球墨鑄鐵管防腐鋅層

目前，球墨鑄鐵管采用水泥內(nèi)襯作為內(nèi)防腐形式，鋅加瀝青作為外防腐形式，并在生產(chǎn)工藝中已經(jīng)制作完成，無須施工安裝后進行防腐處理。這已成為國內(nèi)外球墨鑄鐵管生產(chǎn)廠家的通用做法，防腐效果也十分明顯。

一、 鋅層防腐研究的現(xiàn)狀

在管道防腐的研究中，在1938年最早開始了鋅層的研究。經(jīng)過多年的無數(shù)種材料的反復(fù)試驗，最終找到了廉價的適用于決大多數(shù)情況下的防腐材料——鋅，并在1958年正式地在其管道產(chǎn)品上采用鋅層防腐。

如今，鋅層外層防護已經(jīng)在世界范圍內(nèi)被證明為最有效的防腐措施之一，可以有效地延長管道的使用壽命。通過研究發(fā)現(xiàn)，外防腐組成方式：鋅層+瀝青漆具有密不可分優(yōu)良的防護效果，其中的鋅層起著決定性的作用。在歐洲標準EN 545：1994《供水球墨鑄鐵管、管件》第4.4.2.2條中，以及在國際標準ISO 8179-1：1995（E）《球墨鑄鐵管——外涂層——第一部分》第4.4條中都有明確規(guī)定：鋅層密度不得低于130g/m2，局部最低密度不得低于110g/m2。在我國國家標準GB/T17456-1998中，等效地采用了國際標準ISO 8179-1：1995。

我國對鋅層防腐的研究還比較少，而在國外，對鋅層防腐研究已經(jīng)有60多年的歷史。內(nèi)部標準中，將鋅+瀝青外防腐形式確定為球墨鑄鐵管基本的標準外防腐層，并適用于絕大多數(shù)的土壤類型，同時這也是歐洲等發(fā)達國家的球墨鑄鐵管的標準外防腐模式。 二、 土壤對球墨鑄鐵管腐蝕性

1．電化學(xué)腐蝕

金屬與電解質(zhì)溶液接觸會產(chǎn)生電化學(xué)作用，其表面與溶液之間產(chǎn)生電位差，即電極電位。金屬表面會因晶界、晶體缺陷、夾雜、應(yīng)力和表面損傷不同而可能存在不同的相，這些電化學(xué)上的不均勻性使得金屬表面微觀各部電極電位不同，構(gòu)成了腐蝕原電池。電位低的部分失去的電子，成為金屬離子，進入溶液，稱為陽極；電子流向電位高的部分，成為陰極。這種原電池反應(yīng)的結(jié)果，致使在金屬表面形成大量的鐵銹。

球墨鑄鐵管的氧濃差電池：當球墨鑄鐵管道埋設(shè)于潮濕的地下時，頂部的回填土相對疏松且距地面近，而底部基本上為原土，土質(zhì)致密且距地面遠。氧氣從頂部滲入時會造成管道上下的氧氣濃度差，而管道本身既是電極，又是電極聯(lián)結(jié)導(dǎo)線；水為電解質(zhì)，于是形成"氧濃差電池"。

鐵失去電子進入水膜，氧氣得到電子成為氫氧離子。

2．微生物腐蝕

微生物腐蝕也是一種電化學(xué)腐蝕，所不同的是介質(zhì)因腐蝕微生物的繁殖和新陳代謝而改變了與之接觸的材料界面的某些理化性質(zhì)。習(xí)慣上可分為厭氧腐蝕和好氧腐 蝕。

硫酸鹽還原菌SBR是微生物中對腐蝕影響最大，研究最多的厭氧腐蝕誘發(fā)根源。Von Wogozen Kuhr等人在1974年提出了經(jīng)典的去極化理論，認為埋地鑄鐵管的點蝕是由于SBR的活動通過氫化酶將金屬表面去氧，總反應(yīng)式如下：

4Fe+SO42-+4H2O 3Fe（OH）2+FeS+2OH-

好氧菌為鐵氧化菌、硫化菌和鐵細菌，通過硫細菌的作用產(chǎn)生硫酸可以發(fā)生好氧腐蝕。這些細菌在硫酸濃度達到10~12%時尚能存活，可以對鑄鐵產(chǎn)生嚴重的腐蝕。另一種原因是在好氧條件下金屬表面細菌繁衍而形成一個高低不平不規(guī)則的生物膜。微生物的活動使得生物膜內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，如氧濃度、pH值、酸堿度等，使金屬表面形成陰陽區(qū)，導(dǎo)致原電池反應(yīng)。

三、 鋅層防腐作用機理

鋅層是一層活躍的保護層，在防腐效果上表現(xiàn)出絕佳的保護性能：

1． 電化學(xué)保護

鐵的電位是－0.440mV，而鋅的電位是－0.763mV，比鐵的電位低，氧的電位為1.4mV。這樣鋅氧之間的電位差較大，更易形成原電池，從而將鑄鐵管壁得到保護。

2． 形成穩(wěn)定的保護層

在與環(huán)境土壤接觸過程中，金屬鋅與土中的碳酸鹽等物質(zhì)結(jié)合成不可溶解的碳酸鋅，這層保護膜緊緊的粘結(jié)在管壁上，形成一層致密連續(xù)的、不可溶解的、不可滲漏的涂層。涂敷在鋅層之上的瀝青密封毛孔也具有極其重要的作用，可以促進鋅層轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的和不可溶解的鋅鹽�；瘜W(xué)反應(yīng)式如下：

ZnZn2++2e-
Zn2++CO32- ZnCO32-

3．損傷的自我愈
在管道運輸或安裝過程中，可能會發(fā)生局部損傷。鋅在原電池的作用下迅速轉(zhuǎn)變成鋅離子。鋅離子通過瀝青層密封毛孔的作用遷移并覆蓋損傷，形成穩(wěn)定的和不可溶解的保護鋅層。

Zn2++CO32- ZnCO32-

四、鋅層防腐的重要性

對極端腐蝕性土壤中49條管線的調(diào)查結(jié)果顯示：
■鋅層防腐管道：服務(wù)期16 ~ 19年，只有兩根管道，0.5mm ~ 0.7mm鑄鐵管壁厚度被腐蝕。
■無鋅層防腐管道：85%管道被腐蝕。
對1961-1974年間使用的管線關(guān)于腐蝕方面的調(diào)查結(jié)果：
瀝青外防腐管道數(shù)量 瀝青+鋅層外防腐管道數(shù)量
截止到1974年年底，腐蝕的管道數(shù)量 35 9
在1961-1974年期間，使用的管道長度（km） 13700 65150
每1000km 損壞的管道數(shù)量 2.55 0.14

瀝青層+有/無鋅層外防腐實驗：將試樣分為兩組，一組僅涂抹瀝青層，另一組涂抹鋅層，再加上瀝青層，然后在樣片的中央劃出相同尺寸的傷口，再放置到NaCl M/10 ~ Na2SO4 M/100溶液中浸泡一年，最后取出，進行試樣比較。結(jié)果顯示，僅涂抹瀝青的樣片的防腐層，尤其是傷口處遭到了破壞，基本失去了保護作用，而鋅+瀝青的樣片的防腐層保持完好，傷口處也得到了很好的愈合，參見下圖4。
鋅層在防腐性能上扮演著極其重要的作用：一方面，形成的致密的不溶解保護膜附著在管壁上，可以很大程度地減少電化學(xué)和微生物的腐蝕；另一方面，金屬鋅還具有抗沖擊的塑性變形能力，加強對管道的保護。

鋅+瀝青防腐能力還反映在兩者相互間的作用上：鋅與鑄鐵之間以及鋅與瀝青之間具有很好的粘合性，給管道與外界筑起了一道完整的保護屏障，并預(yù)防防腐失效。鋅還會通過瀝青媒介作用，促使鋅鹽的轉(zhuǎn)變以及自我愈合性的遷移，進一步擴大了防護能力，使得可能出現(xiàn)的創(chuàng)傷得到及時的修復(fù)。所以鋅與瀝青的有機結(jié)合產(chǎn)生了完美的防護效果，兩者缺一不可。

僅采用瀝青塑性材料的外防腐的球墨鑄鐵管道，在防腐過程中受到周圍土壤所施加的應(yīng)力作用以及溫差變化的影響，容易產(chǎn)生穿透防腐層的不規(guī)則裂紋，造成防腐失效。在創(chuàng)傷處由于缺乏鋅層獨特的自我愈合作用，管道基本失去了應(yīng)有的保護，造成腐蝕。

五、 結(jié)論
目前，我國的有些球墨鑄鐵管的使用單位，沒有意識到鋅層防腐的重要性。為了節(jié)省投資，人為地省去鋅層，僅采用單層瀝青防護。從長遠的經(jīng)濟角度來看，這是得不償失的，大大地縮短了管道的使用壽命，并給管道的安全性埋下隱患。

對鋅層的工藝控制極為重視，為了維護用戶的利益，不允許出品無噴鋅的球墨鑄鐵管，以確保管道的防腐效果及使用壽命。在工藝中采用高壓電噴法，將金屬鋅絲熔化來噴涂鋅層，使之均勻、致密、高黏附。同時還設(shè)定嚴格的質(zhì)量檢測制度監(jiān)督其實施結(jié)果，并填入當天的生產(chǎn)記錄，內(nèi)容包括：檢測頻率、管徑、時間、鋅層重量、鋅層密度等等。

1984年，英國水研究中心做出的結(jié)論認為：球墨鑄鐵管的鋅層外防腐是非常重要的，可以有效地減少腐蝕。為了加強管道的外防腐能力，有必要將鋅層的密度提高到200g/m2。

對球墨鑄鐵管來說，到目前為止，鋅加瀝青的外防腐應(yīng)是最好的也是最基本的防護材料。對于腐蝕性較強的地區(qū)的管道鋪設(shè)，可以在基本防護層的基礎(chǔ)上，外加聚乙烯膜套，或聚亞安酯涂層，或聚乙烯涂層等形式，來進行特殊保護。

注：本文的參考文獻大部分取自于內(nèi)部資料，僅供各位參考。關(guān)于文章采用的一些數(shù)據(jù)我們可以不做出解釋。