城市自来水管道腐蚀对水质和管道的影响

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(天津渤海职业技术学院，天津 300402)

一、引言

城市自来水质量直接影响公众的身体健康，是社会稳定的基础。随着经济的发展，人口的增加，不少地区水资源短缺，居民生活饮用水安全受到威胁。为此，卫生部和国家标准化管理委员会联合修订并发布了新的强制性国家《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)。

目前，我国多数自来水厂出水水质都能达到国家《生活饮用水卫生标准》要求，但是通过管网输送到用户时，水质呈现逐渐降低的趋势，主要表现在铁、铝、锰、氯化物、硫酸盐、色度(铂钴色度单位)、浑浊度(NTU-散射浊度单位)、菌落总数(CFU/mL)等指标在水中含量的增加，有些甚至超过国家标准。造成水质下降的原因，主要是水在给水管网内流经的距离长，期间发生了一系列的物理变化、化学和电化学反应、微生物繁殖等，使水受到二次污染。特别是给水管道进入城市小区至用户水龙头前的部分，由于用户用水的特点，造成金属管路内表面的腐蚀、结垢。腐蚀不仅使饮用水的浑浊度、色度、菌落总数和铁、锰金属含量等水质指标增加，而且还会严重影响管路输水能力，增加能耗。

二、问题的提出

天津市河东区丽苑小区建于1998年，进入小区用户的自来水总管采用镀锌管，管子公称直径DN32，外径do=42.4mm，壁厚δ=3.5mm，材质采用Q235A。2014年1月，进入用户的总管出现微孔泄漏，自来水在压力作用下喷射出管子。将发生泄漏的部分切断更换新管后，在其临近部分1m范围内，一月之内又出现4个泄漏点，且泄漏点出现在管路焊缝一侧的连线上。对发生泄漏的管段截断取样，结果如下：

1.实测外径do= 42.2mm，最大壁厚δmax=2.90mm，最小壁厚δmin=1.88mm。

2.化学成分：wc=0.2%、wmn=0.5%、ws0.050%、wp0.045%。

3.管壁附着大量腐蚀锈瘤，个别锈瘤高度超过内径中心线。1.5m长的管子内部光线被完全遮挡。

4.锈瘤外部包围一层坚硬外壳，壳下为多孔、纤维状的结垢。

5.去除锈瘤后，发现其根部为腐蚀凹坑。见图1.

6.在纵焊缝区域，发现沿焊缝方向并与环向应力方向垂直面上出现裂纹，裂纹穿透管壁部分长8mm。见图1，图2。

三、腐蚀原因与机理分析

1.外部条件。国家新的强制性《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)规定：6.5≤pH≤8.5，铁含量≤0.3 mg/L，氯化物≤250 mg/L，硫酸盐≤250 mg/L，管网末梢水中氯气及游离氯制剂(游离氯)≤0.05 mg/L，菌落总数CFU≤100/mL。另外，水中还有一定量的溶解氧存在。

图1 沿焊缝出现的裂纹和凹坑截面

图2 锈瘤剖面和充满锈瘤的管路横截面

材质为Q235A的钢管，主要为铁素体、珠光体两相组织。输水管道所用材质本身含有许多杂质，且在加工过程中会出现不同的晶格缺陷及残余应力。在焊缝及热影响区，受焊接工艺影响，会产生焊接缺陷及应力集中。应力大的部位处于高能位，是较不稳定的状态。

2.腐蚀原因。大多数无内衬的金属供水管道，使用数年后都会发生锈蚀，水对金属管道内壁的腐蚀机理主要是电化学腐蚀。

在铁管内表面某一部位，因铁被腐蚀成铁离子进入水中而形成阳极，所释放的电子传递到铁管内表面的杂质处形成阴极。

当水呈中性或酸性很弱时，发生吸氧腐蚀。电化学反应方程式如下：

2Fe-4e→2Fe2+

O2+2H2O+4e→4OH-

4FeOH2+2H2O+O2→4FeOH3

Fe2O3·nH2O(铁锈)

当水呈酸性时，发生析氢腐蚀。电化学反应方程式如下：

Fe-2e→Fe2+

Fe2++2H2O→FeOH2+2H+

2H++2e→H2↑

3.锈瘤和凹坑形成机理分析。因自来水中pH不小于6.5且不大于8.5，故管道内表面以吸氧腐蚀为主。吸氧腐蚀在管壁内表面形成了大量的的二价铁离子，溶解氧与二价铁离子反应生成氢氧化铁或其它水合铁化合物。三价铁化合物因磁力作用而吸附沉积在管道内表面，呈凹凸不平的铁锈。这样的沉淀表现为多孔、纤维状的结垢。在管道内表面生成的二价铁离子则扩散到充有水的多孔管垢中，最终在管垢表面形成一层具有磁性的致密膜状结构。当外界因素使膜结构破坏时，内部的大量铁会释放出来。

此外，在发生电化学腐蚀的同时，还伴随着化学腐蚀和微生物腐蚀。天然水中几乎都含有钙、镁离子，水中碳酸氢根离子分解出二氧化碳和碳酸根离子，碳酸根离子与钙、镁离子发生化学反应，生成碳酸钙和碳酸镁在管内壁形成结垢。

微生物腐蚀是管道腐蚀的另一个主要因素，管道微生物腐蚀常见铁细菌和硫酸盐还原菌两种。一般由铁细菌引起的腐蚀为均匀腐蚀，再均匀腐蚀形成厌氧环境；硫酸盐还原菌腐蚀金属，腐蚀产物堆积，体积不断增大，在金属表面形成锈瘤，而在腐蚀产物的内部，由于厌氧菌的继续作用，使腐蚀进一步加重，在金属表面表现为一个一个的坑穴，

铁细菌是一种特殊的自养菌属，依靠铁和氧生存和繁殖，利用二价铁氧化成三价铁离子所释放的能量维持生命。铁细菌吸取水中的二价铁离子，分泌出氢氧化铁，在管壁上形成锈瘤。通过氢氧化铁层下的硫酸盐还原菌的活动，或者由于形成氧浓度差腐蚀电池导致腐蚀。铁细菌分泌出的大量氢氧化铁会造成管道的堵塞和腐蚀。

氯是给水处理中使用最广泛的消毒剂，在水中维持一定量的余氯，不仅可以抑制水中细菌的繁殖，而且可以作为预示受到二次污染的信号。研究表明，直接导致铸铁管壁腐蚀的余氯只占水中余氯的一部分，其它的余氯消耗抑制了水中微生物的生长，从而间接地阻止了由细菌引起的腐蚀。

随着余氯含量的增加，尽管余氯没有全部参加管壁的腐蚀反应，但是可用来参加该反应的余氯量增加了，因而也会导致管道的腐蚀加速。

4.裂纹形成机理分析。钢管的焊缝是钢管应力、应变集中及组织弱化区，焊缝余高过大，增大了焊趾处的应力集中系数，易诱发径向裂纹等缺陷。

钢管在输水时承受水压作用，建设部《城市给水工程规划规范》(GB50282-98)规定的城市配水管网满足用户接管点处服务水压为，此水压在管道壁上产生拉应力，最大拉应力沿轴向出现在内壁。

自来水中铁离子、氯离子、硫酸根离子、细菌和溶解氧的存在，形成了钢制管道的腐蚀环境。

在拉应力和腐蚀环境的共同作用下，管道焊缝处的裂纹出现了逐渐扩大的应力腐蚀现象。

四、理论计算和安全评估

管壁腐蚀减薄和焊缝处的穿透裂纹直接影响金属管道的安全运行，管道的结垢增加了流体流动阻力，增加了能耗。

1.钢管的强度校核。由实测外径do= 42.2mm，最小壁厚δmin=1.88mm，工作温度：t=常温，许用应力：σt=113Mpa。按第四强度理论计算水管内壁处的当量应力σeq。

材料的平面应变断裂韧性Κ1c=140Mpa·m1/2

因Κ1远小于Κ1c，裂纹不会失稳扩展，但会在应力腐蚀作用下逐渐增大。

3.结垢对管道流体阻力的影响。计算自来水在水平直管内的流体阻力hf。取新钢管和取样钢管进行计算比较。

已知：水在20oC时的ρ=998.2kg·m-3，μ=1.005×10-3Pa·s，流速u=1m·s-1。

管子公称直径DN32，外径do=42.4mm，壁厚δ=3.5mm，管长l=1m。

内径d=do-2δ=42.2-2×3.5=35.2mm。

比较可知，管道腐蚀会增加流体流动能耗。

五、结论

经过对发生泄漏的管道采样分析，得到以下结论：首先，老房子大部分用镀锌管作为水管，使用几年后，管内产生的大量锈垢，不仅严重危害人体的健康，而且会造成输水能耗增加。其次，应力腐蚀裂纹引起的泄漏增加了房屋维护的费用，建议房屋装修时不要将管路埋入墙内。再次，尽管进入用户的管道腐蚀造成管壁减薄，焊缝处裂纹扩展甚至穿透，由于管材强度高、塑性好，管径小，水压低，管道不会发生强度破坏和裂纹失稳扩展。

参考文献：

[1]周静妤.防锈技术[M].北京：化学工业出版社，1988.

[2]朱张校，姚可夫.工程材料学[M].北京：清华大学出版社，2012.

[3]郑津洋，董其伍，桑芝富.过程设备设计[M].北京：化学工业出版社，2001.

[4]刘爱民，王壮坤.化工单元操作技术[M].北京：高等教育出版社，2007.