李海明 傅艷茹 鄭冠杰

深圳地鐵運(yùn)營集團(tuán)有限公司

1 引言

深圳地鐵從2005 年12 月28 開通至今約有16 年時間，管道故障經(jīng)常發(fā)生,主要原因是松動和銹蝕，本文主要研究銹蝕，從規(guī)范要求、設(shè)計(jì)安裝、使用效果三方面，進(jìn)行分析，試圖從材料與防護(hù)的角度出發(fā)，來解決這個問題。

2 規(guī)范對材料的要求

建設(shè)地鐵主要的依據(jù)是地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，現(xiàn)在執(zhí)行的是《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157—2013），1、2、5 號線是使用2003 版，11 號線是根據(jù)2013版。其中2003版要求“地下車站站臺板下及地下區(qū)間隧道敷設(shè)的給水管，宜采用球墨鑄鐵給水管和膠圈接口”，2013 版沒有要求使用球墨鑄鐵管了，改為鋼塑復(fù)合管和不銹鋼管等，且規(guī)范中推薦使用鋼塑復(fù)合管的力度加大，重力流排水管管材要求沒有變，為阻燃型硬聚氯乙烯排水管及管件。

2.1 管材性能特點(diǎn)

規(guī)范要求的金屬管材有：鍍鋅鋼管、球墨鑄鐵管、鋼塑復(fù)合管、薄壁不銹鋼管。

（1）鍍鋅鋼管。鍍鋅鋼管分為冷鍍鋅鋼管、熱鍍鋅鋼管，冷鍍鋅鋼管已被禁用。熱鍍鋅是先將鋼管進(jìn)行酸洗，為了去除鋼管表面的氧化鐵，酸洗后，通過氯化銨或氯化鋅水溶液或氯化銨和氯化鋅混合水溶液槽中進(jìn)行清洗，然后送入熱浸鍍槽中。熱鍍鋅具有鍍層均勻、附著力強(qiáng)、使用壽命長、耐腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)（比普通鋼管）。鍍鋅管是一種成熟的產(chǎn)品，主要國標(biāo)為：《低壓流體輸送用焊接鋼》（GB/T 3091—2015）、《直縫電焊鋼管》（GB/T13793—2016）、《焊接鋼管尺寸及單位長度重量》（GB/T 21835—2008）。因價格便宜，安裝使用維護(hù)方便，熱鍍鋅鋼管在消防、電力上有廣泛的應(yīng)用。深圳地鐵1、2、5、11號線車站消防水管均使用此種管材。主要缺點(diǎn)是：鍍鋅鋼管因在制造、加工、運(yùn)輸、搬運(yùn)和儲存過程中存在一些問題，導(dǎo)致該管材極易銹蝕,鍍鋅管作為水管，使用幾年后，管內(nèi)產(chǎn)生大量銹垢，流出的黃水不僅污染潔具，而且夾雜著不光滑內(nèi)壁滋生的細(xì)菌，銹蝕造成水中重金屬含量過高，嚴(yán)重危害人體的健康。中國建設(shè)部等四部委發(fā)文明確從2000年起禁用鍍鋅管作為生活供水管。

（2）球墨鑄鐵給水管。球墨鑄鐵管是鑄鐵的一種，是一種鐵、碳和硅的合金。球墨鑄鐵中石墨是以球狀形式存在的，一般石墨的大小為6-7級，質(zhì)量上要求鑄管的球化等級控制為1-3級(球化率≥80%)，因而材料本身的機(jī)械性能得到了較好的改善，它具有鐵的本質(zhì)、鋼的性能，防腐性能優(yōu)異(比鍍鋅管)、延展性能好、機(jī)械性能較好、密封效果好、安裝簡易、主要用于市政、工礦企業(yè)給水、輸氣,輸油等,是一種成熟的產(chǎn)品，主要國標(biāo)為《水及燃?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件》（GB/T 13295—2013）。深圳地鐵1、2、11 號線區(qū)間消防水管均采用此種管材（5 號線采用涂塑鋼管）。主要缺點(diǎn)是：不能使用在高壓管網(wǎng)（6MPa以上），管體笨重；安裝時須動用機(jī)械，出現(xiàn)故障漏水后，必須把所有管道全部拆除，重新安裝；管上易有沙眼；內(nèi)阻大，損失大，不利于遠(yuǎn)距離輸水；管件及附件在潮濕或海水環(huán)境中易銹蝕。

（3）鋼塑復(fù)合管。鍍鋅鋼管被禁止后，市場上開發(fā)出了鋼塑復(fù)合管。鋼塑復(fù)合管有涂塑鋼管（涂覆鋼管）與襯塑鋼管兩種，都具有鋼管的高強(qiáng)度、高剛度等機(jī)械性能，又具有塑料管的防腐性能，表面光潔如鏡面，不混生細(xì)菌和霉菌，更具有效地防結(jié)圬性能。輸水阻力系數(shù)小,同直徑的涂塑鋼管比一般的鋼管輸水量增加10%～15%，降低輸水動力消耗15%，具有良好的衛(wèi)生性能。襯塑鋼管的主要缺點(diǎn)是：襯塑層與鋼管之間結(jié)合性差，易滋生微生物，尤其小管件縮徑嚴(yán)重，水錘作用明顯，管件襯塑層易老化，易分層，不能形成與鋼管的良好密封，水質(zhì)二次污染明顯，熱脹冷縮系數(shù)大，分層概率高，使用壽命12～15年。涂塑鋼管是在鋼管內(nèi)壁融溶一層厚度為0.5mm～1.0mm 的聚乙烯（PE）樹脂、乙烯-丙烯酸共聚，設(shè)計(jì)壽命可達(dá)50 年（預(yù)期50～100 年）。從性能價格比來講，涂塑鋼管是各種輸水管中較好的產(chǎn)品。主要缺點(diǎn)是安裝時熱加工和電焊切割等作業(yè)時，切割面應(yīng)用生產(chǎn)廠家配有的無毒常溫固化膠涂刷。國外建筑輸水用管如日本、美國等國多采用熱熔黏結(jié)的涂塑鋼管，很少采用襯塑鋼管，基本不用鍍鋅鋼管，輸水管用涂塑鋼管在我國才剛起步，應(yīng)該大力推廣。主要國標(biāo)為《給水涂塑復(fù)合鋼管》（CJ/T 120—2016），深圳地鐵5號線區(qū)間消防水管、排水管就是涂塑鋼管。

（4）薄壁不銹鋼管。奧氏體薄壁不銹鋼管材，是指壁厚與外徑之比不大于6%的不銹鋼管道。建筑給水薄壁不銹鋼管材和管件均含鉻（Cr）量在12%以上。不銹鋼管材、管件經(jīng)去雜、酸洗、鈍化工藝處理后，可使生成的Cr2O3的厚度增加，致密的均勻性增強(qiáng)；不銹鋼管經(jīng)拋光、管件經(jīng)精光工藝，不僅能消除表面缺陷，還使鈍化膜更為細(xì)膩、致密，以減少點(diǎn)腐蝕的概率。同時，管件精光后內(nèi)壁光潔、摩阻小，進(jìn)一步提高管材的水力性能，節(jié)約消耗。國內(nèi)薄壁不銹鋼水管是20世紀(jì)90年代末問世，2001年國家科學(xué)技術(shù)部中國技術(shù)市場管理促進(jìn)中心發(fā)布了關(guān)于推廣應(yīng)用“高徑壁比高精度不銹鋼中、高壓供水管及配套管件與專用技術(shù)”的通知，對薄壁不銹鋼管給予充分肯定，2003年7月10日國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了GB/T 19228.1、GB/T 19228.2、GB/T 19228.3 的系列標(biāo)準(zhǔn)，推廣不銹鋼卡壓式管道系統(tǒng)。2003年9 月25 日中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會發(fā)布了《建筑給水薄壁不銹鋼管道工程技術(shù)規(guī)程》（CECS 153—2003）。

不銹鋼管具有強(qiáng)度高（抗拉強(qiáng)度是鋼管的2倍），安全衛(wèi)生、耐蝕性好、堅(jiān)固耐用、壽命長、免維護(hù)、韌性好，抗振動沖擊和抗震性能優(yōu)，低溫不變脆，輸水過程中可確保輸水水質(zhì)的純凈，美觀等特點(diǎn)，已大量應(yīng)用于建筑給水和直飲水管道。深圳地鐵在2019 年進(jìn)行的衛(wèi)生間改造中，1、2、5 號線衛(wèi)生間給水全部采用304 薄壁不銹鋼管，此外，深圳地鐵10 號線給水也采用此種管材。主要缺點(diǎn)是：價格貴。

3 深圳地鐵使用管材統(tǒng)計(jì)

表1中從已運(yùn)行的地鐵線路來看，沒有嚴(yán)格按規(guī)范要求來選用管材。

4 管道銹蝕故障原因分析

從深圳地鐵1、2 號線2017、2018 年兩年的管道故障分析可知,33%的故障是因此銹蝕而發(fā)生。銹蝕故障，大部分位于有結(jié)構(gòu)滲漏水的地方，如區(qū)間人防門處、伸縮縫、過軌處、支撐于地面的支架而地面有積水，車站主要是站臺板下、集水池中、風(fēng)亭。而比較干燥的地方如環(huán)控機(jī)房、走道、公共區(qū)、出入口等處,銹蝕故障少,所以銹蝕的直接原因就是有結(jié)構(gòu)水或水蒸氣。

表1 深圳地鐵給排水管材選用統(tǒng)計(jì)

4.1 管線銹蝕機(jī)理

金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬由能量高的單質(zhì)狀態(tài)自發(fā)地朝能量低的化合物轉(zhuǎn)變。其特點(diǎn)是自發(fā)（不可逆）、放熱。分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕是單純的化學(xué)作用，這種腐蝕占比不大，影響也較小，主要發(fā)生在高溫設(shè)備；電化學(xué)腐蝕是金屬與電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。金屬在大氣、土壤、海水中、人體內(nèi)以及絕大多數(shù)工業(yè)介質(zhì)中的腐蝕都是電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕的機(jī)理是腐蝕性原電池。腐蝕性原電池分為宏觀腐蝕電池和微觀腐蝕電池。

（1）宏觀腐蝕電池。異金屬接觸電池：兩種不同金屬接觸，并處于電解質(zhì)中時，電位較負(fù)的金屬遭受腐蝕，電位較正的金屬得到保護(hù)，也稱腐蝕電偶。地鐵管線中,球墨鑄鐵和熱鍍鋅鋼管有大量接觸,形成此種電池。濃差電池：氧氣濃度較高的區(qū)域電位較正，氧氣濃度低的區(qū)域電位較負(fù)，遭受腐蝕。在地鐵工區(qū)中,區(qū)間人防門后，管道閥門的腐蝕疑是此種電池。溫差電池：由高溫引起，高溫部分為陽極，低溫部分為陰極。在地鐵工區(qū)中,還未發(fā)現(xiàn)此種電池。

（2）微觀腐蝕電池。由于金屬表面電化學(xué)不均勻引起,如化學(xué)成分不均勻有雜質(zhì)、組織結(jié)構(gòu)不均勻,物理狀態(tài)不均勻、金屬表面膜不完整等,微觀腐蝕電池主要指管材的質(zhì)量。地鐵工區(qū)中，存在這樣的電池，如各個水泵出水管組件上，單個管件銹蝕嚴(yán)重，就是這個原因，如僅僅法蘭、螺母、彎頭等銹蝕。

4.2 地鐵管線的特殊性

地鐵車輛采取電力驅(qū)動，受電方式有接觸網(wǎng)受弓受電和接觸軌受流器受電兩種，深圳地鐵除3 號線是接觸軌受流器受電外，其余各線均為接觸網(wǎng)受弓受電，供電額定電壓為DC1500V，采用走行軌回流。這樣的牽引系統(tǒng)，必定存在著雜散電流，即迷流。地鐵的雜散電流對城市建筑和地鐵本身有較大的腐蝕作用。尤其是隧道內(nèi)的金屬管、地鐵車輛段內(nèi)埋地金屬管，腐蝕最為嚴(yán)重。腐蝕性電池是自發(fā)進(jìn)行的腐蝕，而迷流腐蝕則是外力驅(qū)動，腐蝕大小由迷流大小決定。迷流腐蝕的大小與結(jié)構(gòu)滲漏水有關(guān)，結(jié)構(gòu)滲漏水大→鋼軌對地絕緣變小→迷流增大→腐蝕大，如深圳地鐵2、5號線，區(qū)間滲漏水量大，腐蝕嚴(yán)重。滲漏水小→迷流小→腐蝕小，如深圳地鐵1 號線，區(qū)間滲漏水量小，較干燥，腐蝕輕。

滲漏水的存在,改變了區(qū)間管線腐蝕的機(jī)理，由化學(xué)腐蝕變?yōu)殡娀瘜W(xué)腐蝕，將腐蝕加劇。深圳地鐵現(xiàn)有線路中,全部安裝了雜散電流自動監(jiān)測系統(tǒng),結(jié)構(gòu)水較多的區(qū)間如5 號線的興-留片區(qū),極化電壓超過±500MV 的數(shù)量及超過的幅度都比較大,興-留區(qū)間的管線也是腐蝕較大的片區(qū)之一。

隧道區(qū)間的環(huán)境因素如風(fēng)力、鐵屑也是致銹因子。滲漏水滴在管線上，鐵屑被吹起落到管線上，形成鐵浸在水中的狀態(tài)，鐵屑開始生銹，該銹生成后破壞掉管線表層的防腐層，再對管線腐蝕，風(fēng)力像一個攪拌機(jī)，加快了生銹的速率。

5 對策

為防止管道腐蝕，相應(yīng)的規(guī)范有要求，如《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157—2013）14.1.7 給水與排水金屬管道應(yīng)采取防止雜散電流腐蝕的措施，《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》（CJJ 49—92）2.01條四、在地鐵沿線敷設(shè)的各種電纜、水管等管線結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇符合雜散電流腐蝕防護(hù)要求的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方法。管材選用，首先要符合或順應(yīng)規(guī)范要求。但實(shí)際設(shè)計(jì)與施工時，僅僅是進(jìn)水管與市政管線用PE管絕緣隔離、管卡與管道間用三元乙丙橡膠絕緣隔離，只有兩項(xiàng)措施，且簡單。這樣的措施滿足不了實(shí)際需要，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況設(shè)計(jì)合理的防護(hù)措施，不能一個標(biāo)準(zhǔn)一刀切。如對于盾構(gòu)區(qū)間，結(jié)構(gòu)水少，可以采取這兩項(xiàng)措施，對于礦山法的區(qū)間，結(jié)構(gòu)水多，則必須有其他的措施，如采取接地或如陰極保護(hù)等其他方法。

管道防腐的維護(hù)，應(yīng)當(dāng)重視起來，加強(qiáng)研究試驗(yàn)，不能只采取傳統(tǒng)的涂刷油漆的單一方法，且對油漆沒有研究，我司數(shù)十年來采購的防銹漆都是醇酸鐵紅防銹漆，是通用型的，沒有區(qū)分防腐的構(gòu)件是位于水下還是空氣中、是室外還是室內(nèi)、是化學(xué)腐蝕還是電化學(xué)腐蝕，沒有針對性。應(yīng)加以改正，全方位選擇防腐涂料，達(dá)到防腐的效果。同時，管線表面衛(wèi)生也應(yīng)重視。

6 結(jié)論

對金屬管材的選擇，通常從金屬管材的經(jīng)濟(jì)性以及耐腐蝕性選擇不同層次材質(zhì)，想要對金屬管材進(jìn)行有效防腐蝕，首先應(yīng)對該材料的使用環(huán)境以及相關(guān)腐蝕因素進(jìn)行調(diào)研，根據(jù)調(diào)查結(jié)果選擇合適的金屬管材，綜合以上的分析，從規(guī)范要求、使用效果得出以下結(jié)論。

6.1 管材選用

（1）鍍鋅鋼管：價格最低，目前管材價為124.7 元/m（DN150×4.5），以下位置宜選用鍍鋅鋼管，如風(fēng)亭處消防進(jìn)水管、設(shè)備房內(nèi)消防水管、走道上、公共區(qū)等三處的消防給水管，選擇鍍鋅鋼管，溝槽連接,螺栓螺母采用不銹鋼。

（2）內(nèi)外涂環(huán)氧樹脂管：價格比鍍鋅鋼管稍高，比球墨鑄鐵管稍低，目前管材價為175.16 元/m（DN150），項(xiàng)目價680 元/m。以下位置宜選用內(nèi)外涂環(huán)氧樹脂管，如站臺板下消防管、去區(qū)間的消防立管、區(qū)間消防管。溝槽連接，螺栓螺母采用不銹鋼。

（3）不銹鋼管材: 價格最高，目前管材價為489.63 元/m（DN150×3.0），項(xiàng)目價1326 元/m，以下位置宜選用不銹鋼管材，如生活給水管（包括室內(nèi)、室外橫跨馬路）、衛(wèi)生間給水管、區(qū)間過軌水管、集水池內(nèi)壓力排水管等。

6.2 防護(hù)措施

（1）市政進(jìn)水管在新風(fēng)道處安裝500mm～1000mm長PE管隔離；（2）車站與區(qū)間的消防水管在立管處用500mm～1000mm 長PE 管隔離；（3）管道與支架間用三元乙丙絕緣；（4）結(jié)構(gòu)水較多的區(qū)間采用陰極保護(hù)法；（5）將管材接地處理；（6）管線表面要保持衛(wèi)生；（7）防腐與重防腐的選擇。①醇酸類鐵紅防銹漆，適用于空氣腐蝕的鋼鐵金屬表面，打底漆，后配套各種醇酸面漆，不能覆涂環(huán)氧，聚氨酯等涂料。在地鐵工區(qū)中，如車站范圍內(nèi)，周圍沒有滲漏水但易生銹的區(qū)域，如公共區(qū)、設(shè)備房、走道、出入口人防門后、各種設(shè)備、管線表面,都用此種油漆,該漆用途廣、價格便宜，缺點(diǎn)是易起皮,最快三年就在表面未處理好的地方開始起皮,十年左右全部起皮,所以地鐵工區(qū)的上述區(qū)域，建議采用水性防銹漆而不用醇酸類鐵紅防銹漆。②環(huán)氧富鋅底漆，防腐性能優(yōu)異、機(jī)械性能好、附著力強(qiáng)，具有導(dǎo)電性和陰極保護(hù)作用，適用于儲罐、集裝箱、鋼結(jié)構(gòu)、鋼管、海洋平臺、船舶、海港設(shè)施以及惡劣防腐蝕環(huán)境的底涂層，配套油漆為環(huán)氧云鐵中間漆、丙烯酸聚氨酯面漆或氟碳面漆。在地鐵工區(qū)中，適用于區(qū)間設(shè)備、車站風(fēng)亭處管道、滲漏水處設(shè)備、水池中管道。室外管道次選環(huán)氧煤瀝青,如風(fēng)亭處、冷卻水管等。

選擇合適的金屬管道及施加有效地防護(hù)措施，固然可以降低或減緩管道的腐蝕程度，不過這種措施總是被動的。為了保證管道的合理使用年限，應(yīng)當(dāng)在金屬管道的防腐預(yù)制及施工過程中，嚴(yán)格把好工程質(zhì)量關(guān)，盡量避免管道防腐層被破壞；管道埋地前對補(bǔ)口及補(bǔ)傷情況嚴(yán)格按照驗(yàn)收規(guī)范進(jìn)行檢查驗(yàn)收。只有采取積極的質(zhì)量控制措施才是防止金屬管道腐蝕的根本保證。