城市埋地再生水鋼管銹蝕原因分析與防腐技術(shù)研究

高賽君

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司，廣州 510510）

1 引言

城市埋地再生水鋼管銹蝕主要包括兩個方面，一方面來自管道外壁與埋地土壤環(huán)境之間發(fā)生作用，造成了管道外壁腐蝕； 另一方面來自管道輸送水中消毒劑與內(nèi)壁保護(hù)層之間發(fā)生反應(yīng)，造成了管道內(nèi)壁腐蝕[1]。再生水的原水是經(jīng)過城鎮(zhèn)污水處理的出水，其中含有較高濃度的微生物與其他水質(zhì)組成部分。因此，再生水中經(jīng)常投加含氯消毒劑，降低再生水中的微生物含量[2]。但是消毒劑在水中以氯離子與硫酸根離子的形式存在，與鋼管內(nèi)壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，出現(xiàn)內(nèi)壁銹蝕的情況[3]。埋地土壤環(huán)境隨著周圍水質(zhì)環(huán)境而改變，與鋼管外壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，就形成了鋼管外壁銹蝕。本文從鋼管銹蝕的原因，判斷鋼管外壁與內(nèi)壁的銹蝕環(huán)境，并提出一種防腐技術(shù)，為鋼管的高效運(yùn)行提供保障。

2 城市埋地再生水鋼管銹蝕原因

在城市埋地再生水鋼管道內(nèi)，內(nèi)壁在O2、H2O、Cl-、SO42-的影響下，就會出現(xiàn)銹蝕，在輸水過程中形成二次污染。鋼管銹蝕原因與鋼管內(nèi)表面與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)與電化學(xué)作用后，鋼管表面遭到破壞，從而顯現(xiàn)為鋼管銹蝕的特征[4]。在再生水鋼管內(nèi)，水對鋼管內(nèi)壁的腐蝕以電化學(xué)銹蝕為主，在水中碳酸作用下，氧化銹蝕原因表示為：

式中，鋼管中的Fe2+與再生水之間發(fā)生反應(yīng)，生成的氫氧化鐵就是鋼管銹蝕的主要成分。H2則在鋼管內(nèi)流竄，在鋼管銹蝕嚴(yán)重時，H2向鋼管銹蝕嚴(yán)重位置沖擊，造成較為嚴(yán)重的再生水管道泄漏問題。內(nèi)壁的過氧化銹蝕原因表示為：

式（2）、式（3）中，氧化銹蝕生成的H2與水中的O2反應(yīng)之后，生成了雙氧水，該成分與氧化銹蝕生成的Fe（OH）2再次反應(yīng)，形成Fe（OH）3。在鋼管上形成一層Fe（OH）2和一層Fe（OH）3的雙層銹蝕。由于鋼管本身存在許多顆粒，鋼管材料與雜質(zhì)之間存在微作用，在水中形成了微腐蝕電流。鋼管中的Fe2+在水中以陽極的形式存在，其釋放的電子傳遞到鋼管表面，形成陰極，在土壤pH＜7 時陰極發(fā)生反應(yīng)，失去H+，增加OH-，足夠多的OH-與鋼管外壁形成了Fe（OH）2，再在潮濕的土壤中被溶解，再形成Fe（OH）3。二者沉積在鋼管外壁上，沉陷為凹凸不平的銹蝕。在土壤pH＞7 時，土壤呈現(xiàn)為堿性，其OH-與Fe2+發(fā)生的反應(yīng)如下：

式（4）中，OH-與Fe2+發(fā)生反應(yīng)后，生成了FeOOH，在鋼管外壁形成了結(jié)垢，長期附著的結(jié)垢形成了氧濃差局部銹蝕。鋼管銹蝕包括鐵細(xì)菌、硫酸鹽氧化還原菌、硝酸鹽氧化還原菌等微生物，促進(jìn)了鋼管的陰極去極化過程。鋼管外壁銹垢中存在大量的絲狀鐵細(xì)菌，從Fe（OH）2轉(zhuǎn)化為Fe（OH）3過程中，雜質(zhì)充分轉(zhuǎn)化，與細(xì)菌結(jié)合形成更多的水垢、銹蝕，附著在鋼管外壁上，進(jìn)一步促進(jìn)鋼管的陽極溶解過程，以此形成銹蝕循環(huán)，影響鋼管的安全運(yùn)行。

3 埋地再生水鋼管防腐技術(shù)設(shè)計

3.1 使用新型PVC抗腐蝕管材

再生水鋼管在彎頭、三通、四通等位置的銹蝕較為嚴(yán)重，本文在銹蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域包裹一層反滲透膜，并使用新型PVC 管材，抵抗土壤對鋼管外壁的腐蝕。根據(jù)再生水鋼管的實際條件，選取防腐性能較佳的管材，從而延長再生水鋼管的使用壽命[5]。鋼管內(nèi)部銹蝕會降低管道輸水能力，對于銹蝕不嚴(yán)重、水力條件不好的管道，采用刮管的形式，將管道上方銹蝕刮除。并在容易出現(xiàn)銹蝕的彎頭位置，更換高密度聚乙烯管材。管材的直徑減小，輸水阻力隨之減小，在保證輸水能力的條件下，防止彎頭銹蝕。對于鋪設(shè)時間較長的鋼管，其水力條件不佳，外部銹蝕嚴(yán)重，管材材質(zhì)無法滿足防腐需求的，選用新型PVC 抗腐蝕管材進(jìn)行更換。新型PVC 抗腐蝕管材的管徑在DN300 以上，滿足鋼管的抗腐蝕需求?？垢g管材的主要材料包括高分子聚合物、增強(qiáng)纖維絲、增強(qiáng)鋼絲等，由內(nèi)向外依次為功能層、增強(qiáng)層、外表層。在功能層將CPVC、CPE 等材料混合成型，內(nèi)壁較為光滑，外壁抗結(jié)垢性能較佳。增強(qiáng)層由不飽和樹脂與纖維組成，結(jié)合外表層的富脂材料，能夠在密封條件下，保持良好的防腐性能。

3.2 涂覆城市埋地再生水鋼管防腐保護(hù)層

為了進(jìn)一步提升再生水鋼管的防腐性能，本文在新型PVC 鋼管內(nèi)部涂刷一層防腐保護(hù)層。防腐保護(hù)層選用聚氯乙烯粉狀樹脂耐腐蝕材料，管壁更加光滑，避免水垢殘留導(dǎo)致的銹蝕問題。本文根據(jù)城市埋地再生水鋼管中再生水的相關(guān)參數(shù)，選擇內(nèi)防腐材料。再生水供應(yīng)參數(shù)如表1 所示。

表1 再生水供應(yīng)參數(shù)表

如表1 所示，在分析了再生水環(huán)境指標(biāo)之后，根據(jù)水中存在的Fe、Mn、Cl-、NH3-N 等濃度，增加或減少涂襯防腐保護(hù)層，從而達(dá)到鋼管內(nèi)壁防銹蝕的目的。在涂覆防腐保護(hù)層時，以“黃夾克”防腐形式為主。在PVC 管道表層涂覆一層環(huán)氧粉末防腐材料，中間填充-[-O-CONH-]n-泡沫，外部再涂覆一層(C2H4)n材料，使整個鋼管內(nèi)壁處于良好的防腐環(huán)境中。在鋼管外壁，涂覆一層再生橡膠防腐保護(hù)層，并采用HCC 外涂防腐技術(shù)，避免外部土壤對鋼管外壁的腐蝕。環(huán)氧粉末防腐材料的相對分子質(zhì)量為300～2 000，在常溫條件下，防腐材料以軟化、液態(tài)的形式呈現(xiàn)，不會出現(xiàn)固化狀態(tài)，從而避免水垢附著。在鋼管外壁的環(huán)氧保護(hù)層中加入固化劑，使防腐保護(hù)層形成三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而滿足鋼管內(nèi)外防腐需求。此外，鋼管內(nèi)外還可采用熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐涂層，管外壁防腐額外增加犧牲陽極的陰極保護(hù)法，以延長管材的使用年限。

4 實例分析

4.1 工程概況

為了驗證本文設(shè)計的技術(shù)是否滿足城市埋地再生水鋼管防腐需求，以惠州大亞灣石化區(qū)再生水供水工程為例，對上述技術(shù)進(jìn)行分析?；葜荽髞啚呈瘏^(qū)再生水供水工程項目建設(shè)方案為：從大亞灣第一水質(zhì)凈化廠三期工程出水計量槽分水，經(jīng)泵站加壓，末端接入粵電大亞灣綜合能源有限公司綜合能源站項目廠界取水點(diǎn)，再生水壓力管道總長度約為4.1 km，管徑為DN800。通過分析比較和結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗，本次設(shè)計鋼管與球墨鑄鐵管結(jié)合使用，在沿山路、穿越道路、鐵路、河谷等地形復(fù)雜路段采用焊接鋼管；在沿疏港大道、中興南路、濱海大道等市政道路路段敷設(shè)時盡量采用球墨鑄鐵管。

在管道埋設(shè)的過程中，本文根據(jù)巖土工程勘察情況，確定埋地水文環(huán)境，土壤含鹽量較高，存在潮汐影響。鋼管采用內(nèi)外涂覆熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層結(jié)合管外壁陰極保護(hù)的防腐措施，再在管道內(nèi)壁與外壁噴灑除垢劑與緩蝕劑，最大限度地滿足再生水管道的防腐需求。

4.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述條件下，本文隨機(jī)選取出多個不同型號的再生水鋼管，將鋼管放在pH＜7 的水中靜置100 d，每10 d 觀測一次鋼管防腐保護(hù)層氯化鈉的剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分析鋼管的防腐性能。在鋼管正常使用一段時間之后，向鋼管內(nèi)部投入阻垢劑，分析鋼管的防垢性能。在鋼管投入運(yùn)行之后，向鋼管內(nèi)部與外部均勻噴灑緩蝕劑，并在鋼管使用一段時間之后，分析鋼管的緩蝕性能。在其他條件均已知的情況下，使用本文設(shè)計的防腐技術(shù)，得到相應(yīng)的防腐性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 應(yīng)用結(jié)果

如表2 所示，ZS1 管道參數(shù)（管徑×長度）為φ89 mm×3 000 m，ZS2 管道參數(shù)為φ114 mm×9 750 m，ZS3 管道參數(shù)為φ48 mm×800 m，ZS4 管道參數(shù)為φ114 mm×4 300 m，ZS5 管道參數(shù)為φ56 mm×1 250 m，ZS6 管道參數(shù)為φ88 mm×2 400 m，ZS7 管道參數(shù)為φ56 mm×800 m，ZS8 管道參數(shù)為φ88 mm×1 200 m，ZS9 管道參數(shù)為φ108 mm×5 640 m，ZS10 管道參數(shù)為φ65 mm×1 050 m。

將鋼管置于酸性水環(huán)境中，在長時間的腐蝕之下，防腐保護(hù)層氯化鈉的剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，防腐性能越佳。向鋼管內(nèi)部放置阻垢劑之后，防垢率越高，水垢對鋼管內(nèi)壁的腐蝕越小，防腐效果越佳。向鋼管內(nèi)部噴灑緩蝕劑之后，緩蝕率越高，鋼管內(nèi)壁與外壁受到腐蝕的影響越小，防腐效果越佳。由表2 中可知，使用本文設(shè)計的防腐技術(shù)之后，防腐保護(hù)層氯化鈉的剩余質(zhì)量分?jǐn)?shù)在100 d 內(nèi)，始終高于95%，阻垢劑與緩蝕劑加入之后，防垢率高于95%，緩蝕率高于85%，可以滿足鋼管的防腐需求。

5 結(jié)語

近年來，水資源短缺、分配不均勻等問題，嚴(yán)重威脅著居民用水環(huán)境。為了緩解水資源短缺的矛盾，開始大力促進(jìn)污水回用的工作。再生水主要是廢水經(jīng)處理達(dá)到水質(zhì)指標(biāo)后進(jìn)行回用的水，在工業(yè)、城市雜用、景觀等方面應(yīng)用較為廣泛。再生水管道距離較長，受到消毒劑與土壤的影響，管道內(nèi)壁與外壁經(jīng)常出現(xiàn)腐蝕問題，造成管道泄漏的事故。因此，本文研究了城市埋地再生水鋼管銹蝕原因與防腐技術(shù)這一課題。并從抗腐蝕管材、防腐保護(hù)層等方面，將再生水鋼管進(jìn)行防腐處理，為城市埋地再生水鋼管的安全運(yùn)行提供保障。