[原创] 输水管道内壁的腐蚀与砂浆防护(实例)

   内容提要：针对埋地给水管道未防腐的内壁腐蚀严重，进行了腐蚀原因分析，提出防腐的必要性。同时对管道内壁采用砂浆衬里的合理性进行了分析，通过该衬里与涂料防腐衬里的可行性对比，说明采用砂浆衬里对给水管道内壁防腐是优先选用的方法，其综合效益是最好的。实践证明已经使用近30年效果很好。
     关键词：埋地管道  地表水  砂浆衬里 涂料防腐层
1、概述
      某炼油厂所属的净化水场院内至红旗泡地下管道近20公里，管道规格为Φ273×8，材质为碳钢，现已使用10多年。主要作用是把嫩江的地表水通过管道输送到净化水场处理场，通过处理作为工业用水与民用用水。由于一些原因部分管道内壁没有进行防腐，使用几年后检查，管道内壁有相当一部分长满铁菌瘤，瘤高达10-20毫米，腐蚀深度达1-3毫米，管内壁遭到严重腐蚀。另外，管道内壁腐蚀结垢使管道的阻力增加，输水能力下降。据有关资料表明，管道使用10年后，其阻力系数较开始使用时增加到1.32倍，20年后为1.69倍。由此可见，管道内壁没有采取有效的措施情况下，管道内壁遭受的腐蚀随使用年限而加剧，缩短了管道的使用寿命，同时管道的输水能力随使用年限增加而递减，增加了电能的消耗。这两者的经济损失是相当可观的。所以。管道内壁防腐是必不可缺少的。
2 、腐蚀原因分析
      从热力学的观点来看，金属材料在水中是不稳定的。它们最终将通过腐蚀达到各自的稳定状态，即腐蚀产物。腐蚀是绝对的，不腐蚀是相对的。
用地表水作为工业、民用用水，通常PH值为6.5-9.0。这时水中游离的氢离子浓度很低，而水中溶解氧的浓度高。在这种情况下，碳钢表面主要是电化学腐蚀。电池中的阴极反应主要是氧的还原，而腐蚀电池中的阳极反应则是铁的阳极溶解。碳钢在水中发生的腐蚀反应如下：

阳极反应2Fe — 2Fe² + 4e^-
阴极反应 O₂ + 2H₂O + 4e — 4OH^-
总反应 2Fe + 2H₂O + O₂ —2Fe(OH)₂↓

      即在腐蚀时，铁生成氢氧化铁从溶液中沉淀出来。可是，这种亚铁化合物在含氧的水中是不稳定的，它将进一步氧化生成氢氧化铁。

2Fe(OH)₂ + 2H₂O 1/2 O₂—2Fe(OH)₃ ↓

      因金属的腐蚀都是经过两个过程，即发生过程与发展过程。发生过程就是当金属表面存在缺陷时，在缺陷处发生腐蚀。发生腐蚀的同时产生大量的锈蚀产物。发展过程，就是当金属表面存在缺陷时，在缺陷处发生腐蚀。发生腐蚀的同时产生大量的锈蚀产物。发生过程，当金属表面发生腐蚀时，在其表面覆盖一层锈垢。这时在锈垢层下形成沉积物下的腐蚀或叫垢下腐蚀，这是金属表面腐蚀的主要腐蚀阶段。
垢下腐蚀是由于在垢下金属生成金属离子，而垢下中的溶液由于对流不畅而贫氧，故氧的还原反应主要在垢层外的阴极区进行。这样，在垢下的溶液中就有了过剩的正电荷，促使带负电核的氯离子迁移到垢层中来，以保持溶液的电中性。结果，垢下中金属氯化物的浓度增加。之后，金属氯化物水解而使垢下中的溶液酸化，从而加速金属的腐蚀。
      在中性水溶液中，对于碳钢表面易发生垢下腐蚀。另外，在垢下腐蚀的情况下，存在着孔蚀，它是对金属破坏速度较快的一种。所以说，对于管道内壁必须进行防腐，这样才能提高其使用寿命。
3 选用不同内防腐层的对比
      ⑴ 选用砂浆衬里的依据
      由金属腐蚀理论可知，在含有溶解氧的水溶液中，钢铁发生腐蚀时其腐蚀反应的阴极过程由两个去极化过程组成，即氢离子的去极化和氧的去极化。
一般情况下，地表水的氧含量是饱和的，故地表水对碳钢的腐蚀性随其PH值的增加而降低。碳钢在水中的腐蚀速率随PH值的升高而降低。当水中PH值升高8.0-9.5时，碳钢的腐蚀速率将降低为0.200-0.125mm/a左右。所以碳钢在偏碱性溶液中可以减少腐蚀。
      对管道内壁采用水泥砂浆做内防腐，因砂浆中的水泥石（即水泥的硬化部分）约有70%以上的硅酸钙水化物，20%左右的固相游离石灰质，7%的铝酸盐或硫铝酸盐和3%的水化物。硅酸盐控制腐蚀最佳PH值范围是8.0-9.5。这条件是由固相游离石灰质的碱性环境提供，这样硅酸盐才能保持它们应有的安定性和一定的力学强度。水泥砂浆这种物理结构和化学成分的特点，构成了砂浆在水中耐腐蚀的特性。
      根据上述的物理特性，硅酸盐既可在清洁的金属表面上，也可在有锈的金属表面上生成保护膜。其主要的缓蚀机理水中带负电的硅酸根在腐蚀电池的阳极区生成硅胶，并与氢阳化铁沉淀，一起在钢的表面生成保护膜。所以，给水钢管道采用水泥砂浆衬里，使金属管内壁不与水直接接触，而仅与浸透衬里PH值较高（PH值达12以上）的溶液接触，金属表面形成致密的钝化膜，从而抑制了钢管内壁被氧化和腐蚀结垢。同时水泥砂浆化学性能比较稳定，清水与之接触，水质不受影响，并防止了铁锈对水的污染，保护了水质。砂浆的主要特点是无毒、成本低。
      ⑵ 管道内壁砂浆施工
      砂浆防腐施工分两部分，第一部分为金属表面处理，第二部分为抹面施工。底面处理要求达到国家标准“涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级”GB8923-88中，达到手工和动力工具除锈St2级。”应达到“钢材应无可见的油脂和污垢，并且没有附着不牢的氧化皮，铁锈和油漆涂层等附着物。”现场采用电动钢丝刷或手工除锈即可达到要求。第二部分为砂浆衬里施工。一般情况下，管道的直管段采用机械喷涂施工，对弯头、三通等特殊管件采用手工涂膜。对于相接处要以光滑的渐变式相接。所以说砂浆施工方便，施工期短，质量容易保证。
      ⑶ 防腐层的要求
       输水管道内壁选用涂料防腐施工一般是经过底面处理后，然后再进行防腐施工。底面处理要求达到国家标准“涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级”GB8923-88中，Sa2.5级，应达到非常彻底的喷射或抛射除锈。即：“钢材表面应无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和油漆涂层等附着物，任何残留的痕迹应仅是点状或条状的轻微色斑，并且表面有一定的粗糙度。”从这里可以看出对金属表面处理是很严格的。另外，根据现场管道施工的情况，质量要想达到上述要求是很难的。
      管道内防腐施工也是比较困难的，一般要求涂刷3-4道。同时涂料本身对金属相对来说，没有其它底漆附着力强度好。因为选用该防腐材料要求无毒，这样就限制了防锈颜料的成分。实际上该材料是底面合一的，按照防腐要求是不太合理的。如果金属表面处理达不到要求，这样涂层与金属表面的界面结合力不会好的。
       另外，对于管道内防腐，焊道的补口防腐是很困难的。因为管道补口是防腐施工的最后一道工序，对于补口的底面处理现场不允许采用喷砂除锈的方法，只能采用手工或条件允许情况下采用手工机械除锈，这样的金属表面处理达不到涂料本身涂装时对金属表面处理的要求。现场虽然也能补上，但是补口处的涂层使用寿命不会太长。如炼油厂某地下给水管道，部分管道内壁采用涂料防腐。使用3年多，经检查防腐层有鼓包、脱落的、已经不起作用。
      ⑷ 砂浆防腐与涂层防腐的对比分析
      根据实际情况，对管道砂浆与涂层内防腐进行了对比分析。从表1的分析可以看出，采用砂浆衬里防腐对给水管道防腐经济效益是显著的，值得提倡。

表1                       砂浆防腐与涂层防腐的对比分析

序号	内容	砂浆衬里	涂料涂层
1	底面处理	要求不严格，达到GB8923-88中St2级或St3级。	要求严格，达到GB8923-88中Sa2.5级。
2	施工	施工简单，采用机械施工或手工施工相结合的方法，施工期短。	施工工艺较复杂，施工条件差，粉尘大，溶剂挥发量大，施工期长。
3	施工质量 保证程度	依据施工的特点，不存在补口的现象，质量容保证。	依据施工的特点，现场补口质量难以保证。金属表面处理质量难以保证。
4	单位造价	根据实际情况，砂浆衬里每平方米造价40-50元，只是防腐涂料的底面处理费用。	根据实际情况，涂层每平方米造价100-120元，约是砂浆防腐的2.5倍。
5	使用寿命	根据给水管道的使用情况，现已使用20年没有问题，据有关资料介绍可以使用30年	使用约5年涂层出现破损。

4.我国采用砂浆防腐的现状
      对于埋地给水管道采用砂浆做衬里，国早有行业标准，如中国工程建筑标准协会1991年颁发的“埋地给水管道水泥砂浆衬里技术标准”。原石油工业部部颁标准“钢质管道及储罐防腐工程设计规范”SYJ7-84等。对砂浆衬里都有设计规范和验收标准。
近年来，国内不少埋地给水管道内壁采用了水泥砂浆衬里做为防护层，并且取得了良好的效果。如天津引滦工程铺设的长14.5公里（Φ2500）输水钢管。        上海黄埔江上游引水工程铺设的长3.3公里（Φ2400-Φ3000）输水管道。北京水源九厂一期工程铺设的长54公里（Φ2200）输水管道及29公里长（Φ1000-Φ2200）配水管道。南京自来水公司铺设的长11公里（Φ700-Φ1600）输水钢管和大连引碧水工程铺设的长25公里（Φ1400）输水管道。1995年大庆石油天然气总公司所属的龙虎泡到净化水厂（Φ1600）27公里水源管道等。
      所以，采用砂浆衬里对给水管道内壁防腐是综合效益较好的方法，是对于给水管道内壁防腐2首选的方法。
5、 砂浆防腐效果
      炼油厂埋地给水管道大部分使用已经在20年左右，管道内壁均是砂浆防腐。由于管道外壁的腐蚀，需要更换部分管道，检查更换下来的旧管道，砂浆的防腐情况良好，内表面的砂浆层坚硬、表面光滑，没有出现空鼓和脱落。
      6结论
      采用砂浆做为埋地管道内壁防腐衬里特点如下：
      ⑴ 对金属表面处理要求不严格，底面处理质量容易保证。
      ⑵ 砂浆衬里施工简单，容易掌握，效率高，施工质量容易保证，无毒、无害。
      ⑶ 单位造价低，使用寿命长。
所以，该方法对埋地给水管道内壁防腐是首选的方法，其综合效益是其它方法无法比拟的。

另外，对于管道内防腐，焊道的补口防腐是很困难的。因为管道补口是防腐施工的最后一道工序，对于补口的底面处理现场不允许采用喷砂除锈的方法，只能采用手工或条件允许情况下采用手工机械除锈，这样的金属表面处理达不到涂料本身涂装时对金属表面处理的要求。现场虽然也能补上，但是补口处的涂层使用寿命不会太长。