戴英 徐一為

　　天津市是國內(nèi)使用自來水較早的城市之一，城市的供水系統(tǒng)已有近百年的歷史。1898年的供水管道，部分還在管網(wǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行使用。許多管道的使用年限較長。我市的水源主要以地表水為主。由于水源水質(zhì)復(fù)雜，藥劑投加量較大，管道運(yùn)行流速偏低等因素，造成管道內(nèi)壁產(chǎn)生較厚的“環(huán)狀銹垢”，給供水管道運(yùn)行帶來了許多的不良后果。

　　從90年代初，我公司領(lǐng)導(dǎo)和有關(guān)技術(shù)人員，對這個(gè)問題十分重視。組織力量，結(jié)合管道施工、維護(hù)等工作，開展了管道內(nèi)部銹蝕、結(jié)垢的調(diào)查工作。面對全市多公里供水管道的復(fù)雜情況，考慮到城市的正常供水和時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素，確定了從管道的不同的年限、不同地點(diǎn)、不同口徑及距水廠的不同距離和不同水源等幾個(gè)方面，調(diào)查我市的供水管道內(nèi)部銹蝕結(jié)垢情況，并從其成因危害以及如何防治幾個(gè)方面開展研究工作

一、管道內(nèi)部銹蝕結(jié)垢的調(diào)查結(jié)果

　　管道內(nèi)部銹蝕結(jié)垢調(diào)查工作，運(yùn)用結(jié)合管道施工、維護(hù)等工程及對感興趣的管段定點(diǎn)取樣的方法，經(jīng)過一年半的時(shí)間，共取得管道結(jié)垢銹蝕樣76個(gè)，具體情況見附表：(注：管徑單位為mm)

　　在這76個(gè)管道銹樣中，大部分呈瘤狀，由棕黃色、堅(jiān)硬的氧化鐵殼體組成，殼內(nèi)由黑色的氧化亞鐵組成，F(xiàn)e0₂ 硫化鐵FeS等松質(zhì)組成，少部分呈其它形狀的銹垢，如尖峰狀、粉末狀等。其化學(xué)成分為鐵占80%，硅占15%，微量元素占。我們把這些銹樣按顏色、硬度、形狀、厚度及化學(xué)成分，分成AB、C、D 四類：
　　A 類：銹垢形狀密連的小聳峰，棕黃色，機(jī)構(gòu)的外層尖細(xì)，硬度大，內(nèi)層有少量的黑色松質(zhì)，厚度為 9-12mm，n值約為 0.02 ，占總數(shù)的14% ，多為 60 年代前鋪設(shè)的老管道。管材質(zhì)量優(yōu)于 60 年代以后使用的連續(xù)鑄管。這類銹樣的取樣管段多為流速較大的管段，沉積、氧化過程機(jī)會少，主要是銹蝕形成。
　　B 類：形狀為連續(xù)突起的褐色小山包，外層是硬度大的殼體，殼內(nèi)充滿黑色軟質(zhì)，厚度為 10-20mm ，n 值約有 0.025 ，占總數(shù)的28% 。其金屬含量中，Cd、Mn、Zn、Cu、TFe、TCr 的指標(biāo)明顯高于其它銹樣，SO₄^2- 和 Cl^- 離子，含量較高，是銹樣中顏色較深的一類。
　　C 類：形狀為圓突密連的瘤體，外層為黃色殼狀，內(nèi)為黃色的松質(zhì)物，厚度為 20-25mm ，n 值約在 0.026-0.030 之間，占總數(shù)的54% ，是最普遍的一種，多為 70-80 年代使用的連續(xù)鑄管，管材密度較低，是最易腐蝕的一種管材。
　　D 類：形如粉末狀，強(qiáng)度最低，顏色分黑灰和黃色兩種，分層依次堆積，厚度30-35mm，n 值約在 0.030，占總數(shù)的4% 。取樣的管段處于市區(qū)外圍井水和河水交替供水的管段。銹塊中，Na、Mn、Si 的含量比其它銹樣高出幾倍，是由大量泥沙沉淀形成的較厚結(jié)垢。

二、管道內(nèi)部銹蝕的產(chǎn)生原因

　　水是溶解力強(qiáng)的溶媒，可以說沒有什么物質(zhì)不溶于水。金屬被水溶解，對金屬而言，呈現(xiàn)出所謂的腐蝕現(xiàn)象。供水管道系統(tǒng)內(nèi)的管材，主要是鐵管，鐵管輸送水就會被水溶解，產(chǎn)生腐蝕，其主要理論有：
　　1.氧化理論（Acid.theory）：由于水中的碳酸（H₂CO₃）作用，鐵變成碳酸亞鐵，接著再被水中的氧所氧化，成為氫氧化鐵。
　　2. 過氧化理論（Peroxide.theory）：鐵首先和水化合成氫氧化亞鐵，這時(shí)產(chǎn)生的氫氣和水中的氧化合生成 H₂O₂ 之后，氫氧化亞鐵和 H₂O₂ 化合生成氫氧化鐵。
　　Fe+2H₂O → Fe（OH）₂ +H₂^↑
　　H2+O₂ → H₂O₂
　　2Fe（OH）₂ + H₂O₂ → 2Fe（OH）₃（銹）
　　3. 電化學(xué)理論（ Electrochemical . theory ）：腐蝕是由電化學(xué)反應(yīng)而引起的，首先生成的是氫氧化亞鐵，在堿性水中，與氧化合生成氫氧化鐵，形成膜而停留在金屬表面。在酸性水時(shí)，先與水中碳酸形成的 CO₂ 化合成重碳酸亞鐵 [Fe（HCO3）₂] 后再與水中氧化合成的氫氧化鐵，以浮游形成從水中析出沉淀。
　　此外，在腐蝕中，還有一些能用微電池——濃差電池或氧差電池機(jī)理說明的腐蝕。
　　當(dāng)水在管道里與鐵接觸，通過各種途徑開始腐蝕，在氧化皮的縫隙或管內(nèi)凹凸不平的粗糙面上，形成許多微小的腐蝕電池 , 開始腐化，產(chǎn)生沿著水流方向的膜或殼。如果這種電化學(xué)或微電池作用代表全部腐蝕過程的話，我們應(yīng)該看到的是一個(gè)空泡，但實(shí)際上，我們發(fā)現(xiàn)的這些空泡，經(jīng)過一段時(shí)期后，變成了大小不均的瘤狀結(jié)垢，硬殼內(nèi)充滿了氧化亞鐵和硫化鐵等物質(zhì)。這是因?yàn)?，?dāng)金屬表面由于氧化形成二價(jià)氫氧化鐵與中性水接觸形成的三價(jià)鐵（膜或空殼）并不是永遠(yuǎn)貼附在管壁上，保持靜止。只要水中不斷有 O₂ 溶入，就可能通過破裂的膜向內(nèi)一層層運(yùn)動(dòng)，把部分亞鐵離子氧化成鐵離子，經(jīng)過一段時(shí)間，這些氧化鐵濃度超過一定的比例，磁性氧化鐵或其它亞鐵化合物就會不斷地析出，并產(chǎn)生酸性物質(zhì)，后者繼續(xù)與金屬作用，在產(chǎn)生新地亞鐵鹽，不斷循環(huán)。在水處理過程中，投加 FeSO₄ 和 Cl₂ 也參加反應(yīng)，同時(shí)析出大量的 SO₄ ^2- 和 Cl^- 使得銹蝕內(nèi)的亞鐵鹽幾硫化鐵增加并氧化。
　　在不斷氧化循環(huán)腐蝕的同時(shí)，銹殼內(nèi)的各種鹽類不斷積累，促使鐵細(xì)菌依靠鹽類的氧化而不斷繁殖，尤其是靠近管壁，氧的含量比外界較貧乏，更加有利于鐵細(xì)菌的生存。鐵細(xì)菌在生存過程中吸收亞鐵鹽，排除的氫氧化鐵產(chǎn)生大量沉淀，細(xì)菌周圍就會有大量的粘泥，使殼體充滿并不斷增大，引起管道的嚴(yán)重堵塞。這種堵塞是沿管壁四周均勻逐漸生長的，并可形成管道內(nèi)壁的垢下腐蝕現(xiàn)象。所以，水中氧是電腐蝕的開始，而硫酸鹽類還原細(xì)菌是腐蝕結(jié)垢的原因，鐵細(xì)菌則是大面積腐蝕管道的另一原因。
　　在調(diào)查的 76 個(gè)銹樣中，我們還發(fā)現(xiàn)，在供水條件相同的區(qū)域中，不同質(zhì)量的鑄鐵管，銹蝕的程度也大不相同，一些 70-80 年代鋪設(shè)的管道銹蝕程度大于60 年代前，尤其是解放前的老管道。為此，我們對其中的 8 個(gè)銹樣做了金屬含量與金相化驗(yàn)。結(jié)果表明，金屬含量均符合國家標(biāo)準(zhǔn)，但從金相報(bào)告中反應(yīng)出8 個(gè)管材試樣的組織結(jié)構(gòu)有差別，主要是石墨的形狀不同，大小不適中，造成管道的密度不同。
　　灰鑄鐵是由金屬基體和片狀石墨組成。而石墨的形狀和分布，主要受化學(xué)成分的含量與制造時(shí)冷卻速度的影響。如果石墨片較薄，大小不適中，會直接影響金屬基體的連續(xù)性，而影響鑄鐵的機(jī)械性能和防腐蝕性能。 8 個(gè)試樣中，均勻厚片狀石墨的鑄鐵管，腐蝕程度較輕，而菊花狀和樹枝狀的薄片型石墨管材，其機(jī)械性能比較差，腐蝕程度較嚴(yán)重。
　　在給水管道內(nèi)部產(chǎn)生銹蝕結(jié)垢的因素中還有一個(gè)方面，就是管道內(nèi)水的流速對銹垢產(chǎn)生的影響。在調(diào)查的 76 個(gè)銹樣中，由于管徑的不同，生銹量也有顯著的不同。這是因?yàn)殇P蝕的產(chǎn)生與水的流速大小有關(guān)。當(dāng)水是酸性時(shí)，其腐蝕為氫型的腐蝕。這時(shí)，由于受氫過電壓所支配，所以不受流速大小的影響。當(dāng)水質(zhì)近于中性狀態(tài)時(shí)（相同于自來水），因其腐蝕是奪取水中的氧，生成氫氧化鐵地氧型腐蝕。所以，供給氧氣是否適量與銹蝕的情況有很大關(guān)系。

　　在鐵與水相接觸的表面上，有一層附著在其上的不流動(dòng)的薄水層，流速增大，則水層變得更薄，通過該水層水流中的氧的擴(kuò)散，補(bǔ)給就容易，因而促進(jìn)銹蝕。但是在一定范圍內(nèi)，流速再加大，氧供給量繼續(xù)增加，則鐵的表面由于氧氣過剩而趨于鈍態(tài)化，反而使腐蝕減小。流速再加大，由于紊流將發(fā)生氣蝕，因機(jī)械作用，使金屬表面受耗損并產(chǎn)生空隙腐蝕。小口徑管道由于流速處于較小范圍，所以銹蝕多。同樣厚的銹垢，管道口徑愈小，則通水量減少得愈多。相反，大口徑管道，流速偏大，銹蝕也因趨于鈍態(tài)而減少。

三、管道內(nèi)部銹蝕的危害

　　給水管道內(nèi)部銹蝕結(jié)垢后，會降低管道的輸水能力，污染供水水質(zhì)，破壞管道的機(jī)械強(qiáng)度，危害無窮。
　　1.供水能力下降，供水電耗增加
　　管道的“環(huán)狀銹垢”產(chǎn)生，縮小了有效直徑，增加輸水阻力，使管道運(yùn)行的水頭損失增大，造成用水戶水量和水壓的嚴(yán)重不足。在取樣的管道上，我們做了部分管段的摩阻值測定：“Mannings”n 值一般在 0.022-0.030 ，最高的一處 DN200 管 n 值達(dá)到 0.0382 ，由此，可以看出銹蝕結(jié)垢對供水管道的影響之大。
　　由于銹垢使管道的摩阻大幅增高，在保證正常供水，滿足生產(chǎn)，生活需要的條件下，水廠送水的水泵揚(yáng)程就要提高，供水電耗也隨之增大，造成供水企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益損失極大。
　　2.污染供水水質(zhì)
　　天津市供水的出廠水質(zhì)交好，特別水濁度一項(xiàng)出廠時(shí)僅為 0.5-1 度，但這樣低濁度的供水在通過管道的輸送后，由于管道內(nèi)壁的銹蝕結(jié)垢中部分 Fe（OH）₃可浮游于水中，銹垢塊中有2%-3%可溶于水中（理化鑒定結(jié)果），使水質(zhì)受到二次污染，出現(xiàn)“紅水”現(xiàn)象。特別是當(dāng)管道內(nèi)流速、流向發(fā)生變化時(shí)，就會有大量的“紅水”甚至“黑水”出現(xiàn)，造成供水水質(zhì)事故。
　　3.管道的強(qiáng)度降低
　　從銹蝕結(jié)垢管材截面的金相片可以看到，鑄鐵管壁受到腐蝕的金屬有1/5 - 1/4變成了黑色，黑色部分的大小與附著在管壁上的銹瘤部分相對應(yīng)，而黑色部分則是鑄鐵組成中鐵的一部分變成銹而溶出，剩余的大量是石墨。這一變黑的石墨層，就失去了鑄鐵原有的性能和強(qiáng)度。石墨化的黑色部分甚至可用小刀削落。在管道供水運(yùn)行中，受到水壓沖擊或外部荷載時(shí)，極易出現(xiàn)爆管、折管等漏水事故。

四、管道銹蝕結(jié)垢的防與治

　　認(rèn)識到管道銹蝕結(jié)垢的危害性之大，我們就要對它進(jìn)行預(yù)防和根治，以減小其危害。預(yù)防主要從量個(gè)方面著手：一方面調(diào)改水處理的藥劑，使用聚合類混凝劑，調(diào)整水的pH值，投加防腐劑；另一方面，新的管道工程在選擇管材時(shí)，要選擇材質(zhì)好、有可靠的防腐內(nèi)襯的管材，如帶水泥漿襯里的球墨鑄鐵管或UPVC、PE等管材。
　　對于管道銹垢的治理，可有計(jì)劃地更換管道，或?qū)εf有管道進(jìn)行刮管涂襯，刮管涂襯可根據(jù)不同地銹蝕結(jié)垢情況，采用不同的方法，有高壓水沖洗法、清洗法、機(jī)械刮管等多種方法。涂襯地種類可根據(jù)管徑的大小、長短等條件，采用噴涂水泥砂漿、環(huán)氧樹脂、穿套軟管等辦法。這些，都可以有效地治理管道銹蝕結(jié)垢的問題。