聚氨酯内衬球墨铸铁管及其在海水淡化中的应用

聚氨酯内衬球墨铸铁管及其在海水淡化中的应用杨万良1孙华林2李军1 李宁1新兴铸管股份有限公司天津市华淼给排水设计研究院有限公司1 引言离心球墨铸铁管具有管壁薄、韧性好、强度高、耐腐蚀等优点，采用柔性接口，施工方便，运行安全，机械性能接近钢管，而耐腐蚀性能优于钢管，是目前国际上最通用的输水管材，被广泛应用于市政给水排水工程。

水泥砂浆是历史最悠久的球墨铸铁管防腐内衬，目前仍在供水行业大量应用，但对于具有腐蚀性的水质如软水、淡化后的海水、膜处理后的水质等高品质水，水泥砂浆内衬不具备长久的防腐性能，影响了球墨铸铁管应用领域的扩展。

球墨铸铁管聚氨酯内衬采用100%固含量的聚氨酯涂料喷涂而成，因具有高耐磨、耐腐蚀、零渗透、表面光滑阻力系数小、无挥发性有机物，符合环保要求等优点，对于提高球墨铸铁管的使用寿命和保证输送水的质量都具有很好的作用，已成功的应用于海水淡化、膜处理等高品质水的输送，备受用户青睐。

2 淡化海水（产品水）的特点目前海水淡化较为普遍的处理方法主要为蒸馏法及反渗透膜处理方式等，处理方式决定了淡化海水具有如下特点：pH较低：由于处理过程的高压作用，使水中溶解了较多的CO2，水质显酸性，一般p H≤6.5；水质非常纯净：由于在生产过程中去除了绝大多数阴阳离子，钙、镁离子含量非常低，溶解性总固体（TDS）、电导率和总硬度、总碱度远远低于自来水，与离子交换等方法生产的纯水（去离子水）近似，而与自来水差异明显。

这样的水质缓冲能力非常弱，pH 极易受酸碱的影响发生剧烈的变化。

水质化学稳定性差，对钢铁及水泥管道具有较强的腐蚀性：目前普遍把化学稳定性作为分析水和管网材质关系的重要指标。

水质化学稳定性的鉴别方法一般通过对水质的朗格利尔饱和指数IL（式1）、稳定指数IR的计算（式2），然后对水质的腐蚀性倾向及稳定性进行判断，水质腐蚀性倾向的判断见表1、水质化学稳定性判断表2：朗格利尔饱和指数IL＝pH0－pH s（式1）稳定指数(IR)计算式为：IR = 2pH s–pH0（式2）式中，pH0－水的实测pH ；pH s－水在碳酸钙饱和平衡时的pH 。

pH s =(9.3+N s+N t)-(N h+N a)式中Ns－溶解固体常数；N t－温度常数；N h－钙硬度常数(以CaCO3)计，mg/L；N a－总碱度常数(以CaCO3)计，mg/L。

表1 水质腐蚀性倾向的判断饱和指数I L腐蚀性倾向判断0 水质稳定＞0 碳酸盐处于过饱和，有结垢倾向＜0 碳酸盐未饱和，二氧化碳过量，有腐蚀的倾向表2 水质化学稳定性判断稳定指数I R水的倾向稳定指数I R水的倾向4.0～5.0 严重结垢7.0～7.5 轻微腐蚀5.0～6.0 轻度结垢7.5～9.0 严重腐蚀6.0～7.0 基本稳定9.0以上极严重腐蚀案例1为某公司膜处理方法产品水水质与自来水水质比较，通过对产品水水质进行朗格利尔饱和指数、稳定指数的计算，其饱和指数IL＜0，稳定指数IR≥9.0，因此具有极严重的腐蚀性。

案例1见表3。

表3 案例1：某公司膜处理方法产品水水质与自来水水质比较序号指标产水水质自来水水质1 pH 5.56 7.42 溶解性总固体/mg·L-114.6 2523 电导率/μS·cm-126.2 4004 钙/mg·L-10.15 58.75 镁/mg·L-10.063 19.86 总硬度（以CaCO3计）/mg·L-1 1.06 2677 镁硬度（以CaCO3计）/mg·L-10.26 82.58 钙硬度（以CaCO3计）/mg·L-10.38 1479 总碱度（以CaCO3计）/mg·L-17.9 18410 朗格利尔饱和指数IL＝pH0-pH s-4.31 -0.03511 稳定指数（雷兹纳指数）IR =2pH s-pH014.18 7.4712 化学稳定性判断极不稳定，有严重腐蚀性有轻微腐蚀性基本稳定3 淡化海水（产品水）的输送由于产品水水质极不稳定，具有极高的腐蚀性，无法满足一般管网管材的进水稳定性要求，因此一般采用如下方式进行处理达到输送目的：1）稳定产品水水质：与其它原水掺混，增加水中矿物质含量；在出水中加入所需化学药剂（例如生石灰或熟石灰），增加水的硬度、碱度和pH等方式，以达到稳定水质的目的。

2）在不改变产品水水质的情况下，选择新型防腐内衬或改变输水管材。

3）聚氨酯内衬球墨铸铁管具有优异的抗化学腐蚀性、强有力的附着力以及抗机械损伤能力，优异的耐磨性能，用于供水管线的聚氨酯涂料均通过了英国WRAS根据标准BS6920测试认证，可用于输送饮用水，卫生可靠。

涂层不结垢，水质不会被水中的微生物污染或氧化生锈，不产生二次污染，能保证永久性输水量和水质洁净度不变，满足淡化海水（产品水）的输送。

4 球墨铸铁管聚氨酯防腐涂层的性能特点新兴铸管公司采用国内外不同厂家、不同密度的100%固体份含量的聚氨酯涂料在球墨铸铁管上进行了涂敷，并进行了相关性能的检测试验，下面就试验的内容进行介绍，进一步对球墨铸铁管内外聚氨酯防腐涂层的性能及特点进行说明。

1）化学稳定性好作为长效防腐涂层必须具有优异的抗化学介质中离子的腐蚀，如Cl-、SO42-、Na+等，判断涂层抗化学侵蚀性能，有不同的方法及标准。

本试验没有采用在钢铁基材上涂覆聚氨酯涂层，然后浸泡于化学介质中，通过观察涂层的起泡、剥离等情况来衡量其耐化侵性能，这样的检测基本也是一个定性的分析。

对于重防腐厚涂层的聚氨酯涂层来说，采用这样的检测方法要在短期得到一个明显的检测结果是非常困难的，因此本试验采用了塑料材料抗化学腐蚀性的检测方法，即采用一定厚度（本试验涂层厚度为1000μm左右）的独立的聚氨酯涂层完全浸入到特定化学溶液中来进行试验检测。

试验用腐蚀性极强的介质环境来精确、快速地取得涂料长期抗化学侵蚀性能，涂层浸入测试溶液中在规定时间后取出，计算涂层重量变化的百分率来衡量抗化学腐蚀性。

合格的标准是：涂层外观无凸泡、无裂纹、无显著色变、无显著软化，增重率不超过标准要求。

图1 在50℃、10%硫酸溶液中的浸泡时间与增重曲线标准要求浸泡100天后，涂层的增重率不超过10%。

图2 在常温下30%NaOH溶液中的浸泡时间与增重曲线标准要求浸泡30天后涂层的增重率不超过5%。

图3在常温下30%NaCL 溶液中的浸泡时间与增重曲线标准要求浸泡30天后涂层的增重率不超过5%。

图1、图2、图3显示了国内外不同密度的聚氨酯涂层在强酸、碱、盐介质中，在标准规定的时间内涂层增重率均远远小于标准要求，说明了均具有良好的抗浓强酸、浓碱、盐能力。

这样好的抗化学腐蚀性的涂层球墨铸铁管，完全可以使用在自来水、污水、海水等介质的输送及强腐蚀性土壤的埋设。

2）良好的抗水渗透能力无论是用于埋地管线的外部防腐还是内壁防腐，抗水渗透能力是防腐涂层最基本要求，是衡量防腐涂层的主要指标之一。

在无机物水溶液中，水分子是体积最小的液体介质，渗透能力比一般的离子强。

有机涂层的一般规律是在海水中抗渗透最好，自来水中次之，在蒸馏水中最差。

所以涂层在蒸馏水或稀的盐溶液的渗透能力直接反映了涂层的致密性。

图4 在50℃ 蒸馏水中的浸泡时间与增重曲线图4为国内外不同密度的聚氨酯涂层在50℃蒸馏水中的吸水增重率变化，标准要求在浸泡6个月后，涂层的吸水增重率不超过10%，从图4可见，聚氨酯涂层具有良好的抗水渗透能力。

图5 浸泡时间与涂层电阻率变化曲线图5为涂层在0.1MNaCl溶液中浸泡100d的涂层电阻达到1011Ω.㎡，均达到标准要求的108Ω㎡以上，说明涂层有非常好的致密性和抗水渗透率。

3）聚氨酯涂层具有较高的机械性能管道防腐涂层除具有良好的防腐性能外，还须具备良好的附着力和一定的机械强度。

固化后的涂层是否能牢固地附着在管道基体上，是涂层能否发挥防护作用的关键因素之一。

另外涂层还需具有一定的机械强度，可承受运输、安装等过程中的冲击，并且保证能承受工作压力条件下的应力作用，例如在埋设过程中管子的变形等情况的发生。

表4为不同密度的聚氨酯涂层的相关机械性能，从表4可以看出在高温下聚氨酯涂层仍具有较高的附着力和压痕硬度，保证涂层的使用长效性；需要注意的是表面处理的好坏也会影响涂层的附着力大小。

表4 聚氨酯涂层的机械性能性能标准规定值执行标准在球墨铸铁挂上的附着力/MPa 20℃≥15NF A 48-851 40℃≥1160℃≥780℃≥4压痕深度/μm 20℃≤100NF A 48-851 40℃≤20060℃≤24080℃≤300硬度shore D ≥70EN15189抗冲击性23℃≥8J EN15189 4）聚氨酯涂层耐冲刷和气蚀性能好给排水管道内壁因为受到流动的水冲刷，同时存在腐蚀作用和机械磨损，两者相互加速，磨损的形式主要有冲击腐蚀（冲蚀）和空泡腐蚀（空蚀）及机械磨蚀三种，冲蚀是由于水湍流或冲击所造成的；空蚀是由于高速流动的液体，因不规则的流动，产生了所谓空泡。

这种空泡内只有一点水汽或低压的空气，由于压力和流动条件经常变化，空泡会周期性地产生和消失，当它消失时由于与周围高压形成很大的压力差，在靠近空泡的金属表面产生所谓“水锤作用”，常常破坏金属表面的保护膜，使腐蚀加速；机械磨蚀是由于水及水中砂粒等固体物质高速冲击金属表面造成磨蚀，类似“水滴石穿”的道理。

给排水中不可避免地混有泥砂和碎石，在这种环境下涂层受到固液双相流的冲刷磨蚀和水中的介质化学腐蚀的交互作用，这就需要防腐内衬具有优异的抗冲刷、磨蚀和气蚀性。

图6显示了聚氨酯内衬球墨铸铁管相比较其它内衬球墨铸铁管、塑料管、水泥管的磨损率要低得多。

图6 磨损试验试验表明：聚氨酯内衬具有良好的耐磨蚀性能，这是由聚氨酯的固有特性所决定的，聚氨酯材料这一特性已被广泛应用于耐磨衬里。

5）涂层抗弯曲性好需要聚氨酯内衬要有一定的抗弯曲性主要由两种因素决定，一方面由于搬运，聚氨酯内衬管可能会掉落或受到外面的碰撞而引起轻微的塑料变形，可能导致内衬损坏；另一方面由地面凹陷或不同程度的沉降引起球墨铸铁管产生弯矩，也可能导致内衬的失效。

因此作为球墨铸铁管的聚氨酯内衬必须具有好的抗弯曲性，间接冲击是一种很好的检测方法，根据标准EN15655要求，聚氨酯内衬至少要能承受50J 的反冲击能量而不会造成内衬的损坏才符合要求。

6）抗椭圆性为了在普通安装条件下承受较大的覆盖深度和/或繁重的交通负荷,球墨铸铁管在使用中保持其所有功能特性的前提下需要承受较大椭圆度，这对聚氨酯防腐涂层也提出了相应要求，根据EN15655要求，聚氨酯内衬至少要能承受表5要求的椭圆度，并且聚氨酯内衬应无有害的损坏，采用目视检查和漏点检测来进行判断，图7为抗椭圆度的试验。