深圳地鐵給排水管道材質(zhì)適用性研究

李海明 傅艷茹 鄭冠杰

深圳地鐵運營集團有限公司

1 引言

深圳地鐵從2005 年12 月28 開通至今約有16 年時間，管道故障經(jīng)常發(fā)生,主要原因是松動和銹蝕，本文主要研究銹蝕，從規(guī)范要求、設計安裝、使用效果三方面，進行分析，試圖從材料與防護的角度出發(fā)，來解決這個問題。

2 規(guī)范對材料的要求

建設地鐵主要的依據(jù)是地鐵設計規(guī)范，現(xiàn)在執(zhí)行的是《地鐵設計規(guī)范》（GB 50157—2013），1、2、5 號線是使用2003 版，11 號線是根據(jù)2013版。其中2003版要求“地下車站站臺板下及地下區(qū)間隧道敷設的給水管，宜采用球墨鑄鐵給水管和膠圈接口”，2013 版沒有要求使用球墨鑄鐵管了，改為鋼塑復合管和不銹鋼管等，且規(guī)范中推薦使用鋼塑復合管的力度加大，重力流排水管管材要求沒有變，為阻燃型硬聚氯乙烯排水管及管件。

2.1 管材性能特點

規(guī)范要求的金屬管材有：鍍鋅鋼管、球墨鑄鐵管、鋼塑復合管、薄壁不銹鋼管。

（1）鍍鋅鋼管。鍍鋅鋼管分為冷鍍鋅鋼管、熱鍍鋅鋼管，冷鍍鋅鋼管已被禁用。熱鍍鋅是先將鋼管進行酸洗，為了去除鋼管表面的氧化鐵，酸洗后，通過氯化銨或氯化鋅水溶液或氯化銨和氯化鋅混合水溶液槽中進行清洗，然后送入熱浸鍍槽中。熱鍍鋅具有鍍層均勻、附著力強、使用壽命長、耐腐蝕能力強等優(yōu)點（比普通鋼管）。鍍鋅管是一種成熟的產(chǎn)品，主要國標為：《低壓流體輸送用焊接鋼》（GB/T 3091—2015）、《直縫電焊鋼管》（GB/T13793—2016）、《焊接鋼管尺寸及單位長度重量》（GB/T 21835—2008）。因價格便宜，安裝使用維護方便，熱鍍鋅鋼管在消防、電力上有廣泛的應用。深圳地鐵1、2、5、11號線車站消防水管均使用此種管材。主要缺點是：鍍鋅鋼管因在制造、加工、運輸、搬運和儲存過程中存在一些問題，導致該管材極易銹蝕,鍍鋅管作為水管，使用幾年后，管內(nèi)產(chǎn)生大量銹垢，流出的黃水不僅污染潔具，而且夾雜著不光滑內(nèi)壁滋生的細菌，銹蝕造成水中重金屬含量過高，嚴重危害人體的健康。中國建設部等四部委發(fā)文明確從2000年起禁用鍍鋅管作為生活供水管。

（2）球墨鑄鐵給水管。球墨鑄鐵管是鑄鐵的一種，是一種鐵、碳和硅的合金。球墨鑄鐵中石墨是以球狀形式存在的，一般石墨的大小為6-7級，質(zhì)量上要求鑄管的球化等級控制為1-3級(球化率≥80%)，因而材料本身的機械性能得到了較好的改善，它具有鐵的本質(zhì)、鋼的性能，防腐性能優(yōu)異(比鍍鋅管)、延展性能好、機械性能較好、密封效果好、安裝簡易、主要用于市政、工礦企業(yè)給水、輸氣,輸油等,是一種成熟的產(chǎn)品，主要國標為《水及燃氣管道用球墨鑄鐵管、管件和附件》（GB/T 13295—2013）。深圳地鐵1、2、11 號線區(qū)間消防水管均采用此種管材（5 號線采用涂塑鋼管）。主要缺點是：不能使用在高壓管網(wǎng)（6MPa以上），管體笨重；安裝時須動用機械，出現(xiàn)故障漏水后，必須把所有管道全部拆除，重新安裝；管上易有沙眼；內(nèi)阻大，損失大，不利于遠距離輸水；管件及附件在潮濕或海水環(huán)境中易銹蝕。

（3）鋼塑復合管。鍍鋅鋼管被禁止后，市場上開發(fā)出了鋼塑復合管。鋼塑復合管有涂塑鋼管（涂覆鋼管）與襯塑鋼管兩種，都具有鋼管的高強度、高剛度等機械性能，又具有塑料管的防腐性能，表面光潔如鏡面，不混生細菌和霉菌，更具有效地防結圬性能。輸水阻力系數(shù)小,同直徑的涂塑鋼管比一般的鋼管輸水量增加10%～15%，降低輸水動力消耗15%，具有良好的衛(wèi)生性能。襯塑鋼管的主要缺點是：襯塑層與鋼管之間結合性差，易滋生微生物，尤其小管件縮徑嚴重，水錘作用明顯，管件襯塑層易老化，易分層，不能形成與鋼管的良好密封，水質(zhì)二次污染明顯，熱脹冷縮系數(shù)大，分層概率高，使用壽命12～15年。涂塑鋼管是在鋼管內(nèi)壁融溶一層厚度為0.5mm～1.0mm 的聚乙烯（PE）樹脂、乙烯-丙烯酸共聚，設計壽命可達50 年（預期50～100 年）。從性能價格比來講，涂塑鋼管是各種輸水管中較好的產(chǎn)品。主要缺點是安裝時熱加工和電焊切割等作業(yè)時，切割面應用生產(chǎn)廠家配有的無毒常溫固化膠涂刷。國外建筑輸水用管如日本、美國等國多采用熱熔黏結的涂塑鋼管，很少采用襯塑鋼管，基本不用鍍鋅鋼管，輸水管用涂塑鋼管在我國才剛起步，應該大力推廣。主要國標為《給水涂塑復合鋼管》（CJ/T 120—2016），深圳地鐵5號線區(qū)間消防水管、排水管就是涂塑鋼管。

（4）薄壁不銹鋼管。奧氏體薄壁不銹鋼管材，是指壁厚與外徑之比不大于6%的不銹鋼管道。建筑給水薄壁不銹鋼管材和管件均含鉻（Cr）量在12%以上。不銹鋼管材、管件經(jīng)去雜、酸洗、鈍化工藝處理后，可使生成的Cr2O3的厚度增加，致密的均勻性增強；不銹鋼管經(jīng)拋光、管件經(jīng)精光工藝，不僅能消除表面缺陷，還使鈍化膜更為細膩、致密，以減少點腐蝕的概率。同時，管件精光后內(nèi)壁光潔、摩阻小，進一步提高管材的水力性能，節(jié)約消耗。國內(nèi)薄壁不銹鋼水管是20世紀90年代末問世，2001年國家科學技術部中國技術市場管理促進中心發(fā)布了關于推廣應用“高徑壁比高精度不銹鋼中、高壓供水管及配套管件與專用技術”的通知，對薄壁不銹鋼管給予充分肯定，2003年7月10日國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布了GB/T 19228.1、GB/T 19228.2、GB/T 19228.3 的系列標準，推廣不銹鋼卡壓式管道系統(tǒng)。2003年9 月25 日中國工程建設標準化協(xié)會發(fā)布了《建筑給水薄壁不銹鋼管道工程技術規(guī)程》（CECS 153—2003）。

不銹鋼管具有強度高（抗拉強度是鋼管的2倍），安全衛(wèi)生、耐蝕性好、堅固耐用、壽命長、免維護、韌性好，抗振動沖擊和抗震性能優(yōu)，低溫不變脆，輸水過程中可確保輸水水質(zhì)的純凈，美觀等特點，已大量應用于建筑給水和直飲水管道。深圳地鐵在2019 年進行的衛(wèi)生間改造中，1、2、5 號線衛(wèi)生間給水全部采用304 薄壁不銹鋼管，此外，深圳地鐵10 號線給水也采用此種管材。主要缺點是：價格貴。

3 深圳地鐵使用管材統(tǒng)計

表1中從已運行的地鐵線路來看，沒有嚴格按規(guī)范要求來選用管材。

4 管道銹蝕故障原因分析

從深圳地鐵1、2 號線2017、2018 年兩年的管道故障分析可知,33%的故障是因此銹蝕而發(fā)生。銹蝕故障，大部分位于有結構滲漏水的地方，如區(qū)間人防門處、伸縮縫、過軌處、支撐于地面的支架而地面有積水，車站主要是站臺板下、集水池中、風亭。而比較干燥的地方如環(huán)控機房、走道、公共區(qū)、出入口等處,銹蝕故障少,所以銹蝕的直接原因就是有結構水或水蒸氣。

表1 深圳地鐵給排水管材選用統(tǒng)計

4.1 管線銹蝕機理

金屬腐蝕的本質(zhì)是金屬由能量高的單質(zhì)狀態(tài)自發(fā)地朝能量低的化合物轉變。其特點是自發(fā)（不可逆）、放熱。分為化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕是單純的化學作用，這種腐蝕占比不大，影響也較小，主要發(fā)生在高溫設備；電化學腐蝕是金屬與電解質(zhì)溶液接觸發(fā)生的氧化還原反應。金屬在大氣、土壤、海水中、人體內(nèi)以及絕大多數(shù)工業(yè)介質(zhì)中的腐蝕都是電化學腐蝕，電化學腐蝕的機理是腐蝕性原電池。腐蝕性原電池分為宏觀腐蝕電池和微觀腐蝕電池。

（1）宏觀腐蝕電池。異金屬接觸電池：兩種不同金屬接觸，并處于電解質(zhì)中時，電位較負的金屬遭受腐蝕，電位較正的金屬得到保護，也稱腐蝕電偶。地鐵管線中,球墨鑄鐵和熱鍍鋅鋼管有大量接觸,形成此種電池。濃差電池：氧氣濃度較高的區(qū)域電位較正，氧氣濃度低的區(qū)域電位較負，遭受腐蝕。在地鐵工區(qū)中,區(qū)間人防門后，管道閥門的腐蝕疑是此種電池。溫差電池：由高溫引起，高溫部分為陽極，低溫部分為陰極。在地鐵工區(qū)中,還未發(fā)現(xiàn)此種電池。

（2）微觀腐蝕電池。由于金屬表面電化學不均勻引起,如化學成分不均勻有雜質(zhì)、組織結構不均勻,物理狀態(tài)不均勻、金屬表面膜不完整等,微觀腐蝕電池主要指管材的質(zhì)量。地鐵工區(qū)中，存在這樣的電池，如各個水泵出水管組件上，單個管件銹蝕嚴重，就是這個原因，如僅僅法蘭、螺母、彎頭等銹蝕。

4.2 地鐵管線的特殊性

地鐵車輛采取電力驅動，受電方式有接觸網(wǎng)受弓受電和接觸軌受流器受電兩種，深圳地鐵除3 號線是接觸軌受流器受電外，其余各線均為接觸網(wǎng)受弓受電，供電額定電壓為DC1500V，采用走行軌回流。這樣的牽引系統(tǒng)，必定存在著雜散電流，即迷流。地鐵的雜散電流對城市建筑和地鐵本身有較大的腐蝕作用。尤其是隧道內(nèi)的金屬管、地鐵車輛段內(nèi)埋地金屬管，腐蝕最為嚴重。腐蝕性電池是自發(fā)進行的腐蝕，而迷流腐蝕則是外力驅動，腐蝕大小由迷流大小決定。迷流腐蝕的大小與結構滲漏水有關，結構滲漏水大→鋼軌對地絕緣變小→迷流增大→腐蝕大，如深圳地鐵2、5號線，區(qū)間滲漏水量大，腐蝕嚴重。滲漏水小→迷流小→腐蝕小，如深圳地鐵1 號線，區(qū)間滲漏水量小，較干燥，腐蝕輕。

滲漏水的存在,改變了區(qū)間管線腐蝕的機理，由化學腐蝕變?yōu)殡娀瘜W腐蝕，將腐蝕加劇。深圳地鐵現(xiàn)有線路中,全部安裝了雜散電流自動監(jiān)測系統(tǒng),結構水較多的區(qū)間如5 號線的興-留片區(qū),極化電壓超過±500MV 的數(shù)量及超過的幅度都比較大,興-留區(qū)間的管線也是腐蝕較大的片區(qū)之一。

隧道區(qū)間的環(huán)境因素如風力、鐵屑也是致銹因子。滲漏水滴在管線上，鐵屑被吹起落到管線上，形成鐵浸在水中的狀態(tài)，鐵屑開始生銹，該銹生成后破壞掉管線表層的防腐層，再對管線腐蝕，風力像一個攪拌機，加快了生銹的速率。

5 對策

為防止管道腐蝕，相應的規(guī)范有要求，如《地鐵設計規(guī)范》（GB 50157—2013）14.1.7 給水與排水金屬管道應采取防止雜散電流腐蝕的措施，《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規(guī)程》（CJJ 49—92）2.01條四、在地鐵沿線敷設的各種電纜、水管等管線結構，應選擇符合雜散電流腐蝕防護要求的材質(zhì)、結構設計和施工方法。管材選用，首先要符合或順應規(guī)范要求。但實際設計與施工時，僅僅是進水管與市政管線用PE管絕緣隔離、管卡與管道間用三元乙丙橡膠絕緣隔離，只有兩項措施，且簡單。這樣的措施滿足不了實際需要，應根據(jù)現(xiàn)場的實際情況設計合理的防護措施，不能一個標準一刀切。如對于盾構區(qū)間，結構水少，可以采取這兩項措施，對于礦山法的區(qū)間，結構水多，則必須有其他的措施，如采取接地或如陰極保護等其他方法。

管道防腐的維護，應當重視起來，加強研究試驗，不能只采取傳統(tǒng)的涂刷油漆的單一方法，且對油漆沒有研究，我司數(shù)十年來采購的防銹漆都是醇酸鐵紅防銹漆，是通用型的，沒有區(qū)分防腐的構件是位于水下還是空氣中、是室外還是室內(nèi)、是化學腐蝕還是電化學腐蝕，沒有針對性。應加以改正，全方位選擇防腐涂料，達到防腐的效果。同時，管線表面衛(wèi)生也應重視。

6 結論

對金屬管材的選擇，通常從金屬管材的經(jīng)濟性以及耐腐蝕性選擇不同層次材質(zhì)，想要對金屬管材進行有效防腐蝕，首先應對該材料的使用環(huán)境以及相關腐蝕因素進行調(diào)研，根據(jù)調(diào)查結果選擇合適的金屬管材，綜合以上的分析，從規(guī)范要求、使用效果得出以下結論。

6.1 管材選用

（1）鍍鋅鋼管：價格最低，目前管材價為124.7 元/m（DN150×4.5），以下位置宜選用鍍鋅鋼管，如風亭處消防進水管、設備房內(nèi)消防水管、走道上、公共區(qū)等三處的消防給水管，選擇鍍鋅鋼管，溝槽連接,螺栓螺母采用不銹鋼。

（2）內(nèi)外涂環(huán)氧樹脂管：價格比鍍鋅鋼管稍高，比球墨鑄鐵管稍低，目前管材價為175.16 元/m（DN150），項目價680 元/m。以下位置宜選用內(nèi)外涂環(huán)氧樹脂管，如站臺板下消防管、去區(qū)間的消防立管、區(qū)間消防管。溝槽連接，螺栓螺母采用不銹鋼。

（3）不銹鋼管材: 價格最高，目前管材價為489.63 元/m（DN150×3.0），項目價1326 元/m，以下位置宜選用不銹鋼管材，如生活給水管（包括室內(nèi)、室外橫跨馬路）、衛(wèi)生間給水管、區(qū)間過軌水管、集水池內(nèi)壓力排水管等。

6.2 防護措施

（1）市政進水管在新風道處安裝500mm～1000mm長PE管隔離；（2）車站與區(qū)間的消防水管在立管處用500mm～1000mm 長PE 管隔離；（3）管道與支架間用三元乙丙絕緣；（4）結構水較多的區(qū)間采用陰極保護法；（5）將管材接地處理；（6）管線表面要保持衛(wèi)生；（7）防腐與重防腐的選擇。①醇酸類鐵紅防銹漆，適用于空氣腐蝕的鋼鐵金屬表面，打底漆，后配套各種醇酸面漆，不能覆涂環(huán)氧，聚氨酯等涂料。在地鐵工區(qū)中，如車站范圍內(nèi)，周圍沒有滲漏水但易生銹的區(qū)域，如公共區(qū)、設備房、走道、出入口人防門后、各種設備、管線表面,都用此種油漆,該漆用途廣、價格便宜，缺點是易起皮,最快三年就在表面未處理好的地方開始起皮,十年左右全部起皮,所以地鐵工區(qū)的上述區(qū)域，建議采用水性防銹漆而不用醇酸類鐵紅防銹漆。②環(huán)氧富鋅底漆，防腐性能優(yōu)異、機械性能好、附著力強，具有導電性和陰極保護作用，適用于儲罐、集裝箱、鋼結構、鋼管、海洋平臺、船舶、海港設施以及惡劣防腐蝕環(huán)境的底涂層，配套油漆為環(huán)氧云鐵中間漆、丙烯酸聚氨酯面漆或氟碳面漆。在地鐵工區(qū)中，適用于區(qū)間設備、車站風亭處管道、滲漏水處設備、水池中管道。室外管道次選環(huán)氧煤瀝青,如風亭處、冷卻水管等。

選擇合適的金屬管道及施加有效地防護措施，固然可以降低或減緩管道的腐蝕程度，不過這種措施總是被動的。為了保證管道的合理使用年限，應當在金屬管道的防腐預制及施工過程中，嚴格把好工程質(zhì)量關，盡量避免管道防腐層被破壞；管道埋地前對補口及補傷情況嚴格按照驗收規(guī)范進行檢查驗收。只有采取積極的質(zhì)量控制措施才是防止金屬管道腐蝕的根本保證。