魏文保
(江西省水利规划设计院 江西南昌330029)
摘 要 针对XX倒虹吸钢管内壁防腐工程，通过管内最大冲刷力计算；施工要点介绍；近15年运行效果检验，得出在倒虹吸钢管内实施水泥砂浆抹面防腐是可行的。
关键词 含砂水体；倒虹吸管；砂浆抹面防腐
1. 问题的提出
XX倒虹吸管始建于上世纪六十年代，由两条木质管道和一座用于固定管道的过溪桥梁组成， 1978年木质管道因腐蚀破坏漏水严重而宣告报废，改为两条钢管承担输水任务，每条钢管长300m,（12节×25m/节）， 管壁厚度12mm（支座处管壁厚度14mm），钢管内径2.4m，设计流量2×14m3/s,钢管内外采用涂漆防腐。从1978年至1998年，每年冬季岁修时钢管内壁均重新涂漆一遍，可结果是年年防腐年年腐，至1998年9月检测管厚时，局部管厚只有9.2mm，平均厚度约为9.5mm，实际年腐蚀率λ高达0.125mm/a [（12mm-9.5mm）÷20年], 如果钢管防腐方法没有改变，到达《水利水电工程金属结构报废标准》ＳＬ２２６－９８①规定钢管的报废蚀余厚度7mm, 其使用寿命只有40年。
计算方法如下：
设计厚度= 12 mm，
报废蚀余厚度δmin<(D/800+4)mm=(2400/800+4) mm =7.00 mm，
腐蚀速率λ=0.125mm/a，
故使用寿命L =(δ0-δmin)/ λ= (12mm-7mm）/0.125mm/a=40年
2. 防锈漆防锈的实际效果分析：
涂漆防腐的钢管经过一年的运行，年底渠道岁修进入管内检查时，已不见漆层，唯留光滑耀眼的金属本色（当然几小时后就出现黄褐色的锈迹，二十四小时后管内便布满锈迹）。
而造成上述结果的主要原因是倒虹吸钢管所处的特殊地理位置，它紧连盘山输水明渠之后，由于水土流失的原因，水体中常参夹着诸多沙石、树杈等杂物，这些杂物不断地摩擦、冲刷、撞击漆膜表面，而油漆膜的机械强度较低，涂层厚度薄，便会很快磨蚀，失效，要提高钢管防腐效果就必须提高防腐涂层机械强度和厚度。
3.改造方案的拟定
通过对国内外各种防腐措施和造价分析研究，考虑到由水泥砂浆形成的砼耐磨性与耐撞击性远大于油漆，所以改造方案拟为用水泥砂浆抹面替代防锈油漆，但必须进行可行性的论证。
3. 可行性论证
3.1 验（论）证水泥砂浆抹面与钢管的粘结力必须大于管内水流的冲刷力。
经初步分析，水流最大的冲刷力发生在管内壁的AB段管道下部的120°区域内（见图一），经几何分析计算AB=3.395m。此处的冲刷力主要由转弯引起的局部水头损失和AB段的沿程水头损失所产生，其水头损失应为两者叠加，即：总水头损失H = hj+ hf
3.1.1 局部水头损失hj计算②：
hj=ζv2/2g
式中： v—平均流速(m/s), v=4Q/πd2=4*14/(3.14*2.42)=3.10m/s
Q —单管设计流量（Q=14m3/s）
d——管径（d=2400mm）
g —重力加速度(g=9.81 m/s2)
ζ— 局部水头损失系数 查管道各种局部水头损失系数表，得ζ=0.35
∴ hj =ζv2/2g = 0.35*3.102/2*9.81=0.171m
3.1.2 沿程水头损失hf可按谢才公式计算②：
hf=λLABv2/2gd………………………………………………〔1〕
式中：
λ—沿程阻力系数(m2/s)
LAB —管道长度(m)，经几何计算LAB =3.395m
d —倒虹吸管直径(m)
v —平均流速(m/s)，经上述计算v= 3.10m/s
g —重力加速度(g=9.81 m/s2)
计算步骤：
计算雷诺数Re=vd/υ
式中：
υ—液体运动粘滞系数，20℃时水的运动粘滞系数(υ=0.0101cm2/s)
d —倒虹吸管直径(d= 2.4m)
v —倒虹吸管内水流平均流速 v=14÷(3.14×1.44)=3.1m/s)
Re= 310×240/0.0101 = 7366.3×103
判断液体流动状态：由于Re=7366.3×103＞2320，故为紊流
计算沿程虹吸管AB段内的水头损失(m)：
ω=πd2/4=3.14×2.42/4=4.5216m2
R =(πd2/4)÷πd = d/4 = 2.4/4 = 0.6m (水力半径)
根据中等程度的不抹灰混凝土管，查糙率表n=0.0145，
C= 
R1/6 = 
×0.61/6 =63.33 m1/2/s
λ=8g/C2 = 
= 0.0196
3.1.3 AB区域内的总水头损失H：
H = hj+ hf =0.171+0.014=0.185m
3.1.4 把总水头损失H换算成压力单位，即
p=ρ
H（kg/m2）
式中：ρ—20℃时水的密度，ρ=998.23（kg/ m3）
H—总水头损失（m）， H = 0.185m
所以：p=998.23×0.185=184.67（kg/m2）
即AB段的平均水流冲刷力≈0.0185 kg/ cm2
查相关资料：砼与光滑钢筋的切向粘结力为25～40 kg/ cm2③，远大于管内水流冲刷力。
3.2砼与钢筋具有相近的线膨胀系数（砼为0.00001～0.0000148，钢为0.000012）③，因而温度变化不致破坏其整体性。
3.3致密的水泥砂浆抹面对钢管壁的保护是很有效的。
基于上述三点论证，在XX倒虹吸钢管内壁采取水泥砂浆抹面防腐是可行的。
4、水泥砂浆内壁抹面防腐施工方案的实施
4.1除锈——压力喷砂，压力0.5～0.6MPa；砂质要求：干燥淡水粗砂（粒径约为2.3～3.1mm），注：禁用海砂；喷砂除锈应使管道表面无可见油脂、污垢、松散的氧化铁皮、浮锈、泥土和油漆涂层等附着物，管道表面显示均匀的金属色泽。为防止残留的粉尘影响粘结力，优化施工环境和确保施工人员的身体健康，必须采用机械强制通风、逐管吊起自然透气等措施。（参照《化工设备、管道外防腐设计规定》HG/T20679-1990）④。
4.2水泥砂浆抹面——选用42.5的硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或32.5的复合硅酸盐水泥，但同一节钢管只能用同一种水泥，不得混用，洁净的天然河砂，砂颗粒要坚硬，级配良好，砂中泥土、云母、有机杂质及其它有害物质的总重不应超过总重的2%，拌和用水宜采用生活饮用水。采用灰砂比1︰2的水泥砂浆，砂浆强度等级M30，厚18mm，操作工艺与普通的水泥砂浆抹面相同，但需要说明的有如下几点： ⑴施工时砂浆要求薄层抹压缓慢加厚，砂浆初凝前必须抹到设计厚度，接近初凝时再抹压一遍，每节钢管必须一次性当班施工完成。不得分层分段施工。对此我们曾在倒虹吸管的头20m（单管）作过分层水泥砂浆抹面试验，在第二年（即2000年4月）汛前安全检查时，发现该处外层水泥砂浆抹面脱落严重，内层完好。 ⑵为确保管顶部份的水泥砂浆抹面厚度，避免空鼓和砂浆在施工过程脱落现象，由于XX倒虹吸钢管是用螺栓固定在过溪管道桥的支座上，利用起重设备可以拆卸，可采取旋转钢管的措施，使整个抹面作业过程均处在俯抹或立抹状态。 ⑶在施工中，没有使用添加剂，其主要原因是配合比、搅拌工艺不好控制，怕影响工程施工质量。 ⑷从（图一）可以看出，管道AB处受含砂水体的冲刷作用最大，应在此处及附近区域进行相应的加厚抹面和加大水泥砂浆标号的措施，并使折角处呈流线型。
4.3养护：28天洒水养护。
4.4监督：由于施工环境较差，特别要求有关施工管理人员必须在抹面工序施工之前对管内进行除锈效果检查，确保施工质量；水泥沙浆配比检查主要是严格按水泥砂浆配合比要求进行称量控制，施工现场用插针方法控制抹面厚度；在抹面砂浆到达一定强度后使用敲击法进行空鼓检查。
5、改造效果：
5.1防腐效果——本改造自1999年1月投运至今，每次停水进入管内细查（最近一次进管检查时间是2013年2月底），水泥砂浆抹面体表面完整无破损，经无损检测，钢管壁厚与1998年相同。
5.2管理成本——从1999年1月份～2013年1月份，14年间几乎没有在倒虹吸管内因防腐问题而花费财力、物力、人力。
5.3经济效率——用水利水电建筑工程预算定额[2011年]⑤计算，14年共计节省工程直接费用981.2万元：
吊装费/年：600m*320元/m2=19.2万元，
喷砂除锈费/年：(600m*3.14*2.4)*63元/ m2=28.5万元
油漆费/年：(600m*3.14*2.4)*70元/ m2=31.6万元
水泥砂浆抹面费/年：(600m*3.14*2.4)*18元/ m2=81.3万元
节省费用=(1998～2013)年油漆费-水泥砂浆抹面费
==14*(19.2+28.5+31.6)-1*(19.2+28.5+81.3)=981.2万元
其经济效益是很明显的。
6、结语：
综上所述及近15年通水运行的考验，不论是从防腐效果、管理成本还是从经济效益等角度看问题，XX倒虹吸管采用水泥砂浆抹面的管道内壁防腐措施是正确的，笔者认为采用水泥砂浆抹面对于含砂水体的管道内壁防腐和抗磨蚀是有效的，对于其它类似工程具有一定的参考价值。
参考资料：
① 《水利水电工程金属结构报废标准》ＳＬ２２６－９８
② 陕西省水利学校主编，水力学. 北京：水利电力出版社，1978
③ 成都水力发电学校主编，建筑结构. 北京：水利电力出版社，1979
④ 《化工设备、管道外防腐设计规定》HG/T20679-1990）
