一种带有牺牲阳极的大口径给、排水管及其制备方法
【专利摘要】一种带有牺牲阳极的大口径给、排水管及其制备方法。所述大口径给、排水管设置有内层钢筒(1)、外层混凝土层(2)、增强结构(3)、外层钢筒(4)、混凝土填充结构(5)和牺牲阳极(6)；所述增强结构(3)缠绕并焊接固定在内层钢筒(1)外侧；外层钢筒(4)套在增强结构(3)外侧并与增强结构(3)焊接固定连接；所述混凝土填充结构(5)位于在内层钢筒(1)、增强结构(3)和外层钢筒(4)之间的空隙中；所述外层混凝土层(2)位于外层钢筒(4)外侧，所述牺牲阳极(6)位于外层混凝土(2)内，本发明所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管，抗腐蚀效果好，经久耐用，制作过程简单，在满足刚度和强度的同时降低生产成本，具有较大的社会和经济价值。
【专利说明】-种带有牺牲阳极的大口径给、排水管及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及大口径给、排水管的结构设计和应用【技术领域】，特别提供了一种带有 牺牲阳极的大口径给、排水管及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的持续快速发展，城市规模迅速扩大，越来越多的城市出现供水、排 水困难。建设大规模输水工程已经刻不容缓，采用管道铺设输水管线是必须的选择方案。目 前，可供选择的管线有钢筒、混凝土管、钢筋混凝土管、预应力混凝土管。其中，管壁内不配 置钢构的混凝土管的最大公称内径只有600_，只适合小供排量场合应用，大规模输水工程 必须选择其他几种管道。选择管道时考虑的主要因素有：安全可靠程度、建设及维护成本两 个方面。
[0003] 钢筒自重轻、刚度大，但成本高、易受环境腐蚀，后期维护费用高。为降低工程造 价，建设者当前更多的是选用钢和混凝土复合的管道。除了造价低外，两种材料相互弥补了 彼此的弱点，发挥各自的长处，从而使钢/混凝土复合管具有很高的承载能力，一般都高于 组成管道的钢和混凝土单独承载力之和。另外，由于混凝土自身的碱性可以使得钢表面发 生钝化，大大提高了混凝土中钢的耐腐蚀性。
[0004] 但是，目前已有制作和应用标准的钢构混凝土管又存在着不足，制约着应用。目前 钢构混凝土管中的钢材大都采用高强度钢，目的是提高承载能力以及降低自重。如《管用 钢筋混凝土管标准》中规定的螺纹钢筋应满足《JC/T540》，规定所用螺纹钢最低屈服强度为 550MPa。而预应力混凝土管（PCCP)中的冷拔钢丝的屈服强度一般在1550MPa以上，按照国 际钢铁协会用材料力学性能--强度来分类，这类钢构属于高强钢（270--700MPa)和超 高强钢（>700MPa)。实践表明，这类钢对应力腐蚀开裂敏感。应力腐蚀开裂是材料在应力和 腐蚀环境共同作用下引起的开裂，这是应力与腐蚀联合作用的结果。如果只有一个方面，应 力或者介质作用，开裂破坏不会发生，但当二者联合作用时，却能很快发生开裂。因此，发生 应力腐蚀开裂时，应力可能是很低的，介质的腐蚀性可能也是很弱的，也正由于如此，应力 腐蚀开裂经常受到忽视，导致意外事故不断发生。普通碳钢通常在特定的工业环境中发生 应力腐蚀开裂，而高强钢则在自然环境中、如雨水、海水中即可发生应力腐蚀开裂。另外，由 于近代工业的发展，材料工作环境越来越苛刻，应力腐蚀问题也日益突出。
[0005] 以目前标准制作的、采用高强钢结构的混凝土管在其混凝土逐步失效的情况下， 风险会不断增加。而现阶段对大规模输运工程、如输水管线的耐久性要求也较以往有很大 提高，从20-30年提高至50-100年，因此，亟需发展耐久性更好的管材以满足要求。
[0006] 另外，对于大口径、埋地较深、长距离的管管线，阴极保护面临需要迫切解决的难 题：
[0007] 对于管管线的结构，阴极保护工作者首先会想到利用工作井作为牺牲阳极的馈电 点。但是输水管线为目前单次顶进距离较长，最长的两个工作井之间的距离近可达数公里。 由于阴极保护采用牺牲阳极，而牺牲阳极的保护距离较强制电流小，用工作井作为馈电仅 能满足工作井附较短管线的阴极保护，也就是说，管线中间必须增加馈电点。但是管线埋地 如此之深，又不允许进行开挖施工，如何实现管线馈电成为首要技术难题。
[0008] 在已公开的钢质管阴极保护中，采用从地表钻孔遥控焊接的方法将导电电缆焊接 在钢管表面。在焊接过程中焊接产生的电火花有能力穿透钢管表面的涂层，从而使得电缆 前方焊点与钢管外壁焊接在一起。而对于外表由较厚的混凝土包裹的管，电火花不能透过 这层混凝土而融化钢管外壁金属来焊接馈电电缆。如果从地表钻孔遥控焊接电缆，则只能 选择管道的承接口。但承接口处的钢长度太短，难以准确地从地表实施。另外，采用管的目 的是为了不破坏地表及地下的基础设施，从地表进行施工进行阴极保护自然会受到很多限 制，因此无法从地表进行阴极保护施工。
[0009] 人们迫切希望获得一种技术效果优良的带有牺牲阳极的大口径给、排水管及其制 备方法。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种技术效果优良的带有牺牲阳极的大口径给、排水管及其 制备方法。
[0011] 本发明所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管构成如下：内层钢筒1、外层混凝土 层2、增强结构3、外层钢筒4、混凝土填充结构5和牺牲阳极6 ;所述增强结构3缠绕并焊接 固定在内层钢筒1外侧；外层钢筒4套在增强结构3外侧并与增强结构3焊接固定连接；所 述混凝土填充结构5位于在内层钢筒1、增强结构3和外层钢筒4之间的空隙中；所述外层 混凝土层2位于外层钢筒4外侧，所述牺牲阳极6位于外层混凝土层2内，所述牺牲阳极6 的外表面与外层混凝土层2的外表面处于同一曲面。
[0012] 所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管过增强结构3焊接连接内层钢筒1和外层 钢筒4,使增强结构3、内层钢筒1和外层钢筒4形成一体来整体受力，从而在结构上提高受 力水平。
[0013] 所述内层钢筒1的内侧设置有内层混凝土层7。
[0014] 所述牺牲阳极6通过钢支腿8与外层钢筒4相连接。钢支腿8焊接在外层钢筒4 外表面。
[0015] 所述牺牲阳极6与外层混凝土层2的接触面设有绝缘涂层9。
[0016] 所述绝缘涂层9具体为无溶剂环氧耐久性涂层，所述无溶剂环氧耐久性涂层为甲 组分和乙组分按重量比为10:3的比例均匀混合而成，所述甲组分为环氧树脂、二氧化钛、 硅酸钙、二氧化硅、氧化钙、液态聚硫橡胶六种材料按重量比8:2:2:3:2:3的比例混合而 成，所述乙组分为曼尼希胺、硅酸钙、二氧化硅、氧化钙四种材料按重量比3:1:1:1的比例 混合而成。无溶剂环氧耐久性涂层具体组分配比见表1。
[0017] 所述无溶剂环氧耐久性涂层在混凝土环境下能长期保持绝缘性，且与外层混凝土 层和牺牲阳极6均结合很好，其结合界面处不会在长期应用过程中出现裂纹，引起两方面 不利现象，一方面是裂纹存在使得腐蚀介质、如水溶液等渗入到外层钢筒表面引起腐蚀，另 一方面，牺牲阳极6材料在与外层混凝土层接触的界面处发生溶解，其过程产生的腐蚀产 物会因为膨胀而损坏外层混凝土层，造成很大的缺陷。无溶剂环氧耐久性涂层特性见表2， 该特性保证了在较长的服役期间内老化程度很小，能满足牺牲阳极6材料在外层混凝土层
【权利要求】
1. 一种带有牺牲阳极的大口径给、排水管，其特征在于：所述大口径给、排水管设置有 内层钢筒（1)、外层混凝土层（2)、增强结构（3)、外层钢筒（4)、混凝土填充结构（5)和牺牲 阳极（6);所述增强结构（3)缠绕并焊接固定在内层钢筒（1)外侧；外层钢筒（4)套在增强 结构（3)外侧并与增强结构（3)焊接固定连接；所述混凝土填充结构（5)位于在内层钢筒 (1)、增强结构（3)和外层钢筒（4)之间的空隙中；所述外层混凝土层（2)位于外层钢筒（4) 外侧，所述牺牲阳极（6)位于外层混凝土（2)内，所述牺牲阳极（6)的外表面与外层混凝土 层（2)的外表面处于同一曲面。
2. 按照权利要求1所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管，其特征在于：所述内层钢筒 (1)的内侧设置有内层混凝土层（7)。
3. 按照权利要求2所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管，其特征在于：所述牺牲阳极 (6)通过钢支腿⑶与外层钢筒（4)相连接。
4. 按照权利要求3所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管，其特征在于：所述牺牲阳极 (6)与外层混凝土层（2)的接触面设有绝缘涂层（9)。
5. 按照权利要求4所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管，其特征在于：所述绝缘涂层 (9)具体为无溶剂环氧耐久性涂层，所述无溶剂环氧耐久性涂层为甲组分和乙组分按重量 比为10:3的比例均匀混合而成，所述甲组分为环氧树脂、二氧化钛、硅酸钙、二氧化硅、氧 化钙、液态聚硫橡胶六种材料按重量比8:2:2:3:2:3的比例混合而成，所述乙组分为曼尼 希胺、硅酸钙、二氧化硅、氧化钙四种材料按重量比3:1:1:1的比例混合而成。
6. 按照权利要求4所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管，其特征在于：所述增强结构 (3)具体为波浪形、U形、V形的钢带。
7. 按照权利要求6所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管，其特征在于：所述增强结构 (3)与内层钢筒（1)径向夹角 5°?9〇°。
8. 按照权利要求7所述的带有牺牲阳极的大口径给、排水管，其特征在于：所述内层钢 筒⑴和外层钢筒⑷上设有开孔结构（13)。
9. 按照权利要求8所述带有牺牲阳极的大口径给、排水管，其特征在于：所述内层钢筒 (1)和外层钢筒（4)外表面为不光滑表面。
10. -种带有牺牲阳极的大口径给、排水管制备方法，其特征在于：按照权利要求1所 述大口径给、排水管制备步骤如下： ① 内层钢筒⑴成型 采用螺旋钢筒卷焊机焊制钢筒（1)，在焊接内层钢筒（1)时，沿着内层钢筒（1)焊缝处 焊制增强结构（3)，增强结构（3)沿着内层钢筒（1)均匀布置，增强结构（3)与内层钢筒（1) 径向夹角控制在5° - 90°之间； ② 焊制外层钢筒（4) 沿着增强结构（3)外沿焊制外层钢筒（4)，采用螺旋钢筒卷焊机焊制外层钢筒（4)，内 层钢筒（1)和外层钢筒（4)通过增强结构（3)形成一个整体双层钢筒； ③ 安装牺牲阳极 首先将钢支腿（8)焊接在外层钢筒（4)上，之后将牺牲阳极（6)焊接在钢支腿（8)上； ④ 混凝土灌注 装上外层混凝土模具，采用C40以上的免振捣自密实混凝土，从上至下一次性灌注成 型混凝土层（2)和混凝土填充结构（5);其中，坍落度大于250,扩展度大于600,中边差25， 流下时间6-16S，充填性Η彡5mm，抗离析性Λ G彡7%，保塑性90min内；将牺牲阳极（6)夕卜 表面的混凝土打磨掉，保证露出光洁表面。
【文档编号】F16L58/04GK104089107SQ201410264303
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】魏英华, 李京, 吕晨曦, 刘阳, 赵国强, 史杰智, 李晓东, 陆卫中, 高英 申请人:中国科学院金属研究所