文| 劉　晟　哈爾濱金陽光管業(yè)有限責(zé)任公司

 

    鍍鋅螺旋肋波紋鋼管1784 年誕生于英國。1896 年美國率先應(yīng)用于雨水排水、污水排水、公路涵洞、通道、市政管涵等，是目前大量使用最廣泛的國家。加拿大、英國、奧地利、韓國、日本、墨西哥、阿根廷及歐洲等國家也廣泛用于市政及路政工程，并制定了相應(yīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范及施工安裝手冊。目前在鍍鋅螺旋肋波紋鋼管的應(yīng)用上已經(jīng)非常成熟。實(shí)踐證明，鍍鋅螺旋肋波紋鋼管提供了比較長的服務(wù)壽命，并且它的應(yīng)用范圍覆蓋了各種土壤和水環(huán)境，是一種環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)久耐用、社會(huì)效益高的新型管材， 具有極大地推廣價(jià)值。

 

    隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，市政建設(shè)的規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。作為城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施--市政排水管網(wǎng)，得到了政府部門的大力支持和高度重視。傳統(tǒng)的排水管材由于其本身固有的一些缺點(diǎn)，已經(jīng)難以適應(yīng)城市快速發(fā)展的需要。因此，近年來出現(xiàn)了許多新型管材，這些管材無論是性能還是施工難易程度都優(yōu)于傳統(tǒng)管材，本文就其中比較典型的幾種管材進(jìn)行綜合對比， 如鋼筋混凝管、HDPE 雙壁纏繞塑料管、鍍鋅螺旋肋波紋鋼管以及玻璃鋼夾砂管。

 

    市政排水管材綜合對比

 

    市政排水管網(wǎng)較一般排水管網(wǎng)來說管徑相對較大（一般都在DN1000mm 以上），市場上出現(xiàn)的大口徑管材根據(jù)材質(zhì)的不同， 大致可分為新舊兩種。 即傳統(tǒng)管材和新型管材。傳統(tǒng)管材如鋼筋混凝土管材、玻璃鋼管材。

 

    新型管材是以HDPE（塑料聚乙烯）為原料的塑料管，和以高鍍鋅量金屬鋼板為原料的鍍鋅螺旋肋波紋鋼管。

 

    下面就各種管材的用料和制作工藝及使用性能逐一進(jìn)行分析：

 

    鋼筋混凝土管

 

    傳統(tǒng)的市政排水用管，以水泥、混凝土加鋼筋骨架為原料制造的排水管，加工工藝簡單，但制造困難，每種規(guī)格尺寸均需相應(yīng)的工裝模具，直徑尺寸受模具限制不能隨意變化，加工直徑只能達(dá)到2.5 米，2.5 米以上口徑的幾乎不能生產(chǎn)。管材本身重量大， 運(yùn)輸困難，施工費(fèi)用高。制造和施工受季節(jié)影響。隨著埋地土質(zhì)的沉降接口易開裂，產(chǎn)生漏水，造成地下水源二次污染。達(dá)不到節(jié)能環(huán)保要求。屬于落后淘汰產(chǎn)品。

 

    玻璃鋼管

 

    玻璃鋼纖維纏繞增強(qiáng)熱固性樹脂管，簡稱玻璃鋼管，是一種傳統(tǒng)的復(fù)合管材，它以玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，以樹脂為基體制成。主要應(yīng)用于化工企業(yè)腐蝕性介質(zhì)輸送。隨著玻璃鋼管的應(yīng)用， 又出現(xiàn)了玻璃纖維繞增強(qiáng)熱固性樹脂夾砂管，簡稱玻璃鋼夾砂管（RPMP 管），這種管道從性能上提高了管材剛度。接頭一般采用承插連接方式，兩道“O”型密封圈。安裝方便、密封性、耐腐蝕性好。但大口徑管材制造困難，綜合造價(jià)非常高，除化工腐蝕液輸送外，在市政排水管線中幾乎沒有應(yīng)用。

 

    HDPE雙壁纏繞塑料管

 

    HDPE 塑料管是一種具有環(huán)狀波紋結(jié)構(gòu)外壁和平滑內(nèi)壁的新型塑料管材。根據(jù)管道規(guī)格不同，可分為波紋管和纏繞管兩種類型。該種管材主要以HDPE（塑料聚乙烯）為原料，通過熔融擠出工藝加工的一種新型管材。由于這種管材主要以電加熱擠出工藝，所以生產(chǎn)過程中耗能很大。規(guī)格品種受模具限制不能隨意變化，尤其是口徑1 米以上的品種幾乎無法加工。個(gè)別廠家能加工大口徑管材，但價(jià)格特別高（但用回收廢舊塑料制造的除外）。這種管材屬于柔性管，環(huán)剛度較水泥管低，管道連接主要采用熱熔帶連接方式，因而施工困難且受季節(jié)影響較大，綜合造價(jià)高于鋼筋水泥管等其他管材。

 

    鍍鋅螺旋肋波紋鋼管

 

    它是以高鍍鋅量金屬鋼板為原材料（鍍鋅量600 克/m2）經(jīng)翻邊、壓制波紋、卷制咬口工藝加工而成的鋼結(jié)構(gòu)壁管，產(chǎn)品由厚度1.2-4mm 鍍鋅鋼板為材料，可生產(chǎn)直徑200mm-3600mm， 長度1 米-12 米各種類型的管材。此種管材耐腐蝕，環(huán)剛度達(dá)到16 千牛/m2 以上。由于采用波紋咬口成形技術(shù)使管體具有一定的柔性，在5% 的變形下仍具有16.8T/m2 的耐壓強(qiáng)度。采用管箍加密封襯墊連接方式，解決了污水滲漏、環(huán)境保護(hù)問題。該管的最大優(yōu)勢在于可以達(dá)到其他水泥、塑料管材不能達(dá)到的環(huán)剛度（可達(dá)16 千牛/m2-23 千牛/m2）同時(shí)綜合造價(jià)相對低廉。根據(jù)國家金屬防腐蝕控制工程技術(shù)研究中心測試、在三種土壤及兩種污水中實(shí)驗(yàn)，其埋地使用壽命可達(dá)50 年以上，美國鋼鐵協(xié)會(huì)（AISI） 及美國螺紋管鋼管協(xié)會(huì)（NCSPA） 測試數(shù)據(jù)為鍍鋅螺紋排水管的壽命可達(dá)59-290 年。

 

    鍍鋅螺旋肋波紋鋼管與水泥管、HDPE 的性能對比分析

 

    在排水管網(wǎng)工程中管材的優(yōu)劣主要考核以下四項(xiàng)指標(biāo)：

 

    物理性能

 

    鍍鋅螺旋肋波紋鋼管是一種高強(qiáng)度的柔性管材。由于其表面是波紋形狀，所以能將豎向壓力均勻的向左右分散到管體兩側(cè)， 使管體表面能承受相當(dāng)大的壓力，它的最大荷載能力是水泥管的1.5 倍， 是HDPE 的3 倍以上。通常我們用KN/m2（千牛/m2） 來衡量管材的環(huán)剛度，普通的HDPE 環(huán)剛度一般是4KN/m2，最高8KN/m2 但價(jià)格很高。水泥管環(huán)剛度一般10KN/m2。鍍鋅波紋鋼管環(huán)剛度一般最低達(dá)到16KN/m2 以上，可見其環(huán)剛度的優(yōu)越性是其他管材無法相比的。同時(shí)管材在軸線上具有一定柔性，從而避免了由于管道基礎(chǔ)下沉導(dǎo)致水泥管和HDPE 接口處錯(cuò)節(jié)、滲漏而造成二次污染及地表塌陷的問題。

 

    化學(xué)性能

 

    埋地金屬管材在使用過程中對其腐蝕最為嚴(yán)重的是電腐蝕， 以往的方法是采用“犧牲陽極保護(hù)法”。鍍鋅波紋鋼管表面鋅的電位比鐵的電位低，而且表面鍍鋅層厚度是600g/m2，管體表面有了這層保護(hù)無疑是為鋼管提供了一層陽極保護(hù)層，即使鍍鋅層面出現(xiàn)輕微的劃痕，它有自我修復(fù)能力；即使表面出現(xiàn)氧化反應(yīng)也不會(huì)影響管材的使用性能。

 

    韓國在使用鍍鋅波紋鋼管20 年后，組成專家組對已用鍍鋅波紋鋼管進(jìn)行了耐久性能評價(jià)。經(jīng)過對38 種不同環(huán)境中使用的波紋鋼管進(jìn)行了檢測，檢測方法采用美國鋼鐵協(xié)會(huì)技法和美國波紋鋼管協(xié)會(huì)技法及美國加利福尼亞技法。其結(jié)論是鍍鋅螺旋肋波紋鋼管的耐久性能達(dá)到59 年-290 年。（詳見技術(shù)報(bào)告）我國中科院金屬研究所金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心腐蝕測試評定，在三種土壤、二種污水腐蝕率實(shí)驗(yàn)結(jié)論為使用年限50 年以上。

 

    經(jīng)濟(jì)性能

 

    鍍鋅波紋鋼管最優(yōu)越的特點(diǎn)是：重量輕、環(huán)剛度強(qiáng)、施工簡便、安裝快捷減少占道時(shí)間、綜合造價(jià)低于水泥管和HDPE，尤其是在管徑1000mm 以上的管體綜合造價(jià)要比其他管材低30%，再加上50 年以上的使用年限，更是其他管材無法與之相比的，所以鍍鋅波紋鋼管有著很好的經(jīng)濟(jì)性。

 

    使用過程中的優(yōu)越性

 

    鍍鋅波紋鋼管在施工過程中對地理?xiàng)l件要求極低。管道基礎(chǔ)開溝后，只要夯實(shí)后鋪墊25 公分厚的細(xì)沙就可以安裝鋪設(shè)，而且不受季節(jié)氣候限制，一年四季都可以施工。其他管材在鋪設(shè)前對管道基礎(chǔ)要求高，如：夯實(shí)、鋪混凝土固化地面、養(yǎng)生、做包角等等，而且受氣候限制較多，冬季無法施工。在管道連接上鍍鋅波紋鋼管采用管箍加密封墊連接，即牢固又密封。可以一邊連接一邊回填。鍍鋅波紋鋼管的重量只是水泥管重的10%，所以搬運(yùn)、吊裝十分方便；施工時(shí)間只是傳統(tǒng)水泥管的1/10，以安裝500 米長的管道為例，從鋪基礎(chǔ)到回填完畢只需10 個(gè)小時(shí)即可完成。即節(jié)約了人力又提高了施工進(jìn)度，大大減少了施工費(fèi)用。使之綜合造價(jià)成本達(dá)到最低。

 

    鍍鋅螺旋肋波紋鋼管國內(nèi)應(yīng)用

 

    根據(jù)相關(guān)地質(zhì)資料，我國的土壤情況符合使用該產(chǎn)品的環(huán)境要求，因此可以在全國大面積推廣使用。國家相關(guān)部委于20 世紀(jì)90 年代引進(jìn)了鍍鋅螺旋肋波紋鋼管的整條生產(chǎn)線和配套技術(shù)，并開始了相關(guān)技術(shù)的研究和推廣。目前，有關(guān)鍍鋅螺旋肋波紋鋼管的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（見住建部城鎮(zhèn)建設(shè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GJ/T 431-2013 排水用螺紋鋼管，交通運(yùn)輸部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTT791-2010 公路涵洞通道用波紋鋼管（板）），使用說明也已經(jīng)正式出臺(tái)。目前鍍鋅螺旋肋波紋鋼管在國內(nèi)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于市政排水工程、公路橋梁管涵工程、農(nóng)業(yè)灌溉溝渠工程、市政公用管廊，打井管、倉儲(chǔ)通風(fēng)管等， 并在實(shí)際應(yīng)用中得到客戶的一致好評。

 

    鍍鋅螺旋肋波紋鋼管耐久性分析

 

    從最初的應(yīng)用到20 世紀(jì)末，歐美等國家調(diào)查及研究大約50,000 個(gè)項(xiàng)目，最終建立耐久性準(zhǔn)則。土壤方面和流水方面則是耐久性準(zhǔn)則的研究重點(diǎn)。從研究中了解到土壤中金屬管道耐久性是幾個(gè)相互作用參數(shù)的函數(shù)，包含土壤電阻率，酸堿性（pH 值）， 水分含量，可溶的鹽和含氧量。然而，所有腐蝕的過程都包含電流從一個(gè)地方流動(dòng)到另外一個(gè)地方（腐蝕電池）。因此，擁有比較高的電阻率，耐久性越高。鍍鋅螺旋肋波紋鋼管服務(wù)壽命的長短主要取決于鍍鋅螺旋肋波紋鋼管在不同土壤和水中的腐蝕率， 鋼管的腐蝕主要有：土壤腐蝕、水溶液腐蝕、空氣腐蝕三種。而地下金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕。

 

    鋅層的耐腐蝕性作用

 

    氧化膜保護(hù)作用

 

    由于鋼板表面的鍍鋅層能快速地形成較致密的氧化層，因而能很好地使下面的鋼板得到保護(hù)。

 

    如圖1 所示，在鍍鋅表面上很快生成一層致密的氧化膜{ZnO+Zn（OH）2}，該氧化膜對內(nèi)部結(jié)構(gòu)起到超強(qiáng)的保護(hù)作用，從而抑制發(fā)生腐蝕。而無鍍鋅層的鐵生銹后，生成{Fe2O3NH2O}, 易脫落會(huì)造成進(jìn)一步腐蝕，根本無法起到保護(hù)作用。

 

    犧牲防腐蝕作用

 

    當(dāng)鍍鋅層表面出現(xiàn)劃痕或裂痕時(shí)，由于電化學(xué)原理鋅隨著離子化傾向的不同差異得到不同程度的少量溶解，鍍鋅層中的鋅被轉(zhuǎn)移到劃痕或裂痕處進(jìn)行自我修補(bǔ)，從而起到犧牲防腐作用，避免了鋼板的進(jìn)一步腐蝕。

 

    圖2 是鍍鋅層犧牲防腐作用與僅有涂層防腐進(jìn)行比較時(shí)的結(jié)果。

 

    鍍鋅螺旋肋波紋鋼管采用熱浸鋅，雙面鍍鋅600 克/ 平方米技術(shù)。此技術(shù)屬于國內(nèi)進(jìn)口先進(jìn)技術(shù)，這一技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)實(shí)屬首例。這一技術(shù)使得鍍鋅成品鍍鋅層與鋼板緊密并且均勻的結(jié)合在一起，從而增強(qiáng)鍍鋅螺旋肋波紋鋼管的抗腐蝕能力。

 

 

    鍍鋅螺旋肋波紋鋼管使用壽命估算工程案例

 

    此文中我們以遼寧省營口產(chǎn)業(yè)基地為例，說明鍍鋅螺旋肋波紋鋼管的耐用性及較長的使用服務(wù)壽命的特點(diǎn)。

 

    營口產(chǎn)業(yè)基地位于遼寧省營口市，土質(zhì)為軟土位于百年鹽場地區(qū)，土質(zhì)和水質(zhì)的基本情況主要是：

 

    1、根據(jù)相關(guān)資料營口產(chǎn)業(yè)基地土質(zhì)種類基本可定性為細(xì)粒式中氯鹽漬土（平均含鹽量：0.88%-2.3%）

 

    2、pH 值：6.8-7.2；氯離子含量：10000mg/kg-13000mg/kg。呈弱堿性。

 

    3、最小電阻率32.9Ω··m。（3290Ω··cm）

 

    鍍鋅螺旋肋波紋鋼管pH 值適用范圍為5.6-12.5，在磨蝕條件下和水中能很快形成鋅氧化膜。極適合于在弱堿性細(xì)粒軟土中使用。其服務(wù)壽命在考慮了鍍鋅螺旋肋波紋鋼管在土壤腐蝕和水腐蝕（未做特殊處理）的聯(lián)合效應(yīng)情況下，采用美國鋼鐵協(xié)會(huì)（AISI） 規(guī)定600g/m2 鍍鋅量時(shí)，以pH 值和電阻率預(yù)估壽命的圖表方法設(shè)計(jì)預(yù)估使用壽命（如下圖示）。

 

    根據(jù)營口產(chǎn)業(yè)基地地質(zhì)條件有表中可查出預(yù)估壽命大約為： 當(dāng)鍍鋅鋼板厚度為1.3mm 時(shí)，使用壽命為53-65 年。

 

    注：

 

    1、圖中橫軸為“電阻率R”，單位：Ω··cm。

 

    縱軸為“平均壽命”，單位：年。

 

    2、計(jì)算公式

 

    a、pH 值＞ 7.3 時(shí)

 

    壽命（年）=2.94R0.41

 

    b、pH 值＜ 7.3 時(shí)

 

    壽命（年）=27.58[log10R-log10（2160-2490log10PH）]

 

    國外關(guān)于鍍鋅波紋管的腐蝕及防腐蝕研究

 

    1、在1978 年，美國鋼鐵學(xué)會(huì)AISI 針對81 個(gè)位于佛羅里達(dá)州、明尼蘇達(dá)州、達(dá)科塔南部、猶他州、加利福尼亞州、俄亥俄州、印第安納州、北卡羅來納州、維吉尼亞馬里蘭和堪薩斯州的鍍鋅螺紋雨污水管進(jìn)行了調(diào)查。研究表明81 道污水管中77 道保持良好的狀況。這81 道雨污水管的使用時(shí)間分布為16-65 年。4 道需要維修的平均使用年限為34 年，1 道處于極端腐蝕的環(huán)境中，電阻率只有260Ω·cm，大幅度低于極小值。

 

    2、1993 年，英國哥倫比亞運(yùn)輸部檢查了21 個(gè)結(jié)構(gòu)板和有鍍鋅保護(hù)層的內(nèi)壁，安裝時(shí)間全部超過20 年，最早的是在1933 年安裝的。試驗(yàn)將37mm 直徑的管取樣片，在實(shí)驗(yàn)室檢測覆蓋層厚度。檢測土壤和水PH 值和電阻率。實(shí)驗(yàn)估計(jì)除兩個(gè)結(jié)構(gòu)外，服務(wù)壽命超過100 年。

 

    3、在1988 年，亞伯達(dá)省開展了一個(gè)綜合研究，檢測201 個(gè)安裝管的鋅損失，測量土壤和PH 值、電阻率以及管和土之間的電位。研究得到其基本的技術(shù)數(shù)據(jù)。報(bào)告書得出結(jié)論：平均壽命的估值為81 年，最小壽命可達(dá)50 年以上。