飲用水供水管道的腐蝕監(jiān)測分析

韋榮茂

(南寧市峙村河水庫管理所，廣西 南寧 530400)

1 材料與方法

抑制劑分配系統(tǒng)直接安裝在過濾器單元之后，聚磷酸鈣作為一種抑制劑，作用機理是：形成保護層、抑制細菌生長、穩(wěn)定殘余沉積物、限制生銹。聚磷酸鈣在水環(huán)境中與溶解的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)，形成碳酸鈣，形成緊密穩(wěn)定的保護層。精準確定抑制劑劑量，是有效降低腐蝕過程的主要因素；防止形成過量的碳酸鈣殘留物也很重要。研究表明，即使添加0.5 ppm的聚磷酸鹽，也可顯著降低殘留物的形成速率，經(jīng)反復(fù)試驗確定抑制劑的最佳劑量為5 ppm[1-5]。

腐蝕監(jiān)測自動化系統(tǒng)，該系統(tǒng)由計算機和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成： ①調(diào)節(jié)溫度、流量傳感器和偏振、電阻探頭信號的系統(tǒng)。 ②由傳感器控制的多路復(fù)用器組成數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。 ③放置在水管內(nèi)的傳感器。

監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)字化管理，數(shù)字系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)模塊和序列控制模塊，用于單個傳感器的測量。數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)直接連接到計算機，以記錄和預(yù)測結(jié)果。

自動監(jiān)測腐蝕效果時，腐蝕速率基于線性極化電阻(LPR)測量，此測量技術(shù)通過電化學(xué)測量方法來測定腐蝕速率。使用多個傳感器同時監(jiān)測水中的溫度和氧氣濃度，來說明腐蝕速率變化。腐蝕傳感器的電極由非合金結(jié)構(gòu)鋼制成，在合適的位置測量水參數(shù)和腐蝕速率。監(jiān)測位置分布示意圖如圖1所示，虛線為湖水輸送管道(地面取水至泵站)。

圖1 供水系統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測點分布

利用該監(jiān)測系統(tǒng)對水的理化參數(shù)進行了在線測試，從抑制劑保護的角度來看，最重要的參數(shù)包括：溫度、pH以及水中氧、鈣和磷酸鹽的含量。采用動態(tài)電化學(xué)阻抗譜(DEIS)評價抑制劑對鋼腐蝕過程的影響，與經(jīng)典阻抗法相比，該方法的主要優(yōu)點是：獲得瞬時阻抗譜而不是平均值(即“逐頻”技術(shù))，其相應(yīng)于研究過程的動力學(xué)，并考慮到非穩(wěn)態(tài)電化學(xué)過程的研究時域?？紤]到該方法的優(yōu)點，評價了添加抑制劑對鋼阻抗響應(yīng)的影響。在緩蝕劑注入點上游收集的水中，使用三電極系統(tǒng)(氯化銀基準、鉑網(wǎng)輔助和管道鋼工作電極)進行測試。

測量裝置包括電化學(xué)系統(tǒng)、恒電位器和產(chǎn)生擾動信號的儀器，該擾動信號記錄電壓擾動和電流響應(yīng)信號。DEIS測量的頻率范圍如下：20 kHz至7 Hz，采樣頻率50 kHz。

2 結(jié)果與分析

水的腐蝕性指標是在對地表水采樣、分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合溫度變化趨勢確定的，監(jiān)測結(jié)果如表1所示。

表1 地表水監(jiān)測成果

監(jiān)測結(jié)果表明，水在低溫時具有腐蝕性，這與發(fā)生水腐蝕的地點所監(jiān)測的信息不完全相符，因為本次取樣水質(zhì)腐蝕較嚴重，水體多為溫水(通過熱交換器加熱的水)。

在測量的前110 s，監(jiān)測了供水鋼管中未添加抑制劑的腐蝕情況，以電荷轉(zhuǎn)移形式測量的阻抗值較低，這表明存在嚴重腐蝕。從110 s開始注入抑制劑，出現(xiàn)了強烈的不穩(wěn)定條件，這說明受到了幾個阻抗譜的明顯干擾。隨著時間的推移，阻抗明顯增加，這表明腐蝕過程的速率下降，應(yīng)用的抑制劑初效明顯。由于阻抗譜的不完全性，沒有在等效電路的基礎(chǔ)上進行詳細的分析。為了獲得測試抑制劑沖擊動力學(xué)的可能性，有必要將產(chǎn)生的正弦信號包的較低范圍限制在7 Hz，這阻止了對阻抗譜擴散方面的完整分析。為了評估抑制劑在更長的時間內(nèi)的影響，開始連續(xù)的腐蝕監(jiān)測。在泵站內(nèi)實施的腐蝕速率連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行的腐蝕速率測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 供水鋼管腐蝕速率隨時間變化的監(jiān)測結(jié)果

圖2監(jiān)測結(jié)果表明了鋼管在添加抑制劑前、后的腐蝕速率，腐蝕傳感器探頭安裝在水系統(tǒng)中，傳感器表面用砂紙打磨，防止滑動。在初始階段，由于腐蝕產(chǎn)物的存在，腐蝕速率會更高，這一點在對直接從進水口收集的水進行腐蝕速率測試時尤為明顯。腐蝕速率值大于0.1 mm/a。腐蝕產(chǎn)物形成穩(wěn)定層的過程需要較長的時間(約300 d)，有利于降低腐蝕速率。因此，在發(fā)生故障后更換的新管道的腐蝕速率可能會更大。觀察到抑制劑的使用大大加快了保護層的形成。在實踐中，自監(jiān)測開始以來，腐蝕速率明顯下降，這有助于限制新管道元件的腐蝕。

盡管應(yīng)用了抑制劑保護，但在夏季期間，暴露在抑制劑注入點下游水域的鋼管腐蝕速率仍在增加，但腐蝕速率不超過0.08 mm/a。添加抑制劑后的水腐蝕指標結(jié)果見表2。

表2 添加抑制劑后對水的腐蝕指標的影響

結(jié)果表明，添加抑制劑后，水的腐蝕性有所下降(即與表1的數(shù)據(jù)相比)。這些結(jié)果與直接測量腐蝕速率的結(jié)果一致。在供水系統(tǒng)的各個監(jiān)測點對抑制劑的影響進行了評估，供水系統(tǒng)各個點的鋼管腐蝕速率測量結(jié)果如圖3所示，其分布如圖1所示。

圖3 添加抑制劑后鋼管在水中的腐蝕速率變化曲線

從腐蝕監(jiān)測開始的第1087天到第1178天，在添加和不添加抑制劑的情況下，鋼管在水環(huán)境中的腐蝕速率都有所增加。腐蝕速率的增加與從表面進水口收集的水溫相對應(yīng)(圖3)。然而，在45～48 ℃的恒溫溫水中，腐蝕速率的增加與水溫的增加關(guān)系不大。腐蝕性指數(shù)較高的原因可能與水成分的季節(jié)性變化有關(guān)。因此，本研究監(jiān)測了直接從地表收集的水中及溫水中的氧含量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 距離抑制劑注入點8 km處的水溫為45～48 ℃的水中氧濃度變化

一般來說，為了降低鋼管在水中的腐蝕速率，應(yīng)降低水溫和水中的氧濃度。在圖4中可以看到，45～48 ℃比2～22 ℃的氧離子濃度要低。然而，水中氧含量的季節(jié)性變化并不遵循這一規(guī)律。在夏季，水溫較高，氧氣濃度也會意外上升。最有可能的是，在這一時期，由于更大的徑流產(chǎn)生流量，向水供應(yīng)氧氣的過程更激烈。當秋季水溫降低時，氧氣含量也會增加。因此，不僅地表水的溫度有明顯的季節(jié)性變化，而且氧氣含量也有變化。

夏季和秋季水中的氧氣濃度較高，導(dǎo)致鋼管在45～48 ℃的恒溫溫水中腐蝕速率更高。表3列出了抑制劑監(jiān)測系統(tǒng)運行6 a后，各腐蝕監(jiān)測點的腐蝕速率的最大值(夏季記錄)和最小值(冬季記錄)。表3所示的結(jié)果表明抑制劑保護是有效的，腐蝕速率不會降低超過0.030 mm/a。

表3 引入抑制劑保護6 a后各個監(jiān)測點的鋼管腐蝕速率的極值 mm·a-1

3 結(jié) 論

通過監(jiān)測分析可以得出以下結(jié)論：

(1)注入抑制劑大大降低了地面進水口的腐蝕風險，這種影響在夏季尤為明顯。在距離進水位置上游較近位置注入抑制劑的措施最為有效。

(2)在溫水系統(tǒng)中(45～48 ℃)，與不添加抑制劑的水相比，添加抑制劑的腐蝕速率降低了一半，顯著減少了故障發(fā)生次數(shù)。

(3)研究發(fā)現(xiàn)，在距離注水點較遠的管網(wǎng)中，水的腐蝕性隨著取水點的距離增加而增加。但在供水運行條件下，腐蝕速率仍較低。

(4)當添加抑制劑時，在距離進水點較遠的地方，腐蝕速率仍可以觀察到隨時間的變化而逐漸下降。