冷卻水碳鋼管道腐蝕的原因與控制措施

趙亞紅 劉江

（陜西龍門鋼鐵有限責(zé)任公司，陜西韓城 715400）

冷卻水碳鋼管道內(nèi)壁長(zhǎng)期受水流沖刷，十分容易出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題，將會(huì)對(duì)水系統(tǒng)運(yùn)行安全造成不良影響。在實(shí)踐工作當(dāng)中，緩解和控制冷卻水碳鋼管道腐蝕極為重要。為達(dá)到這一目標(biāo)，相關(guān)工作人員應(yīng)該從實(shí)際出發(fā)，有效分析冷卻水碳鋼管道的腐蝕原因，從而提出針對(duì)性、可行性管道內(nèi)壁腐蝕控制建議。

1 碳鋼管道的特點(diǎn)與分類

碳鋼管道的主要原料是鋼錠或?qū)嵭墓芘鳎洳馁|(zhì)大多為優(yōu)質(zhì)鋼材或合金鋼材；在制作環(huán)節(jié)，需要先熱軋?jiān)倮滠?，鋼管冷卻后進(jìn)行矯直和內(nèi)部探傷，待質(zhì)檢合格后需依次進(jìn)行噴漆，噴漆內(nèi)容包括規(guī)格、編號(hào)、生產(chǎn)批號(hào)；鋼管儲(chǔ)存于溫濕度適宜的倉(cāng)庫(kù)中，可通過(guò)吊車吊運(yùn)。目前，碳鋼管道是應(yīng)用范圍最廣一種鋼管，在我國(guó)鋼管行業(yè)中扮演重要角色。此類型鋼管的強(qiáng)度、適應(yīng)性、耐久性和可靠性都比較高，能夠滿足多元場(chǎng)景的鋼管使用需要，在各類型水循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)中十分常見(jiàn)。

從生產(chǎn)工藝方面分類，可將碳鋼管道分為熱軋鋼管和冷軋鋼管兩種，前者主要包括合金鋼管、地質(zhì)鋼管、石油裂化管、不銹鋼管等類型；后者不僅包括熱軋鋼管類型還包括異型鋼管和碳素、合金、不銹鋼薄壁鋼管。通常來(lái)說(shuō)，冷軋?zhí)间摴艿篮蜔彳執(zhí)间摴艿赖膮?shù)不同，前者的尺寸精度更高。以無(wú)縫鋼管為例，基于熱軋工藝制作時(shí)，鋼管管徑尺寸大多超過(guò)32mm，管壁厚度保持在2.5-75mm 之間；而基于冷軋工藝制作時(shí)，常規(guī)管和薄壁管的外徑分別可達(dá)6mm 和5mm，管壁厚度更能保持在0.25mm及以下。

2 冷卻水碳鋼管道的內(nèi)壁腐蝕原因與特點(diǎn)

冷卻水碳鋼管道的主要腐蝕區(qū)域是鋼管內(nèi)壁，管壁被腐蝕后短時(shí)間內(nèi)不會(huì)影響冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行，但長(zhǎng)此以往十分容易出現(xiàn)管道穿孔和泄漏[1]。為此，本文著眼于冷卻水碳鋼管道的腐蝕問(wèn)題，對(duì)腐蝕成因以及特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 消防水管道。如圖1 所示為消防水管道腐蝕形貌，此類型碳鋼管道的材質(zhì)大多為碳鋼Q235A，被腐蝕位置大多為管道底部和管壁較薄的區(qū)域。冷卻水碳鋼管道腐蝕后，會(huì)出現(xiàn)渣狀不溶于水的黑色腐蝕產(chǎn)物，提取這種物質(zhì)進(jìn)行掃描分析后獲得了檢測(cè)結(jié)果，如表1 所示，在觀察表1 后得知，該物質(zhì)主要由鐵氧化物（52.1%）和硫氧化物（32.7%）構(gòu)成，若對(duì)該物質(zhì)進(jìn)行加酸處理產(chǎn)生氣泡和臭雞蛋氣味。基于消防水碳鋼管道的腐蝕產(chǎn)物，能對(duì)其腐蝕原因進(jìn)行分析。腐蝕產(chǎn)物中所含有硫化鐵是碳鋼被硫酸鹽還原菌腐蝕后的特殊產(chǎn)物，由此可見(jiàn)消防水碳鋼管道當(dāng)中的腐蝕主要由細(xì)菌引發(fā)。結(jié)合管道的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，消防水管道以重鉻酸鹽指數(shù)和SO42-質(zhì)量濃度極高的循環(huán)水為補(bǔ)水，為細(xì)菌滋生提供條件；管道內(nèi)部封閉、水流流速低且內(nèi)壁不平滑位置多等情況，為形成局部缺氧環(huán)境、滋生硫酸鹽細(xì)菌（厭氧）提供輔助。由此可見(jiàn)，消防水碳鋼管道內(nèi)壁腐蝕的主要成因就是細(xì)菌滋生引發(fā)的鋼管腐蝕。

表1 檢測(cè)結(jié)果

圖1 消防水碳鋼管道腐蝕

2.2 循環(huán)水管道。如圖2 所示為循環(huán)水管道的腐蝕形貌，此時(shí)碳鋼管道當(dāng)中腐蝕物大多為黑色碎渣狀，加酸處理后也會(huì)出現(xiàn)氣泡和臭雞蛋氣味，由此可判斷該產(chǎn)物內(nèi)含有硫化物，當(dāng)然，管道腐蝕產(chǎn)物并不完全是黑色的，而提取其他綠色白色腐蝕產(chǎn)物并開(kāi)展能譜檢測(cè)后獲得了檢測(cè)結(jié)果，如表2 所示，通過(guò)表2可知，腐蝕產(chǎn)物元素構(gòu)成為：鐵（34.48%）、氧（39.29%）、硫（13.15%）、氯（8.77%）、鈉（2.43%）、鈣（1.88%）；腐蝕物主要包括硫酸亞鐵、水合氯化亞鐵和亞硫酸鈣等化合物?；诟g產(chǎn)物的成分分析發(fā)現(xiàn)，硫元素以及硫化物的占比極高，因此可判定碳鋼管道腐蝕與硫鹽酸還原菌有關(guān)，所以管道腐蝕的主要原因依然是微生物腐蝕[2]。

圖2 循環(huán)水碳鋼管道腐蝕

表2 檢測(cè)結(jié)果

2.3 工業(yè)水管道。如圖3 所示為工業(yè)水碳鋼管道殼體的腐蝕形貌，這一管道的材質(zhì)也是碳鋼Q235，腐蝕位置主要在管道壁和殼體之上。在觀察中發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)壁的沉積物較厚，少部分存在分層情況；對(duì)分層后的沉積物取樣灼燒（450 攝氏度）后發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)質(zhì)量會(huì)因灼燒而減少，上層損失為28.4%，下層損失大約為10%，這表示沉積物當(dāng)中存在有機(jī)物，而且上層有機(jī)物含量高于下層?；诠庾V檢測(cè)獲得了分析結(jié)果，如表3 所示，檢測(cè)結(jié)果表明，在沉積物當(dāng)中鐵、氧和硫元素含量最高，腐蝕物當(dāng)中存在硫酸亞鐵、硫化鐵等物質(zhì)，其中底層的質(zhì)量損失為10%左右，這表明有機(jī)物含量在沉積物中的占比較高，并且底層有機(jī)物成分低于表層有機(jī)物成分，故微生物黏泥的占比較大。由此可判斷，工業(yè)水碳鋼管道的管壁腐蝕主要由硫酸鹽還原菌和鐵細(xì)菌引發(fā)，所以微生物腐蝕是造成此類型管道腐蝕的主因。

圖3 工業(yè)水碳鋼管道腐蝕

表3 腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

最后，試驗(yàn)人員還通過(guò)FEB 和SRB 檢測(cè)，對(duì)工業(yè)水進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果如表4 所示。

表4 檢測(cè)結(jié)果

依據(jù)上表數(shù)據(jù)可知，在冷卻水中，微生物滋生現(xiàn)象較為嚴(yán)重，有機(jī)物在管內(nèi)壁沉積物中的占比較大，故本文認(rèn)為微生物腐蝕是造成冷卻水碳鋼管道腐蝕的重要原因。

3 冷卻水碳鋼管道的腐蝕機(jī)理

從上述分析當(dāng)中不難看出，微生物滋生是引發(fā)冷卻水碳鋼管道腐蝕的主要原因，細(xì)菌滋生越多腐蝕越嚴(yán)重，最終會(huì)導(dǎo)致管道泄漏或斷裂。為有效防治這種腐蝕問(wèn)題，本文將對(duì)冷卻水碳鋼管道的腐蝕機(jī)理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。冷卻水碳鋼管道的微生物腐蝕，主要指鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌、硫氧化細(xì)菌滋生引發(fā)或加劇的鋼管腐蝕[3]。

在冷卻水碳鋼管道使用過(guò)程中，鐵細(xì)菌可以將正二價(jià)鐵離子轉(zhuǎn)化為正三價(jià)鐵離子，這種鐵離子可以在菌體內(nèi)外沉積，最終形成棕紅色腐蝕物質(zhì)，該物質(zhì)呈棕紅色且不溶于水，可加速碳鋼管道腐蝕。硫酸鹽還原菌可以在管道內(nèi)壁不平處滋生和沉積，它在完成新陳代謝后能生成硫化物，基于極化作用會(huì)破壞碳鋼管道表面的電化學(xué)腐蝕體系，從而引發(fā)或加劇管道腐蝕。

4 冷卻水碳鋼管道腐蝕的控制措施

在控制冷卻水碳鋼管道腐蝕時(shí)，相關(guān)工作人員必須高度重視微生物滋生控制問(wèn)題，著力減少源頭危機(jī)，讓冷卻水碳鋼管道質(zhì)量和使用壽命有效提升。在實(shí)際作業(yè)環(huán)節(jié)，冷卻水碳鋼管道腐蝕控制人員不僅需要關(guān)注腐蝕誘因以及加劇條件，更需要多方面著手分析避免腐蝕或延緩腐蝕速度的方法，為構(gòu)建完善的腐蝕控制體系做好充足準(zhǔn)備。

4.1 優(yōu)化管道選材。冷卻水碳鋼管道的管材質(zhì)量，是影響管道腐蝕程度的關(guān)鍵性因素。若冷卻水碳鋼管道本身具備良好的防腐蝕性能，配合管道防腐處理和運(yùn)行維護(hù)將有效減少腐蝕幾率，降低腐蝕程度，從而實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約和使用壽命延長(zhǎng)。通常來(lái)說(shuō)，冷卻水碳鋼管道選材必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)工作人員需要在合法合規(guī)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際需要、技術(shù)需求和成本管控要求選定管材。為從根本上降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，選材時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注防腐蝕性能高的材料。比如，選用復(fù)合碳鋼管道，基于其內(nèi)側(cè)自帶的防腐層降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)；選用耐蝕性良好的雙相不銹鋼制作冷卻水碳鋼管道。

4.2 加強(qiáng)防腐處理。除了選用耐蝕性能強(qiáng)的材質(zhì)制作冷卻水碳鋼管道外，冷卻水碳鋼管道腐蝕控制工作還可以從管道防腐處理的角度開(kāi)展。

首先，涂刷防腐涂料。防腐涂料是碳鋼管道防腐處理環(huán)節(jié)最為常見(jiàn)的施工原料，施工人員只需要在管道上按要求均勻涂刷防腐涂料，就可以在碳鋼管上形成防腐層，為管道長(zhǎng)久運(yùn)行提供安全保障。比如，在冷卻水碳鋼管道的管壁上涂刷環(huán)氧涂料、生漆、高分子復(fù)合材料等多種涂料，實(shí)現(xiàn)防腐處理。涂刷防腐涂料時(shí)，必須踐行均勻性、完整性原則。當(dāng)然，冷卻水碳鋼管道的防腐層也可通過(guò)電泳方式形成，基于此方法形成的防腐層質(zhì)地均勻且致密度高，耐腐蝕性、緩蝕性和耐久性更高，但成本較高。

其次，使用阻垢劑。在冷卻水碳鋼管道腐蝕過(guò)程中，水中雜質(zhì)、細(xì)菌滋生以及腐蝕產(chǎn)物等逐漸堆積結(jié)垢，將會(huì)進(jìn)一步加劇管壁腐蝕。因此，在控制冷卻水碳鋼管道腐蝕的過(guò)程中，相關(guān)工作人員也應(yīng)該關(guān)注除垢問(wèn)題。比如，選用以羥基乙叉二膦酸為代表的有機(jī)磷酸鹽類阻垢劑，使用時(shí)還可添加有機(jī)磷酸、聚磷酸鹽等磷系藥劑，讓除垢效果得到增強(qiáng)，并節(jié)約用藥成本；采用膦羧酸，基于磷酸基、羧基的共同作用實(shí)現(xiàn)阻垢，發(fā)揮冷卻水碳鋼管道緩蝕作用。

最后，加入緩蝕劑。緩蝕劑的主要作用在于延緩腐蝕速度，也能在一定程度上降低腐蝕發(fā)生幾率。對(duì)于冷卻水碳鋼管道而言，溫度、雜質(zhì)、酸堿度、細(xì)菌、管材和防腐處理手段都會(huì)影響緩蝕率。為強(qiáng)化管道的緩蝕性能，相關(guān)工作人員需要使用專業(yè)試劑。當(dāng)前，應(yīng)用較廣的緩蝕劑主要有三種：金屬離子型緩蝕劑、氧化膜型緩蝕劑和離子型緩蝕劑。冷卻水碳鋼管道腐蝕控制人員需要根據(jù)管道的材質(zhì)、性能、環(huán)境要求以及技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性要求，合理選用緩蝕劑。

4.3 采取電化學(xué)保護(hù)法。所謂電化學(xué)保護(hù)法，就是基于金屬元素的活潑性差異，引導(dǎo)電荷以特定方式移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)冷卻水碳鋼管道腐蝕控制的方法[4]。使用這種防腐控制方法時(shí)，可應(yīng)用以下兩種技術(shù)：第一，陰極保護(hù)技術(shù)，此方法是通過(guò)外加電流的方式，實(shí)現(xiàn)陰極材料腐蝕控制。比如，以“冷卻水碳鋼管道+直流電源”的方式向管道輸送電子，讓管道免受腐蝕；第二，陽(yáng)極保護(hù)法，此方法是利用“活潑金屬+冷卻水碳鋼管道”的方式避免金屬管道被腐蝕，被選中的金屬塊應(yīng)粘貼在管道外壁，而且這種金屬的活潑性必須大于管道原料。

4.4 完善運(yùn)維管理。在冷卻水碳鋼管道的運(yùn)維管理方面，相關(guān)工作人員需要建立長(zhǎng)效化監(jiān)測(cè)、預(yù)警、管理和運(yùn)行控制機(jī)制，為切實(shí)提高冷卻水碳鋼管道腐蝕控制水平做好充足準(zhǔn)備。比如，選用掛片法進(jìn)行定期監(jiān)測(cè)，也可采用電阻探針?lè)ㄍ瓿蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)腐蝕率、風(fēng)險(xiǎn)性高的部位可采用超聲波定點(diǎn)測(cè)厚法和電指紋法作業(yè)；選用次聲波報(bào)警裝置或負(fù)壓波報(bào)警裝置開(kāi)展短距離的泄漏監(jiān)測(cè)和預(yù)警管理；基于分布式光纖報(bào)警裝置，完成全管道泄漏預(yù)警監(jiān)管，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離保護(hù)；制定值班制度和應(yīng)急處理方案，以便及時(shí)響應(yīng)警報(bào)信息，高效開(kāi)展冷卻水碳鋼管道泄漏處理等。

同時(shí)，冷卻水系統(tǒng)的運(yùn)行控制水平，也是影響冷卻水碳鋼管道腐蝕控制質(zhì)量的重要因素。通常來(lái)說(shuō)，運(yùn)行間歇性、封閉性強(qiáng)，殺菌處理質(zhì)量不佳的冷卻水系統(tǒng)當(dāng)中的碳鋼管道易發(fā)生腐蝕?；诖?，相關(guān)工作人員需要強(qiáng)調(diào)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化。比如，盡量避免以河水、中水為冷卻水系統(tǒng)補(bǔ)水；加強(qiáng)補(bǔ)水環(huán)節(jié)的微生物滋生防控，減少微生物數(shù)量避免大量腐蝕；強(qiáng)化末端排水管理，建立存水定期排放的長(zhǎng)效化管理機(jī)制，減少存水腐蝕；加強(qiáng)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)節(jié)的殺菌處理有效性，優(yōu)化殺菌劑選用、嚴(yán)格控制殺菌質(zhì)量，確保所選殺菌劑本身不具備腐蝕金屬管道的能力等[5]。對(duì)于冷卻水碳鋼管道腐蝕控制人員而言，加強(qiáng)冷卻水系統(tǒng)本身的運(yùn)行管理質(zhì)效，可以在一定程度上發(fā)揮源頭控制作用，通過(guò)抑制微生物滋生減緩冷卻水碳鋼管道的微生物腐蝕，從而提高管道使用壽命。

綜上所述，對(duì)于冷卻水碳鋼管道安裝與維護(hù)人員來(lái)說(shuō)，防腐蝕是永不過(guò)時(shí)的話題。通常來(lái)說(shuō)，冷卻水碳鋼管道的腐蝕問(wèn)題都出自管道內(nèi)壁，引發(fā)腐蝕的原因較多且條件復(fù)雜，為腐蝕控制帶來(lái)難度。為此，冷卻水碳鋼管道腐蝕控制人員，必須嚴(yán)格檢查管道腐蝕情況，確定腐蝕成因，再?gòu)难泳徃g速度、降低腐蝕幾率和提高防腐管理有效性等方面開(kāi)展實(shí)踐。