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浅谈地下供水管网腐蚀原因及应对措施
来源:齐鲁石化供排水厂 | 作者:魏晓 | 发布时间: 2024-04-11 | 137 次浏览 | 分享到:

摘要:地下供水管网由于常年埋地下,在外部腐蚀和内部腐蚀的作用下,管网发生不同程度的腐蚀泄漏,造成供水损失量增加,管网腐蚀泄漏可能会导致管网压力骤降、管网停运、装置停车等严重后果。对地下供水管网腐蚀原因进行分析并找出相应的应对措施,是供水管网安全运行的基础,是企业安全稳定发展的保障。


关键词漏点、内部腐蚀、外部腐蚀、防腐、措施


引言

齐鲁石化供排水厂西夏配水站主要担负着乙烯新区和部分老区生产用水及乙烯新区和周边农村生活用水的供水任务。其中生产水由热电专线、东西系列主管网和环状管网组成。主管网长约24km,自1985年投用以来,已经连续使用了31年之久。由于长期埋置于地下,受到土壤环境和供水水质的影响,管网发生不同程度的腐蚀泄漏,直接影响安全稳定供水,对供水水质、节能降耗和节水减排等工作带来了巨大困扰,每年用于管网漏点的处理费用也是很大的一笔支出。

由于供水管线使用年限增加,管网漏点增加,仅2014—2015年供水管网出现17次泄漏,生产管网漏点具体分布(见图):

生产线漏点分布情况:增塑剂苯酐北环5处漏点,氯乙烯南环3处漏点,聚氯乙烯北环6处漏点,制奈区域3处漏点。中心路东西主干线运行正常,漏点全部在环状供水线上或支线上,其中环状供水线11处,支线6处漏点。(见表1)

表1     生产供水管网腐蚀调查情况(2015年4月)

说明:检测壁厚13处,腐蚀严重的管段均出现在供水环状线上。其中腐蚀速率最高点出现在塑料厂北环,为3.76mm/30a,壁厚减少1/3多。

部分管线腐蚀出现漏点图片

增塑剂苯酐北环                                      增塑剂苯酐北环

聚氯乙烯北环                                         生产管线连接处盲肠


一、供水管网腐蚀原因分析

乙烯供水管网的腐蚀既包括管道外腐蚀也包括管道内腐蚀,但是管道的内腐蚀仅占腐蚀实效的1/6 ,主要是外腐蚀所造成的失效。

(一)外部腐蚀

影响外部腐蚀的因素是土壤腐蚀,土壤腐蚀的影响因素有:土壤的通气性、含水量、土壤温度、电阻率、溶解离子的种类和数量、PH值、缓冲能力、氧化还原电位、有机质、土壤粘土矿物的类型和含量、中性盐及硫化物和硫酸盐的含量、微生物等。

土壤水溶液中的盐类影响金属腐蚀的途径有:1、改变溶液PH值;2、赋予氧化还原性能;3、增大电导率;4、阴阳离子对腐蚀过程的特殊作用。多数盐类往往同时通过几种途径起作用。

土壤中所含Cl-和SO42-等离子的数量,对土壤腐蚀行为有很大影响。钢铁在土壤中的腐蚀过程是氧的去极化过程,当铁失去电子成为离子时,若土壤中含有大量可溶性盐和水时, 则进入土壤溶液的亚铁离子易与Cl-和SO42-等离子化合, 生成溶于水的铁化合物:FeCl2和FeSO4等,会加速钢铁的腐蚀。Cl-是一种腐蚀最强的阴离子,会破坏钢表面的钝化膜而导致腐蚀加速。C1-含量越高,土壤腐蚀性越强。S042-不仅对钢质管道的腐蚀有促进作用,而且对某些混疑土材料也产生腐蚀。(见表2)

表2     土壤对钢结构腐蚀性评价

通过对金属管道的腐蚀过程分析,对乙烯供水管网的腐蚀泄漏从以下几方面分析原因。

外部腐蚀因素:1、防腐层破坏,腐蚀多以点蚀泄漏为主;

2、土壤中的含水量、PH、电阻率、Cl-含量;

为分析环境对管网腐蚀的影响,在供水管网上对不同区域分别对土壤样品进行分析,结果(见表3)

表3     土壤样品含量分析

聚氯乙烯北环土壤电导率明显比其他区域高,特别是氯离子含量较高,这应该是与其所处的环境有关,一路之隔就是盐堆,该区域所生产的液氯产品也是导致土壤氯离子增加的一个原因。氯离子含量增加,导致土壤的腐蚀性增加,管网出现泄漏的几率增加。

乙烯供水管网漏点多以点蚀形式出现,漏点附近的防腐层消失,原因是在施工过程中防腐质量没有达到要求,另外,在施工完成后的回填过程中,也没有注意对防腐层的保护,造成防腐层损伤,导致形成腐蚀漏点。(增塑剂苯酐北环是个明显的例子)

(二)内部腐蚀

给水管道在长年的运行中,由于物理、化学、电化学、微生物等作用,管道壁会出现渗漏的现象,而且会影响供水水质。通过专家取样调查结果分析,凡是没做内衬的管材,使用 5 年以上均百分之百地被锈蚀,尤其是普通铸铁管材更为明显,结出 5cm高的锈瘤。从管道中取出的锈块,大的约有 6cm,可见管道腐蚀的严重性。供水管道内部严重的腐蚀结垢,还造成管径断面缩小,有的 DN100 管的断面仅相当 DN50 管的断面或者更小,严重影响管网水质及输水能力。特别是中小口径钢管,由于管内壁没做好防腐,管外壁防腐层太薄,造成管道严重腐蚀,以致管道缩径很厉害,影响水质水压,加大了管网运行负荷。

当管网水流流速增大时,管道内表面的层流层减薄,通过该水层的氧的扩散补给速度增加,促进锈蚀;当流速再增大时,氧供给增大,铁管表面氧气过剩利于钝化,反而腐蚀减少;若流速继续增大,由于紊流将发生气蚀,因机械作用使铁管表面产生空隙腐蚀。供水管道内层流层、紊流层流态对金属腐蚀影响与雷诺数、流速、管径和长度以及管的表面条件有关。对于管网流速的研究,尤其需要注意管网流速低和水流停滞区等不利条件,低流速下的腐蚀速率变化较复杂,没有明显的规律性。

氯离子和硫酸根离子严重影响着铁制管材的腐蚀。德国提出一项“中性盐/碱度”比值(Larson 指数),对水中氯化物和硫酸盐的含量进行了限制,具体要求是:管网水中 :

LI=(2[SO42-]+[Cl-])/[HCO3-]<1。水中氯离子和硫酸根离子可以促进腐蚀的现象,腐蚀速率的增加仅仅与氯离子和硫酸根离子的浓度有关,而与水溶液中的阳离子浓度无关。

溶解氧对金属腐蚀具有显著的影响。氧可以作为电子受体被还原成氢氧根离子,同时金属 Fe 被氧化为铁锈。反应如下:

Fe+0.5O2+H2O←→Fe2++2OH-

Fe2++0.25O3+0.5H2O+0.5O2←→Fe(OH)3 (s)

3FeCO3 (s)+0.5O2←→Fe3O4 (s)+3CO2

4 Fe3O4 (s)+O2←→6Fe2O3 (s)

溶解氧对钢的腐蚀速率存在双重影响。研究发现,水溶液中管网的腐蚀速率与溶解氧浓度呈线性关系;而当溶解氧浓度较高时,会形成钝化层阻止进一步腐蚀。某市给水市政管网进行布点取样,发现水中溶解氧浓度一般为 7~10 mg/L,相应的铁含量低于 0.20 mg/L;但在距离水厂最远的管网末端取样发现,溶解氧浓度为 2~4 mg/L,相应的铁含量在 0.60 mg/L 以上,最高铁含量为 1.4 mg/L。

水温是管网水质的一个重要指标,金属表面温度随着水温的增加而增加,按照化学动力学规律,氧向金属表面扩散的速度加快,二价铁在水溶液中的扩散速度加快,电解质的电阻降低,因而腐蚀速度加快。同时,水温升高,管网微生物的活性也显著提高,加速了微生物腐蚀进程。管网水温在工程实践中是不可人为调控的因素,与水厂所处区域、水源选择(地下水或地表水)以及季节变化有关。


二、管网腐蚀措施

(一)供水管材的选择

目前,供水行业常用管材主要有金属管、水泥管、钢筋混凝土管、塑料管等。据统计,我国 80%以上的供水管道是灰口铸铁管。由于灰口铸铁管质地较脆,不耐振动和弯折且易产生锈瘤,因此当饮用水经过铸铁管时,容易引起水质的二次污染,影响水质的化学稳定性。因此,对金属管进行防腐处理或选择非金属的耐蚀管材可有效降低和避免管网腐蚀。从防止管道腐蚀角度考虑,非金属管材具有一定的优越性。UPVC、PE 等塑料管道不会发生金属腐蚀,而采用塑料衬里的铸铁管等也可较好地阻止铁的腐蚀;同时塑料管内壁粗糙系数很低,光滑的内壁可显著提高管道输水能力,减小输水能耗;同时管网微生物不易在管壁上附着,有效抑制了管壁生物膜的生长。但塑料材质在水中可能发生溶解反应,某些管材会向水中释放污染物,如 PVC 管中加入的热稳定剂铅盐,以及 PVC 聚合时残存的单体都可能转移至水中,引起水质污染。因此,现在一些地区已不再使用 PVC 作为给水管材,而采用更为稳定的其它塑料管材如 PE 等。从工程造价角度考虑,在小口径供水管道方面,钢管价格较高,铸铁管次之,PE、UPVC 价格较低,钢筋混凝土管最低,随着管径的增大,塑料管的经济性降低,中小口径管道球墨铸铁管较经济;大口径方面钢筋混凝土管最经济。

(二)除锈工艺

除锈工艺较之其他防腐工艺更为简便,只需用砂纸、钢丝刷或电动砂轮机将被涂工件表面浮锈、焊渣、油污及疏松物除去,擦净达到平整干燥既可施涂。需要强调的是被涂工件表面浮锈、油污等杂物必须除净,否则会影响涂料的附着力和涂敷质量。

(三)防腐材料的选择

埋地钢管外防腐措施常见做法有环氧煤沥青涂料、熔结环氧粉末、3PE 防腐、聚氨酯涂料、环氧树脂玻璃钢等。

环氧煤沥青漆。环氧煤沥青的耐水性、防腐性能好,漆膜坚韧、附着力大、机械强度高、耐盐碱性能好、吸水率小,使用温度为 -20 ~100 ℃,使用寿命长达50 a。用于螺旋焊钢管 防腐时必须与玻璃丝布一起作为加强层,但环氧煤沥青漆膜较薄,玻璃丝布与漆膜不易融合,布与布之间易漏涂出现鼓包,漆膜涂刷易厚薄不均,影响防腐效果。与纯环氧煤沥青覆盖层相比,其抗冲击性、绝缘性、耐介质腐蚀性较弱。除现场施工因素外,玻璃丝布的加厚是造成防腐层出现质量问题的客观原因。因此,该材料不能用于盐漠段强腐蚀地基螺旋焊钢管的防腐,但可以用于腐蚀性中等的戈壁段球墨铸铁管的外壁防腐。球墨铸铁管外壁表面粗糙,不宜用玻璃丝布作为加强层,一般球墨铸铁管常规的防腐处理是采用纯浆液防腐,在除锈后的球墨铸铁管外壁先喷一层金属锌作为底层,再在金属锌层的表面喷涂环氧煤沥青漆,漆膜质量牢固可靠,因此球墨铸铁管的外壁防腐推荐使用环氧煤沥青漆。

3PE 防腐结构为 3 层,其底层为熔结环氧粉末层,中间层为胶结层,第 3 层为聚乙烯(PE)膜材料层。3PE 结构是将熔结环氧的黏结力强与聚乙烯的抗机械划伤性能有机地结合起来,聚乙烯本身又具备较强的抗酸、抗盐碱能力,不受微生物侵蚀,结构层均匀,质量可靠,因此是盐、碱地带首选的防腐蚀材料,使用寿命超过40 年。3PE 防腐与环氧煤沥青相比防腐效果更好,因此强腐蚀性土壤环境基段螺旋焊钢管道的外防腐材料首选 3PE。

管道的内防腐常见的有水泥砂浆内衬法、液体环氧涂料、内衬塑料方法等。水泥砂浆内防腐水泥砂浆内防腐除了具备取材容易,价格低廉,使用寿命长等突出特点,但养护周期长,在通水前应做好养护措施,避免干裂脱落

(四)牺牲阳极阴极保护

强腐蚀性土壤环境对管道的腐蚀作用很强,因此对敷设管道的防腐技术提出了更高的要求。在这种土壤环境条件下,单一的防腐技术已无法满足输水钢管安全运营的要求,因此选择外防腐层和阴极保护的联合防腐技术。

(五)提高供水管道的施工质量

严格按照施工图纸及设计规范施工,不可随意变更设计、减少施工工序。管道底部一定要平整,不得凹凸不平,不得含有石块等物,管身及承口都要切实着地;砌筑阀门井时,在管顶部、底部要留有一定空隙,以免沉降时压坏管道。管材在运输、堆放及安装时不要损坏承插口,不得硬摔,安装前要严格检查管材外观。支墩的后背必须紧靠原状土,若有空隙,要用相同的材料填实;柔性接口的三通、弯头等处,必要时要用铁夹板带槽钢用特制螺栓拧紧,再支墩加固,以免产生位移,防止与其他管道交叉时损坏给水管道。管道相互交叉时,其净距离应≥ 300m m ,给水管道应加强防护套管,以免沉降时引起集中荷载,损坏给水管道。回填土必须夯实,密实度应达 90%以上,管道工程竣工后必须进行打压试验。管道上不许建房,建筑工程基槽开挖时,应确保基槽边坡距给水管道≥ 3.0m ,要有专人到施工现场监督。

(六)焊接工艺要求

焊接过程是钢制压力管道工程施工的关键过程和主要过程,故对压力管道的焊接质量有着极为严格的要求,除要求焊接接头为完全熔透焊缝外,对压力管道的耐蚀性以及焊缝表面的质量也有着具体的焊接标准,焊缝的表面(罐内、外)应平缓、均匀,不得有明显的凸凹焊道。焊接技术人员应根据焊接工艺评定并结合施工现场的实际条件制定切实可行的焊接工艺指导书,焊工必须严格执行焊接工艺,以保证压力管道工程中的焊接质量。

(七)合理控制管道中水的流速

一般来讲,任意管径的管道都有一定的经济流速范围,所谓经济流速即一定年限内,管网造价和管理费用的最经济的流速,为了防止管网因水锤现象出现事故,在技术上最高流速限制在 2.5-3 米/秒的范围内,为避免水中杂质在管内沉积,最低流速应大于 0.6 米/秒。

(八)利用仪器对管网进行检查

随着运行时间的推移管线会不同程度的产生锈蚀和老化,一部分漏点会因为所处的位置,会因土壤松散、路面坚硬、地下空洞不会流出地面,这样平时巡检无法发现,造成极大的水资源损失,因其特点日常巡检基本无法发现,会长期存在于地下泄漏,利用区域泄漏普查系统—多探头相关仪(soundsens)对供水管网进行分区域的普查,如若发现漏点,能在不开挖供水管线的情况下精确定位漏点位置,精度小于30MM。


三、结束语

管网腐蚀的因素较多,要根据具体的内部和外部环境进行具体的分析,根据不同的腐蚀原因制定不同的防腐措施,现阶段管网防腐的方法比较有限,所以管网腐蚀的原因分析和对应措施任重而道远。


参考文献

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[2] 吉林省水利水电勘探设计研究院. 环境水合土壤对输水管道的腐蚀性分析与评价,李成华2013.1.

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[5] 天津渤海职业技术学院. 浅议城市给水管道腐蚀控制技术策略,崔迎 2011.9.

[6] 东莞市东江水务有限公司. 大口径供水管道的防腐技术探讨,黄建2012.9.


第一作者介绍:魏晓(1986.11),男,2009年7月毕业于吉林建筑工程学院,获得学士学位,现于齐鲁石化供排水厂工作,从事设备学科研究方向。