經(jīng)原位修復(fù)技術(shù)加固后的埋地管線抗震性能的研究

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，埋地管道的優(yōu)點日益被公眾所認可，同時，埋地管道的泄漏引起的種種問題也日益為公眾所關(guān)注，因此，埋地管道的防腐已經(jīng)成為了一個重要的課題。

1.埋地管道及鋪設(shè)環(huán)境

這里我們說的埋地管道特指金屬管道，并且，考慮到在給排水工程中使用的普遍程度，我們選取兩種金屬管道進行討論，一是球墨鑄鐵管道，還有一個是碳鋼管道。

大多數(shù)情況下，埋地管道都是鋪設(shè)在表層土壤中。一般人會認為，土壤就是顆粒狀固體，但事實上，我們在進行相關(guān)研究時，認為土壤是一個集固體、液體和氣體的三相系統(tǒng)，而且后兩者起到了至關(guān)重要的作用。其中，固體物質(zhì)包括土壤礦物質(zhì)、有機質(zhì)和微生物等，而液體和氣體存在于土壤顆粒的孔隙當(dāng)中。土壤按種類來分，可以分為砂質(zhì)土、粘質(zhì)土、壤土，其中，砂質(zhì)土的性質(zhì)有含沙量多，顆粒粗糙，滲水速度快，保水性能差，通氣性能好，而粘質(zhì)土的性質(zhì)正好跟砂質(zhì)土相反，壤土的性質(zhì)居中。管道埋設(shè)在不同性質(zhì)的土壤當(dāng)中，腐蝕的程度是不一樣。

事實上，在很多情況下，一根管道需要跟不同性質(zhì)的土壤接觸，而管道表面不同的物理化學(xué)性質(zhì)很有可能導(dǎo)致管道的腐蝕的加劇，所以，在這種情況下更應(yīng)作好防腐施工工作。

2.埋地管道腐蝕的種類以及介紹

金屬腐蝕分化學(xué)腐蝕（特指非電化學(xué)腐蝕）和電化學(xué)腐蝕。其中，后者發(fā)生占絕大多數(shù)。電化學(xué)反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)的一個分支，電化學(xué)反應(yīng)必須有作為電極的金屬、作為反應(yīng)環(huán)境的電解質(zhì)以及導(dǎo)電回路的存在。埋地管道的腐蝕絕大多數(shù)都是由電化學(xué)反應(yīng)造成的。

埋地管道腐蝕的種類有很多，包括原電池腐蝕、濃差電池腐蝕、點蝕、坑蝕等等。這里，我們著重討論比較常見的三種腐蝕形式，原電池腐蝕、濃差電池腐蝕以及微生物腐蝕。

2.1原電池腐蝕

原電池是電化學(xué)反應(yīng)最基本的形式，經(jīng)常被用在介紹電化學(xué)反應(yīng)的場合。下圖就是一個原電池的示意圖。

圖中，有銅和鋅分別作為電池的兩極，兩極浸泡在同一個電解質(zhì)溶液中，并且有導(dǎo)線將兩極相連。

當(dāng)兩極通過導(dǎo)線相連，由于兩種金屬的性質(zhì)不同，鋅比銅要活潑，便產(chǎn)生了電勢差，作為原電池正極的鋅將失去電子，負極的銅會得到電子。這樣的結(jié)果就是，鋅極的腐蝕加劇，銅極的腐蝕減緩甚至停滯。

在電勢序列當(dāng)中離得越遠的兩種金屬產(chǎn)生的電勢差越大，造成的腐蝕也越強烈，所以，電勢序列中相距較遠的兩種金屬不宜連接在一起。事實上，原電池更像是一把雙刃劍，工程中經(jīng)常運用這個原理去減緩鋼管的腐蝕。

實際操作中，有幾點要注意，一個是更換管道時，當(dāng)管線的由于腐蝕損壞而更換某段時，如果不加注意，新管段往往很快就會失效。因為新管段為陽極，往往較短，而舊管段為陰極，往往較長，一小段新管需要為數(shù)倍于自身的舊管段供電，其腐蝕速度將遠遠大于其本身埋地的腐蝕速度。還有一個是管道的焊縫，鋼管的本體金屬和焊縫金屬成分不一樣，兩者的電位差有的可達0.275V，因此，埋入地下后電位低的焊口臨近部位很容易遭受腐蝕。所以，在以上的情況下更應(yīng)該認真做好防腐工作。

2.2濃差電池腐蝕

濃差電池在埋地管道腐蝕中相當(dāng)常見，分金屬離子濃度差電池、氧濃度差電池等。

濃差電池本質(zhì)上也是因為作為兩極的金屬電勢差異引起的，金屬離子濃差電池是因為兩極所在電解質(zhì)的金屬離子的濃度不同，而氧濃差電池，顧名思義，也就是因為兩極所在的電解質(zhì)溶液的氧濃度不同引起的。

其中，氧濃差電池在埋地管道腐蝕中最常見。這個跟不同的土壤性質(zhì)有很大的關(guān)系。管道的不同部位氧的濃度不同，在貧氧的部位管道的自然電位（非平衡電位）低，是腐蝕原電池的陽極，其陽極溶解速度明顯大于其余表面的陽極溶解速度，故遭受腐蝕。管道通過不同性質(zhì)土壤交接處，粘土段貧氧，易發(fā)生腐蝕，特別是在兩種土壤的交接處或埋地管道靠近出土端的部位腐蝕最嚴重。

在實際操作中，埋地管道往往處于不同的夯實層中，土壤的孔隙也就不同，氧的容納量自然就有差異，而這就為氧濃差電池的形成提供了條件。

2.3微生物腐蝕

微生物腐蝕基本上為細菌腐蝕，其本質(zhì)上也是一種電化學(xué)腐蝕，所不同的是介質(zhì)因腐蝕微生物的繁殖和新陳代謝而改變了與之接觸的材料界面的某些理化性質(zhì)。

參與細菌腐蝕的細菌種類有很多，其中危害最大的是硫酸鹽還原菌（SRB）。硫酸鹽還原菌是一種以有機物為營養(yǎng)、在厭氧條件下使硫酸鹽還原成硫化物的細菌。SRB屬厭氧菌，需要在無氧條件下生長，實際上在局部無氧的環(huán)境中也能迅速繁殖。

Von Wogozen Kuhr等人在1974年提出了經(jīng)典的去極化理論，認為埋地鑄鐵管的點蝕是由于SBR的活動通過氫化酶將金屬表面去氧，總反應(yīng)式如下：

4Fe + SO42- + 4H2O ==3Fe（OH）2 + FeS + 2OH-

3.埋地管道的防腐

針對上面所述的腐蝕原理及過程，工程中埋地管道的防腐手段主要分三個方面，外敷、內(nèi)襯及陰極保護。其中，外敷主要有瀝青、鍍鋅、PE膠帶等等，內(nèi)襯主要有樹脂、水泥砂漿、塑料等，而陰極保護也分外加直流電源和不加直流電源兩種。

接下來，我們分別對球墨鑄鐵管道和碳鋼管道進行防腐措施的介紹。

3.1球墨鑄鐵管道

從材料性質(zhì)上來講，球墨鑄鐵管的防腐性能比碳鋼管要好，因此，在埋地管道輸送領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，球墨鑄鐵管采用水泥內(nèi)襯作為內(nèi)防腐形式，鋅層加瀝青作為外防腐形式，并在生產(chǎn)工藝中已經(jīng)制作完成，無須施工安裝后進行防腐處理。這已成為國內(nèi)外球墨鑄鐵管生產(chǎn)廠家的通用做法，適用于絕大多數(shù)的土壤類型，經(jīng)過實踐證明，防腐效果也十分明顯。

其中，需要著重指出的是鋅層作為一種外防腐手段的重要性。

第一，電化學(xué)保護

鐵的電位是－0.440mV，而鋅的電位是－0.763mV，比鐵的電位低，氧的電位為1.4mV。這樣鋅氧之間的電位差較大，更易形成原電池，從而將鑄鐵管壁得到保護。

第二，形成穩(wěn)定的保護層

一旦鋅層表面的瀝青涂層被破壞，鋅層與土壤接觸，金屬鋅會與土中的碳酸鹽等物質(zhì)結(jié)合成不可溶解的碳酸鋅，這層保護膜緊緊的粘結(jié)在管壁上，形成一層致密連續(xù)的、不可溶解的、不可滲漏的涂層，從而防止了腐蝕的發(fā)生。

第三，損傷的自我修復(fù)

在管道運輸或安裝過程中，可能會發(fā)生局部損傷。鋅在原電池的作用下迅速轉(zhuǎn)變成鋅離子。鋅離子通過瀝青層密封毛孔的作用遷移并覆蓋損傷，形成穩(wěn)定的和不可溶解的保護鋅層。

另外，鋅層和瀝青有極佳的粘合性，這一點在防腐中至關(guān)重要。

3.2碳鋼管道

碳鋼管道的防腐性能較差，但是因為其耐壓能力強、可加工性能好等特點，在埋地管道中也得到了極其廣泛的使用。因此，其防腐的做法也就成為了工程中的重點。

目前，用于埋地鋼管外防腐的技術(shù)主要有石油瀝青防腐層、煤焦?jié)n瓷防腐層、聚乙烯膠粘帶防腐層、熔結(jié)環(huán)氧粉未防腐層、二層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐層、三層結(jié)構(gòu)聚烯烴防腐層技術(shù)等。

這里，我們主要介紹一下聚乙烯膠粘帶防腐層技術(shù)。

聚乙烯膠粘帶防腐體系是由一道底漆，一層內(nèi)防腐帶和一層外保護帶構(gòu)成。防腐層分不同的等級，根據(jù)不同的管徑、環(huán)境、防腐要求、施工條件，選擇不同的防腐層結(jié)構(gòu)和厚度。

聚乙烯膠粘帶防腐層具有極好的耐水性及抗氧化性能，吸濕率低，絕緣性好，抗陰極剝離，耐沖擊，耐溫范圍廣，在30~80℃溫度范圍內(nèi)使用性能穩(wěn)定。聚乙烯膠粘帶的防腐質(zhì)量主要取決于膠一膜界面的粘結(jié)力。采用無溶劑膠粘劑用熱壓復(fù)合技術(shù)將處于熱狀態(tài)下的 聚乙烯基膜和無溶劑膠粘液在一定壓力下粘合，可使聚乙烯膠粘帶粘結(jié)力強并且穩(wěn)定，防腐層質(zhì)量得到保證。

聚乙烯膠粘帶防腐層的主要缺點有抗土壤應(yīng)力的能力不好，特別在高溫下，因粘結(jié)力差和致密性好而產(chǎn)生陰極屏蔽。

3.3陰極保護

陰極保護是根據(jù)原電池原理發(fā)展出來的保護埋地管道外壁的防腐方法。根據(jù)原電池原理，兩個電極中只有陽極才受到腐蝕，因此，陰極保護就是通過人為方法使金屬管道成為陰極，防止腐蝕。

陰極保護有兩種，一種是不外加電流的陰極保護法。具體做法是：使用還原性比鋼強的金屬材料（活潑），如鎂、鋅等作為陽極，將其埋入地下，隔一定距離用導(dǎo)線把陽極與管道相連，在土壤中自然形成一個大的電路，結(jié)果是陽極金屬受到腐蝕，鋼管或者鑄鐵管道得到保護。這種方法常在土壤電阻率低、缺少電源和管道涂層良好的情況下使用。

還有一種是外加直流電的陰極保護法。具體做法為：將廢鐵等埋在金屬管道附近，作為陽極，與直流電的陽極相連接，電源的陰極接到管道上。電流由直流電源經(jīng)電纜流向人造廢鐵陽極，再經(jīng)土壤流入被保護管道，從管道經(jīng)電纜流回電源的陰極，這樣被保護的管道成了陰極，因而防止了土壤對管道的腐蝕。這種方法在土壤電阻率較高或金屬管道外露時使用較為適宜。

事實上，陰極保護法往往與管道外涂層同時使用，這樣才能取得較好的防腐效果。

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