大口徑給水鋼管常用防腐方式選擇

葛華飛

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海 200092)

0 引言

鋼管具有強度和韌性高、各類地質條件適用性強、管材及管件易加工的優點,是大口徑給水管線常用管材。鋼管自身耐銹蝕性差,鋼管內外防腐層質量直接影響鋼管使用壽命。目前大口徑給水鋼管常用的外防腐方式有環氧煤瀝青、熔結環氧粉末(FBE)和三層聚乙烯防腐(3PE),內防腐方式有水泥砂漿、液體環氧涂料和FBE。各類防腐方式主要特性和使用條件不同,應根據項目特點選擇合適的防腐方式。

1 外防腐

1.1 環氧煤瀝青

采用煤焦油瀝青、大分子環氧樹脂、填料制成的環氧煤瀝青涂料,具有高強度、絕緣、耐水、耐高溫、耐腐蝕、抗菌等特性,結構包括一層底漆和多層面漆,中間穿插玻璃纖維布增強,分為三個等級:普通級、加強級、特加強級。詳細的情況見表1[1],“六油兩布”最為常用。

表1 環氧煤瀝青防腐層等級與結構

防腐層涂敷前,先進行鋼管表面處理,采用噴射除銹和空氣吹掃,除銹等級、灰塵等級達標,表面處理合格后4 h內涂敷防腐層,可采用高壓無氣噴涂或手工涂敷,每次涂覆應均勻,不漏涂,不留氣泡,下一道漆在上一道漆表干后固化前涂敷,涂敷完成后,自然靜置固化[2]。

環氧煤瀝青防腐已有60 a使用歷史,成本較低,目前特加強級防腐市場價約60元/m2～70元/m2,具有防腐效果好,生產條件要求低,質量容易控制等優點,至今仍廣泛使用,如廣州西江引水工程DN1 600～DN3 600輸水管、南京江北應急水源工程DN1 600～DN2 600輸水管均采用“六油兩布”環氧煤瀝青防腐。

1.2 熔結環氧粉末(FBE)

FBE以氣體為載體,將固態涂料涂敷于預熱后的鋼管表面,經過熔化、流平、固化形成一條均勻的保護膜。FBE技術最早于1960年在國外開發,1980年引進國內,得到廣泛應用。FBE中高極性和活性的環氧基與金屬表面形成化學鍵后具有很強的黏結力,環氧樹脂、固化劑等組分均勻地分布于每個FBE顆粒,涂料在熔融固化時交聯充分。FBE涂層機械性能好,能適應鋼管在頂管過程中擠壓、撞擊、磨擦、彎曲等作業環境要求,同時耐腐蝕和老化。FBE外防腐涂層一般分單層和雙層結構,每種結構分普通級、加強級兩個級別,詳見表2[3]。

表2 FBE外防腐層等級與結構

防腐層涂敷前,先進行鋼管表面處理,表面處理合格后,采用無污染的熱源將鋼管均勻加熱至涂料生產商推薦的溫度,一般在180 ℃～250 ℃之間,FBE先在流化床內充分流化,靜電噴涂至鋼管表面后受熱熔化、流平,經1 min～1.5 min的固化后,采用空氣或水降溫冷卻。鋼管表面處理效果、材料性能、溫度控制、流平均勻性、固化效果等均會影響FBE涂層質量,工藝條件要求較高。

FBE防腐在國內已有30多年使用歷史,單價與環氧煤瀝青涂料相似,市場價約60元/m2～70元/m2,相比于環氧煤瀝青,更加環保,且機械性優越,堅韌耐磨,可用于頂管施工,應用廣泛,如鹽城新水源地及引水工程DN2 200～DN2 400輸水管、黃浦江上游水源地連通管工程DN3 600～DN4 000輸水管(頂管)、上海青草沙原水工程DN1 600～DN3 600輸水管(頂管)均采用400 μm厚的FBE涂層。由于FBE涂層生產工藝要求高,需嚴格把控產品質量,質量差的FBE涂層使用一段時間后易脫落。

1.3 三層聚乙烯防腐(3PE)

3PE防腐層由熔結環氧粉末底層、聚合物膠粘劑中間層和聚乙烯面層組成。FBE底層提供附著力、耐腐蝕性,膠粘劑層與FBE層融合,并與聚乙烯層黏結,聚乙烯層提供耐候性、抗機械損傷性,分為普通級、加強級兩個級別,詳見表3[4]。

表3 3PE防腐層等級與結構

FBE底層涂敷與1.2小節相同,FBE膠化過程中涂敷膠黏劑,將聚乙烯側向纏繞于膠粘劑之上,輥壓密實,用水冷卻,確保FBE層完全固化。3PE涂層質量主要受FBE底層質量的影響,工藝條件要求較高。

3PE防腐在國內已有30多年使用歷史,應用效果好,缺陷報道少,適用于強腐蝕性等各種惡劣環境條件,但成本較高,目前市場價約100元/m2～120元/m2,常用于國家重點項目,如西氣東輸工程、南水北調工程。

2 外防腐選擇建議

環氧煤瀝青,FBE,3PE外防腐綜合對比見表4。

表4 外防腐綜合對比

位于一般腐蝕環境的直埋管道,可采用環氧煤瀝青或FBE防腐,位于強腐蝕環境或對管道防腐安全等級要求高的管道,可采用3PE防腐,頂管外防腐一般采用FBE或環氧玻璃鱗片,環氧煤瀝青防腐不耐機械磨損,而3PE防腐在頂管中受到土壤磨阻和頂管頭部剪切力會造成聚烯烴的剝離,但近年來也有3PE防腐鋼管用于頂管的工程案例。

3 內防腐

3.1 水泥砂漿

水泥砂漿內防腐通過離心機或管道噴涂機在鋼管內壁噴涂水泥砂漿,在鋼管內壁形成一層致密的保護層,將鋼管內壁與水或空氣隔離。水泥砂漿與鋼管具有基本相同的熱膨脹率,在以下3種作用力下水泥砂漿與鋼管表面牢固結合:1)水泥水化產生的膠結力;2)水泥體積收縮產生的摩擦力;3)水泥與不平整的管內壁之間的機械咬合力。除了物理隔離作用外,水泥砂漿可在管內壁表面生成pH高達12的堿性鈍化區,具有化學防護效果。水泥砂漿襯里表面平整均勻,能形成一層錳系滑膩物,粗糙系數可以維持在0.012左右,隨著運行時間延長還會進一步降低。在水里硅酸鹽水泥水化生成水化碳酸鈣等,可以修復裂縫。

現場施工時,水泥砂漿應在鋼管道鋪設完畢,試壓合格且覆土夯實,鋼管保持穩定狀態下施工;工廠預制時,襯里施工完畢的管道在堆放、運輸、裝卸安裝及回填期間均應保持穩定。施工前,應清理鋼管內壁,去除表面浮銹及污染物,焊縫凸起高度不得大于襯里厚度的1/3,用水清洗干凈,表面干燥后施工。采用機械噴涂時,內襯厚度和公差要求見表5,手工涂抹時,厚度應增加2 mm。內襯凝固后應及時澆水養護,養護溫度應不小于10 ℃,時間不小于7 d,礦渣硅酸鹽水泥應不小于14 d[5]。

表5 水泥砂漿襯里厚度及允許公差 mm

水泥砂漿防腐在國內已有近百年使用歷史,成本較低,目前市場價約50元/m2,相比于環氧涂料和FBE防腐,工藝簡單,鋼管表面前處理要求低,質量可靠,為大口徑輸水管線常用防腐方式,近年的上海青草沙原水工程DN1 600～DN3 600輸水管、鹽城新水源地及引水工程DN2 200～DN2 400輸水管、黃浦江上游水源地連通管工程DN3 600～DN4 000輸水管、杭州大毛塢—仁和大道供水管道工程DN3 400輸水管均采用水泥砂漿內襯。2002年上海楊樹浦水廠出廠管改造時發現,已運行120 a之久的DN600水泥砂漿內襯鋼管,內襯依然保持完好。

3.2 液體環氧涂料

液體環氧涂料分為有溶劑型和無溶劑型,有溶劑型環氧涂料成膜物質含量約為50%～80%,其余為揮發性溶劑,一般有毒性,無溶劑型環氧涂料成膜物質含量接近100%,相同涂層厚度,相比于有溶劑型,無溶劑型環氧涂料具有用量小,涂刷次數少,安全環保等優點,故給水管道內防腐一般采用無溶劑型液體環氧涂料。液體環氧涂料為雙組分涂料,主要成分一般為環氧樹脂,并加入固化劑、改性劑、填料等添加劑。根據不同功能需求,調整組成成分,制成底漆、面漆。底漆提供附著力、耐腐蝕性等,面漆提供裝飾性、耐劃傷、耐候性、耐腐蝕性等。部分涂料也會增加中間漆,如環氧富鋅底漆,常用環氧云鐵中間漆,提高漆膜厚度和底漆和面漆之間的附著力。

防腐層涂敷前,先進行鋼管表面處理,采用噴射除銹和空氣吹掃,除銹等級、灰塵等級達標,表面處理合格后4 h內涂敷防腐層。一般采用機械噴涂,涂敷時,涂料應平穩輸送、霧化良好、速度均勻,防腐層應平整、無流掛、無漏涂,多道涂敷應控制間隔時間,防腐層固化應控制好固化溫度和時間。涂敷不得在環境相對濕度大于85%,以及雨雪霧風沙等惡劣天氣下進行。液體環氧涂料內防腐等級和厚度分為普通級、加強級、特加強級三個級別,詳見表6[6]。

表6 液體環氧涂料內防腐等級與結構

液體環氧涂料內防腐具有防腐效果好、施工方便快捷、施工環境要求相對較低的特點,目前市場價約50元/m2～60元/m2,是給水鋼管最常用的內防腐方式之一,也是鋼制管配件及現場鋼管內防腐補口最常用的防腐方式,廣州西江引水工程DN1 600～DN3 600輸水鋼管、南京江北應急水源工程DN1 600～DN2 600輸水鋼管均采用液體環氧涂料內防腐。

3.3 FBE

FBE內防腐與外防腐特性、施工工藝基本相似,兩者區別在于外防腐采用快速固化粉末,固化時間短,一般為1 min～1.5 min,內防腐采用普通固化粉末,固化時間長,一般在5 min以上,涂層流平好。FBE內防腐層厚度見表7[7]。與外防腐相似,FBE內防腐生產工藝條件要求高,但隨著FBE防腐生產工藝逐步成熟和完善,內外FBE防腐鋼管,或內FBE外3PE防腐鋼管應用日趨廣泛,由于內外防腐均采用FBE防腐工藝,提高了設備利用率和生產效率,降低了生產成本,前景廣闊。

表7 FBE內防腐層等級與結構

4 內防腐選擇建議

水泥砂漿、液體環氧涂料、FBE內防腐綜合對比如表8所示。

表8 內防腐綜合對比

水泥砂漿防腐的特點主要是對鋼管前處理要求低,且具有自愈性,使其安全性、可靠性較高,工廠預制的水泥砂漿防腐鋼管對施工期間管道穩定性要求較高,無法用于頂管施工,頂管施工的管道需在頂管施工完畢后,現場施工水泥砂漿襯里。液體環氧涂料對鋼管前處理要求高,但施工方便快捷、施工環境要求相對較低,適用性廣,除鋼管直管防腐外,還經常用于管配件的內防腐和FBE內防腐補口。FBE內防腐機械性優越,堅韌耐磨,對鋼管前處理、工藝條件要求高,很少單獨使用,一般與FBE外防腐同時使用,提高生產效率。

5 結語

大口徑輸水鋼管內外防腐方式需結合項目特點進行選擇,綜合考慮地質條件、氣候條件、管道施工方式、項目工期要求、廠家生產技術水平、供貨周期和運距、綜合成本等,選擇適應外部環境條件、施工方便、質量可靠、經濟合理的防腐方式。