PCCP 管道外防腐涂料消耗量計算方法的探討

喬裕民 侯仰增 畢士君 金曉鴻

（1.河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院 河北石家莊 050000；2.江蘇省徐州市水利局江蘇徐州 221600：3.中國腐蝕與防護學(xué)會防腐蝕施工與技術(shù)專業(yè)委員會 河北石家莊 050000；4.中船重工集團公司第七二五研究所 福建廈門 361101）

1 前言

近年來PCCP 管材在國內(nèi)重大輸水工程中大規(guī)模應(yīng)用，國家重大建設(shè)項目南水北調(diào)一期等一系列大型輸水管線工程中大量采用了 PCCP 管材。實踐證明，PCCP 管材在輸水管線中有較好的使用效果?？梢灶A(yù)見PCCP 管材在國內(nèi)調(diào)水輸水配水管網(wǎng)建設(shè)中將會有更廣范圍的應(yīng)用。

PCCP 管在建造、安裝中采用了綜合防腐保護方法，這是確保PCCP 管線安全耐久運行的重要環(huán)節(jié)，也是基于PCCP 管的結(jié)構(gòu)特點與PCCP 管埋設(shè)運行環(huán)境所決定的，更是在國內(nèi)外重要工程實踐驗證后總結(jié)出的切實可行的方案。

2 PCCP 管材的結(jié)構(gòu)特性及腐蝕機理

PCCP 管最外層水泥砂漿保護層，是防止管道外界腐蝕性離子“入侵”的第一道防線，其功能是保護高強度預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼筒。該水泥砂漿保護層是以水泥、黃沙為基料，以噴漿工藝形成，無抹平，屬于凹凸、多孔性復(fù)合材料的表面。雖然水泥砂漿保護層有一定的厚度，但是與通常澆注的混凝土相比，厚度較薄且在材料凝固后表面密實性較低，粗糙并有孔隙。由于PCCP 管埋于地下，土壤中的腐蝕性離子，較易滲透通過水泥砂漿保護層，一旦通過保護層，首先侵蝕到預(yù)應(yīng)力鋼絲，而后再侵入到鋼筒，直至產(chǎn)生爆管等安全事故。因此，為了防止水泥砂漿層被滲透腐蝕，保護預(yù)應(yīng)力鋼絲和鋼筒，應(yīng)對PCCP 管最外面的水泥砂漿層作好防腐蝕涂裝。

預(yù)應(yīng)力鋼絲是一種含合金元素較高的高強度鋼材料，它的腐蝕形態(tài)是以點蝕和應(yīng)力腐蝕為主。這兩種腐蝕的破壞性要比鋼鐵的均勻腐蝕大得多，一旦發(fā)生腐蝕，很容易引起鋼絲在應(yīng)力作用下斷裂，引起爆管事故，見圖1。

在正常工作狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力鋼絲處于一定的應(yīng)力狀態(tài)，若鋼絲斷裂，就會使整個鋼絲圈“松套”，產(chǎn)生一定的張力，作用于周圍的水泥砂漿保護層，引起裂紋，進而加劇鋼絲和內(nèi)層鋼筒的腐蝕。所以，預(yù)應(yīng)力鋼絲腐蝕的嚴重性要大于普通鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕。

3 PCCP 管道運行環(huán)境與腐蝕機理

PCCP 管道埋于土壤中。而土壤是一種比水和大氣更復(fù)雜的不均勻的三相體介質(zhì)，影響腐蝕環(huán)境的因素較多(土壤組成成份、土壤電阻率、土壤的氧化還原電位、酸堿度、含水率、極化電流密度等)，相互關(guān)系復(fù)雜。土壤中pH 值以及C1-、S04

圖1 PCCP 腐蝕爆管后的鋼絲銹蝕及斷裂狀態(tài)

-2和HC03-等物質(zhì)向混凝土中擴散是造成PCCP 管道腐蝕的主要因素。其中pH 值和C1-因素非常關(guān)鍵。pH 值的降低可使鋼絲鈍化膜喪失和影響C1-的臨界濃度。C1-是非?；顫姷碾x子，它能夠穿透鈍化膜使鋼絲發(fā)生點蝕，進而引發(fā)鋼絲的應(yīng)力斷裂。

南水北調(diào)工程曾對輸水管道所經(jīng)過的土壤環(huán)境做了大量檢測工作，得出的結(jié)論是：本工程地處華北地區(qū)，地質(zhì)條件復(fù)雜，土壤腐蝕性多屬中、強。為防止PCCP 管的腐蝕，確保PCCP 管的使用壽命，需對全線PCCP 管實施多重保護方案。

4 同類工程實際運行驗證了PCCP 管綜合防腐蝕的重要性

出于降低工程造價的考慮，利比亞大人工河一期工程按照利比亞方面的要求，只有30%的PCCP 管外壁采用環(huán)氧煤瀝青保護層，陰極保護也沒有全部采用。結(jié)果導(dǎo)致運行過程中PCCP 管道被腐蝕而引起爆管，造成嚴重損失。二期工程吸取一期工程的經(jīng)驗與教訓(xùn)，PCCP 管全部采用了環(huán)氧煤瀝青保護層，并作了如下改進：一期工程PCCP 管大部分陰極保護是后做，二期工程則是邊安裝邊做陰極保護。盡管這些設(shè)計和措施增加了PCCP 管的工程造價，但為保證工程質(zhì)量、確保安全運行、延長使用壽命提供了有力保障。

目前我國大型輸水工程中所采用的PCCP 管外壁水泥砂漿表面保護涂層，大都為無溶劑環(huán)氧煤焦油重防腐雙組分涂料防腐層與陰極保護相結(jié)合的復(fù)合防護方案。實踐證實它是非常必要的，也是可行的。

5 合理確定PCCP 管外防腐涂料消耗量

PCCP 管材是國內(nèi)近十多年來快速發(fā)展的新型結(jié)構(gòu)型管材。在工程實踐中設(shè)計、監(jiān)理、生產(chǎn)、施工單位積累了許多經(jīng)驗。針對PCCP 管外壁防腐質(zhì)量及施工中影響涂料消耗量所增加的涂裝面積，有必要進行分析和探討，從而合理確定使用成本費用。同時也便于有關(guān)單位在編制 PCCP外壁防腐涂層定額計價時參考。有利于今后在建設(shè)項目中更好的發(fā)揮PCCP 管的作用。

5.1 PCCP 外防腐層設(shè)計要求與施工方法

目前，國內(nèi)已實施的工程項目中，主要采用的防腐設(shè)計方案是在PCCP 管外表面涂裝無溶劑環(huán)氧煤焦油重防腐雙組分涂料,該涂層具有適應(yīng)噴涂在濕態(tài)水泥砂漿保護層表面，耐酸、堿、鹽,附著力強，適合于地下潮濕環(huán)境等特點。一般環(huán)境中PCCP 管外防腐層設(shè)計干膜厚度為600μ m或900μ m。施工方法采用高壓無氣噴涂施工，其優(yōu)點為：（1）工作效率高；（2）涂料利用率高，有效利用率為70%～80%；（3）很少反彈，涂料能深入孔隙，涂層膜與結(jié)合面形成有機咬合，附著力好；（4）涂層厚度均勻，容易控制和確保施工質(zhì)量；（5）飛散較少，作業(yè)環(huán)境較好；（6）噴射面積成扇形，適用于較大面積的噴涂作業(yè)。

5.2 影響PCCP 管外防腐涂料消耗量的主要因素

主要影響因素包括：涂料的體積固體分、設(shè)計的干膜厚度、涂料的理論涂布率、涂料的實際涂布率及管道水泥砂漿保護層外表面的狀態(tài)，如：表面粗糙度、孔隙和疏松等情況見圖2。

5.2.1 防腐涂料的理論涂布率

涂料產(chǎn)品的理論涂布率是指在一定的干膜厚度時，單位重量（或體積）涂料的涂覆面積，它是確定PCCP 外防腐涂料用量的最主要的依據(jù)。

5.2.2 防腐涂料的實際涂布率

圖2 PCCP 管外壁涂裝前表面形態(tài)

防腐涂料的實際涂布率要低于理論涂布率，取決于被涂表面的粗糙程度、表面涂裝膜厚、涂裝施工方法、施工期間的環(huán)境溫度、通風(fēng)和風(fēng)力狀況等。涂料會有不同程度的損耗，設(shè)損耗系數(shù)α=（實際涂布用量/理論涂布用量）－1，損耗系數(shù)α 是由各種因素綜合決定。以造船行業(yè)和鋼結(jié)構(gòu)涂裝工作為例，α 與船舶種類、被涂表面粗糙度情況、膜厚分布要求以及采用的涂料品種等有關(guān)。通常船舶涂裝用量約為理論用量的1.5～1.8倍。α 的選擇參考見表1。

表1 涂料損耗系數(shù)α選擇參考

5.2.3 PCCP 管表面狀態(tài)及實際涂裝面積

PCCP 管外壁水泥砂漿保護層表面的特點是，管外壁表面狀態(tài)與其他混凝土表面有很大的不同。這是由于在實際生產(chǎn)中所纏繞的預(yù)應(yīng)力鋼絲及噴涂工藝的原因，完成噴涂水泥砂漿后外表面呈現(xiàn)出相對規(guī)則的環(huán)形凸凹波紋，如圖3 所示。與表面光潔無凸凹理論表面相比，實際涂裝面積增加了很多。

圖3 PCCP 管外壁表面涂裝后環(huán)形凸凹波紋

為了方便計算，我們將實際表面積計算方法簡化為，假設(shè)涂裝前PCCP 管外壁水泥砂漿保護層表面為凸凹環(huán)形波紋間距相等，凸凹深度相等的表面形態(tài)。設(shè)：PCCP 管的直線長度為L，其外表面由半徑為r 的n 個半圓弧緊密相排。則：n=L/2r。由于實際表面由n 個半圓弧，緊密相排，n 個半圓弧的凹凸波紋形態(tài)，使得表面凹凸波紋形態(tài)實際長度已大大增加，設(shè)為L1，，則：L1=π rn=π L/2=1.57L。據(jù)此公式計算出由于PCCP 管外壁水泥砂漿保護層表面的起伏形態(tài)實際長度是理論直線長度的1.57倍。由此所產(chǎn)生的實際噴涂面積也隨之增加到原PCCP 管外壁水泥砂漿表面保護層理論表面積的1.57倍。

5.3 影響PCCP 管外涂料實際涂布率的其它因素

PCCP 管外防腐涂料的實際涂布率還取決于防腐涂料品種和涂裝膜厚，涂裝施工方法，被涂結(jié)構(gòu)的簡單復(fù)雜程度，施工期間的環(huán)境溫度條件，以及涂料浪費控制等諸多因素。根據(jù)涂料商的技術(shù)規(guī)格書建議和多項輸水工程的實際施工經(jīng)驗，列出影響涂料使用量的其他因素，見表2。

5.4 PCCP 管外防腐涂料實際用量的確定方法和實例

5.4.1 涂料實際用量計算方法（涂層厚度一定）

涂料用量V=廠家產(chǎn)品說明書的理論涂布率/噴涂涂料利用率×實際噴涂面積增加系數(shù)。

5.4.2 應(yīng)用實例

以DN2700×5000 的PCCP 管，設(shè)計厚度為600 μ m，高壓無氣噴涂施工方案為例，說明涂料的消耗量計算。以無溶劑環(huán)氧煤瀝青涂料實際施工為例。

（1）理論涂布率。受當(dāng)前施工工藝的限制，實際施工時涂層厚度正誤差約為50μ m(干膜厚密度為1.53g/cm3)。每平方米（厚600μ m）涂層的理論用涂料量為：0.06cm×100cm×100cm=600cm3，施工時涂層厚度為600+50(涂層厚度正誤差)每平方米理論涂布率為：1.53×（600+50）=994.5g。

表2 影響PCCP 管外防腐涂料損耗的其它因素

（2）實際涂布率的確定。由于采用高壓無氣噴涂施工工藝，其噴涂時的涂料利用系數(shù)為0.7～0.8。但在實際施工中也應(yīng)考慮到PCCP 管外壁水泥砂漿保護層表面的粗糙、孔隙且疏松會增加涂料用量。加之料桶及噴涂機械管路中也會粘有涂料，造成涂料的浪費等情況。因此，利用率系數(shù)取0.65。據(jù)此每平方米涂層的材料消耗量為994.5/0.65=1530g，

由于PCCP 管外壁水泥砂漿保護層表面呈現(xiàn)波紋(凹凸)狀，必然會使實際涂裝面積有所增加。經(jīng)計算可增加57%的涂裝面積，涂料利用率系數(shù)為0.65，故PCCP 管外壁水泥砂漿保護層表面每平方米涂料實際用量為：1530 ×1.57=2402.1g。

6 結(jié)論

涂層厚度確定后，PCCP 管材料消耗量主要影響因素有：（1）涂料產(chǎn)品的理論涂布率；（2）施工作業(yè)涂料利用系數(shù)；（3）實際噴涂面積增加系數(shù)及表面孔隙等。

綜上所述，當(dāng)PCCP 管外壁作防腐涂層時其實際涂料用量約為2.4kg/m2（干膜厚度為600μm）。

1 郭永峰，楊進新，王東黎.南水北調(diào)中線工程PCCP 管道陰極保護防腐技術(shù)探討.特種結(jié)構(gòu)，2009（2）.

2 汪易森.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程設(shè)計和施工中的主要技術(shù)問題.水利水電技術(shù)，2009（1）.

3 胡士信，王東黎，張本革，竇宏強，陳弘，錢德琳.預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管陰極保護技術(shù)應(yīng)用介紹.南水北調(diào)與水利科技，2008（1）.

4 張亞平，曹健.利比亞大人工河工程簡介.給水排水，1999（9）.

5 GB/T19685—2005 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出 版社，2005.

6 金曉鴻.防腐蝕涂裝工程手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

7 汪國平.船舶涂料與涂裝技術(shù)（第二版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.