秦曉川

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 工程背景

珠江三角洲水資源配置工程輸水隧洞總長154km，根據隧洞穿越地區(qū)特點，其中85.4km采用D6.0m盾構法施工，盾構隧洞埋深40～60m，隧洞承受50～110m內水壓力，采用DN4.8m帶加勁環(huán)鋼管內襯，鋼管壁厚20～26mm，加勁環(huán)間距2m，厚度30mm，高度120mm，管片與鋼管之間采用自密實混凝土填充。工程設計使用年限為100年，為了使內襯鋼管的壽命與工程使用年限相匹配，必須加強鋼管的防腐措施和后期維護。工程每年安排1個月檢修時間，檢修時首先將隧洞內的積水通過沿線設置的排水泵站抽排干凈，然后人員和車輛攜帶設備進入隧洞進行檢查和維護。

為了方便檢修，在隧洞底部設置了寬度2.5m的交通平臺，滿足檢查和少量分批維護需求，但大型機械難以進入管道內部開展大面積維護作業(yè)。因此要求設計采用可靠的防腐體系，盡量延長鋼管壽命，減少后期大面積維護次數。

2 輸水鋼管腐蝕機理

本工程內襯鋼管采用Q355C低合金高強鋼，設計流速2.2m/s。根據有關資料[1]，A3鋼管在流速1.8m/s情況下，年平均腐蝕速度約為0.7mm/a，但在發(fā)生局部腐蝕或干擾腐蝕的情況下，壁厚8～9mm鋼管2～3個月就可能穿孔。鋼管泄漏點累積數量與時間呈半對數關系，第一次泄漏發(fā)生后隨著時間的推移泄漏次數急劇增加，采取有效的防護措施后可使泄漏發(fā)生率大幅下降，同時延長了鋼管的使用壽命。

原水對輸水鋼管內壁的腐蝕，最主要的是電化學腐蝕，其次是生物腐蝕，對于一般輸水工程流速約2.0m，物理作用如泥砂沖蝕等作用微小。電化學腐蝕是鋼鐵與外部介質發(fā)生電化學反應而形成的腐蝕，即在腐蝕過程中不僅有化學反應，同時還有電流產生。同時，由于水中存在大量微生物和藻類，特別是南方地區(qū)輸水管道中普遍附著生長一種淡水殼菜(俗稱沼蛤，別名“死不了”或“死不丟”)[2]，其活動將產生微生物腐蝕(MIC)，與電化學腐蝕“狼狽為奸”[3]。

3 輸水鋼管外防腐方案

對于一般埋地輸水鋼管，外壁可采用涂料或3PE再輔以陰極保護[4- 5]。本工程鋼管內置于盾構隧洞內，對于鋼管外壁而言，存在腐蝕的因素主要有：①盾構管片存在滲漏點，根據水文地質資料，沿線部分地下水對鋼結構具有微或弱腐蝕性，當管片外地下水內滲后對鋼管外壁產生腐蝕作用；②當鋼管焊縫局部缺陷，發(fā)生內水外滲時，也會對鋼管外壁產生腐蝕，而鋼管與管片之間的空間僅150mm，無維護條件，故本工程采用自密實砼對管片與鋼管之間的空隙進行充填，利用自密實砼將鋼管外壁包裹，達到保護鋼管外壁的目的。但是，根據計算，當鋼管受設計內水壓力作用時，鋼管膨脹變形會導致外部包裹的自密實砼產生微小開裂。同時，為了鋼管在制作運輸過程保護鋼管不生銹，也要求對鋼管外壁進行防腐，并要求防腐層具備硬度高、耐刮碰的性能。綜上，由于本工程盾構隧洞內襯鋼管外表面無檢修條件，充填的自密實砼會產生微小開裂，地下水內滲或原水外滲會導致鋼管外壁腐蝕等情況，要求鋼管外防腐必須盡量長效，并具有和自密實砼良好結合的功能。

因此，外防腐可考慮采用水泥砂漿防腐，與自密實砼能良好銜接。普通水泥砂漿對鋼管的保護原理：水泥砂漿防腐層除了有一定的隔離作用，更主要是通過調整鋼材表面環(huán)境來達到防腐。水滲過水泥砂漿層到達鋼材表面時已成為pH 值高于12 的溶液(利用砂漿溶液中析出來的Ca2+離子(pH值10～12)在鋼管表面形成一層致密的鈍化膜，從而抑制了水的浸蝕)，鋼材在這樣的環(huán)境中不再腐蝕。水泥砂漿與鋼管之間的結合力主要有3種力，即水泥砂漿凝固硬結時體積收縮而緊附鋼管表面的摩擦力，水泥微粒的水化作用形成的凝膠體對鋼管道表面產生的膠結力，及因鋼管道粗糙與砂漿產生的機械咬合力，這3種力致使砂漿防腐層能牢固的附著在管壁上。但因總體附著力比較低，一般通過加鋼絲網骨架(或金屬擴張網)提高附著力，但防腐層中鋼絲網或鋼筋骨架的的存在，將帶來新的防腐問題。為了提高水泥砂漿的附著力，鋼管外防腐可采用聚合物改性水泥砂漿涂料，聚合物改性水泥砂漿相比普通水泥砂漿，前者由于水溶性聚合物的加入，有效阻止了砂漿中Ca(OH)2不斷析出被流水帶走，抑制了環(huán)境水中氯化物、硫酸鹽的置換反應，而與鋼管接觸面附近析出的Ca(OH)2溶液形成一層鈍化面[6]，保護鋼管免受電化學腐蝕，其長效性的保護能力也得到國際上大量工程實例的驗證。該種涂料因本身是水泥基材料，所以又能與包裹鋼管的自密實砼良好結合，與本工程盾構隧洞內襯鋼管復合襯砌結構型式的設計理念吻合很好。珠三角項目采用高壓無氣噴涂聚合物改性水泥砂漿，隨著時間增長附著力逐漸增強，1年時間的實測附著力高達22MPa。

4 輸水鋼管內防腐方案

本工程輸水隧洞內壁因為受南方地區(qū)普遍存在的淡水殼菜影響，每年安排有檢修期進行清理。否則，淡水殼菜的持續(xù)生長會造成管道過水斷面減小、水損增加、過流能力不足、運行電費增加、影響水質安全等問題。因此，對內防腐涂層的硬度和耐磨方面提出特別高的要求。一般供水工程管道內壁防腐方案主要有無溶劑環(huán)氧涂層、砂漿襯里配合無溶劑環(huán)氧防腐涂層、熱軋不銹鋼復合管、電弧噴焊不銹鋼防腐層和熔結環(huán)氧粉末(FBE)等方案。

一般無溶劑環(huán)氧和砂漿襯里壽命可達20～30年，但單純采用無溶劑環(huán)氧壽命達不到本工程設計要求；單純采用砂漿襯里，受南方淡水中殼菜影響，淡水殼菜通過分泌足絲附著在水泥砂漿上，足絲逐漸從砂漿表層向內部延伸，引起砂漿產生裂隙、脫落，從而使水進入砂漿和鋼管內部導致鋼絲網和鋼管銹蝕。另外，水泥水化產物的析出為微生物和藻類的生長提供了優(yōu)越的環(huán)境。因此，淡水殼菜對砂漿的侵蝕過程包括物理侵蝕與化學腐蝕雙重作用，砂漿襯里壽命滿足不了設計壽命要求。在砂漿表面增涂一層無溶劑環(huán)氧，或噴涂水性滲透結晶材料，提高砂漿密實性，可提高砂漿壽命，但效果有待試驗驗證。

熱軋不銹鋼復合鋼板將碳鋼基層與不銹鋼覆層(1～2mm厚)加工成真空狀態(tài)下的復合鋼坯，經過高溫高壓軋制加工而成，使得碳鋼與不銹鋼之間實現(xiàn)完全的冶金結合，具有不可剝離性，形成一種半合金新型材料。SUS304不銹鋼在淡水中年平均腐蝕速度小于0.0001mm/a[7]，將不銹鋼覆層作為內壁過水面，幾乎能達到永久免維護的目的。但除投資較大外，雙金屬管道的抗腐蝕性能、可靠性和雙金屬腐蝕機理需進一步研究[8]。同理，電弧噴焊不銹鋼防腐層能提高表面耐磨性，一般應用于局部和小型構件，如水輪機葉片、傳動軸等表面防護，大面積運用需要理論、標準和應用技術完善。

環(huán)氧粉末涂料(FBE)防腐層應用于管道工業(yè)的歷史已經近60年，連續(xù)使用了50多年的FBE防腐層仍然有效。粉末涂料的基料是環(huán)氧基、羥基和醚基等較為活潑的極性集團的環(huán)氧樹脂為主要成分[9]，與經過表面處理后的鋼管具有優(yōu)異的附著力。將FBE施涂于經預熱的鋼鐵表面，F(xiàn)BE快速熔化、澗濕、流平、交聯(lián)、固化形成一道均勻的涂層即高分子膜，分子線性預聚體交聯(lián)成立體網狀結構，這個膜既有附著力又有軔性，并且能夠阻隔水，防止腐蝕發(fā)生。大多數情況下附著力來自次級化學鍵或極性鍵，如果固化溫度達到230℃，則FBE涂層可能與鋼鐵表面形成化合鍵，附著力進一步提高[10]。

在前期調研和資料查詢中，通過對國家材料環(huán)境腐蝕平臺上公開的武漢淡水站(23個試塊)、鄭州淡水站(18個試塊)、舟山海水站(32個試塊)和三亞海水站(20個試塊)的自然淡(海)水環(huán)境8年試驗腐蝕圖譜和結果進行分析，得出環(huán)氧粉末涂層普遍結論是“未見明顯變化”，僅海水浪賤區(qū)腐蝕較重，但相對其他種類涂層，耐久性仍然較好。

環(huán)氧粉末是一種完全不含溶劑、以粉末形態(tài)噴涂并熔融成膜的新型涂料，能夠抵御淡水中的微生物對于涂層的侵蝕，防止淡水殼菜足絲破壞；涂層的堅韌性、耐磨性、抗沖擊力、與鋼管的附著力等很強，在每年停水檢修期，可采用高壓水或塑料鏟清除表面生長的淡水殼菜；自動化生產線施工，以及將鋼管加熱至200℃以上，很大程度上去除了鋼管表面污漬，涂層施工質量能夠有效得到保障；施工期不產生揮發(fā)性物質，滿足環(huán)保要求，粉末涂料中揮發(fā)性有機化合物(VOC)含量通常很少，歸入低揮發(fā)性有機化合物含量涂料產品(GB/T 38597—2020)。環(huán)氧粉末施工主要有中頻加熱靜電噴涂、燃氣加熱滾涂和流化床浸涂等工藝，大直徑鋼管主要采用前兩種工藝。

施工難度方面，包括工廠整管涂裝和隧洞內現(xiàn)場拼接后補口，砂漿襯里加無溶劑環(huán)氧方案為常規(guī)施工工藝；復合不銹鋼管方案在洞內拼裝焊接需采用雙金屬焊接工藝；電弧噴焊不銹鋼方案需要研發(fā)自動化噴涂裝置，但難度不大；在珠三角工程之前，國內已經有直徑4.0m光面鋼管熔結環(huán)氧施工案例，但沒有DN4.8m帶加勁環(huán)鋼管內熔結環(huán)氧粉末方案，需要投入研發(fā)成本。

珠三角工程試驗段采用了中頻加熱施工方案，大直徑鋼管環(huán)氧粉末施工需要旋轉臺車上全管預熱、再螺旋加熱至220℃左右，考慮到鋼板彈性模量隨溫度變化情況(圖1)，采用ANSYS和SolidWorks對鋼管進行變形模擬，模型如圖2所示，本工程鋼管壁厚在20～26mm，加勁環(huán)高度120mm，厚度28mm，間距2m，考慮鋼管最不利情況下整體平均溫度為180℃左右，鋼管的彈性模量為190GPa，計算出鋼管豎向最大變形17～12mm，如圖3—4所示。

目前，珠三角工程已經實現(xiàn)DN4.8m帶加勁環(huán)鋼管內熔結環(huán)氧粉末的生產安裝，各項性能指標達到了設計要求。實測附著力28MPa，鉛筆硬度達到5H。

圖1 鋼管彈性模量變化圖

圖2 鋼管變形分析模型

圖3 鋼管斷面有限元分析變形結果

圖4 鋼管三維模型有限元分析變形結果

投資方面，砂漿襯里加無溶劑環(huán)氧方案由于涉及到2道工序和2種材料，投資較高；熔結環(huán)氧粉末方案由于是國內首次應用于大直徑帶加勁環(huán)鋼管，無成熟的成套設備，必須定制設備，工廠一次性投資較大；熱軋不銹鋼復合管方案制作后減少了一道內防腐工藝，只是在環(huán)縫和縱縫焊接上需要切換焊絲，主要是材料本身投資較大。綜合以上3種防腐方案，經過測算，本工程采用熔結環(huán)氧粉末方案相對投資較省，見表1。

表1 盾構隧洞內襯鋼管防腐方案投資比較表

從耐久性、投資、環(huán)保、應用案例、施工難度等方面綜合比較，熔結環(huán)氧粉末內防腐較適合本工程應用條件。

5 結語

(1)熔結環(huán)氧粉末涂層在近幾年國內中小直徑的輸水鋼管上應用逐漸增多，本次在珠三角水資源配置工程直徑4.8m帶加勁環(huán)鋼管上應用成功，對其他大直徑鋼管輸水工程、水電站等引水鋼管的防腐方案具有一定的參考價值。

(2)珠三角水資源配置工程因為結構特點，選擇切實有效的鋼管防腐方案對工程質量、安全、壽命是至關重要的。鋼管外壁采用環(huán)氧聚合物改性水泥砂漿防腐，干膜厚不小于1000μm，施工采用高壓無氣噴涂方式。鋼管內壁采用熔結環(huán)氧粉末涂層，干膜厚不小于450μm，目前施工工藝采用中頻加熱方式。