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城市综合管廊之防腐粉末涂料在波纹钢管(板)领域的应用

发布日期:2018-09-18 作者:山东齐通管业有限公司 点击:

摘 要


防腐粉末涂料在钢制管道上的涂装已经得到广泛的使用,但在波纹钢管和板材上的应用还在少数。波纹钢管或者波纹板主要应用于涵洞与桥梁的建筑。波纹钢管(板)通过涂装了防腐粉末涂层,能够减缓管材和板材的防腐蚀程度,延长波纹管(板)的使用寿命。在涂装过程中,胶黏层和防腐层的粘结是涂装的关键。本文设计了一种能够在短时间内和胶黏层融合的防腐粉末,并且粘结性能牢固,成品可以通过波纹管或板材的折弯不剥离,同时具有良好的机械性能和防腐性能。



1 波纹钢管(板)


1.1  波纹钢管(板)的定义


波纹钢管也叫波纹涵管或钢制波纹涵管,是指铺埋在公路、铁路下的涵洞用螺纹波纹管,它是由波形金属板卷制成或用半圆波形钢片拼制成的圆形波纹管。这种结构可以增加管节的刚度和对管轴压力的抵抗强度,也可称为波纹涵管或金属波纹涵管。波纹钢管用此种管节修建的涵洞被称为波纹钢管涵。

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波纹钢板是指将一定大小的结构用钢板变成规定规格的波纹形状的定形金属板。


1.2 波纹涵管的分类


波纹钢管可以根据形状划分,也可以根据使用环境划分。根据形状一般可以分为:金属螺旋管、马蹄型波纹涵管、拱形波纹涵管、椭型波纹涵管、簸箕型波纹涵管等。按照使用环境可以分为:桥梁金属波纹涵管、建筑用金属螺旋管、涵洞用波纹涵管等。


1.3 波纹涵管的历史和形状


在公路和桥梁施工中,应用金属波纹涵管代替钢筋混凝土进行涵洞施工的历史已经有100多年了。1896年,美国率先进行金属波纹涵管通道、涵管的可行性研究。其后,在美国、加拿大、澳大利亚等国的公路建设中,均采用了金属波纹涵管进行涵洞的施工。1990年,日本高速公路设计,规范制定了波纹管涵设计技术规范。随着金属波纹涵管在世界各地的安装使用,证明了此种结构在各种使用情况下的通用性。在我国改革开放后,深圳及大同煤矿开始从国外进口成品金属波纹涵管进行涵洞施工。之后,上海市公路管理处、上海市政工程设计研究院、静载试验,结果表明能满足设计使用要求,填补了国内的空白,且迅速得到推广使用。


现如今,我国在使用金属波纹涵管的工程比例在逐年呈上升趋势。我国国内一些典型的道路或者桥梁都使用了这种结果的材料,并且是实现了广泛的社会价值和经济价值。


1.4 波纹涵管的特点和应用


波纹涵管的强度为水泥管的1.5-3倍,并且重量仅为同规格的水泥管的1/15-1/5,在轴向上,更适合用于沉降比较严重的场合。在涂装防腐层后的管道可以使用100年,和一般水泥涵洞相比具有更长的使用年限。另外,当金属波纹涵管的直径大于1m时,跨境越大造价的效益越明显。在施工过程中,方便快捷无需大型机械,只需要手工操作,节省了人工费用。金属波纹涵管减少或根本舍弃了常规建材,如水泥、黄沙、石子、木材的使用,有利于环境保护、降低碳排放,并且这种结构后期维护方便,在相当一部分环境下甚至不用维护,能够明显降低后期运营成本。


像京赞公路河北保定段、连接河北和山西的G112线、河北省承德市大杖子滦河大桥、山西省临汾市汾河大桥、G109线大同长圈沟桥等项目都使用了这种结构。


2 波纹涵管的防腐


2.1 波纹涵管防腐的意义


波纹涵管虽然能够在一定程度上代替水泥建筑使用,但由于其使用环境苛刻,为了能够达到更长的使用年限,和一般的钢制管道一样需要做防腐涂层来保护钢制波纹管,减少环境给带来的腐蚀。由于钢制波纹管,尤其是波纹涵管本身外环境处于土壤的之中,内环境可能还要经过水流或者泥沙的冲刷。因此,除了必要的防腐措施之外,对钢制波纹涵管的机械性能和耐磨性都要提出很高的要求。因此,钢制波纹涵管的防腐蚀很有必要的。


2.2 波纹涵管防腐的种类


波纹涵管在建筑使用上已经有近百年的历史了。经过一般防腐处理的管涵可以使用50年以上,多种防腐方法结合使用时,还能将使用寿命延长10-20年。到目前为止,主要的防腐方法有以下几种(见表1)。


这几种方法是近年来比较常用的防腐方法。每种方法都具有其局限性。比如,镀铝涂层最先被引入到波纹钢管防腐蚀涂装,因为表面镀铝层的硬度不够,常常导致由于施工过程中的刮蹭而破坏。只涂装聚合物涂层时也会因为硬度不够和抗渗透作用不强而产生脱落或者开裂问题。而底层和面层结合的方法一般用于对于已涂腐蚀层的更新和维护。因此,防腐蚀设计中一般以第2和第5种方法作为主要的防腐手段对波纹涵管进行涂装。


2.3 钢制波纹涵管的使用寿命调查


美国加利福尼亚州调查了数百道涵管的条件,并得出了预估寿命与PH值和电阻率的方法和设计图(图5),该图被美国钢铁学会(AISI)作为规范。该图反映了美国钢铁学会预测服务寿命的方法—以电阻率和PH值得出服务寿命。该图是以16个标准镀锌610g/m2覆盖层的钢波纹管为基础研究得出的,在条件适当时可适用于其他厚度的金属覆盖层。加利福尼亚州的研究包括钢波纹管涵洞耐久性在土壤腐蚀、水腐蚀方面的联合效应,这些涵洞未接受特殊的维护处理。预测的方法取决于PH值是否超过7.3。当PH值小于 7.3,在高山地区的管侧重在严重的腐蚀方面,至少70%的管可望得到大于图5中所示的寿命,对雨水管当腐蚀效应为主要时,图5中所示的方法有所保守。当PH值大于7.3,研究是基于加利福尼亚南部的半干旱和沙漠地区,在这种条件下的耐久性较好,由于年平均降雨量小于250mm,一年中管内仅有少量时间有水流,腐蚀以土壤环境腐蚀为主。


为研究美国聚合物预涂层的使用寿命,1998年美国纽约州对美国纽约使用6~10年的钢波纹管进行调研。为巩固其研究,加拿大钢波纹管协会于2001年6月对20道使用9~13年的涵管进行了聚合物涂层钢波纹管现场性能测试研究,并于2002年3月整理出报告。结果表明防腐蚀方法采用镀锌+聚合物+沥青,20道涵管除1道外,其余19道用于良好状态。聚合物涂层总体上粘贴紧密,表层沥青仅在端部出现裂缝,聚合物涂层很少受到损坏,除端部局部涂层剥落哇哦,镀层基本未出现腐蚀现象。相关试验数据见表2。


以上的防腐蚀方法是镀锌+聚合物+沥青的方法,从表上可以看出,这种方法相对其他是效果最好的。但是随着时间的发展,最近又衍生出一种以镀锌+聚合物(包括环氧涂层,胶黏剂涂层和聚乙烯涂层)的涂装结构,这种结构有点类似于表1上面所说的方法2,只是聚合物的成分有所变化,并且省去了喷涂沥青的步骤,用强度高的PE涂层作为外涂层进行涂装施工,这种结构不仅防腐效果好,并且耐磨性奥,防腐程度不亚于涂塑沥青的管道,因此,也得到很好的市场反馈。



3 钢制波纹涵管


3.1 防腐粉末涂料的防腐性


粉末涂料在管道上的涂覆已经是很普遍的了,像单层FBE,双层FBE,2PE,3PE,3PP等等,是市场上应用比较多的涂装管道方法。这些涂装管道都满足一定的国家标准或者行业标准。具有优良的防腐性能。一般环境下使用的防腐管道服务寿命能够达到10-30年,有些也甚至能够 50年。能够满足市场需求,已经得到了市场的广泛认可。


3.2 3PE涂装和钢制波纹涵管的涂装


众所周知,重防腐粉末涂料在3PE管道上的应用已经很广泛,经过流水线的涂装,涂装效率高,质量稳定。3PE防腐钢管母材包括无缝钢管,螺旋钢管和直缝钢管。三层结构的聚乙烯(3PE)防腐涂层以其良好的抗腐蚀性、抗水气渗透性以及力学性能等,在石油管道行业得到了广泛应用。3PE防腐钢管一防腐层对于埋地管道的寿命来说是至关重要的。3PE防腐一般由3层结构组成:第一层环氧粉末(FBE>100um),第二层胶粘剂(AD)170~250um,第三层聚乙烯(PE)2.5~3.7mm,实际操作中将三种材料混合融为一体,经过加工使之与钢管牢固结合形成优良的防腐层。其加工方式一般分缠绕式和圆模包覆式两种。


而钢制波纹涵管也可以采用类似的涂装方式,只是个别环节有些不同。对于钢制波纹涵管的厚度在3mm一下的波纹涵管(图7),一般采用的涂装方法是先进行钢板的镀锌处理,镀锌层一般满足大于86um,然后再像3PE一样进行环氧涂层的喷涂,之后进行胶黏剂的包覆,最后是进行PE的防护,涂装环节就结束了。然后对钢板进行弯曲加工,在这个环节涂层附着力要很好。弯曲不能剥离,然后将成型后的波纹板经过咬合链接形成管材。




3.3 钢制波纹涵管(板)用粉末涂料的特点


粉末涂料和镀锌层之间的结合力强;


反应活性高;


外层PE的硬度要高;


整个涂层的柔韧性要好;


低温环境下的施工问题。



4 波纹涵管(板)用环氧粉末


4.1 配方设计


4.1.1 环氧树脂的选择


双酚A型环氧树脂的结构如图8所示,由于其具有粘结性又有柔韧性,以及很好的耐化学药品性和耐温性,使其成为了主要成膜物质。


另外,为了增加涂层和底材的粘接力,并且进一步提高涂层的交联密度,从而提高涂膜的防腐性能,我们在配方中加入了酚醛改性环氧树脂。这种环氧树脂耐温性好,交联密度高,和具有柔韧性的双酚A型环氧树脂搭配使用,既满足了涂层的柔韧性,又兼顾了附着力和交联密度。


4.1.2 环氧固化剂的选择


为了提高环氧粉末涂料的耐腐蚀性、耐冲击性与韧性,采用一种新型的酚类固化剂,使环氧粉末涂料的防腐性与物理机械性能有很大提高,适合于重防腐蚀领域应用。针对这一项研究项目,国外学者在这方面做了大量的研究工作,并且有些已应用于生产,其结构式如图10所示。




酚类固化剂使特制的长碳链树脂状聚合物,反应基团为酚羟基,与环氧树脂相溶性很好,结构式和双酚A型环氧树脂接近,软化点为75~120℃,为了提高大分子固化剂的反应活性,活性快速固化的要求,在固化剂结构设计中往往加入一些小分子的羟基化合物和催化剂来提高反应速度。


4.1.3 固化促进剂


目前最常用且最经济的促进剂为2-甲基咪唑,某些新型的促进剂具有抗泛黄,提高贮存稳定性的作用。此类固化体系的涂膜附着力、柔韧性、抗冲击性、光亮度、流平性及防腐蚀性能均很好,无毒性,可用于与食品、饮用水等直接接触的涂料体系。


咪唑类属于阴离子聚合型固化剂。这类固化剂对加成聚合型固化剂有着十分明显的促进作用。咪唑是具有两个氮原子的五元杂环化合物,其中一个氮原子构成仲胺,另一个氮原子构成叔胺,仲氨上的氢活性很大,引起环氧基开环。咪唑分子中2,4位置的碳原子上的氢可以被不同的基团取代,从而衍生出一大批咪唑的同系物。粉末涂料中最常用的是2-甲基咪唑和2-苯基咪唑啉,作为固化促进剂。


4.1.4 颜填料和主助剂的选择


颜填料主要以热稳定性好为前提,不黄变,游离活性基少。填料含钙量要低,为提高抗渗透性以石英、云母为主。助剂选用也有严格的要求,高分子量物料能够提高体系互溶度,减少因小分子游离而产生的图层或层间性能下降。


4.2 技术参数


通过调整配方,我们研发了一种既高温,又具有很好机械性能的粉末涂料。这种涂料专门适用于大管径热滚涂工艺的管道施工,具有良好的交联密度和反应活性,热滚涂后无需回炉加热固化,固化后的涂膜具有更好的防腐特性和对底材的附着力。各项指标满足客户使用的标准,性能经过客户的认可,得到广泛的应用。


4.3 钢制波纹涵管(板)所用粉末涂料的特点


反应速度快;


涂装工艺可控制强,易于实现工业化生产;


无渗出物、无污染介质;强度高、耐热、耐压性好、不老化脆化;


涂层适用温度区间大,抗根茎穿透力能力强,避免过多维护;


涂层附着力强、层间结合性强、抗冲击性能好;


安装简便可靠;


适应苛刻的自然环境;


适用寿命长。



5 实际应用


金属波纹涵管投入到了青海公路施工当中,三年的实践证明金属波纹涵管在北方寒冷地区完全符合公路建设当中的涵洞施工要求。实践证明,用金属波纹涵管代替钢筋混凝土进行涵洞施工,无论从施工周期、施工造价、环保意义等方面都有其不可比拟的优越性,且用金属波纹涵管进行涵洞施工,可大大提高道路行车的舒适度与安全性,避免道路中涵洞的“错台跳车”现形,有利于解决西北及我国寒冷地区霜冻对砼管涵结构的破坏问题。


这种粉末涂料涂装的波纹涵管已经被广泛应用。被应用与全国12所城市的地铁建设,除此之外,美国石方公司南加利福尼亚项目,大连国际合作公司苏南里高速项目,青岛航美公司巴布几内亚公路项目,伊朗德黑兰绕城公路项目,苏丹联合国采购公路项目等,16个国家都有合作项目投入建设,产品使用遍布四大洲。此项技术已经得到很多客户使用,具有很好的社会反响,给客户带来了很好的社会效益和经济效益。

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