天津中油渤星公司杜建伟：PCCP的腐蚀与防护

　　2013年8月17日，第二届全国预应力钢筒混凝土管（PCCP）行业发展高峰论坛在石家庄隆重召开。本次高峰论坛以"创新管理 提升质量 服务国家重点工程"为主题，围绕PCCP产品制造技术、生产管理、施工技术与工程管理等方面展开培训与研讨。天津中油渤星工程科技有限公司杜建伟以《外防腐技术与施工》为题做报告。他从PCCP概况、防腐的必要性、PCCP防腐保护措施、防腐材料的选择、防腐蚀材料的施工、防腐涂装质量检验、渤星PCCP防腐蚀材料介绍等方面进行了介绍。

一、PCCP概况

PCCP管道简述：预应力钢筒混凝土管（Prestressed Concrete Cylinder Pipe ，简称 PCCP）是采用薄钢板与钢质承插口环卷制拼焊成筒装，然后用立式震动成型法在筒体内外浇灌（或采用离心法在筒体内浇灌）混凝土构成管芯，在管芯外圆上缠绕高强度预应力钢丝，再喷砂浆保护层而组成的一种复合管。

PCCP的特征：

不会产生铸铁管和预应力钢筋混凝土管的管体和接口爆裂等现象；可采用双橡胶圈密封，有一定的柔性，抗渗、防漏性都比较好；在管道基础出问题时，能承受自身重量及外压，仍然可正常使用；在铺设管道时，允许有一定的转角，而不影响管道使用；有很好的水密性、抗渗性、耐磨性和耐腐蚀性；具有很高的强度，可承受较高的工作压力；兼有钢管和混凝土管优点使用寿命比钢管高。

PCCP的发展历程：

PCCP最早出现于1890年，由法国的“Bonna”公司研制。

1942年PCCP生产系列化规范化。

20世纪末，美国Ameron公司在利比亚建厂制造PCCP管。

1949年第一本PCCP标准AWWA-C301问世。

1988年我国山东电力管道公司引进美国Ameron公司技术和设备开始制造PCCP管。

1992年PCCP生产与设计标准分开，AWWA-C304问世。

1992年深圳太阳能管道公司成立，但均是从国外引进技术。

1995年无锡华毅管道公司成立，

1996年我国行业标准《预应力钢筒混凝土管》问世。

2000年四川金炜管道公司首次全部采用国产设备生产PCCP。

2005年国家标准《预应力钢筒混凝土管》问世。

2006年南水北调北京段首次采用大口径（4米）PCCP，制造单位为北京河山引水管业、山东电力和新疆国通。

PCCP制作工艺
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二、PCCP防腐的必要性

腐蚀的危害

腐蚀遍及国民经济各部门，给国民经济带来巨大的损失。腐蚀的发生造成早期腐蚀的定义只局限于金属腐蚀。目前腐蚀的定义扩大到所有的材料。

有专家说，钢丝和钢筒均为混凝土包围，而混凝土呈碱性，使金属处于钝态腐蚀便不可能发生。实际上，PCCP管道在运行过程中由于混凝土层不抗渗，且随着时间的推移在应力的作用下会出现裂纹，这就使得许多化学介质、水份、微生物均会穿过混凝土层或顺着裂纹而抵达钢丝和钢筒表面。

环境土壤、地下水或河水中的有害介质会逐渐对PCCP管材外壁和管件产生侵蚀或腐蚀作用，久而久之，外界对管的危害从表面渐进深入，进一步损害管体的整体结构或局部破坏，发生输水渗漏、外界污染物进入供水水体等后果，甚或管体爆裂，影响工程正常运行严重时造成安全事故。一旦发生这种情况，除造成修补管道经济损失外，还可能造成水资源的浪费、供水安全或区域性环境地质问题，后果十分严重。

据美国《Materials Performance》杂志1992/5也报道一条17km的DN1600的PCCP管道，运行几年便发生开裂。美国混凝土压力管协会(ACPPA)非常重视PCCP管道破坏的原因和机理，他们在有关的技术报导中称：在已提出破坏报告的118项工程中，大多数的破坏是由外部环境对预应力钢丝引发腐蚀所致。

PCCP管道腐蚀产生的原因分析：目前腐蚀破坏原因归纳为水泥砂浆保护层质量差、预应力钢丝质量差、管顶覆土荷载超出设计允许值、埋管地点存在较为严重的腐蚀环境。

从金属腐蚀机理出发，介绍几种可能引起PCCP钢部位腐蚀的原因：

钢丝破坏原因一：应力腐蚀破裂

应力腐蚀破裂是指金属材料在固定拉应力和特定介质的共同作用下所引起的脆性破裂。

PCCP预应力钢丝的应力已使其具备发生应力腐蚀破裂的条件之一，一旦腐蚀介质条件形成，腐蚀即可发生。

发生应力腐蚀开裂的必要条件：有拉应力和特定的腐蚀介质存在。

不同金属发生应力腐蚀破裂的特定介质

钢铁发生应力腐蚀破裂的实例图

应力腐蚀机理：

机械化学效应理论认为在应力和腐蚀的联合作用下局部位置产生微裂纹，形成大阴极-小阳极的电化学腐蚀。氢脆理论认为裂纹根部形成高酸度低电位，满足放氢反应条件，氢扩散使金属脆化导致破裂。

微裂纹一旦形成其扩展速度比其他局部腐蚀快得多。应力腐蚀沿晶间形成裂纹，裂纹沿垂直于拉应力的方向发展。直至断口发生脆性断裂。 [Page]

钢丝破坏原因之二：杂散电流腐蚀

杂散电流是外部途径流动的电流，它在土壤中流动，且与被保护管道系统无关。该电流从管道的某一部位进入管道，沿管道流动一段距离后，又从管道流入土壤，在电流流出部位，管道发生腐蚀，该腐蚀即为杂散电流腐蚀。

杂散电流源包括发电站、变电站、高铁、火车系统、地铁、电车系统、阴极保护系统、电气焊等。

电网系统通过钢轨提供了电流源，大量的电流沿土壤进入PCCP水泥砂浆层，通过预应力钢丝返回电流源。电腐蚀发生。

PCCP外壁水泥砂浆层的不抗渗和良好的导电性无法阻止腐蚀电流进入管道。钢丝的屏蔽延缓了钢桶的腐蚀。

管道路经这些位置的附近，又如何免除杂散电流的产生。PCCP管道外壁不涂刷绝缘防渗的保护层是难以避免杂散电流对钢丝腐蚀的。

钢丝破坏原因之三：微生物腐蚀

埋地土壤环境条件下经常会发生细菌腐蚀，是因为细菌作用可以制造S 循环，导致H₂SO⁴的形成。

随着硫酸的不断产生，酸性介质首先腐蚀水泥砂浆层、进而破坏钢丝，严重时腐蚀钢筒。

在硫酸盐含量较高的土壤环境中，SO₄^2- 被厌氧细菌SRB（硫酸盐还原菌） 还原，生成H₂S，释放的H₂S在好氧细菌SOB 的作用下，与O₂ 发生反应生成H₂SO₄。

钢丝破坏原因之四：浓差腐蚀

浓差腐蚀是钢丝表面或钢筒外表面介质成分或浓度不同使得电极电位不同而引起腐蚀。

产生原因：介质抵达被腐蚀物表面，不同位置抵达的介质，不同或被腐蚀物的表面状态不同，电极电位不同而引起腐蚀。

有以上分析可以看出，四种腐蚀都可能在PCCP应力钢丝、钢筒以及承插口等部位发生，其中应力腐蚀破裂最易在钢丝上发生。随着环境条件的变化，杂散电流腐蚀也极易发生。在细菌作用下会形成潜在的酸性环境。

因此，采取必要的防护保护措施，对确保PCCP在设计使用年限内安全运行是十分必要的。

三、PCCP的防腐措施

PCCP防腐蚀保护情况介绍

由前述可知，PCCP钢丝和钢筒存在潜在被腐蚀破坏的可能性极大，尤其是带应力的钢丝。由于PCCP管道使用年限较长，要想保持钢筒及钢丝完好，必须进行适当的防腐蚀保护措施。

早期保护预应力钢丝的方法是采用PCCP管芯外表面预应力钢丝上的水泥砂浆保护层。为了得到可靠的砂浆保护层，采用低水灰比0.28—0.30和添加专用外加剂来改善保护层砂浆性能。以保证砂浆层能对环境有害成分形成一道有效的屏障，并在预应力钢丝周围生成高碱度环境，pH值可达12.0或更高。但采用水泥砂浆层对防止杂散电流腐蚀、应力腐蚀破裂和形成的潜在酸性环境起不到保护效果。

因此，有专家提出PCCP的承插口钢圈、法兰等在制作时应进行涂料防腐蚀处理；特殊地质条件（如地下水含量较高时）对PCCP标准管、异形管和配件外水泥砂浆表面应涂刷环氧煤沥青涂料。不同的项目由于设计使用年限不同，对涂层厚度的要求不同。

管材在制作时应进行阴极保护预埋；承插口及特殊部位防腐采用涂料根据破坏介质情况有多类涂料进行保护，不同项目种类有差异。

防腐蚀涂料与阴极保护联合保护在钢管上是一种经济有效的防腐蚀措施。

同样在PCCP防腐蚀保护中采用联合保护也是行之有效的，因为再好的涂层也会因涂装、运输、安装、搬运、运行过程中的不当引起涂层缺陷，当缺陷发生时采用阴极保护防止缺陷处腐蚀的进一步发生。

阴极保护的缺点：

长期维护困难（定期检测保护参数，电极电位等）；检测探头经常因人为和土地规划被破坏；阳极失效引起负保护（牺牲阳极表面被钝化，电极电位逆转）；剥离钝化层（阴极保护可引起钢丝表面钝化层剥离）；成本较高（指单独采用阴极保护而言）；沿途环境复杂，阳极布置困难。

四、PCCP管道防腐材料的选择

通过分析PCCP腐蚀的原因，采用有机涂料保护PCCP外壁是非常必需的。同时应针对PCCP的结构情况，对PCCP外壁、承插口、管件及配件等采用相对应的防腐蚀涂料品种。

外壁防腐通用的产品是环氧煤沥青涂料，因为该产品价格低廉，对土壤介质抗腐蚀效果优异。但目前环氧煤沥青涂料的品种很多，性能参差不齐，因此外壁材料也应进行优化选择。

PCCP承插口位置与水接触，在用于输送饮用水时，该部位的防腐产品必须采用无毒产品。

管件及配件应根据接触介质情况进行合理选材。

防腐材料选择应本着结构的合理性，对外界因素作用的稳定性，防腐施工的现实性和经济性。材料选择应考虑的技术指标：物理机械性能（柔韧性、冲击强度、附着力）、经济性（平米价格、施工投资、使用寿命）、特种性能（耐温变性、耐侯性、抗渗性、耐盐雾性）、抗化学性能（酸、碱、盐、地下水等）、施工性能（粘度、适用期、覆涂时间、单遍膜厚、成膜外观）。 [Page]

五、PCCP管道防腐材料的施工

目前PCCP管道防腐蚀的施工方式：

1、双组分自动化喷涂工艺，利用转台直接进行防腐施工，方便快捷。尤其适用于“湿喷” （在初凝的水泥砂浆上直接施工）。

2、便携式高压无气喷涂工艺，可移动设备至管道跟前对防腐蚀涂料进行防腐施工，施工方式灵活可减少龙门吊的使用次数。

3、滚涂施工，可以通过扩大人工增加施工速度，简便设备投资少，不易出现漏涂。但劳动强度大，达到设计厚度需要多遍施工。主要是修补时采用。

自动喷涂施工工艺参数

1、涂料加热温度和保温料罐保热温度50℃左右（冬季控制在60-70℃）；

2、压缩空气储气罐压力0.7MPa，流量8m3/min；

3、喷涂泵工作时候压力0.65MPa；

4、泵用涂料加热器应控制在50-70℃之间，管线伴热应控制在50℃；

5、喷嘴选用633型号（631也可）；

6、PCCP管旋转速度根据涂层厚度进行调，搭接50%；

人工喷涂施工工艺参数

1、喷涂设备：QPT6528K高压无气喷涂机(65:1)

2、环绕输气管线压力0.6Mpa以上

3、喷涂机进气压力0.4 ～ 0.60.6Mpa;

4、喷枪与工件的距离：30 ～ 50cm

5、喷幅宽度：30～40 cm

6、喷枪移动速度：0.5m～0.8m/s

7、长江机械厂喷嘴：038B30

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六、PCCP防腐涂装质量检测

为保证PCCP外壁有机防腐蚀涂层的防腐蚀效果经济有效。应做到：防腐蚀材料应能有效抵抗管道运行环境条件对材料的侵蚀；采用有效的涂装方法把选用材料涂敷到管道外壁。

验证涂装方法是否有效应在现场对已涂覆的涂料涂层进行检验验收：

外观检测

涂层外观检查主要是检查涂层留给人们的第一印象，是保证涂层均匀一致的粗略检测。该项检测一般是采用肉眼直接进行检测，观察涂层外观是否有流淌、龟裂、可见针孔、气泡、脱落等弊病。发现弊病应及时进行修补直到符合要求为止。

厚度检测

防腐蚀涂膜的厚度往往决定了防腐蚀体系的使用寿命，防腐蚀涂层厚度与保护寿命呈直线关系，但涂膜厚度增加会引起涂层的收缩、裂纹或剥落。因此涂膜厚度的检测是防腐蚀涂装质量检验的重要指标之一。厚度不足应增加涂装遍数直到符合要求为止。

漏点检测

作为防腐蚀涂料，其主要作用是防腐蚀。再好的涂层，如果涂装施工后涂层存在漏点，这就犹如装水的瓶子有孔一样。涂料的防腐蚀根本发挥不了作用。因为腐蚀介质通过漏点抵达被保护物表面与被保护物发生化学反应形成的产物引起体积膨胀进一步破坏防腐层使防腐蚀保护失效。发现漏点应及时对漏点处进行修补直到无漏点要求为止。

附着力检验

涂料涂装后，对涂层进行附着力检测不仅可评定涂料与被涂物的附着情况同时也是检验施工前被涂物表面处理是否达标的重要依据。该项检测可为PCCP运输、吊装、安装等情况下涂层抗破坏能力提供参考，因此该指标检测是检验涂装质量的一项重要指标。检测方法执行ASTMD4541 测试仪器推荐采用易高公司产的便携式附着力测试仪。

七、渤星PCCP防腐材料介绍

天津中油渤星工程科技有限公司地处天津市滨海新区中心城区。主要从事固井技术的研究开发，油井水泥外加剂、防腐涂料和保温管的生产销售，防腐保温工程施工，以及技术咨询和服务等业务，是天津市科学技术委员会认定的集科研开发，产品制造，技术服务为一体的高新技术企业，连续10年被天津塘沽国家海洋高新技术开发区管理委员会评为十佳企业、科技创新示范企业和突出贡献企业。

天津中油渤星工程科技有限公司固定资产3000多万元。拥有生产及辅助设备107台套、科研仪器124台套；共有生产线14条，生产固井及防腐涂料等产品14000吨/年，生产保温管线200km/年。

渤星公司拥有创新的科研团队在防腐蚀涂料方面：

环氧封闭底漆：

组成：由改性环氧树脂、稀释剂助剂和新型固化剂等组成的双组份常温固化涂料；

特点：具有优良的附着力、耐冲击等物理机械性能和良好的渗透性能施工方便，可刷涂、滚涂或喷涂，质量易于控制；

用途：混凝土表面防护层的底层，用于增加混凝土的强度。提高涂层与混凝土的附着力。

PCCP专用有溶剂环氧煤沥青涂料

组成：由改性环氧树脂、煤焦油沥青、有机溶剂、颜填料、助剂和新型固化剂等组成的双组份常温固化涂料；

特点：具有优良的附着力、耐冲击等物理机械性能和良好的防腐蚀性能施工方便，可刷涂、滚涂或喷涂，质量易于控制；

用途：适用于埋地混凝土管道及构筑物的外防腐蚀涂料。可厚涂施工，一次成膜可达600?m。尤其适用于修补和接口。

PCCP专用无溶剂环氧煤沥青涂料：

组成：由改性环氧树脂、煤焦油沥青、活性稀释剂、颜填料、助剂和新型固化剂等组成的双组份常温固化涂料；

特点：具有优良的附着力、耐冲击性能和良好的防腐蚀性能施工方便，可刷涂、滚涂或喷涂；即安全又环保。

用途：涂料适用于埋地混凝土管道及构筑物的外防腐蚀。尤其适用于双组份自动化喷涂设备。

8701饮用水容器防腐蚀涂料：

组成：由改性环氧树脂、有机溶剂、颜填料、助剂和新型固化剂等组成的双组份常温固化涂料；

特点：具有优良的附着力和耐磨性能，良好的防腐蚀性能和耐水性，施工方便，可刷涂、滚涂或喷涂，质量易于控制；

用途：涂料的涂层无毒卫生，适合生活涉水容器的防腐蚀。尤其适合PCCP承插口的防腐蚀。

DC丙烯酸聚氨酯防腐蚀涂料：

组成：由含羟基丙烯酸树脂、有机溶剂、耐候颜填料、助剂和脂肪族异氰酸酯等组成的双组份常温固化涂料；

特点：具有优良的耐紫外光老化、耐风蚀、耐冲击、耐水、耐盐雾、耐湿热等性能，施工方便，可刷涂、滚涂或喷涂。

用途：适合钢质管件、配件等用于露天环境时的防腐蚀。投资许可时，也可作为环氧煤沥青涂料的外部保护层。