城市给水管网腐蚀机理及防护措施.pdf

2 0 08正 第 3期 麓 Pi pe l i ne 技 术 Te c h ni q ue 设 各 Eq ui p me n t 2 0 0 8 No 3 城市给水管网腐蚀机理及 防护措施 杨宏涛 ， 丛苹， 周荣敏 ( 郑州大学环境与水利学院， 河南郑州4 5 0 0 0 1 ) 摘要： 针对给水管道腐蚀的危害性， 从给水管网腐蚀机理出发， 提 出可通过提高出厂水质、 加强管网水质监测、 采用非 金属管材、 管道涂衬、 阴极保护、 加缓蚀剂、 高压水射流清洗等措施， 控制给水管网的腐蚀， 以提 高给水管网的水质， 防止管 网水质 的二 次污染。 关键词： 给水管网； 腐蚀机理； 措施 中图分类号： T U 5 0 3 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 4 9 6 1 4 ( 2 0 0 8 ) 0 3 0 0 5 0 0 2 M e c h a ni c s o f Co r r o s i o n o n Pi pe Ne t wo r ks o f W a t e r S up pl y a nd Pr e v e nt i o n M e a s ur e s YANG Ho n g t a o ， C ONG P i n g ， Z HOU Ro n g rai n ( S c h o o l o f E n v i r o n me n t a n d Wa t e r C o n s e r v a n c y o f Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ag a i n s t t h e h a r mf u l n e s s o f t h e c o r r o s i o n s o f p i p e n e t wo r k s f o r wa t e r s u p p l y ， i t p u t s f o r w a r d ma n y me a s u r e s f r o m t h e a ng l e o f me c h a n i c s o f c o rro s i o n， s uc h a s i mpr o v i ng t h e q u a l i t y of wa t e r，r e i n f o r c i ng t he wa t e r q ua l i t y mo ni t o r i n g of p i pe n e t wo r k s， u s i n g n o n m e t a l p i p e s ， p a i n t c o a t ，c a t h o d i c p r o t e c t i o n ， a n d p ip e w a s h i n g ， t o r e d u c e t h e c o rr o s i o n a n d u p g r a d e t h e q u a l i t y o f w a t e r s u p p l y a n d p r e v e n t s e c o n d a r y wa t e r p o l l u t i o n Ke y w o r d s ： p ipe n e t w o r k s of w a t e r s u p p l y ； m e c h a n i c s o f c o rr o s i o n ； m e a s u r e s 0 引言 管道腐蚀是造成管网水质二次污染的主要原因， 不仅可能 导致管网水的浊度、 色度、 细菌种类和数量、 有毒重金属含量等 水质指标恶化， 而且可能引起管壁变薄及穿孔漏水 ， 缩短管道 使用寿命 ， 降低管道输水能力和增加输水能耗等 。从引起管 道腐蚀的机理出发， 提出通过采取防腐措施， 可有效防止供水 管网腐蚀的形成， 提高给水管网水质。 1 给水管道的腐蚀机理 1 1 电化学腐蚀 金属管道的内腐蚀首先是电化学腐蚀 的过程， 并受阴极过 程控制 。以钢管为例， 阳极过程中， 铁以离子形式进入水中， 同时将电子留在金属中； 水中 H 和氧吸收电子被还原而产生 吸氧或 析 氢腐 蚀。在管 壁 生成 F e( O H) ： ， 进一 步 氧化 成 F e ( O H) ， 附着于管壁面。主要的反应式如下： F e F e 。 +2e一 0 502+H20 +2eu 20H 一 2 H +2eu H2 F e +2 0H一 一 F e ( 0 H) 。 4 F e ( o H) 2 + 0 2 + H 2 0 F e ( O H ) 3 1 2 微 生物腐蚀 给水系统存在铁细菌、 硫酸盐氧化( 还原 ) 菌、 黏液异养菌 群、 硝酸盐氧化( 还原) 菌等微生物 ， 它们往往直接参与和干扰 腐蚀过程 ， 形成微生物腐蚀， 其中最常见的是铁细菌和硫酸盐 氧化( 还原) 菌和黏液异养菌群。 收稿 日期 ： 2 0 0 71 1 2 8 收修改稿 日期 ： 2 0 0 71 20 5 铁细菌是一种特殊的营养菌类， 它依靠铁盐的氧化， 以及 在有机物含量极少的清洁水中， 利用细菌本身生存过程 中所产 生的能量而生存。由于铁细菌在生存期间能排出超过其本身 体积 4 9 9 倍的 F e ( O H) ， 所以有时能使水管严重堵塞； 另外， 铁 细菌又常在管内壁附着生长形成结瘤 ， 形成氧浓差局部腐蚀。 常见的参与金属腐蚀的铁细菌为： 嘉氏铁柄杆菌属 G a l l i o n e l l a、 铁细菌属 C mo t h r i x 、 纤毛菌属 L e p t o t h r i x 、 球衣菌属 S p h a e rot i l u s 及鞘铁细菌 S i d e r o c a p s a 不同属的铁细菌其特性不同， 适宜的生 长条件及影响因素各有差别 ， 因此， 需要对不同管路进行针对 性的研究， 有针对性地提出腐蚀控制策略。 硫酸盐氧化( 还原) 菌一种腐蚀性很强的厌氧细菌， 它常存 在于管内壁上， 在没有氧气的条件下 ， 在金属管道电化学过程 中主要在阴极起极化剂作用 ， 能反硫酸盐还原成硫化物， 这样 就加快了管道的腐蚀结垢速度。据报道 ， 在铁、 硫细菌参与 下的腐蚀速度会增大 3 0 0 5 0 0倍。 黏液异养菌群主要是通过菌群的代谢形成黏泥或管垢 ， 为 硫酸盐还原菌提供厌氧环境 ， 同时可降低水质或造成管道堵 塞。在各个领域有报道的黏液异养菌包括节细菌属 A r t h r o b a c t e r 、 奈瑟氏球菌属 N e i s s e r i a 、 芽孢杆菌属 B a c i l l u s 、 黄杆菌属 F l a - v o b a c t e r i u m、 不动细菌属 A c i n e t o b a c t e r 、 库特氏菌属 K u r t h i a、 微 球菌属 Mi c r o c o c c u s 、 葡萄球菌 属 S t a p h y l o c o c c u s 、 棒状 杆菌属 C o ryn e b a c t e r i u m 真菌包括镰孢属 F u s a r i u m、 毛霉属 Mu c o r 、 青霉 属 P e n i c i l l i u m、 曲霉属 A s p e r 6 1 1 u s 、 黏帚菌属 G l i c l a d i u m、 链格孢 Al t e r na r i a 1 3 水质 的影 响 1 3 1 p H 值 维普资讯 第 3期 杨宏涛等： 城市给水管网腐蚀机理及防护措施 5 1 p H值呈中性时， 腐蚀速度不受 p H值影响； p H值偏酸性 时， 发生放氢反应 ， 腐蚀速度加剧； p H偏碱性时， 腐蚀速度 随 p H值增加而减小。p H值发生变化时， F e ( O H ) 。 部分脱水生成 铁锈( F e O 。 H ： O) 沉积于管壁， 由于 F e ： O 。较松散 ， 故对管壁 不会产生致密保护层。 1 3 2 水 中溶解性物质 水中溶解性固体 ( T D S ) 增加 ， 其导电率增加， 局部电流也 增加， 同时腐蚀产物离开金属表面， 会导致腐蚀速度加快。水 中溶解的离子对管道的腐蚀也有影响， 其中水 中溶解的阳离子 为 c u 、 F e 等氧化性重金属离子时， 则对阴极极化过程有害； 而 c a 、 z n 、 F e 则产生防蚀作用。如果水中含 C a 、 Mg 盐较多， 由于水中的重碳酸钙在钢表面形成碳酸钙膜， 阻止了 溶解氧的扩散， 所以腐蚀性小。c l 一 等卤族元素是产生点蚀和 应力腐蚀的原因之一， S O ；或 N O 3-比 c l 一 影响小， P O ； 一 、 s i o ； 等有缓蚀作用。另外 ， 水中溶解氧的消耗也会加快管道的腐蚀 速度。 1 4流速的影响 腐蚀速度开始随流速增加而增加， 这是由于管壁表面溶氧 增多 ， 加快阴极吸氧速度。当流速增加到一定程度 ， 氧到达管 表面的速度可建立起氧化条件， 使钢铁钝化， 腐蚀速度急剧下 降。直到流速增加到更高， 出现机械破坏表面保护层， 腐蚀速 度重新增加。 1 5 温度的影响 研究表明： 在敞口体系中， 温度在到达 8 0前 ， 腐蚀速率 随温度升高而增加， 后又逐渐降低； 而在封闭系统中， 腐蚀速率 随温度升高而不断增加。 2 给水管道腐蚀 的防治措 施 2 1 提高 出厂水质 提高出厂水质是控制给水管道腐蚀的根本途径 J 。每种 水都具有腐蚀性 ， 其强弱与水的理化特征和所接触材料的表面 性质有关。一般情况下， 与水质恶化有关的腐蚀主要受生物过 程调控 ， 可对消毒工艺和消毒类型进行调整。氯仍是 国内主要 的消毒剂， 在使用氯进行消毒处理时， 应注意两种错误的倾向： 一 些水厂没有对 出厂水进行消毒 ， 因此即使出厂水质较好， 管 网水质也很难保证 ， 有些水厂加氯量偏大 ， 虽然加氯量越多， 消 毒效果越好 ， 但是加氯量越多， 副作用也越大， 因此应该避免。 2 2 加 强管网水质 监测 建立管网腐蚀监测系统有利于尽早发现和预报水质恶化 情况， 便于水厂和用户采取对策 ； 收集和积累水质的基本运行 数据， 为水厂的运行管理提供理论依据， 为水系统内腐蚀 的控 制研究提供试验数据。有关资料表明 ： 影响水的腐蚀性指标 通常有 p H值、 碱度、 硬度和溶解性的固体 ， 这些参数用于计算 腐蚀指数( 例如 l J I 指数、 c I 指数、 A I 指数)， 分析水的腐蚀性。 因此， 可根据原水水质和管材选择确定水质分析项 目。例如 ， 铸铁管和球墨铸铁管及钢管测定 F e 、 Mg 、 D o 、 色度、 导电率、 p H、 碱度、 硬度 ； 凝土管和石棉水泥管测定导电率 、 p H、 碱度和 c a硬 度， 石棉水泥管测石棉纤维。 2 3采用非金属管材 预应力或自应力钢筋混凝土管、 聚氯乙烯( P V C )管、 P V C 管的衍生品硬质聚氯乙烯( U P V C) 管、 玻璃钢 聚氯乙烯( F P R P V C ) 复合管、 玻璃钢 聚丙烯( P E P P P ) 复合管等塑料管 ， 具有 质量轻、 耐腐蚀、 管壁光滑、 水流阻力小、 防垢等优点， 建议在室 内管道和管网末端大量采用。最近， 中、 高密度聚乙烯塑料管 也在国外广泛使用。它比一般的聚氯 乙烯管强度更好， 可耐腐 蚀和防止内部结垢 ， 造价比钢管低。这种管材施工多用焊接， 可以连接很长， 有的连成 3 k m长再敷到沟内。 2 4 管道涂衬 对于一些有轻微腐蚀和结垢的管道， 定期安排进行管道冲 洗、 消毒 ， 冲洗后进行涂衬 ， 以减缓管道腐蚀的速度； 对于新敷 设的管道， 一次性处理后可大大延长使用寿命。管道常用附加 内衬的方法主要有两种类型： 水泥砂浆衬里和环氧树脂涂衬。 2 4 1水泥砂 浆衬 里 水泥砂浆衬里是在管道的内部喷涂砂浆， 靠 自身的结合和 管壁的支托 ， 结构牢靠。它的粗糙系数比金属小， 对管壁能起 到物理性能保障， 同时也能起到防腐的化学性能。水泥与金属 管壁接触 ， 能形成很低的p H值。 2 4 2环氧树脂涂衬 使用环氧树脂和硬化剂混合后的反应型树脂 ， 可以形成快 速、 强劲、 耐久的涂膜， 它具有耐磨性、 柔软性 、 紧密性。喷涂 0 5 1 m m厚即可达到防腐要求， 经 2 h的养护后便可投入清 洗 、 排水 。 2 5 阴极保护 阴极保护是保护水管的外壁免受土壤侵蚀的方法。根据 腐蚀电池原理 ， 两个 电极 中只有阳极金属发生腐蚀， 所以阴极 保护的原理就是使金属成为阴极， 以防止腐蚀。 2 5 1 消耗 阳极 材料法 如使用 A 1 、 Mg 、 Z n等， 隔一定距离用导线连接到管线( 阴 极) 上， 在土壤中形成电路 ， 结果是阳极腐蚀 ， 管线得到保护 ， 如 图 1所示 。 、Ms 、 z n等阳极材料 图 1 不用外加 电流的 阴极保护法 2 5 2通入 直流电法 在管线附近的废铁和直流电源的阳极连接， 电源的阴极接 到管线上， 因此可防止腐蚀 ， 在土壤电阻率高( 约2 5 0 0 1 2 c m) 或金属管外露时使用较宜， 如图 2所示。 一 图2应用外加 电流的阴极保护法 2 6 加缓蚀剂 主要是在金属表面形成一层薄膜 ， 将金属( 下转第6 2页) 维普资讯 6 2 Ma y 2 0 0 8 廉小 恳 流量 ( r n e h 一 ) 流量 ， ( m h ) 图 3 未熟化聚合物 混合液流 图 4 未熟化聚合 物混合 液流 经普 通 钢管 起 、 终 点黏 经塑料 合 金 复合 管 起 、 度对 比图 终点黏 度对 比图 聚合物溶液在普通钢管中的黏度平均损失率为 3 2 8 ， 存 在流量大( 即流速大) 黏度损失高的变化趋势。 ( 2 ) 未熟化的聚合物混合液无论在普通钢管还是塑料合金 复合管的流动过程中， 其黏度均没有降低 ， 反而增高， 如图3 、 图 4所示 。 说明聚合物溶液在管道流动中确实存在熟化现象。可能 是管道中的机械剪切转变成促进聚合物进一步溶解的搅拌动 力， 促使聚合物溶液在管道中熟化。 通过实验可以发现， 聚合物混合液在管道 中黏度的增加 比 例随管中流量的增加而增加， 但管道中的机械剪切作用存在正 负不同影响关系， 随着流量增加， 这种 由机械剪切转变成聚合 物溶解搅拌动力， 有可能成为聚合物溶液降解机械剪切力， 由 于实验设备限制， 未能测到其拐点， 其流量的影响关系有待于 进一步探讨。 4 结束语 实验说明了管道中的机械剪切作用对于聚合物溶液存在 正负影响关系， 在 3次采油实际生产中， 将对聚合物溶液的降 解机械剪切力转化为促进聚合物进一步溶解的搅拌动力， 促使 聚合物溶液在管道中熟化， 对 3次采油实施低成本、 高水平、 高 效益、 可持续发展具有重大意义。 实验证明了采用管道熟化的可能性， 但聚合物溶液管道熟 化技术参数、 熟化工艺流程则有待进一步研究。 作者简介： 倪玲英( 1 9 6 4 一 ) ， 教授 ， 从事教学和油气田开发科研工作。 ( 上接第5 1页) 表面覆盖起来 ， 从而与腐蚀介质隔绝， 防止金属 腐蚀。缓蚀剂所形成的膜有氧化物膜、 沉淀物膜和吸附膜 3种 类型。已经应用的有氧化物型缓蚀剂、 水中离子型缓蚀剂和金 属离子沉淀膜型缓蚀剂。 2 7 高压水射流清洗 目前 ， 多采用高压水射流对管网进行周期性清洗 ， 高压水 射流清洗原理是用高压泵打出高压水 ， 并使其经水管到达喷嘴 再把高压力低流速的水转换为低压力高流速的射流 ， 以其很高 的冲击动能 ， 连续不断地作用在被清洗表面 ， 从而使垢物脱 落， 恢复管道通水能力， 抑制腐蚀发生， 实现高效、 节能的清洗 效果 。 3 结束语 由于影响管道腐蚀的环境因素很多 ， 不同的防腐蚀技术有 各 自的使用条件和局限性。在工程实际中应当针对不同给水 管道的实际情况和技术经济条件 ， 选用经济、 简单有效的防腐 技术。为了进一步寻求新型高效的给水管道防腐技术与方法， 有待于进行更深入的管道腐蚀机理研究与探索。 参考文献 ： 1 任基成， 费杰 城市供水管网系统二次污染及防治 北京： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 6 2 伊学农 ， 任群 ， 王 国华 ， 等 给水 排水管 网优化工程 设计与运 行管 理 北京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 3 朱云巧 试论给水管道腐蚀的防治 中国科技信息， 2 0 0 5 ( 1 8 ) ： 1 1 4 4 S I N G L E Y E J T h e s e a r c h f o r a c o r r o s i o n i n d e x A WWA ， 1 9 8 1， 7 3 ( 1 1 )： 5 7 9 5 8 2 5 严 煦世 ， 范 瑾初 给水 工 程 4版 北京 ： 中国建 筑 工业 出版 社 ， 1 9 9 9 6 秦 国治 ， 田志明高压水 射流清 洗技术 及其应 用 管 道技术 与设 备 ， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 3 8 4 0 7 侯广玉， 孙忠芳， 尚教庆， 等 供水管道腐蚀成因及机理分析 油气 田地面工程2 0 0 4 ， 2 3 ( 8 ) ： 5 45 5 8 司清华 供水管网腐蚀的原 因分析及措施 河南化工， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 6 ) ： 4 1 4 2 作者简介 ： 杨宏 涛( 1 9 8 2 一 )， 研究方 向为给水排水工程 。 ( 上接 第 6 0页) 2 2 力学性能 对材料进行拉伸试验， 试验方法按标准 G B T 2 2 8 -2 0 0 2 执行， 验收标准按照 D I N 1 7 2 5 -1 9 8 3执行。 2 3 外观 、 尺寸 、 形 状位 置公 差检查 对照图纸、 技术协议以及 J B T 1 0 6 1 7 -2 0 0 6要求检查。 2 4 水压试验 压力表精度等级为 1 5 ； 试验时采用有约束试验， 试验压力 0 9 6 MP a ； 水中 C l 一 含量不超过2 5 m g L ； 保压 3 0 m i n ， 保压过程 中金属波纹管补偿器不允许有渗漏、 损坏、 失稳等异常现象。 2 5 S 试验 金属波纹管补偿器进行 s 气密性定性检查， 试验压力 0 4 8 MP a ； 定量检查 ， 依据 G B T 1 1 0 2 3 8 9以及 G B 7 6 7 4 1 9 9 7中有关 规定 进行 泄漏 率计 算， 要 求其 泄漏 率不 大 于 0 5 年 。 3 补偿器 的包 装 包装前应用工业酒精对产品进行擦洗 ； 安装密封面保护 盖； 安装 4个等距螺栓支撑 2个松套法兰， 防止运输过程中对 波纹的挤压； 将产品放置到塑料包装袋 内； 包装箱应足够结实， 同时包装箱应按照 J B T 1 0 6 1 7 -2 0 0 6要求贴相关产品标识。 参考文献： 1 G B 1 1 O 2 3 8 9 高压开关设备 s 气体密封试验方法 2 G B 7 6 7 4 1 9 9 7 7 2 5 K V及以上气体绝缘金属封闭开关设备 3 J B T 1 0 6 1 7 -2 0 0 6 高压组合电器用金属波纹管补偿器 4 G B T 1 2 7 7 7 - 1 9 9 9 金属波纹管膨胀节通用技术条件 5 E J M A-1 9 9 8 美 国膨胀节制造商协会标准 6 丁艳平 高压组合电器用金属波纹补偿器 管道技术与设备， 2 0 0 7 ( 1 ) ： 4 3 4 4 7 丁艳平 高压组合电器用金属波纹补偿器行业标准编制说明 管 道技术与设备 ， 2 0 0 7 ( 5) ： 4 74 8 8 李永生 ， 李建 国 波形 膨胀节 实用技 术设 计 、 制 造与应 用 北 京 ： 化学工业出版社 ， 2 0 0 0 9 G B T 3 2 8 0 -2 0 0 7 金属材料室温拉伸试验 方法 1 O D I N 1 7 2 5 -1 9 8 3 铸造铝合金 作者简介： 王福新( 1 9 6 4 一) ， 高级工程师， 主要从事质量管理与控制工 作 。 维普资讯