PCCP 管道外防腐涂料消耗量计算方法的探讨

乔裕民 侯仰增 毕士君 金晓鸿

（1.河北省水利水电第二勘测设计研究院 河北石家庄 050000；2.江苏省徐州市水利局江苏徐州 221600：3.中国腐蚀与防护学会防腐蚀施工与技术专业委员会 河北石家庄 050000；4.中船重工集团公司第七二五研究所 福建厦门 361101）

1 前言

近年来PCCP 管材在国内重大输水工程中大规模应用，国家重大建设项目南水北调一期等一系列大型输水管线工程中大量采用了 PCCP 管材。实践证明，PCCP 管材在输水管线中有较好的使用效果。可以预见PCCP 管材在国内调水输水配水管网建设中将会有更广范围的应用。

PCCP 管在建造、安装中采用了综合防腐保护方法，这是确保PCCP 管线安全耐久运行的重要环节，也是基于PCCP 管的结构特点与PCCP 管埋设运行环境所决定的，更是在国内外重要工程实践验证后总结出的切实可行的方案。

2 PCCP 管材的结构特性及腐蚀机理

PCCP 管最外层水泥砂浆保护层，是防止管道外界腐蚀性离子“入侵”的第一道防线，其功能是保护高强度预应力钢丝和钢筒。该水泥砂浆保护层是以水泥、黄沙为基料，以喷浆工艺形成，无抹平，属于凹凸、多孔性复合材料的表面。虽然水泥砂浆保护层有一定的厚度，但是与通常浇注的混凝土相比，厚度较薄且在材料凝固后表面密实性较低，粗糙并有孔隙。由于PCCP 管埋于地下，土壤中的腐蚀性离子，较易渗透通过水泥砂浆保护层，一旦通过保护层，首先侵蚀到预应力钢丝，而后再侵入到钢筒，直至产生爆管等安全事故。因此，为了防止水泥砂浆层被渗透腐蚀，保护预应力钢丝和钢筒，应对PCCP 管最外面的水泥砂浆层作好防腐蚀涂装。

预应力钢丝是一种含合金元素较高的高强度钢材料，它的腐蚀形态是以点蚀和应力腐蚀为主。这两种腐蚀的破坏性要比钢铁的均匀腐蚀大得多，一旦发生腐蚀，很容易引起钢丝在应力作用下断裂，引起爆管事故，见图1。

在正常工作状态下，预应力钢丝处于一定的应力状态，若钢丝断裂，就会使整个钢丝圈“松套”，产生一定的张力，作用于周围的水泥砂浆保护层，引起裂纹，进而加剧钢丝和内层钢筒的腐蚀。所以，预应力钢丝腐蚀的严重性要大于普通钢筋混凝土中钢筋的腐蚀。

3 PCCP 管道运行环境与腐蚀机理

PCCP 管道埋于土壤中。而土壤是一种比水和大气更复杂的不均匀的三相体介质，影响腐蚀环境的因素较多(土壤组成成份、土壤电阻率、土壤的氧化还原电位、酸碱度、含水率、极化电流密度等)，相互关系复杂。土壤中pH 值以及C1-、S04

图1 PCCP 腐蚀爆管后的钢丝锈蚀及断裂状态

-2和HC03-等物质向混凝土中扩散是造成PCCP 管道腐蚀的主要因素。其中pH 值和C1-因素非常关键。pH 值的降低可使钢丝钝化膜丧失和影响C1-的临界浓度。C1-是非常活泼的离子，它能够穿透钝化膜使钢丝发生点蚀，进而引发钢丝的应力断裂。

南水北调工程曾对输水管道所经过的土壤环境做了大量检测工作，得出的结论是：本工程地处华北地区，地质条件复杂，土壤腐蚀性多属中、强。为防止PCCP 管的腐蚀，确保PCCP 管的使用寿命，需对全线PCCP 管实施多重保护方案。

4 同类工程实际运行验证了PCCP 管综合防腐蚀的重要性

出于降低工程造价的考虑，利比亚大人工河一期工程按照利比亚方面的要求，只有30%的PCCP 管外壁采用环氧煤沥青保护层，阴极保护也没有全部采用。结果导致运行过程中PCCP 管道被腐蚀而引起爆管，造成严重损失。二期工程吸取一期工程的经验与教训，PCCP 管全部采用了环氧煤沥青保护层，并作了如下改进：一期工程PCCP 管大部分阴极保护是后做，二期工程则是边安装边做阴极保护。尽管这些设计和措施增加了PCCP 管的工程造价，但为保证工程质量、确保安全运行、延长使用寿命提供了有力保障。

目前我国大型输水工程中所采用的PCCP 管外壁水泥砂浆表面保护涂层，大都为无溶剂环氧煤焦油重防腐双组分涂料防腐层与阴极保护相结合的复合防护方案。实践证实它是非常必要的，也是可行的。

5 合理确定PCCP 管外防腐涂料消耗量

PCCP 管材是国内近十多年来快速发展的新型结构型管材。在工程实践中设计、监理、生产、施工单位积累了许多经验。针对PCCP 管外壁防腐质量及施工中影响涂料消耗量所增加的涂装面积，有必要进行分析和探讨，从而合理确定使用成本费用。同时也便于有关单位在编制 PCCP外壁防腐涂层定额计价时参考。有利于今后在建设项目中更好的发挥PCCP 管的作用。

5.1 PCCP 外防腐层设计要求与施工方法

目前，国内已实施的工程项目中，主要采用的防腐设计方案是在PCCP 管外表面涂装无溶剂环氧煤焦油重防腐双组分涂料,该涂层具有适应喷涂在湿态水泥砂浆保护层表面，耐酸、碱、盐,附着力强，适合于地下潮湿环境等特点。一般环境中PCCP 管外防腐层设计干膜厚度为600μ m或900μ m。施工方法采用高压无气喷涂施工，其优点为：（1）工作效率高；（2）涂料利用率高，有效利用率为70%～80%；（3）很少反弹，涂料能深入孔隙，涂层膜与结合面形成有机咬合，附着力好；（4）涂层厚度均匀，容易控制和确保施工质量；（5）飞散较少，作业环境较好；（6）喷射面积成扇形，适用于较大面积的喷涂作业。

5.2 影响PCCP 管外防腐涂料消耗量的主要因素

主要影响因素包括：涂料的体积固体分、设计的干膜厚度、涂料的理论涂布率、涂料的实际涂布率及管道水泥砂浆保护层外表面的状态，如：表面粗糙度、孔隙和疏松等情况见图2。

5.2.1 防腐涂料的理论涂布率

涂料产品的理论涂布率是指在一定的干膜厚度时，单位重量（或体积）涂料的涂覆面积，它是确定PCCP 外防腐涂料用量的最主要的依据。

5.2.2 防腐涂料的实际涂布率

图2 PCCP 管外壁涂装前表面形态

防腐涂料的实际涂布率要低于理论涂布率，取决于被涂表面的粗糙程度、表面涂装膜厚、涂装施工方法、施工期间的环境温度、通风和风力状况等。涂料会有不同程度的损耗，设损耗系数α=（实际涂布用量/理论涂布用量）－1，损耗系数α 是由各种因素综合决定。以造船行业和钢结构涂装工作为例，α 与船舶种类、被涂表面粗糙度情况、膜厚分布要求以及采用的涂料品种等有关。通常船舶涂装用量约为理论用量的1.5～1.8倍。α 的选择参考见表1。

表1 涂料损耗系数α选择参考

5.2.3 PCCP 管表面状态及实际涂装面积

PCCP 管外壁水泥砂浆保护层表面的特点是，管外壁表面状态与其他混凝土表面有很大的不同。这是由于在实际生产中所缠绕的预应力钢丝及喷涂工艺的原因，完成喷涂水泥砂浆后外表面呈现出相对规则的环形凸凹波纹，如图3 所示。与表面光洁无凸凹理论表面相比，实际涂装面积增加了很多。

图3 PCCP 管外壁表面涂装后环形凸凹波纹

为了方便计算，我们将实际表面积计算方法简化为，假设涂装前PCCP 管外壁水泥砂浆保护层表面为凸凹环形波纹间距相等，凸凹深度相等的表面形态。设：PCCP 管的直线长度为L，其外表面由半径为r 的n 个半圆弧紧密相排。则：n=L/2r。由于实际表面由n 个半圆弧，紧密相排，n 个半圆弧的凹凸波纹形态，使得表面凹凸波纹形态实际长度已大大增加，设为L1，，则：L1=π rn=π L/2=1.57L。据此公式计算出由于PCCP 管外壁水泥砂浆保护层表面的起伏形态实际长度是理论直线长度的1.57倍。由此所产生的实际喷涂面积也随之增加到原PCCP 管外壁水泥砂浆表面保护层理论表面积的1.57倍。

5.3 影响PCCP 管外涂料实际涂布率的其它因素

PCCP 管外防腐涂料的实际涂布率还取决于防腐涂料品种和涂装膜厚，涂装施工方法，被涂结构的简单复杂程度，施工期间的环境温度条件，以及涂料浪费控制等诸多因素。根据涂料商的技术规格书建议和多项输水工程的实际施工经验，列出影响涂料使用量的其他因素，见表2。

5.4 PCCP 管外防腐涂料实际用量的确定方法和实例

5.4.1 涂料实际用量计算方法（涂层厚度一定）

涂料用量V=厂家产品说明书的理论涂布率/喷涂涂料利用率×实际喷涂面积增加系数。

5.4.2 应用实例

以DN2700×5000 的PCCP 管，设计厚度为600 μ m，高压无气喷涂施工方案为例，说明涂料的消耗量计算。以无溶剂环氧煤沥青涂料实际施工为例。

（1）理论涂布率。受当前施工工艺的限制，实际施工时涂层厚度正误差约为50μ m(干膜厚密度为1.53g/cm3)。每平方米（厚600μ m）涂层的理论用涂料量为：0.06cm×100cm×100cm=600cm3，施工时涂层厚度为600+50(涂层厚度正误差)每平方米理论涂布率为：1.53×（600+50）=994.5g。

表2 影响PCCP 管外防腐涂料损耗的其它因素

（2）实际涂布率的确定。由于采用高压无气喷涂施工工艺，其喷涂时的涂料利用系数为0.7～0.8。但在实际施工中也应考虑到PCCP 管外壁水泥砂浆保护层表面的粗糙、孔隙且疏松会增加涂料用量。加之料桶及喷涂机械管路中也会粘有涂料，造成涂料的浪费等情况。因此，利用率系数取0.65。据此每平方米涂层的材料消耗量为994.5/0.65=1530g，

由于PCCP 管外壁水泥砂浆保护层表面呈现波纹(凹凸)状，必然会使实际涂装面积有所增加。经计算可增加57%的涂装面积，涂料利用率系数为0.65，故PCCP 管外壁水泥砂浆保护层表面每平方米涂料实际用量为：1530 ×1.57=2402.1g。

6 结论

涂层厚度确定后，PCCP 管材料消耗量主要影响因素有：（1）涂料产品的理论涂布率；（2）施工作业涂料利用系数；（3）实际喷涂面积增加系数及表面孔隙等。

综上所述，当PCCP 管外壁作防腐涂层时其实际涂料用量约为2.4kg/m2（干膜厚度为600μm）。

1 郭永峰，杨进新，王东黎.南水北调中线工程PCCP 管道阴极保护防腐技术探讨.特种结构，2009（2）.

2 汪易森.南水北调中线京石段应急供水工程设计和施工中的主要技术问题.水利水电技术，2009（1）.

3 胡士信，王东黎，张本革，窦宏强，陈弘，钱德琳.预应力钢筒混凝土管阴极保护技术应用介绍.南水北调与水利科技，2008（1）.

4 张亚平，曹健.利比亚大人工河工程简介.给水排水，1999（9）.

5 GB/T19685—2005 预应力钢筒混凝土管.北京：中国标准出 版社，2005.

6 金晓鸿.防腐蚀涂装工程手册.北京：化学工业出版社，2008.

7 汪国平.船舶涂料与涂装技术（第二版）.北京：化学工业出版社，2006.