本文主要介紹了適用于城市輸水PCCP管道工程的外防腐涂料品種及性能、配套施工工藝和質(zhì)量控制措施等方面的內(nèi)容，并展望了PCCP外防腐技術(shù)的應(yīng)用前景。

 

    文| 林　竹　中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院

 

    預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe，簡(jiǎn)稱PCCP）是采用薄鋼板與鋼質(zhì)承插口環(huán)卷制拼焊成筒體，然后用立式振動(dòng)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(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絲，再噴砂漿保護(hù)層而組成的一種復(fù)合管。

 

    PCCP 具有很高的強(qiáng)度，可承受較高的工作壓力，有很好的水密性、抗?jié)B性、耐磨性；該管是兼有鋼管和混凝土管優(yōu)點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)新型管材，而成本比鋼管低，使用壽命比鋼管高一倍以上，在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生鑄鐵管和預(yù)應(yīng)鋼筋混凝土管的管體和接口爆裂等現(xiàn)象。

 

    PCCP 最適合制作大口徑壓力管，能夠滿足城市引水工程、供水系統(tǒng)、大型火電廠和核電站的循環(huán)水管道、大型排水排污管道工程的要求，適用于高水壓、大口徑、長(zhǎng)距離輸水管道工程的應(yīng)用。

 

    PCCP 作為一種優(yōu)質(zhì)新型的輸水管材，它的開發(fā)應(yīng)用已有半個(gè)多世紀(jì)的歷史，它最早由法國(guó)邦納（Bonna） 公司研制開發(fā)成功， 至2O 世紀(jì)末，僅美國(guó)的敷設(shè)長(zhǎng)度已超過29000km。我國(guó)山東電力管道公司于1988 年從美國(guó)阿麥隆（Ameron） 公司引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備生產(chǎn)了PCCP 管，隨后無錫、深圳等地的管道公司也相繼從美國(guó)引進(jìn)設(shè)備建廠，根據(jù)中國(guó)混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)公布的數(shù)據(jù)，截止到2010 年底，全國(guó)已有60 多家企業(yè)建成了90 多條PCCP 生產(chǎn)線， 年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力（DN600-DN4000）達(dá)3000-3200km，該管已在我國(guó)一些大型輸水、供水工程中應(yīng)用，主要應(yīng)用工程包括南水北調(diào)中線工程、大連應(yīng)急輸水工程、江蘇常州武進(jìn)引長(zhǎng)江水工程、山西禹門口東擴(kuò)引水工程、山西萬(wàn)家寨引黃工程、深圳東部引水工程、哈爾濱磨盤山引水工程等。

 

    據(jù)美國(guó)資料情況來看，美國(guó)在最近的五十年中鋪設(shè)使用的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道已發(fā)生了多起管道破壞事故，美國(guó)《Materials Performance》雜志1992/5 也報(bào)道一條17km 的DN1600 的PCCP 管道， 運(yùn)行幾年便發(fā)生開裂。美國(guó)混凝土壓力管協(xié)會(huì)（ACPPA）非常重視PCCP 管道破壞的原因和機(jī)理，他們?cè)谟嘘P(guān)的技術(shù)報(bào)導(dǎo)中稱：在已提出破壞報(bào)告的118 項(xiàng)工程中，大多數(shù)的破壞是由外部環(huán)境對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼絲產(chǎn)生腐蝕，并形成應(yīng)力集中，造成預(yù)應(yīng)力鋼筋斷裂而爆管，因此，目前國(guó)內(nèi)外均采取在PCCP 管道外表面涂敷防腐涂層來防止腐蝕的發(fā)生，并取得了很好的使用效果。

 

    由于混凝土屬于強(qiáng)堿性建筑材料，因而要求混凝土防腐蝕涂層具有良好的耐堿性、附著力和抗?jié)B透性，同時(shí)對(duì)涂料的強(qiáng)度、柔韌性和耐候性也提出了較高要求。目前國(guó)內(nèi)外工程中應(yīng)用的PCCP 外防腐涂料主要包括環(huán)氧煤瀝青涂料（溶劑型和無溶劑型）、聚氨酯涂料和聚脲涂料等。

 

    環(huán)氧煤瀝青涂料主要由環(huán)氧樹脂、固化劑、煤焦油/ 煤瀝青及顏填料等材料組成，環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基和醚基等極性基團(tuán)，加之在固化過程中活潑的環(huán)氧基能與界面原子反應(yīng)形成極為牢固的化學(xué)鍵，涂層與基材間具有極好的附著力；同時(shí)結(jié)構(gòu)中含有強(qiáng)極性的脂肪羥基和難水解的醚鍵，涂層耐腐蝕性能優(yōu)異。煤焦油/ 煤瀝青化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，具有極好的耐水性、耐潮濕性、耐化學(xué)品和抗微生物侵蝕性，綜合性能優(yōu)于石油瀝青。環(huán)氧煤瀝青涂料兼?zhèn)洵h(huán)氧樹脂的優(yōu)良的附著力和瀝青樹脂的防水性能，具有很好的耐腐蝕介質(zhì)滲透功能，特別是抗氯離子滲透性能優(yōu)異，同時(shí)由于其價(jià)格較低，經(jīng)濟(jì)合理，施工簡(jiǎn)便，通過調(diào)節(jié)涂料的粘度和觸變性可一次噴涂至1000μm 以上，因此成為PCCP 管道的主要外防腐材料，特別是無溶劑型環(huán)氧煤瀝青涂料兼具良好的環(huán)保性能，成為未來PCCP 防腐層材料的發(fā)展方向之一。

 

    聚氨酯涂料和聚脲涂料通常是由異氰酸酯預(yù)聚物和含羥基樹脂兩部分組成，通過配方的調(diào)整，可獲得良好的抗?jié)B透性能、耐候性和物理機(jī)械性能，特別是防腐層具有很好的韌性和耐磨性， 是目前很有發(fā)展前途的一類涂料品種，但其缺點(diǎn)是對(duì)施工環(huán)境要求較高，漆膜容易產(chǎn)生弊病，同時(shí)產(chǎn)品價(jià)格也比環(huán)氧涂料高，因此， 除在國(guó)外PCCP 防腐工程得到工業(yè)應(yīng)用外，目前國(guó)內(nèi)尚未在PCCP 防腐工程中進(jìn)行大規(guī)模推廣應(yīng)用。

 

    對(duì)于PCCP 管道的外防腐層厚度，目前國(guó)內(nèi)主要參考JTJ 275 《海港工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定執(zhí)行，對(duì)于防腐年限為20 年以上的工程，其防腐蝕涂層面漆的干膜厚度應(yīng)不小于500μm；同時(shí)考慮到PCCP 的噴涂砂漿表面孔隙大，凸凹不平， 如果外防腐層太薄，容易出現(xiàn)漏涂的現(xiàn)象，稍微磕碰或者吊裝管道時(shí)容易露底，嚴(yán)重影響外防腐質(zhì)量。因此為保證長(zhǎng)期的防腐使用壽命，目前設(shè)計(jì)的PCCP 外防腐層厚度一般在500-1000μm 之間。

 

    國(guó)外工程也大多采用此防腐層厚度范圍，如利比亞大人工河工程的PCCP 外防腐層設(shè)計(jì)厚度為900μm，南水北調(diào)中線工程的PCCP 外防腐層設(shè)計(jì)厚度為為600μm。

 

    在涂料施工方面，由于目前尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此不同工程采取的施工工藝也有所不同，主要包括“干噴”和“濕噴”兩類。

 

    干噴就是在水泥砂漿防護(hù)層噴射完成后。將PCCP 管直接放到地面，等養(yǎng)護(hù)完成后就地進(jìn)行高壓無氣噴涂。噴涂時(shí)，施工人員登上可移動(dòng)架子，先噴涂管道上部，然后噴涂管道下部。一般情況下沒有加熱系統(tǒng)，屬于常溫噴涂，為達(dá)到理想的噴涂效果和施工厚度，需要噴涂2-3 次以達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定厚度，兩次噴涂的間隔時(shí)間不低于6h。由于是在PCCP 管道養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行噴涂施工， 為保證涂料與混凝土之間的良好粘結(jié)效果，應(yīng)重點(diǎn)做好混凝土的表面處理，采用壓縮空氣對(duì)混凝土表面進(jìn)行強(qiáng)力吹掃；同時(shí)，由于施工間隔比較長(zhǎng)，應(yīng)密切關(guān)注天氣變化對(duì)施工質(zhì)量的影響，如遇雨、雪及風(fēng)沙天氣，應(yīng)提前做好對(duì)防腐層的保護(hù)工作。

 

    濕噴，顧名思義，就是在水泥砂漿層噴射完成并檢查外觀無破損后立即進(jìn)行防腐層噴涂施工，它是一種節(jié)省工期的新技術(shù)， 其原理是在依靠防腐層把水泥砂漿中的水分封閉，以保證水泥養(yǎng)護(hù)過程中所需要的水分，因此，應(yīng)將防腐層的噴涂完成時(shí)間控制在1h 以內(nèi)，以防止水分蒸發(fā)使水泥水化不完全，從而影響PCCP 管道的整體質(zhì)量。一方面，濕噴工藝要求采用可在潮濕表面固化的防腐涂料品種，一般通過使用可在潮濕表面施工的固化劑，即可保證涂料在混凝土表面潮濕的情況下仍具有良好的粘結(jié)及防腐性能。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，在混凝土砂漿含水率達(dá)到7%~9% 的情況下， 涂層與混凝土的附著力仍可達(dá)5MPa 以上，可以滿足防腐質(zhì)量的要求。另一方面，濕噴工藝可以利用噴射水泥砂漿的旋轉(zhuǎn)噴漿機(jī)， 在噴漿機(jī)上安裝自動(dòng)噴槍，利用噴漿機(jī)的旋轉(zhuǎn)和升降功能，通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)和升降速度，使防腐層一次達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的厚度。整個(gè)噴涂流程為：首先將PCCP 管道在旋轉(zhuǎn)裝置上按一定速率進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將自動(dòng)噴槍升至PCCP 管道頂部，在上升過程中采用壓縮空氣對(duì)PCCP 表面進(jìn)行吹掃，然后噴槍自PCCP 頂部勻速下降，同時(shí)進(jìn)行噴涂作業(yè)，整個(gè)噴涂軌跡為螺旋線，噴涂幅寬搭接50%，在噴涂到PCCP 最下部時(shí)候，升降裝置停止下降，原地噴涂一圈，關(guān)閉自動(dòng)噴槍，整個(gè)噴涂時(shí)間可控制在25min 之內(nèi)。對(duì)于濕噴工藝， 除需選擇可潮濕固化的防腐涂料品種外，由于只能在防腐層實(shí)干后方可移動(dòng)PCCP 管道，為提高工作效率，需在保證涂層質(zhì)量的前提下，盡量縮短涂層的干燥及固化時(shí)間，一般可通過選用快干型涂料或在涂料加熱后再噴涂來加以改善。

 

    在施工質(zhì)量控制方面，雖然我國(guó)于1993 年起草了PCCP 管道的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并于1996 年起正式實(shí)施，2005 年國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/ T19685-2005“預(yù)應(yīng)力鋼管混凝土管”也正式發(fā)行，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)均未對(duì)PCCP 防腐技術(shù)做出具體要求和規(guī)定。由于底材的特殊性， 常規(guī)防腐涂料的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法，包括磁性檢厚和電火花檢漏等方法都無法適用于PCCP，因此目前國(guó)內(nèi)主要參照國(guó)外工程的做法， 對(duì)PCCP 管道現(xiàn)場(chǎng)防腐質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，具體包括：

 

    （1）外觀檢查：防腐管應(yīng)逐根目測(cè)檢查，要求涂層光滑平整、厚度均勻、無針孔、無漏涂、無龜裂。

 

    （2）干膜厚度檢查：由于PCCP 外防腐層是涂敷在水泥砂漿的外表面，用常規(guī)磁性測(cè)厚儀無法檢測(cè)干膜厚度，因此采用超聲波測(cè)厚儀檢查涂層厚度，在涂層完全固化以后進(jìn)行測(cè)試，每10 根管抽查一根，每根管檢測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)不少于20 個(gè)。

 

    （3）附著力檢查：涂層涂裝完成并固化后，對(duì)抽樣的防腐管按《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》（GB/T5210-2006）規(guī)定的方法進(jìn)行防腐涂層附著力測(cè)定，一般要求粘結(jié)強(qiáng)度≥ 1.5 MPa。

 

    （4）電阻率檢查：采用高阻計(jì)測(cè)試固化后涂層的電阻率，用沾滿5% 鹽水的濕海綿作為涂層測(cè)試頭，另一端接地進(jìn)行測(cè)試， 涂料涂層管道的電阻值應(yīng)在裸露混凝土管道的100 倍以上，每10 根管抽查一根，每根管檢測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)不少于10 個(gè)。此方法可檢測(cè)防腐層是否有漏噴現(xiàn)象。

 

    在前期的工程施工中發(fā)現(xiàn)，PCCP 防腐層出現(xiàn)的問題主要包括龜裂、剝離和粉化等，究其原因主要還是和表面處理不到位、涂層韌性差和耐老化性能不佳等因素相關(guān)，應(yīng)通過加強(qiáng)對(duì)涂料和施工的質(zhì)量控制來保證施工的整體效果。
 

   

圖1　涂料噴涂                                                                                                圖2　噴涂完成的PCCP管道

 

    由于PCCP 具有的技術(shù)先進(jìn)性，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外在大中型輸水工程中普遍采用的先進(jìn)管材。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全國(guó)最近10 年共需要新增26285 公里PCCP 標(biāo)準(zhǔn)管，平均每年新增PCCP 標(biāo)準(zhǔn)管約2600 公里，市場(chǎng)增長(zhǎng)空間巨大，因此與之配套的PCCP 外防腐涂層技術(shù)也將具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。