管道锈蚀的调查分析

戴英 徐一为

　　天津市是国内使用自来水较早的城市之一，城市的供水系统已有近百年的历史。1898年的供水管道，部分还在管网系统中运行使用。许多管道的使用年限较长。我市的水源主要以地表水为主。由于水源水质复杂，药剂投加量较大，管道运行流速偏低等因素，造成管道内壁产生较厚的“环状锈垢”，给供水管道运行带来了许多的不良后果。

　　从90年代初，我公司领导和有关技术人员，对这个问题十分重视。组织力量，结合管道施工、维护等工作，开展了管道内部锈蚀、结垢的调查工作。面对全市多公里供水管道的复杂情况，考虑到城市的正常供水和时间、经济、技术等因素，确定了从管道的不同的年限、不同地点、不同口径及距水厂的不同距离和不同水源等几个方面，调查我市的供水管道内部锈蚀结垢情况，并从其成因危害以及如何防治几个方面开展研究工作

一、管道内部锈蚀结垢的调查结果

　　管道内部锈蚀结垢调查工作，运用结合管道施工、维护等工程及对感兴趣的管段定点取样的方法，经过一年半的时间，共取得管道结垢锈蚀样76个，具体情况见附表：(注：管径单位为mm)

　　在这76个管道锈样中，大部分呈瘤状，由棕黄色、坚硬的氧化铁壳体组成，壳内由黑色的氧化亚铁组成，Fe0₂ 硫化铁FeS等松质组成，少部分呈其它形状的锈垢，如尖峰状、粉末状等。其化学成分为铁占80%，硅占15%，微量元素占。我们把这些锈样按颜色、硬度、形状、厚度及化学成分，分成AB、C、D 四类：
　　A 类：锈垢形状密连的小耸峰，棕黄色，机构的外层尖细，硬度大，内层有少量的黑色松质，厚度为 9-12mm，n值约为 0.02 ，占总数的14% ，多为 60 年代前铺设的老管道。管材质量优于 60 年代以后使用的连续铸管。这类锈样的取样管段多为流速较大的管段，沉积、氧化过程机会少，主要是锈蚀形成。
　　B 类：形状为连续突起的褐色小山包，外层是硬度大的壳体，壳内充满黑色软质，厚度为 10-20mm ，n 值约有 0.025 ，占总数的28% 。其金属含量中，Cd、Mn、Zn、Cu、TFe、TCr 的指标明显高于其它锈样，SO₄^2- 和 Cl^- 离子，含量较高，是锈样中颜色较深的一类。
　　C 类：形状为圆突密连的瘤体，外层为黄色壳状，内为黄色的松质物，厚度为 20-25mm ，n 值约在 0.026-0.030 之间，占总数的54% ，是最普遍的一种，多为 70-80 年代使用的连续铸管，管材密度较低，是最易腐蚀的一种管材。
　　D 类：形如粉末状，强度最低，颜色分黑灰和黄色两种，分层依次堆积，厚度30-35mm，n 值约在 0.030，占总数的4% 。取样的管段处于市区外围井水和河水交替供水的管段。锈块中，Na、Mn、Si 的含量比其它锈样高出几倍，是由大量泥沙沉淀形成的较厚结垢。

二、管道内部锈蚀的产生原因

　　水是溶解力强的溶媒，可以说没有什么物质不溶于水。金属被水溶解，对金属而言，呈现出所谓的腐蚀现象。供水管道系统内的管材，主要是铁管，铁管输送水就会被水溶解，产生腐蚀，其主要理论有：
　　1.氧化理论（Acid.theory）：由于水中的碳酸（H₂CO₃）作用，铁变成碳酸亚铁，接着再被水中的氧所氧化，成为氢氧化铁。
　　2. 过氧化理论（Peroxide.theory）：铁首先和水化合成氢氧化亚铁，这时产生的氢气和水中的氧化合生成 H₂O₂ 之后，氢氧化亚铁和 H₂O₂ 化合生成氢氧化铁。
　　Fe+2H₂O → Fe（OH）₂ +H₂^↑
　　H2+O₂ → H₂O₂
　　2Fe（OH）₂ + H₂O₂ → 2Fe（OH）₃（锈）
　　3. 电化学理论（ Electrochemical . theory ）：腐蚀是由电化学反应而引起的，首先生成的是氢氧化亚铁，在碱性水中，与氧化合生成氢氧化铁，形成膜而停留在金属表面。在酸性水时，先与水中碳酸形成的 CO₂ 化合成重碳酸亚铁 [Fe（HCO3）₂] 后再与水中氧化合成的氢氧化铁，以浮游形成从水中析出沉淀。
　　此外，在腐蚀中，还有一些能用微电池——浓差电池或氧差电池机理说明的腐蚀。
　　当水在管道里与铁接触，通过各种途径开始腐蚀，在氧化皮的缝隙或管内凹凸不平的粗糙面上，形成许多微小的腐蚀电池 , 开始腐化，产生沿着水流方向的膜或壳。如果这种电化学或微电池作用代表全部腐蚀过程的话，我们应该看到的是一个空泡，但实际上，我们发现的这些空泡，经过一段时期后，变成了大小不均的瘤状结垢，硬壳内充满了氧化亚铁和硫化铁等物质。这是因为，当金属表面由于氧化形成二价氢氧化铁与中性水接触形成的三价铁（膜或空壳）并不是永远贴附在管壁上，保持静止。只要水中不断有 O₂ 溶入，就可能通过破裂的膜向内一层层运动，把部分亚铁离子氧化成铁离子，经过一段时间，这些氧化铁浓度超过一定的比例，磁性氧化铁或其它亚铁化合物就会不断地析出，并产生酸性物质，后者继续与金属作用，在产生新地亚铁盐，不断循环。在水处理过程中，投加 FeSO₄ 和 Cl₂ 也参加反应，同时析出大量的 SO₄ ^2- 和 Cl^- 使得锈蚀内的亚铁盐几硫化铁增加并氧化。
　　在不断氧化循环腐蚀的同时，锈壳内的各种盐类不断积累，促使铁细菌依靠盐类的氧化而不断繁殖，尤其是靠近管壁，氧的含量比外界较贫乏，更加有利于铁细菌的生存。铁细菌在生存过程中吸收亚铁盐，排除的氢氧化铁产生大量沉淀，细菌周围就会有大量的粘泥，使壳体充满并不断增大，引起管道的严重堵塞。这种堵塞是沿管壁四周均匀逐渐生长的，并可形成管道内壁的垢下腐蚀现象。所以，水中氧是电腐蚀的开始，而硫酸盐类还原细菌是腐蚀结垢的原因，铁细菌则是大面积腐蚀管道的另一原因。
　　在调查的 76 个锈样中，我们还发现，在供水条件相同的区域中，不同质量的铸铁管，锈蚀的程度也大不相同，一些 70-80 年代铺设的管道锈蚀程度大于60 年代前，尤其是解放前的老管道。为此，我们对其中的 8 个锈样做了金属含量与金相化验。结果表明，金属含量均符合国家标准，但从金相报告中反应出8 个管材试样的组织结构有差别，主要是石墨的形状不同，大小不适中，造成管道的密度不同。
　　灰铸铁是由金属基体和片状石墨组成。而石墨的形状和分布，主要受化学成分的含量与制造时冷却速度的影响。如果石墨片较薄，大小不适中，会直接影响金属基体的连续性，而影响铸铁的机械性能和防腐蚀性能。 8 个试样中，均匀厚片状石墨的铸铁管，腐蚀程度较轻，而菊花状和树枝状的薄片型石墨管材，其机械性能比较差，腐蚀程度较严重。
　　在给水管道内部产生锈蚀结垢的因素中还有一个方面，就是管道内水的流速对锈垢产生的影响。在调查的 76 个锈样中，由于管径的不同，生锈量也有显著的不同。这是因为锈蚀的产生与水的流速大小有关。当水是酸性时，其腐蚀为氢型的腐蚀。这时，由于受氢过电压所支配，所以不受流速大小的影响。当水质近于中性状态时（相同于自来水），因其腐蚀是夺取水中的氧，生成氢氧化铁地氧型腐蚀。所以，供给氧气是否适量与锈蚀的情况有很大关系。

　　在铁与水相接触的表面上，有一层附着在其上的不流动的薄水层，流速增大，则水层变得更薄，通过该水层水流中的氧的扩散，补给就容易，因而促进锈蚀。但是在一定范围内，流速再加大，氧供给量继续增加，则铁的表面由于氧气过剩而趋于钝态化，反而使腐蚀减小。流速再加大，由于紊流将发生气蚀，因机械作用，使金属表面受耗损并产生空隙腐蚀。小口径管道由于流速处于较小范围，所以锈蚀多。同样厚的锈垢，管道口径愈小，则通水量减少得愈多。相反，大口径管道，流速偏大，锈蚀也因趋于钝态而减少。

三、管道内部锈蚀的危害

　　给水管道内部锈蚀结垢后，会降低管道的输水能力，污染供水水质，破坏管道的机械强度，危害无穷。
　　1.供水能力下降，供水电耗增加
　　管道的“环状锈垢”产生，缩小了有效直径，增加输水阻力，使管道运行的水头损失增大，造成用水户水量和水压的严重不足。在取样的管道上，我们做了部分管段的摩阻值测定：“Mannings”n 值一般在 0.022-0.030 ，最高的一处 DN200 管 n 值达到 0.0382 ，由此，可以看出锈蚀结垢对供水管道的影响之大。
　　由于锈垢使管道的摩阻大幅增高，在保证正常供水，满足生产，生活需要的条件下，水厂送水的水泵扬程就要提高，供水电耗也随之增大，造成供水企业的经济效益损失极大。
　　2.污染供水水质
　　天津市供水的出厂水质交好，特别水浊度一项出厂时仅为 0.5-1 度，但这样低浊度的供水在通过管道的输送后，由于管道内壁的锈蚀结垢中部分 Fe（OH）₃可浮游于水中，锈垢块中有2%-3%可溶于水中（理化鉴定结果），使水质受到二次污染，出现“红水”现象。特别是当管道内流速、流向发生变化时，就会有大量的“红水”甚至“黑水”出现，造成供水水质事故。
　　3.管道的强度降低
　　从锈蚀结垢管材截面的金相片可以看到，铸铁管壁受到腐蚀的金属有1/5 - 1/4变成了黑色，黑色部分的大小与附着在管壁上的锈瘤部分相对应，而黑色部分则是铸铁组成中铁的一部分变成锈而溶出，剩余的大量是石墨。这一变黑的石墨层，就失去了铸铁原有的性能和强度。石墨化的黑色部分甚至可用小刀削落。在管道供水运行中，受到水压冲击或外部荷载时，极易出现爆管、折管等漏水事故。

四、管道锈蚀结垢的防与治

　　认识到管道锈蚀结垢的危害性之大，我们就要对它进行预防和根治，以减小其危害。预防主要从量个方面着手：一方面调改水处理的药剂，使用聚合类混凝剂，调整水的pH值，投加防腐剂；另一方面，新的管道工程在选择管材时，要选择材质好、有可靠的防腐内衬的管材，如带水泥浆衬里的球墨铸铁管或UPVC、PE等管材。
　　对于管道锈垢的治理，可有计划地更换管道，或对旧有管道进行刮管涂衬，刮管涂衬可根据不同地锈蚀结垢情况，采用不同的方法，有高压水冲洗法、清洗法、机械刮管等多种方法。涂衬地种类可根据管径的大小、长短等条件，采用喷涂水泥砂浆、环氧树脂、穿套软管等办法。这些，都可以有效地治理管道锈蚀结垢的问题。