供水用球墨鑄鐵管質量評價指標體系

謝震方,李 斐

(1.上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司,上海 200082;2.上海城投水務<集團>有限公司,上海 200001)

城市供水系統是現代化城市重要的市政基礎設施之一,承擔自來水輸送、分配、壓力調節和水量調節的任務,在保證城市經濟穩定發展、保障人民生活安定等方面不可或缺。 市政供水管道作為供水系統的核心組成,分布于整個城市地下,系統龐大且隱蔽性強,材質的選擇應按照“運行安全、耐久、漏損少、施工和維護方便、經濟合理以及清水管道防止二次污染”的原則,通過技術、經濟、安全等綜合分析后確定。 目前,我國市政供水管道的管材一般采用球墨鑄鐵管、鋼管、聚乙烯管、硬質聚氯乙烯管等[1]。球墨鑄鐵管因機械性能良好、耐腐蝕性能優異、安裝施工簡便、使用壽命長久等優點[2],在市政供水系統中被廣泛應用。

隨著球墨鑄鐵管在供水領域應用規模持續擴大,球墨鑄鐵管質量性能也引起了供水企業的重點關注。 《水及燃氣用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2019)是目前球墨鑄鐵管主要依據的產品標準。 雖然該標準對球墨鑄鐵管產品質量提出了明確要求,但該標準更側重于制造商的工廠內質量控制,部分指標的檢測方法并不適用于球墨鑄鐵成品管,導致供水企業無法對施工現場或物資倉庫的球墨鑄鐵管開展質量抽檢。

本文針對球墨鑄鐵管產品特點,在現行國家標準和國際標準的基礎上,確定球墨鑄鐵管的關鍵性能指標和相應檢測方法,并建立供水用球墨鑄鐵管質量評價指標體系,以期為供水用球墨鑄鐵管質量管控提供參考。

1 球墨鑄鐵管產品特點

1.1 生產工藝

供水用球墨鑄鐵管主要指離心球墨鑄鐵管,基本生產工藝流程是熔煉后的鐵液先經過球化和孕育處理,接著用專用澆包快速均勻倒入高速旋轉的鑄型內。 鐵液在鑄型內急速冷卻后凝固形成鑄鐵管,之后依次經過退火處理和鑄鐵管外壁噴鋅處理。 耐壓試驗通過后,對鑄鐵管內壁水泥離心噴涂和養生,最后噴涂或刷涂終飾涂層,檢測合格后包裝入庫[3]。

1.2 產品組成

供水用球墨鑄鐵管一般從里到外依次為水泥砂漿內襯、鑄鐵層、金屬鋅層和終飾層,如圖1 所示。

圖1 供水用球墨鑄鐵管剖面Fig.1 Ductile Iron Pipes for Water Supply

水泥砂漿內襯由水泥、砂子和水混合而成,目前常用的水泥有普通硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和抗硫酸鹽硅酸鹽水泥[4]。 水泥砂漿內襯并不是完全致密的物理隔斷層,水在浸潤作用下通過水泥砂漿內襯滲透到鑄鐵層內表面,在水泥砂漿內襯和鑄鐵層內表面之間的高堿性環境(pH 值在12.5 左右)下,經電化學反應在鑄鐵管內表面生成氧化鐵水合物鈍化膜[5]。 該鈍化膜與機械強度高、耐候性優良的水泥砂漿骨料共同組成的內防腐層,阻斷水與鑄鐵層直接接觸,抑制了鑄鐵氧化與腐蝕結垢,為鑄鐵管內壁提供優良保護。 此外,水泥砂漿內襯自身還具有自修復功能,即使水泥養護硬化過程中出現了裂縫缺陷,水泥砂漿會在通水后,通過水化膨脹作用,自動愈合裂縫彌補缺陷。 雖然近年來供水用球墨鑄鐵管也會采用水泥砂漿內襯密封涂層、聚氨酯涂層等其他新型防腐涂層,減少水泥砂漿與供水管道中水接觸,同時提高輸水能力,但考慮到價格因素,目前水泥砂漿內襯仍是供水用球墨鑄鐵管首選的防腐內襯。

鑄鐵層主要是由球墨鑄鐵組成,球墨鑄鐵是以鐵、碳和硅為基本元素,碳元素主要以球狀石墨形式析出的鑄鐵。 球墨鑄鐵與灰鑄鐵相比,石墨呈球狀,對基體的割裂作用較小,所以其抗拉強度、塑性和韌性均高于灰鑄鐵;與碳鋼相比,球墨鑄鐵塑性較低,疲勞強度與一般中碳鋼相當,但屈服強度幾乎是一般碳鋼的2 倍以上[6]。

金屬鋅層和其上覆蓋的終飾層共同組成球墨鑄鐵管材標準外防腐層,其中金屬鋅層的鋅含量不低于99.99%,終飾層為瀝青涂料或與鋅相容的合成樹脂涂料。 金屬鋅層一般采用熱噴涂工藝,即管材生產加工中,借助噴槍將鋅加熱到熔融狀態并以微滴狀噴射到球墨鑄鐵管外表面上。 由于鋅具有較低氧化還原電位(-0.76 V,相對標準氫電極),在與土壤接觸過程中,金屬鋅層會自發進行電化學反應,從而在土壤與鑄鐵層之間生成一層連續致密、不可溶解的隔斷層,保護了鑄鐵管外壁[7]。 一般性土壤環境選擇“金屬鋅層+終飾層”的標準外防腐層即可,實際工程中需根據其埋設土壤環境選擇球墨鑄鐵外防腐層。 對于腐蝕性土壤環境,可以在標準外防腐層基礎上增加聚乙烯套或直接選用聚氨酯涂層等其他涂層,提高管道抗腐蝕能力。

2 球墨鑄鐵管現行標準

球墨鑄鐵標準是為了指導生產企業生產出適合供水行業需求的球墨鑄鐵管材,以及幫助供水企業選購球墨鑄鐵管材而制定的,其目的在于有效引導和規范行業的良性健康發展。 目前供水用球墨鑄鐵管參照的現行國家標準為《水及燃氣用球墨鑄鐵管、管件和附件》(GB/T 13295—2019),標準從技術要求、試驗方法、檢測規則等方面對球墨鑄鐵管、管件和附件做了明確規定。 該標準從1991 年第1 次發布至今已經經歷了4 次修訂,分別為2003 年第1次修訂、2008 年第2 次修訂、2013 年第3 次修訂和2019 年第4 次修訂。 從標準發展歷程來看,GB/T 13295 系列標準與國際標準保持了同步發展。 雖然我國球墨鑄鐵管生產起步較晚,從20 世紀90 年代初才開始大規模生產,但目前我國球墨鑄鐵管的質量性能與產量均已位居世界前列,說明標準制定的國際性對我國球墨鑄鐵管質量性能提升和國際市場競爭力提高起到了十分重要的推動作用。

表1 羅列了現行的國際標準、歐洲標準和中國標準,經比對,指標數量和指標內容上,GB/T 13295—2019 與歐洲標準《水管用球墨鑄管、配件及其接頭 試驗方法和要求》(EN 545: 2010)保持了一致,指標數量都為21 項,指標范圍包括了表面質量、衛生要求、幾何尺寸、材料性能、外涂層與內襯、密封要求,而國際標準《輸水用球墨鑄鐵管、管件、附件及其接頭》(ISO 2531: 2009)指標數量為16 項,其指標范圍不涉及外涂層與內襯,且密封要求中沒有循環壓力下接口密封試驗的相關技術要求。 ISO 2531: 2009 雖然要求鑄管的內外部都應有涂層,但內外涂層技術要求僅在資料性附錄中列出,不做強制要求。 而歐洲標準和中國標準不僅明確提出離心球墨鑄鐵管的基本外涂層應包括金屬鋅層和終飾層,內涂層為水泥砂漿內襯,并且對內外涂層均作了明確的技術要求。

表1 現行的國際標準、歐洲標準和中國標準球墨鑄鐵管標準對照Tab.1 Comparison of Existing International Standard, European Standard and Chinese Standard for Water Supply Ductile Iron Pipes

作為國際標準ISO 2531:2009 的修改采用版,GB/T 13295—2019 有14 項技術指標的技術要求與國際標準ISO 2531:2009 基本保持一致,在技術內容上等效采用ISO 2531:2009 的相應內容,包括表面質量、安全性評價、幾何尺寸4 項(包括外徑、插口橢圓度、長度和直線度)、材料性能4 項(抗拉強度、斷后伸長率、規定塑性延伸強度和布氏硬度)和密封要求4 項(工廠密封試驗、內壓下接口密封試驗、外壓下接口密封試驗和負壓下接口密封試驗)。內徑的技術要求上參照歐洲標準EN 545: 2010,增加了內徑偏差的技術要求。

GB/T 13295—2019 與現行國際標準ISO 2531:2009 和歐洲標準EN 545: 2010 在壁厚技術要求上存在明顯的技術差異。 ISO 2531: 2009 與EN 545:2010 均依據允許工作壓力(PFA)對管道分級,由10倍的PFA 前面加上字母C 表示,即C 級管,通過PFA 與公稱外徑(De)的函數確定管公稱壁厚和最小壁厚限值,壓力分級離心球墨鑄鐵管最小壁厚不小于3 mm。 而GB/T 13295—2019 可依據PFA 或壁厚系數(K)進行分級,即C 級管或K 級管,其中C級管壁厚的技術要求與ISO 2531:2009 保持一致;K級管通過K與公稱直徑(DN)的函數確定公稱壁厚和最小壁厚限值,壁厚分級離心球墨鑄鐵管最小壁厚不小于4.7 mm。 經比對,ISO 2531 和EN 545 舊版標準按照壁厚等級分類,而現行標準修改為了依據PFA 對管道分級,其目的是在不降低材料性能的前提下,減少鑄鐵消耗量,且C 級管以管道工作壓力直接定義球墨鑄鐵管,便于用戶直觀理解。 與K級管相比,C 級管的鋅層厚度高于K 級管(C 級管的鋅層質量單位面積平均值不低于200 g/m2,局部最小值不低于180 g/m2;K 級管的鋅層質量單位面積平均值不低于130 g/m2,局部最小值不低于110 g/m2),即C 級管外防腐性能優于K 級管,但考慮到同等規格情況下,C 級管的公稱壁厚和公稱壓力均低于K 級管,且C 級管對生產工藝、土壤環境、施工規范要求相對嚴苛。 因此,為了適應我國市場需求和制造現狀,GB/T 13295—2019 在采納ISO 2531: 2009 新增的壓力分級的同時,仍舊保留了壁厚分級。 由此可見,GB/T 13295—2019 在與國際標準保持接軌的同時,也根據我國的發展階段和行業特點制定符合我國國情的球墨鑄鐵國家標準,這有助于我國球墨鑄鐵管行業整體制造水平快速提升。

3 指標體系的構建

GB/T 13295—2019 的技術指標依據的檢測方法如表2 所示。 經分析發現,GB/T 13295—2019 側重于制造商的工廠質量控制,部分指標的檢測方法不適用于球墨鑄鐵成品管。 此外,標準中規定的21項技術指標若全面檢測,檢測周期較長,不能滿足施工現場或物資倉庫的檢測需求,因此,有必要篩選關鍵指標,建立供水用球墨鑄鐵管性能指標評價體系。

表2 GB/T 13295—2019 的技術指標與檢測方法Tab.2 Technical Indices and Detection Methods of GB/T 13295—2019

如表3 所示,供水用球墨鑄鐵管性能指標評價體系由4 個指標類別組成,分別是幾何尺寸、外涂層與內襯、力學性能和金相組織。 其中幾何尺寸包括了外徑、內徑、壁厚、插口橢圓度4 項指標,外涂層與內襯包括了鋅層質量、終飾層厚度、水泥砂漿內襯厚度3 項指標,力學性能包括了抗拉強度、斷后伸長率、規定塑性延伸強度3 項指標,金相組織包括球化等級和石墨顆粒大小2 項指標。

表3 供水用球墨鑄鐵管質量評價指標體系Tab.3 Indices System of Quality Assessment for Water Supply Ductile Iron Pipe

3.1 幾何尺寸

球墨鑄鐵管插口的幾何尺寸直接影響接口密封性能,進而影響管網系統運行效果。 供水用球墨鑄鐵管質量評價指標體系中幾何尺寸選擇了外徑、插口橢圓度、內徑、壁厚這4 項性能指標。 4 項性能指標限值與GB/T 13295—2019 相應技術要求保持一致。

外徑、插口橢圓度、內徑均按照GB/T 13295—2019 的相關要求開展檢測,采用合適的工具在球墨鑄鐵管上直接測量,插口外徑在插口端用環形尺等測量,插口橢圓度在插口端通過測量最大直徑和最小直徑計算得到,內徑可用樣板尺進行測量,在距端面200 mm 或200 mm 以上處橫截面上互成直角測量,也可用千分尺直接測量。

GB/T 13295—2019 中提到壁厚可直接測量或用合適的工具測量,如采用機械或超聲波設備。 本評價體系中壁厚推薦使用三坐標測量儀測量,依據的檢測方法為GB/T 3177—2009。 三坐標測量儀基于三坐標測量原理,是一種三維尺寸的精密測量儀器,即將被測物體置于三坐標測量儀的測量空間,獲得被測物體上各測點的坐標位置,根據這些點的空間坐標值,經過數學運算,求出被測物體的幾何尺寸、形狀和位置。 目前,三坐標測量儀已被廣泛應用于機械制造業、汽車工業、電子工業、航空航天業和國防工業等,成為現代工業檢測和質量控制不可缺少的測量設備[8]。 通用的三坐標測量儀能夠實現微米級的測量精度,誤差范圍高于GB/T 13295—2019 關于壁厚的檢測技術要求(壁厚應使用誤差范圍為±0.1 mm 的合適設備測量)。 采用數顯千分尺和三坐標掃描儀分別對不同口徑、長度為70 cm 的球墨鑄鐵管樣品開展檢測,檢測結果如表4 所示。三坐標測量儀最小壁厚的檢測結果均低于數顯千分尺的檢測結果,且三坐標測量儀測量范圍可覆蓋樣品全長度,而數顯千分尺僅能在樣品端口處往里10 cm 范圍內測量。 與游標卡尺、壁厚千分尺等測量工具相比,三坐標測量儀具有測量范圍廣、測量精度高、測量點位多等優點,因此,將其應用于球墨鑄鐵管材壁厚檢測,可較為全面反映出球墨鑄鐵管材壁厚分布情況,提高檢測結果的準確度。 此外,如圖2所示,三坐標測量儀還可基于點位數據通過軟件可構建壁厚分布圖,并通過不同顏色代表不同的壁厚數值來直觀反映球墨鑄鐵管的壁厚分布情況。

表4 數顯千分尺與三坐標測量儀壁厚檢測結果比對Tab.4 Thickness Test Results of Digimatic Micrometer and Coordinate Measuring Machine

圖2 球墨鑄鐵管壁厚分布Fig.2 Thickness Distribution of Ductile Iron Pipes

3.2 外涂層與內襯

由于內外環境的復雜性(各種土壤環境及水質),球墨鑄鐵管的內外表面防腐蝕效果直接影響到管道的長期使用性和安全性,成為衡量管道質量的重要指標。 考慮到供水用球墨鑄鐵管正常情況下首選“金屬鋅層+終飾層”為外防腐層,水泥砂漿為內防腐層,因此,供水用球墨鑄鐵管質量評價指標體系中外涂層與內襯選擇了鋅層重量、終飾層厚度和水泥內襯這3 項性能指標。 3 項性能指標限值與GB/T 13295—2019 相應技術要求保持一致,即鋅層重量和終飾層厚度符合GB/T 17456.1—2009 相關限值要求,水泥砂漿內襯厚度符合GB/17457—2019相關限值要求。

終飾層厚度和水泥砂漿內襯厚度均采用磁性測厚儀直接測量,檢測方法為GB/T 4956—2003,即使用磁性測厚儀無損測量基體金屬上非磁性覆蓋層厚度的方法。

GB/T 17456.1—2009 中鋅層質量采用重量法檢測,即在工廠噴鋅層前,先沿軸向貼一矩形試片于球墨鑄鐵管外表面上,根據試片噴鋅前后質量差計算得到鋅涂層平均質量和局部最小值。 該方法可以比較真實反映球墨鑄鐵管鋅層質量,但僅限于工廠內生產線上開展檢測,并不適用于球墨鑄鐵成品管檢測。 本研究經比較,GB/T 6462—2005 適用于球墨鑄鐵成品管,可作為鋅層質量的間接測量方法。先從待測樣品上切割一塊試樣,鑲嵌后,采用適當的技術對橫斷面進行研磨、拋光和侵蝕,最后運用光學顯微鏡測量覆蓋層橫斷面的厚度。 如圖3 所示,光學顯微鏡下鑄鐵層、金屬鋅層和終飾層有比較明顯的界面分隔,從左到右的區域依次為鑄鐵層、金屬鋅層、終飾層和鑲嵌層。 可通過測微計測量視野范圍內金屬鋅層的厚度,將金屬鋅層厚度檢測值與純鋅密度(7.2 g/m2)的乘積即可得到鋅層重量的檢測值。

圖3 光學顯微鏡下球墨鑄鐵管外表面照片Fig.3 Photo of Exterior Surface of Ductile Iron Pipe under Light Microscope

3.3 力學性能

供水管道在使用過程中,地形和供水的需要將承受一定的壓力,另外使用中的一些突發情況將產生瞬間的高壓,因此,管道的抗壓性能直接關系到管網能否安全使用并提供長期穩定的供水。 球墨鑄鐵是通過球化和孕育處理得到球狀石墨,有效地提高了鑄鐵的機械性能,特別是提高了塑性和韌性,從而得到比碳鋼還高的強度。 因此,力學性能直接反映了球墨鑄鐵管質量性能優劣。

供水用球墨鑄鐵管質量評價指標體系中力學性能選擇了抗拉強度、斷后伸長率、規定塑性延伸強度。 抗拉強度是金屬在靜拉伸條件下的最大承載能力,即金屬材料在拉力作用下抵抗破壞的最大能力,反映了球墨鑄鐵管抵抗拉伸破壞的能力;斷后伸長率是指金屬材料受外力作用斷裂時,試棒伸長的長度與原來長度的百分比,反映了球墨鑄鐵管的延展性能;規定塑性延伸強度指的是規定塑性延伸率為0.2%時對應的應力,由于球墨鑄鐵在拉伸過程中不會發生明顯的屈服現象,一般以規定塑性延伸率反映球墨鑄鐵管的屈服強度,即球墨鑄鐵管抵抗變形的能力。 這3 項性能指標限值與檢測方法均與GB/T 13295—2019 相應技術要求保持一致,先依據GB/T 13295—2019 制備力學試棒,然后按照GB/T 228.1—2021 開展拉伸試驗。

3.4 金相組織

球墨鑄鐵的力學性能主要取決于基體組織及石墨的數量、形狀、大小和分布等[9]。 供水用球墨鑄鐵管質量評價指標體系中金相組織選擇了球化等級和石墨顆粒大小。 這2 項指標均采用金相顯微鏡檢測,檢測方法為GB/T 9441—2021。

球墨鑄鐵中的石墨形態主要是球狀石墨(石墨顆粒圓整度大于等于0.6 的石墨顆粒),還包括少量的非球狀石墨如團狀、團絮狀、蠕蟲狀等。 球化等級是以球化率來劃分,即鑄鐵中球形石墨顆粒面積占石墨顆粒總面積的百分比,反映石墨顆粒中球狀石墨的數量。 GB/T 9441—2021 將球化等級分為6級,通過比較評級圖,球化率大于80%時石墨主要以球狀和團狀為主,球化率低于80%時石墨中球狀石墨已不是主要形態。 石墨顆粒大小反映的是石墨顆粒的尺寸,GB/T 9441—2021 將石墨顆粒大小分為6 級,研究發現,球狀石墨數越多,石墨球越圓整且球徑越小,球墨鑄鐵管的力學性能越好。 目前,我國規模較大的球墨鑄鐵制造企業均以球化等級1～3級、石墨顆粒大小6 ～8 級作為內控指標。 因此,供水用球墨鑄鐵管性能指標評價體系中球化等級和石墨顆粒大小的技術要求為球化等級應在1 ～3 級,石墨顆粒大小應在6～8 級。

4 結論

(1)從幾何尺寸、外涂層與內襯、力學性能和金相組織4 個方面建立供水用球墨鑄鐵管質量評價指標體系,該指標體系對施工現場或物資倉庫的球墨鑄鐵管質量管控具有實際指導意義。

(2)基于球墨鑄鐵管產品特點,指標體系提出球墨鑄鐵成品管壁厚可采用三坐標測量儀,鋅層質量可采用金相顯微鏡。

(3)后續還可根據供水用球墨鑄鐵管新生產工藝和新檢測技術的研究與應用現狀,進一步深化完善質量評價指標體系。