直埋式熱力管道焊接接頭的外腐蝕分析與防護

張治國 張丹丹

(隴南師范高等?？茖W(xué)校機電工程學(xué)院，甘肅隴南，742500)

隨著城鎮(zhèn)化率的逐漸增高，集中供暖作為一種綠色取暖方式越來越受到人們關(guān)注。城鎮(zhèn)的供熱系統(tǒng)復(fù)雜、建造過程的監(jiān)管存在差異，導(dǎo)致熱力管網(wǎng)在使用過程中存在很多問題，其中管道的腐蝕問題就是一個很嚴(yán)峻的考驗[1]。熱力管道的工作溫度變化大而頻繁，工作環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致管道發(fā)生腐蝕的速度快、程度大。在一些特殊的工作環(huán)境中，管道的保護稍有不當(dāng)就會加劇管道的腐蝕，尤其在管道的焊接接頭處腐蝕復(fù)雜多樣[2]，材料組織發(fā)生變化，晶粒變得粗大，抗腐蝕能力下降[3]，增加了管道防護的難度，發(fā)生腐蝕的概率和速率往往比其他部位大很多。針對熱力管道外腐蝕產(chǎn)生原因、焊接接頭處防護存在的問題、具體防護措施進行了分析研究，這對熱力管道敷設(shè)及焊接維修后的防護具有重要意義。

1 直埋熱力管道外腐蝕成因分析

不同地域的土壤環(huán)境存在很大差異，在某些地區(qū)土壤環(huán)境的特殊性導(dǎo)致熱力管道發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，最終導(dǎo)致熱力管道滲漏、破損。土壤環(huán)境的影響因素主要有降雨量多少、雨水pH值、土壤成分、土壤中含鹽種類、土壤中含鹽量、土壤中含氧量和土壤溫度變化等。土壤對管道的腐蝕性研究要分地域進行。通常情況下，分析土壤對管道腐蝕性要考慮如下因素：

1.1 降雨量及土壤的含水量

降雨量直接影響土壤的含水量，在一些濕潤多雨的地區(qū)，土壤中的水分含量變化很大，導(dǎo)致土壤中水與氣的含量頻繁變化。土壤中的水與氣含量是此消彼長的存在，降雨量多時，土壤中的水分含量高，而含氣量就相對降低，降雨量減少時，土壤中含水量下降的同時含氣量就會增加，水氣含量的相對變化使得管道處于易發(fā)生腐蝕的特定水氣含量比例下，最終加劇土壤對管道的腐蝕。

1.2 雨水及土壤的pH值

土壤的pH值直接決定管道外壁發(fā)生腐蝕類型，pH值在不同值時發(fā)生腐蝕的機理不同。我國土壤按酸堿度分為強酸性、酸性、中性、堿性和強堿性，在酸性土壤中管道腐蝕嚴(yán)重。隨著環(huán)境的惡化，很多工業(yè)城市的雨水pH值都相對較低，pH值小于5.6的酸雨屢見不鮮，受酸雨影響，土壤中的pH值發(fā)生變化，導(dǎo)致供熱管道外壁腐蝕。土壤中氯離子含量較高時，碳鋼被腐蝕生成晶體生長速度快，疏松易脫落的大顆粒物質(zhì)，對管道的腐蝕危害大。

1.3 土壤中的含鹽量

土壤中鹽分含量越高，土壤的導(dǎo)電可能性就越大，土壤就表現(xiàn)出較強的腐蝕性。在土壤鹽分高的的地區(qū)，管道外腐蝕的發(fā)生率與速率就相對較高。

1.4 土壤的電阻率

研究表明，土壤的電阻率越小碳鋼的銹蝕速率越快。土壤的電阻率可以綜合反映土壤導(dǎo)電能力的大小，導(dǎo)電能力越大，腐蝕速率越快。在研究土壤腐蝕性時，土壤的電阻率是一個很重要的參數(shù)。

1.5 土壤雜散電流

在工業(yè)生產(chǎn)及家庭生活中，各種生產(chǎn)、生活的用電裝置接地處理后或者電纜發(fā)生漏電后，都會在土壤中形成雜散電流，雜散電流的存在加劇埋地金屬的腐蝕速度與程度，其對熱力管道造成的影響不可忽視。沒有電流通過時，金屬在土壤中的電位，稱為自然腐蝕電位。土壤中雜散電流影響自然腐蝕電位。腐蝕電位越高，越容易發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

1.6 土壤氧化還原作用

土壤氧化還原作用是土壤中氧化態(tài)物質(zhì)與還原態(tài)物質(zhì)之間的土壤反應(yīng)，反映其狀況的一項重要指標(biāo)是土壤氧化還原電位。在疏松、相對干燥的土壤中空氣含量高，其氧化還原電位就高，表現(xiàn)出較強的腐蝕性。在土壤空氣含量少時，氧化還原點位低，土壤中的微生物參與反應(yīng)，土壤氧化還原反應(yīng)是一個復(fù)雜的非純化學(xué)反應(yīng)。

1.7 土壤溫度

熱力管道在工作中，受工作介質(zhì)的影響，管道周圍的土壤溫度會升高，此外，季節(jié)變化時，受環(huán)境溫度的影響，土壤溫度也會升高，溫度升高會導(dǎo)致土壤對管道外壁的腐蝕加劇。除此之外，土壤溫度的變化還會改變其他影響腐蝕的參數(shù)發(fā)生變化。例如，溫度升高，微生物就越活躍，導(dǎo)致管道腐蝕加劇。

2 直埋熱力管道焊接接頭防護存在的問題

目前，我國使用的直埋敷設(shè)熱力管道大部分為三層結(jié)構(gòu)，分別為最外層的保護層、中間的保溫層和內(nèi)部的鋼管層。供熱管道的鋼管層多為低碳鋼，鋼管層外壁與土壤中的介質(zhì)接觸導(dǎo)致金屬管外壁腐蝕。供熱管道在不發(fā)生破損的情況下，由于保護層和保溫層的存在，管道發(fā)生外腐蝕不是導(dǎo)致管道失效的主要原因。對于保護層和保溫層發(fā)生破壞或者發(fā)生過焊接維修的熱力管道，外腐蝕是導(dǎo)致熱力管道失效不可忽視的原因。

熱力管道焊接處，尤其在焊接維修處，施工環(huán)境往往都比較差，焊接質(zhì)量控制難度較大。焊接準(zhǔn)備前，待焊缺口處的污染物無法徹底清除，產(chǎn)生焊接缺陷的概率增加。施焊過程中，環(huán)境濕度大，管道殘留積液等原因?qū)е潞缚p的冷卻速度快，焊渣上浮不夠充分而造成焊縫組織粗大、夾渣等問題，所以在管道接頭處發(fā)生腐蝕的概率劇增。

焊接接頭處管道的保護存在很大的隱患。管道外側(cè)聚乙烯保護層需要焊接，但在施工過程中，部分采用了搭接捆扎的形式，這樣就對焊接接口處焊縫的腐蝕埋下了很大的隱患。另外，施工質(zhì)量若存在問題，保護層容易滲水，保溫層在溫水中發(fā)生水解，內(nèi)部鋼管外壁發(fā)生腐蝕，尤其在焊接接頭處，由于其特殊性，腐蝕的程度更大。焊接接頭更容易被腐蝕受到如下因素的影響：

2.1 溫度

受熱力管道內(nèi)部溫度的影響，溫度每增高一定的數(shù)值，腐蝕的速率就會加倍[4]。在焊縫處由于焊縫組織惡化、焊接質(zhì)量差等因素，在溫度較高的環(huán)境中，焊縫腐蝕的速度會更快。

2.2 應(yīng)力作用

受到管內(nèi)溫度、管外溫度、水溫變化等因素的影響，焊縫產(chǎn)生熱脹冷縮、受力不平衡等現(xiàn)象，導(dǎo)致焊縫處產(chǎn)生比較大的應(yīng)力，在應(yīng)力作用下焊縫的腐蝕速度更快[5]。時常產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象，進一步加劇了焊縫處的腐蝕。

2.3 表面質(zhì)量

焊縫在成型過程中，由于受到環(huán)境因素的影響，凝固速度快，液態(tài)金屬中的雜質(zhì)來不及上浮到熔池表面就已經(jīng)成型，導(dǎo)致焊縫表面質(zhì)量較差，極大地增加了焊縫發(fā)生腐蝕的可能性和速度。

2.4 雜質(zhì)

由于施工環(huán)境的影響，管道在施焊前后，焊道表面及焊縫清理難度大，施焊后焊道表面存在的雜質(zhì)也是導(dǎo)致焊縫腐蝕一個非常重要的因素。

3 直埋熱力管道焊接接頭防護措施

直埋熱力管道焊接接頭處的防護工作是一個系統(tǒng)的工程，應(yīng)從提高施工質(zhì)量、改善管道工作環(huán)境、保證焊接質(zhì)量及優(yōu)化焊接工藝等方面進行。

3.1 提高施工質(zhì)量

施工過程中應(yīng)由設(shè)計單位、建設(shè)單位以及監(jiān)管單位統(tǒng)一把關(guān)，嚴(yán)格按照設(shè)計規(guī)定施工。管道在吊裝過程中盡量避免外部保護層的劃傷，擠傷等損傷。裝配過程中要嚴(yán)格按照裝配要求，保證管道安裝的平整度，避免因裝配不當(dāng)造成的裝配應(yīng)力。保證接頭處清潔，避免雜質(zhì)混入。溝槽內(nèi)的積水、雜物、石塊等尖銳物等必須清理干凈，保證良好的安裝環(huán)境，盡力避免管道被土壤腐蝕的可能性。管道連接處的處理是重中之重，金屬管道的焊接質(zhì)量必須保證，外部保護層的連接同樣重要。很多施工單位，為了節(jié)省成本，縮短施工時間，接頭處的外殼采用搭接后捆扎的方式進行，捆扎太緊會損傷保護層、捆扎不緊無法達到防水效果，所以，保護層聚乙烯外殼需按設(shè)計要求進行焊接，并保證焊接質(zhì)量。

3.2 改善管道工作環(huán)境

根據(jù)外腐蝕發(fā)生的機理，要降低、減輕管道的腐蝕，需要改善管道的外部工作環(huán)境，降低腐蝕發(fā)生的條件。目前應(yīng)用于石油、天然氣管道防護的電化學(xué)防腐技術(shù)——陰極保護技術(shù)就是在管道上通過陰極電流，使金屬電位發(fā)生變化，降低陽極反應(yīng)速度，從而實現(xiàn)防腐的目的。此項技術(shù)同樣可以用于熱力管道的防腐，但進一步的應(yīng)用研究還需要防腐人員積極探索。改善管道外部環(huán)境，需要針對不同地域影響土壤腐蝕性的主要因素，探索具體的改善措施。

3.3 提高焊接質(zhì)量

鑒于焊接接頭防腐存在的眾多問題，焊接接頭的防護是熱力管道防腐的重要環(huán)節(jié)，其中焊接質(zhì)量的把控是關(guān)鍵。在施焊前一定要將管道上的油污、水分等雜質(zhì)清理干凈，保證焊接質(zhì)量，同時降低腐蝕發(fā)生的條件。焊接過程中，選用合適的焊條，嚴(yán)格按照焊接工藝參數(shù)進行焊接，盡量避免或者克服不良天氣情況給焊接過程帶來的影響。焊接完成后，嚴(yán)格清理焊縫處的熔渣、飛濺物及焊縫周圍雜質(zhì)，盡最大可能降低腐蝕發(fā)生的條件。在焊接維修過程中同樣要按維修工藝嚴(yán)格執(zhí)行。

此外，傳統(tǒng)的焊接方法熱輸入大，造成焊縫組織粗大，焊接殘余應(yīng)力大，尤其在管道的焊接維修過程中，焊接質(zhì)量無法保證，提高了管道發(fā)生腐蝕的條件。在熱力管道焊接中，可以引用高效焊接技術(shù)，在保證焊接質(zhì)量的同時，提高焊接效率，達到雙贏的目的，在技術(shù)層面上降低焊接接頭處眾多因素導(dǎo)致的腐蝕問題。

4 總結(jié)

熱力管道焊接接頭處的防腐是管道防腐的重要環(huán)節(jié)。直埋敷設(shè)式熱力管道引起外壁腐蝕的因素很多，且腐蝕原因復(fù)雜。在不同的地域造成管道腐蝕的主要因素不同，管道外壁的防腐措施不能一成不變，要因地制宜。管道的外壁防腐要從施工準(zhǔn)備、施工質(zhì)量保證、技術(shù)處理等方面進行系統(tǒng)防護。在焊接接頭處，管道外層保護層容易損壞、焊接接頭質(zhì)量難控制、焊接接頭組織的特殊性及維修頻發(fā)等原因，腐蝕更易發(fā)生，給防護工作帶來很大挑戰(zhàn)。通過嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量、應(yīng)用新工藝等方式可以降低焊接接頭處發(fā)生腐蝕的情況。但管道外部工作環(huán)境的改善技術(shù)難度大，影響因素多，還需要防腐人員在管道外腐蝕防護過程中不斷地深入研究新方法、新工藝。