倒虹吸钢管内壁防腐措施实例分析

倒虹吸钢管内壁防腐措施实例分析

摘要针对XX倒虹吸钢管内壁防腐工程，通过管内最大冲刷力计算；施工要点介绍；近15年运行效果检验，得出在倒虹吸钢管内实施水泥砂浆抹面防腐是可行的。

关键词含砂水体；倒虹吸管；砂浆抹面防腐

1. 问题的提出

XX倒虹吸管始建于上世纪六十年代，由两条木质管道和一座用于固定管道的过溪桥梁组成，1978年木质管道因腐蚀破坏漏水严重而宣告报废，改为两条钢管承担输水任务，每条钢管长300m,（12节×25m/节），管壁厚度12mm（支座处管壁厚度14mm），钢管内径2.4m，设计流量2×14m3/s,钢管内外采用涂漆防腐。从1978年至1998年，每年冬季岁修时钢管内壁均重新涂漆一遍，可结果是年年防腐年年腐，至1998年9月检测管厚时，局部管厚只有9.2mm，平均厚度约为9.5mm，实际年腐蚀率λ高达0.125mm/a[（12mm-9.5mm）÷20年], 如果钢管防腐方法没有改变，到达《水利水电工程金属结构报废标准》ＳＬ２２６－９８①规定钢管的报废蚀余厚度7mm, 其使用寿命只有40年。

计算方法如下：

设计厚度= 12 mm，

报废蚀余厚度δmin<(D/800+4)m m=(2400/800+4) mm =7.00 mm，

腐蚀速率λ=0.125mm/a，

故使用寿命L =(δ0-δmin)/ λ= (12mm-7mm）/0.125mm/a=40年

2. 防锈漆防锈的实际效果分析：

涂漆防腐的钢管经过一年的运行，年底渠道岁修进入管内检查时，已不见漆层，唯留光滑耀眼的金属本色（当然几小时后就出现黄褐色的锈迹，二十四小时后管内便布满锈迹）。

而造成上述结果的主要原因是倒虹吸钢管所处的特殊地理位置，它紧连盘山输水明渠之后，由于水土流失的原因，水体中常参夹着诸多沙石、树杈等杂物，这些杂物不断地摩擦、冲刷、撞击漆膜表面，而油漆膜的机械强度较低，涂层厚度薄，便会很快磨蚀，失效，要提高钢管防腐效果就必须提高防腐涂层机械强度和厚度。

3.改造方案的拟定

通过对国内外各种防腐措施和造价分析研究，考虑到由水泥砂浆形成的砼耐磨性与耐撞击性远大于油漆，所以改造方案拟为用水泥砂浆抹面替代防锈油漆，但必须进行可行性的论证。

3. 可行性论证

3.1验（论）证水泥砂浆抹面与钢管的粘结力必须大于管内水流的冲刷力。

经初步分析，水流最大的冲刷力发生在管内壁的AB段管道下部的120°区域内（见图一），经几何分析计算AB=3.395m。此处的冲刷力主要由转弯引起的局部水头损失和AB段的沿程水头损失所产生，其水头损失应为两者叠加，即：总水头损失H = hj+ hf

3.1.1 局部水头损失hj计算②：

hj=ζv2/2g

式中：v—平均流速(m/s), v=4Q/πd2=4*14/(3.14*2.42)=3.10m/s

Q —单管设计流量（Q=14m3/s）

d——管径（d=2400mm）

g —重力加速度(g=9.81 m/s2)

ζ—局部水头损失系数查管道各种局部水头损失系数表，得ζ=0.35

∴hj =ζv2/2g = 0.35*3.102/2*9.81=0.171m

3.1.2 沿程水头损失hf可按谢才公式计算②：

hf=λLABv2/2gd (1)

式中：

λ—沿程阻力系数(m2/s)

LAB —管道长度(m)，经几何计算LAB =3.395m

d —倒虹吸管直径(m)

v —平均流速(m/s)，经上述计算v= 3.10m/s

g —重力加速度(g=9.81 m/s2)

计算步骤：

计算雷诺数Re=vd/υ

式中：

υ—液体运动粘滞系数，20℃时水的运动粘滞系数(υ=0.0101cm2/s) d —倒虹吸管直径(d= 2.4m)

v —倒虹吸管内水流平均流速v=14÷(3.14×1.44)=3.1m/s)

Re= 310×240/0.0101 = 7366.3×103

判断液体流动状态：由于Re=7366.3×103＞2320，故为紊流

计算沿程虹吸管AB段内的水头损失(m)：

ω=πd2/4=3.14×2.42/4=4.5216m2

R =(πd2/4)÷πd = d/4 = 2.4/4 = 0.6m (水力半径)

根据中等程度的不抹灰混凝土管，查糙率表n=0.0145，

C= R1/6 = ×0.61/6 =63.33 m1/2/s

λ=8g/C2 == 0.0196

3.1.3AB区域内的总水头损失H：

H = hj+ hf =0.171+0.014=0.185m

3.1.4把总水头损失H换算成压力单位，即

p=ρH（kg/m2）

式中：ρ—20℃时水的密度，ρ=998.23（kg/ m3）

H—总水头损失（m），H = 0.185m

所以：p=998.23×0.185=184.67（kg/m2）

即AB段的平均水流冲刷力≈0.0185 kg/ cm2

查相关资料：砼与光滑钢筋的切向粘结力为25～40 kg/ cm2③，远大于管内水流冲刷力。

3.2砼与钢筋具有相近的线膨胀系数（砼为0.00001～0.0000148，钢为0.000012）③，因而温度变化不致破坏其整体性。

3.3致密的水泥砂浆抹面对钢管壁的保护是很有效的。

基于上述三点论证，在XX倒虹吸钢管内壁采取水泥砂浆抹面防腐是可行的。

4、水泥砂浆内壁抹面防腐施工方案的实施

4.1除锈——压力喷砂，压力0.5～0.6MPa；砂质要求：干燥淡水粗砂（粒径约为2.3～3.1mm），注：禁用海砂；喷砂除锈应使管道表面无可见油脂、污垢、松散的氧化铁皮、浮锈、泥土和油漆涂层等附着物，管道表面显示均匀的金属色泽。为防止残留的粉尘影响粘结力，优化施工环境和确保施工人员的身体健康，必须采用机械强制通风、逐管吊起自然透气等措施。（参照《化工设备、管道外防腐设计规定》HG/T20679-1990）④。

4.2水泥砂浆抹面——选用42.5的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或32.5的复合硅酸盐水泥，但同一节钢管只能用同一种水泥，不得混用，洁净的天然河砂，砂颗粒要坚硬，级配良好，砂中泥土、云母、有机杂质及其它有害物质的总重不应超过总重的2%，拌和用水宜采用生活饮用水。采用灰砂比1︰2的水泥砂浆，砂浆强度等级M30，厚18mm，操作工艺与普通的水泥砂浆抹面相同，但需要说明的有如下几点：⑴施工时砂浆要求薄层抹压缓慢加厚，砂浆初凝前必须抹到设计厚度，接近初凝时再抹压一遍，每节钢管必须一次性当班施工完成。不得分层分段施工。对此我们曾在倒虹吸管的头20m（单管）作过分层水泥砂浆抹面试验，在第二年（即2000年4月）汛前安全检查时，发现该处外层水泥砂浆抹面脱落严重，内层完好。⑵为确保管顶部份的水泥砂浆抹面厚度，避免空鼓和砂浆在施工过程脱落现象，由于XX倒虹吸钢管是用螺栓固定在过溪管道桥的支座上，利用起重设备可以拆卸，可采取旋转钢管的措施，使整个抹面作业过程均处在俯抹或立抹状态。⑶在施工中，没有使用添加剂，其主要原因是配合比、搅