PCCP 管道內外防腐研究

胡 宏，李 強

（1. 湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007；2. 四川省水利水電勘測設計研究院，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，預應力鋼筒混凝土管（PCCP）以其特有的鋼筒、預應力鋼絲和混凝土組合結構，兼備鋼管和混凝土管的優點，因而能承受較高的內外壓力，正越來越多地應用到我國輸水工程中。涔天河水庫擴建工程（灌區工程）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 級水工建筑物，管道直徑DN3200，單節長度5 m，重37.1～51.1 t，全長2 242.3 m，穿越西河河道70 m。錦江倒虹吸工程為3 級水工建筑物，管道直徑DN2800，單節長度6 m，重36.1～47.7 t，全長2 068.1 m，穿越永明河河道160 m。

1.1 管道埋置的環境及輸水水質腐蝕性分析

依據SL 702-2015《預應力鋼筒混凝土管道技術規范》第8.1 節，一般要求：外表面防腐涂層的品種和厚度應根據埋設環境土壤的腐蝕程度確定。第9.3 節：陰極保護設計前，應掌握相關工程資料，必要時應進行現場勘測。2017 年10 月對西河倒虹吸工程和錦江倒虹吸工程的坡地，河灘階地，河水，地下水進行腐蝕性評價。

1） 灌區引用水庫水對混凝土具有重碳酸型（HCO3-）弱腐蝕，對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕，對鋼結構具有弱腐蝕。

2）西河、永明河的河水、地下水對混凝土無腐蝕，對鋼筋混凝土中的鋼筋無腐蝕，對鋼結構具有弱腐蝕。

3）兩處倒虹吸的土壤對鋼結構具有微腐蝕，對混凝土具有微腐蝕，對鋼筋混凝土中的鋼筋具有微腐蝕。

1.2 PCCP 腐蝕機理

PCCP 中的鋼筒和預應力鋼絲被混凝土管芯和水泥砂漿保護層包裹，由于混凝土和水泥砂漿在自身硬化過程中，空隙內充滿了飽和的Ca（OH）2溶液，此堿性介質使鋼筋表面產生一層難溶的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。土壤中的HCO3-以及空氣中的CO2與水泥在水化過程中產生的Ca（OH）2反應產生CaCO3產生去鈍化效應，由于鋼的鈍化膜pH 值小于11.5 時就不穩定了，當pH 值降低到9 以下時，鋼材表面則失去鈍化保護[2]。另混凝土中摻入粉煤灰以及采用蒸汽養護的方法，會加速混凝土碳化[1]。

2）氯離子侵蝕。Cl-與混凝土的主要成分3CaO·2Al2O3·3H2O 發生反應，生成易溶CaCl2，同時Cl-穿透鈍化膜使鋼筋發生點蝕，引發電化學腐蝕[3]。

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

4）其他腐蝕。應力腐蝕和氫脆；溫度以及雜散電流產生的電化學腐蝕。

2 PCCP 管道及預應力管爆管案例

美國Texas 在1972 年安裝的兩根PCCP 管線，1981—1991 年期間，由于外砂漿保護層在安裝過程中局部破損或在水錘作用下開裂，土壤中的氯離子侵入導致預應力鋼絲腐蝕而發生7 次破裂。1994 年某條PCCP（DN3400）管線發生爆裂事故，處理1 節爆管就花了兩周時間；2003 年美國Middlesex 縣PCCP 爆管，歷時11 天才修復。1962 年，包頭1 條DN1400 管道全線報廢，大部分管子外表環筋有黃銹，12%的管子鋼筋斷裂。山西一輸水工程DN900 的預應力管，1976—1982年共爆管17 次。河南一條DN600，長8.5 km 預應力的管尚未通水就全部報廢。2008 年華盛頓郊區衛生委員會（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，擔負陜西寶雞市70%人口供水的馮家山輸水管道在寶雞市陳倉大道附近發生爆管，這是該工程1998 年試供水以來發生的第11 次爆管。2012 年文獻[4]報道某PCCP 管道工程在初期判斷環境對混凝土及鋼材沒有腐蝕性，但工程運行3 個月后出現爆管，發現鋼絲腐蝕破壞。

3 防腐設計

3.1 防腐蝕等級

依據GB/T 19685-2017《預應力鋼筒混凝土管》第6.3.7.2 節：當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的土壤環境中及露天鋪設時，應按照GB 50046-2008《工業建筑防腐蝕設計規范》的規定對管體混凝土或水泥砂漿保護層進行防腐設計。涂覆防腐材料時應遵循GB 50212-2014《建筑防腐蝕工程施工規范》的規定，防腐施工的質量應按GB 50224-2010《建筑防腐蝕工程施工質量驗收規范》的規定進行評定。

由巖土勘測資料可知，輸送水對管道內部混凝土和混凝土內鋼筋及鋼結構均有弱腐蝕；外部埋設環境對混凝土和混凝土內鋼筋微腐蝕，對鋼結構弱腐蝕。依據GB 28725-2012《埋地預應力鋼筒混凝土管道的陰極保護》第4.1 節：環境對混凝土中的鋼筋、鋼結構的腐蝕性評價為中、強腐蝕等級時，新建或已建PCCP 管道，均應采用陰極保護，并在管道運行期間始終維持。腐蝕性評價為弱腐蝕等級時，宜采用陰極保護。在PCCP 管道陰極保護的必要性確認中，認為管道所處的環境屬于微腐蝕，因此不必采用陰極保護的方式進行防腐。

參考其他行業規范：SH/T 3022-2011《石油化工設備和管道涂料防腐蝕設計規范》，該規范主要適用于鋼質管道，與GB 50268-2008《給水排水管道工程施工及驗收規范》第5.4 節鋼管內外防腐要求類似。《石油化工設備和管道涂料防腐蝕設計規范》第5.1.2 節確定了防腐的級別，見表1。

表1 土壤腐蝕性等級及防腐等級

因此確定PCCP 倒虹吸的防腐等級如表2。

表2 管道不同部位的防腐等級確定

3.2 PCCP 管及配件的內外防腐涂層材料及厚度設計

3.2.1 承插口鋼環防腐設計

依據GB/T 19685-2017《預應力鋼筒混凝土管》第6.3.7 節規定，管道的防腐包括承插口鋼環的防腐和管體防腐。第6.3.7.1 節：成品管承插口鋼環外露部分應采用有效的防腐材料加以保護，漆膜厚度不宜大于100 μm。當成品管子用于輸送飲用水時，所用防腐材料不得對管內水質產生任何不利影響。SL 702-2015《預應力鋼筒混凝土管道技術規范》第8.1.4 節第二條規定承插口鋼環防腐涂層按鋼結構防腐涂層進行時，總厚度不宜超過200 μm；GB/T 35490-2017《預應力鋼筒混凝土管體防腐蝕技術》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符合GB/T 17219-1998《生活飲用水輸配水設備及防護材料的安全性評價標準》；第4.3.4 節：承插口鋼環防腐涂料在淡水環境下的涂裝純環氧涂料體系厚度為80～100 μm，涂層道數為2 道。

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

3.2.2 鋼彎管防腐設計

GB/T 35490-2017《預應力鋼筒混凝土管體防腐蝕技術》第4.3.5 節：埋地的環氧防腐涂料體系干膜厚度為250～280 μm；涂層道數為2～3；GB 50046-2008《工業建筑防腐蝕設計規范》第4.9 節中提到鋼結構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；選用環氧涂料的最低除銹等級為Sa2；環氧瀝青的最低除銹等級為St2；GB 50268-2008《給水排水管道工程施工及驗收規范》第5.4 節鋼管內外防腐要求見表3。

表3 環氧煤瀝青涂料外防腐層構造 mm

因此確定鋼彎管內防腐采用無溶劑環氧飲水艙漆；厚度為300 μm；外防腐采用厚漿型環氧煤瀝青防腐防水材料，厚度為400 μm（四油一布）。厚漿型環氧煤瀝青防腐防水材料為環氧樹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；由優質石油瀝青和引入進口環氧樹脂改性膠乳加入國內氯丁橡膠為主料，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，施工方便。

3.2.3 管道混凝土內外表面防腐設計

GB 50046-2008《工業建筑防腐蝕設計規范》并未提到關于地下管道的明確防腐要求，可參考5.2.1 和5.2.2 的要求做防腐設計。

GB 50046-2008《工業建筑防腐蝕設計規范》第4.9節中提到，腐蝕性等級為弱時可不進行混凝土樁的防護；第5.2.1 節：在氣態介質和固態粉塵介質作用下，混凝土結構表面在微腐蝕條件下也可不做防腐；混凝土結構防腐層使用年限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，地下結構或弱腐蝕條件下，也可選用礦渣硅酸鹽水泥或火山灰質硅酸鹽水泥。

JTJ 275-2000《海港工程混凝土結構防腐蝕技術規范》第7.1.3.2 條規定混凝土表面涂層最小平均厚度見表4。

表4 混凝土表面涂層最小平均厚度

GB/T 35490-2017《預應力鋼筒混凝土管體防腐蝕技術》第4.3.2 規定，埋地管水泥砂漿保護的最小厚度為600 μm；4.3.3 節內表面輸送淡水最小厚度為200 μm。

輸送的水質對混凝土有弱腐蝕，因此管道內壁選用無溶劑環氧飲水艙漆，厚度為200 μm；雖然工程埋設位置的腐蝕性評價未檢測出對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，且處于人為活動較為密集的地區，并且管道爆管對工程將產生巨大的經濟損失以及維修困難，為了保證工程質量和安全運行，參考其他類似工程：南水北調北京段，采用了在外壁涂覆900 μm 和600 μm 厚度的無溶劑環氧煤焦油重防腐蝕涂料的保護方案[5]；新疆3 個泉倒虹吸采用厚漿型環氧煤瀝青防腐蝕涂料，厚度0.6～1 mm[6]；建議本工程對砂漿保護層做厚漿型環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計如表5。

4 結 論

PCCP 管的爆管事故大多是由于預應力鋼絲遭到埋設環境的腐蝕導致的，做好管道的防腐設計將有利于管道的安全運行，減少工程因爆管帶來的重大損失。當管道埋設環境腐蝕性為弱腐蝕或微腐蝕時，選擇防腐涂層優于陰極保護。管道所處的環境是處于一個相對變化的環境，影響管道腐蝕破壞的不確定因素較多，在一定經濟可行的情況下建議對管道做普通級防腐防護。

表5 PCCP 管道防腐設計