城市埋地再生水鋼管銹蝕原因分析與防腐技術研究

高賽君

（廣東省建科建筑設計院有限公司，廣州 510510）

1 引言

城市埋地再生水鋼管銹蝕主要包括兩個方面，一方面來自管道外壁與埋地土壤環境之間發生作用，造成了管道外壁腐蝕； 另一方面來自管道輸送水中消毒劑與內壁保護層之間發生反應，造成了管道內壁腐蝕[1]。再生水的原水是經過城鎮污水處理的出水，其中含有較高濃度的微生物與其他水質組成部分。因此，再生水中經常投加含氯消毒劑，降低再生水中的微生物含量[2]。但是消毒劑在水中以氯離子與硫酸根離子的形式存在，與鋼管內壁發生化學反應，出現內壁銹蝕的情況[3]。埋地土壤環境隨著周圍水質環境而改變，與鋼管外壁發生化學反應，就形成了鋼管外壁銹蝕。本文從鋼管銹蝕的原因，判斷鋼管外壁與內壁的銹蝕環境，并提出一種防腐技術，為鋼管的高效運行提供保障。

2 城市埋地再生水鋼管銹蝕原因

在城市埋地再生水鋼管道內，內壁在O2、H2O、Cl-、SO42-的影響下，就會出現銹蝕，在輸水過程中形成二次污染。鋼管銹蝕原因與鋼管內表面與周圍介質發生化學與電化學作用后，鋼管表面遭到破壞，從而顯現為鋼管銹蝕的特征[4]。在再生水鋼管內，水對鋼管內壁的腐蝕以電化學銹蝕為主，在水中碳酸作用下，氧化銹蝕原因表示為：

式中，鋼管中的Fe2+與再生水之間發生反應，生成的氫氧化鐵就是鋼管銹蝕的主要成分。H2則在鋼管內流竄，在鋼管銹蝕嚴重時，H2向鋼管銹蝕嚴重位置沖擊，造成較為嚴重的再生水管道泄漏問題。內壁的過氧化銹蝕原因表示為：

式（2）、式（3）中，氧化銹蝕生成的H2與水中的O2反應之后，生成了雙氧水，該成分與氧化銹蝕生成的Fe（OH）2再次反應，形成Fe（OH）3。在鋼管上形成一層Fe（OH）2和一層Fe（OH）3的雙層銹蝕。由于鋼管本身存在許多顆粒，鋼管材料與雜質之間存在微作用，在水中形成了微腐蝕電流。鋼管中的Fe2+在水中以陽極的形式存在，其釋放的電子傳遞到鋼管表面，形成陰極，在土壤pH＜7 時陰極發生反應，失去H+，增加OH-，足夠多的OH-與鋼管外壁形成了Fe（OH）2，再在潮濕的土壤中被溶解，再形成Fe（OH）3。二者沉積在鋼管外壁上，沉陷為凹凸不平的銹蝕。在土壤pH＞7 時，土壤呈現為堿性，其OH-與Fe2+發生的反應如下：

式（4）中，OH-與Fe2+發生反應后，生成了FeOOH，在鋼管外壁形成了結垢，長期附著的結垢形成了氧濃差局部銹蝕。鋼管銹蝕包括鐵細菌、硫酸鹽氧化還原菌、硝酸鹽氧化還原菌等微生物，促進了鋼管的陰極去極化過程。鋼管外壁銹垢中存在大量的絲狀鐵細菌，從Fe（OH）2轉化為Fe（OH）3過程中，雜質充分轉化，與細菌結合形成更多的水垢、銹蝕，附著在鋼管外壁上，進一步促進鋼管的陽極溶解過程，以此形成銹蝕循環，影響鋼管的安全運行。

3 埋地再生水鋼管防腐技術設計

3.1 使用新型PVC抗腐蝕管材

再生水鋼管在彎頭、三通、四通等位置的銹蝕較為嚴重，本文在銹蝕較為嚴重的區域包裹一層反滲透膜，并使用新型PVC 管材，抵抗土壤對鋼管外壁的腐蝕。根據再生水鋼管的實際條件，選取防腐性能較佳的管材，從而延長再生水鋼管的使用壽命[5]。鋼管內部銹蝕會降低管道輸水能力，對于銹蝕不嚴重、水力條件不好的管道，采用刮管的形式，將管道上方銹蝕刮除。并在容易出現銹蝕的彎頭位置，更換高密度聚乙烯管材。管材的直徑減小，輸水阻力隨之減小，在保證輸水能力的條件下，防止彎頭銹蝕。對于鋪設時間較長的鋼管，其水力條件不佳，外部銹蝕嚴重，管材材質無法滿足防腐需求的，選用新型PVC 抗腐蝕管材進行更換。新型PVC 抗腐蝕管材的管徑在DN300 以上，滿足鋼管的抗腐蝕需求?？垢g管材的主要材料包括高分子聚合物、增強纖維絲、增強鋼絲等，由內向外依次為功能層、增強層、外表層。在功能層將CPVC、CPE 等材料混合成型，內壁較為光滑，外壁抗結垢性能較佳。增強層由不飽和樹脂與纖維組成，結合外表層的富脂材料，能夠在密封條件下，保持良好的防腐性能。

3.2 涂覆城市埋地再生水鋼管防腐保護層

為了進一步提升再生水鋼管的防腐性能，本文在新型PVC 鋼管內部涂刷一層防腐保護層。防腐保護層選用聚氯乙烯粉狀樹脂耐腐蝕材料，管壁更加光滑，避免水垢殘留導致的銹蝕問題。本文根據城市埋地再生水鋼管中再生水的相關參數，選擇內防腐材料。再生水供應參數如表1 所示。

表1 再生水供應參數表

如表1 所示，在分析了再生水環境指標之后，根據水中存在的Fe、Mn、Cl-、NH3-N 等濃度，增加或減少涂襯防腐保護層，從而達到鋼管內壁防銹蝕的目的。在涂覆防腐保護層時，以“黃夾克”防腐形式為主。在PVC 管道表層涂覆一層環氧粉末防腐材料，中間填充-[-O-CONH-]n-泡沫，外部再涂覆一層(C2H4)n材料，使整個鋼管內壁處于良好的防腐環境中。在鋼管外壁，涂覆一層再生橡膠防腐保護層，并采用HCC 外涂防腐技術，避免外部土壤對鋼管外壁的腐蝕。環氧粉末防腐材料的相對分子質量為300～2 000，在常溫條件下，防腐材料以軟化、液態的形式呈現，不會出現固化狀態，從而避免水垢附著。在鋼管外壁的環氧保護層中加入固化劑，使防腐保護層形成三維立體網狀結構，從而滿足鋼管內外防腐需求。此外，鋼管內外還可采用熔結環氧粉末防腐涂層，管外壁防腐額外增加犧牲陽極的陰極保護法，以延長管材的使用年限。

4 實例分析

4.1 工程概況

為了驗證本文設計的技術是否滿足城市埋地再生水鋼管防腐需求，以惠州大亞灣石化區再生水供水工程為例，對上述技術進行分析。惠州大亞灣石化區再生水供水工程項目建設方案為：從大亞灣第一水質凈化廠三期工程出水計量槽分水，經泵站加壓，末端接入粵電大亞灣綜合能源有限公司綜合能源站項目廠界取水點，再生水壓力管道總長度約為4.1 km，管徑為DN800。通過分析比較和結合當地工程經驗，本次設計鋼管與球墨鑄鐵管結合使用，在沿山路、穿越道路、鐵路、河谷等地形復雜路段采用焊接鋼管；在沿疏港大道、中興南路、濱海大道等市政道路路段敷設時盡量采用球墨鑄鐵管。

在管道埋設的過程中，本文根據巖土工程勘察情況，確定埋地水文環境，土壤含鹽量較高，存在潮汐影響。鋼管采用內外涂覆熔結環氧粉末涂層結合管外壁陰極保護的防腐措施，再在管道內壁與外壁噴灑除垢劑與緩蝕劑，最大限度地滿足再生水管道的防腐需求。

4.2 應用結果

在上述條件下，本文隨機選取出多個不同型號的再生水鋼管，將鋼管放在pH＜7 的水中靜置100 d，每10 d 觀測一次鋼管防腐保護層氯化鈉的剩余質量分數，分析鋼管的防腐性能。在鋼管正常使用一段時間之后，向鋼管內部投入阻垢劑，分析鋼管的防垢性能。在鋼管投入運行之后，向鋼管內部與外部均勻噴灑緩蝕劑，并在鋼管使用一段時間之后，分析鋼管的緩蝕性能。在其他條件均已知的情況下，使用本文設計的防腐技術，得到相應的防腐性能指標如表2 所示。

表2 應用結果

如表2 所示，ZS1 管道參數（管徑×長度）為φ89 mm×3 000 m，ZS2 管道參數為φ114 mm×9 750 m，ZS3 管道參數為φ48 mm×800 m，ZS4 管道參數為φ114 mm×4 300 m，ZS5 管道參數為φ56 mm×1 250 m，ZS6 管道參數為φ88 mm×2 400 m，ZS7 管道參數為φ56 mm×800 m，ZS8 管道參數為φ88 mm×1 200 m，ZS9 管道參數為φ108 mm×5 640 m，ZS10 管道參數為φ65 mm×1 050 m。

將鋼管置于酸性水環境中，在長時間的腐蝕之下，防腐保護層氯化鈉的剩余質量分數越高，防腐性能越佳。向鋼管內部放置阻垢劑之后，防垢率越高，水垢對鋼管內壁的腐蝕越小，防腐效果越佳。向鋼管內部噴灑緩蝕劑之后，緩蝕率越高，鋼管內壁與外壁受到腐蝕的影響越小，防腐效果越佳。由表2 中可知，使用本文設計的防腐技術之后，防腐保護層氯化鈉的剩余質量分數在100 d 內，始終高于95%，阻垢劑與緩蝕劑加入之后，防垢率高于95%，緩蝕率高于85%，可以滿足鋼管的防腐需求。

5 結語

近年來，水資源短缺、分配不均勻等問題，嚴重威脅著居民用水環境。為了緩解水資源短缺的矛盾，開始大力促進污水回用的工作。再生水主要是廢水經處理達到水質指標后進行回用的水，在工業、城市雜用、景觀等方面應用較為廣泛。再生水管道距離較長，受到消毒劑與土壤的影響，管道內壁與外壁經常出現腐蝕問題，造成管道泄漏的事故。因此，本文研究了城市埋地再生水鋼管銹蝕原因與防腐技術這一課題。并從抗腐蝕管材、防腐保護層等方面，將再生水鋼管進行防腐處理，為城市埋地再生水鋼管的安全運行提供保障。