盾構(gòu)輸水隧洞內(nèi)襯鋼管防腐蝕研究

秦曉川

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

1 工程背景

珠江三角洲水資源配置工程輸水隧洞總長(zhǎng)154km，根據(jù)隧洞穿越地區(qū)特點(diǎn)，其中85.4km采用D6.0m盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)隧洞埋深40～60m，隧洞承受50～110m內(nèi)水壓力，采用DN4.8m帶加勁環(huán)鋼管內(nèi)襯，鋼管壁厚20～26mm，加勁環(huán)間距2m，厚度30mm，高度120mm，管片與鋼管之間采用自密實(shí)混凝土填充。工程設(shè)計(jì)使用年限為100年，為了使內(nèi)襯鋼管的壽命與工程使用年限相匹配，必須加強(qiáng)鋼管的防腐措施和后期維護(hù)。工程每年安排1個(gè)月檢修時(shí)間，檢修時(shí)首先將隧洞內(nèi)的積水通過(guò)沿線(xiàn)設(shè)置的排水泵站抽排干凈，然后人員和車(chē)輛攜帶設(shè)備進(jìn)入隧洞進(jìn)行檢查和維護(hù)。

為了方便檢修，在隧洞底部設(shè)置了寬度2.5m的交通平臺(tái)，滿(mǎn)足檢查和少量分批維護(hù)需求，但大型機(jī)械難以進(jìn)入管道內(nèi)部開(kāi)展大面積維護(hù)作業(yè)。因此要求設(shè)計(jì)采用可靠的防腐體系，盡量延長(zhǎng)鋼管壽命，減少后期大面積維護(hù)次數(shù)。

2 輸水鋼管腐蝕機(jī)理

本工程內(nèi)襯鋼管采用Q355C低合金高強(qiáng)鋼，設(shè)計(jì)流速2.2m/s。根據(jù)有關(guān)資料[1]，A3鋼管在流速1.8m/s情況下，年平均腐蝕速度約為0.7mm/a，但在發(fā)生局部腐蝕或干擾腐蝕的情況下，壁厚8～9mm鋼管2～3個(gè)月就可能穿孔。鋼管泄漏點(diǎn)累積數(shù)量與時(shí)間呈半對(duì)數(shù)關(guān)系，第一次泄漏發(fā)生后隨著時(shí)間的推移泄漏次數(shù)急劇增加，采取有效的防護(hù)措施后可使泄漏發(fā)生率大幅下降，同時(shí)延長(zhǎng)了鋼管的使用壽命。

原水對(duì)輸水鋼管內(nèi)壁的腐蝕，最主要的是電化學(xué)腐蝕，其次是生物腐蝕，對(duì)于一般輸水工程流速約2.0m，物理作用如泥砂沖蝕等作用微小。電化學(xué)腐蝕是鋼鐵與外部介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而形成的腐蝕，即在腐蝕過(guò)程中不僅有化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)還有電流產(chǎn)生。同時(shí)，由于水中存在大量微生物和藻類(lèi)，特別是南方地區(qū)輸水管道中普遍附著生長(zhǎng)一種淡水殼菜(俗稱(chēng)沼蛤，別名“死不了”或“死不丟”)[2]，其活動(dòng)將產(chǎn)生微生物腐蝕(MIC)，與電化學(xué)腐蝕“狼狽為奸”[3]。

3 輸水鋼管外防腐方案

對(duì)于一般埋地輸水鋼管，外壁可采用涂料或3PE再輔以陰極保護(hù)[4- 5]。本工程鋼管內(nèi)置于盾構(gòu)隧洞內(nèi)，對(duì)于鋼管外壁而言，存在腐蝕的因素主要有：①盾構(gòu)管片存在滲漏點(diǎn)，根據(jù)水文地質(zhì)資料，沿線(xiàn)部分地下水對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有微或弱腐蝕性，當(dāng)管片外地下水內(nèi)滲后對(duì)鋼管外壁產(chǎn)生腐蝕作用；②當(dāng)鋼管焊縫局部缺陷，發(fā)生內(nèi)水外滲時(shí)，也會(huì)對(duì)鋼管外壁產(chǎn)生腐蝕，而鋼管與管片之間的空間僅150mm，無(wú)維護(hù)條件，故本工程采用自密實(shí)砼對(duì)管片與鋼管之間的空隙進(jìn)行充填，利用自密實(shí)砼將鋼管外壁包裹，達(dá)到保護(hù)鋼管外壁的目的。但是，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)鋼管受設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力作用時(shí)，鋼管膨脹變形會(huì)導(dǎo)致外部包裹的自密實(shí)砼產(chǎn)生微小開(kāi)裂。同時(shí)，為了鋼管在制作運(yùn)輸過(guò)程保護(hù)鋼管不生銹，也要求對(duì)鋼管外壁進(jìn)行防腐，并要求防腐層具備硬度高、耐刮碰的性能。綜上，由于本工程盾構(gòu)隧洞內(nèi)襯鋼管外表面無(wú)檢修條件，充填的自密實(shí)砼會(huì)產(chǎn)生微小開(kāi)裂，地下水內(nèi)滲或原水外滲會(huì)導(dǎo)致鋼管外壁腐蝕等情況，要求鋼管外防腐必須盡量長(zhǎng)效，并具有和自密實(shí)砼良好結(jié)合的功能。

因此，外防腐可考慮采用水泥砂漿防腐，與自密實(shí)砼能良好銜接。普通水泥砂漿對(duì)鋼管的保護(hù)原理：水泥砂漿防腐層除了有一定的隔離作用，更主要是通過(guò)調(diào)整鋼材表面環(huán)境來(lái)達(dá)到防腐。水滲過(guò)水泥砂漿層到達(dá)鋼材表面時(shí)已成為pH 值高于12 的溶液(利用砂漿溶液中析出來(lái)的Ca2+離子(pH值10～12)在鋼管表面形成一層致密的鈍化膜，從而抑制了水的浸蝕)，鋼材在這樣的環(huán)境中不再腐蝕。水泥砂漿與鋼管之間的結(jié)合力主要有3種力，即水泥砂漿凝固硬結(jié)時(shí)體積收縮而緊附鋼管表面的摩擦力，水泥微粒的水化作用形成的凝膠體對(duì)鋼管道表面產(chǎn)生的膠結(jié)力，及因鋼管道粗糙與砂漿產(chǎn)生的機(jī)械咬合力，這3種力致使砂漿防腐層能牢固的附著在管壁上。但因總體附著力比較低，一般通過(guò)加鋼絲網(wǎng)骨架(或金屬擴(kuò)張網(wǎng))提高附著力，但防腐層中鋼絲網(wǎng)或鋼筋骨架的的存在，將帶來(lái)新的防腐問(wèn)題。為了提高水泥砂漿的附著力，鋼管外防腐可采用聚合物改性水泥砂漿涂料，聚合物改性水泥砂漿相比普通水泥砂漿，前者由于水溶性聚合物的加入，有效阻止了砂漿中Ca(OH)2不斷析出被流水帶走，抑制了環(huán)境水中氯化物、硫酸鹽的置換反應(yīng)，而與鋼管接觸面附近析出的Ca(OH)2溶液形成一層鈍化面[6]，保護(hù)鋼管免受電化學(xué)腐蝕，其長(zhǎng)效性的保護(hù)能力也得到國(guó)際上大量工程實(shí)例的驗(yàn)證。該種涂料因本身是水泥基材料，所以又能與包裹鋼管的自密實(shí)砼良好結(jié)合，與本工程盾構(gòu)隧洞內(nèi)襯鋼管復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)型式的設(shè)計(jì)理念吻合很好。珠三角項(xiàng)目采用高壓無(wú)氣噴涂聚合物改性水泥砂漿，隨著時(shí)間增長(zhǎng)附著力逐漸增強(qiáng)，1年時(shí)間的實(shí)測(cè)附著力高達(dá)22MPa。

4 輸水鋼管內(nèi)防腐方案

本工程輸水隧洞內(nèi)壁因?yàn)槭苣戏降貐^(qū)普遍存在的淡水殼菜影響，每年安排有檢修期進(jìn)行清理。否則，淡水殼菜的持續(xù)生長(zhǎng)會(huì)造成管道過(guò)水?dāng)嗝鏈p小、水損增加、過(guò)流能力不足、運(yùn)行電費(fèi)增加、影響水質(zhì)安全等問(wèn)題。因此，對(duì)內(nèi)防腐涂層的硬度和耐磨方面提出特別高的要求。一般供水工程管道內(nèi)壁防腐方案主要有無(wú)溶劑環(huán)氧涂層、砂漿襯里配合無(wú)溶劑環(huán)氧防腐涂層、熱軋不銹鋼復(fù)合管、電弧噴焊不銹鋼防腐層和熔結(jié)環(huán)氧粉末(FBE)等方案。

一般無(wú)溶劑環(huán)氧和砂漿襯里壽命可達(dá)20～30年，但單純采用無(wú)溶劑環(huán)氧壽命達(dá)不到本工程設(shè)計(jì)要求；單純采用砂漿襯里，受南方淡水中殼菜影響，淡水殼菜通過(guò)分泌足絲附著在水泥砂漿上，足絲逐漸從砂漿表層向內(nèi)部延伸，引起砂漿產(chǎn)生裂隙、脫落，從而使水進(jìn)入砂漿和鋼管內(nèi)部導(dǎo)致鋼絲網(wǎng)和鋼管銹蝕。另外，水泥水化產(chǎn)物的析出為微生物和藻類(lèi)的生長(zhǎng)提供了優(yōu)越的環(huán)境。因此，淡水殼菜對(duì)砂漿的侵蝕過(guò)程包括物理侵蝕與化學(xué)腐蝕雙重作用，砂漿襯里壽命滿(mǎn)足不了設(shè)計(jì)壽命要求。在砂漿表面增涂一層無(wú)溶劑環(huán)氧，或噴涂水性滲透結(jié)晶材料，提高砂漿密實(shí)性，可提高砂漿壽命，但效果有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

熱軋不銹鋼復(fù)合鋼板將碳鋼基層與不銹鋼覆層(1～2mm厚)加工成真空狀態(tài)下的復(fù)合鋼坯，經(jīng)過(guò)高溫高壓軋制加工而成，使得碳鋼與不銹鋼之間實(shí)現(xiàn)完全的冶金結(jié)合，具有不可剝離性，形成一種半合金新型材料。SUS304不銹鋼在淡水中年平均腐蝕速度小于0.0001mm/a[7]，將不銹鋼覆層作為內(nèi)壁過(guò)水面，幾乎能達(dá)到永久免維護(hù)的目的。但除投資較大外，雙金屬管道的抗腐蝕性能、可靠性和雙金屬腐蝕機(jī)理需進(jìn)一步研究[8]。同理，電弧噴焊不銹鋼防腐層能提高表面耐磨性，一般應(yīng)用于局部和小型構(gòu)件，如水輪機(jī)葉片、傳動(dòng)軸等表面防護(hù)，大面積運(yùn)用需要理論、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用技術(shù)完善。

環(huán)氧粉末涂料(FBE)防腐層應(yīng)用于管道工業(yè)的歷史已經(jīng)近60年，連續(xù)使用了50多年的FBE防腐層仍然有效。粉末涂料的基料是環(huán)氧基、羥基和醚基等較為活潑的極性集團(tuán)的環(huán)氧樹(shù)脂為主要成分[9]，與經(jīng)過(guò)表面處理后的鋼管具有優(yōu)異的附著力。將FBE施涂于經(jīng)預(yù)熱的鋼鐵表面，F(xiàn)BE快速熔化、澗濕、流平、交聯(lián)、固化形成一道均勻的涂層即高分子膜，分子線(xiàn)性預(yù)聚體交聯(lián)成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這個(gè)膜既有附著力又有軔性，并且能夠阻隔水，防止腐蝕發(fā)生。大多數(shù)情況下附著力來(lái)自次級(jí)化學(xué)鍵或極性鍵，如果固化溫度達(dá)到230℃，則FBE涂層可能與鋼鐵表面形成化合鍵，附著力進(jìn)一步提高[10]。

在前期調(diào)研和資料查詢(xún)中，通過(guò)對(duì)國(guó)家材料環(huán)境腐蝕平臺(tái)上公開(kāi)的武漢淡水站(23個(gè)試塊)、鄭州淡水站(18個(gè)試塊)、舟山海水站(32個(gè)試塊)和三亞海水站(20個(gè)試塊)的自然淡(海)水環(huán)境8年試驗(yàn)腐蝕圖譜和結(jié)果進(jìn)行分析，得出環(huán)氧粉末涂層普遍結(jié)論是“未見(jiàn)明顯變化”，僅海水浪賤區(qū)腐蝕較重，但相對(duì)其他種類(lèi)涂層，耐久性仍然較好。

環(huán)氧粉末是一種完全不含溶劑、以粉末形態(tài)噴涂并熔融成膜的新型涂料，能夠抵御淡水中的微生物對(duì)于涂層的侵蝕，防止淡水殼菜足絲破壞；涂層的堅(jiān)韌性、耐磨性、抗沖擊力、與鋼管的附著力等很強(qiáng)，在每年停水檢修期，可采用高壓水或塑料鏟清除表面生長(zhǎng)的淡水殼菜；自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)施工，以及將鋼管加熱至200℃以上，很大程度上去除了鋼管表面污漬，涂層施工質(zhì)量能夠有效得到保障；施工期不產(chǎn)生揮發(fā)性物質(zhì)，滿(mǎn)足環(huán)保要求，粉末涂料中揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)含量通常很少，歸入低揮發(fā)性有機(jī)化合物含量涂料產(chǎn)品(GB/T 38597—2020)。環(huán)氧粉末施工主要有中頻加熱靜電噴涂、燃?xì)饧訜釢L涂和流化床浸涂等工藝，大直徑鋼管主要采用前兩種工藝。

施工難度方面，包括工廠整管涂裝和隧洞內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)拼接后補(bǔ)口，砂漿襯里加無(wú)溶劑環(huán)氧方案為常規(guī)施工工藝；復(fù)合不銹鋼管方案在洞內(nèi)拼裝焊接需采用雙金屬焊接工藝；電弧噴焊不銹鋼方案需要研發(fā)自動(dòng)化噴涂裝置，但難度不大；在珠三角工程之前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有直徑4.0m光面鋼管熔結(jié)環(huán)氧施工案例，但沒(méi)有DN4.8m帶加勁環(huán)鋼管內(nèi)熔結(jié)環(huán)氧粉末方案，需要投入研發(fā)成本。

珠三角工程試驗(yàn)段采用了中頻加熱施工方案，大直徑鋼管環(huán)氧粉末施工需要旋轉(zhuǎn)臺(tái)車(chē)上全管預(yù)熱、再螺旋加熱至220℃左右，考慮到鋼板彈性模量隨溫度變化情況(圖1)，采用ANSYS和SolidWorks對(duì)鋼管進(jìn)行變形模擬，模型如圖2所示，本工程鋼管壁厚在20～26mm，加勁環(huán)高度120mm，厚度28mm，間距2m，考慮鋼管最不利情況下整體平均溫度為180℃左右，鋼管的彈性模量為190GPa，計(jì)算出鋼管豎向最大變形17～12mm，如圖3—4所示。

目前，珠三角工程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)DN4.8m帶加勁環(huán)鋼管內(nèi)熔結(jié)環(huán)氧粉末的生產(chǎn)安裝，各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。實(shí)測(cè)附著力28MPa，鉛筆硬度達(dá)到5H。

圖1 鋼管彈性模量變化圖

圖2 鋼管變形分析模型

圖3 鋼管斷面有限元分析變形結(jié)果

圖4 鋼管三維模型有限元分析變形結(jié)果

投資方面，砂漿襯里加無(wú)溶劑環(huán)氧方案由于涉及到2道工序和2種材料，投資較高；熔結(jié)環(huán)氧粉末方案由于是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用于大直徑帶加勁環(huán)鋼管，無(wú)成熟的成套設(shè)備，必須定制設(shè)備，工廠一次性投資較大；熱軋不銹鋼復(fù)合管方案制作后減少了一道內(nèi)防腐工藝，只是在環(huán)縫和縱縫焊接上需要切換焊絲，主要是材料本身投資較大。綜合以上3種防腐方案，經(jīng)過(guò)測(cè)算，本工程采用熔結(jié)環(huán)氧粉末方案相對(duì)投資較省，見(jiàn)表1。

表1 盾構(gòu)隧洞內(nèi)襯鋼管防腐方案投資比較表

從耐久性、投資、環(huán)保、應(yīng)用案例、施工難度等方面綜合比較，熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐較適合本工程應(yīng)用條件。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層在近幾年國(guó)內(nèi)中小直徑的輸水鋼管上應(yīng)用逐漸增多，本次在珠三角水資源配置工程直徑4.8m帶加勁環(huán)鋼管上應(yīng)用成功，對(duì)其他大直徑鋼管輸水工程、水電站等引水鋼管的防腐方案具有一定的參考價(jià)值。

(2)珠三角水資源配置工程因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇切實(shí)有效的鋼管防腐方案對(duì)工程質(zhì)量、安全、壽命是至關(guān)重要的。鋼管外壁采用環(huán)氧聚合物改性水泥砂漿防腐，干膜厚不小于1000μm，施工采用高壓無(wú)氣噴涂方式。鋼管內(nèi)壁采用熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層，干膜厚不小于450μm，目前施工工藝采用中頻加熱方式。