球墨铸铁管防腐技术补遗（一）历史发展和技术体系

球墨铸铁管在城镇供配水领域中扮演着重要角色，在国内其应用还扩展至超大直径、污水排水、热力输送等多个领域。在从事埋地输水管道相关工作期间，笔者发现业内对球墨铸铁管的认识存在一些误区。通过与多家国内外球墨铸铁管生产企业的交流，也发现一些共性问题亟需探讨和解决。

我们将结合球墨铸铁管的技术发展历程，分析国内外的防腐技术，并与输水钢管的防腐体系进行对比，查漏补缺，重点围绕以下几个方面进行探讨：

1.防腐历史发展和技术体系

2.内衬砂浆上密封层的作用

3.高铝水泥砂浆与聚合物涂层

4.外喷锌与阴极保护技术

本系列文章旨在探讨我国球墨铸铁管防腐技术的创新路径，加快推广性价比更高、性能更优的球墨铸铁管技术应用。

防腐历史发展和技术体系

01防腐技术历史发展

早期的埋地金属管道并不太重视管道防腐，在土壤环境导致管道大量外部腐蚀的情况下，维修和更换管道过去是市政部门接受的做法，然而这是一种昂贵的腐蚀问题解决方案。

沥青和砂浆

19世纪末至二战期间安装的水管多为无衬里的铸铁管。20世纪50年代，水泥砂浆内衬球墨铸铁管开始应用。早在1860年代，曾尝试使用热浸沥青作为内衬和外涂层，但因其易污染水质、易结瘤，最终被淘汰。

结锈瘤、无衬里的铸铁管道内部

1922年，美国南卡州的供水系统中安装了第一根水泥砂浆衬里铸铁管。以后由于使用效果理想，随之对砂浆衬里技术做了改进，成为我们现在常用的离心衬里法。

当水泥砂浆衬里首次用于软水系统时，一些用户抱怨在安装后的头几个月内水的硬度增加，在水泥砂浆层上使用薄沥青涂料密封了衬里表面后投诉就停止了。后来还发现这种密封层有助于砂浆衬里的固化。

上世纪50年代开发的球墨铸铁管在之后逐渐取代了灰口铁管，除了和灰铸铁相同性能外，强度和韧性都大幅提高。有许多关于球墨铸铁管耐腐蚀性的研究，得出的结论是球墨铸铁管的耐腐蚀性至少与灰口铁管基本一样。理论上也支持这一结论，因为这两种材料在化学成分上几乎没有区别。

法国圣戈班PAM厂区展示的1680年铸铁管，由路易十世委托为耶尔赛莱斯城堡花园供水

02球墨铸铁管防腐体系

国外：美国一个行业协会搞了一个设计决策模型 - DDM，这是一个风险矩阵概念，它结合了对拟议的球墨铸铁管道腐蚀可能性的评估以及腐蚀相关问题可能导致的后果，采取相应的防腐对策。通过这种方式，为市政部门提供适合设计中特定安装的腐蚀控制建议。建议从简单地安装球墨铸铁管（标准车间涂层和退火氧化层）、将管道包裹在聚乙烯中，到提供阴极保护电流以控制腐蚀速率。下图显示，腐蚀控制建议取决于腐蚀可能性和后果的因素叠加。在适当的点处输入图表，可以找到一个颜色编码的交叉点，从而建立适当的腐蚀缓解建议解决方案。如图中所示，这些方法包括：

1. 安装常规设计管道，使用其标准车间涂层/退火氧化系统进行保护。

2. 用聚乙烯包裹管道。

3. 用聚乙烯包裹管道或包裹管道并提供接头连通。

4. 用聚乙烯包裹管道并提供接头连通或提供延长使用寿命的阴极保护电流。

5. 阴极保护。

影响因素包括：

· 电阻率

· 硫化物

· 水分含量

· 氧化还原电位

· 地下水影响

· 双金属考虑因素

· pH

· 已知腐蚀环境

· 氯化物

新的可能性因素包括与土壤中氯化物浓度相关的考虑因素，以及是否存在双金属连接器（如管道阀门等）或与其他管道材料的连接。该系统还增加了对可能存在的地下水影响的评估，以及地下水是否会像潮汐地区那样每天多次流入和流出管道区域。此外，有些土壤和设施都是已知的腐蚀性土壤和设施。例如包括煤渣、垃圾填埋场和泥炭沼泽。当遇到这些“已知的腐蚀环境”时，如果管道按常规状态安装，则发生腐蚀问题的可能性很大。

上图显示的是5级风险矩阵，最近该协会将此矩阵复杂化，升级到50级矩阵。需要说明的是，DDM是行业推荐的防腐体系，不代表业主和设计咨询机构会完全照此执行，业主希望简化设计，笔者在此基础上做了一个3级风险矩阵评估（见上图）。

国内：球墨铸铁管防腐技术分类

内防腐

水泥砂浆内衬

内表面特殊涂层

● 聚氨酯涂层

● 环氧陶瓷涂层

● 水泥+环氧树脂内衬

外防腐

标准防腐层

锌＋沥青漆

加强型防腐层

● 标准防腐层 + 聚乙烯套

● 聚氨酯涂层

说明：上述国内防腐体系中，一些防腐技术在国内还没有推广应用（虽然编制了相关国内标准），只是在出口项目中在国外使用过。例如，现场聚乙烯膜外套包裹，管内外聚氨酯涂层和环氧陶瓷涂层等。本钢北台铸管在2021年科威特污水处理项目中采用了内衬环氧陶瓷球墨铸铁管；2019年阿联酋阿布扎比项目的铸管采用了聚氨酯外喷涂工艺。

03球管向钢管防腐体系靠近

铸铁和锌最早被作为牺牲阳极，是比较容易被氧化或腐蚀的金属。阴极保护首次应用于1824年的 HMS Samarang （英国三宝郎号驱逐舰）。在船体水线以下的铜护套上安装由铁制成的牺牲阳极 ，大大降低了铜的腐蚀速度。

下图是卡斯韦尔斯阴保公司（出自挪威佐敦）测得的各种金属在海水中相对Zn，Ag/AgCI，以及在埋地土壤中相对Cu/CuSO4的腐蚀电位。从上到下依次是从贵金属到贱金属，越处在下面位置的金属越容易被氧化或腐蚀。

从上图的腐蚀电位序列可以看出，铸铁处在钢下面，说明铸铁先于钢发生腐蚀。球墨铸铁和灰口铁的腐蚀电位非常接近，通常在-0.60V至-0.70V（相对SCE电极），有些其它腐蚀电位序列图将球墨铸铁管和钢归于一类。

球墨铸铁管极薄的外涂层（美国称为外密封涂层 exterior seal coat，欧洲称为整修层 finishing layer，国内称终饰层）仅有装饰作用是不够的，腐蚀环境中无法为管道提供真正的“保护”。

“研究表明，在球墨铸铁管外表面的退火氧化层上添加这种标准涂层对耐腐蚀性有积极影响，但不应依赖它们来控制腐蚀环境中的管道腐蚀。”

在埋地金属管道防腐技术发展中，埋地钢管的防腐技术优于球墨铸铁管。

主流防腐体系：阴极保护 + 高性能涂层

高性能涂层是指绝缘涂层，且外涂层有一定的厚度，具有韧性和强度，能够抵御搬运和施工安装的磕碰。

为什么是主流？

● 高效协同:

⊙ 高性能涂层（如HDPE、FBE和聚氨酯等）隔离土壤，阻断90%-99%的腐蚀。

⊙ 阴极保护（SACP或ICCP）针对涂层缺陷，解决局部穿透腐蚀。

● 寿命长: 设计寿命50年以上，远超镀锌（5-10年）。

● 适应性强: 适用于各种土壤（高盐、潮湿、酸性）和管道类型（油气、热力、燃气和水务等）。

球墨铸铁管特点：

结合球墨铸铁管的生产特点，由于德拉沃（deLavaud）管模的影响，其铸管表面呈现凸点，不像钢管表面那样平整。要涂平表面需要消耗更多的涂料，或者打磨铸管表面使其平整后再喷涂。

再者，钢管防腐采用的常规防腐漏涂检查（Holiday Test）也无法在德拉沃表面上通过检测，因此，球墨铸铁管的绝缘防腐是一个难点，不仅增加了成本，降低了其市场竞争力，而且接口做电连通也比钢管难做。这也是国内外球墨铸铁管企业不推荐使用绝缘涂层和阴极保护的原因，在腐蚀环境中，现场采用聚乙烯膜包裹和阴极保护是目前一个可行的折中方案。

防腐技术发展趋势：

现在的城镇地下埋设环境腐蚀性越来越强（腐蚀性土壤、交错的管道和杂散电流的影响），且开挖修复和更换的成本会越来越高。因此，越来越多的业主和咨询设计机构要求在强腐蚀区域，无论是钢管、球墨铸铁管还是压力混凝土管，都要求做阴极保护。