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城市综合管廊镀锌螺旋肋波纹钢管耐久性分析

发布日期:2018-09-19 作者: 点击:

从1896年以来,在美国,加拿大,日本,韩国,英国,墨西哥,阿根廷及欧洲等国家成功地应用镀锌螺旋肋波纹管道在暴雨排水和涵洞领域 。它提供了比较长的服务寿命,并且它的应用范围覆盖了各种土壤和水环境。


从最初的应用到二十世纪末,调查及研究大约50,000个项目建立耐久性准则。土壤方面和流水方面则是耐久性准则的研究重点。通过这些研究表明CSP在土壤方面为耐久性提供了令人意外的效果,并且通过选择适当的覆膜和/或翻转底部的铺设可以获得需要的服务寿命。


当然,随着时间的推移所有的管道材料表现出一些变坏的现象,并且这个现象根据环境是多种多样的。为了帮助工程师评估现场环境和选择适当的CSP系统,影响耐久性的主要因素和现场研究的结果将会在阐述具体设计指导之前被检验。


影响CSP耐久性的影响因素


土壤中耐久性


土壤中金属管道耐久性是几个相互作用参数的函数,包含土壤电阻率,酸性(pH),水分含量,可溶的盐和含氧量。然而,所有腐蚀的过程都包含电流的流动从一个地方到另外一个地方(腐蚀电池)。因此,拥有比较高的电阻率,耐久性越高。


大多数土壤的pH范围在6到8之间,并且这个对耐久性是有益的。土壤具有较低的pH值(酸性土壤),通常是在比较多降雨的地方更具有腐蚀性。


颗粒状土壤能够迅速排进而提高了耐久性。相反的,土壤高于20%含水量则趋向于腐蚀性的。高粘土含量土壤趋向于保持水的时间比较长,并且因此比好排水的土壤腐蚀性要强。土壤湿度可能使土壤本身中转移出包含各种各样的溶解固体,它使得电阻率降低而促进腐蚀。相反的,一些土壤化学形态为不溶的碳酸盐或者氢氟化物在管道表面能够减少土壤边的腐蚀。高含量的氯化物和硫酸盐使得土壤侵蚀能力大大增加。


水中耐久性


在pH范围4.5到9.5之间,钢在静止自然水中的耐久性的区别不大。因为腐蚀产物在钢表面保持pH值为9.5。然而,涨落的水带走这些产物并且增加溶解气体的水平。增加溶解氧气和二氧化碳的水平能够加速腐蚀。在水中的二氧化碳形成保护碳酸钙垢形成腐蚀干扰。这个垢在流水的管道表面变得坚硬(碳酸钙含量高)。溶化盐可以通过减少氧气溶解度和中和酸性来增长耐久性,但是如果他们电离并且减少电阻率则会增加腐蚀。现场研究表明管道最容易腐蚀的部分是管道的底部,因为它趋向于较长时间的暴露在水流里,并且在一些情况下,容易遭受磨损。


耐磨性


一些情况下,暴雨排水管道趋向于适度的斜坡和没有特别大的磨损。然而,一些涵洞可能有陡峭的斜率。在水流速度快(高于5m每秒)的地方磨损变得严重。如果石头或者沙子在底部冲刷而下进而磨损量增加,但是如果底部具有较小的磨损特性,那么磨损很小。如果预期会有严重的磨损,那么可以应用各种各样的底部处理来预防。


耐久性现场研究


参考CSP性能的现场研究是评估CSP耐久性最积极地方法。很多年来,这样的研究被各个政府,和产业调查人员实施,并且现在提供了大量的积累信息。


美国各州研究


加州在数百个位置调查管道的情况,并且发明了一个基于pH值和电阻率的方法来估算使用寿命。多种多样的调查结果表明在整个美国能够找到多种多样的环境,并且强调条件允许的时候需要使用当地的信息。然而,加州方法是最为合理的准则,有效地适用于一般的情况下。


在没有特殊维护处理的情况下,加州研究包含土壤腐蚀,水腐蚀,和磨损的综合效果的CSP耐久性。管道底部确定临界面积,它容易被铺设来延长使用寿命。


发明的预测方法需要确定pH是否超过7.3。通常pH小于7.3,研究的管道通常是在高山区域,他们有潜在的严重磨损。pH值大于7.3的时候,研究的管道通常在半干旱的和沙漠区域,如加州南部。耐久性在这些环境下通常是非常****的,但是会被土壤一侧腐蚀限制。因为年平均降雨小于250mm,并且底部流水一年只有几次。


AISI研究


在1978年,AISI(美国钢铁协会)在佛罗里达州,明尼苏达州,男达科塔州,犹他州,加利福尼亚州,俄亥俄州,印第安纳州,北卡罗来纳州,维吉尼亚州,马里兰州,和堪萨斯州的81个暴雨排水做了勘察。研究表明81个检查现场,77个仍处于良好状态。排水时间从16到65年。4个管道需要维护工作,它们拥有32年的平均寿命。1个在极端腐蚀环境,电阻率只有260 ohm-cm,远低于公认的最小值。


NCSPA/AISI研究


1986年,在NCSPA(全美波纹钢管协会)与AISI合作下,委托Corrpro Companies, Inc.,一个坐落于Medina, Ohio 的腐蚀咨询公司,去组织波纹钢管排水和涵洞管道的环境和腐蚀勘察。现场调查分布全美国22个州,并且使用年限分布在22到74年。土壤电阻率从1,326到77,000 ohm-cm,pH范围从5.6到10.3。


研究结果表明土壤一侧的腐蚀在大多数检查的管道中相对较小。发现内部重大腐蚀,它们通常发生在管道底部。具体的预测方法是基于统计学基础发展来的。通过其他观察,工厂预制或者是现场提供底部铺设可以提供比较好的额外耐久性。数据显示,在多种土壤和水环境下,CSP系统可以提供100年的服务年限。


加拿大研究


这些年加拿大也做了一些研究。最早的调查是由Golder在1967年实施。检查Southwestern Ontario (London) 的CSP确定加州方法对当地环境的预测服务寿命同样适用。1993年,大不列颠哥伦比亚省交通部和公路部门检查21个结构板和镀锌箱子类型挡土墙。安装的结构都超过20年,最早的安装在1933年。测试方法是从结构上剪切下37mm直径块,并且在实验室里测试涂层厚度。土壤(和水,在适当的位置)被测试pH电阻率。结果是服务寿命除了两个结构估计都能超过100年。


1988年在Alberta 省,组织了一个非常广泛的研究,检查201个安装结构的锌损失,测试土壤和水的pH,电阻率以及管道和土壤之间的电势。研究产生了目前为止****的技术数据库之一。报告结论最小服务寿命50年的结构将达到83%,并且平均期望寿命是81年。当需要一个较长的寿命的时候,简单的检查现场土壤和水的化学性,便能够确定平均服务年限。


设计年限


只带金属层的CSP


下图显示当设计CSP涵洞和暴雨排水管道时的估算平均底板服务寿命的图表。这个图表经常被用做确定钢结构板建筑物平均服务年限,适用于1.3到4.2mm板厚管道。


带有保护层和铺设底面的CSP


虽然有其他种类的涂层和铺设底面,但是历史上最经常食用的类型是含沥青的。聚合物涂层经常替代含沥青的涂层。


1.管道外部.   在平均环境下,管道外部有沥青涂层能够延长25年的服务寿命。干旱地区作为一个典型的环境,这个情况下服务寿命主要基于管道外侧。但是这个仅仅使用在金属涂层的管道上来延长管道服务寿命。


2.管道内部.  在大多数的情况下底部铺设路面是增长服务寿命的****方法。通常情况下沥青铺设应用到底部25%的圆周。然而,必须意识到在一些磨损环境下,这样的铺设会被迅速的侵蚀。在这些情况下,一个混凝土铺设可以工程学的满足服务要求。额外的服务寿命范围在35到15年。


耐久性设计案例


下列案例表明使用图A用于设计项目。


管道尺寸在1至3米的范围内。经过调查土壤的pH值为7.2,电阻率为5,000 ohm-cm。暴雨径流估计pH为6.5,电阻率4,500 ohm-cm,以及低磨损环境。要求底板服务年限是50年。


参考图A,对于未覆膜1.3mm厚度镀锌管道的寿命获得如下:


外部环境   64 年


内部环境   41 年(限制的)


对于增长的厚度需要乘以的系数:


50 年/41 年= 1.22


参考图A中的乘数表格,金属厚度1.6mm有乘数1.3大于需要的数值1.22。因此,1.6mm厚度满足。


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