傅章吉
(广东省水利电力勘测设计研究院,广东广州 510170)
摘 要:该文论述了输水钢管道在各种环境中的腐蚀机理和当今我国采用的防腐蚀技术措施及其新进展,并提出了若干意见。关键词:钢管道;腐蚀;防护
中图分类号:TU51113+7 文献标识码:B 文章编号:100820112(2004)0620014203
收稿日期:2004203210
作者简介:傅章吉,男,大学本科,高级工程师,从事水利水电工程设计、施工、教学及研究工作。
广东省由于经济发展的需要,一批长距离输水工程(管径一般为1.0～2.0m )正在规划、勘测设计和建设中,而每一项工程中都不可避免地需要铺设和使用一部分要求工作寿命较长的钢管道和钢配件(如弯头、三通、凑合节、闸阀等)。众所周知,不加防护的钢制件是不耐腐蚀的,这就要求我们充分认识输水钢管道被腐蚀的危害,切实采取有效的防护措施,才能达到预期的设计目的。1 环境对钢管道的腐蚀分析
输水钢管大多采用强度高、韧性大、价格低的碳钢或低合金钢制造,其内壁与原水接触,受原水腐蚀;外壁则因铺设条件不同,将受到淡水(潜河管道)、大气(架空管道)、土壤(埋地管道)、海水及海泥(过海管道)等环境的腐蚀。这种种腐蚀作用,各地又不相同,从而增加了采取有效防护措施的复杂性。
环境对钢管道的腐蚀因素有4类,即物理因素、化学因素、电化学因素及生物因素,其中,电化学因素和生物因素是造成钢管道被腐蚀破坏的主要因素。111 管内原水对钢管道内壁的腐蚀原水对输水钢管道内壁的腐蚀,有物理作用的,如泥砂冲蚀、机械划伤表面等;化学作用的有铁氧化生锈等。然而最严重的还是电化学作用和生物作用。电化学作用的产生是由于钢管表面存在缺陷或含有杂质、受力变形应力集中及粗糙度不同等原因使部分金属产生电离,电位变负,成为阳极,而另一部分不易电离的金属,成为阴极。电子通过水介质由阴极流向阳极,带正电的金属阳离子则由阳极趋向阴极,这一金属和电解质组成的微电池使钢管表面发生电解,钢管的阳极表面就出现点蚀以至穿孔破坏。问题远不至此,由于水中存在大量微生物和藻类,其活动将产生微生物腐蚀(MIC ),与电化学腐蚀“狼狈为奸”。水中的生物可分为微生物和大生物两类,微生物有厌氧性与喜氧性之分,大生物也有较小的真菌、霉菌和较大的水生物等。厌氧性微生物以硫酸盐还原菌(SRB )为代表,据欧美报导,SRB 引起的金属厌氧腐蚀占50%～80%[1]。而喜氧菌种类繁多,原水中含有较多的生物需氧量(BOD )时,有利于异氧菌、真菌生长;原水中含NO 3-及NH 4+较高时有利于氨化菌、硝化菌繁殖;水中的S 2-及
SO 4
2-
也会促进硫化菌、SRB 的繁殖;原水中如Fe
2+
和总铁较高
时将促进铁细菌生长。此外,水温、p H 值、可溶氧、水流速等也都
影响微生物的生长。水生物附着在钢管壁上摄取“食物”,排出沉淀物,破坏了管壁的钝化保护膜,形成化学和电化学腐蚀条件,其所产生的沉淀物又进一步加速着钢管腐蚀的速度。由此可见,输水钢管道(包括钢配件)内壁的防腐蚀除应重视改进制造、安装、表面预处理及涂装工艺外,生物防护不能忽视。
深圳水库有1条1961年建成的直径为1.4m 的对供水钢管,19年检查时发现其内壁已严重瘤化,实测管内壁糙率n 值竟达0.01771,高于原设计值(0.012)0.48倍。这是一个水库输水钢管内壁严重腐蚀的实例。
112 环境对输水钢管道外壁的腐蚀
大气环境对裸露钢件的腐蚀表现,主要是氧化锈蚀。影响大气腐蚀性态的主要因素是:①气温在摄氏零度以上、湿度超过临界湿度的时间,即“润湿时间”;②酸雨、H 2S 的含量;③大气中盐粒子的含量。其中,“润湿时间”是主要的。高“润湿时间”条件下的锈层中积聚了大量水分,为电化学反应提供了有利的温床,使腐蚀加速;此外,酸雨中的H 2S 和Cl -离子,危害也十分突出。
广东省高州水库三岔塘坝后水电站内径3.0m 壁厚8mm 的钢管(A3钢),是布置在土坝廊道中的发电引水钢管。由于廊道大气常年湿热,虽经管理单位精心护理,运用多年的钢管外壁仍然难免严重腐蚀,实测局部管壁厚度仅存5mm ,不得不采取在管外包钢筋混凝土的做法,实质上以钢筋混凝土管取代了原有钢管[2]。
工程上对暴露在大气中的输水钢管道通常都采取了多层涂料保护措施,但若施工工艺不周,面层材料的抗渗、防水以及耐候性能又欠佳,雨水可侵入防护材料内层,形成鼓泡、气囊,这也会在钢管道外壁形成局部微电池令钢管腐蚀。113 埋地钢管道的外壁腐蚀
埋地钢管道的腐蚀主要是电化学腐蚀,其他原因还有化学腐蚀、杂散电流腐蚀、生物腐蚀等。这里所说的生物腐蚀还包括植物根系穿透防护层的影响。
埋地钢管道的外环境,因地而异差别很大。由于是电化学腐蚀为主,因此管线土壤的电阻率是衡量环境腐蚀程度的重要指标,而氧化还原电位、土质、含水量、p H 值、微生物、地下水中的
第6期2004年12月 广东水利水电GUAN GDON G WATER RESOURCES AND HYDROPOWER
No.6
DEC 2004
当埋地钢管道经过大工厂、电气化轨道、与之平行架设的高压线路或煤气管道,且两者相距在安全距离以内时,土壤中存在的杂散电流将对埋地钢管道产生直流或交流干扰腐蚀,特别是两种干扰迭加的情况。交流电的存在可引起电极表面去极化作用,致腐蚀加剧形成孔蚀,交流干扰还可加速绝缘防腐层的老化或剥离[2]。
114 海输水钢管道的外壁腐蚀
过海钢管道要通过海洋大气区、海水飞溅区、潮差区、全浸区和海土区等5个立体区带。虽然在总体上海洋环境仍以电化学腐蚀为主,但各区带的差别较大:由于海洋大气中含有大量Cl-离子,海水飞溅区里供氧又很充分,所以腐蚀最为严重;潮差区则是干湿交替,附着在钢管道外表面的海生物较少,就碳钢而言,腐蚀程度略低;全浸区腐蚀受溶解氧、流速、水温、盐浓度、污染、p H 值及海生物细菌等影响,但如其表面长满牡蛎、石灰虫、藤壶和苔藓虫等海生物,构成了覆盖层,如果这种覆盖层是连续和紧密的,则它能阻止氧向金属表面扩散,有时也会起着降低钢管腐蚀速度的作用[4]。
海土与陆土不同,它是固、液两相体,其中不存在气体。海土有岸边盐碱土(海滨土)、潮间带海土(滩涂地)及海底沉积物(海底土)等三类。分析认为三类土的温度、粒度、电阻率、溶解氧、PH值等都存在差异,因此钢管道从中穿过就产生较大的电位差,海土粒度小处形成阳极,粒度大处则是阴极,遂形成电偶,造成宏电池腐蚀;而因不同土中溶解氧含量不同,也将引起自催化效应的局部腐蚀(孔蚀、缝隙蚀等)。对于海底沉积物中的微生物腐蚀(MIC),主要是SRB的腐蚀。荷兰学者Kühr认为,SRB利用氢将SO42-还原成H2S,其产物与Fe2+反应生成FeS x,而硫化物细菌又把FeS x氧化成单质S和SO42-,遂使腐蚀不断进行[5]。更有甚者,MIC产生的H2S在金属拉应力作用下可以诱发“应力腐蚀开裂”(SCC),这是一种突然发生的破坏,常常造成生命财产的巨大损失。
2 输水钢管道的防护措施
金属腐蚀是破坏性的,所造成的损失也是惊人的。按照不同情况选择适当的方法,提高水工金属结构的防腐蚀质量,延长其使用寿命有着重大意义[6]。
金属的防腐蚀保护,一般有涂料保护、金属热喷涂保护、阴极保护和复合保护等。将暴露的金属用防腐蚀材料加以覆盖、屏蔽,是最基本的防护手段;将设备或管道变成阴极,就是阴极保护,这是从电化学角度采取的一种保护手段。就防腐的完整性而言,底层金属喷涂、面层做涂料屏蔽,再与阴极保护组成的复合保护是最好的,但不可能在各种条件都予以采用。最基本的防腐方法还是涂料保护。
211 输水钢管道的涂料保护
21111 水泥砂浆衬护
水泥砂浆因其与钢管表面粘结力较强,能有效隔离钢管与水直接接触,防止电化学腐蚀和生物腐蚀。有资料说明,美国使用了20多年的水泥砂浆衬里钢管,发现钢板基本未受腐蚀。
由于普通水泥砂浆的收缩变形较大、抗拉强度较低、与老砂浆的粘结强度也不高,年久易碎难以维修,南京水科院在上世纪八十年代研制成功了丙烯酸脂共聚液水泥砂浆(简称丙乳砂浆,价格大约高于普通水泥砂浆80%但低于环氧砂浆50%),经在浙江百丈 水电站引水钢管中使用13年后停水检查,发现涂层完好无损,其性能优于十多种化学或金属涂料[7]。中船总公司七院725所则提出以环氧树脂为基料,加上改性石英砂做填料,经研磨配制而成环氧砂浆系列三组份耐腐蚀涂料,在厦门、深圳等沿海城市的管线内壁使用,性能优于水舱漆,效果显著[8]。
普通水泥砂浆衬里存在要求较为严格的养护条件、易受机械损伤以及管节接头防腐层修补质量难以控制等缺点,一般也只适用于直线管段,对于大量钢配件难以使用。
21112 合成材料涂料
早在16世纪,人们就已发现沥青材料具有良好的附着力、耐水性和抗渗性,很适合用作钢管外壁的防腐材料。沥青有石油沥青和煤沥青两类,石油沥青由烷烃类物质组成,化学性质较不稳定;煤沥青由芳烃类物质组成,化学性质极其稳定。煤沥青经过改性,克服了对温度的敏感性;提高了软化点和韧性,就成为具有象搪瓷一样光亮和耐腐蚀的材料,故被称为煤焦油瓷漆。煤焦油瓷漆粘结性优于石油沥青,其吸水率低,能抗微生物侵蚀和抗植物根茎穿透,且价格低廉,日常维修量小,寿命较长。
近代高分子化学的研究,促成了环氧树脂与煤沥青配合的高性能涂料,特别适用于埋地钢管道的外壁防护。这种涂料分为底漆和面漆,底漆含粉料较多,要求与钢管表面有较强的粘合力;面漆则有填补、渗透底漆针孔的作用,且平整光滑。长寿型重防腐涂层的设计常不单是一底一面(简称二油)做法,还有三油一布(一般是玻璃纤维织物)及四油二布等做法。环氧煤沥青系涂料施工及保养期较长,在施工环境温度低于5℃时难以固化,那种条件的地区必须改用聚胺脂系防腐涂料。
21113 金属喷涂
高纯度的金属Mg、Al、Zn是很耐腐蚀且易获得的材料,而且它们的电位都比钢管负。把纯Al丝、纯Zn丝(海水环境不宜)或锌铝合金丝、铝镁合金丝用乙炔焰熔成气雾喷到钢管表面,使之形成最小局部厚度为100μm～200μm均匀连续的金属膜,将钢管表面屏蔽起来,然后再在喷涂金属膜上进行多层防腐涂料保护,这就是金属喷涂保。
金属喷涂保不但有涂料保护性质,还由于喷涂金属的电位负于钢管,因而兼有阴极保护的作用。
金属喷涂防腐要求钢管表面严格的预处理,否则难以达到质量要求。而如采用喷锌(价格较低,熔点较低故易施工),因其有毒,不利环保。
21114 高性能涂料的发展
涂料防腐,一般都要求做好设备表面的预处理,但表面预处理费工费钱,稍有不慎就留下隐患,因此有的工程要求涂料能带锈、带湿、带旧漆膜涂装,甚至可以底面合一涂装;由于某些工程检修十分困难,要求一次性延长防腐材料寿命;有些工程要求涂料本身有防热、防化学腐蚀(水上、水下)、防生物腐蚀、防油等功能;有些工程要求涂料无毒、环保;有些工程则要求涂料具有装饰性;大多数工程要求涂料耐水、耐候、耐湿、抗疲劳及机械强度高,
2004年12月 第6期 傅章吉:输水钢管道的腐蚀分析与防护措施 DEC2004 No.6等等。由于涂料是由基料(树脂)、颜填料和溶剂组成的,其中基料是成膜物质,是主要成分,颜填料有防锈颜料和片状填料,溶剂是用来溶解基料便于成膜的,高性能涂料就在上述种种要求下不断改进配方并获得了发展。
概而言之,长寿、可靠、省工、环保、经济是对当代高性能防腐涂料的总要求,涂料工业正向着粉末、高固体份、水性、紫外光固化、无公害及省资源方向发展。较显著的技术进展大体有以下几个方面:
(1)提高防腐性能:研究认为,鳞片(玻璃粉、云母)涂料对金属有更好的隔离作用,防渗功能突出。高固体份涂料(例如熔结环氧)使涂层光滑致密、抗流挂、无针孔,大大地提高了防腐性能。还有一种含氟涂料,耐各种化学物质腐蚀,寿命比普通涂料长3倍。
(2)兼备阴极保护功能:水性无机富锌涂料为一液一固型双组份涂料,粘合剂为高摩尔比的碱式硅酸钾溶液,它不但具有阴极保护功能,还具有自我保护性,因此具备较长的耐候性和持久性。我国吉林正基科技公司在2001年开发出一种导电聚苯胺防腐涂料专利产品,它不含重金属,却具有导电性和导热性。导电聚苯胺在金属表面形成的氧化膜,随时吸收可引起金属腐蚀的负电子,具有防静电功能。
(3)绿色涂料:前述水性无机富锌涂料是一种零VOC(有机挥发物质)环保涂料。另一种环保涂料是醇酸改性Laroflex MP 树脂涂料,它可以替代氯化橡胶。氯化橡胶中含有大量的氯,使水的透过率很低,有很好的防水性,是防腐蚀涂料的主要成膜物质之一,但氯化橡胶污染大气,现在有了性能优异的替代产品,完全可以克服这一缺点。
(4)新材料开发:发展耐候钢。碳钢和普通低合金钢在大气中要生锈,采用各种方法防锈花费都很大。工业化国家研发了高磷铜加铬、镍的Cor-Ten A系列耐候钢和以铬铜合金化为主的Cor-Ten B系列耐候钢,被证明是有效的,但是价格太高。我国研究人员根据我国的实际情况提出了在原料中控制磷含量0.035%～0.055%、铜含量0.08%～0.20%,这样就可以不用人为地添加合金元素而得到和Cor-Ten B相当的“经济耐候钢”,这种经济耐候钢的平均腐蚀率要比普通碳钢降低4倍,在万宁地区甚至可降低14倍[9]。三峡工程的金属结构防腐,举世瞩目,为提高船闸人字门的防腐蚀性能,研究中提出了用稀土铝(AcAl)进行热喷涂工艺,这种新材料造价低、防腐蚀性能优质长效[10]。还有更加令人鼓舞的信息,《中国有色金属报》说:可达百年防腐目标的稀土铝合金已在2004年初亮相,并将应用于2008北京奥运场馆中。这种我国首研的材料可作气喷涂、热喷涂、电弧喷涂、热浸镀,其在Cl-离子海洋环境加H2S饱和溶液的高温、高压复合条件下,年腐蚀率几乎为零。
212 输水钢管道的阴极保护
金属表面的涂料保护并非天衣无缝,腐蚀总会在薄弱环节上发生发展。优质涂料和阴极保护联合使用才是比较完全的保护方案。
对钢管进行阴极保护的方法有外加电流法和牺牲阳极法两种:外加电流法采用对被保护钢管通以可调直流电,电源正极与辅助阳极(常用的有废钢铁、石墨、硅铁、铂阳极及金属氧化物等)相接,而电源负极则与钢管相接使其表面积聚起足够多的电子,形成一个整体阴极受到保护;牺牲阳极法采用电位比钢负的金属(如Mg、Al、Zn、AcAl等)作为阳极与钢管串连在一起,由于电解作用使牺牲阳极不断被腐蚀而钢管(阴极)得到保护。21211 金属热喷涂与外加电流的阴极保护
不加保护的金属热喷涂膜,容易受损失效,而金属热喷涂膜上毕竟还存在许多“针孔”,因此必须外覆涂料屏蔽层,让涂料渗入金属膜的针孔中去,并加强外保护。不过这种形式的联合保护,实际上还是属于“涂料保护”的范畴,只是用金属膜代替了底漆而已。当外涂层局部损伤致内层形成局部电化学腐蚀作用时,金属膜也有可能部分地产生对钢管的阴极保护功能,但这种保护仍不完整。在重要工程中,金属热喷涂经常和外加电流的阴极保护联合使用,因为阴极保护能使涂层缺损部位的钢管表面产生阴极极化,避免钢管局部腐蚀;而涂层的保护能使阴极保护所耗的电流降低,从而节省保护费用。
如何使过海钢管道的防腐蚀寿命能与陆域管道的使用寿命同步,是人们十分关心的问题。有试验曾在钢管表面以喷锌、喷铝及喷锌铝(先喷一层纯锌,再喷一层纯铝)分别与外加电流阴极保护做配伍研究,实测成果表明,喷铝与外加电流阴极保护在海水环境中有较好的配伍性,而喷锌铝则不宜与之配伍。
21212 牺牲阳极的阴极保护
利用电位较负的活性金属在电解质中不断腐蚀溶解而产生电流以保护钢管的方法,就是牺牲阳极的阴极保。作为牺牲阳极的金属,常用的有镁合金、铝合金、锌合金等。铝合金和锌合金牺牲阳极主要应用于海水等电阻率低的介质中,镁合金牺牲阳极则主要应用在淡水、土壤等电阻率高的介质中。镁合金阳极效率较低,寿命较短,价格也较高,不大适用于保护长线工程;锌合金阳极效率高、寿命长、极化小,但其驱动电压低、输出电流小,以致保护工程造价却昂贵。但铝合金阳极则以其具寿命长、电容量高、重量轻、成本低等优点成为最重要的阳极材料。牺牲阳极保护的成效与产品的电化学性能直接相关,一般的方法是在铝阳极或镁阳极中加入微量Sn、G a、Bi、Mn等元素,使铝阳极不致钝化,镁阳极的使用寿命得以延长。
在牺牲阳极的形状方面,通常有条状、块状和带状的,都不大适应海底作业。我国有一种“手镯式”铝合金阳极已经研制成功,可以紧箍在钢管壁上便于海底管线使用。
3 研讨性的结论
1)长距离输水钢管道将受到各种环境介质的腐蚀,在多种腐蚀因素中电化学腐蚀和生物腐蚀是主要的。
2)对管线上的钢管及其配件,采用防腐蚀涂层对其内、外壁表面实施屏蔽,是最方便、最常用的防护手段。因为目前市面上的防腐涂料品种繁多、性能不一,建设中应进行仔细分析筛选,最好能在现场进行各种品牌的对比试验,以求得1个最佳配套方案。
3)钢管及其配件的防腐期限,应力求与工程的使用寿命同步。还须特别注意:钢件表面的预处理质量将在很大程度上影响防腐涂层的有效寿命[6],因此不可掉以轻心、放松监督。
4)由于过海钢管在投产后维护检修都很困难,因此应考虑采用与阴极保护配伍的复合型防护方案,并积极考虑采用新材料和新技术,延长阴极保护的期限。
(下转第32页)
由以上理论与方法得到3个入库站至横石站之间复杂河道的流量演算方程及步骤如下(式中各变量含义见前面公式):
(1)河段①用分段连续演算方法得到出流
O ′m =∑1
i =m
I ′
(i )×P ′(m -i +1)n
(14)
(2)河段②用马斯京干法演算河段①出流并与黄岗入流汇
合得到下游断面出流O ″m =C ′0(O ′m +I ″m )+C ″1(O (m -1)′+I ″m -1)+C ″2O m -1″
(15)
(3)河段③用分段连续演算方法演算得到下游断面出流O m =∑1
i =m
I ″
(i )×P ″(m -i +1)n
(16)
(4)河段④用马斯京干法演算河段②、③汇合出流到下游断面O ″″m =C ″″o (O ″m +O m )+C ″″1(O ″m -1
+O ″m -1)+
C ″″2O m -1″
″(17)
参数选取与系数率定的方法详见洪水演算方法原理部分,其值见表1、2。
表1 各河段传播时间T 及△t 、x 、K 值的选取
河段T (h )
△t (h )
x K
马径寮～英德940.19英德～连江口240.12连江口～横石540.15高道～连江口8
4
0.1
8
表2 各河段流量演算预报模型系数
流量演算方法
分段连续演算方法马斯京干法河段
马径寮～英德
高道～连江口
英德～连江口
连江口～横石
流量演算预报模型系数
t/dt
P m n
t/dt
P m n
C C 00.01200.017C 00.48C 00.2310.07810.097C 10.57C 10.3920.17420.195C 2
-0.05
C 2
0.38
30.18030.19840.15440.21550.12050.12260.11360.08070.
09170.05180.05180.025
9
0.027
9
由以上方程及率定的系数即可得到3站洪水在横石的出流
过程,此值与横石相应时刻的实际出流的差值即为区间在横石的出流过程。3 实例计算
为了检验上述方法及模型的合理性,选取1968年典型洪水进行河道洪水演算,求得区间洪水在横石的出流过程,同时用洪量控制,模拟高道用同比例放大高道过程线方法亦得到一出流过程(图3)。
图3 北江横石断面出流过程线
比较两种方法得到的区间出流,模拟高道方法得到的过程线比较平缓,而分段连续演算方法得到的过程线涨落明显,反映了区间洪水由于集雨面积小、汇流时间短暂、暴雨较为集中的特性。4 结论
根据复杂河道洪水计算的影响因素复杂的特点,本文提出一种基于马斯京干法的分段连续演算方法,并给出了该方法具体算法步骤,同时编制算法程序,在微型机上进行了计算,得到了令人满意的结果,有一定的理论和实际意义。
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