随着我国城市交通的不断发展,越来越多的海底隧道相继建成,使“隔海相望”变成了“大路坦途”。但由于海底隧道存在一个或多个局部低点,导致隧道内的运营废水、消防废水以及结构渗漏水无法自流排出,故排水系统成为隧道能否安全稳定运营的关键。另外,受海底隧道高盐、高湿环境的影响,其排水管材的防腐性能直接影响着排水系统的可靠性。

　　 本文主要从防腐性与经济性等方面对目前海水工程中常见的几种防腐管道进行分析,并根据相关海底隧道的设计、运营经验给出结论,为以后长大过海隧道排水管材的选用提供参考。

　　 根据我国已建海底隧道(青岛胶州湾隧道和厦门过海隧道)的相关经验,长大海底隧道的排水管道具备以下几点特点:

　　 (1)管路长,高差大。长大过海隧道因其纵向为V字形坡,故海底泵房位于隧道最低点,靠近隧道中部位置,与两端风井距离较远,造成了排水管道高差大,而且需敷设长距离排水管路,才能将隧道内的水排出。以青岛胶州湾隧道为例,青岛胶州湾隧道北接团岛,南至薛家岛,全线长约7 800 m,海底段约3 950m(见图1),是目前我国最长的海底隧道,其海底泵房排水泵扬程高达70 m,排水管道长达2 000m。

　　 (2)管径大。结构渗漏水量受地质条件和施工质量等因素的影响较大,我国隧道工程通常遵循“防、截、堵相结合,以防为主,防排结合”的原则,故过海隧道渗水量较大。为达到多泵同启时减少沿程阻力损失的目的,往往采用牺牲管道经济流速,增大排水管道管径的方法。目前我国已建过海隧道的排水管道多采用DN300及以上的管径。

　　 (3)对耐海水腐蚀性能要求高。海水是一种含盐度很高的电解质溶液,其腐蚀性较强。海底隧道多为百年工程,为提高排水系统的安全可靠性,长大过海隧道排水系统对排水管材的耐海水腐蚀性能要求极高。为避免在实际运营过程中因海水腐蚀而影响排水系统的正常使用,必须选择耐海水腐蚀性能优良的排水管材。

　　 近年来,铜镍合金被越来越多的应用在海洋船舶、电力等领域,其中90Cu/10Ni铜镍合金管是目前在海洋平台海水系统中应用较普遍的一种金属管材。铜镍合金管具有以下优点:①耐海水腐蚀能力强、无腐蚀产物而且耐海水生物生长,使用寿命较长(通常都在20年以上)^[1] ;②水力性能良好;③管材质量轻,易于加工成型等。但是,铜镍合金管也存在如下缺点:价格昂贵、机械强度差、安装难度大和对流速的限制要求高等。一般连续使用的场合,流速不要超过3.36 m/s,间断使用的场合,流速不要超过6.72 m/s^[2] 。国外有关规范提出了90Cu/10Ni铜镍合金管不同管径下的最大流速限制值(见表1)。

　　 通常情况下,“防排结合”型过海隧道因结构渗水量较大,海底泵房排水管道管径多采用DN300及以上,排水管道流速一般为1m/s左右,故铜镍合金管从其本身的性能方面,可以胜任长大海底隧道的排水管材。但是由于大管径的铜镍合金管价格昂贵,国产化程度不高,且安装维护麻烦,目前长大过海隧道工程排水系统上尚无使用先例。

　　 碳钢管是一种价格低廉、机械性能良好且施工技术成熟的管材,但耐海水腐蚀能力弱成为它在使用过程中的致命弱点。为提高钢管耐海水腐蚀的能力,通常采用管道内外防腐相结合的方法(见图2),如内涂塑、内衬塑或内镀锌等。然而上述方法需要先期预制管线,再将预制好的管线整体做防腐处理,然后运输至施工现场进行安装,安装过程中稍有不慎,就得将管线重新切割组对焊接,不仅影响管道施工质量和施工进度,还可能造成防腐层破坏,破坏的防腐层不易被发现,存在安全隐患,而且管道检修维护麻烦。

　　 镀锌钢管由于耐海水腐蚀能力较弱,不建议运用在海底隧道排水管路中;内涂塑钢管的防海水腐蚀能力强于镀锌钢管,但是内涂塑钢管的防腐层厚度薄,流动海水中的泥沙容易对其造成破坏,故也不建议使用。其中衬塑钢管的防腐能力较好,防腐层较内涂塑钢管厚,可承受一定的海水冲刷,且长大过海隧道工程上已有使用衬塑钢管的工程案例。

　　 我国青岛胶州湾隧道排水系统采用缩合式衬塑钢管,使用状况良好,并且青岛胶州湾隧道设有服务隧道,管道的检修维护也方便。但是考虑到过海轨道交通的检修维护条件较差,故在过海轨道交通上是否适用缩合式衬塑钢管还有待商榷。

　　 不锈钢管具有良好的耐热阻燃性、抗机械损伤性和管道内外防腐性,而且安装简易,连接方便。例如,316L不锈钢在海水中的腐蚀速率(R)均低于0.002mm/年,且随着浸泡时间的延长,腐蚀速率呈下降趋势^[3] (见图3)。但是,由于海水中含硫,尤其当管网中充满静止海水的时候,低级别的不锈钢(如304不锈钢)抗点蚀能力弱,易出现穿孔泄漏现象,减短管道使用寿命。

　　 镍基合金双相不锈钢的抗点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀及腐蚀疲劳性能明显优于普通奥氏体不锈钢,可替代普通不锈钢解决严重海水腐蚀的问题,但双相不锈钢昂贵的价格,成为阻碍了其在海洋领域推广使用的重要因素。

　　 两种不锈钢在NaCl溶液中浸泡腐蚀试验结果见表2^[4] 。

　　 根据我国已建厦门翔安隧道实地考察发现,隧道水泵房内的碳钢设备被海水腐蚀严重,和渗漏水直接接触的304不锈钢材质的设备,防腐效果不甚理想,无直接接触时抗腐蚀效果尚可,但是使用316L不锈钢材质的设备状况良好。因此,对于检修不方便的过海轨道交通的排水管材,建议选用防腐性和机械性都比较优秀的316L不锈钢。当然双相不锈钢的防腐性能要优于316L不锈钢,但是从经济角度出发,316L不锈钢的性价比要更高。

　　 挪威在近30年来修建了约40条海底隧道,根据挪威公路隧道设计规范规定,海底隧道内排水管道在满足压力的条件下可用塑料制成,钢骨架塑料复合管是目前综合性能较好非金属管材,该种管材已在目前许多新建平台的海水系统中得到实践验证,使用效果不错。

　　 钢骨架塑料复合管是以钢网为增强骨架,高密度塑料为内外层填充基体的双面防腐材料,结合了PE80的耐腐蚀性与金属(钢丝)的高强度优势,管壁的内外层塑料通过管壁中间的金属网孔连接为一体,在一定程度上解决了金属管道耐压不耐腐,纯塑料管道耐腐不耐压的缺陷^[5] 。与金属管材相比,非金属管材具备诸多优点,但是其耐火能力要逊色于金属管材。

　　 基于海底隧道排水管材在防火阻燃方面的考虑,钢骨架塑料复合管在长大过海隧道上的推广使用还存在一定问题。但如果过海隧道排水管道做到100%备用设计的话,其备用管道能否选用增加耐火等级处理的非金属管道值得探讨。

　　 通过以上对每种管材的理论分析,我们再从管材的耐海水腐蚀性和经济性等方面,对铜镍合金管、加防腐处理的钢管、不锈钢管和钢骨架塑料复合管进行综合比较,详见表3^[2,5] 。

　　 通过对铜镍合金管、衬塑钢管、316L不锈钢管、双相不锈钢管以及钢骨架塑料复合管理论分析和综合比较,可以得出如下结论:

　　 (1)铜镍合金管和双相不锈钢管因其价格昂贵,约为碳钢管价格10倍以上,不建议用于长大过海隧道排水管道。

　　 (2)钢骨架塑料复合管因其耐火等级弱,不建议用于过海隧道排水管道。

　　 (3)防腐性能稍弱于铜镍合金管和双相不锈钢管的衬塑钢管,其价格优势明显但施工运输安装要求严格,适用于具备便利检修条件的过海公路隧道。

　　 (4)316L不锈钢管的价格优势没有衬塑钢管明显,但安装检修简单,适用于检修条件有限的过海轨道交通。

　　 (1)对于设有服务隧道的过海公路隧道而言,其服务隧道提供了管道检修维护和运输的有利条件,建议选用防腐性能较强,价格也合理的衬塑钢管。

　　 (2)对于过海轨道交通而言,往往不设有服务隧道且隧道停运时间短,管道的运输和检修不便捷,结合防腐能力和经济性能的综合考虑,建议选用316L不锈钢管。

　　 (3)随着管道制造工艺的不断进步,相信在不久的将来,长大海底隧道的排水管道中将会看到性能优秀的非金属管材。