市政給排水管道縫隙的腐蝕問題分析與控制

許亮芳

（中天設(shè)計集團有限公司，吉林 長春 130012）

在經(jīng)濟迅速發(fā)展的時代背景下，利用現(xiàn)有的科學技術(shù)，為人們打造更高的生活質(zhì)量成為當前市政的重要工作[1]。其中，市政給排水管道決定了自來水給排水安全性，對人們生活影響較大。在使用過程中，存在典型的金屬腐蝕問題，主要表現(xiàn)為局部腐蝕、縫隙腐蝕等，因管道腐蝕，導致生活設(shè)施失效，不僅給人們生活帶來了不便，而且也會造成一定經(jīng)濟損失[2]。目前，關(guān)于管道縫隙腐蝕的研究比較少。考慮到施工期間，管道外部施加機械應(yīng)力[3-4]。所以，該文嘗試以機械應(yīng)力作為干擾因素，探究市政給排水管道縫隙的腐蝕特性，同時對電化學腐蝕內(nèi)容進行探究。

1 市政給排水管道縫隙腐蝕特性研究

1.1 試驗材料

該研究選擇TP140套管鋼作為研究材料，該材料的化學成分包括C含量0.03%，Mn含量0.93%，Si含量0.26%，Cu含量0.08%，S含量0.001%，P含量0.006%，Ti含量0.002%，Ni含量1.20%，Cr含量1.03%，Nb含量0.002%，Mo含量0.43%，余量為Fe[5]。

1.2 試驗方法

該研究同時施加拉伸應(yīng)力，對管道施工造成一定干擾，觀察管道縫隙腐蝕情況，從中得出一些試驗研究結(jié)論。該試驗根據(jù)《用三氯化鐵溶液測定不銹鋼及有關(guān)合金耐點腐蝕和縫隙腐蝕的標準試驗方法》，結(jié)合裂隙腐蝕試驗的標準，設(shè)計試驗方案[6-7]。其中，試樣的外形尺寸為30mm×40mm×3mm，采用四點彎曲實驗法，向管道施加應(yīng)力。為了準確控制應(yīng)力，該試驗利用擾度計進行控制，同時在試樣上安裝四點彎夾具，使試樣得以固定[8]。試驗期間，應(yīng)力施加范圍0σ～1.0σ。其中，σ為屈服強度。關(guān)于管道縫隙的模擬，該實驗在試樣的中間部位預(yù)留縫隙區(qū)域，規(guī)格10mm×15mm，利用具有耐高溫特性的雙面膠固定。

關(guān)于市政給排水管道腐蝕研究環(huán)境的布設(shè)，該研究通過配置介質(zhì)，模擬出試驗環(huán)境。其中，配置成分為Na+、K+、Mg2+、Ca2+、SO42-、Cl-、HCO3-，含量分別為76000mg/L、6600mg/L、560 mg/L、8 300 mg/L、450 mg/L、12 900 mg/L、190 mg/L。

該試驗選取電子顯微鏡作為管道腐蝕情況觀察工具，以掃描的方式采集相關(guān)信息。試驗操作包括6步：1）準備有縫試樣和無縫試樣，將這些試樣放入器皿內(nèi)進行浸泡，控制器皿內(nèi)溫度98 ℃，持續(xù)浸泡300 h。2）從器皿中取出試樣，按照GB/T16545標準清理管道表面腐蝕物。3）對取出的腐蝕物采取脫水處理，此處使用到的試劑為無水乙醇。4）吹干脫水后的腐蝕物，并稱重，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。5）整理數(shù)據(jù)，對不同條件下的試驗數(shù)據(jù)進行分類，計算每種條件下管道縫隙的腐蝕速率。6）利用輪毅測試儀測量腐蝕輪廓，應(yīng)用至不同環(huán)境，來測量該項指標參數(shù)，從而獲取腐蝕深度數(shù)據(jù)。

另外，該試驗還增加了電化學腐蝕測試環(huán)節(jié)，選取電化學工作站作為交流阻抗譜和極化曲線測試工具，分別對每個試樣進行測試。關(guān)于三電極體系的構(gòu)建，包括工作電極、輔助電極和參比電極，對應(yīng)的物質(zhì)分別為被測試樣、Pt、Ag/AgCl。試驗期間，控制環(huán)境溫度為80℃，顯微鏡掃描試樣速度為1mV/s。為了更好地觀察測試結(jié)果，該研究利用Zsimpwin軟件進行擬合，以曲線圖的形式展示測試結(jié)果。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 外加應(yīng)力條件下管道縫隙腐蝕特性

2.1.1 腐蝕速率測試

該實驗在試樣上施加的應(yīng)力條件有4種，分別是0、0.6σ、0.8σ、1.0σ，施加應(yīng)力后，按照上述試驗步驟，測量試樣腐蝕速率，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，測量試樣包括無縫隙和有縫隙試樣，經(jīng)過浸泡處理后，測試腐蝕速率，結(jié)果見表1。

表1 試樣腐蝕速率測試結(jié)果

沒有施加應(yīng)力情況下，無縫隙試樣的腐蝕速率為0.535mm/a，有縫隙試樣的腐蝕速率為1.839mm/a。施加應(yīng)力以后，兩種試樣的腐蝕速率皆發(fā)生變化，從整理來看，無縫隙試樣的腐蝕速率明顯小于有縫隙試樣腐蝕速率，其腐蝕速率約為有縫隙試樣腐蝕速率的1/3，并且受應(yīng)力的影響較小。另外，應(yīng)力的增加，2種試樣的腐蝕速率呈現(xiàn)出先增加后減小，而后繼續(xù)增加的變化規(guī)律。其中，有縫隙試樣腐蝕速率更大，當應(yīng)力為0.6σ時，腐蝕速率為1.945mm/a；應(yīng)力為0.8σ時，腐蝕速率為1.902mm/a；應(yīng)力為1.0σ時，腐蝕速率為1.965mm/a。

由此看來，該文研究的TP140鋼是否受外應(yīng)力的影響，只要存在裂縫，鋼的腐蝕速率就會明顯加大，并且施加應(yīng)力以后，腐蝕速率更大。

2.1.2 腐蝕深度測量

利用腐蝕輪廓儀測量縫隙試樣在不同應(yīng)力作用下的腐蝕深度情況，其中，外應(yīng)力條件設(shè)置為3種，分別為0.6σ、0.8σ、1.0σ，施加應(yīng)力后，按照上述試驗步驟，測量試樣腐蝕深度，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表2所示。

表2 TP140鋼縫隙腐蝕深度測量結(jié)果

當外加應(yīng)力逐漸增加時，平均腐蝕深度和腐蝕深度最大值變化規(guī)律相同，均為先減小，而后逐漸增加的變化趨勢。其中，施加0.8σ外應(yīng)力條件下，兩項參數(shù)數(shù)值均達到最小，由此可以判斷，該應(yīng)力條件產(chǎn)生的縫隙腐蝕程度最小。該項測量結(jié)論與腐蝕速率測試結(jié)論相同。

之所以會出現(xiàn)此類情況，主要原因是管道水環(huán)境中存在HCO3-離子，受環(huán)境影響，TP140鋼出現(xiàn)腐蝕情況，此過程發(fā)生的化學反應(yīng)如公式（1）～公式（4）所示。

試驗中，未向管道施加外應(yīng)力時，TP140鋼受環(huán)境影響發(fā)生化學反應(yīng)，由公式（1）和公式（2）可知，鋼表面發(fā)生腐蝕后形成產(chǎn)物膜。施加外應(yīng)力后，上述化學反應(yīng)速度增加，當其表面生成一層產(chǎn)物膜以后，產(chǎn)生外界隔離作用，因此延緩了腐蝕。該原理說明了腐蝕速度隨著外應(yīng)力的增加而減慢，導致0.8σ條件下，腐蝕速度和腐蝕深度2項參數(shù)都呈現(xiàn)出減小的變化趨勢。在該基礎(chǔ)上繼續(xù)增加外應(yīng)力，此時鋼材料出現(xiàn)塑性變形，導致表面腐蝕速度增加，所以出現(xiàn)了腐蝕速度和腐蝕深度2項參數(shù)增加的變化趨勢。

2.2 電化學腐蝕特性

該研究選擇腐蝕電流密度、陽極塔菲爾斜率、陰極塔菲爾斜率、腐蝕電位作為測試指標，對TP140鋼電化學腐蝕參數(shù)進行測試，結(jié)果如表3所示。

表3 TP140鋼電化學參數(shù)測試結(jié)果

未施加外應(yīng)力情況下，有縫條件下腐蝕電位-711 mV，腐蝕電流密度0.11mA/cm-2，無縫條件下腐蝕電位-639mV，腐蝕電流密度0.04 mA/cm-2。當鋼管表面施加外應(yīng)力后，腐蝕電位、腐蝕電流密度均發(fā)生變化。其中，有縫條件下腐蝕電位-729mV，腐蝕電流密度0.17mA/cm-2，無縫條件下腐蝕電位-683 mV，腐蝕電流密度0.05mA/cm-2。由此判斷，施加外應(yīng)力條件對未施加外應(yīng)力條件腐蝕電位產(chǎn)生負向移動，并且腐蝕電流密度出現(xiàn)增長。外應(yīng)力逐漸增加的過程中，2種試樣受環(huán)境影響發(fā)生腐蝕后的電位都產(chǎn)生了負向移動，與此同時，腐蝕電流密度參數(shù)數(shù)值也出現(xiàn)增加。由材料耐腐蝕特性與這兩項參數(shù)之間的關(guān)系可知，TP140鋼受外加應(yīng)力的影響，耐腐蝕性能有所下降。與無縫隙試樣相比，有縫隙試樣鋼表面遭受腐蝕情況更為嚴重。

另外，陽極塔菲爾斜率和陰極塔菲爾斜率2項參數(shù)的數(shù)值，施加外應(yīng)力以后出現(xiàn)先減小后增加，而后再次減小的變化趨勢，所有數(shù)值較未施加外應(yīng)力情況下的參數(shù)數(shù)值均有所減小。其中，0.6σ外應(yīng)力條件是產(chǎn)生參數(shù)數(shù)值減小的條件。由此判斷，TP140鋼的陽極和陰極在施加外應(yīng)力情況下化學反應(yīng)更加劇烈。

3 市政給排水管道縫隙腐蝕控制策略

通過該文分析可知，管道縫隙的存在、外加應(yīng)力大小均對市政給排水管道腐蝕影響較大。為了盡可能減小管道腐蝕程度，需要在管道安裝時控制外加應(yīng)力的大小，應(yīng)用期間加強縫隙修復，采取局部陰極保護、加強涂層保護措施。

3.1 管道安裝期間合理控制外加應(yīng)力大小

3.1.1 加強理論層面分析，明確管道安裝外應(yīng)力控制范圍

經(jīng)過受力計算分析，掌握各個管道裝置安裝需要的受力需求，在滿足安裝需求的情況下，盡可能地將外應(yīng)力控制在0.8σ左右，從而減小外應(yīng)力對鋼結(jié)構(gòu)的影響，以此減緩腐蝕速度。

3.1.2 加強施工人員的技術(shù)培訓準確控制管道安裝外應(yīng)力

根據(jù)施工技術(shù)需求，著重開展技能培訓課程，并增加考核環(huán)節(jié)，考核結(jié)果作為施工人員技能培訓成果檢驗標準。

3.1.3 設(shè)置施工監(jiān)督部門

在施工和驗收過程中做好參數(shù)統(tǒng)計及行為監(jiān)督工作，仔細觀察管道是否存在縫隙，如果存在縫隙，立即處理。

3.2 應(yīng)用期間加強縫隙修復管理

3.2.1 定期檢查市政給排水管道縫隙

由于管道使用一段時間以后，受周圍環(huán)境影響會出現(xiàn)腐蝕情況，為了避免管道腐蝕給市政給排水造成較大影響，及時發(fā)現(xiàn)問題顯得尤為重要。建議定期檢查管道，觀察當前管道是否出現(xiàn)縫隙，以此縮短管道修復時間。

3.2.2 及時修復市政給排水管道

縫隙建議根據(jù)日常工作經(jīng)驗，設(shè)計多套管道縫隙修復方案，針對不同情況，擬定相應(yīng)修復方案。接到修復通知，立即調(diào)用數(shù)據(jù)庫處理方案信息，如果符合案例情況，則直接使用該方案。如果該修復工程與案例情況不符，則根據(jù)實際情況調(diào)整。

3.2.3 定期養(yǎng)護市政給排水管道

為了延長管道使用壽命，建議定期采取養(yǎng)護處理措施，根據(jù)管道材料性能特點，按照管道養(yǎng)護標準，每隔1年為管道做一次養(yǎng)護處理，著重對管道變形等情況進行處理，通常情況下，需要開挖并加固。

3.3 局部陰極保護

考慮到鋼質(zhì)管道化學性能特點，建議采用局部陰極保護法，通過犧牲陽極來減少鋼腐蝕，從而起到一定防護作用。設(shè)計保護方案時，選擇鎂或者鋅作為陽極材料，將該材料纏繞在陽極，安裝如圖1所示。該保護方法采用焊接手法，在陽極焊接鎂或者鋅材料，以達到保護鋼的目的。從安裝示意圖來看，將鎂或者鋅材料制作成保護套，將其附在鋼管表面。安裝時，注意管線包裹的處理，確保保護材料能夠在規(guī)定范圍內(nèi)緊緊纏繞在鋼管表面，從而避免管道出現(xiàn)縫隙。施工中，采用機械打磨法，對鋼材料表面采取打磨處理，使其露出直徑約為4 cm的管道，開鑿焊點，該部分管道將作為保護材料焊接位置。為了保證管道和鎂陽極的有效連接，建議采用鋁熱焊接或者電焊焊接方式進行連接。根據(jù)管徑大小不同，分別設(shè)定不同的焊接距離和施工角度，使鎂材料得以緊緊纏繞在外壁上。施工技術(shù)后，選擇具有一定柔性防腐及防水特性的材料作為密封材料，附加在套管兩端，密封鋼管，從而避免縫隙雜物對鋼管造成腐蝕。由于這種保護法會消耗一定量的鎂或者鋅材料，當材料消耗達到一定量時，必須更換保護套，否則鋼管還是會出現(xiàn)縫隙腐蝕。為了避免發(fā)生該問題，建議定期檢測材料消耗情況，如果發(fā)現(xiàn)某部分材料即將消耗殆盡，立即修復或者更換保護套。

圖1 陰極保護法材料安裝示意圖

4 加強涂層保護

4.1 石油瀝青防腐涂層技術(shù)的應(yīng)用

該項涂層技術(shù)的施工成本較低，材料比較容易獲得，因此成了當前應(yīng)用比較多的防腐涂層技術(shù)之一。由于該項技術(shù)的工作溫度范圍比較小，所以適合應(yīng)用環(huán)境有所限定。為了充分發(fā)揮該項涂層技術(shù)的作用，建議將其與上述提到的陰極保護法共同使用，將其涂刷在保護套上，從而起到雙重保護的作用。

4.2 環(huán)氧樹脂涂層技術(shù)的應(yīng)用

該項技術(shù)應(yīng)用打造的涂層，不僅耐用，而且堅固性較強，能夠在短時間內(nèi)成形。一般情況下，涂層厚度為0.5mm～1.0mm，根據(jù)防腐需求涂刷?？紤]到市政給排水管道縫隙腐蝕較為嚴重，所以設(shè)計涂層涂刷厚度為0.8mm～1.0mm。經(jīng)過涂層處理的鋼管雖然表面受到的保護，但是長期在地下使用，仍然會受到周圍環(huán)境的影響，涂層厚度逐漸變薄，保護功效隨之減弱。因此，需要定期檢測涂層厚度，如果出現(xiàn)厚度變薄的情況，立即采取修復處理。

5 結(jié)語

該文采用試驗測試方法，對市政給排水管道縫隙腐蝕特性進行探究。其中，外加應(yīng)力條件下管道縫隙腐蝕特性測試結(jié)果顯示，外應(yīng)力的施加，會促進TP140鋼腐蝕，并且導致鋼腐蝕速度和腐蝕深度2項參數(shù)出現(xiàn)先增加后減小，而后再次增加的變化趨勢。電化學腐蝕特性測試結(jié)果顯示，外應(yīng)力的施加，使腐蝕電位產(chǎn)生負向移動，并且腐蝕電流密度、陽極塔菲爾斜率和陰極塔菲爾斜率出現(xiàn)增長、減小、增長的變化趨勢。根據(jù)測試結(jié)果，該文提出管道縫隙腐蝕的控制策略，希望對市政給排水管道工程質(zhì)量的提升研究提供參考依據(jù)。