给水管网中钢管的腐蚀及其修复技术
来源:纷纭教育
第2期 2015年4月 非开挖技术 China Trenchless Technology No.2 Apr.,2015 139 给水管网中钢管的腐蚀及其修复技术 Valentin Chukhin Alexey Andrianov等著 钟杰译 摘 要:这项研究的目的是,针对在旧的给水管网中钢管腐蚀和水质恶化对饮用水水质的影响,确定饮 用水处理技术。其分析基于在过去12年莫斯科水网的饮用水水质监测结果,表明了提高水处理技术可以带 给用户更好的水质。但是,旧管道中的腐蚀过程比较活跃,使得饮用水变色的风险l}生增高。故在这项工作中, 我们系统地研究了钢管腐蚀产物的形态及物理化学特性,并通过扫描电镜(SEM)和能量色散谱(EDs)这两种 表征手段对其进行分析。经其他研究表明,铁还原和铁氧化细菌的存在,对于腐蚀过程、腐蚀瘤的形成以及腐 蚀产物的微观结构均有显著的影响。于是,研究腐蚀产物中有机质的分布可以帮助我们去理解位于管道沉积 物中的微生物作用。因此,非开挖修复技术被广泛运用于莫斯科的给水管网中。在为旧钢管的修复选择最好 的技术时,给水管网中的长期管理经验是非常有用的。 关键词:给水管网、腐蚀瘤、腐蚀产物、非开挖修复技术 l引言 在给水管网中,钢管的腐蚀对于水质和管道的 使用寿命均有较大的影响:均匀腐蚀增加了铁元素 在饮用水中的含量。同时,腐蚀瘤的形成对液流阻 力产生显著影响,点蚀对管道的耐久性产生影响, 这两者已经成为了钢管失效的主要原因。近年来, 出管道内的情况,有利于给水系统运营者进行有效 的修复工作。此外,在莫斯科水网中发生饮用水变 色情况的主要原因,被归于钢管的腐蚀与腐蚀瘤的 形成,进而导致了对人们健康的不利影响以及消费 者对饮用水运营商信心的减少(Vreeburg and Boxall, 2007;Husband and Boxall,201 1)。 Sontheimer等人(1981)发现,一旦钢管投入使 用,腐蚀将会在前几年中迅速发生。然后,由于管道 由于耐腐蚀性材料的钢管、管内外带有耐腐蚀性涂 层的钢管已经广泛使用,对水管腐蚀的研究就变得 更少了。正如现在,在莫斯科(俄罗斯)的饮用水和 工业用水的给水管网中,内部有水泥砂浆涂层的钢 管已经在广泛运用,这些管道甚至可在高达12bar 内表面上形成的腐蚀产物会防止其与溶解氧接触, 腐蚀由此减慢。 然而,尽管腐蚀产物存在,可以防止氧气进入 管道表面的阴极区域,但腐蚀过程仍然会以较低的 的压力下正常运行。在莫斯科,每年大约有1%的给 水管道被球墨铸铁管替代,而这些球墨铸铁管往往 具有更高的耐腐蚀性。但是,在三四十年前的集中 城市化进程中,莫斯科的给水管网建设使用的都是 无涂层钢管,这些管道现在仍然在水网中占据着重 要的地位,而它们之中大多已经超过了其使用寿 命,存在着失效的风险。由此,其实需要我们去考虑 的是,发生在莫斯科给水管网中的腐蚀过程这一事 件的意义。与钢管腐蚀相关的失效通常是随机发生 的,所以通过管道失效的外部特征,去对应地预测 速率继续发生。因此腐蚀过程随着时间进行,致力 于对它的研究是具有很大经济前景的。 所有的腐蚀模型可分为三类:电化学腐蚀 (Gerke等人,2008),化学腐蚀(Sander等人,1997) 和微生物腐蚀(Wang等人,2012)。 在覆盖有腐蚀瘤的钢管中,Gerke等人(2008)取 出了5个样本并做物理化学性质的研究。由于在这 项研究中,所有取样的管道都在相同的水环境下运 用了相同的时间,我们便可以期待所有的腐蚀瘤都 会有类似的特性。可事实上,这些腐蚀瘤的结构和 140 非开挖技术 China Trenchless Technology 2015年4月 组成有显著的差异,所有样本中的腐蚀瘤最共同的 特性是它们的内部形态,即它们都包含了三个特定 的结构:多孔内核层、硬壳层、松散的覆盖表面层。 部分腐蚀瘤的内部形态更是复杂,它们的中心还带 有大理石光泽的Fe 0 细脉(Gerke等人,2008)。 Sander等人(1997)支持化学腐蚀理论,并提出 了腐蚀速率取决于表面碳酸盐络合物的性质及其 浓度。在饮用水中,钢管表面的初始腐蚀速率很可 能取决于溶解氧和非均匀氧化物膜。表面络合物溶 解氧化物,让表面得以暴露并进一步腐蚀。Sander 等人(1997)认为,水网中的腐蚀状况取决于通过非 均匀氧化物膜的腐蚀速率,同时也决定于表面络合 作用,而后者的主要区别在于,表面上的静电效应 和化学反应起了根本性的作用。 电化学腐蚀理论和化学腐蚀理论都解释了各 自的腐蚀机理,与此同时,也有很多的研究专注于 微生物这一重要因素,因为微生物也可以加速钢管 的腐蚀(即微生物腐蚀)。 Wang等人(2012)表明,尽管饮用水已经消毒, 但生物膜仍会在钢管表面形成,并且影响着钢管的 腐蚀以及腐蚀产物的结构、组成和形态。经鉴定,生 长在腐蚀产物中的生物膜菌体为:鲑色沉积物杆状 菌Sediminibacterium sp.(铁氧化细菌),希瓦氏菌 Shewanella sp.(铁还原细菌)和Limnobacterthioxidans 菌株(硫氧化细菌)。本文推断,在腐蚀初始阶段中, 这种混合的诱导腐蚀细菌通过金属表面腐蚀和非 生物腐蚀,以及细菌细胞及其代谢物之间的协同增 效作用,促进了铁的腐蚀。而后,厌氧铁氧化细菌成 为了主要的腐蚀细菌,并通过形成保护层来防止进 一步腐蚀。 先前在莫斯科给水管网中水质转变的研究结 果,证实了在钢管内有生物膜形成(Khramenkov, 2005)。从旧的和修复过的管道内表面取得生物膜样 本,并对样本中的微生物进行分析,可以得出微生 物群落的差异。从旧管道的腐蚀产物中提取出来的 粘泥,含有氢氧化铝絮凝物、少量丝状纤发菌属的 铁细菌和单细胞的嘉氏铁柄杆菌,它们都能在低矿 化的水中生长。这些微生物可以把二价铁氧化成三 价铁,并且以腐蚀瘤(赭石)锈片的形式产生氢氧化 铁。这些薄片逐渐缩合,就形成了多孔结构 (Khramenkov,2005)。 然而,据文献资料显示,对钢管腐蚀机理的深 入研究仍然是许多国家研究人员的重点。因为到 目前为止,我们都还没有找到任何能被普遍接受 的理论。 为此,我们工作的主要目标是:(1)研究旧钢管 的腐蚀对饮用水水质的影响;(2)研究在给水管网 的水质恶化过程中,与腐蚀过程相关的水质影响; (3)研究在莫斯科给水管网中,腐蚀产物的形成机 理、形态以及典型腐蚀产物的元素组成。 2材料与方法 2.1莫斯科供水系统 莫斯科供水系统利用伏尔加河和莫斯科河及 其支流的地表水,每天产出354万立方米的饮用 水。供水系统包含了位于城市周边的5个大型水处 理厂,其水管的分布经由12724公里主干线(总长 度的17%)、给水网(46%)、入水口(15%)和本地配 送网(22%)。管道由钢(61%)、铸铁与球墨铸铁 (36%,等份)、塑料与其他材料(3%)制成,内径从 lOOmm至1400mm不等。由于缺少保护层、钢的品 质低和管道使用年限的原因,大多数钢管(约80%) 都需要紧急修理或更换。钢管的平均寿命为24年, 但是在实际运用中,很多钢管的使用时间却超过了 50多年,其中最常见的失效形式(高达68%)是钢 管的开裂。 在过去20年里,莫斯科的用水量减少了44%, 这对于管道的流速(特别是在给水管网中)有不利 的影响。其中,超过30%的管道水流速度小于 0.2rrds,另有30%的管道水流速度为0.2—0.5m/s。需 要特别注意的是,蓄水池的总体积为1674立方米, 所有管道的体积估计约为2000立方米。水的滞留 时问高达24小时,所有这些因素导致了给水管网 和用户端的水质恶化。根据给水管网中的初始水质 监测结果,水质恶化的典型现象为浊度、色度、铁含 量和微生物总量的增加。但在大部分的时间里,这 些指标都还是符合饮用水标准的。为了与水处理技 术结合来研究对水质的影响,我们有两个水处理厂 可以选择:西方水处理厂和西南水处理厂。这些水 厂有统一的引水系统和泵站,但使用的是三种不同 第2期 Valentin Chukhin Alexey Andrianov等著钟杰译:给水管网中钢管的腐蚀及其修复技术 143 表2西方和西南水处理厂饮用水中的朗热利耶饱和指数(LS1)fn ̄稳定性指数(RSI1 (平均值,括号内为最小值和最大值) 指数 西部IEt管(2000.2004) 西部新管(2000.2004) 西南管(2007.2012) LSI .0.44(.0.82~+O.0) .0.42(.1.86~+0.0) 0.3(.0.92~十0.03) RSI 8.25(7.6~10.5) 8.23(7.5~10.5) 8.04(7.5~9.0) 在监测期间(2001—2012),给水管网中铁含量 的数值。给水管网中的水温变化为0.5—24 ̄C,高锰 有增长的趋势(如图3)。总的铁含量平均值为0.06— 酸钾指数没有因为给水管网中水的运送而发生明 0.09 mg/L,最大值为0.15—0.27 ms/L,具有较高铁含 显的变化。我们发现,在管网的成品水中,浊度、铝 量的水的样本数量有明显增加。在成品水中,总的 残留量和色度都随着时间降低,这对于水质是有益 铁含量为0.03—0.04 mg/L;在流动着的自来水总水 的影响。浊度增加的自来水样本数量减少,平均浊 管中,没有观察到铁含量从一个点到另一个点的明 度也略微地下降。同时,我们可以在所有区域(指上 显增长趋势。因此,可以得出结论:钢管的腐蚀确实 面提到的水处理厂区域)观察到给水管网下游浊度 存在,并且随时间进行得很快。然而,这对自来水水 的增加,特别是在西南水处理厂的区域。这些只能 质并没有明显的影响。 通过这个事实来解释:即最近一段时间的“冲洗过 程”,发生在给水管网之中——先前累积的沉积物 与污泥一起进入到自来水的区域里。 3.2腐蚀产物的结构与组成 文献综述(Baylis,1926;Sontheimer等人,2002; Sarin等人,2004;Gerke等人,2008)指出,在不同作 者的研究与描述下,所有的腐蚀瘤,无论它们所处 的环境、形成的时间和水质如何,都有其类似的结 构,这表明它们的形态存在规律性。图4给出了腐 蚀瘤的典型外观、层状结构简易图解,以及基本的 图3给水管网中总的铁含量 化学反应。把从管道A、B、C、D中收集到的样本进 (包含所有控制点,检出限为0.05 mg/L) 行扫描电镜研究,可以发现以下特征区域在结构和 表3给出了成品水和分布管网中的总体水质, 组成上的明显差异。 其中,总的铁含量平均值计算仅使用了检出限以上 表面薄层由钢的腐蚀产物组成,并带有自来水 表3成品自来水中的浊度、色度、铝含量和铁含量(所有控制点平均值的范围) estWTP Soumwest DS(WestWTP DS(Southwest < Cest : lrDn < 一 < < 一 一 < < 第2期 Valentin Chukhin Alexey Andrianov等著钟杰译:给水管网中钢管的腐蚀及其修复技术 147 质量、使用寿命、阴极保护、土壤的类型和腐蚀性、 杂散电流的存在、在该地区的失效次数、交通流量 的强度、地下水。 Gerke,T.L.,Maynard,J.B.,Schock,M.R.and Lytle,D.L.(2008).Physiochemical characterization of five iron tubercles from a single drinking water distribution system:possible new insights on"their formation and growth,Corrosion Science,Volume 50,Issue 7,PP.2030—2039. 在莫斯科给水管网运行的多年来,我们确定了 最有效的非开挖修复技术:(1)砂浆喷涂法:在管道 内运用水泥砂浆;(2)穿插内衬法:在现有的管道内 使用聚乙烯滑动内衬和球墨铸铁管;(3)原位修复 Husband,P.S.and Boxall J.B. (201 1),Asset 法和折叠内衬法。运用计算机软件可以为我们选择 出最有效的管道修复方法(Orlov and Averkeev, 2014)。 在过去的10年里, 莫斯科饮用水和给水管网 的非开挖修复工程,数 量已经增加了三倍以上,并 且已经超过了明挖法的工程数量。 4总结 嘲 莫斯科给水管网旧钢管中的腐蚀沉积物,对其 检测的结果表明:腐蚀产物的形成,减小了氧腐蚀 速率,增加了液流阻力和泵送中的功率损耗。从4 个不同管道中发现的腐蚀瘤有类似的形态特征和 矿物学特征,与文献资料也很好的相互对应。基于 对文献资料的分析和对腐蚀产物形态的研究,可以 得出结论:铁氧化细菌和铁还原细菌对腐蚀过程有 明显的影响,并且还决定了腐蚀瘤的生长及其结 构。这些腐蚀产物的特征是体积大、密度低、存在铁 的晶体结构。 对于修复旧管道的内部结构以及防止其被腐 蚀,可使用非开挖修复技术的推荐方法:使用聚合 物防护涂层,和用水泥砂浆填充新旧管道之间的环 状间隙。 参考文献: [1]Baylis,J.R.(1926).Prevention of corrosion and red water,J.AWWA,Volume 15,pp.598-633. 【2]Bhler,E.,Hofmann,D.and Trnckner,J.(2005). Entwicklung von Methoden zur Selektion effizienter Sp n lregime f n r unterbelastete Sektoren in bestehenden Wasserversorgungsnetzen zur Vermeidung derRostwasserbildung, Verffentlichungen aus dem Technologiezentrum Wasser Karlsruhe,Volumen 27. deterioration and discoloration in water distribution systems,Water Research,Volume 45,Issue 1,PP. 1 13—124. Ishmuratov R.,Orlov V.and Andrianov A.(201 3). The spiral wound pipeline rehabilitation technique for pipe networks:an application and experience in Moscow city,International嘲 No-Dig 20 1 3 3 1 st International Conference and Exhibition,Sydney, Australia,Paper 2.1 6,P.1-7. Khramenkov,S.V.(2005).Strategiya modernizatzii vodoprovodnoy seti(Strategy of modernization of the water network).Moscow,Stroyizdat. Kirschvink,J.L,Jones,D.S.and McFadden,B. (editors)(1985).Magnetite Biominerlaization and Magnetoreception in Organisms: A New Biomagnetism,Edited by New York:Plenum Press. Lehtola,M.J.,Nissinen,T.K.,Miettinen I.T.,et a1. (2004).Removal of soft deposits from the distribution system improves the drinking water quality,Water Research,Volume 38,Issue 3,PP. 6Ol一6l0. [9]McEnaney,B.and Smith,D.C. (1980).The reductive dissolution of -FeOOH in corrosion scales formed on cast iron in near—neutral waters, Corrosion Science,Volume 20,PP.873—886. [10]Orlov,V.and Averkeev,I.(2014).Choosing an optimal trenchless renovation method for pressure and non-pressure pipes,Applied Mechanics and Materials,Volumes 580—583,PP.2384—2388. 霍宇翔校 译白 International No—Dig2014 32nd International Conferenceand Exhibition