金属给水管道腐蚀现状及研究进展周　韬(广东珠海市规划设计研究院,珠海519002)摘　要:　介绍了国内外关于城市金属给水管道腐蚀的研究现状及进展,着重阐述了输配水系统中金属管道的腐蚀特性、主要危害及控制措施。

关键词:　供水管网;　金属管道;　腐蚀;　水质Research and Development of Corrosion of Metallic Pipe in WaterDistribution SystemZHOU Tao(Z huhai I nstitute of Urban Planning and Design,Zhuhai519020,China)Abstract:　T his paper introduced the progress and current studies of corrosion of metallic pipe in water distributio n sys-tem.M oreover it emphatically expounded the character,main hazard and control methords of co rrosion of metallic pipe. Key words:　w ater distributio n sy stem;　metallic pipe;　cor ro sion;　water quality 近些年来,随着水处理技术与工艺的不断进步与完善,城市水厂供水水质通常已能达标,但是自来水在管网输配过程中,往往由于管网腐蚀等原因发生“二次污染”,水质出现不同程度的下降,严重时出现用户水质指标超标以及管网“红水”、“有色水”、“黑水”等现象,对人民生活及工业用水的安全和正常使用造成严重影响。

因此,在饮用水工业中,管道腐蚀长期以来都是改善和提高用户水质的一个重大瓶颈问题,受到各国的重视[1]。

在城市供水领域中,金属管道作为主要给水管材之一已经应用了几个世纪,根据统计,我国目前90%以上的供水管道是铸铁管、钢管,近几年新建的给水管道仍有85%采用金属管道。

因此,金属管道腐蚀在今后较长时期内仍将是影响管网水质的主要原因之一。

我国关于金属管道腐蚀的研究工作起步较晚,当前很多城市的输配水管网仍没有建立起相对完整有效的腐蚀防护体系,腐蚀状况普遍十分严重。

因此,开展相关课题的调查研究对于维持输配水系统的正常运行,控制和提高管网水质具有极其重要的意义。

1　金属腐蚀基本理论1.1　金属腐蚀的本质及分类金属腐蚀,就是金属与周围环境(介质)之间发生化学或电化学作用而引起的破坏或变质。

金属腐蚀的现象与机理十分复杂,分类的方法多种多样[2]。

1)按照腐蚀形态分类(1)全面腐蚀,是指腐蚀分布在整个金属表面上,它可以是均匀的也可以是不均匀的。

一般而言,这类腐蚀易于控制和监测,危害性不大。

(2)局部腐蚀,是指腐蚀主要集中在金属表面的一定区域。

这类腐蚀不论是控制还是监测都比较困难,并且易于造成局部破坏引起重大事故。

局部腐蚀又可以分为小孔腐蚀(点蚀)、斑点腐蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、氢脆、磨损腐蚀、裂缝腐蚀等。

2)按照腐蚀机理分类(1)物理腐蚀,是指金属由于单纯的物理溶解作用而引起的破坏。

(2)化学腐蚀,是指金属表面与非电解质直接发34生纯化学作用而引起的破坏。

(3)电化学腐蚀,是指金属与离子导电的介质(电解质)发生电化学作用所引起的破坏。

电化学作用既可单独引起金属腐蚀,又可和机械作用、生物作用共同导致腐蚀。

在城市供水管网中,金属管道的腐蚀主要是电化学腐蚀。

1.2　金属电化学腐蚀基本原理金属处于腐蚀介质中时,由于金属表面物理或化学性质不均匀,即构成腐蚀电池。

如图1所示:阳极发生氧化发应,金属释放电子溶解,成为离子态进入电解质溶液;阴极发生还原反应,氧化剂获得电子被还原,氧化剂通常是氢离子(酸性溶液中)或溶解氧(中性或碱性溶液中),在输配水系统中溶解氧是主要的氧化剂;电子在金属中传递形成腐蚀电流,离子在电解质溶液中传递形成离子流。

阳极反应:MM n ++n e(1)阴极反应:2H ++2eH 2(酸性介质)或(2)O 2+2H 2O +4e4OH-(中性或碱性介质)(3)以上电化学过程即构成了完整的腐蚀电池反应。

当腐蚀电池的阴阳极区在金属材料表面较均匀的随机分布时,便发生均匀腐蚀;当阳极区面积很小而阴极区面积很大时,就导致严重的局部腐蚀。

图1　金属腐蚀示意图以上电化学腐蚀过程,多数伴随有微生物的参与并发生重要作用。

根据统计,每年因微生物腐蚀造成的损失,占金属腐蚀损失的10%左右,地下管线腐蚀的50%～80%是由微生物引起或参与造成的。

在供水管网中,微生物腐蚀主要以铁细菌和硫酸盐还原菌为主。

铁细菌是一类能将二价铁盐氧化成三价铁化合物,并能利用此氧化过程中产生的能量来同化二氧化碳进行生长的细菌的总称。

铁细菌容易在铁质管道内壁附着生长,从管道表面吸收铁分,作为其生长繁殖所用。

产生的氢氧化铁,经过长期积累成为褐铁矿(针铁矿、纤铁矿、水针铁矿、水纤铁矿以及含水氧化硅、泥质等的混合物),形成结瘤,所以它们不仅能造成机械堵塞,而且还能形成氧差电池,持续腐蚀管道。

硫酸盐还原菌是一种厌氧菌,能还原硫酸盐为硫化物,它们利用有机物为给氢体,在还原硫酸盐的过程中获得能量。

硫酸盐还原菌代谢产生的硫化氢是强还原剂,具有强腐蚀性,因此硫酸盐还原菌对金属的腐蚀趋向于孔洞腐蚀,导致铁管由于局部的穿孔而发生破坏。

根据国外研究成果,金属管线的腐蚀半数以上是由该菌参与或引起的。

2　输配水系统中常用金属管材的腐蚀特性及应用现状 1)镀锌钢管镀锌钢管的镀锌层容易遭受侵蚀性水体的腐蚀,尤其是低硬度水体;在温度较高或热水系统中,腐蚀速度加快;其腐蚀程度受管道制作工艺及镀锌层性能影响大。

镀锌钢管发生腐蚀可能给水体带来铁、锌、钙、铅污染物。

由于镀锌钢管极易发生腐蚀,工业发达国家已经较少应用。

但它具有加工制作简单,价格低廉的优点,因此在我国很多中小城市,镀锌钢管仍作为小口径用户配水管大量沿用。

近年来,随着新型管材的不断推出以及水质标准的提高,已经逐渐采用PE 管、不锈钢管等替代镀锌钢管。

2)钢管钢管通常易遭受均匀腐蚀,在溶解氧和余氯含量高,缓冲能力差的水体中遭受腐蚀较为严重。

钢管腐蚀可能给水体带来铁污染,造成浊度升高及“红水”现象。

在城市供水管网中,钢管作为主要金属管材之一已经应用了5个世纪。

虽然钢管易发生腐蚀,但它具有耐压力高,韧性强,管壁薄,重量轻等优点,因此在城市供水领域仍将大量沿用。

3)铸铁或球墨铸铁管对于侵蚀性强的水体,易于遭受冲蚀;在缓冲能力差的水体中,易于生成腐蚀瘤。

铸铁管腐蚀可能给水体带来铁污染,造成浊度、色度升高及“红水”现象。

铸铁及球墨铸铁管耐腐蚀性能较好,价格便宜,缺点是质脆,质量大、不均匀、易于发生爆管。

在城市供水领域中,它主要作为大口径供水干管使用。

4)不锈钢管与铜管不锈钢管与铜管管均具有良好的耐腐蚀性,在国外应用广泛,但由于价格昂贵,国内应用较少,多35应用于用户小口径配水管及热水系统的中小口径管道。

以深圳市深圳水务集团市政管网(未包含小区与用户管网)为例,其钢管、铸铁管和球墨铸铁管分别占27%、21%和4%,金属管道在市政管网中比例超过50%。

深圳特区的供水管网建设年限不长,但根据用户问卷调查显示,投诉水中有杂质、沉渣、铁锈,水管破旧,腐蚀生锈,有漏水问题的在用户投诉中占80%以上。

由此可见,我国城市金属供水管网的腐蚀状况及其造成的管网维护与水质恶化等问题十分严重。

3　金属管道腐蚀产物及其主要危害3.1　腐蚀产物的形态结构及其主要成分自来水在管网中长期运行和停留,会在电化学和微生物作用下持续腐蚀金属管道,产生的腐蚀产物聚集在管道内壁,逐渐形成沿管道内壁环生的腐蚀垢层,也称之为“生长环”[3];腐蚀垢层的生长是不均匀的,在腐蚀较为严重的局部通常会形成半球状腐蚀瘤,腐蚀瘤形状各异,大小不一,将密集分布于管道内壁,如图2所示。

图2　铸铁管内壁腐蚀瘤给水管网内壁腐蚀垢层的形成与生长是长期而复杂的过程,它的物理结构与化学成分,与管材、管网水质及水力条件密切相关。

水质的影响因素包括pH 、硬度、碱度、缓冲强度、自然有机物(NOM )浓度、溶解氧(DO )浓度和水温等;水力的影响因素包括流速、流态及水流方向的变化;水处理工艺中采用的缓蚀剂同样对腐蚀瘤的形成与成长起着重要的影响(缓蚀剂在国内城市供水领域应用较少)。

由于腐蚀瘤形成与成长过程的影响因素复杂,不同材质、不同位置、不同管径的管段附着的腐蚀瘤都可能有着不同的物理化学性质,但研究表明它们仍然有许多相似的属性。

Benjamin 等人发现铁管腐蚀瘤内物质的化学成分通常包括α-FeOOH 、γ-FeOOH 、Fe 3O 4、γ-Fe 2O 3、5Fe 2O 3·9H 2O 、FeO 、FeCO 3、Fe (OH )2、Fe (OH )3、CaCO 3、绿垢(green rusts )等。

同时,腐蚀垢层表面还可能吸附和沉积管网水体中的泥砂、杂质、重金属、有机污染物及微生物等。

3.2　金属管道腐蚀的主要危害1)严重影响管网通水能力,增加水头损失与输水能耗。

根据上海、天津等市定期测定管网粗糙系数统计,发现无防腐措施的管道输水能力已降低了1/3以上。

2)对管网的安全运行造成重大影响,管道长期腐蚀引起管壁变薄、穿孔、破裂导致管网安全事故与水体“二次污染”。

3)增加管网的更换和维护费用,造成巨大的直接或间接经济损失。

美国供水协会(AWWA )于1999年估计,美国的供水企业在今后20年内将花费3250亿美元来更新城市供水管网。

4)使管网水质浊度、色度、细菌种类和数量、铁、锰以及有毒重金属离子浓度等水质指标恶化,引发管网“红水”、“黑水”或“有色水”现象。

对占全国总供水量42.44%的36个城市调查表明,出厂水平均浊度为1.3度,而管网水增加到1.6度;色度由5.2度增加到6.7度;铁由0.09mg /L 增加到0.11mg /L ;细菌总数由6.6cfu /m L 增加到29.2cfu /mL [2-5]。

根据芝加哥1968年供水管网水样与出厂水水样的水质对比得出,镉、铬、钴、铜、铁、铅、锰、镍、银、锌等元素的浓度在15%～67%的水样中有所增加。

4　金属管道腐蚀主要控制措施1)采用物理或者化学方法在管道内壁形成保护膜,阻隔水体与管壁的接触。

例如水泥砂浆衬里、环氧树脂薄膜等,或者投正磷酸盐、硅酸盐等缓蚀剂。

2)改善管道使用的金属材料物理化学性质以及管道的加工制作工艺,增强管体材料的耐蚀性和材质均匀性,从而阻滞电化学腐蚀反应以及局部腐蚀的发生,有效减缓腐蚀。

3)合理设计管网布局和结构,避免出现“死水”区域以及水力条件急剧变化的情况,使管道内壁表面水流性质稳定均匀。