境时，预应力钢丝的自然腐蚀 电位；
② 能够测量施加阴极保护后，PCCP管中预应力钢丝的阴极保护极化电位；
③ 能够模拟PCCP管中钢丝所处的应力状态；
④ 能够测量PCCP管穿越不同物性的土壤环境时，预应力钢丝的腐蚀极化 曲线、腐蚀速率等。
下面描述形成本实用新型PCCP阴极保护测试探头的实例，进一步说明本 实用新型的特点
实例
(1)加工制作了混凝土芯模具，所要制作的混凝土芯直径为150mm、高 为300mm，内部为一直径75mm、高150mm的的圓柱体空腔；
(2 )根据混凝土探头结构的力学性能需求，建立混凝土的振动结构压实台 架。将一定配比的水泥、沙子和石子装入模具内，在振动台内振动压实，经过 一定时间后脱模；
(3 )建立恒温恒湿的混凝土芯养护室，将混凝土芯放在养护室内进行养护， 直到达到所要求的强度；
(4) 对直径为5mm的预应力钢丝进行弯曲操作，形成混凝土中预应力钢 丝结构形状。值得注意的是为了不破坏材料性能，弯曲过程中不能进行任何热 处理。
(5) 在混凝土柱体上机械加工三个大小各异的槽，以放入参比电极、工作 电极和辅助电极。并在混凝土壁上钻孔，以便电缆连线穿过混凝土壁从探头顶 部伸出。
(6) 在混凝土柱体上切好的槽内分別放入参比电极、工作电极和辅助电极， 为防止参比电极头部干燥，在其头部位置增加高吸水保湿填料。将电缆分别与 弯曲状态的预应力钢丝、自腐蚀状态的预应力钢丝、参比电极和工作电极相连， 连接后用万用表进行电通测试，接头部位要保证足够牢固，并采用热收缩套进行绝缘。电缆连线穿过混凝土壁上的小孔从探头顶部的袋式结构内伸出，然后 往袋式结构内灌注环氧树脂固化剂，使电缆穿出部位密封并绝缘。
(7)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，待覆盖层凝固后即得到可以使用的预应力混凝土探头。
在管路的铺设范围内设置多个如上的探头，就可以清楚地了解整个管路的 钢丝腐蚀和阴极保护状况。
在本实用新型中，探头的混凝土主体结构体、第一和第二钢丝、外护层都 选用与所模拟的混凝土管或PCCP管相同的材料。
尽管参照优选实施例描述了本实用新型，但本实用新型并不限于此，在不 脱离本实用新型精神和实质的前提下，本领域的普通技术人员可以对本实用新 型进行各种等效的变形和改动，而这些变形与改动都在本实用新型的涵盖范围 内。
权利要求1.一种混凝土管阴极保护测试探头，该探头用于模混凝土管的运行状态，该探头包括混凝土结构体，模拟混凝土管的混凝土芯；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、参比电极和辅助电极；多根电缆，包括第一钢丝电缆、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、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混凝土管相同的材料。
2. 按照权利要求1所述的混凝土管阴极保护测试探头，其特征在于， 所述混凝土管为PCCP管，所述探头的混凝土结构体上缠绕处于应力状态的 第二钢丝，该第二钢丝所承受的预应力大于或等于所模拟的PCCP管中钢丝 所承受的预应力，第二钢丝与PCCP管的预应力钢丝的材料相同，并与第一 钢丝、参比电才及和辅助电极间隔开设置，所述电缆包括第二钢丝电缆，其一端与第二钢丝相连，另一端伸出混凝 土结构体外。
3. 按照权利要求1或2所述的混凝土管阴极保护测试探头，其特征在 于，所述在混凝土结构体的一个端部具有空腔，所述多^^艮电缆容放在所述空 腔中并从所述空腔伸出，所述空腔中填充绝缘密封填充材料。
4. 按照权利要求1所述的混凝土管阴极保护测试探头，其特征在于， 所述延伸出混凝土结构体的多根电缆容纳在一个电缆束套中。
5. 按照权利要求2所述的混凝土管阴极保护测试探头，其特征在于， 在混凝土结构体的外周面上形成三个凹部，在凹部中分别设置所述第一钢 丝、参比电才及和辅助电纟及。
6. 按照权利要求5所述的混凝土管阴极保护测试探头，其特征在于， 所述凹部为槽。
7. 按照权利要求1或2所述的混凝土管阴极保护测试探头，其特征在于，混凝土结构体是由混凝土材料在模具中振动压实，并经脱模养护而成， 具有强度。
8. 按照权利要求1或2所述的PCCP阴极保护测设探头，其特征在于，混凝土结构体为圆柱体、立方体或长方体。
9. 按照权利要求1所述的PCCP阴极保护测试探头，其特征在于，第 一钢丝、参比电极和辅助电极分别与电缆通过焊接或机械夹紧方式进行电连 接，并在连接部位进行绝缘防腐处理。
10. 按照权利要求1所述的PCCP阴极保护测试探头，其特征在于，所 述第一钢丝包括用于测试自然腐蚀电位的第一段和用于测试阴极保护极化 电位的第二段，第一段和第二段具有各自的电缆并彼此间隔开。
11. 按照权利要求2所述的弯曲状态预应力钢丝，其特征在于，第二钢 丝经过弯曲加工，弯曲过程中不进行热处理。
12. 按照权利要求1或2所述的PCCP阴极保护测试探头，其特征在于， 所述参比电极选择二氧化锰参比电极。
13. 按照权利要求1或2所述的PCCP阴极保护测试探头，其特征在于， 参比电极的测试头一端附近添加吸水保湿填料。
14. 按照权利要求1所述的PCCP阴极保护测试探头，其特征在于，所 述辅助电极采用混合金属氧化物辅助阳极、导电聚合物辅助阳极或碳棒辅助 阳极。
专利摘要本实用新型公开了一种混凝土管阴极保护测试探头。该探头包括混凝土结构体，模拟混凝土管的混凝土芯；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、参比电极和辅助电极；多根电缆，包括第一钢丝电缆、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、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混凝土管相同的材料。该阴极保护测试探头能够准确的测量混凝土管穿越不同物性的土壤环境时内部钢丝的自然腐蚀电位、阴极保护电位、腐蚀电流密度、腐蚀速率等参数。
文档编号C23F13/22GK201347454SQ20082017675
公开日2009年11月18日 申请日期2008年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者姜鹏飞, 杜艳霞, 杨进新, 沈来新, 王东黎, 石维新, 路民旭 申请人:北京市水利规划设计研究院;北京安科管道工程科技有限公司;北京科技大学