長(zhǎng)距離高壓輸水管道腐蝕因子作用程度及防腐方案

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)某些引調(diào)水工程中管道輸水距離長(zhǎng)、內(nèi)壓高及工作環(huán)境復(fù)雜多變等特點(diǎn)，定性分析了水介質(zhì)O₂溶解量、CO₂溶解量及固體顆粒含量等多個(gè)因子對(duì)鋼管腐蝕的作用機(jī)理，并基于灰色關(guān)聯(lián)法，通過(guò)腐蝕因子樣本的無(wú)量綱化及關(guān)聯(lián)系數(shù)求解，建立了長(zhǎng)距離高壓輸水管道的腐蝕因子影響程度分析模型。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)腐蝕影響程度最高的因子是水壓、流速及顆粒含量；在此基礎(chǔ)上，提出了長(zhǎng)距離高壓輸水管道的防腐技術(shù)方案，即加強(qiáng)級(jí)涂料+局部犧牲陽(yáng)極保護(hù)。研究成果可為后續(xù)類(lèi)似工程提供借鑒。

關(guān) 鍵 詞：長(zhǎng)距離高壓輸水管道；腐蝕因子；灰色關(guān)聯(lián)法；引調(diào)水工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV672.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.039

0 引言

鋼管因其承壓強(qiáng)度高、工作安全可靠等特點(diǎn)，在長(zhǎng)距離有壓輸水系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。但同時(shí)，受輸送水質(zhì)、環(huán)境溫度、土壤性質(zhì)、附近雜散電流等多因素影響，鋼管易發(fā)生腐蝕而失效。鋼管的防腐作用機(jī)理是通過(guò)物理或化學(xué)方法降低腐蝕因子對(duì)管道結(jié)構(gòu)的侵蝕，主要措施包括熱鍍活潑金屬（鋁或鋅）、涂料及電化學(xué)防護(hù)等^［1］。

近年來(lái)涂料防腐技術(shù)發(fā)展迅速，涂料種類(lèi)繁多，其中聚乙烯、熔結(jié)環(huán)氧粉末、2PE/3PE等防腐工藝不僅具有優(yōu)良的抗腐蝕性和較強(qiáng)的抗剝離性，還能一定程度上解決水質(zhì)二次污染問(wèn)題，在跨區(qū)域引調(diào)水、給水工程中應(yīng)用廣泛^［2-4］。陰極保護(hù)主要包括犧牲陽(yáng)極保護(hù)和外加強(qiáng)制電流保護(hù)，是解決鋼管電化學(xué)腐蝕的有效方法，但一般不單獨(dú)使用，通常采用“涂料+陰極保護(hù)”聯(lián)合防腐方案，在水庫(kù)樞紐取水工程、輸水及供水工程中均有應(yīng)用^［5-6］。長(zhǎng)距離輸水管道在穿過(guò)高壓輸電線路等區(qū)域時(shí)，易產(chǎn)生感應(yīng)電流而加劇管道腐蝕，接地泄散電流對(duì)附近管道的影響研究和危險(xiǎn)防護(hù)證實(shí)了排流保護(hù)裝置的重要性^［7-9］。

針對(duì)長(zhǎng)距離高壓輸水管道上述特點(diǎn)，本文擬采用定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法，研究主要腐蝕因子對(duì)鋼管的腐蝕作用程度，最后提出有效的防腐技術(shù)方案。

1 管道腐蝕因子及防腐要求

1.1 輸水鋼管腐蝕因子

（1）O₂溶解量、CO₂溶解量及固體顆粒含量。在潮濕或者水環(huán)境介質(zhì)中，鋼管的主要成分單質(zhì)Fe易被O₂氧化，形成鐵銹。CO₂溶于水中，電離產(chǎn)生H⁺，降低水的pH，可促使內(nèi)壁發(fā)生析氫極化反應(yīng)。管道運(yùn)行過(guò)程中，水中難溶固體顆粒會(huì)與管道內(nèi)壁發(fā)生摩擦、碰撞，破壞內(nèi)壁防腐層，加快管道腐蝕。

（2）水溫、流速及水壓。對(duì)于吸熱反應(yīng)，在一定范圍內(nèi)水溫越高，反應(yīng)速率越快，管道腐蝕越快。高速水流對(duì)管壁的沖刷作用不僅破壞管壁防腐層，還直接造成管壁減薄。高壓水流一方面使水中的溶氣量減少，減緩腐蝕；另一方面使內(nèi)壁漆膜更容易被撕裂脫落，加快管道腐蝕。

（3）管外水流、空氣、土石、電流。埋地管道在地下水位上漲或者明敷管道受地表水浸泡時(shí)外壁易產(chǎn)生吸氧、析氫反應(yīng)。明敷管道暴露在空氣中時(shí)易被空氣中的氧氣氧化。埋地管道受土石的顆粒大小、堅(jiān)硬程度、酸堿鹽的含量影響，會(huì)產(chǎn)生不同程度的物理?yè)p傷、化學(xué)侵蝕。管道經(jīng)過(guò)高壓輸電線路等電流經(jīng)過(guò)及變化地段時(shí)，管道易產(chǎn)生感應(yīng)電流，進(jìn)而引發(fā)電化學(xué)腐蝕。

1.2 長(zhǎng)距離高壓管道工作特點(diǎn)及防腐要求

（1）高原、山區(qū)給水工程取水管或者輸水管一般為長(zhǎng)距離高壓輸水管道，其水源水質(zhì)較好，固體顆粒含量較少，溶氣量、pH均較穩(wěn)定，水溫變化幅度較小，末端用水水質(zhì)要求較高，管道內(nèi)壁防腐層應(yīng)當(dāng)滿足衛(wèi)生許可要求。

（2）與一般輸水管道相比，長(zhǎng)距離高壓輸水管道管內(nèi)水壓較高，流速較快，內(nèi)壁防腐層抗剝離性能較強(qiáng)。

（3）長(zhǎng)距離高壓管道以埋地淺埋敷設(shè)為主，局部采用明敷或者沿管溝敷設(shè)，受地下水位及空氣影響較小，與土壤物化性質(zhì)關(guān)系很大，外壁防腐層應(yīng)牢固厚實(shí)。

（4）管道長(zhǎng)距離敷設(shè)，接觸高壓輸電線路、用電設(shè)備的可能性提高，受雜散電流影響較大，陰極保護(hù)裝置應(yīng)當(dāng)作為聯(lián)合防腐方案加以應(yīng)用。

2 腐蝕因子影響程度分析

經(jīng)過(guò)分析，影響管道腐蝕程度的因子包括水中O₂溶解量、CO₂溶解量、固體顆粒含量、水溫、水壓、流速、土石顆粒度、硬度、酸堿鹽度等因子?；诨疑P(guān)聯(lián)模型，腐蝕因子影響程度分析過(guò)程如下：

（1）以壁厚腐蝕深度作為腐蝕程度計(jì)量指標(biāo)，并按式（1）無(wú)量綱化。

W_0j=s_j/1/m∑m/j=1s_j（1）

式中：W_0j為第j個(gè)樣本腐蝕程度無(wú)量綱數(shù)；j為樣本序列號(hào)；m為每個(gè)腐蝕因子采集到的樣本數(shù)量；s_j為第j個(gè)樣本腐蝕程度值，下同。

（2）將水中O₂溶解量、CO₂溶解量等腐蝕因子按式（2）無(wú)量綱化。

W_ij=y_ij/1/m∑m/j=1y_ij（2）

式中：W_ij為第i個(gè)腐蝕因子第j個(gè)樣本無(wú)量綱數(shù)；i為腐蝕因子序列號(hào)；y_ij為第i個(gè)腐蝕因子采集到的第j個(gè)樣本，下同。

（3）關(guān)聯(lián)系數(shù)按式（3）計(jì)算。

β_ij=min_ij|W_0j-W_ij|+αmax_ij|W_0j-W_ij|/|W_0j-W_ij|+αmax_ij|W_0j-W_ij|（3）

式中：β_ij為第i個(gè)腐蝕因子第j個(gè)樣本關(guān)聯(lián)系數(shù)；min_ij為腐蝕因子與腐蝕程度值無(wú)量綱數(shù)的最小誤差；max_ij為腐蝕因子與腐蝕程度值無(wú)量綱數(shù)的最大誤差；α為分辨系數(shù)，取0.5，下同。

（4）腐蝕因子的影響程度按式（4）計(jì)算。

D_i=G_i/∑n/i=1G_i×100%（4）

式中：D_i為第i個(gè)腐蝕因子影響程度；n為腐蝕因子總數(shù)；G_i為第i個(gè)腐蝕因子關(guān)聯(lián)度，可按式（5）計(jì)算：

G_i=1/m∑m/j=1β_ij（5）

經(jīng)過(guò)上述過(guò)程，計(jì)算得到管道腐蝕因子D_i的值，通過(guò)比較該值大小即可判斷腐蝕因子影響程度，給出防腐策略。

3 實(shí)例分析與驗(yàn)證

3.1 實(shí)例情況

云南省雙柏鄂嘉至妥甸引調(diào)水工程，取水點(diǎn)高程1 924.27 m，供水點(diǎn)高程1 726.57 m，線路最低點(diǎn)高程678.24 m，取水管道采用重力自流方式，取水流量0.584 m³/s，管線全長(zhǎng)23.4 km，敷設(shè)方式為沿地形淺埋。通過(guò)沿管線布設(shè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)腐蝕深度及主要腐蝕因子量，從中選取了5組具有代表性的數(shù)據(jù)樣本，如表1所列。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)論

按公式（1）～（4），將樣本數(shù)據(jù)無(wú)量綱化得到W_ij，求關(guān)聯(lián)系數(shù)β_ij，最后計(jì)算得到關(guān)聯(lián)度G_i和影響程度D_i，相關(guān)計(jì)算結(jié)果如表2所列。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，有如下結(jié)論：

（1）各腐蝕因子對(duì)輸水管道腐蝕影響程度為水壓≈流速＞固體顆粒含量＞CO₂溶解量＞水溫＞O₂溶解量＞輸電線路距離，影響程度最大的因子是水壓和流速，D_i值均值為15.5%；影響程度最小的是輸電線路距離，D_i值為10.1%。

（2）輸電線路對(duì)整條管道腐蝕影響最小，主要作用于局部位置，應(yīng)當(dāng)在該部位增加陰極保護(hù)防腐方法。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)長(zhǎng)距離高壓輸水管道的特點(diǎn)，本文采用定性分析和定量計(jì)算相結(jié)合的方法著重研究了輸水鋼管腐蝕因子的作用程度，并借助工程實(shí)例提出此類(lèi)管道的防腐方案：內(nèi)、外壁表面預(yù)處理達(dá)Sa2.5級(jí)、粗糙度達(dá)60～100 μm；內(nèi)壁采用涂塑鋼管加強(qiáng)級(jí)環(huán)氧樹(shù)脂涂層，涂層厚度不小于450 μm；外壁采用加強(qiáng)級(jí)三層結(jié)構(gòu)擠壓纏繞式聚乙烯防腐，并在靠近輸電線路附近根據(jù)電阻率按一定間隔敷設(shè)Al或Zn陰極保護(hù)裝置。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 中華人民共和國(guó)水利部.水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范：SL/T 281—2020［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2020.

［2］ 劉曉文，岳長(zhǎng)山.管道防腐中密度剛性聚脲的制備與性能研究［J］.化工設(shè)備與管道，2024（1）：94-99.

［3］ 王晨.油氣管道表面熱噴涂防腐技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展展望［J］.熱加工工藝，2021（22）：14-17.

［4］ 馮少?gòu)V，李東陽(yáng).3PE防腐層剝離強(qiáng)度測(cè)試關(guān)鍵參數(shù)［J］.油氣儲(chǔ)運(yùn)，2020（10）：1165-1171.

［5］ 李朕飛，胡上茂.考慮廣域地形條件的油氣管道陰極保護(hù)電位分布特性研究［J］.電鍍與涂飾，2023（10）：9-17.

［6］ 譚慶儉，齊利華.對(duì)澳供水大型原水管道工程設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)給水排水，2023（12）：75-79.

［7］ 李雄，陸家榆.考慮非線性極化效應(yīng)時(shí)直流接地極電流在油氣管道耦合的電壓電流建模和計(jì)算［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2022（3）：1198-1210.

［8］ 高曉東，安韻竹.輸電線路雷擊接地散流與附近管道過(guò)電壓防護(hù)研究［J］.電力工程技術(shù)，2021（1）：162-166，174.

［9］ 周玉娟，李凱.水平接地極泄散雷電流對(duì)臨近埋地管道危害影響分析［J］.中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2019（12）：122-127.

（編輯：胡旭東）