冷却水碳钢管道腐蚀的原因与控制措施

赵亚红 刘江

（陕西龙门钢铁有限责任公司，陕西韩城 715400）

冷却水碳钢管道内壁长期受水流冲刷，十分容易出现腐蚀问题，将会对水系统运行安全造成不良影响。在实践工作当中，缓解和控制冷却水碳钢管道腐蚀极为重要。为达到这一目标，相关工作人员应该从实际出发，有效分析冷却水碳钢管道的腐蚀原因，从而提出针对性、可行性管道内壁腐蚀控制建议。

1 碳钢管道的特点与分类

碳钢管道的主要原料是钢锭或实心管坯，其材质大多为优质钢材或合金钢材；在制作环节，需要先热轧再冷轧，钢管冷却后进行矫直和内部探伤，待质检合格后需依次进行喷漆，喷漆内容包括规格、编号、生产批号；钢管储存于温湿度适宜的仓库中，可通过吊车吊运。目前，碳钢管道是应用范围最广一种钢管，在我国钢管行业中扮演重要角色。此类型钢管的强度、适应性、耐久性和可靠性都比较高，能够满足多元场景的钢管使用需要，在各类型水循环系统当中十分常见。

从生产工艺方面分类，可将碳钢管道分为热轧钢管和冷轧钢管两种，前者主要包括合金钢管、地质钢管、石油裂化管、不锈钢管等类型；后者不仅包括热轧钢管类型还包括异型钢管和碳素、合金、不锈钢薄壁钢管。通常来说，冷轧碳钢管道和热轧碳钢管道的参数不同，前者的尺寸精度更高。以无缝钢管为例，基于热轧工艺制作时，钢管管径尺寸大多超过32mm，管壁厚度保持在2.5-75mm 之间；而基于冷轧工艺制作时，常规管和薄壁管的外径分别可达6mm 和5mm，管壁厚度更能保持在0.25mm及以下。

2 冷却水碳钢管道的内壁腐蚀原因与特点

冷却水碳钢管道的主要腐蚀区域是钢管内壁，管壁被腐蚀后短时间内不会影响冷却水系统运行，但长此以往十分容易出现管道穿孔和泄漏[1]。为此，本文着眼于冷却水碳钢管道的腐蚀问题，对腐蚀成因以及特点进行简要分析。

2.1 消防水管道。如图1 所示为消防水管道腐蚀形貌，此类型碳钢管道的材质大多为碳钢Q235A，被腐蚀位置大多为管道底部和管壁较薄的区域。冷却水碳钢管道腐蚀后，会出现渣状不溶于水的黑色腐蚀产物，提取这种物质进行扫描分析后获得了检测结果，如表1 所示，在观察表1 后得知，该物质主要由铁氧化物（52.1%）和硫氧化物（32.7%）构成，若对该物质进行加酸处理产生气泡和臭鸡蛋气味。基于消防水碳钢管道的腐蚀产物，能对其腐蚀原因进行分析。腐蚀产物中所含有硫化铁是碳钢被硫酸盐还原菌腐蚀后的特殊产物，由此可见消防水碳钢管道当中的腐蚀主要由细菌引发。结合管道的实际运行状态发现，消防水管道以重铬酸盐指数和SO42-质量浓度极高的循环水为补水，为细菌滋生提供条件；管道内部封闭、水流流速低且内壁不平滑位置多等情况，为形成局部缺氧环境、滋生硫酸盐细菌（厌氧）提供辅助。由此可见，消防水碳钢管道内壁腐蚀的主要成因就是细菌滋生引发的钢管腐蚀。

表1 检测结果

图1 消防水碳钢管道腐蚀

2.2 循环水管道。如图2 所示为循环水管道的腐蚀形貌，此时碳钢管道当中腐蚀物大多为黑色碎渣状，加酸处理后也会出现气泡和臭鸡蛋气味，由此可判断该产物内含有硫化物，当然，管道腐蚀产物并不完全是黑色的，而提取其他绿色白色腐蚀产物并开展能谱检测后获得了检测结果，如表2 所示，通过表2可知，腐蚀产物元素构成为：铁（34.48%）、氧（39.29%）、硫（13.15%）、氯（8.77%）、钠（2.43%）、钙（1.88%）；腐蚀物主要包括硫酸亚铁、水合氯化亚铁和亚硫酸钙等化合物。基于腐蚀产物的成分分析发现，硫元素以及硫化物的占比极高，因此可判定碳钢管道腐蚀与硫盐酸还原菌有关，所以管道腐蚀的主要原因依然是微生物腐蚀[2]。

图2 循环水碳钢管道腐蚀

表2 检测结果

2.3 工业水管道。如图3 所示为工业水碳钢管道壳体的腐蚀形貌，这一管道的材质也是碳钢Q235，腐蚀位置主要在管道壁和壳体之上。在观察中发现，管道内壁的沉积物较厚，少部分存在分层情况；对分层后的沉积物取样灼烧（450 摄氏度）后发现，物质质量会因灼烧而减少，上层损失为28.4%，下层损失大约为10%，这表示沉积物当中存在有机物，而且上层有机物含量高于下层。基于光谱检测获得了分析结果，如表3 所示，检测结果表明，在沉积物当中铁、氧和硫元素含量最高，腐蚀物当中存在硫酸亚铁、硫化铁等物质，其中底层的质量损失为10%左右，这表明有机物含量在沉积物中的占比较高，并且底层有机物成分低于表层有机物成分，故微生物黏泥的占比较大。由此可判断，工业水碳钢管道的管壁腐蚀主要由硫酸盐还原菌和铁细菌引发，所以微生物腐蚀是造成此类型管道腐蚀的主因。

图3 工业水碳钢管道腐蚀

表3 腐蚀产物能谱分析结果

最后，试验人员还通过FEB 和SRB 检测，对工业水进行了检测，结果如表4 所示。

表4 检测结果

依据上表数据可知，在冷却水中，微生物滋生现象较为严重，有机物在管内壁沉积物中的占比较大，故本文认为微生物腐蚀是造成冷却水碳钢管道腐蚀的重要原因。

3 冷却水碳钢管道的腐蚀机理

从上述分析当中不难看出，微生物滋生是引发冷却水碳钢管道腐蚀的主要原因，细菌滋生越多腐蚀越严重，最终会导致管道泄漏或断裂。为有效防治这种腐蚀问题，本文将对冷却水碳钢管道的腐蚀机理进行简要分析。冷却水碳钢管道的微生物腐蚀，主要指铁细菌、硫酸盐还原菌、硫氧化细菌滋生引发或加剧的钢管腐蚀[3]。

在冷却水碳钢管道使用过程中，铁细菌可以将正二价铁离子转化为正三价铁离子，这种铁离子可以在菌体内外沉积，最终形成棕红色腐蚀物质，该物质呈棕红色且不溶于水，可加速碳钢管道腐蚀。硫酸盐还原菌可以在管道内壁不平处滋生和沉积，它在完成新陈代谢后能生成硫化物，基于极化作用会破坏碳钢管道表面的电化学腐蚀体系，从而引发或加剧管道腐蚀。

4 冷却水碳钢管道腐蚀的控制措施

在控制冷却水碳钢管道腐蚀时，相关工作人员必须高度重视微生物滋生控制问题，着力减少源头危机，让冷却水碳钢管道质量和使用寿命有效提升。在实际作业环节，冷却水碳钢管道腐蚀控制人员不仅需要关注腐蚀诱因以及加剧条件，更需要多方面着手分析避免腐蚀或延缓腐蚀速度的方法，为构建完善的腐蚀控制体系做好充足准备。

4.1 优化管道选材。冷却水碳钢管道的管材质量，是影响管道腐蚀程度的关键性因素。若冷却水碳钢管道本身具备良好的防腐蚀性能，配合管道防腐处理和运行维护将有效减少腐蚀几率，降低腐蚀程度，从而实现成本节约和使用寿命延长。通常来说，冷却水碳钢管道选材必须符合国家标准，相关工作人员需要在合法合规的基础上，根据实际需要、技术需求和成本管控要求选定管材。为从根本上降低腐蚀风险，选材时应重点关注防腐蚀性能高的材料。比如，选用复合碳钢管道，基于其内侧自带的防腐层降低腐蚀风险；选用耐蚀性良好的双相不锈钢制作冷却水碳钢管道。

4.2 加强防腐处理。除了选用耐蚀性能强的材质制作冷却水碳钢管道外，冷却水碳钢管道腐蚀控制工作还可以从管道防腐处理的角度开展。

首先，涂刷防腐涂料。防腐涂料是碳钢管道防腐处理环节最为常见的施工原料，施工人员只需要在管道上按要求均匀涂刷防腐涂料，就可以在碳钢管上形成防腐层，为管道长久运行提供安全保障。比如，在冷却水碳钢管道的管壁上涂刷环氧涂料、生漆、高分子复合材料等多种涂料，实现防腐处理。涂刷防腐涂料时，必须践行均匀性、完整性原则。当然，冷却水碳钢管道的防腐层也可通过电泳方式形成，基于此方法形成的防腐层质地均匀且致密度高，耐腐蚀性、缓蚀性和耐久性更高，但成本较高。

其次，使用阻垢剂。在冷却水碳钢管道腐蚀过程中，水中杂质、细菌滋生以及腐蚀产物等逐渐堆积结垢，将会进一步加剧管壁腐蚀。因此，在控制冷却水碳钢管道腐蚀的过程中，相关工作人员也应该关注除垢问题。比如，选用以羟基乙叉二膦酸为代表的有机磷酸盐类阻垢剂，使用时还可添加有机磷酸、聚磷酸盐等磷系药剂，让除垢效果得到增强，并节约用药成本；采用膦羧酸，基于磷酸基、羧基的共同作用实现阻垢，发挥冷却水碳钢管道缓蚀作用。

最后，加入缓蚀剂。缓蚀剂的主要作用在于延缓腐蚀速度，也能在一定程度上降低腐蚀发生几率。对于冷却水碳钢管道而言，温度、杂质、酸碱度、细菌、管材和防腐处理手段都会影响缓蚀率。为强化管道的缓蚀性能，相关工作人员需要使用专业试剂。当前，应用较广的缓蚀剂主要有三种：金属离子型缓蚀剂、氧化膜型缓蚀剂和离子型缓蚀剂。冷却水碳钢管道腐蚀控制人员需要根据管道的材质、性能、环境要求以及技术性、经济性要求，合理选用缓蚀剂。

4.3 采取电化学保护法。所谓电化学保护法，就是基于金属元素的活泼性差异，引导电荷以特定方式移动，实现冷却水碳钢管道腐蚀控制的方法[4]。使用这种防腐控制方法时，可应用以下两种技术：第一，阴极保护技术，此方法是通过外加电流的方式，实现阴极材料腐蚀控制。比如，以“冷却水碳钢管道+直流电源”的方式向管道输送电子，让管道免受腐蚀；第二，阳极保护法，此方法是利用“活泼金属+冷却水碳钢管道”的方式避免金属管道被腐蚀，被选中的金属块应粘贴在管道外壁，而且这种金属的活泼性必须大于管道原料。

4.4 完善运维管理。在冷却水碳钢管道的运维管理方面，相关工作人员需要建立长效化监测、预警、管理和运行控制机制，为切实提高冷却水碳钢管道腐蚀控制水平做好充足准备。比如，选用挂片法进行定期监测，也可采用电阻探针法完成实时监测，对腐蚀率、风险性高的部位可采用超声波定点测厚法和电指纹法作业；选用次声波报警装置或负压波报警装置开展短距离的泄漏监测和预警管理；基于分布式光纤报警装置，完成全管道泄漏预警监管，实现长距离保护；制定值班制度和应急处理方案，以便及时响应警报信息，高效开展冷却水碳钢管道泄漏处理等。

同时，冷却水系统的运行控制水平，也是影响冷却水碳钢管道腐蚀控制质量的重要因素。通常来说，运行间歇性、封闭性强，杀菌处理质量不佳的冷却水系统当中的碳钢管道易发生腐蚀。基于此，相关工作人员需要强调冷却水系统运行优化。比如，尽量避免以河水、中水为冷却水系统补水；加强补水环节的微生物滋生防控，减少微生物数量避免大量腐蚀；强化末端排水管理，建立存水定期排放的长效化管理机制，减少存水腐蚀；加强冷却水系统运行环节的杀菌处理有效性，优化杀菌剂选用、严格控制杀菌质量，确保所选杀菌剂本身不具备腐蚀金属管道的能力等[5]。对于冷却水碳钢管道腐蚀控制人员而言，加强冷却水系统本身的运行管理质效，可以在一定程度上发挥源头控制作用，通过抑制微生物滋生减缓冷却水碳钢管道的微生物腐蚀，从而提高管道使用寿命。

综上所述，对于冷却水碳钢管道安装与维护人员来说，防腐蚀是永不过时的话题。通常来说，冷却水碳钢管道的腐蚀问题都出自管道内壁，引发腐蚀的原因较多且条件复杂，为腐蚀控制带来难度。为此，冷却水碳钢管道腐蚀控制人员，必须严格检查管道腐蚀情况，确定腐蚀成因，再从延缓腐蚀速度、降低腐蚀几率和提高防腐管理有效性等方面开展实践。