城市埋地再生水钢管锈蚀原因分析与防腐技术研究

高赛君

（广东省建科建筑设计院有限公司，广州 510510）

1 引言

城市埋地再生水钢管锈蚀主要包括两个方面，一方面来自管道外壁与埋地土壤环境之间发生作用，造成了管道外壁腐蚀； 另一方面来自管道输送水中消毒剂与内壁保护层之间发生反应，造成了管道内壁腐蚀[1]。再生水的原水是经过城镇污水处理的出水，其中含有较高浓度的微生物与其他水质组成部分。因此，再生水中经常投加含氯消毒剂，降低再生水中的微生物含量[2]。但是消毒剂在水中以氯离子与硫酸根离子的形式存在，与钢管内壁发生化学反应，出现内壁锈蚀的情况[3]。埋地土壤环境随着周围水质环境而改变，与钢管外壁发生化学反应，就形成了钢管外壁锈蚀。本文从钢管锈蚀的原因，判断钢管外壁与内壁的锈蚀环境，并提出一种防腐技术，为钢管的高效运行提供保障。

2 城市埋地再生水钢管锈蚀原因

在城市埋地再生水钢管道内，内壁在O2、H2O、Cl-、SO42-的影响下，就会出现锈蚀，在输水过程中形成二次污染。钢管锈蚀原因与钢管内表面与周围介质发生化学与电化学作用后，钢管表面遭到破坏，从而显现为钢管锈蚀的特征[4]。在再生水钢管内，水对钢管内壁的腐蚀以电化学锈蚀为主，在水中碳酸作用下，氧化锈蚀原因表示为：

式中，钢管中的Fe2+与再生水之间发生反应，生成的氢氧化铁就是钢管锈蚀的主要成分。H2则在钢管内流窜，在钢管锈蚀严重时，H2向钢管锈蚀严重位置冲击，造成较为严重的再生水管道泄漏问题。内壁的过氧化锈蚀原因表示为：

式（2）、式（3）中，氧化锈蚀生成的H2与水中的O2反应之后，生成了双氧水，该成分与氧化锈蚀生成的Fe（OH）2再次反应，形成Fe（OH）3。在钢管上形成一层Fe（OH）2和一层Fe（OH）3的双层锈蚀。由于钢管本身存在许多颗粒，钢管材料与杂质之间存在微作用，在水中形成了微腐蚀电流。钢管中的Fe2+在水中以阳极的形式存在，其释放的电子传递到钢管表面，形成阴极，在土壤pH＜7 时阴极发生反应，失去H+，增加OH-，足够多的OH-与钢管外壁形成了Fe（OH）2，再在潮湿的土壤中被溶解，再形成Fe（OH）3。二者沉积在钢管外壁上，沉陷为凹凸不平的锈蚀。在土壤pH＞7 时，土壤呈现为碱性，其OH-与Fe2+发生的反应如下：

式（4）中，OH-与Fe2+发生反应后，生成了FeOOH，在钢管外壁形成了结垢，长期附着的结垢形成了氧浓差局部锈蚀。钢管锈蚀包括铁细菌、硫酸盐氧化还原菌、硝酸盐氧化还原菌等微生物，促进了钢管的阴极去极化过程。钢管外壁锈垢中存在大量的丝状铁细菌，从Fe（OH）2转化为Fe（OH）3过程中，杂质充分转化，与细菌结合形成更多的水垢、锈蚀，附着在钢管外壁上，进一步促进钢管的阳极溶解过程，以此形成锈蚀循环，影响钢管的安全运行。

3 埋地再生水钢管防腐技术设计

3.1 使用新型PVC抗腐蚀管材

再生水钢管在弯头、三通、四通等位置的锈蚀较为严重，本文在锈蚀较为严重的区域包裹一层反渗透膜，并使用新型PVC 管材，抵抗土壤对钢管外壁的腐蚀。根据再生水钢管的实际条件，选取防腐性能较佳的管材，从而延长再生水钢管的使用寿命[5]。钢管内部锈蚀会降低管道输水能力，对于锈蚀不严重、水力条件不好的管道，采用刮管的形式，将管道上方锈蚀刮除。并在容易出现锈蚀的弯头位置，更换高密度聚乙烯管材。管材的直径减小，输水阻力随之减小，在保证输水能力的条件下，防止弯头锈蚀。对于铺设时间较长的钢管，其水力条件不佳，外部锈蚀严重，管材材质无法满足防腐需求的，选用新型PVC 抗腐蚀管材进行更换。新型PVC 抗腐蚀管材的管径在DN300 以上，满足钢管的抗腐蚀需求。抗腐蚀管材的主要材料包括高分子聚合物、增强纤维丝、增强钢丝等，由内向外依次为功能层、增强层、外表层。在功能层将CPVC、CPE 等材料混合成型，内壁较为光滑，外壁抗结垢性能较佳。增强层由不饱和树脂与纤维组成，结合外表层的富脂材料，能够在密封条件下，保持良好的防腐性能。

3.2 涂覆城市埋地再生水钢管防腐保护层

为了进一步提升再生水钢管的防腐性能，本文在新型PVC 钢管内部涂刷一层防腐保护层。防腐保护层选用聚氯乙烯粉状树脂耐腐蚀材料，管壁更加光滑，避免水垢残留导致的锈蚀问题。本文根据城市埋地再生水钢管中再生水的相关参数，选择内防腐材料。再生水供应参数如表1 所示。

表1 再生水供应参数表

如表1 所示，在分析了再生水环境指标之后，根据水中存在的Fe、Mn、Cl-、NH3-N 等浓度，增加或减少涂衬防腐保护层，从而达到钢管内壁防锈蚀的目的。在涂覆防腐保护层时，以“黄夹克”防腐形式为主。在PVC 管道表层涂覆一层环氧粉末防腐材料，中间填充-[-O-CONH-]n-泡沫，外部再涂覆一层(C2H4)n材料，使整个钢管内壁处于良好的防腐环境中。在钢管外壁，涂覆一层再生橡胶防腐保护层，并采用HCC 外涂防腐技术，避免外部土壤对钢管外壁的腐蚀。环氧粉末防腐材料的相对分子质量为300～2 000，在常温条件下，防腐材料以软化、液态的形式呈现，不会出现固化状态，从而避免水垢附着。在钢管外壁的环氧保护层中加入固化剂，使防腐保护层形成三维立体网状结构，从而满足钢管内外防腐需求。此外，钢管内外还可采用熔结环氧粉末防腐涂层，管外壁防腐额外增加牺牲阳极的阴极保护法，以延长管材的使用年限。

4 实例分析

4.1 工程概况

为了验证本文设计的技术是否满足城市埋地再生水钢管防腐需求，以惠州大亚湾石化区再生水供水工程为例，对上述技术进行分析。惠州大亚湾石化区再生水供水工程项目建设方案为：从大亚湾第一水质净化厂三期工程出水计量槽分水，经泵站加压，末端接入粤电大亚湾综合能源有限公司综合能源站项目厂界取水点，再生水压力管道总长度约为4.1 km，管径为DN800。通过分析比较和结合当地工程经验，本次设计钢管与球墨铸铁管结合使用，在沿山路、穿越道路、铁路、河谷等地形复杂路段采用焊接钢管；在沿疏港大道、中兴南路、滨海大道等市政道路路段敷设时尽量采用球墨铸铁管。

在管道埋设的过程中，本文根据岩土工程勘察情况，确定埋地水文环境，土壤含盐量较高，存在潮汐影响。钢管采用内外涂覆熔结环氧粉末涂层结合管外壁阴极保护的防腐措施，再在管道内壁与外壁喷洒除垢剂与缓蚀剂，最大限度地满足再生水管道的防腐需求。

4.2 应用结果

在上述条件下，本文随机选取出多个不同型号的再生水钢管，将钢管放在pH＜7 的水中静置100 d，每10 d 观测一次钢管防腐保护层氯化钠的剩余质量分数，分析钢管的防腐性能。在钢管正常使用一段时间之后，向钢管内部投入阻垢剂，分析钢管的防垢性能。在钢管投入运行之后，向钢管内部与外部均匀喷洒缓蚀剂，并在钢管使用一段时间之后，分析钢管的缓蚀性能。在其他条件均已知的情况下，使用本文设计的防腐技术，得到相应的防腐性能指标如表2 所示。

表2 应用结果

如表2 所示，ZS1 管道参数（管径×长度）为φ89 mm×3 000 m，ZS2 管道参数为φ114 mm×9 750 m，ZS3 管道参数为φ48 mm×800 m，ZS4 管道参数为φ114 mm×4 300 m，ZS5 管道参数为φ56 mm×1 250 m，ZS6 管道参数为φ88 mm×2 400 m，ZS7 管道参数为φ56 mm×800 m，ZS8 管道参数为φ88 mm×1 200 m，ZS9 管道参数为φ108 mm×5 640 m，ZS10 管道参数为φ65 mm×1 050 m。

将钢管置于酸性水环境中，在长时间的腐蚀之下，防腐保护层氯化钠的剩余质量分数越高，防腐性能越佳。向钢管内部放置阻垢剂之后，防垢率越高，水垢对钢管内壁的腐蚀越小，防腐效果越佳。向钢管内部喷洒缓蚀剂之后，缓蚀率越高，钢管内壁与外壁受到腐蚀的影响越小，防腐效果越佳。由表2 中可知，使用本文设计的防腐技术之后，防腐保护层氯化钠的剩余质量分数在100 d 内，始终高于95%，阻垢剂与缓蚀剂加入之后，防垢率高于95%，缓蚀率高于85%，可以满足钢管的防腐需求。

5 结语

近年来，水资源短缺、分配不均匀等问题，严重威胁着居民用水环境。为了缓解水资源短缺的矛盾，开始大力促进污水回用的工作。再生水主要是废水经处理达到水质指标后进行回用的水，在工业、城市杂用、景观等方面应用较为广泛。再生水管道距离较长，受到消毒剂与土壤的影响，管道内壁与外壁经常出现腐蚀问题，造成管道泄漏的事故。因此，本文研究了城市埋地再生水钢管锈蚀原因与防腐技术这一课题。并从抗腐蚀管材、防腐保护层等方面，将再生水钢管进行防腐处理，为城市埋地再生水钢管的安全运行提供保障。