大口径给水钢管常用防腐方式选择

葛华飞

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司,上海 200092)

0 引言

钢管具有强度和韧性高、各类地质条件适用性强、管材及管件易加工的优点,是大口径给水管线常用管材。钢管自身耐锈蚀性差,钢管内外防腐层质量直接影响钢管使用寿命。目前大口径给水钢管常用的外防腐方式有环氧煤沥青、熔结环氧粉末(FBE)和三层聚乙烯防腐(3PE),内防腐方式有水泥砂浆、液体环氧涂料和FBE。各类防腐方式主要特性和使用条件不同,应根据项目特点选择合适的防腐方式。

1 外防腐

1.1 环氧煤沥青

采用煤焦油沥青、大分子环氧树脂、填料制成的环氧煤沥青涂料,具有高强度、绝缘、耐水、耐高温、耐腐蚀、抗菌等特性,结构包括一层底漆和多层面漆,中间穿插玻璃纤维布增强,分为三个等级:普通级、加强级、特加强级。详细的情况见表1[1],“六油两布”最为常用。

表1 环氧煤沥青防腐层等级与结构

防腐层涂敷前,先进行钢管表面处理,采用喷射除锈和空气吹扫,除锈等级、灰尘等级达标,表面处理合格后4 h内涂敷防腐层,可采用高压无气喷涂或手工涂敷,每次涂覆应均匀,不漏涂,不留气泡,下一道漆在上一道漆表干后固化前涂敷,涂敷完成后,自然静置固化[2]。

环氧煤沥青防腐已有60 a使用历史,成本较低,目前特加强级防腐市场价约60元/m2～70元/m2,具有防腐效果好,生产条件要求低,质量容易控制等优点,至今仍广泛使用,如广州西江引水工程DN1 600～DN3 600输水管、南京江北应急水源工程DN1 600～DN2 600输水管均采用“六油两布”环氧煤沥青防腐。

1.2 熔结环氧粉末(FBE)

FBE以气体为载体,将固态涂料涂敷于预热后的钢管表面,经过熔化、流平、固化形成一条均匀的保护膜。FBE技术最早于1960年在国外开发,1980年引进国内,得到广泛应用。FBE中高极性和活性的环氧基与金属表面形成化学键后具有很强的黏结力,环氧树脂、固化剂等组分均匀地分布于每个FBE颗粒,涂料在熔融固化时交联充分。FBE涂层机械性能好,能适应钢管在顶管过程中挤压、撞击、磨擦、弯曲等作业环境要求,同时耐腐蚀和老化。FBE外防腐涂层一般分单层和双层结构,每种结构分普通级、加强级两个级别,详见表2[3]。

表2 FBE外防腐层等级与结构

防腐层涂敷前,先进行钢管表面处理,表面处理合格后,采用无污染的热源将钢管均匀加热至涂料生产商推荐的温度,一般在180 ℃～250 ℃之间,FBE先在流化床内充分流化,静电喷涂至钢管表面后受热熔化、流平,经1 min～1.5 min的固化后,采用空气或水降温冷却。钢管表面处理效果、材料性能、温度控制、流平均匀性、固化效果等均会影响FBE涂层质量,工艺条件要求较高。

FBE防腐在国内已有30多年使用历史,单价与环氧煤沥青涂料相似,市场价约60元/m2～70元/m2,相比于环氧煤沥青,更加环保,且机械性优越,坚韧耐磨,可用于顶管施工,应用广泛,如盐城新水源地及引水工程DN2 200～DN2 400输水管、黄浦江上游水源地连通管工程DN3 600～DN4 000输水管(顶管)、上海青草沙原水工程DN1 600～DN3 600输水管(顶管)均采用400 μm厚的FBE涂层。由于FBE涂层生产工艺要求高,需严格把控产品质量,质量差的FBE涂层使用一段时间后易脱落。

1.3 三层聚乙烯防腐(3PE)

3PE防腐层由熔结环氧粉末底层、聚合物胶粘剂中间层和聚乙烯面层组成。FBE底层提供附着力、耐腐蚀性,胶粘剂层与FBE层融合,并与聚乙烯层黏结,聚乙烯层提供耐候性、抗机械损伤性,分为普通级、加强级两个级别,详见表3[4]。

表3 3PE防腐层等级与结构

FBE底层涂敷与1.2小节相同,FBE胶化过程中涂敷胶黏剂,将聚乙烯侧向缠绕于胶粘剂之上,辊压密实,用水冷却,确保FBE层完全固化。3PE涂层质量主要受FBE底层质量的影响,工艺条件要求较高。

3PE防腐在国内已有30多年使用历史,应用效果好,缺陷报道少,适用于强腐蚀性等各种恶劣环境条件,但成本较高,目前市场价约100元/m2～120元/m2,常用于国家重点项目,如西气东输工程、南水北调工程。

2 外防腐选择建议

环氧煤沥青,FBE,3PE外防腐综合对比见表4。

表4 外防腐综合对比

位于一般腐蚀环境的直埋管道,可采用环氧煤沥青或FBE防腐,位于强腐蚀环境或对管道防腐安全等级要求高的管道,可采用3PE防腐,顶管外防腐一般采用FBE或环氧玻璃鳞片,环氧煤沥青防腐不耐机械磨损,而3PE防腐在顶管中受到土壤磨阻和顶管头部剪切力会造成聚烯烃的剥离,但近年来也有3PE防腐钢管用于顶管的工程案例。

3 内防腐

3.1 水泥砂浆

水泥砂浆内防腐通过离心机或管道喷涂机在钢管内壁喷涂水泥砂浆,在钢管内壁形成一层致密的保护层,将钢管内壁与水或空气隔离。水泥砂浆与钢管具有基本相同的热膨胀率,在以下3种作用力下水泥砂浆与钢管表面牢固结合:1)水泥水化产生的胶结力;2)水泥体积收缩产生的摩擦力;3)水泥与不平整的管内壁之间的机械咬合力。除了物理隔离作用外,水泥砂浆可在管内壁表面生成pH高达12的碱性钝化区,具有化学防护效果。水泥砂浆衬里表面平整均匀,能形成一层锰系滑腻物,粗糙系数可以维持在0.012左右,随着运行时间延长还会进一步降低。在水里硅酸盐水泥水化生成水化碳酸钙等,可以修复裂缝。

现场施工时,水泥砂浆应在钢管道铺设完毕,试压合格且覆土夯实,钢管保持稳定状态下施工;工厂预制时,衬里施工完毕的管道在堆放、运输、装卸安装及回填期间均应保持稳定。施工前,应清理钢管内壁,去除表面浮锈及污染物,焊缝凸起高度不得大于衬里厚度的1/3,用水清洗干净,表面干燥后施工。采用机械喷涂时,内衬厚度和公差要求见表5,手工涂抹时,厚度应增加2 mm。内衬凝固后应及时浇水养护,养护温度应不小于10 ℃,时间不小于7 d,矿渣硅酸盐水泥应不小于14 d[5]。

表5 水泥砂浆衬里厚度及允许公差 mm

水泥砂浆防腐在国内已有近百年使用历史,成本较低,目前市场价约50元/m2,相比于环氧涂料和FBE防腐,工艺简单,钢管表面前处理要求低,质量可靠,为大口径输水管线常用防腐方式,近年的上海青草沙原水工程DN1 600～DN3 600输水管、盐城新水源地及引水工程DN2 200～DN2 400输水管、黄浦江上游水源地连通管工程DN3 600～DN4 000输水管、杭州大毛坞—仁和大道供水管道工程DN3 400输水管均采用水泥砂浆内衬。2002年上海杨树浦水厂出厂管改造时发现,已运行120 a之久的DN600水泥砂浆内衬钢管,内衬依然保持完好。

3.2 液体环氧涂料

液体环氧涂料分为有溶剂型和无溶剂型,有溶剂型环氧涂料成膜物质含量约为50%～80%,其余为挥发性溶剂,一般有毒性,无溶剂型环氧涂料成膜物质含量接近100%,相同涂层厚度,相比于有溶剂型,无溶剂型环氧涂料具有用量小,涂刷次数少,安全环保等优点,故给水管道内防腐一般采用无溶剂型液体环氧涂料。液体环氧涂料为双组分涂料,主要成分一般为环氧树脂,并加入固化剂、改性剂、填料等添加剂。根据不同功能需求,调整组成成分,制成底漆、面漆。底漆提供附着力、耐腐蚀性等,面漆提供装饰性、耐划伤、耐候性、耐腐蚀性等。部分涂料也会增加中间漆,如环氧富锌底漆,常用环氧云铁中间漆,提高漆膜厚度和底漆和面漆之间的附着力。

防腐层涂敷前,先进行钢管表面处理,采用喷射除锈和空气吹扫,除锈等级、灰尘等级达标,表面处理合格后4 h内涂敷防腐层。一般采用机械喷涂,涂敷时,涂料应平稳输送、雾化良好、速度均匀,防腐层应平整、无流挂、无漏涂,多道涂敷应控制间隔时间,防腐层固化应控制好固化温度和时间。涂敷不得在环境相对湿度大于85%,以及雨雪雾风沙等恶劣天气下进行。液体环氧涂料内防腐等级和厚度分为普通级、加强级、特加强级三个级别,详见表6[6]。

表6 液体环氧涂料内防腐等级与结构

液体环氧涂料内防腐具有防腐效果好、施工方便快捷、施工环境要求相对较低的特点,目前市场价约50元/m2～60元/m2,是给水钢管最常用的内防腐方式之一,也是钢制管配件及现场钢管内防腐补口最常用的防腐方式,广州西江引水工程DN1 600～DN3 600输水钢管、南京江北应急水源工程DN1 600～DN2 600输水钢管均采用液体环氧涂料内防腐。

3.3 FBE

FBE内防腐与外防腐特性、施工工艺基本相似,两者区别在于外防腐采用快速固化粉末,固化时间短,一般为1 min～1.5 min,内防腐采用普通固化粉末,固化时间长,一般在5 min以上,涂层流平好。FBE内防腐层厚度见表7[7]。与外防腐相似,FBE内防腐生产工艺条件要求高,但随着FBE防腐生产工艺逐步成熟和完善,内外FBE防腐钢管,或内FBE外3PE防腐钢管应用日趋广泛,由于内外防腐均采用FBE防腐工艺,提高了设备利用率和生产效率,降低了生产成本,前景广阔。

表7 FBE内防腐层等级与结构

4 内防腐选择建议

水泥砂浆、液体环氧涂料、FBE内防腐综合对比如表8所示。

表8 内防腐综合对比

水泥砂浆防腐的特点主要是对钢管前处理要求低,且具有自愈性,使其安全性、可靠性较高,工厂预制的水泥砂浆防腐钢管对施工期间管道稳定性要求较高,无法用于顶管施工,顶管施工的管道需在顶管施工完毕后,现场施工水泥砂浆衬里。液体环氧涂料对钢管前处理要求高,但施工方便快捷、施工环境要求相对较低,适用性广,除钢管直管防腐外,还经常用于管配件的内防腐和FBE内防腐补口。FBE内防腐机械性优越,坚韧耐磨,对钢管前处理、工艺条件要求高,很少单独使用,一般与FBE外防腐同时使用,提高生产效率。

5 结语

大口径输水钢管内外防腐方式需结合项目特点进行选择,综合考虑地质条件、气候条件、管道施工方式、项目工期要求、厂家生产技术水平、供货周期和运距、综合成本等,选择适应外部环境条件、施工方便、质量可靠、经济合理的防腐方式。