葛華飛

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司,上海 200092)

0 引言

鋼管具有強(qiáng)度和韌性高、各類地質(zhì)條件適用性強(qiáng)、管材及管件易加工的優(yōu)點(diǎn),是大口徑給水管線常用管材。鋼管自身耐銹蝕性差,鋼管內(nèi)外防腐層質(zhì)量直接影響鋼管使用壽命。目前大口徑給水鋼管常用的外防腐方式有環(huán)氧煤瀝青、熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)和三層聚乙烯防腐(3PE),內(nèi)防腐方式有水泥砂漿、液體環(huán)氧涂料和FBE。各類防腐方式主要特性和使用條件不同,應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)選擇合適的防腐方式。

1 外防腐

1.1 環(huán)氧煤瀝青

采用煤焦油瀝青、大分子環(huán)氧樹(shù)脂、填料制成的環(huán)氧煤瀝青涂料,具有高強(qiáng)度、絕緣、耐水、耐高溫、耐腐蝕、抗菌等特性,結(jié)構(gòu)包括一層底漆和多層面漆,中間穿插玻璃纖維布增強(qiáng),分為三個(gè)等級(jí):普通級(jí)、加強(qiáng)級(jí)、特加強(qiáng)級(jí)。詳細(xì)的情況見(jiàn)表1[1],“六油兩布”最為常用。

表1 環(huán)氧煤瀝青防腐層等級(jí)與結(jié)構(gòu)

防腐層涂敷前,先進(jìn)行鋼管表面處理,采用噴射除銹和空氣吹掃,除銹等級(jí)、灰塵等級(jí)達(dá)標(biāo),表面處理合格后4 h內(nèi)涂敷防腐層,可采用高壓無(wú)氣噴涂或手工涂敷,每次涂覆應(yīng)均勻,不漏涂,不留氣泡,下一道漆在上一道漆表干后固化前涂敷,涂敷完成后,自然靜置固化[2]。

環(huán)氧煤瀝青防腐已有60 a使用歷史,成本較低,目前特加強(qiáng)級(jí)防腐市場(chǎng)價(jià)約60元/m2～70元/m2,具有防腐效果好,生產(chǎn)條件要求低,質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn),至今仍廣泛使用,如廣州西江引水工程DN1 600～DN3 600輸水管、南京江北應(yīng)急水源工程DN1 600～DN2 600輸水管均采用“六油兩布”環(huán)氧煤瀝青防腐。

1.2 熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)

FBE以氣體為載體,將固態(tài)涂料涂敷于預(yù)熱后的鋼管表面,經(jīng)過(guò)熔化、流平、固化形成一條均勻的保護(hù)膜。FBE技術(shù)最早于1960年在國(guó)外開(kāi)發(fā),1980年引進(jìn)國(guó)內(nèi),得到廣泛應(yīng)用。FBE中高極性和活性的環(huán)氧基與金屬表面形成化學(xué)鍵后具有很強(qiáng)的黏結(jié)力,環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑等組分均勻地分布于每個(gè)FBE顆粒,涂料在熔融固化時(shí)交聯(lián)充分。FBE涂層機(jī)械性能好,能適應(yīng)鋼管在頂管過(guò)程中擠壓、撞擊、磨擦、彎曲等作業(yè)環(huán)境要求,同時(shí)耐腐蝕和老化。FBE外防腐涂層一般分單層和雙層結(jié)構(gòu),每種結(jié)構(gòu)分普通級(jí)、加強(qiáng)級(jí)兩個(gè)級(jí)別,詳見(jiàn)表2[3]。

表2 FBE外防腐層等級(jí)與結(jié)構(gòu)

防腐層涂敷前,先進(jìn)行鋼管表面處理,表面處理合格后,采用無(wú)污染的熱源將鋼管均勻加熱至涂料生產(chǎn)商推薦的溫度,一般在180 ℃～250 ℃之間,FBE先在流化床內(nèi)充分流化,靜電噴涂至鋼管表面后受熱熔化、流平,經(jīng)1 min～1.5 min的固化后,采用空氣或水降溫冷卻。鋼管表面處理效果、材料性能、溫度控制、流平均勻性、固化效果等均會(huì)影響FBE涂層質(zhì)量,工藝條件要求較高。

FBE防腐在國(guó)內(nèi)已有30多年使用歷史,單價(jià)與環(huán)氧煤瀝青涂料相似,市場(chǎng)價(jià)約60元/m2～70元/m2,相比于環(huán)氧煤瀝青,更加環(huán)保,且機(jī)械性優(yōu)越,堅(jiān)韌耐磨,可用于頂管施工,應(yīng)用廣泛,如鹽城新水源地及引水工程DN2 200～DN2 400輸水管、黃浦江上游水源地連通管工程DN3 600～DN4 000輸水管(頂管)、上海青草沙原水工程DN1 600～DN3 600輸水管(頂管)均采用400 μm厚的FBE涂層。由于FBE涂層生產(chǎn)工藝要求高,需嚴(yán)格把控產(chǎn)品質(zhì)量,質(zhì)量差的FBE涂層使用一段時(shí)間后易脫落。

1.3 三層聚乙烯防腐(3PE)

3PE防腐層由熔結(jié)環(huán)氧粉末底層、聚合物膠粘劑中間層和聚乙烯面層組成。FBE底層提供附著力、耐腐蝕性,膠粘劑層與FBE層融合,并與聚乙烯層黏結(jié),聚乙烯層提供耐候性、抗機(jī)械損傷性,分為普通級(jí)、加強(qiáng)級(jí)兩個(gè)級(jí)別,詳見(jiàn)表3[4]。

表3 3PE防腐層等級(jí)與結(jié)構(gòu)

FBE底層涂敷與1.2小節(jié)相同,FBE膠化過(guò)程中涂敷膠黏劑,將聚乙烯側(cè)向纏繞于膠粘劑之上,輥壓密實(shí),用水冷卻,確保FBE層完全固化。3PE涂層質(zhì)量主要受FBE底層質(zhì)量的影響,工藝條件要求較高。

3PE防腐在國(guó)內(nèi)已有30多年使用歷史,應(yīng)用效果好,缺陷報(bào)道少,適用于強(qiáng)腐蝕性等各種惡劣環(huán)境條件,但成本較高,目前市場(chǎng)價(jià)約100元/m2～120元/m2,常用于國(guó)家重點(diǎn)項(xiàng)目,如西氣東輸工程、南水北調(diào)工程。

2 外防腐選擇建議

環(huán)氧煤瀝青,FBE,3PE外防腐綜合對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 外防腐綜合對(duì)比

位于一般腐蝕環(huán)境的直埋管道,可采用環(huán)氧煤瀝青或FBE防腐,位于強(qiáng)腐蝕環(huán)境或?qū)艿婪栏踩燃?jí)要求高的管道,可采用3PE防腐,頂管外防腐一般采用FBE或環(huán)氧玻璃鱗片,環(huán)氧煤瀝青防腐不耐機(jī)械磨損,而3PE防腐在頂管中受到土壤磨阻和頂管頭部剪切力會(huì)造成聚烯烴的剝離,但近年來(lái)也有3PE防腐鋼管用于頂管的工程案例。

3 內(nèi)防腐

3.1 水泥砂漿

水泥砂漿內(nèi)防腐通過(guò)離心機(jī)或管道噴涂機(jī)在鋼管內(nèi)壁噴涂水泥砂漿,在鋼管內(nèi)壁形成一層致密的保護(hù)層,將鋼管內(nèi)壁與水或空氣隔離。水泥砂漿與鋼管具有基本相同的熱膨脹率,在以下3種作用力下水泥砂漿與鋼管表面牢固結(jié)合:1)水泥水化產(chǎn)生的膠結(jié)力;2)水泥體積收縮產(chǎn)生的摩擦力;3)水泥與不平整的管內(nèi)壁之間的機(jī)械咬合力。除了物理隔離作用外,水泥砂漿可在管內(nèi)壁表面生成pH高達(dá)12的堿性鈍化區(qū),具有化學(xué)防護(hù)效果。水泥砂漿襯里表面平整均勻,能形成一層錳系滑膩物,粗糙系數(shù)可以維持在0.012左右,隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)還會(huì)進(jìn)一步降低。在水里硅酸鹽水泥水化生成水化碳酸鈣等,可以修復(fù)裂縫。

現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí),水泥砂漿應(yīng)在鋼管道鋪設(shè)完畢,試壓合格且覆土夯實(shí),鋼管保持穩(wěn)定狀態(tài)下施工;工廠預(yù)制時(shí),襯里施工完畢的管道在堆放、運(yùn)輸、裝卸安裝及回填期間均應(yīng)保持穩(wěn)定。施工前,應(yīng)清理鋼管內(nèi)壁,去除表面浮銹及污染物,焊縫凸起高度不得大于襯里厚度的1/3,用水清洗干凈,表面干燥后施工。采用機(jī)械噴涂時(shí),內(nèi)襯厚度和公差要求見(jiàn)表5,手工涂抹時(shí),厚度應(yīng)增加2 mm。內(nèi)襯凝固后應(yīng)及時(shí)澆水養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)溫度應(yīng)不小于10 ℃,時(shí)間不小于7 d,礦渣硅酸鹽水泥應(yīng)不小于14 d[5]。

表5 水泥砂漿襯里厚度及允許公差 mm

水泥砂漿防腐在國(guó)內(nèi)已有近百年使用歷史,成本較低,目前市場(chǎng)價(jià)約50元/m2,相比于環(huán)氧涂料和FBE防腐,工藝簡(jiǎn)單,鋼管表面前處理要求低,質(zhì)量可靠,為大口徑輸水管線常用防腐方式,近年的上海青草沙原水工程DN1 600～DN3 600輸水管、鹽城新水源地及引水工程DN2 200～DN2 400輸水管、黃浦江上游水源地連通管工程DN3 600～DN4 000輸水管、杭州大毛塢—仁和大道供水管道工程DN3 400輸水管均采用水泥砂漿內(nèi)襯。2002年上海楊樹(shù)浦水廠出廠管改造時(shí)發(fā)現(xiàn),已運(yùn)行120 a之久的DN600水泥砂漿內(nèi)襯鋼管,內(nèi)襯依然保持完好。

3.2 液體環(huán)氧涂料

液體環(huán)氧涂料分為有溶劑型和無(wú)溶劑型,有溶劑型環(huán)氧涂料成膜物質(zhì)含量約為50%～80%,其余為揮發(fā)性溶劑,一般有毒性,無(wú)溶劑型環(huán)氧涂料成膜物質(zhì)含量接近100%,相同涂層厚度,相比于有溶劑型,無(wú)溶劑型環(huán)氧涂料具有用量小,涂刷次數(shù)少,安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),故給水管道內(nèi)防腐一般采用無(wú)溶劑型液體環(huán)氧涂料。液體環(huán)氧涂料為雙組分涂料,主要成分一般為環(huán)氧樹(shù)脂,并加入固化劑、改性劑、填料等添加劑。根據(jù)不同功能需求,調(diào)整組成成分,制成底漆、面漆。底漆提供附著力、耐腐蝕性等,面漆提供裝飾性、耐劃傷、耐候性、耐腐蝕性等。部分涂料也會(huì)增加中間漆,如環(huán)氧富鋅底漆,常用環(huán)氧云鐵中間漆,提高漆膜厚度和底漆和面漆之間的附著力。

防腐層涂敷前,先進(jìn)行鋼管表面處理,采用噴射除銹和空氣吹掃,除銹等級(jí)、灰塵等級(jí)達(dá)標(biāo),表面處理合格后4 h內(nèi)涂敷防腐層。一般采用機(jī)械噴涂,涂敷時(shí),涂料應(yīng)平穩(wěn)輸送、霧化良好、速度均勻,防腐層應(yīng)平整、無(wú)流掛、無(wú)漏涂,多道涂敷應(yīng)控制間隔時(shí)間,防腐層固化應(yīng)控制好固化溫度和時(shí)間。涂敷不得在環(huán)境相對(duì)濕度大于85%,以及雨雪霧風(fēng)沙等惡劣天氣下進(jìn)行。液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐等級(jí)和厚度分為普通級(jí)、加強(qiáng)級(jí)、特加強(qiáng)級(jí)三個(gè)級(jí)別,詳見(jiàn)表6[6]。

表6 液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐等級(jí)與結(jié)構(gòu)

液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐具有防腐效果好、施工方便快捷、施工環(huán)境要求相對(duì)較低的特點(diǎn),目前市場(chǎng)價(jià)約50元/m2～60元/m2,是給水鋼管最常用的內(nèi)防腐方式之一,也是鋼制管配件及現(xiàn)場(chǎng)鋼管內(nèi)防腐補(bǔ)口最常用的防腐方式,廣州西江引水工程DN1 600～DN3 600輸水鋼管、南京江北應(yīng)急水源工程DN1 600～DN2 600輸水鋼管均采用液體環(huán)氧涂料內(nèi)防腐。

3.3 FBE

FBE內(nèi)防腐與外防腐特性、施工工藝基本相似,兩者區(qū)別在于外防腐采用快速固化粉末,固化時(shí)間短,一般為1 min～1.5 min,內(nèi)防腐采用普通固化粉末,固化時(shí)間長(zhǎng),一般在5 min以上,涂層流平好。FBE內(nèi)防腐層厚度見(jiàn)表7[7]。與外防腐相似,FBE內(nèi)防腐生產(chǎn)工藝條件要求高,但隨著FBE防腐生產(chǎn)工藝逐步成熟和完善,內(nèi)外FBE防腐鋼管,或內(nèi)FBE外3PE防腐鋼管應(yīng)用日趨廣泛,由于內(nèi)外防腐均采用FBE防腐工藝,提高了設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本,前景廣闊。

表7 FBE內(nèi)防腐層等級(jí)與結(jié)構(gòu)

4 內(nèi)防腐選擇建議

水泥砂漿、液體環(huán)氧涂料、FBE內(nèi)防腐綜合對(duì)比如表8所示。

表8 內(nèi)防腐綜合對(duì)比

水泥砂漿防腐的特點(diǎn)主要是對(duì)鋼管前處理要求低,且具有自愈性,使其安全性、可靠性較高,工廠預(yù)制的水泥砂漿防腐鋼管對(duì)施工期間管道穩(wěn)定性要求較高,無(wú)法用于頂管施工,頂管施工的管道需在頂管施工完畢后,現(xiàn)場(chǎng)施工水泥砂漿襯里。液體環(huán)氧涂料對(duì)鋼管前處理要求高,但施工方便快捷、施工環(huán)境要求相對(duì)較低,適用性廣,除鋼管直管防腐外,還經(jīng)常用于管配件的內(nèi)防腐和FBE內(nèi)防腐補(bǔ)口。FBE內(nèi)防腐機(jī)械性優(yōu)越,堅(jiān)韌耐磨,對(duì)鋼管前處理、工藝條件要求高,很少單獨(dú)使用,一般與FBE外防腐同時(shí)使用,提高生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

大口徑輸水鋼管內(nèi)外防腐方式需結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)進(jìn)行選擇,綜合考慮地質(zhì)條件、氣候條件、管道施工方式、項(xiàng)目工期要求、廠家生產(chǎn)技術(shù)水平、供貨周期和運(yùn)距、綜合成本等,選擇適應(yīng)外部環(huán)境條件、施工方便、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟(jì)合理的防腐方式。