PCCP重防腐蝕涂料簡(jiǎn)介

石 崇，劉 偉 ，牛永鋒

（1.駐葫蘆島四三一廠軍事代表室，遼寧葫蘆島，125004；2.廈門(mén)雙瑞船舶涂料有限公司，福建廈門(mén)，361101）

1 PCCP介紹

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe）簡(jiǎn)稱PCCP，它是一種新型的鋼性管材，按照GB/T 19685—2017《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》的定義：預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管是指在帶有鋼筒的混凝土管芯外側(cè)纏繞環(huán)向預(yù)應(yīng)力鋼絲并制作水泥砂漿保護(hù)層而制成的管子，其包括內(nèi)襯式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCPL）和埋置式預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCPE）。PCCP是一種由鋼筒、混凝土、高強(qiáng)鋼絲和水泥砂漿等材料組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），具有鋼材和混凝土各自的特性。

PCCP管道具有可承受較高內(nèi)外壓，接頭密封性好，基本不漏水；抗震能力強(qiáng)；施工方便快捷，維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用低；適用范圍廣，經(jīng)濟(jì)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是世界上應(yīng)用最多的輸水管道。

圖1 PCCP的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 The structure schematic diagram of PCCP

PCCP最早于1890年由法國(guó)Bonna公司研制，因其具有優(yōu)良的管道性能和性價(jià)比優(yōu)勢(shì)而在全世界各地得到了大力推廣，美國(guó)已鋪設(shè)近3萬(wàn)km的PCCP管道。而我國(guó)開(kāi)發(fā)和研制PCCP起步較晚，直到20世紀(jì)80年代才開(kāi)始研制，但由于恰逢國(guó)民經(jīng)濟(jì)和城市化進(jìn)程快速發(fā)展的有利時(shí)機(jī)，我國(guó)許多引水工程采用了PCCP輸水管道技術(shù)：如南水北調(diào)北京段工程、山西萬(wàn)家寨引黃工程、深圳東部引水工程、哈爾濱磨盤(pán)山引水工程等。

2 PCCP的腐蝕及防護(hù)

大多數(shù)PCCP管道工程處于埋地環(huán)境中，其受到的外部腐蝕包括土壤腐蝕、雜散電流腐蝕、微生物腐蝕、沖刷腐蝕等的共同作用［1-2］。

空氣中的CO2氣體滲透到混凝土內(nèi)，與其中的堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土強(qiáng)度降低的過(guò)程稱為混凝土碳化，又稱作中性化，其化學(xué)反應(yīng)式為 ：Ca（OH）2+CO2=CaCO3↓+H2O。水泥在水化過(guò)程中生成大量的Ca（OH）2，使混凝土孔隙中充滿了飽和Ca（OH）2溶液，其堿性對(duì)鋼筋有良好的保護(hù)作用，使鋼筋表面生成難溶的Fe2O3和Fe3O4，稱為鈍化膜。碳化使混凝土的堿性降低，當(dāng)碳化超過(guò)混凝土的保護(hù)層時(shí)，在水與空氣存在的條件下，就會(huì)使混凝土失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用，鋼筋開(kāi)始生銹。同時(shí)，碳化增加了混凝土孔溶液中氫離子的數(shù)量，因而會(huì)使混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用減弱，加劇了鋼材的銹蝕現(xiàn)象。

此外，氯離子的滲透會(huì)極大地加劇混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕。鋼筋表層所含鹽分，也會(huì)使鋼筋發(fā)生腐蝕。由于鋼筋被腐蝕、體積膨脹（2.5倍），混凝土容易產(chǎn)生裂紋。腐蝕物質(zhì)從裂紋處進(jìn)一步侵入，加速了鋼筋的腐蝕、體積膨脹，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度降低。從而大大縮短混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。

目前PCCP工程一般采用陰極保護(hù)［3-8］和防腐涂層［9-11］進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)，其中防腐涂料可以在混凝土表面形成一層屏蔽阻隔層，以阻止氯離子、二氧化碳等腐蝕介質(zhì)侵入混凝土造成腐蝕；防腐涂料對(duì)已碳化、疏松和開(kāi)裂的混凝土表面還起增強(qiáng)作用。美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ACI 515.IR—1979［12］規(guī)定：混凝土表面防護(hù)涂層主要用于混凝土的防水、防潮濕、防腐蝕、裝飾等目的。要求對(duì)應(yīng)用于防腐蝕的涂料體系按不同的腐蝕環(huán)境（輕微、中等、嚴(yán)重腐蝕）分別進(jìn)行涂裝體系設(shè)計(jì)，提出瀝青類、環(huán)氧類、聚氨酯類、乙烯類和氯化橡膠類為有效的防腐涂層體系。我國(guó)于2000年發(fā)布了JTJ 275—2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》，其中規(guī)定了混凝土表面采用涂覆涂料進(jìn)行表面防腐的方法，提出了環(huán)氧類、環(huán)氧瀝青類、丙烯酸類、聚氨酯類、聚乙烯類和氯化橡膠類為有效的防腐涂層體系［13］。

國(guó)內(nèi)外管道外表面常用的涂料品種有環(huán)氧粉末、聚乙烯覆蓋層、3層PE（聚乙烯）、聚氨酯涂料、環(huán)氧煤瀝青涂料［14-15］等，幾種常用涂料的性能對(duì)比見(jiàn)表 1［16］。

表1 管道外表面常用涂料的性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of common coatings for external surface of pipelines

由表1可見(jiàn)，環(huán)氧煤瀝青涂料耐化學(xué)介質(zhì)侵蝕能力最好［17］，是PCCP外壁防腐蝕的優(yōu)選材料。

3 PCCP用無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青重防腐蝕涂料

環(huán)氧煤瀝青防腐蝕涂料綜合了環(huán)氧樹(shù)脂和煤瀝青的優(yōu)點(diǎn)，其防腐層具有優(yōu)異的耐化學(xué)介質(zhì)腐蝕性和滲透性，良好的物理機(jī)械性能，以及優(yōu)異的電絕緣性、抗水滲透性、抗微生物侵蝕性、抗雜散電流、耐熱性、耐高溫驟變性等，在管道防腐方面有著廣泛的應(yīng)用。環(huán)氧煤瀝青防腐蝕涂料的性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 環(huán)氧煤瀝青防腐蝕涂料的性能指標(biāo)Table 2 Performance index of epoxy coal tar pitch anticorrosive paint

3.1 PCCP用無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青重防腐蝕涂料的技術(shù)特點(diǎn)

PCCP用無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青重防腐蝕涂料的技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1） 厚膜化，快速固化。無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青重防腐蝕涂料涂裝1道膜厚可達(dá)（1 000±100）μm，不流掛，固化12 h后即可搬運(yùn)吊裝，減少涂裝道數(shù)，極大地提高了工效，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2） 可濕態(tài)涂裝。涂料與混凝土管面附著力強(qiáng)，并對(duì)混凝土管起養(yǎng)護(hù)作用。這樣大大簡(jiǎn)化了工序，減少混凝土管的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3） 施工效率高。結(jié)合我國(guó)自主研發(fā)的PCCP外壁防腐蝕涂料在線自動(dòng)涂裝方法，可大大提高施工效率。

（4） 優(yōu)異的防腐性能。環(huán)氧樹(shù)脂成膜后交聯(lián)密度高，涂層非常致密，而且煤焦油具有優(yōu)異的耐水性、耐酸堿性、絕緣性以及抗細(xì)菌腐蝕性，能有效抵御細(xì)菌及植物根莖的影響。

3.2 PCCP用無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青重防腐蝕涂料的制備

吳諍等［14］針對(duì)溶劑型環(huán)氧煤焦油重防腐蝕涂料污染環(huán)境、干燥時(shí)間長(zhǎng)、工作效率低等缺點(diǎn)，通過(guò)成膜樹(shù)脂的分子設(shè)計(jì)，對(duì)煤焦油瀝青進(jìn)行改性，形成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)通過(guò)配方設(shè)計(jì)和大量觸變劑篩選試驗(yàn)，加入活性稀釋劑，最終開(kāi)發(fā)出了一種觸變性強(qiáng)，并且可在混凝土初凝和濕態(tài)狀況下涂裝的無(wú)溶劑環(huán)氧煤焦油重防腐蝕涂料。該產(chǎn)品綠色環(huán)保，解決了涂層厚膜化問(wèn)題，可在混凝土濕態(tài)時(shí)進(jìn)行施工，免去了澆水養(yǎng)護(hù)的工序，大大提高了施工效率和施工質(zhì)量，縮短了施工周期，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

杜建偉等［17］通過(guò)試驗(yàn)篩選出低相對(duì)分子質(zhì)量液態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂和無(wú)機(jī)填料，并開(kāi)展環(huán)氧樹(shù)脂與固化劑不同質(zhì)量配比對(duì)環(huán)氧涂層性能影響的試驗(yàn)研究，最終開(kāi)發(fā)出了8702-C型無(wú)溶劑環(huán)氧煤瀝青涂料，實(shí)現(xiàn)在混凝土砂漿含水率達(dá)7%~9%的情況下仍可正常施工并且保持良好的附著力，一次成膜厚度可達(dá)900 μm。

廈門(mén)雙瑞鄭添水等［18］通過(guò)對(duì)無(wú)溶劑環(huán)氧煤焦瀝青重防腐蝕涂料進(jìn)行預(yù)熱處理，改進(jìn)自動(dòng)升降平臺(tái)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了噴涂過(guò)程的自動(dòng)化，使得噴涂效率達(dá)到320 m2/h，生產(chǎn)成本降低50%，工效提高500%以上。

3.3 PCCP重防腐蝕涂料的應(yīng)用

經(jīng)過(guò)十余年持續(xù)不斷的科技創(chuàng)新與技術(shù)改進(jìn)，我國(guó)已研發(fā)出超大口徑、長(zhǎng)距離輸水管道專用無(wú)溶劑重防腐蝕涂料，并在國(guó)內(nèi)引水工程中得到大規(guī)模應(yīng)用，至今未發(fā)生因腐蝕問(wèn)題導(dǎo)致的換管及爆管案例，服役的涂層體系經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)證，表現(xiàn)出優(yōu)異的防腐性能。

4 結(jié)語(yǔ)

PCCP工程大多處于埋地環(huán)境，管道受到土壤腐蝕、雜散電流腐蝕、微生物腐蝕、沖刷腐蝕等共同影響，服役環(huán)境惡劣，如不加以保護(hù)，極易發(fā)生爆管和早期破壞。采用重防腐蝕涂層與陰極保護(hù)對(duì)PCCP工程進(jìn)行聯(lián)合防護(hù)，已經(jīng)證明是一個(gè)行之有效的方法。環(huán)氧煤瀝青涂料的品種很多，性能差別較大，在涂料選取過(guò)程中應(yīng)注意鑒別。