1.圣戈班管道系統(tǒng)有限公司；2.桐鄉(xiāng)市鳳棲經(jīng)貿(mào)有限公司
1 引言
傳統(tǒng)的管道鋪設(shè)方式需要進(jìn)行開挖，會導(dǎo)致破壞環(huán)境和影響交通等問題，同時也會增加施工時間和復(fù)原成本。水平定向鉆進(jìn)技術(shù)很好地處理了這些問題，這種施工方法只需要開挖入土坑和出土坑，即可將管線從起點牽引至終點，避免了管道沿線土壤的開挖。施工示意圖見圖1。
圖1 水平定向鉆進(jìn)法施工示意圖
在水平定向鉆進(jìn)施工中，選擇合適的管材至關(guān)重要。離心球墨鑄鐵管具有機械性能強、柔性接口的偏轉(zhuǎn)角利于管線規(guī)劃、耐腐蝕性能好、管線漏損率低、使用壽命長的特性，非常適合水平定向鉆進(jìn)施工中的各種受力和特殊環(huán)境的要求。然而，離心球墨鑄鐵管在水平定向鉆進(jìn)應(yīng)用中仍面臨一些問題，例如管道牽引過程中管道表面的磨損和使用周期的腐蝕問題，這些需要得到有效地解決，以延長管道的使用壽命。
2 外涂層的選取
2.1 外涂層的功能和目的
水平定向鉆進(jìn)施工往往在復(fù)雜的地下環(huán)境中進(jìn)行，管道暴露在多種有害物質(zhì)和腐蝕性介質(zhì)的作用下。一方面，管道在牽引過程中，孔洞外的管線是在地面或是機械托輥上拉進(jìn)的。由于球墨鑄鐵管線自身重量較重，在這個過程中，普通的噴鋅加終飾層的涂層有被破壞的風(fēng)險。另一方面，由于孔洞中膨潤土泥漿給管線的浮力，管線往往都是貼著上孔壁拉進(jìn)的。考慮到地下環(huán)境復(fù)雜，管道表面容易受到巖石、碎石等顆粒物的摩擦和磨損，因此，外涂層需要具備良好的抗磨損性能，保護(hù)內(nèi)部防腐涂層及管體不受損傷。
在管線的服務(wù)過程中，會面臨各種類型的土壤和地下水等環(huán)境，且牽引管道的孔洞中使用了腐蝕性很強的膨潤土泥漿都有可能造成較強的腐蝕環(huán)境，因此外涂層需要具備出色的耐腐蝕性能，有效地保護(hù)離心球墨鑄鐵管不受外界介質(zhì)的侵蝕，保證管線的使用壽命。現(xiàn)場施工環(huán)境圖見圖2~3。
圖2 牽引管道過巖石孔洞
圖3 腐蝕性膨潤土泥漿
2.2 不同種類的涂層及其特點
目前水平定向鉆進(jìn)法用離心球墨鑄鐵管的外涂層可采用聚氨酯、環(huán)氧樹脂、HDPE、PE套和增強型纖維水泥砂漿。外涂層的種類及特點見表1。
表1 水平定向鉆進(jìn)用離心球墨鑄鐵管的外涂層介紹
通過對國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中涂層的要求分析，常規(guī)噴鋅+終飾層由于不具備耐磨性，不可作為水平定向鉆進(jìn)用管的外涂層；環(huán)氧涂層、PE套的厚度要求均較低，環(huán)氧涂層的平均厚度僅需400μm，PE套的厚度僅需200μm，較薄的涂層難以保障管道安全經(jīng)受巖石等硬物的磨損，被刮擦破壞的可能性較大；聚氨酯作為外涂層的最小厚度為700μm；HDPE的厚度隨著管徑增大而增加，變化范圍為1.8mm～4mm；增強型纖維水泥砂漿外涂層的平均厚度不隨管徑變化而改變，平均厚度為5mm，安全性相對較高。考慮到涂層的耐磨損性能，在ISO13470《球墨鑄鐵管系統(tǒng)的非開挖應(yīng)用-產(chǎn)品設(shè)計和安裝》中，耐摩擦性和抗沖擊性較差的環(huán)氧涂層、環(huán)氧陶瓷、PE套這三種涂層已不作為水平定向鉆進(jìn)用管的涂層。
另一方面，聚氨酯涂層、環(huán)氧涂層、HDPE在涂覆前還需對管道表面進(jìn)行拋丸處理，以增大涂層的附著力，但同時也會增加生產(chǎn)的成本；PE套一般在施工現(xiàn)場纏繞在管身，一定程度上增大了施工難度，也伴隨著不規(guī)范施工帶來的破損風(fēng)險；涂覆增強型纖維水泥砂漿時，則無需對管道外表面進(jìn)行特殊處理，一般使用合適的環(huán)氧材料作為粘合層，強化增強型纖維水泥砂漿的附著效果。
2.3 外涂層的耐腐蝕適用范圍
在EN 545-2010產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)外部預(yù)期使用環(huán)境，給出了多種類型的防腐方案，并比較了其適用范圍，見圖4。
圖4 在有地下水或無地下水接觸、及不同土壤電阻率情況下，可選的外涂層類型
由圖4可知，在無地下水的情況下，常規(guī)的防腐方案如200g/m2噴鋅+100μm終飾層可適用于電阻率1000Ω·cm以上的土壤環(huán)境；在有地下水的情況下，200g/m2噴鋅+100μm終飾層的常規(guī)防腐方案可適用于電阻率1500Ω·cm以上的土壤環(huán)境；在更高腐蝕等級的土壤情況下，如土壤電阻率＜1000Ω·cm、無地下水接觸管線，或土壤電阻率＜1500Ω·cm、有地下水接觸管線，噴鋅+終飾層的防腐方案將不能適用，需采用特殊防腐，如增強型纖維水泥砂漿涂層、聚氨酯涂層、HDPE、PE套、環(huán)氧涂層（平均厚度至少250μm）。
2.4 滑材對外涂層的影響
水平定向鉆進(jìn)施工中常用膨潤土泥漿或化學(xué)泥漿等滑材作為管道牽引時降低摩擦力的潤滑劑，同時這些滑材還可以來穩(wěn)固孔洞，防止地面塌陷。滑材在施工過程中和施工結(jié)束后，包裹在管道外壁，會改變與管道接觸的土壤的性質(zhì)。
選用非開挖水平定向鉆進(jìn)專用膨潤土，按照每立方水添加5kg膨潤土和10kg膨潤土的配比配制含5%、10%膨潤土的泥漿，測量兩份泥漿的pH值和電導(dǎo)率，檢測結(jié)果見表2。
表2 膨潤土泥漿檢測結(jié)果
由表2可知，使用膨潤土泥漿后，土壤電導(dǎo)率會在1000Ω·cm以下，pH超過10，屬于高腐蝕性土壤，管道的外涂層必須使用特殊防腐涂層，如增強型纖維水泥砂漿、聚氨酯等。
2.5 噴鋅+終飾層的耐摩擦性試驗
采用噴鋅+終飾層作為水平定向鉆進(jìn)用離心球墨鑄鐵管的外涂層不僅防腐存在問題，耐摩擦性也存在一定隱患。本研究進(jìn)行了噴鋅+終飾層的耐摩擦性試驗，探究了噴鋅+終飾層作為外涂層的可行性。
試驗方法為：采用涂覆130g/m2噴鋅+終飾層的DN300內(nèi)自錨管進(jìn)行水平定向鉆進(jìn)施工，管線總長360米，最大點埋深8米，土質(zhì)為砂質(zhì)土壤，地下無巖石層，施工完成后將管道拖出孔洞，查看外涂層磨損情況。試驗結(jié)果見圖5a~d。
圖5 a.試驗前，管道噴鋅+終飾層涂層完好；b.試驗后，外涂層磨損情況；c.試驗后，管身涂層磨損細(xì)節(jié)；d.試驗后，管道承口磨損細(xì)節(jié)
由摩擦性試驗可知，采用噴鋅+終飾層作為水平定向鉆進(jìn)用離心球墨鑄鐵管的外涂層經(jīng)過施工后，外涂層磨損嚴(yán)重，防腐性能大大降低。由圖5c和圖5d可知，磨損部位的鋅防腐涂層已被破壞，管道承口部位尤為明顯，球墨鑄鐵管體開始生銹，管道的使用壽命將會極度縮短。因此，無論是從耐腐蝕性還是耐摩擦性方面考慮，都不能將噴鋅+終飾層作為平定向鉆進(jìn)用離心球墨鑄鐵管的外涂層。
綜上所述，在腐蝕性膨潤土泥漿且復(fù)雜多變的地下施工環(huán)境中，常規(guī)的130g/m2噴鋅或200g/m2噴鋅+終飾層的防腐方案已經(jīng)不能適用。可用的防腐方案包括增強型纖維水泥砂漿外涂層、環(huán)氧涂層（平均厚度至少為250μm）、聚氨酯涂層、PE套、HDPE。考慮到外涂層的耐摩擦性和抗沖擊性，增強型纖維水泥砂漿外涂層或聚氨酯涂層都是較為推薦的選擇。
3 增強型纖維水泥砂漿的性能
目前，水平定向鉆進(jìn)用離心球墨鑄鐵管采用增強型纖維水泥砂漿作為外涂層是性價比很高的一種解決方案，在國內(nèi)外的應(yīng)用范圍非常廣泛，國外的應(yīng)用時間超過40年，國內(nèi)的應(yīng)用時間超過11年，已有幾百起應(yīng)用案例。本章將著重探討增強型纖維水泥砂漿的性能及實際應(yīng)用。
3.1 耐腐蝕性
增強型纖維水泥砂漿外涂層由管道外壁上緊密貼合的若干層組成，第一層是99.99%的純鋅,平均噴鋅量達(dá)到200g/m2，防腐效果比130g/m2鋅提高了一倍以上。第二層是高密度環(huán)氧防腐層，厚度≥70um。最外層是公稱厚度為5mm的增強型纖維水泥砂漿外保護(hù)涂層，由細(xì)砂、高強度水泥、纖維增強體和特定添加劑組成，具有高強度耐磨性能，同時還有一定的保溫作用。
外壁的三層材料讓管道具備了多重防腐的能力，且纖維水泥砂漿中還采用了高密度的小分子有機材料，填充了纖維水泥砂漿中的孔隙，形成更加致密的保護(hù)層，這種涂層的防腐性能在標(biāo)準(zhǔn)EN545-2010中進(jìn)行了規(guī)定，具有增強型纖維水泥砂漿涂層的離心球墨鑄鐵管和管件可以埋設(shè)于所有腐蝕等級的土壤中。
3.2 抗沖擊性
依據(jù)EN545-2010測定纖維水泥砂漿外 涂層的抗沖擊性能。漆膜沖擊器(沖頭重量大約 12.5Kg)，漆膜沖擊器垂直于檢測涂層表面，沖擊器檢測頭從大約 0.7m 的高度自由下落撞擊被檢測表面，目測被檢測涂層表面有無碎片以及測量圓坑的直徑。試驗過程圖見圖6~7。
圖6 沖擊試驗裝置
圖7 沖擊試驗后涂層凹坑直徑
重復(fù)實驗，位于承口、插口、中間部位，試驗結(jié)果見表3。
表3 沖擊試驗后外涂層凹坑直徑
3.3 應(yīng)用案例
3.3.1 國內(nèi)首例且單線最長項目
2012年，中國首個離心球墨鑄鐵管水平定向鉆進(jìn)法施工的項目在山西省平遙縣完成，同時也是目前國內(nèi)單線最長的水平定向鉆進(jìn)用球墨鑄鐵管線。該項目使用了具有增強型纖維水泥外涂層的DN400牽引管道，穿越人工湖，管線長度達(dá)到564米。
3.3.2 穿山特殊項目
2021年，在福建三明的DN500牽引管穿山項目中，300米長的離心球墨鑄鐵管管線在花崗巖石的孔洞中進(jìn)行牽引。整個牽引孔洞中都存在山石的棱角刮擦，牽引過程共耗時11小時，施工完成后，管道的外表面僅輕微刮痕，充分驗證了纖維水泥砂漿外涂層的超高耐磨性，確保了管線的使用壽命。三明項目穿越出土后的管道見圖8。
圖8 牽引管道穿越花崗巖孔洞，外涂層未被破壞
4 結(jié)論
（1）水平定向鉆進(jìn)用管道需要應(yīng)對腐蝕性泥漿滑材和地下刮擦，要求管道外涂層具備高耐腐蝕性和高耐磨性。常規(guī)噴鋅+終飾層的防腐方案一方面涂層不具備耐磨性，另一方面不適用高腐蝕性土壤；可用于高腐蝕性土壤的PE套和環(huán)氧涂層的厚度較薄，考慮其耐摩擦性和抗沖擊性較弱，因此，增強型纖維水泥砂漿外涂層、聚氨酯涂層、HDPE是較為推薦的外涂層。
（2）從綜合性價比和實際應(yīng)用來看，纖維水泥砂漿外涂層造價適中，抗沖擊性強，能夠較好地提高離心球墨鑄鐵管的抗磨損性能，并且這種外涂層具備極強的耐腐蝕能力，能夠保障管材適用復(fù)雜環(huán)境，是水平定向鉆進(jìn)用離心球墨鑄鐵管應(yīng)用最廣泛的外涂層，也是最優(yōu)選擇之一。
