某長距離大口徑輸水工程管道防腐設(shè)計研究

劉峰

摘 要：針對輸水管道線路長、地基土腐蝕性強的特點，對鋼管采取內(nèi)、外壁防腐再加陰極保護(hù)的措施。自投用以來，供水效果良好，為大口徑鋼管在水利工程中的推廣應(yīng)用提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：輸水鋼管 電化學(xué)腐蝕 管道防腐

1.工程概況

該工程位于新疆克拉瑪依市境內(nèi)，管線全長5890m，管徑DN1400，輸水流量為3.47m3/s。

2.工程地質(zhì)條件

輸水管線沿線場地土層主要由第四系的素填土（Q4ml）、角礫（Q4al+pl）及侏羅紀(jì)（J）的泥巖組成。通過地勘成果分析，場地土對混凝土結(jié)構(gòu)具有中等～強腐蝕性；對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有微～中等腐蝕性，綜合評價為強硫酸鹽漬土。另外，場地土電腐蝕性為中等腐蝕性。防腐蝕設(shè)計對管道的長期安全運行至關(guān)重要，所以須加強對管道的內(nèi)外壁防腐處理。

3.管材比選結(jié)論

長距離輸水管管材選擇首先要求所選管材在保證輸水安全、持久耐用、接口密封性能、施工及維護(hù)管理方便的條件下綜合造價經(jīng)濟(jì)合理。從管材造價、運輸條件、施工難度、防腐、維護(hù)、接口及可靠性等綜合分析比較，綜合分析比較后結(jié)論為：采用螺旋縫埋弧焊鋼管。

4.管道防腐設(shè)計

對管道結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件和輸送介質(zhì)的性能，設(shè)計內(nèi)、外防腐構(gòu)造。

4.1設(shè)計原則

（1）嚴(yán)格遵循防腐蝕工程有關(guān)的設(shè)計規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)定。

（2）采用成熟技術(shù)，做到經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。

（3）選擇合適的防腐防護(hù)材料和結(jié)構(gòu)，保證防腐防護(hù)效果。

4.2管道內(nèi)防腐

輸水鋼管的內(nèi)防腐材料應(yīng)具有無毒、耐水、耐磨、低阻的性能。常用材料瀝青涂料、水泥砂漿、環(huán)氧粉末、無毒涂料等。本工程中輸水鋼管的內(nèi)防腐采用無溶劑環(huán)氧防腐涂層，防腐層干膜厚度≥300μm。

采用無溶劑環(huán)氧防腐涂料襯里后能達(dá)到將鋼管內(nèi)壁與水或空氣隔離的作用，形成一層致密的保護(hù)層，從而抑制了鋼管內(nèi)壁腐蝕。對比其它的防腐蝕涂層，無溶劑環(huán)氧防腐涂料對管道過流能力影響較小。

4.3管道外防腐

輸水管道的外防腐包括物理防護(hù)和電化學(xué)防護(hù)。物理防護(hù)法是在管道外表面進(jìn)行涂層保護(hù)，將金屬與腐蝕介質(zhì)分隔開。這種方法使用廣泛，但在實際工程應(yīng)用中，由于種種原因效果不是十分可靠。由于管壁與防腐絕緣層界面之間的物質(zhì)傳遞是不可避免的，電化學(xué)保護(hù)法則可對防腐層的缺陷進(jìn)行補救，通過對腐蝕反應(yīng)進(jìn)行積極的干預(yù)，從而是腐蝕反應(yīng)的發(fā)生大大降低。

根據(jù)輸水管道工程使用環(huán)境的特點，單一的防腐方案不能達(dá)到輸水管道長期安全、經(jīng)濟(jì)運行的要求，因此，工程中通常選擇外防腐層加陰極保護(hù)的防腐方案。

（1）管道外壁涂層防護(hù)。該方法的特點是將一些防護(hù)材料涂覆在鋼管管外，阻止使用環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)，如空氣、水分以及土壤中的氧、水、鹽類等對鋼材的腐蝕。由于此方法具有適應(yīng)性強、有效、造價較小、施工方便等特點，是目前廣泛使用的防腐措施。

隨著長距離管道的發(fā)展，管道外防腐材料迅速發(fā)展，除基本的石油瀝青防腐和環(huán)氧煤瀝青涂料防腐，近年又出現(xiàn)了煤焦油瓷漆防腐、環(huán)氧粉末防腐、擠壓聚乙烯（聚丙烯）復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐（簡稱2PE、3PE）、熱熔聚乙烯防腐等。

煤焦油瓷漆涂層的特點是化學(xué)穩(wěn)定性好、吸水率低，能可靠地防止微生物侵蝕和植物根莖穿透，造價較小，陰極保護(hù)相容性好，使用壽命較長。但耐溫性差，抗土壤應(yīng)力、機械性能不理想，施工過程中會產(chǎn)生有毒有害氣體，對環(huán)境造成不良影響，因而限制了其應(yīng)用。

環(huán)氧粉末涂層具有良好的粘結(jié)性、耐溫性、耐化學(xué)性能和機械性能，環(huán)境適用性強。但由于其造價較高、涂層薄引起防水性能、抗沖擊性能較差、施工補口技術(shù)要求高，使其在長距離輸水管道防腐中發(fā)展較慢。

2PE、3PE：由線性聚乙烯和色母料及輔料混合而成，標(biāo)準(zhǔn)要求PE層厚度≥2.3mm以上，其工藝為加熱后擠壓成帶狀纏繞，是一個物理過程。2PE與3PE區(qū)別是2PE底層為粘合膠外纏繞PE帶，3PE為底層熱熔120μm環(huán)氧粉末，外涂粘合膠再纏繞PE帶。

熱熔聚乙烯（PE）：由線性聚乙烯、高壓聚乙烯、樹脂膠、抗氧化劑、紫外光吸收劑、促脂酚、色母料、潤滑劑等成份配比組成，其受熱后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其功能團(tuán)釋放分子鏈鏈接聚合，使得其附著力、韌性、硬度大大增強。

鋼管只做外涂裝時，3PE與熱熔聚乙烯均是目前最佳產(chǎn)品，性能穩(wěn)定可靠，但鋼管內(nèi)壁需做熱熔環(huán)氧涂裝時則對外壁工藝要求非常嚴(yán)格，3PE與熱熔聚乙烯（PE）防腐對比見表1。

目前，三層結(jié)構(gòu)聚乙烯（3PE）和涂塑均在工程中得到廣泛的應(yīng)用，經(jīng)過環(huán)境條件、施工條件及經(jīng)濟(jì)條件等綜合比較分析，本工程推薦采用涂塑做為外防腐的方案。

（2）陰極保護(hù)。陰極保護(hù)是防止金屬腐蝕的一種電化學(xué)保護(hù)技術(shù)，通過陰極極化降低腐蝕電位，從而達(dá)到大大減小金屬腐蝕速率，向被保護(hù)金屬施加陰極電流，使金屬的電極電位從原平衡電位向負(fù)偏移，并進(jìn)入該金屬的免蝕區(qū)，以達(dá)到防護(hù)的意圖。陰極保護(hù)分為強制電流法和犧牲陽極法，方法的選用主要取決于保護(hù)對象和對周圍構(gòu)筑物的干擾影響，土壤電阻率也是主要因素。

犧牲陽極法陰極保護(hù)是將一種更負(fù)的金屬或合金與被保護(hù)金屬連接，并處于同一電解質(zhì)中，形成一個新的腐蝕原電池。被保護(hù)金屬作陰極，所連接的金屬或合金作陽極，優(yōu)先溶解，其上的電子轉(zhuǎn)移到被保護(hù)金屬上去，從而使被保護(hù)金屬得以防護(hù)。其優(yōu)點是不需要外部電源、對周圍構(gòu)筑物沒有干擾影響、保護(hù)電流分布均勻、利用率高，且日常管理工作量小等。其缺點是保護(hù)電流幾乎不可調(diào)，投產(chǎn)調(diào)試工作復(fù)雜，消耗犧牲陽極金屬。

強制電流法陰極保護(hù)是用外部的直流電源作陰極保護(hù)的極化電源，將電源的負(fù)極與被保護(hù)金屬相連，電源的正極與輔助陽極相接，使被保護(hù)金屬成為陰極，以實現(xiàn)保護(hù)。其優(yōu)點是輸出電流連續(xù)可調(diào)，保護(hù)范圍寬，環(huán)境電阻率限制極小，保護(hù)裝置壽命長。其缺點是對鄰近構(gòu)筑物干擾大，需要外部電源，維護(hù)管理工作量大。

通過對兩種陰極保護(hù)法的比較，從防腐層施工質(zhì)量的預(yù)期效果、以及現(xiàn)場條件的干擾大小和運行管理是否方便等考慮，采用犧牲陽極法陰極保護(hù)措施。

5.結(jié)語

長距離輸水管投資大，正確的防腐和安裝可以保證輸水鋼管的使用壽命。該工程管道內(nèi)防腐采用無溶劑環(huán)氧防腐涂料涂層，外防腐采用涂塑防腐結(jié)構(gòu)加陰極保護(hù)的防腐方案，自2017年投入使用以后，至今效果良好，為大口徑鋼管在長距離輸水工程中的應(yīng)用提供了借鑒。

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