水泥砂浆内衬环氧密封层球墨铸铁管技术

新兴铸管股份有限公司
 

产品介绍

     球墨铸铁管水泥砂浆内衬是一种传统的防腐内衬，已经沿用近百年，被国际标准及其国家标准规定为球墨铸铁管的标准内防腐材料。
然而随着人们对水质要求的日益提高，以及水质的变化，水泥砂浆内衬固有的碱性特征使其已经不能满足要求，例如对于小口径、低流速的供水小区，由于水在管道之内停留时间过长，会使水泥砂浆内衬中的一些物质进入水中，比较明显的是会引起水质的PH值升高，影响水质。
  针对这个问题，英国在2000年10月首先提出，管线用于输送软水或所输送水在管线中滞留时间较长时，规定在水泥砂浆内衬表面涂覆密封涂层，来抑制水泥砂浆中碱性物质的析出，使所输送水的PH值保持在9.5以下。并针对水泥砂浆内衬密封层的具体要求发布了标准BS7892：2000 球铁管和管件水泥砂浆内衬密封层技术规范。2004年，国际标准化组织也针对水泥砂浆内衬密封涂层发布了标准 ISO16132 球铁管、管件——水泥砂浆内衬密封涂层。目前，在欧洲为了进一步提高供水质量，环氧树脂作为水泥内衬密封层已被广泛应用。
基于以上原因，新兴铸管公司研发了一种新型防腐内衬-水泥砂浆内衬环氧涂料密封层，此内衬会最大限度的阻挡水泥砂浆内衬中的离子向外溢出，以保护水泥砂浆不受侵蚀的同时，也保护了水质的质量。

1 产品描述：

     水泥砂浆内衬环氧密封层球墨铸铁管是在水泥砂浆内衬表面喷涂一层环氧涂料固化而成，如无特殊要求环氧涂料密封层厚度一般控制在40um～80um。此内衬不仅具有优异的防腐性能并能保证输送水的水质不受污染。

2、防腐机理

1）水泥内衬的防腐机理

     水泥砂浆内衬是一种传统的球墨铸铁管防腐内衬，具有长效防腐性能。其方法机理主要是水泥砂浆内衬释放的碱性物质富集于球铁管内壁的表面，使球铁管产生钝化现象，从而为基体提供了电化学保护，这也是一种主动防腐（见Fe/H2O体系的电位—pH图）。因此水泥砂浆内衬对球铁管的防腐主要是依赖于其碱性环境使球铁管内壁产生钝化，达到防腐目的。

Fe/H2O体系的电位—pH图（布拜图）

     硬化的水泥浆体是一非匀质的多相体系，由各种水化产物和残存熟料所构成的固相以及存在于空隙中的水和空气所组成，所以是固-液-气三相多孔体。在充分水化的水泥浆体中，各种组成的重量比大约为：C-S-H凝胶70%、Ca(OH)2 约20%，钙矾石和单硫铝酸钙等大约7%，未水化的残留熟料和其它微量组分约3%。

     硬化的水泥浆体有足够的抗水能力，但是硬化浆体如不断受到水的浸析时，其中一些组成如Ca（OH）2等将按照溶解度的大小，依次逐渐被水溶解，产生溶出性侵蚀，最终能导致水泥内衬的破坏。
     在各种水化产物中，Ca（OH）2的溶解度最大（25℃时约为1.2gCaOH/L）,所以首先被溶解。如水量不多，水中的Ca（OH）2浓度很快达到饱和程度（平衡浓度），溶出作用也就停止。但在流动水中，特别在有水压作用的情况下，水流就不断将Ca（OH）2 溶出并带走，不仅增加了孔隙率，使水更易渗透，而且由于液相中不仅Ca（OH）2浓度降低，还会使其他水化产物发生分解，这也是引起管线通水初期PH值升高以及导致水泥内衬逐渐破坏，最终对球铁管失去保护的原因。
Ca（OH）2         OH- Ca2+ OH-

球墨铸铁管水泥砂浆内衬氢氧化钙溶出平衡示意图

2）水泥砂浆内衬密封层的防腐机理

     水泥砂浆内衬环氧密封层球墨铸铁管结合了水泥砂浆内衬的主动防腐与有机涂层的被动防腐综合性能，即环氧涂料密封层的实施为球铁管内壁提供了一个物理屏障，减少或隔绝了水与球铁管内壁的接触机会，此为被动防腐；同时也减缓或阻止了水泥砂浆内衬中的碱性物质向水中释放的机会，这也就保证了水泥砂浆的碱性物质会长久的富集于球铁管的内壁，通过钝化现象对球铁管内壁提供了化学保护，此为主动防腐，从而保证了内衬长久的防腐性。

球墨铸铁管水泥砂浆内衬环氧密封层示意图

3、产品特点

1）优异的耐腐蚀性

     结合了主动防腐与被动防腐的综合性能，即使环氧密封层有破损和漏涂点，那么水泥砂浆内衬就会提供主动防腐，具有长久的抗腐蚀能力。
具有优异的耐碱性，可长期经受水泥砂浆内衬本身的碱性环境；具有优良的耐酸性，能经受外部输送水质的侵蚀（例如弱酸性水）。

2）抑制碱性物质的析出

     新兴铸管公司按照ISO16132：2004《球墨铸铁管及管件水泥砂浆内衬密封层》标准要求，在法国BV的见证下进行了密封层长期密封性能及短期密封性能型式试验：
      即将环氧涂料密封层在2m/s的流速、6bar的压力下，长达3个月的密闭循环试验后，密封层无起泡、无脱落现象，根据ISO16132标准对其循环水进行了PH值的检测，检测结果为8.1左右，远远小于标准要求的PH值≤9.5（试验示意图及装置图见下图）。
短期密封性能检测结果为8.2左右，远远小于标准要求的PH值≤9.5。
符合ISO16132：2004标准要求，在延长内衬寿命的同时防止通水初期PH值的上升，从而保证了水质的质量，取得了BV的认证报告。

密封性能检测示意图
1、进口/出口阀    2、流量控制阀    3、水泵  4、水冷却器（可选）  5、6、帮助产生稳定流速的流量发生管    7、8、试样    9、蓄水池（可选）  10、减压阀（可选） 11、压力表    12、放气阀    13、手动泵    14、水表    a 流向

根据ISO16132:2004进行的密封层长期密封性能型式试验装置图 

BV根据标准ISO16132：2004《球墨铸铁管及管件水泥砂浆内衬密封层》，对环氧涂料密封层长期密封性能及短期密封性能型式试验认证证书。

3）安全环保

     所用环氧涂料密封层材料不含任何有机溶剂；不会对环境造成污染、不会对施工人员造成危害；
     密封层固化后无毒，不会对水质造成污染，不会产生对人体有害的物质；
     已通过了英国WRAS根据BS6920的卫生性能检测认证。
 
4）具有减阻性能
     新兴铸管委托中国水利水电科学研究院工程检测中心对水泥砂浆内衬环氧密封层球墨铸铁管进行了糙率系数的检测，检测结果见下表。检测结果表明水泥砂浆内衬环氧涂料密封层比水泥砂浆内衬要光滑，可以起到减阻的作用

表1 不同表达方式的新型内衬粗糙度检测结果

内衬类型	当量粗糙度K值	海森-威廉系数C值	曼宁糙率系数n
水泥砂浆内衬环氧涂料密封层	0.020mm	151	0.0086

 
5）经济性
     具有主动防腐与被动防腐的综合特性，确保和提高球铁管使用寿命；
相对于其它特殊有机防腐内衬（聚氨酯、环氧树脂等），施工工艺简单、密封层较薄，产品成本增加相对于其它特殊涂层具有明显优势。

4．与其它内衬的比较

目前，球墨铸铁管的防腐内衬基本有以下几种类型：

4.1 水泥砂浆内衬

     水泥砂浆内衬是一种传统的防腐内衬，已经沿用近百年,具有主动防腐的作用，被国际标准
及国家标准规定为球墨铸铁管的标准内防腐材料。但是水泥砂浆内衬固有的碱性特征会使其在通水初期会引起水质的PH值升高，不能满足饮用水要求。例如对于低流速的供水小区，由于水在管道之内停留时间过长，会使水泥砂浆内衬中的一些物质进入水中，比较明显的是会引起水质的PH值升高，尤其小口径管尤为明显，影响水质的卫生性能，不能满足饮用水要求。

4.2 有机防腐内衬

     球墨铸铁管的有机防腐内衬属于被动防腐内衬，是通过在被保护基材与腐蚀环境之间提供一个屏障，将基材与腐蚀环境隔离开来进行防腐。其功效的发挥依赖于涂膜的连续性（即无漏点无创伤）、和一个持续高的电阻以及抗水渗透性的能力。
     被动防腐涂层的最小厚度要求在300～500um以上，并且根据表面粗糙度的大小需进行调整，以确保其涂膜的连续性和性能。
这种有机防腐内衬有：聚氨酯内衬、液体环氧内衬、环氧粉末内衬等。
     对于球墨铸铁管来说，由于固有的铸造缺陷（内壁渣孔、凹坑）较多，表面处理程度较难达到标准要求，因此需要较厚的涂层才能覆盖缺陷。
例如对于球墨铸铁管聚氨酯内衬来说，根据标准EN 15655，其要求最小厚度为≥1300um，聚氨酯内衬厚度见表2；对于球墨铸铁管外壁聚氨酯防腐涂层来说，根据标准EN15189要求，其要求最小厚度≥700um。从厚度的要求可以看出，离心球墨铸铁管固有的内壁铸造缺陷比外壁严重，因此需要内壁涂层比外壁厚度厚，才可以覆盖铸造缺陷。
     另外，渣孔等缺陷容易造成针孔，难以形成连续涂膜，在这些薄弱环节腐蚀加剧，造成腐蚀穿孔，会给管线带来致命的灾害。因此需通过电火花检测来检测涂膜的连续性，保证整体防腐效果。

4.3 水泥砂浆内衬环氧密封层防腐内衬

     采用双组份环氧涂料、不含任何有机溶剂，不会对环境造成污染、不会对施工人员造成危害；可以有效的抑制水泥砂浆内衬碱性物质的析出，保证所输送水质的卫生安全；具有主动防腐与被动防腐的综合特性，即使环氧密封层有破损和漏涂点，那么水泥砂浆内衬就会提供主动防腐，具有长久的抗腐蚀能力，确保和提高球铁管使用寿命；表面光滑，管网水力损失小，节约能源，保护了供水企业的长期投资效益；相对于其它特殊有机防腐内衬（聚氨酯、环氧树脂等），施工工艺简单、密封层较薄，产品成本增加相对于其它特殊涂层具有明显优势。

5．应用领域

1）对水质要求高的输水管线；
2）输水量小或有滞留的间歇性供水管线；
3）符合球墨铸铁管产业逐渐向绿色、低碳、环保的发展方向。国家对饮用水质要求的提高
对储水容器及输水管线的卫生安全性能的要求也会逐步提高，水泥砂浆内衬环氧密封层球墨铸铁管在满足这一要求的前提下，可成为传统水泥内衬球墨铸铁管的升级换代产品。


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