CN105135082A - 长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管，包括筒体部分，以及设置于筒体部分两端的承口钢环和插口钢环，筒体部分由内到外依次为聚氯乙烯防腐层、钢筒内壁混凝土层、钢筒、钢筒外壁混凝土层和钢筒外壁水泥砂浆保护层，钢筒外壁混凝土层的外表面上缠绕有预应力钢丝，所述插口钢环的内表面和承口钢环的外表面上分别设有锌铝稀土涂层；所述钢筒外壁水泥砂浆保护层外表面上设有环氧煤沥青防腐层；所述钢筒内壁混凝土层、钢筒外壁混凝土层和钢筒外壁水泥砂浆保护层中均掺有改性聚丙烯纤维。该混凝土管结构简单，耐腐蚀，能够有效延长预应力钢筒混凝土管的使用寿命。

Description

长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管

技术领域

本发明涉及一种预应力混凝土构件，尤其是一种预应力钢筒混凝土管两端的承口钢环和插口钢环带有热喷涂锌铝稀土涂层，管道内壁内衬不锈钢钢筒，同时混凝土管外表面带有环氧煤沥青防腐层的可用于直饮水输送的长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管。

背景技术

目前，预应力钢筒混凝土管(简称PCCP)，是一种新型的刚性压力管材。它是带有钢筒的高强度混凝土管芯缠绕预应力钢丝，喷以水泥砂浆保护层，采用钢制承插口钢环并与钢筒焊成一体，承插口带有凹槽密封胶圈形成了滑动式胶圈的柔性接头，是钢板、混凝土、高强钢丝和水泥砂浆几种材料组成的复合结构，具有钢材和混凝土各自的特性。预应力钢筒混凝土管具有承受内外压高、接头密封性好、抗震能力强、施上方便快捷、防腐性能好、维护方便等特性，被工程界所关注，主要应用于长距离输水干线、压力倒虹吸、城市供水工程、有压输水管线、电厂循环水工程管道、压力排污干管等。与以往管材相比，具有适用范围广，经济寿命长、抗震性能好、安装方便、运行用度低，基本不漏水等优点。预应力钢筒混凝土管从结构型式上可分为两种：一种为内衬式预应力钢筒混凝土管（PCCPL），即在钢筒内壁成型混凝土，在钢筒外面直接缠绕环向预应力钢丝，然后喷涂水泥砂浆保护层而制成的管道；一种是埋置式预应力钢筒混凝土管（PCCPE），是将钢筒埋置在管芯混凝土里面，然后在管芯混凝土外壁上缠绕环向预应力钢丝后喷涂水泥砂浆保护层。

但是作为埋设在土壤环境中的混凝土构件产品，在土壤环境中，如果预应力钢筒混凝土管不采取有效的保护措施，随着使用时间的延长，预应力钢筒混凝土管外壁的土壤环境中以及管内水介质中的侵蚀性介质侵入预应力钢筒混凝土管中的砂浆保护层和混凝土层，到达钢丝与钢筒表面，那么钢丝与钢筒将会发生电化学腐蚀，进而会导致钢丝和钢筒的腐蚀失效，发生穿孔泄露甚至爆管现象，会给管道系统的安全运行造成隐患，直接威胁管道系统的运行可靠性，其中预应力钢丝与钢筒的腐蚀问题是影响结构物耐久性的主要因素，如果钢丝与钢筒因腐蚀而发生破损，将会直接导致预应力钢筒混凝土管的腐蚀破坏，从而影响整个管道系统的安全运行。由此可见对预应力钢筒混凝土管采用防腐措施十分必要，同时预应力混凝土管的承插口钢环直接裸露在外面，没有混凝土层的保护，作为两个预应力混凝土管的连接处，预应力混凝土管的承口钢环与预应力混凝土管的插口钢环的表面保护尤为重要，这直接威胁管道系统的运行可靠性，从而影响整个管道系统的安全运行，因此预应力钢筒混凝土管的外表面和两端的承口钢环和插口钢环表面处理技术十分有必要。

尤其是目前国家提出了直饮水的概念，直饮水是指用户终端直接输出符合国家标准的饮用水。直饮水工程目前国内并没有普及，仅见于少部分城市的特定区域试点，国内大部分城市的相关管道、配套设施还没有完全改造，并不能达到入户后的水质还达到直饮水的标准。作为直饮水工程中的重要一个环节，净化后的直饮水输送国内外的通行做法是全部采用不锈钢管道。不锈钢管道的优秀抗腐蚀能力，使得不锈钢管道能够有效保障直饮水的水质安全，但是不锈钢管相对于普通钢管和混凝土管造价较高，在直饮水工程中如果采用普通钢管，钢管内壁与水接触产生的腐蚀产物会危及输送水的水质安全，而采用混凝土管其效果更差，因为混凝土管内层的混凝土层，由于水在管道中的长时间停留和冲刷，会使混凝土层里面的一些物质进入水中，影响到水质安全。因此预应力钢筒混凝土管作为直饮水用管代替不锈钢管的话，对预应力钢筒混凝土管的内壁和外表面，以及两端的承口钢环和插口钢环表面处理技术十分有必要。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有钢筒混凝土管不能达到直饮水工程的要求的技术缺陷，提供一种长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管，该混凝土管结构简单，耐腐蚀，能够有效延长预应力钢筒混凝土管的使用寿命，实现了节约成本的同时，还能保证水质安全的目的，避免了采用普通钢管，钢管内壁与水接触产生的腐蚀产物会危及输送水的水质安全，采用混凝土管，使混凝土层里面的一些物质进入水中，影响到水质安全的问题。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管，包括筒体部分，以及设置于筒体部分两端的承口钢环和插口钢环，筒体部分由内到外依次为聚氯乙烯防腐层、钢筒内壁混凝土层、钢筒、钢筒外壁混凝土层和钢筒外壁水泥砂浆保护层，钢筒外壁混凝土层的外表面上缠绕有预应力钢丝，所述插口钢环的内表面和承口钢环的外表面上分别设有锌铝稀土涂层；所述钢筒外壁水泥砂浆保护层外表面上设有环氧煤沥青防腐层；所述钢筒内壁混凝土层、钢筒外壁混凝土层和钢筒外壁水泥砂浆保护层中均掺有改性聚丙烯纤维；

所述改性聚丙烯纤维添加量为0.8～1Kg/m³。

聚氯乙烯防腐层提前根据混凝土管道内径预制成外径大于混凝土管内径2厘米的聚氯乙烯薄壁管，聚氯乙烯薄壁管厚度1厘米，通过混凝土管预制现场的蒸汽加热，聚氯乙烯管加热变软，套入制作混凝土管的内模之外，然后进行正常的立式混凝土管浇筑成型，聚氯乙烯防腐层由此紧贴混凝土管内壁，成为最内层的防腐层。

所述锌铝稀土涂层中的组分按质量百分比为：铝：10～50％，稀土：0.01～5％，其余为锌，稀土中，各组分按质量百分比为：La25~35%，Ce60~72%，Pr3~8%，Nd0~3%。

所述锌铝稀土涂层采用电弧喷涂在成品混凝土管裸露在外的承口钢环内壁和插口钢环外壁上制得。锌铝涂层中，锌元素的作用为防腐作用，铝元素在涂层中起到骨架支撑作用，更好的形成防腐层，另外的少量La和Ce等稀土元素的加入，可以让电弧喷涂的喷涂过程中更加雾化了颗粒尺寸，从而提高了涂层的均匀致密性，同样起到了更好的防腐效果。

电弧喷涂的温度很高，两种合金丝呈熔融而且分散的状态快速喷向管道表面，高温熔融Zn合金和AlRE合金急冷凝固形成Zn相和AlRE合金相，只有Zn相和AlRE合金相两种合金凝固组织界面附近才能通过扩散形成一些Zn-Al-RE固溶体合金，或一些夹杂着Zn合金和AlRE合金的固溶体合金。

Zn-Al-RE合金层的这种组织特征在一定程度上对其耐蚀性能产生了有利的影响，因为Zn相和AlRE合金相交替存在，协同发挥了Zn合金相的牺牲保护作用和AlRE合金相的钝化保护作用，合金层中的AlRE合金相间构成网状硬构架，不但起到阻止Zn腐蚀的作用，而且AlRE合金在腐蚀过程中生成了致密的腐蚀产物，这种腐蚀产物对溶液中氯离子向内部扩散渗透起到了阻挡作用，从而表现出明显的“自封闭”作用。因此，可以减少腐蚀介质的渗入。

Zn-Al-RE合金的耐蚀性优于ZnAl合金及ZnAl合金，这是由于RE元素可细化涂层颗粒，使颗粒粒度均匀，降低涂层孔隙率，使涂层组织致密，进而减少了腐蚀通道。因此腐蚀反应进行一定时间后，由于钝化膜及腐蚀产物的堵塞，腐蚀介质很难通过涂层表面的缺陷进入涂层到达涂层/基体的界面，涂层的自封闭效果更加明显，大幅度提高了涂层腐蚀产物层的稳定性，从而使ZnAlRE合金层表现出更好的耐蚀性。RE元素的加入对涂层耐蚀性影响的主要原因是降低了涂层的孔隙率，起到了净化和细化组织的作用，从而使涂层腐蚀过程中的表面活性点减少，从而表现出明显且稳定的自封闭效果。因此，Zn-Al-RE合金层具有优良的耐蚀性能。

改性聚丙烯纤维是现有产品，市场中可以购买到，在此不再赘述其具体产品组成。改性聚丙烯纤维是由聚丙烯树脂经特殊加工和处理制成的一束束互相交织成网状的纤维。它和水泥混凝土的基料有极强的结合力。加入混凝土基料中，经搅拌后，因受到水泥、砂石等骨料的冲击，自动张开。成为一根根的单丝或互相牵扯多向分布纤维，在混凝土内部形成一种乱向支撑体系。能极有效的控制混凝土及水泥砂浆的早期的塑性收缩和沉降裂纹。大大提高混凝土的抗渗、抗破碎、抗冲击性能，增强混凝土韧性和耐磨性，从而使建筑物的寿命大大延长，极大地减少工程维护费用。

改性聚丙烯纤维是聚丙烯纤维由聚丙烯及多种有机、无机材料，经特殊的复合技术精制而成，产品在混凝土中可形成三维乱向分布的网状承托作用，使混凝土在硬化初期形成的微裂纹在发展过程中受到阻挡，难以进一步发展。从而可提高混凝土的断裂韧性，改善混凝土的抗裂防渗性能，是砂浆、混凝土工程抗裂，防渗，耐磨，保温的新型理想材料。

涂层可以作为有一道重要防线，有效提高预应力钢筒混凝土管抗侵蚀能力，大大延长预应力钢筒混凝土管原有寿命，因此预应力钢筒混凝土管表面处理技术，尤其是涂层技术十分有必要。

本发明的有益效果是：

1、在本发明预应力钢筒混凝土管两端的承口钢环和插口钢环带有热喷涂锌铝稀土涂层，同时混凝土管外表面带有环氧煤沥青防腐层的埋置式预应力钢筒混凝土管。通过采用电弧喷涂方法在承口钢环和插口钢环裸露在外的表面上制得锌铝稀土涂层，环氧煤沥青防腐层直接涂装在水泥砂浆保护层上，进行双保护，为埋置式预应力钢筒混凝土管的防腐性能提高增加了两道重要屏障，应用方便。

2、本发明的最内层不锈钢钢筒为埋置式预应力钢筒混凝土管可以应用到输水工程中的直饮水工程，能够有效抑制混凝土层内物质的溶出，为输水安全增加一道重要屏障，应用方便。

3、本发明整体结构简单，设计科学合理，具有良好的耐久性、抗腐蚀性，并且制造工艺简单，经过承插口钢环表面热喷涂锌铝稀土涂层处理和环氧煤沥青防腐层直接涂装在水泥砂浆保护层上的埋置式预应力钢筒混凝土管寿命得到有效延长，是一种创新性较高的埋置式预应力钢筒混凝土管。

4、本发明是在申请人在先申请的发明专利ZL201210220591.4基础上的进一步技术改进，主要改进点在于聚氯乙烯防腐层、锌铝稀土涂层、在钢筒内壁混凝土层、钢筒外壁混凝土层和钢筒外壁水泥砂浆保护层中均掺有改性聚丙烯纤维以，改进点的技术效果在上面已经讲述清楚。本发明相对应现有的技术来说，其整体技术方案是费显而易见的，并且产生了预料不到的技术效果，具有突出的实质性特点和显著地进步。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

其中，1-插口钢环，2-钢筒外壁水泥砂浆保护层，3-预应力钢丝，4-钢筒，5-钢筒外壁混凝土层，6-钢筒内壁混凝土层，7-承口钢环，8-锌铝稀土涂层，9-环氧煤沥青防腐层，10-聚氯乙烯防腐层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管，包括筒体部分，以及设置于筒体部分两端的承口钢环7和插口钢环1，筒体部分由内到外依次为聚氯乙烯防腐层10、钢筒内壁混凝土层6、钢筒4、钢筒外壁混凝土层5和钢筒外壁水泥砂浆保护层2，钢筒外壁混凝土层5的外表面上缠绕有预应力钢丝3，所述插口钢环1的内表面和承口钢环7的外表面上分别设有锌铝稀土涂层8；所述钢筒外壁水泥砂浆保护层2外表面上设有环氧煤沥青防腐层9；所述钢筒内壁混凝土层6、钢筒外壁混凝土层5和钢筒外壁水泥砂浆保护层2中均掺有改性聚丙烯纤维；改性聚丙烯纤维添加量为0.8～1Kg/m³。

聚氯乙烯防腐层10提前根据混凝土管道内径预制成外径大于混凝土管内径2厘米的聚氯乙烯薄壁管，聚氯乙烯薄壁管厚度1厘米，通过混凝土管预制现场的蒸汽加热，聚氯乙烯管加热变软，套入制作混凝土管的内模之外，然后进行正常的立式混凝土管浇筑成型，聚氯乙烯防腐层由此紧贴混凝土管内壁，成为最内层的防腐层。

锌铝稀土涂层中的组分按质量百分比为：铝：10～50％，稀土：0.01～5％，其余为锌，稀土中，各组分按质量百分比为：La25~35%，Ce60~72%，Pr3~8%，Nd0~3%。

锌铝稀土涂层采用电弧喷涂在成品混凝土管裸露在外的承口钢环内壁和插口钢环外壁上制得。锌铝涂层中，锌元素的作用为防腐作用，铝元素在涂层中起到骨架支撑作用，更好的形成防腐层，另外的少量La和Ce等稀土元素的加入，可以让电弧喷涂的喷涂过程中更加雾化了颗粒尺寸，从而提高了涂层的均匀致密性，同样起到了更好的防腐效果。

电弧喷涂的温度很高，两种合金丝呈熔融而且分散的状态快速喷向管道表面，高温熔融Zn合金和AlRE合金急冷凝固形成Zn相和AlRE合金相，只有Zn相和AlRE合金相两种合金凝固组织界面附近才能通过扩散形成一些Zn-Al-RE固溶体合金，或一些夹杂着Zn合金和AlRE合金的固溶体合金。

Zn-Al-RE合金层的这种组织特征在一定程度上对其耐蚀性能产生了有利的影响，因为Zn相和AlRE合金相交替存在，协同发挥了Zn合金相的牺牲保护作用和AlRE合金相的钝化保护作用，合金层中的AlRE合金相间构成网状硬构架，不但起到阻止Zn腐蚀的作用，而且AlRE合金在腐蚀过程中生成了致密的腐蚀产物，这种腐蚀产物对溶液中氯离子向内部扩散渗透起到了阻挡作用，从而表现出明显的“自封闭”作用。因此，可以减少腐蚀介质的渗入。

Zn-Al-RE合金的耐蚀性优于ZnAl合金及ZnAl合金，这是由于RE元素可细化涂层颗粒，使颗粒粒度均匀，降低涂层孔隙率，使涂层组织致密，进而减少了腐蚀通道。因此腐蚀反应进行一定时间后，由于钝化膜及腐蚀产物的堵塞，腐蚀介质很难通过涂层表面的缺陷进入涂层到达涂层/基体的界面，涂层的自封闭效果更加明显，大幅度提高了涂层腐蚀产物层的稳定性，从而使ZnAlRE合金层表现出更好的耐蚀性。RE元素的加入对涂层耐蚀性影响的主要原因是降低了涂层的孔隙率，起到了净化和细化组织的作用，从而使涂层腐蚀过程中的表面活性点减少，从而表现出明显且稳定的自封闭效果。因此，Zn-Al-RE合金层具有优良的耐蚀性能。

改性聚丙烯纤维是现有产品，市场中可以购买到，在此不再赘述其具体产品组成。改性聚丙烯纤维是由聚丙烯树脂经特殊加工和处理制成的一束束互相交织成网状的纤维。它和水泥混凝土的基料有极强的结合力。加入混凝土基料中，经搅拌后，因受到水泥、砂石等骨料的冲击，自动张开。成为一根根的单丝或互相牵扯多向分布纤维，在混凝土内部形成一种乱向支撑体系。能极有效的控制混凝土及水泥砂浆的早期的塑性收缩和沉降裂纹。大大提高混凝土的抗渗、抗破碎、抗冲击性能，增强混凝土韧性和耐磨性，从而使建筑物的寿命大大延长，极大地减少工程维护费用。

改性聚丙烯纤维是聚丙烯纤维由聚丙烯及多种有机、无机材料，经特殊的复合技术精制而成，产品在混凝土中可形成三维乱向分布的网状承托作用，使混凝土在硬化初期形成的微裂纹在发展过程中受到阻挡，难以进一步发展。从而可提高混凝土的断裂韧性，改善混凝土的抗裂防渗性能，是砂浆、混凝土工程抗裂，防渗，耐磨，保温的新型理想材料。

涂层可以作为有一道重要防线，有效提高预应力钢筒混凝土管抗侵蚀能力，大大延长预应力钢筒混凝土管原有寿命，因此预应力钢筒混凝土管表面处理技术，尤其是涂层技术十分有必要。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管，包括筒体部分，以及设置于筒体部分两端的承口钢环和插口钢环，其特征是，筒体部分由内到外依次为聚氯乙烯防腐层、钢筒内壁混凝土层、钢筒、钢筒外壁混凝土层和钢筒外壁水泥砂浆保护层，钢筒外壁混凝土层的外表面上缠绕有预应力钢丝，所述插口钢环的内表面和承口钢环的外表面上分别设有锌铝稀土涂层；所述钢筒外壁水泥砂浆保护层外表面上设有环氧煤沥青防腐层；所述钢筒内壁混凝土层、钢筒外壁混凝土层和钢筒外壁水泥砂浆保护层中均掺有改性聚丙烯纤维；

所述聚氯乙烯防腐层提前根据混凝土管道内径预制成外径大于混凝土管内径2厘米的聚氯乙烯薄壁管，聚氯乙烯薄壁管厚度1厘米，通过混凝土管预制现场的蒸汽加热，聚氯乙烯管加热变软，套入制作混凝土管的内模之外，然后进行正常的立式混凝土管浇筑成型，聚氯乙烯防腐层由此紧贴混凝土管内壁，成为最内层的防腐层。

2.如权利要求1所述的长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管，其特征是，所述改性聚丙烯纤维添加量为0.8～1Kg/m³。

3.如权利要求1所述的长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管，其特征是，所述锌铝稀土涂层中的组分按质量百分比为：铝：10～50％，稀土：0.01～5％，其余为锌，稀土中，各组分按质量百分比为：La25~35%，Ce60~72%，Pr3~8%，Nd0~3%。

4.如权利要求1所述的长寿命全防腐直饮水的埋置式预应力钢筒混凝土管，其特征是，所述锌铝稀土涂层采用电弧喷涂在成品混凝土管裸露在外的承口钢环内壁和插口钢环外壁上制得。