深圳地铁给排水管道材质适用性研究

李海明 傅艳茹 郑冠杰

深圳地铁运营集团有限公司

1 引言

深圳地铁从2005 年12 月28 开通至今约有16 年时间，管道故障经常发生,主要原因是松动和锈蚀，本文主要研究锈蚀，从规范要求、设计安装、使用效果三方面，进行分析，试图从材料与防护的角度出发，来解决这个问题。

2 规范对材料的要求

建设地铁主要的依据是地铁设计规范，现在执行的是《地铁设计规范》（GB 50157—2013），1、2、5 号线是使用2003 版，11 号线是根据2013版。其中2003版要求“地下车站站台板下及地下区间隧道敷设的给水管，宜采用球墨铸铁给水管和胶圈接口”，2013 版没有要求使用球墨铸铁管了，改为钢塑复合管和不锈钢管等，且规范中推荐使用钢塑复合管的力度加大，重力流排水管管材要求没有变，为阻燃型硬聚氯乙烯排水管及管件。

2.1 管材性能特点

规范要求的金属管材有：镀锌钢管、球墨铸铁管、钢塑复合管、薄壁不锈钢管。

（1）镀锌钢管。镀锌钢管分为冷镀锌钢管、热镀锌钢管，冷镀锌钢管已被禁用。热镀锌是先将钢管进行酸洗，为了去除钢管表面的氧化铁，酸洗后，通过氯化铵或氯化锌水溶液或氯化铵和氯化锌混合水溶液槽中进行清洗，然后送入热浸镀槽中。热镀锌具有镀层均匀、附着力强、使用寿命长、耐腐蚀能力强等优点（比普通钢管）。镀锌管是一种成熟的产品，主要国标为：《低压流体输送用焊接钢》（GB/T 3091—2015）、《直缝电焊钢管》（GB/T13793—2016）、《焊接钢管尺寸及单位长度重量》（GB/T 21835—2008）。因价格便宜，安装使用维护方便，热镀锌钢管在消防、电力上有广泛的应用。深圳地铁1、2、5、11号线车站消防水管均使用此种管材。主要缺点是：镀锌钢管因在制造、加工、运输、搬运和储存过程中存在一些问题，导致该管材极易锈蚀,镀锌管作为水管，使用几年后，管内产生大量锈垢，流出的黄水不仅污染洁具，而且夹杂着不光滑内壁滋生的细菌，锈蚀造成水中重金属含量过高，严重危害人体的健康。中国建设部等四部委发文明确从2000年起禁用镀锌管作为生活供水管。

（2）球墨铸铁给水管。球墨铸铁管是铸铁的一种，是一种铁、碳和硅的合金。球墨铸铁中石墨是以球状形式存在的，一般石墨的大小为6-7级，质量上要求铸管的球化等级控制为1-3级(球化率≥80%)，因而材料本身的机械性能得到了较好的改善，它具有铁的本质、钢的性能，防腐性能优异(比镀锌管)、延展性能好、机械性能较好、密封效果好、安装简易、主要用于市政、工矿企业给水、输气,输油等,是一种成熟的产品，主要国标为《水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件》（GB/T 13295—2013）。深圳地铁1、2、11 号线区间消防水管均采用此种管材（5 号线采用涂塑钢管）。主要缺点是：不能使用在高压管网（6MPa以上），管体笨重；安装时须动用机械，出现故障漏水后，必须把所有管道全部拆除，重新安装；管上易有沙眼；内阻大，损失大，不利于远距离输水；管件及附件在潮湿或海水环境中易锈蚀。

（3）钢塑复合管。镀锌钢管被禁止后，市场上开发出了钢塑复合管。钢塑复合管有涂塑钢管（涂覆钢管）与衬塑钢管两种，都具有钢管的高强度、高刚度等机械性能，又具有塑料管的防腐性能，表面光洁如镜面，不混生细菌和霉菌，更具有效地防结圬性能。输水阻力系数小,同直径的涂塑钢管比一般的钢管输水量增加10%～15%，降低输水动力消耗15%，具有良好的卫生性能。衬塑钢管的主要缺点是：衬塑层与钢管之间结合性差，易滋生微生物，尤其小管件缩径严重，水锤作用明显，管件衬塑层易老化，易分层，不能形成与钢管的良好密封，水质二次污染明显，热胀冷缩系数大，分层概率高，使用寿命12～15年。涂塑钢管是在钢管内壁融溶一层厚度为0.5mm～1.0mm 的聚乙烯（PE）树脂、乙烯-丙烯酸共聚，设计寿命可达50 年（预期50～100 年）。从性能价格比来讲，涂塑钢管是各种输水管中较好的产品。主要缺点是安装时热加工和电焊切割等作业时，切割面应用生产厂家配有的无毒常温固化胶涂刷。国外建筑输水用管如日本、美国等国多采用热熔黏结的涂塑钢管，很少采用衬塑钢管，基本不用镀锌钢管，输水管用涂塑钢管在我国才刚起步，应该大力推广。主要国标为《给水涂塑复合钢管》（CJ/T 120—2016），深圳地铁5号线区间消防水管、排水管就是涂塑钢管。

（4）薄壁不锈钢管。奥氏体薄壁不锈钢管材，是指壁厚与外径之比不大于6%的不锈钢管道。建筑给水薄壁不锈钢管材和管件均含铬（Cr）量在12%以上。不锈钢管材、管件经去杂、酸洗、钝化工艺处理后，可使生成的Cr2O3的厚度增加，致密的均匀性增强；不锈钢管经抛光、管件经精光工艺，不仅能消除表面缺陷，还使钝化膜更为细腻、致密，以减少点腐蚀的概率。同时，管件精光后内壁光洁、摩阻小，进一步提高管材的水力性能，节约消耗。国内薄壁不锈钢水管是20世纪90年代末问世，2001年国家科学技术部中国技术市场管理促进中心发布了关于推广应用“高径壁比高精度不锈钢中、高压供水管及配套管件与专用技术”的通知，对薄壁不锈钢管给予充分肯定，2003年7月10日国家质量监督检验检疫总局发布了GB/T 19228.1、GB/T 19228.2、GB/T 19228.3 的系列标准，推广不锈钢卡压式管道系统。2003年9 月25 日中国工程建设标准化协会发布了《建筑给水薄壁不锈钢管道工程技术规程》（CECS 153—2003）。

不锈钢管具有强度高（抗拉强度是钢管的2倍），安全卫生、耐蚀性好、坚固耐用、寿命长、免维护、韧性好，抗振动冲击和抗震性能优，低温不变脆，输水过程中可确保输水水质的纯净，美观等特点，已大量应用于建筑给水和直饮水管道。深圳地铁在2019 年进行的卫生间改造中，1、2、5 号线卫生间给水全部采用304 薄壁不锈钢管，此外，深圳地铁10 号线给水也采用此种管材。主要缺点是：价格贵。

3 深圳地铁使用管材统计

表1中从已运行的地铁线路来看，没有严格按规范要求来选用管材。

4 管道锈蚀故障原因分析

从深圳地铁1、2 号线2017、2018 年两年的管道故障分析可知,33%的故障是因此锈蚀而发生。锈蚀故障，大部分位于有结构渗漏水的地方，如区间人防门处、伸缩缝、过轨处、支撑于地面的支架而地面有积水，车站主要是站台板下、集水池中、风亭。而比较干燥的地方如环控机房、走道、公共区、出入口等处,锈蚀故障少,所以锈蚀的直接原因就是有结构水或水蒸气。

表1 深圳地铁给排水管材选用统计

4.1 管线锈蚀机理

金属腐蚀的本质是金属由能量高的单质状态自发地朝能量低的化合物转变。其特点是自发（不可逆）、放热。分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是单纯的化学作用，这种腐蚀占比不大，影响也较小，主要发生在高温设备；电化学腐蚀是金属与电解质溶液接触发生的氧化还原反应。金属在大气、土壤、海水中、人体内以及绝大多数工业介质中的腐蚀都是电化学腐蚀，电化学腐蚀的机理是腐蚀性原电池。腐蚀性原电池分为宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池。

（1）宏观腐蚀电池。异金属接触电池：两种不同金属接触，并处于电解质中时，电位较负的金属遭受腐蚀，电位较正的金属得到保护，也称腐蚀电偶。地铁管线中,球墨铸铁和热镀锌钢管有大量接触,形成此种电池。浓差电池：氧气浓度较高的区域电位较正，氧气浓度低的区域电位较负，遭受腐蚀。在地铁工区中,区间人防门后，管道阀门的腐蚀疑是此种电池。温差电池：由高温引起，高温部分为阳极，低温部分为阴极。在地铁工区中,还未发现此种电池。

（2）微观腐蚀电池。由于金属表面电化学不均匀引起,如化学成分不均匀有杂质、组织结构不均匀,物理状态不均匀、金属表面膜不完整等,微观腐蚀电池主要指管材的质量。地铁工区中，存在这样的电池，如各个水泵出水管组件上，单个管件锈蚀严重，就是这个原因，如仅仅法兰、螺母、弯头等锈蚀。

4.2 地铁管线的特殊性

地铁车辆采取电力驱动，受电方式有接触网受弓受电和接触轨受流器受电两种，深圳地铁除3 号线是接触轨受流器受电外，其余各线均为接触网受弓受电，供电额定电压为DC1500V，采用走行轨回流。这样的牵引系统，必定存在着杂散电流，即迷流。地铁的杂散电流对城市建筑和地铁本身有较大的腐蚀作用。尤其是隧道内的金属管、地铁车辆段内埋地金属管，腐蚀最为严重。腐蚀性电池是自发进行的腐蚀，而迷流腐蚀则是外力驱动，腐蚀大小由迷流大小决定。迷流腐蚀的大小与结构渗漏水有关，结构渗漏水大→钢轨对地绝缘变小→迷流增大→腐蚀大，如深圳地铁2、5号线，区间渗漏水量大，腐蚀严重。渗漏水小→迷流小→腐蚀小，如深圳地铁1 号线，区间渗漏水量小，较干燥，腐蚀轻。

渗漏水的存在,改变了区间管线腐蚀的机理，由化学腐蚀变为电化学腐蚀，将腐蚀加剧。深圳地铁现有线路中,全部安装了杂散电流自动监测系统,结构水较多的区间如5 号线的兴-留片区,极化电压超过±500MV 的数量及超过的幅度都比较大,兴-留区间的管线也是腐蚀较大的片区之一。

隧道区间的环境因素如风力、铁屑也是致锈因子。渗漏水滴在管线上，铁屑被吹起落到管线上，形成铁浸在水中的状态，铁屑开始生锈，该锈生成后破坏掉管线表层的防腐层，再对管线腐蚀，风力像一个搅拌机，加快了生锈的速率。

5 对策

为防止管道腐蚀，相应的规范有要求，如《地铁设计规范》（GB 50157—2013）14.1.7 给水与排水金属管道应采取防止杂散电流腐蚀的措施，《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ 49—92）2.01条四、在地铁沿线敷设的各种电缆、水管等管线结构，应选择符合杂散电流腐蚀防护要求的材质、结构设计和施工方法。管材选用，首先要符合或顺应规范要求。但实际设计与施工时，仅仅是进水管与市政管线用PE管绝缘隔离、管卡与管道间用三元乙丙橡胶绝缘隔离，只有两项措施，且简单。这样的措施满足不了实际需要，应根据现场的实际情况设计合理的防护措施，不能一个标准一刀切。如对于盾构区间，结构水少，可以采取这两项措施，对于矿山法的区间，结构水多，则必须有其他的措施，如采取接地或如阴极保护等其他方法。

管道防腐的维护，应当重视起来，加强研究试验，不能只采取传统的涂刷油漆的单一方法，且对油漆没有研究，我司数十年来采购的防锈漆都是醇酸铁红防锈漆，是通用型的，没有区分防腐的构件是位于水下还是空气中、是室外还是室内、是化学腐蚀还是电化学腐蚀，没有针对性。应加以改正，全方位选择防腐涂料，达到防腐的效果。同时，管线表面卫生也应重视。

6 结论

对金属管材的选择，通常从金属管材的经济性以及耐腐蚀性选择不同层次材质，想要对金属管材进行有效防腐蚀，首先应对该材料的使用环境以及相关腐蚀因素进行调研，根据调查结果选择合适的金属管材，综合以上的分析，从规范要求、使用效果得出以下结论。

6.1 管材选用

（1）镀锌钢管：价格最低，目前管材价为124.7 元/m（DN150×4.5），以下位置宜选用镀锌钢管，如风亭处消防进水管、设备房内消防水管、走道上、公共区等三处的消防给水管，选择镀锌钢管，沟槽连接,螺栓螺母采用不锈钢。

（2）内外涂环氧树脂管：价格比镀锌钢管稍高，比球墨铸铁管稍低，目前管材价为175.16 元/m（DN150），项目价680 元/m。以下位置宜选用内外涂环氧树脂管，如站台板下消防管、去区间的消防立管、区间消防管。沟槽连接，螺栓螺母采用不锈钢。

（3）不锈钢管材: 价格最高，目前管材价为489.63 元/m（DN150×3.0），项目价1326 元/m，以下位置宜选用不锈钢管材，如生活给水管（包括室内、室外横跨马路）、卫生间给水管、区间过轨水管、集水池内压力排水管等。

6.2 防护措施

（1）市政进水管在新风道处安装500mm～1000mm长PE管隔离；（2）车站与区间的消防水管在立管处用500mm～1000mm 长PE 管隔离；（3）管道与支架间用三元乙丙绝缘；（4）结构水较多的区间采用阴极保护法；（5）将管材接地处理；（6）管线表面要保持卫生；（7）防腐与重防腐的选择。①醇酸类铁红防锈漆，适用于空气腐蚀的钢铁金属表面，打底漆，后配套各种醇酸面漆，不能覆涂环氧，聚氨酯等涂料。在地铁工区中，如车站范围内，周围没有渗漏水但易生锈的区域，如公共区、设备房、走道、出入口人防门后、各种设备、管线表面,都用此种油漆,该漆用途广、价格便宜，缺点是易起皮,最快三年就在表面未处理好的地方开始起皮,十年左右全部起皮,所以地铁工区的上述区域，建议采用水性防锈漆而不用醇酸类铁红防锈漆。②环氧富锌底漆，防腐性能优异、机械性能好、附着力强，具有导电性和阴极保护作用，适用于储罐、集装箱、钢结构、钢管、海洋平台、船舶、海港设施以及恶劣防腐蚀环境的底涂层，配套油漆为环氧云铁中间漆、丙烯酸聚氨酯面漆或氟碳面漆。在地铁工区中，适用于区间设备、车站风亭处管道、渗漏水处设备、水池中管道。室外管道次选环氧煤沥青,如风亭处、冷却水管等。

选择合适的金属管道及施加有效地防护措施，固然可以降低或减缓管道的腐蚀程度，不过这种措施总是被动的。为了保证管道的合理使用年限，应当在金属管道的防腐预制及施工过程中，严格把好工程质量关，尽量避免管道防腐层被破坏；管道埋地前对补口及补伤情况严格按照验收规范进行检查验收。只有采取积极的质量控制措施才是防止金属管道腐蚀的根本保证。