PCCP 管道内外防腐研究

胡 宏，李 强

（1. 湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007；2. 四川省水利水电勘测设计研究院，四川 成都 610072）

1 工程概况

在综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。近年来，预应力钢筒混凝土管（PCCP）以其特有的钢筒、预应力钢丝和混凝土组合结构，兼备钢管和混凝土管的优点，因而能承受较高的内外压力，正越来越多地应用到我国输水工程中。涔天河水库扩建工程（灌区工程）有两处倒虹吸采用了PCCP管材，分别为西河倒虹吸工程和锦江倒虹吸工程。

西河倒虹吸工程为2 级水工建筑物，管道直径DN3200，单节长度5 m，重37.1～51.1 t，全长2 242.3 m，穿越西河河道70 m。锦江倒虹吸工程为3 级水工建筑物，管道直径DN2800，单节长度6 m，重36.1～47.7 t，全长2 068.1 m，穿越永明河河道160 m。

1.1 管道埋置的环境及输水水质腐蚀性分析

依据SL 702-2015《预应力钢筒混凝土管道技术规范》第8.1 节，一般要求：外表面防腐涂层的品种和厚度应根据埋设环境土壤的腐蚀程度确定。第9.3 节：阴极保护设计前，应掌握相关工程资料，必要时应进行现场勘测。2017 年10 月对西河倒虹吸工程和锦江倒虹吸工程的坡地，河滩阶地，河水，地下水进行腐蚀性评价。

1） 灌区引用水库水对混凝土具有重碳酸型（HCO3-）弱腐蚀，对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀，对钢结构具有弱腐蚀。

2）西河、永明河的河水、地下水对混凝土无腐蚀，对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀，对钢结构具有弱腐蚀。

3）两处倒虹吸的土壤对钢结构具有微腐蚀，对混凝土具有微腐蚀，对钢筋混凝土中的钢筋具有微腐蚀。

1.2 PCCP 腐蚀机理

PCCP 中的钢筒和预应力钢丝被混凝土管芯和水泥砂浆保护层包裹，由于混凝土和水泥砂浆在自身硬化过程中，空隙内充满了饱和的Ca（OH）2溶液，此碱性介质使钢筋表面产生一层难溶的Fe2O3和Fe3O4薄膜，称为钝化膜，从而使得PCCP 管具有一定的防腐蚀性能[1]。PCCP 管道的腐蚀形式主要以下几种：

1）碳化反应。土壤中的HCO3-以及空气中的CO2与水泥在水化过程中产生的Ca（OH）2反应产生CaCO3产生去钝化效应，由于钢的钝化膜pH 值小于11.5 时就不稳定了，当pH 值降低到9 以下时，钢材表面则失去钝化保护[2]。另混凝土中掺入粉煤灰以及采用蒸汽养护的方法，会加速混凝土碳化[1]。

2）氯离子侵蚀。Cl-与混凝土的主要成分3CaO·2Al2O3·3H2O 发生反应，生成易溶CaCl2，同时Cl-穿透钝化膜使钢筋发生点蚀，引发电化学腐蚀[3]。

3）硫酸盐侵蚀。一方面与水泥在水化过程中产生的Ca（OH）2反应，产生体积更大的产物，另一方面与铝酸三钙产生白色糊状带大量结晶的水化物[3]。

4）其他腐蚀。应力腐蚀和氢脆；温度以及杂散电流产生的电化学腐蚀。

2 PCCP 管道及预应力管爆管案例

美国Texas 在1972 年安装的两根PCCP 管线，1981—1991 年期间，由于外砂浆保护层在安装过程中局部破损或在水锤作用下开裂，土壤中的氯离子侵入导致预应力钢丝腐蚀而发生7 次破裂。1994 年某条PCCP（DN3400）管线发生爆裂事故，处理1 节爆管就花了两周时间；2003 年美国Middlesex 县PCCP 爆管，历时11 天才修复。1962 年，包头1 条DN1400 管道全线报废，大部分管子外表环筋有黄锈，12%的管子钢筋断裂。山西一输水工程DN900 的预应力管，1976—1982年共爆管17 次。河南一条DN600，长8.5 km 预应力的管尚未通水就全部报废。2008 年华盛顿郊区卫生委员会（WSSC）管理的1 根66 英寸的输水PCCP 干管断丝爆管。1997 年，陕西省渭南市引黄河水低压管线PCCP管（DN2000）面临更换。2008 年12 月16 日，担负陕西宝鸡市70%人口供水的冯家山输水管道在宝鸡市陈仓大道附近发生爆管，这是该工程1998 年试供水以来发生的第11 次爆管。2012 年文献[4]报道某PCCP 管道工程在初期判断环境对混凝土及钢材没有腐蚀性，但工程运行3 个月后出现爆管，发现钢丝腐蚀破坏。

3 防腐设计

3.1 防腐蚀等级

依据GB/T 19685-2017《预应力钢筒混凝土管》第6.3.7.2 节：当成品管子用于输送具有腐蚀性的污水、海水、或用于含有腐蚀性介质的土壤环境中及露天铺设时，应按照GB 50046-2008《工业建筑防腐蚀设计规范》的规定对管体混凝土或水泥砂浆保护层进行防腐设计。涂覆防腐材料时应遵循GB 50212-2014《建筑防腐蚀工程施工规范》的规定，防腐施工的质量应按GB 50224-2010《建筑防腐蚀工程施工质量验收规范》的规定进行评定。

由岩土勘测资料可知，输送水对管道内部混凝土和混凝土内钢筋及钢结构均有弱腐蚀；外部埋设环境对混凝土和混凝土内钢筋微腐蚀，对钢结构弱腐蚀。依据GB 28725-2012《埋地预应力钢筒混凝土管道的阴极保护》第4.1 节：环境对混凝土中的钢筋、钢结构的腐蚀性评价为中、强腐蚀等级时，新建或已建PCCP 管道，均应采用阴极保护，并在管道运行期间始终维持。腐蚀性评价为弱腐蚀等级时，宜采用阴极保护。在PCCP 管道阴极保护的必要性确认中，认为管道所处的环境属于微腐蚀，因此不必采用阴极保护的方式进行防腐。

参考其他行业规范：SH/T 3022-2011《石油化工设备和管道涂料防腐蚀设计规范》，该规范主要适用于钢质管道，与GB 50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》第5.4 节钢管内外防腐要求类似。《石油化工设备和管道涂料防腐蚀设计规范》第5.1.2 节确定了防腐的级别，见表1。

表1 土壤腐蚀性等级及防腐等级

因此确定PCCP 倒虹吸的防腐等级如表2。

表2 管道不同部位的防腐等级确定

3.2 PCCP 管及配件的内外防腐涂层材料及厚度设计

3.2.1 承插口钢环防腐设计

依据GB/T 19685-2017《预应力钢筒混凝土管》第6.3.7 节规定，管道的防腐包括承插口钢环的防腐和管体防腐。第6.3.7.1 节：成品管承插口钢环外露部分应采用有效的防腐材料加以保护，漆膜厚度不宜大于100 μm。当成品管子用于输送饮用水时，所用防腐材料不得对管内水质产生任何不利影响。SL 702-2015《预应力钢筒混凝土管道技术规范》第8.1.4 节第二条规定承插口钢环防腐涂层按钢结构防腐涂层进行时，总厚度不宜超过200 μm；GB/T 35490-2017《预应力钢筒混凝土管体防腐蚀技术》第4.3.1 条：生活饮用水管道工程中，凡与生活饮用水接触的部位防腐涂料应符合GB/T 17219-1998《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》；第4.3.4 节：承插口钢环防腐涂料在淡水环境下的涂装纯环氧涂料体系厚度为80～100 μm，涂层道数为2 道。

因此确定承插口钢环防腐采用无溶剂环氧饮水舱漆，厚度为100 μm，该无溶剂环氧饮水舱漆适合饮水舱这类密闭舱室施工；一种不含挥发剂的液体涂料，由于固体含量极高而大大降低溶剂的滞留，成膜后慢性挥发的物质少，低VOC 排放，防腐性能优异，无毒、不污染水质，在防腐和环保要求较高的各类船舶饮水舱、压载水舱、淡水柜、食品容器内璧等方面得到了广泛的应用。

3.2.2 钢弯管防腐设计

GB/T 35490-2017《预应力钢筒混凝土管体防腐蚀技术》第4.3.5 节：埋地的环氧防腐涂料体系干膜厚度为250～280 μm；涂层道数为2～3；GB 50046-2008《工业建筑防腐蚀设计规范》第4.9 节中提到钢结构表面防腐层使用年限10～15 年在弱腐蚀条件下至少200 μm；室外工程宜增加20～40 μm；选用环氧涂料的最低除锈等级为Sa2；环氧沥青的最低除锈等级为St2；GB 50268-2008《给水排水管道工程施工及验收规范》第5.4 节钢管内外防腐要求见表3。

表3 环氧煤沥青涂料外防腐层构造 mm

因此确定钢弯管内防腐采用无溶剂环氧饮水舱漆；厚度为300 μm；外防腐采用厚浆型环氧煤沥青防腐防水材料，厚度为400 μm（四油一布）。厚浆型环氧煤沥青防腐防水材料为环氧树脂型高分子防腐防水系列，使用寿命为永久性防腐防水材料；由优质石油沥青和引入进口环氧树脂改性胶乳加入国内氯丁橡胶为主料，辅以轻柴油、油酸、煤焦沥青、煤焦油、熟石粉、石棉粉、滑石粉、云母粉、矿粉、石英粉再加以各种添加剂，填充剂配制而成的高分子沥青胶泥防腐防水材料，使用寿命长，施工方便。

3.2.3 管道混凝土内外表面防腐设计

GB 50046-2008《工业建筑防腐蚀设计规范》并未提到关于地下管道的明确防腐要求，可参考5.2.1 和5.2.2 的要求做防腐设计。

GB 50046-2008《工业建筑防腐蚀设计规范》第4.9节中提到，腐蚀性等级为弱时可不进行混凝土桩的防护；第5.2.1 节：在气态介质和固态粉尘介质作用下，混凝土结构表面在微腐蚀条件下也可不做防腐；混凝土结构防腐层使用年限10～15 年在弱腐蚀条件下至少120 μm，在7.2.1 的第一条提到混凝土和水泥砂浆宜选用硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥，地下结构或弱腐蚀条件下，也可选用矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥。

JTJ 275-2000《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》第7.1.3.2 条规定混凝土表面涂层最小平均厚度见表4。

表4 混凝土表面涂层最小平均厚度

GB/T 35490-2017《预应力钢筒混凝土管体防腐蚀技术》第4.3.2 规定，埋地管水泥砂浆保护的最小厚度为600 μm；4.3.3 节内表面输送淡水最小厚度为200 μm。

输送的水质对混凝土有弱腐蚀，因此管道内壁选用无溶剂环氧饮水舱漆，厚度为200 μm；虽然工程埋设位置的腐蚀性评价未检测出对管体混凝土及砂浆有腐蚀性，考虑到沿线地下水和土壤影响PCCP 管道腐蚀的因素很多，且处于人为活动较为密集的地区，并且管道爆管对工程将产生巨大的经济损失以及维修困难，为了保证工程质量和安全运行，参考其他类似工程：南水北调北京段，采用了在外壁涂覆900 μm 和600 μm 厚度的无溶剂环氧煤焦油重防腐蚀涂料的保护方案[5]；新疆3 个泉倒虹吸采用厚浆型环氧煤沥青防腐蚀涂料，厚度0.6～1 mm[6]；建议本工程对砂浆保护层做厚浆型环氧煤沥青防腐防水材料，厚度为400 μm（四油一布）。西河倒虹吸工程和锦江倒虹吸工程的防腐设计如表5。

4 结 论

PCCP 管的爆管事故大多是由于预应力钢丝遭到埋设环境的腐蚀导致的，做好管道的防腐设计将有利于管道的安全运行，减少工程因爆管带来的重大损失。当管道埋设环境腐蚀性为弱腐蚀或微腐蚀时，选择防腐涂层优于阴极保护。管道所处的环境是处于一个相对变化的环境，影响管道腐蚀破坏的不确定因素较多，在一定经济可行的情况下建议对管道做普通级防腐防护。

表5 PCCP 管道防腐设计