淡化海水對鑄鐵輸水管線的腐蝕研究及對策

薛瑞，王小丹

（1.中海油天津化工研究設(shè)計院，天津 300131；2.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170）

天津是一個重工業(yè)城市，每年工業(yè)用水約占全市總耗水量的23%[1]，而這其中循環(huán)冷卻水占到了70%。天津有155 km的海岸線，具有豐富的海水資源，利用海水資源生產(chǎn)淡水是緩解水資源短期的重要途徑。據(jù)統(tǒng)計，目前我國海水淡化能力為每日60萬t，其中天津約為每日20萬t，占全國總量的三分之一。

淡化海水在解決淡水使用緊張的同時，也帶來一些必然的缺陷，例如淡化海水堿度硬度低、氯根高，尤其對未作預處理的鑄鐵輸水管線和使用設(shè)備有著嚴重地腐蝕損害的危險等，因此本文在分析淡化海水生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀及管線腐蝕情況基礎(chǔ)上提出相應(yīng)對策。

1 淡化海水生產(chǎn)工藝及現(xiàn)狀

海水淡化，又稱海水脫鹽，是一種從海水中獲取淡水的過程，是通過化學或物理化學方法等實現(xiàn)的。實現(xiàn)海水淡化一種方法是從海水中把淡水取出來，再一種方法是從海水中將鹽分取出來。前者主要有蒸餾法、反滲透（RO）、冷凍法、水合物法和溶劑萃取法等，后者有離子交換法、電滲析法（ED）、電容吸附法和壓滲法等[2]。

其中反滲透法有著無相變過程，能耗低；工程投資及造水成本較低；裝置緊湊，占地較少；操作簡單，維修方便等特點[3]，近年來多用此法淡化海水。本文所討論的淡化海水就是通過反滲透法生產(chǎn)所得。

2 水質(zhì)分析及判斷

本文重點針對由天津大港新泉海水淡化工程生產(chǎn)的淡化海水所引發(fā)的問題做此討論。首先對淡化海水水質(zhì)進行分析判斷。水質(zhì)分析數(shù)據(jù)見表1（現(xiàn)場水取自輸水管線前端）。

表1 淡化海水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)

為了對水質(zhì)的腐蝕性和結(jié)垢性進行控制，必須要有一個能評價水質(zhì)化學穩(wěn)定性的指標體系，以便對水質(zhì)化學穩(wěn)定性進行鑒別，從而采取相應(yīng)的穩(wěn)定性控制措施。常用的水質(zhì)化學穩(wěn)定性的判別指數(shù)有：飽和指數(shù)、穩(wěn)定指數(shù)、結(jié)垢指數(shù)等[4,5]。表2對淡化海水做了具體的水質(zhì)化學穩(wěn)定的判斷。

表2 淡化海水結(jié)垢或腐蝕傾向判斷

通過對淡化海水水質(zhì)化學穩(wěn)定性的判定，我們從表2可以清楚看出，此海水淡化水為嚴重腐蝕性水，對輸水管線和使用設(shè)備有著極強的腐蝕性，在日常使用中要格外注意。

3 淡化海水對輸水管線的腐蝕機理

在我國鐵質(zhì)管材的應(yīng)用極為廣泛。據(jù)統(tǒng)計，我國給水管網(wǎng)中鑄鐵管占51.67%，鋼管占23.85%。由于鐵質(zhì)管材的化學性質(zhì)，管內(nèi)極易生成腐蝕產(chǎn)物并逐漸形成管垢，而管垢的溶解和沉淀會造成管網(wǎng)供水的二次污染。研究表明，管網(wǎng)腐蝕與管垢溶解的機理主要是鐵離子的釋放與沉淀，管垢的化學成分主要是鐵、氧、鋅和硅等，且除氧元素外，以鐵元素居多[6]。

鑄鐵管道腐蝕是一個復雜的過程，在富氧的氯化物水溶液中，溶解氧是鐵腐蝕反應(yīng)中主要的電子受體，其濃度的升高有助于加速鐵的原電池腐蝕反應(yīng)。經(jīng)過pH調(diào)整后，碳鋼發(fā)生的電化學腐蝕反應(yīng)式為：

腐蝕產(chǎn)物會繼續(xù)被氧化：

在反應(yīng)式①的持續(xù)作用下，經(jīng)過一段時間的運行后，系統(tǒng)碳鋼管道越來越薄，碳鋼閥門的閥瓣、閥芯被腐蝕破壞后關(guān)不嚴密，甚至損壞。在方程式②反應(yīng)的持續(xù)作用下，F(xiàn)e(OH)2不斷被氧化成Fe(OH)3，在管道內(nèi)壁結(jié)垢、甚至堵塞設(shè)備[7]。

清潔的鐵管表面，腐蝕速率一般隨著水中溶解氧濃度的增加而增加。除溶解氧外，水中SO2、C1-、余氯、硅酸鹽、水溫等因素也通過自身獨特的方式影響著鐵管的腐蝕反應(yīng)。

4 淡化海水對鑄鐵輸水管線腐蝕影響

某化工企業(yè)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)全部使用淡化海水作補充水，且輸水管線全部為未作任何防腐處理的鑄鐵管道。圖1給出了該化工企業(yè)淡化海水輸水管線末端出水總鐵含量統(tǒng)計值。

圖1 某化工企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)供水前期輸水管線末端總鐵含量統(tǒng)計

由圖1可以看出，在2009年8月到2010年1月淡化海水供水前期，輸水管線末端出水中總鐵含量持續(xù)走高，由最開始的0.1mg/L最高升到3.62mg/L，出水呈黃色。2010年2月開始在輸水管線前端持續(xù)投加管道緩蝕劑，管線末端出水總鐵含量才逐漸回落到1mg/L以下。

淡化海水輸水管線前端水質(zhì)初始濁度很低，僅為0.02NTU，其經(jīng)過輸水管線后出水濁度有了明顯升高，最高時可達3.5NTU，出現(xiàn)明顯的“黃水”現(xiàn)象。

5 管道緩蝕藥劑篩選

為緩解淡化海水輸水管線嚴重腐蝕的問題，也為下一步的循環(huán)冷卻水提供合格水源，作者單位進行了管道緩蝕藥劑的篩選，實驗方法參考GB/T 18175-2000（水處理劑緩蝕性能的測定-旋轉(zhuǎn)掛片法）。實驗條件：①水源：淡化海水（輸送管線前端取水）；②溫度：室溫；③pH：自然 pH；④掛片：A4碳鋼；⑤旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速：70～75r/min；⑥時間：12～24h。

根據(jù)實際情況，我們選擇了六種配方的管道緩蝕劑進行實驗評價，分別測定了在不同配方下12h和24h下碳鋼的腐蝕速率，具體實驗數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同配方管道緩蝕劑對碳鋼腐蝕速率的控制

由表3可以看出，在實驗的規(guī)定時間內(nèi)，在各個不同配方下，碳鋼的腐蝕速率都能達標，其中以第Ⅵ套配方效果最好，掛片表面狀況也最理想。

24h后，對實驗中各水質(zhì)進行了磷、鋅、鐵的分析，具體數(shù)值見表4。

表4 24h后各不同配方中磷、鋅、鐵數(shù)值分析

由表4可以看出，不同管道緩蝕藥劑中都含有磷和鋅元素，因目前我國對排污水中磷、鋅含量都有嚴格的規(guī)定，提倡低磷排放，綜合表3腐蝕率實驗，作者認為其中尤以Ⅴ、Ⅵ兩套管道緩蝕性能最為突出。最終該化工企業(yè)也選用作者單位管道緩蝕藥劑Ⅵ作為淡化海水輸水管道的防腐蝕處理，現(xiàn)場應(yīng)用效果也非常突出。

6 結(jié)束語

淡化海水作為一種新型水資源在解決水資源短缺的同時，也帶來了一些必然的問題，尤其是對輸水管線及設(shè)備的腐蝕，更是一個潛在的危險，所以在積極倡導使用淡化海水的同時，必須注意對淡化海水的防腐控制。

[1]張巖，金暉，王志偉.天津市工業(yè)用水現(xiàn)狀及節(jié)水措施分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010，24：62-63.

[2]馮厚軍.天津海水淡化技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先[J].天津科技，2005，2：8-10.

[3]馮厚軍，謝春剛.中國海水淡化技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望[J].化學工業(yè)與過程，2010，27(3)：103-109.

[4]齊東子.敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的化學處理[M].北京：化學工業(yè)出版社，2006，114-129.

[5]李振中.海水淡化水在輸配系統(tǒng)中化學穩(wěn)定性研究[D].天津，天津大學，2009.

[6]駱碧君，劉志強，鄭毅，等.海水淡化在既有管網(wǎng)中的水質(zhì)變化研究[J].中國給水排水，2009，25(23)：57-60.

[7]韋存忠，沈隼睿.膜法海水淡化技術(shù)在玉環(huán)電廠的應(yīng)用[J].電力科技與環(huán)保，2010，26（5）：48-49.