1.圣戈班管道系统有限公司；2.桐乡市凤栖经贸有限公司
1 引言
传统的管道铺设方式需要进行开挖，会导致破坏环境和影响交通等问题，同时也会增加施工时间和复原成本。水平定向钻进技术很好地处理了这些问题，这种施工方法只需要开挖入土坑和出土坑，即可将管线从起点牵引至终点，避免了管道沿线土壤的开挖。施工示意图见图1。
图1 水平定向钻进法施工示意图
在水平定向钻进施工中，选择合适的管材至关重要。离心球墨铸铁管具有机械性能强、柔性接口的偏转角利于管线规划、耐腐蚀性能好、管线漏损率低、使用寿命长的特性，非常适合水平定向钻进施工中的各种受力和特殊环境的要求。然而，离心球墨铸铁管在水平定向钻进应用中仍面临一些问题，例如管道牵引过程中管道表面的磨损和使用周期的腐蚀问题，这些需要得到有效地解决，以延长管道的使用寿命。
2 外涂层的选取
2.1 外涂层的功能和目的
水平定向钻进施工往往在复杂的地下环境中进行，管道暴露在多种有害物质和腐蚀性介质的作用下。一方面，管道在牵引过程中，孔洞外的管线是在地面或是机械托辊上拉进的。由于球墨铸铁管线自身重量较重，在这个过程中，普通的喷锌加终饰层的涂层有被破坏的风险。另一方面，由于孔洞中膨润土泥浆给管线的浮力，管线往往都是贴着上孔壁拉进的。考虑到地下环境复杂，管道表面容易受到岩石、碎石等颗粒物的摩擦和磨损，因此，外涂层需要具备良好的抗磨损性能，保护内部防腐涂层及管体不受损伤。
在管线的服务过程中，会面临各种类型的土壤和地下水等环境，且牵引管道的孔洞中使用了腐蚀性很强的膨润土泥浆都有可能造成较强的腐蚀环境，因此外涂层需要具备出色的耐腐蚀性能，有效地保护离心球墨铸铁管不受外界介质的侵蚀，保证管线的使用寿命。现场施工环境图见图2~3。
图2 牵引管道过岩石孔洞
图3 腐蚀性膨润土泥浆
2.2 不同种类的涂层及其特点
目前水平定向钻进法用离心球墨铸铁管的外涂层可采用聚氨酯、环氧树脂、HDPE、PE套和增强型纤维水泥砂浆。外涂层的种类及特点见表1。
表1 水平定向钻进用离心球墨铸铁管的外涂层介绍
通过对国际标准和国家标准中涂层的要求分析，常规喷锌+终饰层由于不具备耐磨性，不可作为水平定向钻进用管的外涂层；环氧涂层、PE套的厚度要求均较低，环氧涂层的平均厚度仅需400μm，PE套的厚度仅需200μm，较薄的涂层难以保障管道安全经受岩石等硬物的磨损，被刮擦破坏的可能性较大；聚氨酯作为外涂层的最小厚度为700μm；HDPE的厚度随着管径增大而增加，变化范围为1.8mm～4mm；增强型纤维水泥砂浆外涂层的平均厚度不随管径变化而改变，平均厚度为5mm，安全性相对较高。考虑到涂层的耐磨损性能，在ISO13470《球墨铸铁管系统的非开挖应用-产品设计和安装》中，耐摩擦性和抗冲击性较差的环氧涂层、环氧陶瓷、PE套这三种涂层已不作为水平定向钻进用管的涂层。
另一方面，聚氨酯涂层、环氧涂层、HDPE在涂覆前还需对管道表面进行抛丸处理，以增大涂层的附着力，但同时也会增加生产的成本；PE套一般在施工现场缠绕在管身，一定程度上增大了施工难度，也伴随着不规范施工带来的破损风险；涂覆增强型纤维水泥砂浆时，则无需对管道外表面进行特殊处理，一般使用合适的环氧材料作为粘合层，强化增强型纤维水泥砂浆的附着效果。
2.3 外涂层的耐腐蚀适用范围
在EN 545-2010产品标准中，根据外部预期使用环境，给出了多种类型的防腐方案，并比较了其适用范围，见图4。
图4 在有地下水或无地下水接触、及不同土壤电阻率情况下，可选的外涂层类型
由图4可知，在无地下水的情况下，常规的防腐方案如200g/m2喷锌+100μm终饰层可适用于电阻率1000Ω·cm以上的土壤环境；在有地下水的情况下，200g/m2喷锌+100μm终饰层的常规防腐方案可适用于电阻率1500Ω·cm以上的土壤环境；在更高腐蚀等级的土壤情况下，如土壤电阻率＜1000Ω·cm、无地下水接触管线，或土壤电阻率＜1500Ω·cm、有地下水接触管线，喷锌+终饰层的防腐方案将不能适用，需采用特殊防腐，如增强型纤维水泥砂浆涂层、聚氨酯涂层、HDPE、PE套、环氧涂层（平均厚度至少250μm）。
2.4 滑材对外涂层的影响
水平定向钻进施工中常用膨润土泥浆或化学泥浆等滑材作为管道牵引时降低摩擦力的润滑剂，同时这些滑材还可以来稳固孔洞，防止地面塌陷。滑材在施工过程中和施工结束后，包裹在管道外壁，会改变与管道接触的土壤的性质。
选用非开挖水平定向钻进专用膨润土，按照每立方水添加5kg膨润土和10kg膨润土的配比配制含5%、10%膨润土的泥浆，测量两份泥浆的pH值和电导率，检测结果见表2。
表2 膨润土泥浆检测结果
由表2可知，使用膨润土泥浆后，土壤电导率会在1000Ω·cm以下，pH超过10，属于高腐蚀性土壤，管道的外涂层必须使用特殊防腐涂层，如增强型纤维水泥砂浆、聚氨酯等。
2.5 喷锌+终饰层的耐摩擦性试验
采用喷锌+终饰层作为水平定向钻进用离心球墨铸铁管的外涂层不仅防腐存在问题，耐摩擦性也存在一定隐患。本研究进行了喷锌+终饰层的耐摩擦性试验，探究了喷锌+终饰层作为外涂层的可行性。
试验方法为：采用涂覆130g/m2喷锌+终饰层的DN300内自锚管进行水平定向钻进施工，管线总长360米，最大点埋深8米，土质为砂质土壤，地下无岩石层，施工完成后将管道拖出孔洞，查看外涂层磨损情况。试验结果见图5a~d。
图5 a.试验前，管道喷锌+终饰层涂层完好；b.试验后，外涂层磨损情况；c.试验后，管身涂层磨损细节；d.试验后，管道承口磨损细节
由摩擦性试验可知，采用喷锌+终饰层作为水平定向钻进用离心球墨铸铁管的外涂层经过施工后，外涂层磨损严重，防腐性能大大降低。由图5c和图5d可知，磨损部位的锌防腐涂层已被破坏，管道承口部位尤为明显，球墨铸铁管体开始生锈，管道的使用寿命将会极度缩短。因此，无论是从耐腐蚀性还是耐摩擦性方面考虑，都不能将喷锌+终饰层作为平定向钻进用离心球墨铸铁管的外涂层。
综上所述，在腐蚀性膨润土泥浆且复杂多变的地下施工环境中，常规的130g/m2喷锌或200g/m2喷锌+终饰层的防腐方案已经不能适用。可用的防腐方案包括增强型纤维水泥砂浆外涂层、环氧涂层（平均厚度至少为250μm）、聚氨酯涂层、PE套、HDPE。考虑到外涂层的耐摩擦性和抗冲击性，增强型纤维水泥砂浆外涂层或聚氨酯涂层都是较为推荐的选择。
3 增强型纤维水泥砂浆的性能
目前，水平定向钻进用离心球墨铸铁管采用增强型纤维水泥砂浆作为外涂层是性价比很高的一种解决方案，在国内外的应用范围非常广泛，国外的应用时间超过40年，国内的应用时间超过11年，已有几百起应用案例。本章将着重探讨增强型纤维水泥砂浆的性能及实际应用。
3.1 耐腐蚀性
增强型纤维水泥砂浆外涂层由管道外壁上紧密贴合的若干层组成，第一层是99.99%的纯锌,平均喷锌量达到200g/m2，防腐效果比130g/m2锌提高了一倍以上。第二层是高密度环氧防腐层，厚度≥70um。最外层是公称厚度为5mm的增强型纤维水泥砂浆外保护涂层，由细砂、高强度水泥、纤维增强体和特定添加剂组成，具有高强度耐磨性能，同时还有一定的保温作用。
外壁的三层材料让管道具备了多重防腐的能力，且纤维水泥砂浆中还采用了高密度的小分子有机材料，填充了纤维水泥砂浆中的孔隙，形成更加致密的保护层，这种涂层的防腐性能在标准EN545-2010中进行了规定，具有增强型纤维水泥砂浆涂层的离心球墨铸铁管和管件可以埋设于所有腐蚀等级的土壤中。
3.2 抗冲击性
依据EN545-2010测定纤维水泥砂浆外 涂层的抗冲击性能。漆膜冲击器(冲头重量大约 12.5Kg)，漆膜冲击器垂直于检测涂层表面，冲击器检测头从大约 0.7m 的高度自由下落撞击被检测表面，目测被检测涂层表面有无碎片以及测量圆坑的直径。试验过程图见图6~7。
图6 冲击试验装置
图7 冲击试验后涂层凹坑直径
重复实验，位于承口、插口、中间部位，试验结果见表3。
表3 冲击试验后外涂层凹坑直径
3.3 应用案例
3.3.1 国内首例且单线最长项目
2012年，中国首个离心球墨铸铁管水平定向钻进法施工的项目在山西省平遥县完成，同时也是目前国内单线最长的水平定向钻进用球墨铸铁管线。该项目使用了具有增强型纤维水泥外涂层的DN400牵引管道，穿越人工湖，管线长度达到564米。
3.3.2 穿山特殊项目
2021年，在福建三明的DN500牵引管穿山项目中，300米长的离心球墨铸铁管管线在花岗岩石的孔洞中进行牵引。整个牵引孔洞中都存在山石的棱角刮擦，牵引过程共耗时11小时，施工完成后，管道的外表面仅轻微刮痕，充分验证了纤维水泥砂浆外涂层的超高耐磨性，确保了管线的使用寿命。三明项目穿越出土后的管道见图8。
图8 牵引管道穿越花岗岩孔洞，外涂层未被破坏
4 结论
（1）水平定向钻进用管道需要应对腐蚀性泥浆滑材和地下刮擦，要求管道外涂层具备高耐腐蚀性和高耐磨性。常规喷锌+终饰层的防腐方案一方面涂层不具备耐磨性，另一方面不适用高腐蚀性土壤；可用于高腐蚀性土壤的PE套和环氧涂层的厚度较薄，考虑其耐摩擦性和抗冲击性较弱，因此，增强型纤维水泥砂浆外涂层、聚氨酯涂层、HDPE是较为推荐的外涂层。
（2）从综合性价比和实际应用来看，纤维水泥砂浆外涂层造价适中，抗冲击性强，能够较好地提高离心球墨铸铁管的抗磨损性能，并且这种外涂层具备极强的耐腐蚀能力，能够保障管材适用复杂环境，是水平定向钻进用离心球墨铸铁管应用最广泛的外涂层，也是最优选择之一。
