關于水泥砂漿、環氧樹脂和聚氨酯輸水管道防腐襯里對于水
編者按
前期轉載了澳大利亞泰科水工業的文章《水泥砂漿內襯在當今球墨鑄鐵管和鋼管等輸水管道中廣泛應用》，引來了幾多質疑聲，聚氨酯、環氧內防腐不是最好嗎？為什么還推薦水泥砂漿襯里？是不是前后矛盾啊？輸水管道領域在選擇管材時主要考慮的是對水質的影響和經濟性。因此，選用何種內襯防腐應考慮輸送的水質情況，最合適的內襯材料就是最佳的方案。
當今世界上輸水鋼管和球墨鑄鐵管的內襯防腐主要有三種，水泥砂漿，環氧樹脂和聚氨酯。下面的文章是參考收集了一些鋼管襯里的相關文獻，就輸水鋼管水泥砂漿，環氧和聚氨酯襯里對水質的影響做一些相關敘述，目的是進一步推動這一領域相關技術規范的向前發展，水泥砂漿，環氧和聚氨酯是飲用水管道用于非結構性保護的主要防腐材料，希望有關機構就這些材料進行權威性的試驗和評定，確定其對水質的潛在影響。
全文按三種防腐內襯類型分三部分發出，希望業內同仁提出您的意見和建議，共同推動中國輸水管道的發展。
前言
本文收集了一些鋼管襯里的相關文獻，就輸水鋼管水泥砂漿，環氧和聚氨酯襯里對水質的影響做一些相關敘述，目的是進一步推動這一領域相關技術規范的向前發展，水泥砂漿，環氧和聚氨酯是飲用水管道用于非結構性保護的主要防腐材料，希望有關機構就這些材料進行權威性的試驗和評定，確定其對水質的潛在影響。
不同的襯里防腐工藝對水質的潛在影響也不盡相同，這取決于襯里材料，初始水質，防腐工序執行情況和質量控制。
美國國家標準和國家衛生基金會（ANSI/NSF）標準61（NSF 61），美國水協（AWWA）和英國飲用水檢查監管條例31對飲用水的管道襯里由相關規定，須取得相關資質證書。這些規定的試驗主要包括感官影響，微生物生長，存在可能影響公共衛生的物質，細菌數和重金屬，這些與水接觸的材料須經過檢查試驗，確保水質和對人體有負面影響程度可接受，ANSI/NSF 61要求間接添加劑，產品和材料須做試驗，測定其對水質的影響和適應性。
北美DN100以上直徑的鑄鐵管通常選擇采用水泥砂漿襯里，實踐和研究表明輸送軟水對水泥砂漿襯里有侵蝕作用，相應地影響到水質。英國從1930年代開始使用水泥砂漿襯里，1990年代也發現軟水和侵蝕性水質會影響管道的長期壽命。
水泥含有許多成分，主要是硅酸鹽（Ca3SiO5，Ca2SiO4）和鋁酸鹽（Ca3Al2O6）。當這些成分與水和水合物接觸后形成氫氧化鈣（Ca(OH)2），然后分解成Ca2+ 和OH-，這將導致pH值升高和鈣沉積。
水泥襯里鑄鐵管于1922年首次安裝在南卡羅萊納州查爾斯頓，幾十年來其生產技術和產品質量都得到了很大的提高，技術上更加了解了水與水泥之間的相互作用。1929年美國標準協會建立了水泥砂漿襯里的試行標準，后來AWWA在1932年采用和出版了這個標準《鑄鐵管和管件水泥砂漿襯里技術要求》。
1940年代到1950年初，開展了許多有關水泥，生產工藝和水泥養生的研究，管道離心襯里和瀝青密封材料的使用也是在這一時期發展起來的，1964年版本減小了最小許用厚度，1980年版本增加了密封膠材料毒性測試。
1.1 對水質的影響
軟水中碳酸鹽和碳酸氫鹽濃度較低，由于出現溶解的CO2使得軟水呈酸性，它對水泥中的氫氧化鈣（Ca(OH)2）有侵蝕作用，會將這種成分浸出。由于硅酸鈣水解成軟硅膠，軟水還會降低管道表面的機械強度。
低離子含量的水會使氫氧化鈣浸出，對水泥砂漿中的氫氧化鈣也有侵蝕作用。碳酸鈣還會與這種水化合形成硅膠使表層軟化，強度降低。pH值的提高取決于水的堿性以及與水泥接觸的緩沖能力。
侵蝕性水會在水泥砂漿和管壁之間浸出金屬，從而影響到水質，鋁是已知被浸出量較多的金屬，對透析患者有健康危害。兩個月后鋁的含量從5μg/L上升到690μg/L，鉻，鋇和鎘也被檢出。浸出金屬通常發生在較低流速的情況下，新建管道會連續浸出4年。
水泥砂漿襯里金屬管道的可浸出性同樣與生產干水泥混合物的水泥窯中的有害物有潛在關系，實驗研究表明在水中浸泡14天被試驗的管段顯著浸出鉻，鋇和鎘。
水泥砂漿內襯與輸送的水產生化學反應會影響到水質。水泥砂漿損壞，水的堿性，氯離子消耗和內襯上的細菌生長都會顯著影響到水質。通常認為水泥砂漿腐蝕與酸雨有一定的關系，環境保護局EPA（Environmental Protection Agency）有報告認為受酸雨影響的湖泊其堿性會下降，弱緩沖的，低pH值和低堿度的水通過浸出鈣來恢復平衡，會使水泥砂漿受到侵蝕，重點是此處的水泥砂漿會對水質造成影響。
工程技術人員試圖找出一種方法來預測混凝土襯里輸水管道的侵蝕，水泥與水的相互作用發生在水泥的空隙中，有兩種化學反應，主要作用是通過碳酸鈣浸透和碳酸類水使得水泥退化，其次是石灰浸出產生的作用，鋁酸鈣或硅酸鈣濾出浸入水中會升高pH值，影響水的質量。緩沖能力與水的堿度有關，希望提高堿度來減少侵蝕，通過增加自由CO2或碳酸氫鹽來降低侵蝕率。
在德國開展了一項研究調查，試驗六種不同的水確定哪一種水的參數對水泥砂漿和水質影響最大。
對各種水泥砂漿的影響也進行了試驗，砂和水泥配比對侵蝕沒有影響，襯里工藝對應的侵蝕率也沒用明顯變化。侵蝕量與水中CO2溶解量有直接關系，極限濃度與砂漿磨損相當的7mg/L，水質參數如CO2，鈣離子濃度，物理參數如表面體積反應率，對侵蝕和水質都有顯著的影響。
一項AwwaRF（美國水協研究基金會）試圖定義導致水泥砂漿襯里侵蝕的參數，研究水質和水泥砂漿配比對侵蝕率的影響，10根襯里管節同時垂直放置試驗架中，觀測其侵蝕和對水質的影響，結果顯示對水質最大的影響是pH值，堿度和鈣離子濃度。在低流速的水中時間越長會浸出更多的pH，堿和鈣。高流速水流接觸似乎會加速這些影響，低pH，堿和鈣含量的水對水泥內襯的侵蝕最大。侵蝕率也與水泥砂漿成分，襯里方法以及保護涂層有關，建議定期沖洗管道低速段，以避免對水質的不利影響。
一項針對石棉水泥管和水泥襯里鑄鐵管，以及聚氯乙烯（PVC）管和聚乙烯（PE）管的試驗，研究這些管材對細菌生長的影響，將它們與不同的原水接觸，之后檢測細菌生物量。結果顯示鋼和鐵管細菌生長最多，PE和PVC管最少，石棉水泥管和水泥襯里鑄鐵管位于之間。這說明管材能夠影響細菌生長，相應地影響到水質，這是一個管材間接性影響水質的例子。生物膜生長基于消毒劑，溫度和生物可降解有機碳（BDOC），這暗示表面粗糙度和管襯浸出有機物會影響水質，需要進一步試驗研究。水泥砂漿襯里管道在另一項供水管道細菌再生長的試驗結果中也介于塑料管和金屬管之間，這項研究將測試材料與試樣襯敷后置入水中，同時在實驗室和現場進行。
在南非也有一項類似的試驗，研究各種管材對生物膜形成的影響。地表水與各種塑料管和水泥或石棉水泥管接觸，然后通過測試附著的大腸桿菌和異養菌平板計數研究管內表面的細菌定植和生長，水泥與石棉水泥管無太大差別。
供水管道中的消毒劑濃度會帶來水質問題，加入過多會使水氯氣味過重，加入不足會使細菌生長，導致有機物變臭。氯在混凝土管中的消耗歸結于無機化合物在水泥中的氧化，隨著氯消耗其堿性提高。其它管材和水泥砂漿襯里管試驗研究對氯衰減的影響，將塑料管與水泥襯里鑄鐵管比較，分析了氯侵蝕率及其機理，結果顯示水泥砂漿襯里鑄鐵管比PVC和PE管的反應性高一點，這個衰減取決于管材的反應性。
1.4 供水設施調查
1991年AwwaRF（美國水協研究基金）進行了一項美國低堿度侵蝕水的供水設施調查，這些水廠都位于低堿度水地區，水源通常來自雨水或雪水，而不是地下水。調查的九家水廠報告有水泥砂漿襯里的問題，其中七家報告水質受高pH值影響，問題主要發生在新建襯里管道的低流速段。
四家水廠報告水質明顯受水泥砂漿襯里的影響，pH值顯著升高，但未發現管道結構退化，侵蝕最嚴重的一家水廠發現朗格利爾指數為-2.2。為了解決這些水質問題，所有水廠采取措施沖洗管道。
其中兩家水廠用13周對新建水泥砂漿襯里管道進行了現場測試，管道定期沖洗。一家連續輸水制水廠沒用發現有關pH，堿度和鈣方面對水的影響。但是每周清洗管道的水廠出現了一次pH值12.5，堿度760 mg/L CaCO3和鈣135 mg/L CaCO3，連續流系統切換成每天沖洗和每周沖洗管道對水質影響逐漸增大，堿度和鈣值在7～9周后穩定下來，而pH值即使過了90天也沒有穩定下來。
在美國東部和西部的現場測試表明，從侵蝕的水泥砂漿中浸出的石灰會升高pH值，堿度和鈣濃度，進而損害水質。上述兩處的水廠測試了流速，襯里材料成分，襯里工藝，密封涂層和水質的影響，他們都顯示停留在新襯里管道中的水一周后pH值升高到12。
美國中部和東部的供水主管采用了現場水泥砂漿襯里修復，之前收到投訴說水龍頭流銹水，清理和水泥砂漿襯里后消除了用戶的抱怨。
在荷屬安的列斯群島偶然出現過新安裝的水泥襯里鑄鐵管有金屬析出。供水主管安裝后附近透析中心的病患出現了嚴重的鋁中毒，大家知道金屬，包括鋇，鎘和鉻會從水泥砂漿中浸出，這一案例中的高濃度鋁析出歸咎于新管道，侵蝕的水，高pH值，水溫和長時間滯留，以及水泥砂漿中含鋁過高。
2. 環氧樹脂襯里涂層
在英國，環氧樹脂作為管道修復材料在許多領域替代了水泥砂漿。環氧樹脂的兩種成分反應形成一種硬的惰性材料，第一種成分由環氧樹脂組成，是一種末端為環氧基團的低分子量聚合物。第二種成分包含二元胺，一種固化劑或硬化劑。使用不同類型和比例來控制樹脂和硬化劑之間的交聯密度，其材料結構也會不同。不同結構具有不同的材料特性，如強度和硬度。選擇環氧樹脂材料須小心謹慎以保證正確的樹脂與硬化劑成分配比，在襯里過程中加以認真指導。正確的環氧與硬化劑配比取決于使用的環氧，環氧樹脂生產廠會提出最佳配比要求以達到襯里與管道內壁高的附著力，低的吸水性，最小的浸出削減，以及足夠的硬度。為了保證水質不受影響，固化時間也是相當重要的因素。
飲用水主管所有用于襯里的環氧樹脂必須是無溶劑和無苯甲醇，防流掛，固化快，對環境濕度要求不高的材料。由于新開發的材料在3°C溫度需在16h內固化且不能影響水質，因此它們的基本配方都差不多。配方的基本信息是公開的，而個別細節是有產權的。環氧樹脂配方的基本原則是完備的紀錄，環氧材料類型通常分為類型1和類型2。
類型1材料是典型的早期配方，一般是低粘度材料，通過常用的非臍帶軟管襯里設備用泵輸送，含有基于三甲基六亞甲基二胺的固化劑。
類型2樹脂是近期開發的的高粘度材料，用加熱的臍帶軟管和托架進行襯里，固化劑與上述1型的相似，但是硬度更高，胺類固化劑也更復雜。
環氧樹脂襯里為管道提供一種防腐層，并且提高了水的流速，對水質沒有影響。環氧樹脂內襯的使用相比管道結構修復和更換更加經濟和有效，為了成功使用環氧內襯，需要修理的管段應按照要求做清理，并按照規程規范選擇環氧材料。此外，在襯涂之前，期間和之后需按照質量要求進行檢測。環氧樹脂內襯工藝成功地在英國得到廣泛應用。
2.1 環氧樹脂襯里的演變過程
環氧樹脂內襯技術于1979年首次在英國使用，隨后在飲用水管道領域廣泛被采用，并開展了許多研究以改進襯里應用的材料和發展管道修復用環氧樹脂襯里施工技術，在英國這些操作指導作為標準寫入施工合同中，以便按這個要求進行環氧襯里的施工。近年來，環氧樹脂的使用在英國有些停頓，大部分水利設施選擇采用聚氨酯來代替環氧樹脂。雖然聚氨酯使用歷史不長，但這方面的標準和應用指導已經出版，聚氨酯涂層在英國已被廣泛接受和采用。
與水泥砂漿相比環氧樹脂的優點有很多，最直接的好處就是表面光滑。由于提高了海曾·威廉公式中的粗糙度系數C值，改善了流動性，因而提高了系統輸水能力。光滑表面可以減少腐蝕瘤和生物膜的生長，有利于清管和維護。環氧相對水泥砂漿的其它優點是可持久輸送軟水，對pH值影響小。
根據不同環氧樹脂襯里管道試樣在實驗室大量的加速試驗結果以及在役管道的評估，安裝檢驗涉及許多供水系統，涵蓋了不同管徑和水質。經過四年的研究，沒有證據表明發生退化，試樣顯示沒有出現短期襯里涂層失效，同期進行的水質評估顯示環氧樹脂襯里滿足各項試驗規范。
由于環氧樹脂在輸水主管襯里修復的成功應用，對水質影響最小，因此它得到了廣泛使用，尤其在英國。
2.2 質量保證和質量控制（QA/QC）
在英國，相關的生產指導與規范中都有QA/QC過程控制要求，美國相關標準，推薦和生產指導也要求QA/QC過程控制，正確實施飲用水供水主管道內表面的襯里要求如下：
· 日常秤重檢查
· 使用計量裝置進行混合比控制
· 襯里前的起轉時間
· 使用內襯托架，靜態混合管和襯里噴頭
· 最少固化時間控制
· 襯里噴涂前后閉環視頻監控
· 寒冷天氣下的涂層限制
除了AWWA相關標準外，用于襯里涂層的環氧樹脂材料須經NSF 61認證，飲用水接觸的添加劑，產品和材料上需有NSF 61標識，按照標準評估相關材料和產品析出的污染物，并證實這些污染物沒有超過規定的要求，其標準還包括材料對于微生物生長的可能性評估。
2.3 實際工程案例
1982年至1988年，英國約克郡水務大約有247km飲用水管道用環氧樹脂襯里，根據相關報道，飲用水管用環氧樹脂的質量在這期間變動很大，這很大程度上歸結于使用初期主要用于試驗管段，操作指導還沒有公開推出，QC方法沒有近期執行的那樣嚴格。環氧涂層質量是根據這段時間的環氧樹脂襯里管道的調查，各地樣管采集和分析來確定的，根據每個樣品其樹脂與固化劑的配比發現許多配比是不正確的，大約一半的襯里需要重新修補。許多環氧襯里發現沒有完全固化，對水質有潛在影響。不正確的混合配比也可能是由于多方面原因導致的。
到了1990年代中期環氧樹脂襯里在北美開始使用，第一個現場環氧樹脂襯里是在美國賓州，由AwwaRF進行的示范段環氧襯里，試驗段為直徑168mm，服役80年的，無內襯鑄鐵盡頭管。
一份30天的水質監測報告顯示環氧析出在水質要求范圍內。通過環氧涂層獲得更高的水里特性已被證實，流速試驗結果顯示海曾·威廉公式中的粗糙度系數C值從22提高到114。
北美第一個NSF 61認證的環氧樹脂襯里管道安裝在加拿大渥太華，由于之前的經驗積累，這項新技術為輸水管道提供了一個更加經濟高效的解決方案。隨后美國許多州和加拿大的幾個省在1998年開始大范圍使用環氧襯里。
2.4 對水質的影響
為了確定對水質的影響，實驗室進行環氧樹脂襯里的試驗是一個基本方法，然后再進行安裝測試。環氧涂層襯里對水質的影響機理主要有兩個，第一個是直接從涂層析出有機化合物，第二個是利用這些化合物作為基底來繁殖微生物，這些都會影響到水質。另外，使用的消毒劑（如氯和氯胺）之間也會產生作用，管道內表面，微生物生長和其它化學成分也需要測定。本文列舉了一些這方面的試驗研究，通過一些試驗方法來確定環氧樹脂是如何影響水質和水體感官的。
英國在開始使用環氧襯里期間有關機構也進行了環氧襯里對水質影響的檢測，按照之前的規范研究測試環氧的影響，確定所有各項均滿足要求：
· 有助于微生物生長的因素
· 引起感官和水體變質的可能性
· 釋放有毒金屬進入水中的可能性
· 釋放細胞毒素化合物進入水中的可能性
他們的試驗重點放在環氧涂層材料對健康的影響評估上，詳細檢測材料參數，成分，性能，使用和可能的毒性。測評表明環氧涂層沒有嚴重或次嚴重毒性危害，但并沒有進行長期影響的試驗。
雖然環氧襯里滿足相關標準要求，但一項更全面的試驗報告顯示環氧內襯修復后的管道微生物生長增加了。供水系統環氧襯里后觀察到的非致病性微生物總體增加了幾個量級，之前情況是呈平穩狀態。進一步的試驗也顯示產生的一些從環氧涂層材料中析出的有機化合物具有影響水體感觀的可能性。
環氧涂層對水質的影響的另一項試驗是將環氧涂層的鋼板和其它四種涂層材料一起放入試驗的水中30天，結果顯示環氧析出總有機碳（TOC）最大量為每天40～187 μg/L。鑒定的化合物包括甲基異丁基甲酮（MIBK）和二甲苯。現場測試的環氧涂層儲水罐也檢出了相同的化合物。
加拿大卡爾加里的研究是將五種NSF和AWWA認可的環氧樹脂涂層試樣放入試驗水中72小時，然后分析TOC和揮發性有機物（VOCs），結果顯示五種試樣中都檢出大量的這兩種化合物，TOC為34～345 mg/L，苯、甲苯、乙苯、二甲苯（BTEX）為0.2～48 mg/L。
水體觀感影響水質的研究一再表明環氧會使飲用水有異味，有兩項研究證明，采用實用快速測定（UQT）來評估飲用水的異味。第一項研究是管材在一系列管架上經過長期測定，在含氯，氯胺以及不含消毒劑的循環水中超過一年。試樣定期取出分析水質參數，包括異味描述和強烈程度。取自試架上環氧涂層銅管的數據一開始出現了“塑料”異味的描述，然而隨著時間的推移異味減少。一個月以后異味減少到“臨界值”，從管道析出TOC的程度在頭一個月趨向于顯著下降。
第二項研究為短期暴露試驗，環氧涂層析出的化合物使飲用水出現了“塑料／粘合劑／油灰”的味道，異味出現在與管材接觸的水中，在UQT測定的時間里雖然經過隨后的沖刷和水流停止，其異味強烈程度并沒有減弱，最強烈的異味發生在72小時后，這個短期實驗室測試表明其傳遞的異味與水停留時間成正比，析出后1小時就檢測不出來了。在一幢大樓的環氧襯里管道現場試驗顯示流動的水沒有檢出異味，水量大小也決定異味的程度。氯，氯胺的存在并不沒有改變“塑料／粘合劑／油灰”味道的大小。
以上結論證明環氧樹脂涂層會影響水質和水體觀感，尤其是新建管道隨后啟用的一段時間，固化過程也是有機物析出的關鍵因素。
本文參考資料來源：美國水研究基金會
