高腐蝕條件下供水鋼管頂管防腐方案的選擇

楊起志， 孫 濤， 張雪麗

(1.天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司，天津300040；2.天津市管道工程集團(tuán)有限公司，天津300040)

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高腐蝕條件下供水鋼管頂管防腐方案的選擇

楊起志1， 孫 濤2， 張雪麗2

(1.天津市自來(lái)水集團(tuán)有限公司，天津300040；2.天津市管道工程集團(tuán)有限公司，天津300040)

通過(guò)對(duì)沿海地區(qū)土壤環(huán)境的分析，確定了在高腐蝕性土壤條件下，輸水鋼制管道需要采用內(nèi)外防腐層和陰極保護(hù)技術(shù)相結(jié)合的綜合防腐蝕方案。進(jìn)一步針對(duì)供水鋼管頂管施工段的特點(diǎn)和需求，通過(guò)各種試驗(yàn)、防腐材料的對(duì)比分析等手段，確定管材外壁防腐、內(nèi)壁防腐、陰極保護(hù)的具體實(shí)施方案，包括防腐材料的選擇、陰極保護(hù)的實(shí)施方案等。

高腐蝕性土壤； 供水鋼管； 頂管； 防腐

城市供水管網(wǎng)作為保障人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，管道防腐蝕技術(shù)的作用日漸突出。由于東部沿海地區(qū)土壤中含有大量氯離子，相比一般土質(zhì)對(duì)管道的腐蝕性更強(qiáng)。如果不加以注意并采取有效防護(hù)措施，不僅會(huì)影響管道使用壽命，加大維修成本，還會(huì)因管道漏損給國(guó)家和人民財(cái)產(chǎn)造成重大損失。因此，在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、管理等多方面綜合考慮管道腐蝕問(wèn)題和運(yùn)行安全性。

1 背景介紹

濱海新區(qū)位于天津東部沿海地區(qū)，是中國(guó)北方的對(duì)外門戶。隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，其包括和輻射的區(qū)域越來(lái)越大。臨港工業(yè)區(qū)作為國(guó)家級(jí)石化基地處于天津?yàn)I海新區(qū)核心區(qū)，近年來(lái)污水、給水、熱力、燃?xì)狻㈦娏Φ仁姓涮自O(shè)施建設(shè)發(fā)展迅猛。

臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)及大港區(qū)輸水干管項(xiàng)目，采用DN1600鋼管及PCCP管道，全長(zhǎng)38.05 km，該工程采用PCCP管和鋼管交替埋設(shè)，大部分管材為PCCP管材，頂管及河流穿越部分等難點(diǎn)部位均采用鋼制管材，僅天津大道至臨港產(chǎn)業(yè)園DN1 600給水管道部分穿越鋼管的長(zhǎng)度就達(dá)到了4 km。本文針對(duì)沿海地區(qū)特殊的地質(zhì)情況，從給水管網(wǎng)安全運(yùn)行的長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，對(duì)穿越部位鋼制管道的防腐方案進(jìn)行了深入探討。

2 項(xiàng)目區(qū)域土壤腐蝕情況

濱海新區(qū)及附近地區(qū)管道敷設(shè)位置基本處在鹽堿土層中，土壤含水、含鹽高，鹽以氯化物為主。土質(zhì)是不透氣的粘土，魚(yú)塘、河溝水中含鹽量0.42%～1.45%，幾乎與海水成分相同，因此腐蝕性相當(dāng)海水介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕。由于地下水位高，一般均在地表下0.5～1.5 m。管道大部分處于全浸或半浸在鹽水中，形成氧濃差、鹽濃差電池，造成局部嚴(yán)重腐蝕。

現(xiàn)場(chǎng)共選取24個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行土壤取樣、試驗(yàn)檢測(cè)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 檢測(cè)點(diǎn)土壤含水量、含鹽量、腐蝕電位、pH、離子含量

說(shuō)明：含水量是以風(fēng)干土為基數(shù)的水分百分?jǐn)?shù)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及實(shí)驗(yàn)室分析，項(xiàng)目實(shí)施區(qū)域的土壤腐蝕情況如下。

土壤的含水量均在1.18%～1.79%，腐蝕速率不大；土壤的含鹽量均在0.65%～1.5%，腐蝕等級(jí)為高或特高腐蝕等級(jí)；管道腐蝕電位為-0.666～-0.732V(Cu/CuSO4)，屬?gòu)?qiáng)腐蝕等級(jí),該指標(biāo)反映管道極易失去鐵離子(發(fā)生腐蝕)而將電子留在管道上，顯示電位具有較負(fù)的數(shù)值；土壤電阻率在0.76～2.45 Ω·m-1之間，但最接近實(shí)際的為原土層的1.00 Ω·m-1，屬極強(qiáng)腐蝕等級(jí)；土壤pH值在8.02～9.42之間，屬于微堿性或強(qiáng)堿性腐蝕等級(jí)。腐蝕性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2[1]。

表2 土壤含水量、含鹽量、鋼管腐蝕電位、電阻率、pH與土壤的腐蝕性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

從該區(qū)域?qū)崪y(cè)結(jié)果得知，管線將敷設(shè)在鹽堿土層中(土壤環(huán)境中屬最強(qiáng)腐蝕性)，含鹽量幾乎與海水相當(dāng)，應(yīng)按海水介質(zhì)估計(jì)對(duì)鋼鐵的腐蝕，以電化學(xué)腐蝕為主，電解腐蝕不嚴(yán)重。由于土壤電阻率低，導(dǎo)電性好，電位在此種土壤中的衰減速度較快，鋼鐵腐蝕速度快，需要保護(hù)電流量大。

3 供水鋼管頂管施工的特點(diǎn)及對(duì)管材防腐蝕保護(hù)措施的要求

目前，因?yàn)殇撝乒艿涝谑芰Α?qiáng)度、嚴(yán)密性、空間轉(zhuǎn)角的安裝方面均優(yōu)于其他管道材質(zhì)，所以供水管道在穿越河流、道路、鐵路、橋梁等難點(diǎn)部位主要采用鋼制管道。頂管施工技術(shù)是目前穿越施工的主要施工方法，供水鋼制管道頂管施工的特點(diǎn)如下。

(1)在頂進(jìn)過(guò)程中鋼管外表面與土層的接觸無(wú)法避免，易導(dǎo)致鋼管外表面的防腐層受到破壞，防腐層一旦破壞將無(wú)法修補(bǔ)。

(2)管道接口內(nèi)防腐補(bǔ)口作業(yè)，施工環(huán)境濕度較大，且管壁內(nèi)外存在溫差。

(3)以往鋼制管道內(nèi)防涂層的選擇只考慮本身輸送介質(zhì)的腐蝕因素，對(duì)外部地下土壤、地下水的腐蝕因素考慮不足，造成內(nèi)外防腐層不能完全適用于沿海地區(qū)高腐蝕性的土壤環(huán)境。

(4)頂管施工段除起點(diǎn)和終點(diǎn)兩端外，其余部分均在土層內(nèi)。按照直埋管道的陽(yáng)極布置方法無(wú)法滿足施工需要，所以需要采取集中埋設(shè)的方式進(jìn)行保護(hù)。

4 供水管道頂管段防腐方案的選擇

在強(qiáng)腐蝕性土壤環(huán)境下，單一的防腐技術(shù)已無(wú)法滿足輸水鋼制管道的施工安全性，需要采用內(nèi)外防腐層和陰極保護(hù)技術(shù)相結(jié)合的綜合防腐蝕方案。鋼制管道的外壁防腐、內(nèi)壁防腐、陰極保護(hù)的具體實(shí)施方案，還要根據(jù)頂管施工的特點(diǎn)和以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)整完善。

4.1 鋼制管道的外防腐層方案

為滿足頂管過(guò)程中鋼制管道涂層的要求，鋼制管道外防腐層需選用硬度高、附著力強(qiáng)、耐磨性能好的防腐材料。對(duì)幾種常用防腐涂層的參數(shù)對(duì)比分析得出，選定無(wú)溶劑聚氨酯防腐涂層較適合作為頂管段鋼制管道的外防腐方案，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

通過(guò)以上性能對(duì)比，選定聚氨酯防腐涂層。為保證頂管過(guò)程中防腐基層不受到外部滑傷的損害，鋼管外部無(wú)溶劑聚氨酯防腐層的厚度定為1 000 μm，且鋼管接口部位防腐層厚度不低于管身防腐層厚度。

在鋼管涂層噴涂前，對(duì)母材的處理較高，要求采用噴砂或拋丸處理方式進(jìn)行外壁處理，并達(dá)到Sa2.5級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)。聚氨酯涂層施工時(shí)需使用專用設(shè)備，作業(yè)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化或半自動(dòng)化[2]。

表3 無(wú)溶劑聚氨酯涂層、玻璃鋼涂層、環(huán)氧煤瀝青涂層性能參數(shù)

4.2 鋼制管道的內(nèi)防腐層方案

(1)現(xiàn)況介紹

一般腐蝕性土壤環(huán)境下，鋼管內(nèi)防層的方案以往只考慮輸送介質(zhì)。從土壤腐蝕性檢測(cè)數(shù)據(jù)中可知，沿海地區(qū)地下水中含有大量的氯離子，且空氣中氯離子含量很高，加之管道安裝完后管內(nèi)空氣潮濕及內(nèi)外的溫差影響，就會(huì)在管道內(nèi)壁上形成一層凝露[3]。這一系列原因會(huì)使管道內(nèi)壁防腐層附著力和耐久性下降，嚴(yán)重情況下會(huì)造成防腐層的加速老化和脫落。

(2)試驗(yàn)情況

鑒于本項(xiàng)目處于高腐蝕性土壤環(huán)境下，內(nèi)防腐層方案的確定還應(yīng)充分考慮到土壤環(huán)境因素，尤其是地下水質(zhì)的狀況，以保證內(nèi)防腐層可以適應(yīng)施工過(guò)程中地下水進(jìn)入管道內(nèi)部的腐蝕情況。針對(duì)以上情況，對(duì)沿海地區(qū)地下水對(duì)管道內(nèi)壁防腐層的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，以此來(lái)檢驗(yàn)管道內(nèi)壁不同防腐層的效果，找到解決方案。

選取兩種符合供水管道要求的管道內(nèi)壁涂料：環(huán)氧飲水涂料和無(wú)溶劑聚氨酯(PU)。從現(xiàn)場(chǎng)取地下水水樣，對(duì)兩種涂層的試片進(jìn)行加濕和浸泡試驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)兩個(gè)多月的試驗(yàn)，環(huán)氧飲水涂料在加濕和浸泡試驗(yàn)后，試板表面的防腐層質(zhì)地變軟，用指甲可以按出印記，所以此種材料在冬季、含水量大、空氣潮濕的環(huán)境中使用存在一定的問(wèn)題。PU涂料在試驗(yàn)后沒(méi)有出現(xiàn)返銹、起鼓、脫落等情況，并且由于此材料良好的技術(shù)性能和固化快的技術(shù)特點(diǎn)，可適用于管道的內(nèi)壁防腐材料，在冬季和潮濕環(huán)境下適用性更強(qiáng)。

根據(jù)無(wú)溶劑聚氨酯(PU)涂料在試驗(yàn)中的效果和材料的性能參數(shù)對(duì)比，證明供水鋼管頂管段內(nèi)防腐材料更適宜采用無(wú)溶劑聚氨酯，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 無(wú)溶劑聚氨酯與環(huán)氧飲水涂料性能參數(shù)

5 鋼制管道的陰極保護(hù)技術(shù)方案

臨港供水項(xiàng)目中，某一頂管施工段長(zhǎng)度為539 m，管徑為DN1 600。根據(jù)土壤電阻率，確定陽(yáng)極種類為鋅合金陽(yáng)極。依據(jù)管線25年的設(shè)計(jì)壽命、管道直徑、自然電位等多項(xiàng)參數(shù)，確定采用25 kg鋅合金陽(yáng)極，布置方式為每100 m埋設(shè)8支25 kg的鋅合金陽(yáng)極。但是因?yàn)轫敼苤虚g部位無(wú)法埋設(shè)陽(yáng)極，所以將所需鋅陽(yáng)極均布分別埋設(shè)在兩側(cè)頂管坑內(nèi)。由于主副工作坑之間管道距離較長(zhǎng)，對(duì)于能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的保護(hù)效果，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)。

施工時(shí)，各項(xiàng)檢驗(yàn)、檢測(cè)項(xiàng)目與直埋管道埋設(shè)時(shí)方法相同。但如果頂管部位兩端同時(shí)埋設(shè)陽(yáng)極，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)會(huì)造成互相干擾。為檢驗(yàn)此種集中埋設(shè)方法的可行性，試驗(yàn)時(shí)先在頂管主坑逐支安裝陽(yáng)極，每支陽(yáng)極安裝后進(jìn)行逐一檢測(cè)，逐一記錄，以便觀測(cè)管道各項(xiàng)電流、電位的變化，然后在副坑位置逐支安裝陽(yáng)極并檢測(cè)。檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 陽(yáng)極安裝試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

續(xù)表5 (Continue)

通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在主坑進(jìn)行陽(yáng)極安裝時(shí)，陽(yáng)極所輸出的電流開(kāi)始較大，隨著管道整體保護(hù)電位的不斷達(dá)標(biāo)，輸出電流逐漸下降到正常范圍，且管道保護(hù)電位達(dá)到-0.850～-1.200 V的標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語(yǔ)

鋼制管道頂管機(jī)機(jī)頭出洞后，為驗(yàn)證防腐層方案的效果，隨著機(jī)頭出洞多頂出一根管道，進(jìn)行防腐層外觀檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為防腐層除輕微摩擦痕外無(wú)任何破損。在與兩端直埋管道連接后，管道保護(hù)電位在-0.950～-1.200 V，每支陽(yáng)極的輸出電流在20～30 mA。管道保護(hù)效果良好，全部達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

穿越中央大道橋區(qū)539 m的DN1600頂管施工只是臨港供水項(xiàng)目中一個(gè)分項(xiàng)，這次長(zhǎng)距離、大口徑供水管道頂管工程的成功實(shí)施，充分驗(yàn)證了采用無(wú)溶劑聚氨酯涂料作為鋼制管道內(nèi)外防腐涂層，并結(jié)合兩端集中埋設(shè)犧牲陽(yáng)極的綜合管道防腐蝕方案適用于大口徑、長(zhǎng)距離供水鋼制管道頂管施工的要求。同時(shí)也證明了內(nèi)防腐在選取防腐層材料時(shí)在考慮內(nèi)部輸送介質(zhì)的同時(shí)，還應(yīng)考慮外部地下水質(zhì)等環(huán)境因數(shù)的必要性。

在隨后的DN1 600散貨物流至臨港加壓泵站、DN1 000外環(huán)輔道友誼南路頂管等供水項(xiàng)目中，此項(xiàng)方案得到了推廣，并成功應(yīng)用?？傊睾５貐^(qū)管道防腐蝕技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)整個(gè)管道行業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義以及社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 王芷芳. 土壤的腐蝕性調(diào)查及其評(píng)價(jià)[J]. 化工腐蝕與防護(hù), 1997(4): 17-21.

[2] 孟繁強(qiáng),姚慧健,孫華林,等. 無(wú)溶劑聚氨酯涂料在大口徑鋼管頂管工程中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)給水排水,2007,23(2):96-98.

[3] GB/T 23258—2009 鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范[S].

Selection of pipe jacking anticorrosion scheme of steel pipeline under serious corrosion condition

Yang Qizhi1, Sun Tao2, Zhang Xueli2

(1.TianjinWaterworksGroupCo.,Ltd.,Tianjin300040,China; 2.TianjinPipelineEngineeringGroupCo.,Ltd.,Tianjin300040,China)

The soil environment of coastal area was analyzed, the comprehensive anticorrosion scheme of internal, external coating and cathodic protection for distribution pipeline was determined under serious corrosion condition. According to the features and requirements of engineering section in the pipe jacking steel pipeline, after analysis and comparison of tests and anticorrosion materials, the detail implementation schemes were determined for internal, external coating and cathodic protection, including the selection of anticorrosion materials, implementation scheme of cathodic protection.

serious corrosion soil; steel pipeline water supply; pipe jacking; anticorrosion

TU991.38

B

1673-9353(2016)05-0039-06

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.009

楊起志(1962- )， 男， 高級(jí)工程師， 主要從事給排水工程管理工作。E-mail：gcb23304914@163.com

2016-08-26