PCCP 管道內(nèi)外防腐研究

胡 宏，李 強(qiáng)

（1. 湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2. 四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072）

1 工程概況

在綜合利用的水利工程中，倒虹吸工程往往是不可或缺的重要水工建筑物。近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）以其特有的鋼筒、預(yù)應(yīng)力鋼絲和混凝土組合結(jié)構(gòu)，兼?zhèn)滗摴芎突炷凉艿膬?yōu)點(diǎn)，因而能承受較高的內(nèi)外壓力，正越來(lái)越多地應(yīng)用到我國(guó)輸水工程中。涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程（灌區(qū)工程）有兩處倒虹吸采用了PCCP管材，分別為西河倒虹吸工程和錦江倒虹吸工程。

西河倒虹吸工程為2 級(jí)水工建筑物，管道直徑DN3200，單節(jié)長(zhǎng)度5 m，重37.1～51.1 t，全長(zhǎng)2 242.3 m，穿越西河河道70 m。錦江倒虹吸工程為3 級(jí)水工建筑物，管道直徑DN2800，單節(jié)長(zhǎng)度6 m，重36.1～47.7 t，全長(zhǎng)2 068.1 m，穿越永明河河道160 m。

1.1 管道埋置的環(huán)境及輸水水質(zhì)腐蝕性分析

依據(jù)SL 702-2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》第8.1 節(jié)，一般要求：外表面防腐涂層的品種和厚度應(yīng)根據(jù)埋設(shè)環(huán)境土壤的腐蝕程度確定。第9.3 節(jié)：陰極保護(hù)設(shè)計(jì)前，應(yīng)掌握相關(guān)工程資料，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)。2017 年10 月對(duì)西河倒虹吸工程和錦江倒虹吸工程的坡地，河灘階地，河水，地下水進(jìn)行腐蝕性評(píng)價(jià)。

1） 灌區(qū)引用水庫(kù)水對(duì)混凝土具有重碳酸型（HCO3-）弱腐蝕，對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋無(wú)腐蝕，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕。

2）西河、永明河的河水、地下水對(duì)混凝土無(wú)腐蝕，對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋無(wú)腐蝕，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕。

3）兩處倒虹吸的土壤對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕，對(duì)混凝土具有微腐蝕，對(duì)鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕。

1.2 PCCP 腐蝕機(jī)理

PCCP 中的鋼筒和預(yù)應(yīng)力鋼絲被混凝土管芯和水泥砂漿保護(hù)層包裹，由于混凝土和水泥砂漿在自身硬化過(guò)程中，空隙內(nèi)充滿了飽和的Ca（OH）2溶液，此堿性介質(zhì)使鋼筋表面產(chǎn)生一層難溶的Fe2O3和Fe3O4薄膜，稱為鈍化膜，從而使得PCCP 管具有一定的防腐蝕性能[1]。PCCP 管道的腐蝕形式主要以下幾種：

1）碳化反應(yīng)。土壤中的HCO3-以及空氣中的CO2與水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)產(chǎn)生CaCO3產(chǎn)生去鈍化效應(yīng)，由于鋼的鈍化膜pH 值小于11.5 時(shí)就不穩(wěn)定了，當(dāng)pH 值降低到9 以下時(shí)，鋼材表面則失去鈍化保護(hù)[2]。另混凝土中摻入粉煤灰以及采用蒸汽養(yǎng)護(hù)的方法，會(huì)加速混凝土碳化[1]。

2）氯離子侵蝕。Cl-與混凝土的主要成分3CaO·2Al2O3·3H2O 發(fā)生反應(yīng)，生成易溶CaCl2，同時(shí)Cl-穿透鈍化膜使鋼筋發(fā)生點(diǎn)蝕，引發(fā)電化學(xué)腐蝕[3]。

3）硫酸鹽侵蝕。一方面與水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生的Ca（OH）2反應(yīng)，產(chǎn)生體積更大的產(chǎn)物，另一方面與鋁酸三鈣產(chǎn)生白色糊狀帶大量結(jié)晶的水化物[3]。

4）其他腐蝕。應(yīng)力腐蝕和氫脆；溫度以及雜散電流產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕。

2 PCCP 管道及預(yù)應(yīng)力管爆管案例

美國(guó)Texas 在1972 年安裝的兩根PCCP 管線，1981—1991 年期間，由于外砂漿保護(hù)層在安裝過(guò)程中局部破損或在水錘作用下開(kāi)裂，土壤中的氯離子侵入導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼絲腐蝕而發(fā)生7 次破裂。1994 年某條PCCP（DN3400）管線發(fā)生爆裂事故，處理1 節(jié)爆管就花了兩周時(shí)間；2003 年美國(guó)Middlesex 縣PCCP 爆管，歷時(shí)11 天才修復(fù)。1962 年，包頭1 條DN1400 管道全線報(bào)廢，大部分管子外表環(huán)筋有黃銹，12%的管子鋼筋斷裂。山西一輸水工程DN900 的預(yù)應(yīng)力管，1976—1982年共爆管17 次。河南一條DN600，長(zhǎng)8.5 km 預(yù)應(yīng)力的管尚未通水就全部報(bào)廢。2008 年華盛頓郊區(qū)衛(wèi)生委員會(huì)（WSSC）管理的1 根66 英寸的輸水PCCP 干管斷絲爆管。1997 年，陜西省渭南市引黃河水低壓管線PCCP管（DN2000）面臨更換。2008 年12 月16 日，擔(dān)負(fù)陜西寶雞市70%人口供水的馮家山輸水管道在寶雞市陳倉(cāng)大道附近發(fā)生爆管，這是該工程1998 年試供水以來(lái)發(fā)生的第11 次爆管。2012 年文獻(xiàn)[4]報(bào)道某PCCP 管道工程在初期判斷環(huán)境對(duì)混凝土及鋼材沒(méi)有腐蝕性，但工程運(yùn)行3 個(gè)月后出現(xiàn)爆管，發(fā)現(xiàn)鋼絲腐蝕破壞。

3 防腐設(shè)計(jì)

3.1 防腐蝕等級(jí)

依據(jù)GB/T 19685-2017《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》第6.3.7.2 節(jié)：當(dāng)成品管子用于輸送具有腐蝕性的污水、海水、或用于含有腐蝕性介質(zhì)的土壤環(huán)境中及露天鋪設(shè)時(shí)，應(yīng)按照GB 50046-2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定對(duì)管體混凝土或水泥砂漿保護(hù)層進(jìn)行防腐設(shè)計(jì)。涂覆防腐材料時(shí)應(yīng)遵循GB 50212-2014《建筑防腐蝕工程施工規(guī)范》的規(guī)定，防腐施工的質(zhì)量應(yīng)按GB 50224-2010《建筑防腐蝕工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行評(píng)定。

由巖土勘測(cè)資料可知，輸送水對(duì)管道內(nèi)部混凝土和混凝土內(nèi)鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)均有弱腐蝕；外部埋設(shè)環(huán)境對(duì)混凝土和混凝土內(nèi)鋼筋微腐蝕，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)弱腐蝕。依據(jù)GB 28725-2012《埋地預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道的陰極保護(hù)》第4.1 節(jié)：環(huán)境對(duì)混凝土中的鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)為中、強(qiáng)腐蝕等級(jí)時(shí)，新建或已建PCCP 管道，均應(yīng)采用陰極保護(hù)，并在管道運(yùn)行期間始終維持。腐蝕性評(píng)價(jià)為弱腐蝕等級(jí)時(shí)，宜采用陰極保護(hù)。在PCCP 管道陰極保護(hù)的必要性確認(rèn)中，認(rèn)為管道所處的環(huán)境屬于微腐蝕，因此不必采用陰極保護(hù)的方式進(jìn)行防腐。

參考其他行業(yè)規(guī)范：SH/T 3022-2011《石油化工設(shè)備和管道涂料防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》，該規(guī)范主要適用于鋼質(zhì)管道，與GB 50268-2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》第5.4 節(jié)鋼管內(nèi)外防腐要求類似?！妒突ぴO(shè)備和管道涂料防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.2 節(jié)確定了防腐的級(jí)別，見(jiàn)表1。

表1 土壤腐蝕性等級(jí)及防腐等級(jí)

因此確定PCCP 倒虹吸的防腐等級(jí)如表2。

表2 管道不同部位的防腐等級(jí)確定

3.2 PCCP 管及配件的內(nèi)外防腐涂層材料及厚度設(shè)計(jì)

3.2.1 承插口鋼環(huán)防腐設(shè)計(jì)

依據(jù)GB/T 19685-2017《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管》第6.3.7 節(jié)規(guī)定，管道的防腐包括承插口鋼環(huán)的防腐和管體防腐。第6.3.7.1 節(jié)：成品管承插口鋼環(huán)外露部分應(yīng)采用有效的防腐材料加以保護(hù)，漆膜厚度不宜大于100 μm。當(dāng)成品管子用于輸送飲用水時(shí)，所用防腐材料不得對(duì)管內(nèi)水質(zhì)產(chǎn)生任何不利影響。SL 702-2015《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道技術(shù)規(guī)范》第8.1.4 節(jié)第二條規(guī)定承插口鋼環(huán)防腐涂層按鋼結(jié)構(gòu)防腐涂層進(jìn)行時(shí)，總厚度不宜超過(guò)200 μm；GB/T 35490-2017《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管體防腐蝕技術(shù)》第4.3.1 條：生活飲用水管道工程中，凡與生活飲用水接觸的部位防腐涂料應(yīng)符合GB/T 17219-1998《生活飲用水輸配水設(shè)備及防護(hù)材料的安全性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》；第4.3.4 節(jié)：承插口鋼環(huán)防腐涂料在淡水環(huán)境下的涂裝純環(huán)氧涂料體系厚度為80～100 μm，涂層道數(shù)為2 道。

因此確定承插口鋼環(huán)防腐采用無(wú)溶劑環(huán)氧飲水艙漆，厚度為100 μm，該無(wú)溶劑環(huán)氧飲水艙漆適合飲水艙這類密閉艙室施工；一種不含揮發(fā)劑的液體涂料，由于固體含量極高而大大降低溶劑的滯留，成膜后慢性揮發(fā)的物質(zhì)少，低VOC 排放，防腐性能優(yōu)異，無(wú)毒、不污染水質(zhì)，在防腐和環(huán)保要求較高的各類船舶飲水艙、壓載水艙、淡水柜、食品容器內(nèi)璧等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

3.2.2 鋼彎管防腐設(shè)計(jì)

GB/T 35490-2017《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管體防腐蝕技術(shù)》第4.3.5 節(jié)：埋地的環(huán)氧防腐涂料體系干膜厚度為250～280 μm；涂層道數(shù)為2～3；GB 50046-2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.9 節(jié)中提到鋼結(jié)構(gòu)表面防腐層使用年限10～15 年在弱腐蝕條件下至少200 μm；室外工程宜增加20～40 μm；選用環(huán)氧涂料的最低除銹等級(jí)為Sa2；環(huán)氧瀝青的最低除銹等級(jí)為St2；GB 50268-2008《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》第5.4 節(jié)鋼管內(nèi)外防腐要求見(jiàn)表3。

表3 環(huán)氧煤瀝青涂料外防腐層構(gòu)造 mm

因此確定鋼彎管內(nèi)防腐采用無(wú)溶劑環(huán)氧飲水艙漆；厚度為300 μm；外防腐采用厚漿型環(huán)氧煤瀝青防腐防水材料，厚度為400 μm（四油一布）。厚漿型環(huán)氧煤瀝青防腐防水材料為環(huán)氧樹(shù)脂型高分子防腐防水系列，使用壽命為永久性防腐防水材料；由優(yōu)質(zhì)石油瀝青和引入進(jìn)口環(huán)氧樹(shù)脂改性膠乳加入國(guó)內(nèi)氯丁橡膠為主料，輔以輕柴油、油酸、煤焦瀝青、煤焦油、熟石粉、石棉粉、滑石粉、云母粉、礦粉、石英粉再加以各種添加劑，填充劑配制而成的高分子瀝青膠泥防腐防水材料，使用壽命長(zhǎng)，施工方便。

3.2.3 管道混凝土內(nèi)外表面防腐設(shè)計(jì)

GB 50046-2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》并未提到關(guān)于地下管道的明確防腐要求，可參考5.2.1 和5.2.2 的要求做防腐設(shè)計(jì)。

GB 50046-2008《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.9節(jié)中提到，腐蝕性等級(jí)為弱時(shí)可不進(jìn)行混凝土樁的防護(hù)；第5.2.1 節(jié)：在氣態(tài)介質(zhì)和固態(tài)粉塵介質(zhì)作用下，混凝土結(jié)構(gòu)表面在微腐蝕條件下也可不做防腐；混凝土結(jié)構(gòu)防腐層使用年限10～15 年在弱腐蝕條件下至少120 μm，在7.2.1 的第一條提到混凝土和水泥砂漿宜選用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥，地下結(jié)構(gòu)或弱腐蝕條件下，也可選用礦渣硅酸鹽水泥或火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥。

JTJ 275-2000《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》第7.1.3.2 條規(guī)定混凝土表面涂層最小平均厚度見(jiàn)表4。

表4 混凝土表面涂層最小平均厚度

GB/T 35490-2017《預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管體防腐蝕技術(shù)》第4.3.2 規(guī)定，埋地管水泥砂漿保護(hù)的最小厚度為600 μm；4.3.3 節(jié)內(nèi)表面輸送淡水最小厚度為200 μm。

輸送的水質(zhì)對(duì)混凝土有弱腐蝕，因此管道內(nèi)壁選用無(wú)溶劑環(huán)氧飲水艙漆，厚度為200 μm；雖然工程埋設(shè)位置的腐蝕性評(píng)價(jià)未檢測(cè)出對(duì)管體混凝土及砂漿有腐蝕性，考慮到沿線地下水和土壤影響PCCP 管道腐蝕的因素很多，且處于人為活動(dòng)較為密集的地區(qū)，并且管道爆管對(duì)工程將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失以及維修困難，為了保證工程質(zhì)量和安全運(yùn)行，參考其他類似工程：南水北調(diào)北京段，采用了在外壁涂覆900 μm 和600 μm 厚度的無(wú)溶劑環(huán)氧煤焦油重防腐蝕涂料的保護(hù)方案[5]；新疆3 個(gè)泉倒虹吸采用厚漿型環(huán)氧煤瀝青防腐蝕涂料，厚度0.6～1 mm[6]；建議本工程對(duì)砂漿保護(hù)層做厚漿型環(huán)氧煤瀝青防腐防水材料，厚度為400 μm（四油一布）。西河倒虹吸工程和錦江倒虹吸工程的防腐設(shè)計(jì)如表5。

4 結(jié) 論

PCCP 管的爆管事故大多是由于預(yù)應(yīng)力鋼絲遭到埋設(shè)環(huán)境的腐蝕導(dǎo)致的，做好管道的防腐設(shè)計(jì)將有利于管道的安全運(yùn)行，減少工程因爆管帶來(lái)的重大損失。當(dāng)管道埋設(shè)環(huán)境腐蝕性為弱腐蝕或微腐蝕時(shí)，選擇防腐涂層優(yōu)于陰極保護(hù)。管道所處的環(huán)境是處于一個(gè)相對(duì)變化的環(huán)境，影響管道腐蝕破壞的不確定因素較多，在一定經(jīng)濟(jì)可行的情況下建議對(duì)管道做普通級(jí)防腐防護(hù)。

表5 PCCP 管道防腐設(shè)計(jì)