摘 要 钢顶管外防腐因顶进过程涂层摩擦、难以修补而具有独特要求，该文综合比较环氧煤沥青涂层、环氧玻璃鳞片涂层和熔结环氧粉末涂层这三种涂层的性能，价格，施工要求等因素，选用熔结环氧粉末涂层作为南汇支线钢顶管外防腐涂层；经过工程的验证，此材料的选用可以提高钢顶管防腐涂层的质量和适用性，保障工程的安全运行。
关键词 钢管 顶管工程 防腐技术 长距离输水 南汇支线项目
南汇支线是青草沙水源地原水工程东部输水干线，向川沙水厂、航头水厂、惠南水厂及规划新建的南汇北水厂和南汇南水厂输送原水，输水规模为 128 万 m3／ d，管线度约 48km，口径为 DN1 200～DN2 000，全线顶管施工，管材为钢管。钢顶管预先制作垂直工作坑，在工作坑中将要敷设的管道在顶管机头掘进和工作坑中千斤顶顶进的作用下，将管道水平方向压入土体，进行非开挖敷管的一种施工工法[1]。顶管一般埋深较大，顶进完成后，管道维修比开挖埋管难，因此，对管道防腐涂层要求高，以保护钢管在设计使用寿命周期内不被腐蚀破坏。钢顶管在顶进过程中管道外壁与土体处于摩擦状态，因此，钢顶管对涂层的耐磨性、粘结力和机械强度均较开挖埋管要求高。另外顶管需在工作坑中对管道进行拼装焊接，为减少焊接对涂层的破坏，一般情况下，各管节会在端部预留 100~200 mm 长裸管段，钢管拼装焊接后，再进行补口。
由于顶管停顿时间不能太长，否则会增加已顶进管道周边土体对管道的紧抱作用，顶力将明显增加，为此，涂层补口要求施工快捷，补口涂层固结快，在顶管过程中补口涂层不能破坏。南汇支线工程管道工作压力 0.8 MPa，采用钢管，设计使用寿命为 50年，因此，防腐要求比较高。而钢管的使用寿命取决于防腐工程的质量和运行维护水平等因素，要使钢管达到 50 年以上的使用寿命，钢管防腐问题是关键，本文结合南汇支线工程对钢顶管的防腐技术进行探讨，以期为后续工程应用提供经验借鉴。
1 外防腐技术研究现状
20 世纪 70 年代，国内 DN1 200 mm 以上铸铁管制造技术尚不成熟[2]，DN1 200 mm 以上管道只能使用钢管，外防腐材料仍采用石油沥青。石油沥青作为钢管外防腐材料在世界上已有很长历史且价格便宜，但该材料存在抗冲击、抗剥离能力差和易被细菌腐蚀的缺陷，大大影响防腐效果。
80 年代开始，大口径钢管外防腐材料开始采用环氧煤沥青涂料。环氧煤沥青涂料虽然比石油沥青涂料防腐效果好，但通过许多工程实践，发现该涂层还存在抗冲击抗剥离能力不强和磨擦阻力大的缺点。在运输与施工过程中，环氧煤沥青涂层经常遭局部损坏，虽现场可以修补，但防腐效果已大受影响。随后，环氧煤沥青涂料与玻璃布粘合使用，形成环氧玻璃鳞片涂层，但此举会增加涂料表面粗糙度，增大摩擦阻力，涂层经长距离顶管后磨损很大，防腐效果大受影响，不适合长距离顶管使用。
20 世纪 60 年代，静电粉末喷涂工艺逐渐成熟，环氧粉末在长输管道外防护的应用成为可能。在 70年代后期，熔结环氧粉末涂层在北美（美国和加拿大）得到了广泛的使用。80 年代，经过技术引进和消化，开始应用到我国长距离大口径钢顶管工程中。
鉴于上海地区钢管外防腐技术的现状，结合南汇支线供水工程基本采用钢顶管的实际情况，因此，南汇支线工程长距离大口径钢管选用新型外防腐材料显得十分迫切。
2 管道外防腐
南汇支线工程采用钢顶管法施工，长距离输水钢管要求使用年限长（50 年）、具有检修和改造工程量大且费用高、腐蚀不易察觉（埋地敷设的隐蔽工程）的特点，为此对外防腐层选择的要求高，应具备下列性能[3]：（1）有较高的电绝缘性能，一般不应小于 10 000 Ω／m2，且能有效地保持绝缘电阻随时间恒定不变；（2）有优良的耐磨性能、较强的机械强度、抗冲击强度；（3）有良好的隔水屏障性；（4）涂层缺陷最少，且对钢铁表面有良好的粘结性；（5）有较好的耐化学性和抗老化性，补伤容易；（6）有良好的抗阴极剥离性能，物理性能保持能力强，对环境无毒；（7）防腐层的材料和施工工艺对母材的性能不应产生不利的影响。
根据上述顶管外防腐层要求，目前在埋地钢管中常用的涂层类型有：环氧煤沥青涂层、环氧玻璃鳞片涂层、熔结环氧粉末涂层等[4]。以下对这三种材料进行对比，以选择适宜的防腐涂层。
2.1 环氧煤沥青涂层
环氧煤沥青一般以环氧树脂为基础树脂，加以煤沥青或煤焦油、增塑剂等进行改性以增强涂层的耐水和耐碱等耐化学品性能和抗细菌的能力，对金属具有很好的附着性；而且施工简便，特别适用于不便于作业线涂敷的异性管件和阀门等构件的防腐蚀，成为长输管道及油气管网外防腐涂层的常用材料之一。其缺点是施工过程不易机械化操作，质量不易控制，缺陷较多，而且不耐紫外光线照射，不能用于大气中长期受阳光曝晒的场合。
2.2 环氧玻璃鳞片涂层
环氧玻璃鳞片涂料主要由环氧树脂、玻璃鳞片、颜料、固化剂、助剂和溶剂等组成。当环氧玻璃鳞片涂料固体成份高达 80 %以上，一次涂敷干膜厚度可达 100 μm 以上。同样由于涂料中组分含有大量玻璃鳞片，因此成膜后屏蔽性强，耐溶剂性好，能有效阻止腐蚀介质的渗透，达到隔离防锈目的。环氧玻璃鳞片涂层主要适用于埋地和水下钢质管道的外防腐，比通常的环氧防腐涂层具有更好的抗介质渗透性和耐磨性。由于其一般采用手工刮涂成型，工艺复杂，且在成型过程中易产生内部缺陷、内应力、微裂纹和微气孔等缺陷，使其在工程应用上受到限制。
2.3 熔结环氧粉末涂层
环氧粉末涂料为粉末状颗粒，每个颗粒都均匀地包含环氧树脂、固化剂等成分，使涂敷的操作过程以及涂料成膜后的涂层都具有连续稳定的均匀性，固化交联充分[5]。更重要的是，环氧粉末树脂受热固化交联而形成连续的热固性聚合物，会与钢管形成有效的化学结合，大大提高防腐层质量。由于其具有优良的粘结性、抗腐蚀性、耐阴极剥离性、耐老化性、耐土壤应力等，使用温度范围宽(普通熔结环氧粉末为-30~100 ℃；有的产品可达 120 ℃甚至更高温度)，熔结环氧粉末涂层成为国内外管道外防腐涂层技术的主要体系之一。
3 外防腐层比较与选择
对于外防腐涂层的中三种备选材料———熔结环氧粉末、环氧玻璃鳞片、加强级环氧煤沥青———分别进行加速腐蚀程度浸泡失重试验，采用含盐的 HCl（pH 为 4.5） 溶液，并在 30 ℃恒温水浴保温进行浸泡，检测样品重量随时间的变化过程，并对前后的体积电阻率测定，观测其浸泡前后体积电阻率的变化状况。
3.1 失重检测
从图 1 和图 3 可以看出，加强级环氧煤沥青涂层对中、强酸性环境和运行温度具有一定的适应性，在较高温和较强酸条件下，加强级环氧煤沥青涂层发生了一定的表层软化现象，但是与基体未发生剥离、脱落，这主要是由于加强级环氧煤沥青涂层附着力（包括涂料与基材的附着力和层间附着力）较低且涂层耐水性差，很容易出现涂层表层的软化剥离，而且由于涂层针孔和漏点多，耐击穿电压低，这进一步加大了加强级环氧煤沥青涂层表层的软化剥离的可能性；同时，可以从图中观察发现，在失重试验过程中，试样重量发生了一定的变化，主要呈现下降的趋势，但是涂层质量下降的幅度不是太大，加强级环氧煤沥青涂层虽然表层容易出现软化剥离，但是当腐蚀液体渗透如表层涂层后，进一步向内渗透腐蚀时会被内层玻璃布层阻挡，而玻璃布层具有很强的耐酸、耐碱、耐渗透和耐各种恶劣环境的特性，这使得整体涂层质量在短时间不会出现大幅下降的现象。
从图 2 和图 4 可以看出，环氧玻璃鳞片涂层对中、强酸性环境和运行温度具有良好的适应性，即使在较高温和较强酸条件下，环氧玻璃鳞片涂层与基体也未发生剥离、脱落；同时，可从图中观察发现，在失重试验过程中，试样重量基本未发生明显变化，很小幅度的质量变化，主要是由于称量时候的系统误差和环氧玻璃鳞片涂层一定的吸水率造成。
从图 5 和图 6 可以看出，熔结环氧粉末对中、强酸性环境和运行温度具有良好的适应性，即使在高温、强酸条件下，熔结环氧粉末涂层与基体也未发生剥离、脱落；同时，可以从图中观察发现，在失重试验过程中，试样重量出现了很小的变化幅度，呈现整体上升趋势，这主要由于熔结环氧粉末涂层具有一定的吸水率，在浸泡一段时间后，涂层会吸收一定的水分，因此熔结环氧粉末涂层在一定程度上可以导通阴极保护电流，这样即使当环氧粉末涂层失效后，管体依然得到阴保电流的保护，这避免了阴极屏蔽的发生，具有失效安全性，是目前唯一能与阴极保护系统完全兼容而无屏蔽的防腐系统。
3.2 绝缘性能
三种备选材料浸泡试验（模拟使用）前后的体积电阻率变化如表 1 所示。
浸泡前后，加强级环氧煤沥青绝缘性能下降最大，环氧玻璃鳞片其次，熔结环氧粉末的体积电阻率基本保持不变，最为稳定。
3.3 抗阴极剥离性
三种材料的抗阴极剥离试验结果如表 2 所示。规定时间内三种备选外防腐材料均符合标准。长时间试验发现，熔结环氧粉末的抗阴极剥离性最好；环氧玻璃鳞片和加强级环氧煤沥青抗阴极剥离性性能相当，加强级环氧煤沥青涂层的先期剥离尺寸较环氧玻璃鳞片大而后期小。
3.4 造价比较
由表 3 可以看出，单从涂层费来说，熔结环氧粉末涂层的费用最高，要比环氧煤沥青涂层费用高出20 %左右，但是在采用阴极防腐措施时，熔结环氧粉末涂层表现出明显的优势。由于熔结环氧粉末涂层结构上的特殊性，使其具有很高的绝缘层电阻率，能大大降低电化学防腐中的阴极保护电流，使后续维护运行费用比环氧煤沥青涂层低得多。
3.5 综合比较
管道外防腐层综合比较结果如表 4 所示。通过对三种外防腐层的综合比较，熔结环氧粉末防腐涂层无论在技术上还是在经济上，均具有显著优势。考虑到南汇支线工程的重要性，所处腐蚀环境酸性较强且恶劣，维护及其困难等因素，最终采用熔结环氧粉末防腐层作为钢顶管的外防腐涂层。熔结环氧粉末外防腐层的涂装质量标准按《熔融结合环氧粉末涂料的防腐蚀涂装》（GB ／ T18593—2001）执行，涂层厚度不小于 400 μm。管子拼装接口及不能采用熔结工艺涂装的管配件，采用与熔结环氧粉末性能相当的双组分无溶剂液体环氧防腐涂料，涂层厚度不低于 600 μm。
4 结语
青草沙水源地原水工程南汇支线工程输水规模为 128 万 m3／ d，采用钢管顶管。通过对熔结环氧粉末、环氧玻璃鳞片、加强级环氧煤沥青等三种外防腐涂层的综合比较分析和试验测定，发现在失重检测中相对其他材料，熔结环氧粉末对中、强酸性环境和运行温度具有良好的适应性，同时它还具有失效安全性，是目前唯一能与阴极保护系统完全兼容而无屏蔽的防腐系统；在体积电阻率试验中，浸泡前后，加强级环氧煤沥青绝缘性能下降最大，环氧玻璃鳞片其次，熔结环氧粉末的体积电阻率基本保持不变，最为稳定。在抗阴极剥离实验中，尽管在规定时间内三种备选外防腐材料均符合标准，但长时间试验后发现，相对其他材料，熔结环氧粉末的抗阴极剥离性最好。再结合造价和寿命等其他条件，发现熔结环氧粉末防腐涂层无论在技术上还是在经济上，均具有显著优势，最终推荐采用熔结环氧粉末防腐涂层。
参考文献略
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