飲用水供水管道的腐蝕監測分析

韋榮茂

(南寧市峙村河水庫管理所，廣西 南寧 530400)

1 材料與方法

抑制劑分配系統直接安裝在過濾器單元之后，聚磷酸鈣作為一種抑制劑，作用機理是：形成保護層、抑制細菌生長、穩定殘余沉積物、限制生銹。聚磷酸鈣在水環境中與溶解的二氧化碳發生反應，形成碳酸鈣，形成緊密穩定的保護層。精準確定抑制劑劑量，是有效降低腐蝕過程的主要因素；防止形成過量的碳酸鈣殘留物也很重要。研究表明，即使添加0.5 ppm的聚磷酸鹽，也可顯著降低殘留物的形成速率，經反復試驗確定抑制劑的最佳劑量為5 ppm[1-5]。

腐蝕監測自動化系統，該系統由計算機和數據傳輸系統組成： ①調節溫度、流量傳感器和偏振、電阻探頭信號的系統。 ②由傳感器控制的多路復用器組成數據控制系統。 ③放置在水管內的傳感器。

監控系統實現數字化管理，數字系統包括數據調節模塊和序列控制模塊，用于單個傳感器的測量。數據調節系統直接連接到計算機，以記錄和預測結果。

自動監測腐蝕效果時，腐蝕速率基于線性極化電阻(LPR)測量，此測量技術通過電化學測量方法來測定腐蝕速率。使用多個傳感器同時監測水中的溫度和氧氣濃度，來說明腐蝕速率變化。腐蝕傳感器的電極由非合金結構鋼制成，在合適的位置測量水參數和腐蝕速率。監測位置分布示意圖如圖1所示，虛線為湖水輸送管道(地面取水至泵站)。

圖1 供水系統的腐蝕監測點分布

利用該監測系統對水的理化參數進行了在線測試，從抑制劑保護的角度來看，最重要的參數包括：溫度、pH以及水中氧、鈣和磷酸鹽的含量。采用動態電化學阻抗譜(DEIS)評價抑制劑對鋼腐蝕過程的影響，與經典阻抗法相比，該方法的主要優點是：獲得瞬時阻抗譜而不是平均值(即“逐頻”技術)，其相應于研究過程的動力學，并考慮到非穩態電化學過程的研究時域。考慮到該方法的優點，評價了添加抑制劑對鋼阻抗響應的影響。在緩蝕劑注入點上游收集的水中，使用三電極系統(氯化銀基準、鉑網輔助和管道鋼工作電極)進行測試。

測量裝置包括電化學系統、恒電位器和產生擾動信號的儀器，該擾動信號記錄電壓擾動和電流響應信號。DEIS測量的頻率范圍如下：20 kHz至7 Hz，采樣頻率50 kHz。

2 結果與分析

水的腐蝕性指標是在對地表水采樣、分析的基礎上，結合溫度變化趨勢確定的，監測結果如表1所示。

表1 地表水監測成果

監測結果表明，水在低溫時具有腐蝕性，這與發生水腐蝕的地點所監測的信息不完全相符，因為本次取樣水質腐蝕較嚴重，水體多為溫水(通過熱交換器加熱的水)。

在測量的前110 s，監測了供水鋼管中未添加抑制劑的腐蝕情況，以電荷轉移形式測量的阻抗值較低，這表明存在嚴重腐蝕。從110 s開始注入抑制劑，出現了強烈的不穩定條件，這說明受到了幾個阻抗譜的明顯干擾。隨著時間的推移，阻抗明顯增加，這表明腐蝕過程的速率下降，應用的抑制劑初效明顯。由于阻抗譜的不完全性，沒有在等效電路的基礎上進行詳細的分析。為了獲得測試抑制劑沖擊動力學的可能性，有必要將產生的正弦信號包的較低范圍限制在7 Hz，這阻止了對阻抗譜擴散方面的完整分析。為了評估抑制劑在更長的時間內的影響，開始連續的腐蝕監測。在泵站內實施的腐蝕速率連續監測系統基礎上進行的腐蝕速率測試結果如圖2所示。

圖2 供水鋼管腐蝕速率隨時間變化的監測結果

圖2監測結果表明了鋼管在添加抑制劑前、后的腐蝕速率，腐蝕傳感器探頭安裝在水系統中，傳感器表面用砂紙打磨，防止滑動。在初始階段，由于腐蝕產物的存在，腐蝕速率會更高，這一點在對直接從進水口收集的水進行腐蝕速率測試時尤為明顯。腐蝕速率值大于0.1 mm/a。腐蝕產物形成穩定層的過程需要較長的時間(約300 d)，有利于降低腐蝕速率。因此，在發生故障后更換的新管道的腐蝕速率可能會更大。觀察到抑制劑的使用大大加快了保護層的形成。在實踐中，自監測開始以來，腐蝕速率明顯下降，這有助于限制新管道元件的腐蝕。

盡管應用了抑制劑保護，但在夏季期間，暴露在抑制劑注入點下游水域的鋼管腐蝕速率仍在增加，但腐蝕速率不超過0.08 mm/a。添加抑制劑后的水腐蝕指標結果見表2。

表2 添加抑制劑后對水的腐蝕指標的影響

結果表明，添加抑制劑后，水的腐蝕性有所下降(即與表1的數據相比)。這些結果與直接測量腐蝕速率的結果一致。在供水系統的各個監測點對抑制劑的影響進行了評估，供水系統各個點的鋼管腐蝕速率測量結果如圖3所示，其分布如圖1所示。

圖3 添加抑制劑后鋼管在水中的腐蝕速率變化曲線

從腐蝕監測開始的第1087天到第1178天，在添加和不添加抑制劑的情況下，鋼管在水環境中的腐蝕速率都有所增加。腐蝕速率的增加與從表面進水口收集的水溫相對應(圖3)。然而，在45～48 ℃的恒溫溫水中，腐蝕速率的增加與水溫的增加關系不大。腐蝕性指數較高的原因可能與水成分的季節性變化有關。因此，本研究監測了直接從地表收集的水中及溫水中的氧含量，結果如圖4所示。

圖4 距離抑制劑注入點8 km處的水溫為45～48 ℃的水中氧濃度變化

一般來說，為了降低鋼管在水中的腐蝕速率，應降低水溫和水中的氧濃度。在圖4中可以看到，45～48 ℃比2～22 ℃的氧離子濃度要低。然而，水中氧含量的季節性變化并不遵循這一規律。在夏季，水溫較高，氧氣濃度也會意外上升。最有可能的是，在這一時期，由于更大的徑流產生流量，向水供應氧氣的過程更激烈。當秋季水溫降低時，氧氣含量也會增加。因此，不僅地表水的溫度有明顯的季節性變化，而且氧氣含量也有變化。

夏季和秋季水中的氧氣濃度較高，導致鋼管在45～48 ℃的恒溫溫水中腐蝕速率更高。表3列出了抑制劑監測系統運行6 a后，各腐蝕監測點的腐蝕速率的最大值(夏季記錄)和最小值(冬季記錄)。表3所示的結果表明抑制劑保護是有效的，腐蝕速率不會降低超過0.030 mm/a。

表3 引入抑制劑保護6 a后各個監測點的鋼管腐蝕速率的極值 mm·a-1

3 結 論

通過監測分析可以得出以下結論：

(1)注入抑制劑大大降低了地面進水口的腐蝕風險，這種影響在夏季尤為明顯。在距離進水位置上游較近位置注入抑制劑的措施最為有效。

(2)在溫水系統中(45～48 ℃)，與不添加抑制劑的水相比，添加抑制劑的腐蝕速率降低了一半，顯著減少了故障發生次數。

(3)研究發現，在距離注水點較遠的管網中，水的腐蝕性隨著取水點的距離增加而增加。但在供水運行條件下，腐蝕速率仍較低。

(4)當添加抑制劑時，在距離進水點較遠的地方，腐蝕速率仍可以觀察到隨時間的變化而逐漸下降。