天津中油渤星公司杜建偉：PCCP的腐蝕與防護

　　2013年8月17日，第二屆全國預應力鋼筒混凝土管（PCCP）行業(yè)發(fā)展高峰論壇在石家莊隆重召開。本次高峰論壇以"創(chuàng)新管理 提升質(zhì)量 服務國家重點工程"為主題，圍繞PCCP產(chǎn)品制造技術、生產(chǎn)管理、施工技術與工程管理等方面展開培訓與研討。天津中油渤星工程科技有限公司杜建偉以《外防腐技術與施工》為題做報告。他從PCCP概況、防腐的必要性、PCCP防腐保護措施、防腐材料的選擇、防腐蝕材料的施工、防腐涂裝質(zhì)量檢驗、渤星PCCP防腐蝕材料介紹等方面進行了介紹。

一、PCCP概況

PCCP管道簡述：預應力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe ，簡稱 PCCP）是采用薄鋼板與鋼質(zhì)承插口環(huán)卷制拼焊成筒裝，然后用立式震動成型法在筒體內(nèi)外澆灌（或采用離心法在筒體內(nèi)澆灌）混凝土構(gòu)成管芯，在管芯外圓上纏繞高強度預應力鋼絲，再噴砂漿保護層而組成的一種復合管。

PCCP的特征：

不會產(chǎn)生鑄鐵管和預應力鋼筋混凝土管的管體和接口爆裂等現(xiàn)象；可采用雙橡膠圈密封，有一定的柔性，抗?jié)B、防漏性都比較好；在管道基礎出問題時，能承受自身重量及外壓，仍然可正常使用；在鋪設管道時，允許有一定的轉(zhuǎn)角，而不影響管道使用；有很好的水密性、抗?jié)B性、耐磨性和耐腐蝕性；具有很高的強度，可承受較高的工作壓力；兼有鋼管和混凝土管優(yōu)點使用壽命比鋼管高。

PCCP的發(fā)展歷程：

PCCP最早出現(xiàn)于1890年，由法國的“Bonna”公司研制。

1942年PCCP生產(chǎn)系列化規(guī)范化。

20世紀末，美國Ameron公司在利比亞建廠制造PCCP管。

1949年第一本PCCP標準AWWA-C301問世。

1988年我國山東電力管道公司引進美國Ameron公司技術和設備開始制造PCCP管。

1992年PCCP生產(chǎn)與設計標準分開，AWWA-C304問世。

1992年深圳太陽能管道公司成立，但均是從國外引進技術。

1995年無錫華毅管道公司成立，

1996年我國行業(yè)標準《預應力鋼筒混凝土管》問世。

2000年四川金煒管道公司首次全部采用國產(chǎn)設備生產(chǎn)PCCP。

2005年國家標準《預應力鋼筒混凝土管》問世。

2006年南水北調(diào)北京段首次采用大口徑（4米）PCCP，制造單位為北京河山引水管業(yè)、山東電力和新疆國通。

PCCP制作工藝
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二、PCCP防腐的必要性

腐蝕的危害

腐蝕遍及國民經(jīng)濟各部門，給國民經(jīng)濟帶來巨大的損失。腐蝕的發(fā)生造成早期腐蝕的定義只局限于金屬腐蝕。目前腐蝕的定義擴大到所有的材料。

有專家說，鋼絲和鋼筒均為混凝土包圍，而混凝土呈堿性，使金屬處于鈍態(tài)腐蝕便不可能發(fā)生。實際上，PCCP管道在運行過程中由于混凝土層不抗?jié)B，且隨著時間的推移在應力的作用下會出現(xiàn)裂紋，這就使得許多化學介質(zhì)、水份、微生物均會穿過混凝土層或順著裂紋而抵達鋼絲和鋼筒表面。

環(huán)境土壤、地下水或河水中的有害介質(zhì)會逐漸對PCCP管材外壁和管件產(chǎn)生侵蝕或腐蝕作用，久而久之，外界對管的危害從表面漸進深入，進一步損害管體的整體結(jié)構(gòu)或局部破壞，發(fā)生輸水滲漏、外界污染物進入供水水體等后果，甚或管體爆裂，影響工程正常運行嚴重時造成安全事故。一旦發(fā)生這種情況，除造成修補管道經(jīng)濟損失外，還可能造成水資源的浪費、供水安全或區(qū)域性環(huán)境地質(zhì)問題，后果十分嚴重。

據(jù)美國《Materials Performance》雜志1992/5也報道一條17km的DN1600的PCCP管道，運行幾年便發(fā)生開裂。美國混凝土壓力管協(xié)會(ACPPA)非常重視PCCP管道破壞的原因和機理，他們在有關的技術報導中稱：在已提出破壞報告的118項工程中，大多數(shù)的破壞是由外部環(huán)境對預應力鋼絲引發(fā)腐蝕所致。

PCCP管道腐蝕產(chǎn)生的原因分析：目前腐蝕破壞原因歸納為水泥砂漿保護層質(zhì)量差、預應力鋼絲質(zhì)量差、管頂覆土荷載超出設計允許值、埋管地點存在較為嚴重的腐蝕環(huán)境。

從金屬腐蝕機理出發(fā)，介紹幾種可能引起PCCP鋼部位腐蝕的原因：

鋼絲破壞原因一：應力腐蝕破裂

應力腐蝕破裂是指金屬材料在固定拉應力和特定介質(zhì)的共同作用下所引起的脆性破裂。

PCCP預應力鋼絲的應力已使其具備發(fā)生應力腐蝕破裂的條件之一，一旦腐蝕介質(zhì)條件形成，腐蝕即可發(fā)生。

發(fā)生應力腐蝕開裂的必要條件：有拉應力和特定的腐蝕介質(zhì)存在。

不同金屬發(fā)生應力腐蝕破裂的特定介質(zhì)

鋼鐵發(fā)生應力腐蝕破裂的實例圖

應力腐蝕機理：

機械化學效應理論認為在應力和腐蝕的聯(lián)合作用下局部位置產(chǎn)生微裂紋，形成大陰極-小陽極的電化學腐蝕。氫脆理論認為裂紋根部形成高酸度低電位，滿足放氫反應條件，氫擴散使金屬脆化導致破裂。

微裂紋一旦形成其擴展速度比其他局部腐蝕快得多。應力腐蝕沿晶間形成裂紋，裂紋沿垂直于拉應力的方向發(fā)展。直至斷口發(fā)生脆性斷裂。 [Page]

鋼絲破壞原因之二：雜散電流腐蝕

雜散電流是外部途徑流動的電流，它在土壤中流動，且與被保護管道系統(tǒng)無關。該電流從管道的某一部位進入管道，沿管道流動一段距離后，又從管道流入土壤，在電流流出部位，管道發(fā)生腐蝕，該腐蝕即為雜散電流腐蝕。

雜散電流源包括發(fā)電站、變電站、高鐵、火車系統(tǒng)、地鐵、電車系統(tǒng)、陰極保護系統(tǒng)、電氣焊等。

電網(wǎng)系統(tǒng)通過鋼軌提供了電流源，大量的電流沿土壤進入PCCP水泥砂漿層，通過預應力鋼絲返回電流源。電腐蝕發(fā)生。

PCCP外壁水泥砂漿層的不抗?jié)B和良好的導電性無法阻止腐蝕電流進入管道。鋼絲的屏蔽延緩了鋼桶的腐蝕。

管道路經(jīng)這些位置的附近，又如何免除雜散電流的產(chǎn)生。PCCP管道外壁不涂刷絕緣防滲的保護層是難以避免雜散電流對鋼絲腐蝕的。

鋼絲破壞原因之三：微生物腐蝕

埋地土壤環(huán)境條件下經(jīng)常會發(fā)生細菌腐蝕，是因為細菌作用可以制造S 循環(huán)，導致H₂SO⁴的形成。

隨著硫酸的不斷產(chǎn)生，酸性介質(zhì)首先腐蝕水泥砂漿層、進而破壞鋼絲，嚴重時腐蝕鋼筒。

在硫酸鹽含量較高的土壤環(huán)境中，SO₄^2- 被厭氧細菌SRB（硫酸鹽還原菌） 還原，生成H₂S，釋放的H₂S在好氧細菌SOB 的作用下，與O₂ 發(fā)生反應生成H₂SO₄。

鋼絲破壞原因之四：濃差腐蝕

濃差腐蝕是鋼絲表面或鋼筒外表面介質(zhì)成分或濃度不同使得電極電位不同而引起腐蝕。

產(chǎn)生原因：介質(zhì)抵達被腐蝕物表面，不同位置抵達的介質(zhì)，不同或被腐蝕物的表面狀態(tài)不同，電極電位不同而引起腐蝕。

有以上分析可以看出，四種腐蝕都可能在PCCP應力鋼絲、鋼筒以及承插口等部位發(fā)生，其中應力腐蝕破裂最易在鋼絲上發(fā)生。隨著環(huán)境條件的變化，雜散電流腐蝕也極易發(fā)生。在細菌作用下會形成潛在的酸性環(huán)境。

因此，采取必要的防護保護措施，對確保PCCP在設計使用年限內(nèi)安全運行是十分必要的。

三、PCCP的防腐措施

PCCP防腐蝕保護情況介紹

由前述可知，PCCP鋼絲和鋼筒存在潛在被腐蝕破壞的可能性極大，尤其是帶應力的鋼絲。由于PCCP管道使用年限較長，要想保持鋼筒及鋼絲完好，必須進行適當?shù)姆栏g保護措施。

早期保護預應力鋼絲的方法是采用PCCP管芯外表面預應力鋼絲上的水泥砂漿保護層。為了得到可靠的砂漿保護層，采用低水灰比0.28—0.30和添加專用外加劑來改善保護層砂漿性能。以保證砂漿層能對環(huán)境有害成分形成一道有效的屏障，并在預應力鋼絲周圍生成高堿度環(huán)境，pH值可達12.0或更高。但采用水泥砂漿層對防止雜散電流腐蝕、應力腐蝕破裂和形成的潛在酸性環(huán)境起不到保護效果。

因此，有專家提出PCCP的承插口鋼圈、法蘭等在制作時應進行涂料防腐蝕處理；特殊地質(zhì)條件（如地下水含量較高時）對PCCP標準管、異形管和配件外水泥砂漿表面應涂刷環(huán)氧煤瀝青涂料。不同的項目由于設計使用年限不同，對涂層厚度的要求不同。

管材在制作時應進行陰極保護預埋；承插口及特殊部位防腐采用涂料根據(jù)破壞介質(zhì)情況有多類涂料進行保護，不同項目種類有差異。

防腐蝕涂料與陰極保護聯(lián)合保護在鋼管上是一種經(jīng)濟有效的防腐蝕措施。

同樣在PCCP防腐蝕保護中采用聯(lián)合保護也是行之有效的，因為再好的涂層也會因涂裝、運輸、安裝、搬運、運行過程中的不當引起涂層缺陷，當缺陷發(fā)生時采用陰極保護防止缺陷處腐蝕的進一步發(fā)生。

陰極保護的缺點：

長期維護困難（定期檢測保護參數(shù)，電極電位等）；檢測探頭經(jīng)常因人為和土地規(guī)劃被破壞；陽極失效引起負保護（犧牲陽極表面被鈍化，電極電位逆轉(zhuǎn)）；剝離鈍化層（陰極保護可引起鋼絲表面鈍化層剝離）；成本較高（指單獨采用陰極保護而言）；沿途環(huán)境復雜，陽極布置困難。

四、PCCP管道防腐材料的選擇

通過分析PCCP腐蝕的原因，采用有機涂料保護PCCP外壁是非常必需的。同時應針對PCCP的結(jié)構(gòu)情況，對PCCP外壁、承插口、管件及配件等采用相對應的防腐蝕涂料品種。

外壁防腐通用的產(chǎn)品是環(huán)氧煤瀝青涂料，因為該產(chǎn)品價格低廉，對土壤介質(zhì)抗腐蝕效果優(yōu)異。但目前環(huán)氧煤瀝青涂料的品種很多，性能參差不齊，因此外壁材料也應進行優(yōu)化選擇。

PCCP承插口位置與水接觸，在用于輸送飲用水時，該部位的防腐產(chǎn)品必須采用無毒產(chǎn)品。

管件及配件應根據(jù)接觸介質(zhì)情況進行合理選材。

防腐材料選擇應本著結(jié)構(gòu)的合理性，對外界因素作用的穩(wěn)定性，防腐施工的現(xiàn)實性和經(jīng)濟性。材料選擇應考慮的技術指標：物理機械性能（柔韌性、沖擊強度、附著力）、經(jīng)濟性（平米價格、施工投資、使用壽命）、特種性能（耐溫變性、耐侯性、抗?jié)B性、耐鹽霧性）、抗化學性能（酸、堿、鹽、地下水等）、施工性能（粘度、適用期、覆涂時間、單遍膜厚、成膜外觀）。 [Page]

五、PCCP管道防腐材料的施工

目前PCCP管道防腐蝕的施工方式：

1、雙組分自動化噴涂工藝，利用轉(zhuǎn)臺直接進行防腐施工，方便快捷。尤其適用于“濕噴” （在初凝的水泥砂漿上直接施工）。

2、便攜式高壓無氣噴涂工藝，可移動設備至管道跟前對防腐蝕涂料進行防腐施工，施工方式靈活可減少龍門吊的使用次數(shù)。

3、滾涂施工，可以通過擴大人工增加施工速度，簡便設備投資少，不易出現(xiàn)漏涂。但勞動強度大，達到設計厚度需要多遍施工。主要是修補時采用。

自動噴涂施工工藝參數(shù)

1、涂料加熱溫度和保溫料罐保熱溫度50℃左右（冬季控制在60-70℃）；

2、壓縮空氣儲氣罐壓力0.7MPa，流量8m3/min；

3、噴涂泵工作時候壓力0.65MPa；

4、泵用涂料加熱器應控制在50-70℃之間，管線伴熱應控制在50℃；

5、噴嘴選用633型號（631也可）；

6、PCCP管旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)涂層厚度進行調(diào)，搭接50%；

人工噴涂施工工藝參數(shù)

1、噴涂設備：QPT6528K高壓無氣噴涂機(65:1)

2、環(huán)繞輸氣管線壓力0.6Mpa以上

3、噴涂機進氣壓力0.4 ～ 0.60.6Mpa;

4、噴槍與工件的距離：30 ～ 50cm

5、噴幅寬度：30～40 cm

6、噴槍移動速度：0.5m～0.8m/s

7、長江機械廠噴嘴：038B30

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六、PCCP防腐涂裝質(zhì)量檢測

為保證PCCP外壁有機防腐蝕涂層的防腐蝕效果經(jīng)濟有效。應做到：防腐蝕材料應能有效抵抗管道運行環(huán)境條件對材料的侵蝕；采用有效的涂裝方法把選用材料涂敷到管道外壁。

驗證涂裝方法是否有效應在現(xiàn)場對已涂覆的涂料涂層進行檢驗驗收：

外觀檢測

涂層外觀檢查主要是檢查涂層留給人們的第一印象，是保證涂層均勻一致的粗略檢測。該項檢測一般是采用肉眼直接進行檢測，觀察涂層外觀是否有流淌、龜裂、可見針孔、氣泡、脫落等弊病。發(fā)現(xiàn)弊病應及時進行修補直到符合要求為止。

厚度檢測

防腐蝕涂膜的厚度往往決定了防腐蝕體系的使用壽命，防腐蝕涂層厚度與保護壽命呈直線關系，但涂膜厚度增加會引起涂層的收縮、裂紋或剝落。因此涂膜厚度的檢測是防腐蝕涂裝質(zhì)量檢驗的重要指標之一。厚度不足應增加涂裝遍數(shù)直到符合要求為止。

漏點檢測

作為防腐蝕涂料，其主要作用是防腐蝕。再好的涂層，如果涂裝施工后涂層存在漏點，這就猶如裝水的瓶子有孔一樣。涂料的防腐蝕根本發(fā)揮不了作用。因為腐蝕介質(zhì)通過漏點抵達被保護物表面與被保護物發(fā)生化學反應形成的產(chǎn)物引起體積膨脹進一步破壞防腐層使防腐蝕保護失效。發(fā)現(xiàn)漏點應及時對漏點處進行修補直到無漏點要求為止。

附著力檢驗

涂料涂裝后，對涂層進行附著力檢測不僅可評定涂料與被涂物的附著情況同時也是檢驗施工前被涂物表面處理是否達標的重要依據(jù)。該項檢測可為PCCP運輸、吊裝、安裝等情況下涂層抗破壞能力提供參考，因此該指標檢測是檢驗涂裝質(zhì)量的一項重要指標。檢測方法執(zhí)行ASTMD4541 測試儀器推薦采用易高公司產(chǎn)的便攜式附著力測試儀。

七、渤星PCCP防腐材料介紹

天津中油渤星工程科技有限公司地處天津市濱海新區(qū)中心城區(qū)。主要從事固井技術的研究開發(fā)，油井水泥外加劑、防腐涂料和保溫管的生產(chǎn)銷售，防腐保溫工程施工，以及技術咨詢和服務等業(yè)務，是天津市科學技術委員會認定的集科研開發(fā)，產(chǎn)品制造，技術服務為一體的高新技術企業(yè)，連續(xù)10年被天津塘沽國家海洋高新技術開發(fā)區(qū)管理委員會評為十佳企業(yè)、科技創(chuàng)新示范企業(yè)和突出貢獻企業(yè)。

天津中油渤星工程科技有限公司固定資產(chǎn)3000多萬元。擁有生產(chǎn)及輔助設備107臺套、科研儀器124臺套；共有生產(chǎn)線14條，生產(chǎn)固井及防腐涂料等產(chǎn)品14000噸/年，生產(chǎn)保溫管線200km/年。

渤星公司擁有創(chuàng)新的科研團隊在防腐蝕涂料方面：

環(huán)氧封閉底漆：

組成：由改性環(huán)氧樹脂、稀釋劑助劑和新型固化劑等組成的雙組份常溫固化涂料；

特點：具有優(yōu)良的附著力、耐沖擊等物理機械性能和良好的滲透性能施工方便，可刷涂、滾涂或噴涂，質(zhì)量易于控制；

用途：混凝土表面防護層的底層，用于增加混凝土的強度。提高涂層與混凝土的附著力。

PCCP專用有溶劑環(huán)氧煤瀝青涂料

組成：由改性環(huán)氧樹脂、煤焦油瀝青、有機溶劑、顏填料、助劑和新型固化劑等組成的雙組份常溫固化涂料；

特點：具有優(yōu)良的附著力、耐沖擊等物理機械性能和良好的防腐蝕性能施工方便，可刷涂、滾涂或噴涂，質(zhì)量易于控制；

用途：適用于埋地混凝土管道及構(gòu)筑物的外防腐蝕涂料。可厚涂施工，一次成膜可達600?m。尤其適用于修補和接口。

PCCP專用無溶劑環(huán)氧煤瀝青涂料：

組成：由改性環(huán)氧樹脂、煤焦油瀝青、活性稀釋劑、顏填料、助劑和新型固化劑等組成的雙組份常溫固化涂料；

特點：具有優(yōu)良的附著力、耐沖擊性能和良好的防腐蝕性能施工方便，可刷涂、滾涂或噴涂；即安全又環(huán)保。

用途：涂料適用于埋地混凝土管道及構(gòu)筑物的外防腐蝕。尤其適用于雙組份自動化噴涂設備。

8701飲用水容器防腐蝕涂料：

組成：由改性環(huán)氧樹脂、有機溶劑、顏填料、助劑和新型固化劑等組成的雙組份常溫固化涂料；

特點：具有優(yōu)良的附著力和耐磨性能，良好的防腐蝕性能和耐水性，施工方便，可刷涂、滾涂或噴涂，質(zhì)量易于控制；

用途：涂料的涂層無毒衛(wèi)生，適合生活涉水容器的防腐蝕。尤其適合PCCP承插口的防腐蝕。

DC丙烯酸聚氨酯防腐蝕涂料：

組成：由含羥基丙烯酸樹脂、有機溶劑、耐候顏填料、助劑和脂肪族異氰酸酯等組成的雙組份常溫固化涂料；

特點：具有優(yōu)良的耐紫外光老化、耐風蝕、耐沖擊、耐水、耐鹽霧、耐濕熱等性能，施工方便，可刷涂、滾涂或噴涂。

用途：適合鋼質(zhì)管件、配件等用于露天環(huán)境時的防腐蝕。投資許可時，也可作為環(huán)氧煤瀝青涂料的外部保護層。