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        高鹽漬地區(qū)PCCP供水管道的防腐機(jī)理和安全措施

        2023-12-07 07:00:14白文軒胡元澤何惠磊田曉姣鄭少飛樊小東
        全面腐蝕控制 2023年10期
        關(guān)鍵詞:鋼筒保護(hù)層鋼絲

        白文軒 胡元澤 何惠磊 史 睿 田曉姣 鄭少飛 李 銳 樊小東

        (寧夏長(zhǎng)城水務(wù)有限責(zé)任公司,寧夏 銀川 750000)

        0 引言

        我國國土面積大、水資源分布極不均勻,近年來在國家大力實(shí)施水資源合理調(diào)配的背景下,通過興建大型引、調(diào)水工程,以解決地域、縣域之間的供水問題。PCCP管道[1]以其具有耐高壓、防滲性好、內(nèi)壁光滑阻力小、安裝方便、維護(hù)費(fèi)用低等一系列的優(yōu)點(diǎn),已成為國內(nèi)大口徑、長(zhǎng)距離、高工壓的大型輸水管道項(xiàng)目的首選管材,其結(jié)構(gòu)圖見圖1?,F(xiàn)今PCCP已在多個(gè)工程中應(yīng)用,比如南水北調(diào)工程京石段、遼寧省重點(diǎn)輸水工程、山西萬家寨引黃工程、新疆ABH水資源配置工程、深圳東深供水工程、引江濟(jì)淮、引綽濟(jì)遼等。

        圖1 埋置式PCCP結(jié)構(gòu)示意圖

        PCCP分為兩種結(jié)構(gòu)型式:一種是在管芯外纏繞鋼筒,在鋼筒外表面直接纏繞施加了預(yù)應(yīng)力的鋼絲,之后再在鋼絲外側(cè)噴射澆筑砂漿保護(hù)層,稱為內(nèi)襯式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP-L);另一種是在鋼筒外側(cè)再澆筑一層混凝土,將鋼筒埋置于兩層混凝土中間,之后在外層混凝土再纏繞預(yù)應(yīng)力鋼絲,噴射砂漿保護(hù)層,這種稱為埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP-E)。

        雖然PCCP早在20世紀(jì)40年代就已產(chǎn)生,但直到20世紀(jì)80年代末才真正引入國內(nèi),且在2000年后PCCP才在我國得到廣泛應(yīng)用。經(jīng)過30多年的探索學(xué)習(xí)與發(fā)展,我國已經(jīng)基本建立起PCCP設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和安裝的一整套體系,但由于應(yīng)用時(shí)間較短,其在使用期間有許多新的問題產(chǎn)生,長(zhǎng)期埋置于地下的PCCP管道,在含酸性地下水和含高黏土土壤的地區(qū)中存在大量的SO42-、Cl-等腐蝕介質(zhì)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生腐蝕作用,造成最外層保護(hù)層膨脹、開裂、預(yù)應(yīng)力鋼絲銹蝕和斷裂,導(dǎo)致爆管現(xiàn)象出現(xiàn)。近些年國內(nèi)陸續(xù)出現(xiàn)了多起PCCP爆管事故,引起了人們的廣泛關(guān)注。爆管事故不僅造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi),甚至?xí){人們的生命安全。如何進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)和采用哪些安全措施已成為當(dāng)前PCCP研究的重點(diǎn),

        本文以寧夏“長(zhǎng)城能化管線DN1000PCCP供水”工程為依托開展相關(guān)試驗(yàn),通過研究PCCP管道腐蝕機(jī)理研究,針對(duì)性的提出相應(yīng)防腐措施,為同行業(yè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。圖1為埋置式PCCP管結(jié)構(gòu)示意圖。

        2 PCCP管的抗腐蝕性

        PCCP管是由混凝土管芯、鋼筒、預(yù)應(yīng)力鋼絲和外層水泥砂漿保護(hù)層組成的承插式復(fù)合管,預(yù)應(yīng)力鋼絲外面的水泥砂漿層厚度一般為25mm,由于砂漿層較薄,因此對(duì)強(qiáng)度和密實(shí)度要求很高。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定砂漿層的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不低于45MPa,吸水率平均值不超過9%,單個(gè)值不超過11%,吸水率是保證砂漿層密實(shí)性的控制性指標(biāo)。

        PCCP自身抗腐蝕性[2]主要從兩方面體現(xiàn),首先,PCCP外層的砂漿保護(hù)層隔離了預(yù)應(yīng)力鋼絲與外界腐蝕介質(zhì)的直接接觸,從而使預(yù)應(yīng)力鋼絲得到保護(hù),增加了管道的抗腐蝕能力。另外,PCCP的混凝土和砂漿采用硅酸鹽水泥,水泥中的純石灰與水反應(yīng)生成氫氧化鈣,氫氧化鈣的PH值為12.5~13.6。預(yù)應(yīng)力鋼絲等金屬在高堿性環(huán)境中鈍化后生成保護(hù)膜,其抗腐蝕性遠(yuǎn)大于砂漿隔離層的作用。砂漿保護(hù)層上述兩種抗腐蝕功能,保證了PCCP的耐久性。

        3 PCCP管的腐蝕機(jī)理

        PCCP具有的高抗腐蝕性[3,4],使其得到廣泛的應(yīng)用,一般環(huán)境下使用壽命都在50年以上,國外很多的工程實(shí)例都予以證實(shí)。但埋設(shè)在腐蝕環(huán)境下,若不采用有效的防腐蝕保護(hù)措施,工程中極易出現(xiàn)斷絲爆管事故,并且可能造成巨大損失。其主要存在以下幾方面的腐蝕。

        3.1 侵蝕性腐蝕

        3.1.1 氯離子侵蝕

        氯離子滲透性很強(qiáng),在有電解溶液的條件下,可滲透穿過隔離層接觸到金屬表面,與管道中金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氯化亞鐵,在有氧時(shí)發(fā)生電化學(xué)作用生成氫氧化化亞鐵,金屬被腐蝕,同時(shí)置換出氯離子。新生氯離子可以繼續(xù)上述反應(yīng),并進(jìn)一步侵蝕PCCP預(yù)應(yīng)力鋼絲。

        3.1.2 硫酸鹽侵蝕

        硫酸鹽濃度高時(shí),硫酸根(SO42-)的含量也高,SO42-對(duì)PCCP的侵蝕屬結(jié)晶性腐蝕。一方面SO42-與PCCP中的Ca+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硫酸鈣(CaSO4·2H2O),二水石膏結(jié)晶體積增大1倍多;另一方面硫酸鹽又與混凝土和砂漿中鋁酸三鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成硫鋁酸鈣(鈣磯石)結(jié)晶,膨脹力達(dá)20MPa。結(jié)晶后體積的增大和膨脹力的增大,可降低PCCP混凝土或砂漿強(qiáng)度指標(biāo),進(jìn)而導(dǎo)致砂漿層破壞。

        3.1.3 活性二氧化碳(CO2)侵蝕

        CO2與混凝土或砂漿中的氫氧化鈣作用生成碳酸鈣(所謂碳化[5]),碳酸鈣的pH值比氫氧化鈣低,這樣埋設(shè)在混凝土或砂漿中的金屬表層氧化膜會(huì)受到破壞。侵蝕性CO2活度高時(shí),又能將混凝土或砂漿表面難溶解的碳酸鈣變成碳酸氫鈣 (CaHCO3), 碳酸氫鈣的溶解性強(qiáng),溶解度達(dá)到1890mg/L,溶解后被水帶走,同時(shí)使混凝土或砂漿深層的氫氧化鈣裸露。新裸露出來的氫氧化鈣又與CO2反應(yīng)生成碳酸鈣薄膜層,該薄膜層繼續(xù)與活性CO2反應(yīng)生成可溶性的碳酸氫鈣,溶于水后被帶走,如此不斷的反復(fù),直至混凝土或砂漿層完全侵蝕破壞,PCCP的預(yù)應(yīng)力鋼絲也就失去保護(hù)。

        3.2 強(qiáng)酸性腐蝕

        強(qiáng)酸性侵蝕指地下水或土壤中的pH值低,pH值低則溶液中酸性強(qiáng),對(duì)管道砂漿層及y預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼筒腐蝕程度增加。強(qiáng)酸性侵蝕除與pH值有關(guān)外,還與土壤中的水向管道砂漿層的補(bǔ)充程度有關(guān)。粘性土滲透系數(shù)小,能在很大程度阻止酸性土壤中的水流動(dòng)臨近管道,腐蝕性減弱;反之粒狀(砂性)土,透水性較好,酸性土壤中的水臨近管道程度高,對(duì)管道的腐蝕嚴(yán)重。

        3.3 雜散電流腐蝕

        雜散電流腐蝕[6,7]指埋地PCCP附近有電氣化鐵道高壓輸電線路接地、電解工廠等非指定回路上流動(dòng)電流引起的外加電流腐蝕。雜散電流在PC CP絕緣不良的點(diǎn)流入管道,沿著管道金屬導(dǎo)體流動(dòng),然后在絕緣損壞的另一處離開管道,流回雜散電流源,這時(shí)在管道的流出處發(fā)生腐蝕。雜散電流腐蝕屬電化學(xué)腐蝕。

        3.4 應(yīng)力腐蝕

        由于管道的工作環(huán)境大都在地下,在含酸性地下水以及含高黏土土壤的地區(qū)中存在大量的SO42-、Cl-等,根據(jù)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕破壞機(jī)理,這些離子將逐漸滲入到混凝土內(nèi)部,與水泥水化物發(fā)生反應(yīng),并使鋼筋銹蝕,從而產(chǎn)生混凝土保護(hù)層膨脹、開裂以及鋼筋與混凝土粘結(jié)力降低,甚至鋼筋斷裂破壞等現(xiàn)象。而在分析PCCP破壞原因時(shí)發(fā)現(xiàn),由于PCCP為復(fù)合型管材和本身高預(yù)應(yīng)力的存在,其腐蝕破壞機(jī)理不同于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),需要考慮應(yīng)力腐蝕作用,如圖2、圖3為應(yīng)力腐蝕斷裂照片。

        圖2 縱向應(yīng)力腐蝕斷裂

        圖3 橫向應(yīng)力腐蝕斷裂

        4 PCCP管的防腐蝕安全措施

        雖然PCCP結(jié)構(gòu)本身具備基本的防腐蝕性能,若PCCP 混凝土表面致密度低,存在氣孔和微裂紋,腐蝕介質(zhì)滲入后,會(huì)發(fā)生化學(xué)和電化學(xué)腐蝕,使PCCP破壞。要想減緩和防止PCCP的腐蝕,除首先控制混凝土的密實(shí)性外,可根據(jù)具體情況采用被動(dòng)隔離法、電化學(xué)保護(hù)法及改變腐蝕環(huán)境等不同的防護(hù)措施,減緩管道腐蝕的發(fā)生。

        4.1 選用耐蝕材料

        減小水灰比、添加外加劑等會(huì)增加混凝土的抗?jié)B性,同時(shí)控制好水泥砂漿保護(hù)層的強(qiáng)度和吸水率,可有效減少腐蝕性物質(zhì)滲入和存留的機(jī)會(huì)。將普通水泥改用抗硫酸鹽水泥等,是提高管道鋼絲抗硫酸鹽腐蝕能力的主要技術(shù)措施。

        4.2 噴涂表面涂層

        表面涂層[8]是通過在管道混凝土和水泥砂漿保護(hù)層外增加一層屏蔽隔離層而起到保護(hù)管道作用的,由于混凝土的強(qiáng)堿性,防腐層的耐堿性是先決條件,其次是黏結(jié)力和耐蝕性。管道內(nèi)防腐可選用環(huán)氧樹脂、聚氨酯樹脂、丙烯酸樹脂、乙烯基樹脂、氯化樹脂等。環(huán)氧類涂料效果好,可較好地滲入混凝土內(nèi)部,減緩混凝土碳化反應(yīng)。管道外防腐可選用石油瀝青、煤瀝青和環(huán)氧煤瀝青等進(jìn)行防腐,必要時(shí)纏繞玻璃絲布等進(jìn)行加強(qiáng)。管道的內(nèi)外防腐應(yīng)根據(jù)腐蝕環(huán)境合理確定防腐等級(jí)。

        目前國內(nèi)已實(shí)施的工程項(xiàng)目中,主要采用的防腐設(shè)計(jì)方案是在 PCCP 管外表面涂裝無溶劑環(huán)氧煤焦油重防腐雙組分涂料,該涂層具有適應(yīng)噴涂在濕態(tài)水泥砂漿保護(hù)層表面,耐酸、堿、鹽、附著力強(qiáng),適合于地下潮濕環(huán)境等特點(diǎn)。一般環(huán)境中 PCCP管外防腐層設(shè)計(jì)干膜厚度為600μm或900μm。施工方法采用高壓無氣噴涂施工,其優(yōu)點(diǎn)為:(1)工作效率高;(2)涂料利用率高,有效利用率為70%~80%;(3)很少反彈,涂料能深入孔隙,涂層膜與結(jié)合面形成有機(jī)咬合,附著力好;(4)涂層厚度均勻,容易控制和確保施工質(zhì)量;(5)飛散較少,作業(yè)環(huán)境較好;(6)噴射面積成扇形,適用于較大面積的噴涂作業(yè)。

        現(xiàn)在還出現(xiàn)了無溶劑彈性聚氨酯重防腐新涂料,該涂料是一種不含任何溶劑或揮發(fā)性的有機(jī)化合物,通過化學(xué)反應(yīng)形成100%固體含量的環(huán)保型聚氨酯涂層。聚氨酯防腐的抗拉強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度、粘結(jié)力、抗陰極剝離、絕緣強(qiáng)度、延伸率、耐磨性能等性能良好。其材料環(huán)保安全,材料性能優(yōu)越;固化速度快,施工效率高;應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),即使在-40℃低溫情況下,幾十分鐘也會(huì)完全固化,因而特別適合冬季防腐施工作業(yè)。

        4.3 采用陰極保護(hù)

        陰極保護(hù)[9,10]是向被保護(hù)的預(yù)應(yīng)力鋼絲施加外部電流,使混凝土中預(yù)應(yīng)力鋼絲的電位向著減小氧化反應(yīng)的方向偏移,從而減小鋼絲腐蝕的速率。從腐蝕電化學(xué)理論來講,只要控制金屬電極電位比最小保護(hù)電位更負(fù),就可停止金屬腐蝕。但陰極保護(hù)電位也不可過負(fù),過負(fù)且達(dá)到析氫電位時(shí),將發(fā)生析氫反應(yīng),導(dǎo)致過保護(hù)破壞。根據(jù)陰極保護(hù)供電方式的不同,可分為犧牲陽極和外加電流兩種保護(hù)形式。犧牲陽極是向被保護(hù)物串聯(lián)一個(gè)電位更高的金屬,使其不斷消耗自己,給被保護(hù)物供應(yīng)源源不斷的電子,使被保護(hù)物得以保護(hù);外加電流是通過外加一個(gè)恒電位儀或恒電流儀外部電源,再加以輔助陽極和參比電極,通過外部電源給被保護(hù)物不斷供應(yīng)電子,使被保護(hù)物得以保護(hù)。

        4.4 添加阻銹劑

        鋼絲的阻銹劑的種類很多,分為水劑與粉劑。應(yīng)用較多的是以亞硝酸鹽為主要成分的復(fù)合填加劑,其對(duì)海砂中氯鹽有很好的阻銹效果。

        4.5 減少雜散電流

        若PCCP工作區(qū)段存在雜散電流時(shí),鋼絲會(huì)因干擾作用而產(chǎn)生電腐蝕,其速度相當(dāng)快,應(yīng)引起高度重視。通過相互影響的管線之間排流跨接、交叉處使用犧牲陽極、使用涂層及電屏蔽層等方法,可以有效地減少或消除雜散電流對(duì)管道的腐蝕。

        4.6 陰極保護(hù)與表面涂層配套使用

        由于涂層在施工和吊裝過程中,不可避免的會(huì)出現(xiàn)針孔、剮蹭、涂層脫落等問題。一旦埋入地下后,在管道針孔位置處就會(huì)形成“大陰極、小陽極”現(xiàn)象。反而會(huì)加速管道的腐蝕。因此引入陰極保護(hù)和涂層配套使用,陰極保護(hù)將彌補(bǔ)表面涂層的缺陷問題,共同保護(hù)管道。

        目前我國大型輸水工程中所采用的PCCP 管外壁水泥砂漿表面保護(hù)涂層,大都為無溶劑環(huán)氧煤焦油重防腐雙組分涂料防腐層與陰極保護(hù)相結(jié)合的復(fù)合防護(hù)方案。實(shí)踐證實(shí)它是非常必要的,也是可行的。

        5 結(jié)語

        隨著我國輸水工程建設(shè)的高速發(fā)展,PCCP被大量采用,這也使腐蝕環(huán)境下PCCP管的防腐設(shè)計(jì)引起業(yè)界的普遍關(guān)注,如何進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)和采用哪些安全措施已成為當(dāng)前PCCP研究的重點(diǎn)。本文通過相關(guān)文獻(xiàn)查閱結(jié)合工程實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,簡(jiǎn)明闡述了高鹽漬環(huán)境下PCCP供水管道腐蝕機(jī)理及相應(yīng)的安全技術(shù)措施,為同行業(yè)PCCP供水管道安全運(yùn)行研究提供借鑒與參考。

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