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浅谈城市给水管道腐蚀控制技术 【摘 要】：给水管网在长期的供水过程中易受到腐蚀的主要因素有：pH、碱度、氯化物和硫酸盐、溶解氧、水温、管网流速等。目前，控制管网腐蚀的主要策略包括：加碱调节法或曝气法调节出厂水水质、优选耐蚀管材或投加缓蚀剂等。关 键 词：给水管网；化学稳定性；腐蚀；控制技术管网水质的化学稳定性是指水在管道输送过程中既不结垢又不腐蚀管道，在水工业中常被定义为既不溶解又不沉积碳酸钙。水质化学稳定性主要表现在腐蚀性和结构性两方面。根据统计资料，我国34 个主要城市中，地表水净水厂出厂水质基本稳定的占21%，腐蚀性的占50%，轻微结垢的占29%；地下水净水厂出水质基本稳定的约占50%，腐蚀性的占30%，轻微腐蚀性的占20%。可见，管网水质化学不稳定性问题中，腐蚀性问题更为严重。在另一项对我国南方六省40 座水厂的调查研究中发现，有28 座水厂的铁质设施被明显腐蚀。在水质未作防蚀处理以前，大部分水厂铁质设施的腐蚀痕迹肉眼可见；一部分水厂铁质装置因腐蚀而不能继续使用；另有一部分水厂的管网水含铁量增高。管网水质化学稳定性不佳，可导致管道腐蚀与结垢，导致水质恶化等问题的出现。本文主要对管网水质腐蚀程度的影响因素加以分析，提出控制给水管道腐蚀的相应技术策略。1、管网腐蚀程度的影响因素1.1 pH 和碱度出厂水的pH值大小可直接影响管网系统内的电化学腐蚀反应速率。一般认为，pH 值呈中性时，腐蚀速度不受pH 值影响；pH 偏酸性时，发生放氢反应，腐蚀速度加剧；pH 偏碱性时，腐蚀速度随pH 值增加而减小。研究发现，当pH6.5 时，水中总铁含量随pH值的增大而显著降低；当6.5pH10 时，总铁含量随着pH 值的变化而并无显著的变化。这是由于在低pH 时，H+浓度很高，析氢腐蚀占优势，有利于氢去极化反应，且阳极产物Fe2+很难被氧化成Fe3+，因此很难在管壁上形成保护膜。裸露的管壁表面很容易被腐蚀，因此在低pH时，管道的腐蚀严重，管网中的总铁含量高。而随着pH 值的升高，析氢腐蚀相对减弱，而吸氧腐蚀增加，吸氧腐蚀主要受氧扩散影响，而氧的扩散跟pH 值并无关系。总体来说，在6.5 pH 10 时，管道中的总铁含量在仅在一定范围内上下变化，即总铁含量在此区域与pH 值关系不显著。电化学腐蚀会随着碱度的增加而降低，这是由于增加了水溶液的缓冲强度，减小了铁离子的溶解度。水体的缓冲强度较高时，给水管网内壁腐蚀瘤的结构得到强化，从而降低了给水管网中铁的释放。当水中总碱度大于80 mg/L（以CaCO3 计）时，管网中的铁释放明显减少，因此，加碱调节是控制腐蚀性水的一种普遍应用的方法。1.2 氯化物和硫酸盐氯离子和硫酸根离子严重影响着铁制管材的腐蚀。水中氯离子和硫酸根离子可以促进腐蚀现象的发生，腐蚀速率的增加与氯离子和硫酸根离子的浓度有关，而与水溶液中的阳离子浓度无关。1.3 溶解氧溶解氧对金属腐蚀具有显著的影响。氧可以作为电子受体被还原成氢氧根离子，同时金属Fe 被氧化为铁锈。反应如下：Fe+0.5O2+H2O= Fe2+2OH- （1）Fe2+0.25O3+0.5H2O+0.5O2= Fe（OH）3（s） （2）3FeCO3（s）+0.5O2= Fe3O4（s）+3CO 2 （3）4Fe3O4（s）+O2= 6Fe2O3（s） （4）溶解氧对钢的腐蚀速率存在双重影响。研究发现，水溶液中钢的腐蚀速率与溶解氧浓度呈线性关系；而当溶解氧浓度较高时，会形成钝化层阻止进一步腐蚀。1.4 水温水温是管网水质的一个重要指标，金属表面温度随着水温的增加而增加，按照化学动力学规律，氧向金属表面扩散的速度加快，二价铁在水溶液中的扩散速度加快，电解质的电阻降低，因而腐蚀速度加快。同时，水温升高，管网微生物的活性也显著提高，加速了微生物腐蚀进程。管网水温在工程实践中是不可人为调控的因素，与水厂所处区域、水源选择（地下水或地表水）以及季节变化有关。1.5 管网流速当管网水流流速增大时，管道内表面的层流层减薄，通过该水层的氧的扩散补给速度增加，促进锈蚀；当流速再增大时，氧供给增大，铁管表面氧气过剩利于钝化，反而腐蚀减少；若流速继续增大，由于紊流将发生气蚀，因机械作用使铁管表面产生空隙腐蚀。供水管道内层流层、紊流层流态对金属腐蚀影响与雷诺数、流速、管径和长度以及管的表面条件有关。对于管网流速的研究，尤其需要注意管网流速低和水流停滞区等不利条件，低流速下的腐蚀速率变化较复杂，没有明显的规律性。2、控制管网腐蚀的主要策略为避免供水管网腐蚀，造成管网水二次污染，国际上通行的做法包括以下几种：调节水厂出厂水水质、使用耐腐蚀管材、投加缓蚀剂。2.1 加碱调节法调整水的pH值和碱度一般有两种方法：一是投加碱性物质；二是采用石灰石滤池过滤。我国室外给水设计规范（GB50013-2006）推荐采用的是加碱法，但需要建设单独的加药系统，且碱剂的运输、储存和加药对设备的腐蚀性强；石灰石滤池的运行费用低、操作简便，可用于一些水力条件符合的小型水厂。加碱调节法中一般选用的碱剂包括：石灰、NaOH、Na2CO3、NaHCO3 和NH4OH。不同的碱剂调节pH 值和碱度的效果不同。通过对Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3 和NH4OH 四种碱剂的控制腐蚀效果进行了研究，利用标准腐蚀挂片的小试实验结果显示：对于室温下pH 为6.96，属严重腐蚀型的实验水样，控制pH 不超过标准要求（8.5）时，有效控制腐蚀的最佳碱剂投加量分别为Ca（OH）2 3.48.5mg/L、NaOH 1020mg/L、Na2CO3 3040 mg/L 和NH4OH 1025 mg/L。2.2 曝气法当水中侵蚀性CO2 含量较高时，宜采用曝气法提高pH 值，或采取先曝气去除CO2 后投加碱剂调节pH 值的流程。2.3 选择耐蚀管材目前，供水行业常用管材主要有金属管、水泥管、钢筋混凝土管、塑料管等。据统计，我国80%以上的供水管道是灰口铸铁管。由于灰口铸铁管质地较脆，不耐振动和弯折且易产生锈瘤，因此当饮用水经过铸铁管时，容易引起水质的二次污染，影响水质的化学稳定性。因此，对金属管进行防腐处理或选择非金属的耐蚀管材可有效降低和避免管网腐蚀。从防止管道腐蚀角度考虑，非金属管材具有一定的优越性。UPVC、PE 等塑料管道不会发生金属腐蚀，而采用塑料衬里的铸铁管等也可较好地阻止铁的腐蚀；同时塑料管内壁粗糙系数很低，光滑的内壁可显著提高管道输水能力，减小输水能耗；同时管网微生物不易在管壁上附着，有效抑制了管壁生物膜的生长。但塑料材质在水中可能发生溶解反应，某些管材会向水中释放污染物，如PVC 管中加入的热稳定剂铅盐，以及PVC 聚合时残存的单体都可能转移至水中，引起水质污染。因此，现在一些地区已不再使用PVC 作为给水管材，而采用更为稳定的其它塑料管材如PE 等。从工程造价角度考虑，在小口径供水管道方面，钢管价格较高，铸铁管次之，PE、UPVC 价格较低，钢筋混凝土管最低，随着管径的增大，塑料管的经济性降低，中小口径管道球墨铸铁管较经济；大口径方面钢筋混凝土管最经济。2.4 投加缓蚀剂磷酸盐是目前最常用的缓蚀剂，无水磷酸钠很早就被用于工业循环水系统的腐蚀控制，而磷酸锌也在给水领域被用作缓蚀剂。磷酸锌可在水中形成易分散的胶体，并沉积于管壁上形成一层薄的保护膜，可阻止腐蚀的发生。常用的正磷酸盐缓蚀剂还包括Na3PO4、Na2HPO4 和NaH2PO4 等。国外一些水厂将出厂水pH 调节至7.0 左右，并投加0.5 mg/L 的磷酸锌，可显著降低管道腐蚀速率。除正磷酸盐外，实际应用的磷系缓蚀剂还有聚磷酸盐。聚磷酸盐的组成较复杂，可能包括焦磷酸盐、偏磷酸盐及三聚磷酸盐。聚磷酸盐的缓蚀机理也是在管道内壁形成不溶性的保护层，阻止腐蚀水与金属的直接接触。但研究表明，在停滞水流条件下（死水区），聚磷酸盐的缓蚀效果较差，而在流动状态下缓蚀效果提高；同时，要获得较好的缓蚀效果，聚磷酸盐的投加量较大。3、结语城市供水管网由于管程长，易造成管网水质的二次污染，保障管网水质化学稳定性，控制管道腐蚀，是在加强水源管理、强化水质处理之外，保障城市供水安全的另一个重要方面。本文通过考察影响管网腐蚀的水质因素，总结了当前可用于控制管网水质腐蚀的主要技术策略，可为城市供水系统的运行管理提供参考。参考文献：1王光焘. 城市供水行业20