城市给水管网腐蚀机理及防护措施

管道技术与设备

Pipeline　Technique　and　Equipment

2008　

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　450001)

　　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:TU503　　文献标识码:A　　文章编号:1004-9614(2008)03-0050-02

MechanicsofCorrosiononPipeNetworksof

WaterSupplyandPreventionMeasures

YANGHong-tao,CONGPing,ZHOURong-min

(SchoolofEnvironmentandWaterConservancyofZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

Abstract:Againsttheharmfulnessofthecorrosionsofpipenetworksforwatersupply,itputsforwardmanymeasuresfromtheangleofmechanicsofcorrosion,suchasimprovingthequalityofwater,reinforcingthewaterqualitymonitoringofpipenetworks,usingnon-metalpipes,paintcoat,cathodicprotection,andpipewashing,toreducethecorrosionandupgradethequalityofwatersupplyandpreventsecondarywaterpollution.

Keywords:pipenetworksofwatersupply;mechanicsofcorrosion;measures0　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[1]。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[2]。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Fe(OH),进一步氧化成2Fe(OH)3附着于管壁面。主要的反应式如下:

2+-Fe※Fe+2e-0.5O2+H2O+2e※2OH--2H++2e※H2

2+

Fe+2OH-※Fe(OH)2

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499倍的Fe(OH)另外,铁3,所以有时能使水管严重堵塞;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Gallionella、铁细菌属Cmothrix、纤毛菌属Leptothrix、球衣菌属Sphaerotilus及鞘铁细菌Siderocapsa.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[2],在铁、硫细菌参与下的腐蚀速度会增大300～500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Arthrobact-er、奈瑟氏球菌属Neisseria、芽孢杆菌属Bacillus、黄杆菌属Fla-vobacterium、不动细菌属Acinetobacter、库特氏菌属Kurthia、微球菌属Micrococcus、葡萄球菌属Staphylococcus、棒状杆菌属Corynebacterium.真菌包括镰孢属Fusarium、毛霉属Mucor、青霉属Penicillium、曲霉属Aspergillus、黏帚菌属Glicladium、链格孢Alternaria.1.3　水质的影响1.3.1　pH值4Fe(OH)OH2O※4Fe(OH)2+2+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:2007-11-28　　收修改稿日期:2007-12-05　　　第3期

杨宏涛等:城市给水管网腐蚀机理及防护措施

2.3　采用非金属管材

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pH值呈中性时,腐蚀速度不受pH值影响;pH值偏酸性时,发生放氢反应,腐蚀速度加剧;pH偏碱性时,腐蚀速度随pH值增加而减小。pH值发生变化时,Fe(OH)3部分脱水生成铁锈(Fe)沉积于管壁,由于Fe2O3·H2O2O3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(TDS)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

2+3+

为Cu、Fe等氧化性重金属离子时,则对阴极极化过程有害;2+2+2+2+2+而Ca、Zn、Fe则产生防蚀作用。如果水中含Ca、Mg

预应力或自应力钢筋混凝土管、聚氯乙烯(PVC)管、PVC管的衍生品硬质聚氯乙烯(UPVC)管、玻璃钢/聚氯乙烯(FPR/PVC)复合管、玻璃钢/聚丙烯(PEP/PP)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3km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pH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0.5～1mm厚即可达到防腐要求,经2h的养护后便可投入清洗、排水。2.5　阴极保护[5]

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Al、Mg、Zn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。

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。Cl等卤族元素是产生点蚀和---3--应力腐蚀的原因之一,SOOl影响小,POiO4或N3比C4、S3

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80℃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[3]。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[4]:影响水的腐蚀性指标通常有pH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LI指数、CI指数、AI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Fe、Mg、Do、色度、导电率、pH、碱度、硬度;凝土管和石棉水泥管测定导电率、pH、碱度和Ca硬度,石棉水泥管测石棉纤维。

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2500Ψ·cm)或金属管外露时使用较宜,如图2所示。

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62页)

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PipelineTechniqueandEquipment

May.2008　

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

　　聚合物溶液在普通钢管中的黏度平均损失率为3.28%,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。

(上接第51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[6]

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,2006.

[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,2006.

[3]　朱云巧.试论给水管道腐蚀的防治.中国科技信息,2005(18):

114.

[4]　SINGLEYEJ.Thesearchforacorrosionindex.AWWA,1981,73

(11):579-582.

[5]　严煦世,范瑾初.给水工程.4版.北京:中国建筑工业出版社,

1999.

[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,2001(1):38-40.

[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.2004,23(8):54-55.

[8]　司清华.供水管网腐蚀的原因分析及措施.河南化工,2005,22

(6):41-42.

作者简介:杨宏涛(1982—),研究方向为给水排水工程。

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(1964—),教授,从事教学和油气田开发科研工作。

(上接第60页)

2.2　力学性能

对材料进行拉伸试验,试验方法按标准GB/T228—2002执行,验收标准按照DIN1725—1983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JB/T10617—2006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

-0.96MPa;水中Cl含量不超过25mg/L;保压30min,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　SF6试验

金属波纹管补偿器进行SF6气密性定性检查,试验压力0.48MPa;定量检查,依据GB/T11023—89以及GB7674—

1997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JB/T10617—2006要求贴相关产品标识。参考文献:

[1]　GB11023—89　高压开关设备SF6气体密封试验方法.[2]　GB7674—1997　72.5KV及以上气体绝缘金属封闭开关设备.[3]　JB/T10617—2006　高压组合电器用金属波纹管补偿器.[4]　GB/T12777—1999　金属波纹管膨胀节通用技术条件.[5]　EJMA—1998　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,2007

(1):43-44.

[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,2007(5):47-48.

[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,2000.

[9]　GB/T3280—2007　金属材料室温拉伸试验方法.[10]　DIN1725—1983　铸造铝合金.

作者简介:王福新(1964—),高级工程师,主要从事质量管理与控制工

作。