球墨鑄鐵管內(nèi)襯鋁酸鹽水泥在污水管網(wǎng)中的應(yīng)用

江國華

蕪湖新興鑄管有限責(zé)任公司

1 引言

球墨鑄鐵管現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于城鎮(zhèn)供水及燃?xì)庑袠I(yè)，是當(dāng)今世界最為理想的輸水管材之一。球墨鑄鐵管內(nèi)部的石墨從片狀石墨轉(zhuǎn)變成球狀，使球墨鑄鐵管具有了良好的可延性、柔韌性和抗沖擊性，隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，球墨鑄鐵管在輸水管網(wǎng)中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用?；谄滹@著的優(yōu)勢，本文對以鋁酸鹽水泥作為內(nèi)襯材料的球墨鑄鐵管在污水管網(wǎng)的應(yīng)用做了進(jìn)一步探討。

2 污水管網(wǎng)的選材

由于城鎮(zhèn)化和工業(yè)化的高度發(fā)展，生活污水、工業(yè)廢水使得水質(zhì)日趨復(fù)雜和徑流水的污染日趨嚴(yán)重，各級政府都已經(jīng)積極行動起來，城市污水、黑臭水體的處理越來越被高度重視。污水的處理涉及很多方面，管網(wǎng)建設(shè)是一個重要環(huán)節(jié)。管網(wǎng)管材的選擇，一般會從以下幾個方面進(jìn)行考慮，一是管材性能可靠，能承受內(nèi)壓和外載荷要求；二是使用壽命，并且考慮后期管材來源是否有充足保證，以及管件配套和后期維修工作量大??；三是適應(yīng)污水管線鋪設(shè)安裝地質(zhì)地形條件；四是工程造價；五是施工及安裝便利性。目前，常用于管道工程的管材有：玻璃鋼管、聚乙烯（PE）管、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管和球墨鑄鐵管等。

玻璃鋼管雖然重量輕，方便安裝，價格低，但其承受外載荷能力差，維護(hù)不方便，維修成本高。聚乙烯（PE）管與玻璃鋼管在物理化學(xué)性能上差不多，且大口徑的PE 管造價非常貴，生產(chǎn)的企業(yè)也較少。鋼管安全性好，但價格極高，同時也必須做防腐處理，費用更高。預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管和球墨鑄鐵管比較來看，價格相當(dāng)，但球墨鑄鐵管具有重量輕、安裝方便、維修更便捷的優(yōu)勢，且球墨鑄鐵管承受內(nèi)外載荷能力絲毫不遜于預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管。因此，越來越多的污水管道開始選擇球墨鑄鐵管材，尤其在蘇浙滬等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的省份球墨鑄鐵管已經(jīng)成為污水管道的首選。

3 球墨鑄鐵管生產(chǎn)工藝

球墨鑄鐵管是指使用合格的鑄造鐵水添加球化劑球化后，經(jīng)過離心球墨鑄管機(jī)高速離心鑄造成的管材，因球墨鑄鐵管有鐵的本質(zhì)、鋼的性能，同時防腐性能優(yōu)異、延展性能好、安裝簡易，廣泛應(yīng)用于市政工礦企業(yè)給排水、輸氣等。其生產(chǎn)工藝按照鑄型旋轉(zhuǎn)軸在空間位置的不同可分為立式離心鑄造和臥式離心鑄造兩種類型。按照使用鑄型的不同可以分為金屬型和非金屬型兩大類，由于金屬型在大批量生產(chǎn)時具有顯著的優(yōu)點，所以球墨鑄鐵管廣泛地采用金屬型離心鑄造工藝。

金屬型離心鑄管有三種不同的生產(chǎn)方式，除了水冷金屬型離心鑄管之外，還有熱模法離心鑄管和砂襯離心鑄管。離心球墨鑄鐵管的生產(chǎn)需要經(jīng)過鐵水制備、球化、離心澆鑄、退火、內(nèi)磨、倒角、噴鋅、水壓檢驗、涂襯、養(yǎng)生、瀝青噴涂等近20個工序，每個工序都要有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以保證其優(yōu)異的性能。

4 污水用球墨鑄鐵管防腐性能

管道一般直接接觸土壤，受復(fù)雜的空氣濕度、土壤酸堿度、雜散的電流、輸送的介質(zhì)及管道本身材質(zhì)性能的影響就很容易腐蝕，若管道防腐措施不當(dāng)就極易造成管道銹蝕、穿孔甚至斷裂，往往會造成嚴(yán)重地后果。正因為影響腐蝕的因素很多，環(huán)境因素各不相同，這樣就不可能用一種防腐措施來解決所有腐蝕問題，需要復(fù)雜的防腐處理工藝，以滿足不同的使用環(huán)境需求。

4.1 防腐處理

對管網(wǎng)的腐蝕通常來源于兩個方面，一方面是外部運行環(huán)境的腐蝕性因素，主要包括電阻率、pH值、地下水位、雜散電流、電化學(xué)腐蝕和其他污染。另一方面內(nèi)部傳輸介質(zhì)對管道的腐蝕性，也有很多因素，其中污水對管道系統(tǒng)的腐蝕既有污水中所含物質(zhì)對管道的直接腐蝕，這主要是因為污水中含有酸堿鹽、油脂以及固體顆粒等；又有大量來源于污水和細(xì)菌在有氧作用下生成硫化氫氣體，硫化氫與氧氣進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)生成弱硫酸，從而對管道造成腐蝕。歸結(jié)為pH值、硫酸鹽SO42-、腐蝕性CO2、氯化物CI-、鎂離子Mg2+、氨基MH4+等腐蝕性因素。因此，對管材有非常高的防腐處理要求。

球墨鑄鐵本身具有很好的抗腐蝕能力，其耐腐蝕能力是鋼的2～3倍。但考慮到工程應(yīng)用實際，還進(jìn)行內(nèi)外防腐，以達(dá)到更長的使用壽命。目前供水、供氣球墨鑄鐵管采用的外防腐工藝有：噴鋅+噴涂瀝青漆、環(huán)氧瀝青涂層、環(huán)氧粉末（FPE）防腐、聚氨酯涂層、聚乙烯（PE）套等。內(nèi)涂層也有多種可以選擇的形式，最常采用的是水泥砂漿內(nèi)襯，在這里，污水專用時推薦使用鋁酸鹽水泥內(nèi)襯作內(nèi)防腐。

內(nèi)襯水泥砂漿有離心涂敷、旋轉(zhuǎn)噴射頭噴涂和手工涂敷等方法，最常用的是離心法，在《球墨鑄鐵管和管件水泥砂漿內(nèi)襯標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 17457—2009）中有詳細(xì)要求，并對水泥內(nèi)襯的質(zhì)量做出明確的規(guī)定。離心法有多種工藝，目前比較成熟的有托輪式、帶式、鋼圈式離心工藝，目前鑄管生產(chǎn)企業(yè)中用的最多的是托輪式離心涂襯工藝。這種工藝技術(shù)成熟，機(jī)械化程度高，生產(chǎn)穩(wěn)定、效率高，內(nèi)襯質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

4.2 鋁酸鹽水泥防腐特性

鋁酸鹽水泥是以鋁酸鈣為主要礦物組成的水泥,也稱高鋁水泥、礬土水泥。鋁酸鹽水泥中氧化鋁含量超過50%，主要有早強(qiáng)、水化熱較大、耐高溫性好和抗硫酸鹽侵蝕性能強(qiáng)等特性，此處只對其抗侵蝕性能進(jìn)行研究。

硅酸鹽水泥（包括普硅水泥或抗硫酸鹽水泥）的主要水化產(chǎn)物是水化硅酸鈣CaO·SiO2·H2O（簡寫為CSH）和氫氧化鈣Ca（OH）2，氫氧化鈣在弱酸環(huán)境里就極易被酸溶解，因此抗酸腐蝕性能很差：

鋁酸鹽水泥水化過程不析出游離氫氧化鈣而是生成氫氧化鋁凝膠，在顆粒表面形成保護(hù)膜。其水泥水化后的主要水化產(chǎn)物CaO·Al2O3·10H2O（簡寫為CAH10）和2CaO·Al2O3·8H2O（簡寫為C2AH8），隨著時間的推移會發(fā)生水化產(chǎn)物的晶型轉(zhuǎn)變，會轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的3CaO·Al2O3·6H2O（簡寫為C3AH6）。

經(jīng)三年的硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥等試塊污水池硫化氫浸泡腐蝕對比試驗，硅酸鹽水泥、抗硫酸鹽水泥試塊基本全腐蝕了，鋁酸鹽水泥試塊基本完好（見圖1）。驗證了鋁酸鹽水泥具有很好的耐污水化學(xué)腐蝕性能，可以有效地抵抗污水管網(wǎng)里的生物源硫酸腐蝕，因為它具有不溶于弱酸，中和強(qiáng)酸能力強(qiáng)，能抑制硫桿菌繁殖增長、耐磨等特性。并且還可以抵抗硫酸鹽、氯離子、海水、軟水、油脂、低溫、冷熱循環(huán)等多種腐蝕。

圖1 不同材料試塊抗腐蝕性能實驗結(jié)果

污水專用球墨鑄鐵管是在傳統(tǒng)的給水用球墨鑄鐵管的使用過程中結(jié)合污水的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)展逐漸完善起來的。在內(nèi)襯鋁酸鹽水泥的同時，管道外表面采用先進(jìn)的低壓電噴工藝噴涂鋅層，最小噴鋅厚度≥200g/m2，能通過鋅與鐵的電化學(xué)作用對管道起到良好的陰極防腐作用。終飾層為雙組分環(huán)氧樹脂涂料，同樣具有非常出色的防腐蝕性能。

4.3 防腐新工藝應(yīng)用前景

為了適應(yīng)高流速、強(qiáng)沖刷、強(qiáng)腐蝕性液體的輸送要求，以及強(qiáng)腐蝕性土壤環(huán)境，相應(yīng)的對球墨鑄鐵管質(zhì)量提出更高要求，尤其對防腐處理提出挑戰(zhàn)。國內(nèi)大的鑄管企業(yè)不斷攻關(guān)，采用新的防腐涂層材料，相對成熟的有內(nèi)襯環(huán)氧陶瓷和聚氨酯涂層。

內(nèi)襯環(huán)氧陶瓷是將無溶劑環(huán)氧陶瓷涂料以噴涂方式固化在管子內(nèi)襯水泥層內(nèi)壁的新工藝，其具有環(huán)氧樹脂涂料的強(qiáng)黏結(jié)力、抗強(qiáng)酸性、抗強(qiáng)堿性和高耐磨、高強(qiáng)度的優(yōu)點，是一種高質(zhì)量的新型防腐涂層，有更高的使用壽命，非常適用于污水輸送；內(nèi)襯聚氨酯防腐工藝使用無溶劑聚氨酯涂料，具有優(yōu)異的耐油性、耐磨性、柔韌性和陰極剝離強(qiáng)度，極耐化學(xué)腐蝕。還具有耐高低溫差環(huán)境、快速固化及工藝簡單效率高的優(yōu)點。但因原材料價格較高，且噴涂厚度需要達(dá)到500μm以上才能達(dá)到防腐效果，所以成品價格非常昂貴，目前主要用于對中東發(fā)達(dá)國家的出口。相信，隨著我國經(jīng)濟(jì)實力、環(huán)境保護(hù)意識不斷增強(qiáng)，我們國家一定會加大對污水管網(wǎng)的投資建設(shè)力度，伴隨新工藝的不斷突破、技術(shù)日漸成熟，特殊防腐涂層球墨鑄鐵管在污水處理領(lǐng)域一定會有廣闊的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城鎮(zhèn)化步伐加快以及環(huán)保意識增強(qiáng)，各地都在積極加大環(huán)保投資力度，污染防治、污水處理項目建設(shè)迅猛發(fā)展。新興鑄管長期致力于污水專用球墨鑄鐵管及其配套管件的研發(fā)和生產(chǎn)，憑借多年來過硬的產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)質(zhì)服務(wù)在業(yè)內(nèi)贏得廣泛的贊譽，已經(jīng)形成包括球墨鑄鐵管、一體式檢查井、檢查井井蓋、U型管卡、管廊支墩等系列球墨鑄鐵產(chǎn)品，在埋地管網(wǎng)建設(shè)、河道污水治理、管廊污水收集和污水回用等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。污水處理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，問題在水里，根源在岸上，關(guān)鍵在排口，核心在管網(wǎng)。對于一個城市來講，受地面高程的限制、污水源頭和污水收集渠道的不同，僅僅靠一種材質(zhì)的管材實現(xiàn)污水全部流向污水處理廠很難實現(xiàn)，需要按照設(shè)計規(guī)范對重力污水管道、有壓污水管道、負(fù)壓污水管道、混合污水管道等綜合考慮、合理設(shè)計，從而保證工程效益的充分發(fā)揮。