蒸馏海水淡化产品水对铸铁材质腐蚀研究

王晓玲，徐 克，苏立永，张 乾

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所,天津 300192)

蒸馏海水淡化产品水对铸铁材质腐蚀研究

王晓玲，徐 克，苏立永，张 乾

(国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所,天津 300192)

分析了多级闪蒸海水淡化产品水水质特点，研究了淡化水对铸铁管网的腐蚀影响。利用稳定指数法、失重法、电化学分析和腐蚀产物的XRD检测等方法开展了实验研究。实验结果显示了淡化水对铸铁试片的腐蚀程度及淡化水对铸铁腐蚀产物的类型，可为淡化水进入市政管网提供参考。

海水淡化；产品水；铸铁；腐蚀

随着淡水资源的日益缺乏，海水淡化的产品水大规模进入供水管网是必然的趋势。海水淡化水是非传统的水源，虽然在卫生方面不会直接威胁人们的健康，但海水淡化产品水是腐蚀性水质[1]，进入管网后会使管网的金属释放，破坏管表面存在的无机薄膜[2]，也能使管网中的腐蚀瘤溶解，发生“红水”现象[3]，从而影响管网寿命。

本文通过稳定指数法、失重法、电化学分析和腐蚀产物的XRD检测等方法分析探讨淡化水的腐蚀性和腐蚀产物类型，以便选择最佳的防腐蚀措施，为淡化水进入管网提供参考。

1 淡化水腐蚀性分析

目前商业化的蒸馏海水淡化包括多级闪蒸（MSF）和多效蒸馏（MED）两种淡化方式，总的来说其产水各项指标均符合国家饮用水标准，是优质的纯净水。由表1可见，MSF和MED海水淡化的产水水质基本一致，含盐量低，TDS一般＜10 mg/L，pH 一般在 5.0～6.7 之间，Cl－、SO42－、F－、HCO3－等含量都非常低。

由于淡化水pH值较低，碱度仅存在HCO3－且含量较低，加之钙含量几乎接近于零，因此水质缓冲能力差。当输送淡化水时，淡化水可破坏金属表面的钝化层，与铁发生溶解，造成铁的溶解释放。

表1 海水淡化产水水质指标

可用 Langelier 饱和指数 （LSI）、Ryznar稳定指数（RSI）、Larson比率（LR）初步判定淡化水的稳定性。根据MSF的相关水质指标、温度，查相关常数表，计算可得其判定指标。综合水质稳定指数参考值，可见上述某MSF的水质属于腐蚀性水质，且腐蚀倾向严重，见表2。

2 试验内容及方法

表2 某MSF水质稳定性评价

根据 《水处理剂缓蚀性能的测定 旋转挂片法》（GB/T 18175－2000）测定淡化水对金属管的腐蚀速率，监测淡化水腐蚀性的变化趋势。辅以电化学的方法测量淡化水的腐蚀电位和极化曲线，X－射线衍射（XRD）进行微观形貌、化学成分分析，考察淡化水的腐蚀类型和腐蚀程度。

3 试验条件

3.1 研究材料

3.1.1 试验水质

上述MSF产品水。

3.1.2 试片材质

在供水管网中，铸铁管是供水管网中使用最多的一种管材。其耐压可以超过2.0 MPa，管件规格齐全，拆装便利，且通常有50～100 a的使用寿命，比钢管耐腐蚀性强。如上海的供水管网中铸铁管占地下供水管网的56%[4]。我国台北市在1996年敷设的3 412 km的管道中，球墨铸铁管占84.42%。日本东京城市供水管网中，球墨铸铁管约占90%。美国近几年内，年安装供水管道2.3×105km，其中球墨铸铁管占47.7%[5]。因此，在挂片试验和电化学试验中采用铸铁材质的试片和电极进行相关测试。

3.2 旋转挂片试验

3.2.1 测试标准

《旋转挂片法》（GB/T 18175-2000）

3.2.2 药剂

无水丙酮、无水乙醇、酸洗溶液（500 mL盐酸溶液，加入4 g六次甲基四胺，溶解后混匀。）

3.2.3 试验条件

（1）水浴温度为常温；

（2） 转速 140 r/min；

（3）试片为50 mm×25 mm×2 mm的铸铁试片。

3.3 电化学试验

3.3.1 仪器及材料

采用CHI660C型电化学工作站测量。试验所用的工作电极材料为球墨铸铁。Pt为辅助电极；饱和汞-硫酸汞电极为参比电极；工作电极用环氧树脂封嵌，工作面积为1.0 cm2。

3.3.2测试条件

试验温度25℃。

3.4 XRD分析

采用荷兰X’pert PRO型X-射线衍射仪测定。

4 试验结果及分析

4.1 挂片测试

经过135 h的试验，烧杯内的水样均呈不同程度的混浊状态，颜色呈红褐色，烧杯底部有沉淀，在蒸馏水中冲洗后，洗掉的腐蚀产物呈针状，实验结果见图1。经过计算，淡化水平均腐蚀速率为1.144 8 mm/a，远远大于《工业循环冷却水处理设计规范》（GB50050-2007）中规定的0.075 mm/a。

图1 铸铁在淡化水中的腐蚀速率变化

从图1可以看出，90 h以内铸铁的腐蚀速率会随时间变化而越来越大，最大腐蚀速率达到了1.270 6 mm/a，已经严重超标，但当大于90 h以后会降低。原因可能是：烧杯内的淡化水始终没有更换，导致水中已经达到了溶解平衡，腐蚀速率有所降低。如果采用不断流动的淡化水，势必会使腐蚀加剧。

4.2 电化学测试

铸铁在淡化水中的自腐蚀电位和极化曲线见图2和图4。铸铁在自来水中的自腐蚀电位和极化曲线见图3和图4。

图2 铸铁在淡化水中的自腐蚀电位

图3 铸铁在自来水中的自腐蚀电位

图4 铸铁在淡化水和自来水中的极化曲线

从以上图中可以看出，淡化水的自腐蚀电位大约在-0.360 V左右，而自来水自腐蚀电位大约为-0.635 5 V，淡化水较容易腐蚀。淡化水腐蚀电流密度约1.6×10-7A/cm2，比自来水腐蚀电流密度小，则初始的腐蚀速率相对不高。原因是淡化水和自来水的腐蚀机理不同。淡化水pH低，电导率不高，阴离子的影响比较小，因此初始腐蚀速率较小，其腐蚀主要是阴极发生析氢反应，破坏了铸铁表面氧化膜，使其溶于淡化水中，且会不断腐蚀金属以达到溶解平衡。而自来水TDS相对较高，电导率高，并有一定的碱度和硬度，加上Cl-的影响加速了腐蚀，其腐蚀主要是受阴极扩散的影响，从极化曲线上看腐蚀主要是受氧的去极化作用控制，在金属表面生成OH-，而阳极失去电子，使铁溶解成Fe2+，受氧的氧化进一步生成Fe3+。

4.3 XRD分析

铸铁在淡化水中旋转挂片180 h后，水溶液呈褐色浑浊；试片表面腐蚀产物呈棕黄色，细腻松散，震荡后表面腐蚀产物大部分脱落，腐蚀不均匀；酸洗时无气泡，清洗后表面有点蚀，见图5。

图5 淡化水中铸铁试片清洗前后外观

铸铁在自来水中浸泡后，水溶液中存在红褐色和黑色物质；腐蚀产物分为两层，表面为红褐色，颗粒较大，呈瘤状，内部为黑色物质，腐蚀均匀；酸洗腐蚀产物时，有气泡产生，见图6。

图6 自来水中铸铁试片清洗前后外观

为了对腐蚀产物的特性进行分析，对已腐蚀的试片表面的晶体结构进行XRD分析，图7是对腐蚀产物所作的图谱。

对照图谱特征分析，淡化水对铸铁水管的腐蚀产物几乎全是FeOOH。

对于自来水，Sarin、Lin、Kevin 等人研究[6]发现：自来水对铸铁的腐蚀产物含有以下成分：α-FeOOH、γ-FeOOH和Fe-CO3，而其内层主要晶体结构为Fe3O4。

可见，淡化水的腐蚀产物在颜色、附着力和物质结构上都与自来水不同，腐蚀的机理也不相同，实际应用中对铸铁管道的影响也应区别对待。

图7 淡化水XRD分析图谱

5 结论

供水行业中水质的化学稳定问题普遍存在，在海水淡化过程中，破坏了水质的稳定性，pH、碱度、硬度较低，使管网的金属离子溶解，且不能生成碳酸钙薄膜覆盖在管壁上保护管道，造成管网的腐蚀和水质变差。研究表明：

（1） 淡化水 LSI=-3.35，RSI=12.36，LR=15.76， 属于严重腐蚀性水质。

（2）对淡化水的旋转挂片试验表明，铸铁在淡化水中的腐蚀速率可达1.27 mm/a，远远大于《工业循环冷却水处理设计规范》（GB50050-2007）中规定的 0.075 mm/a，且随着新鲜淡化水的不断输送腐蚀速率加剧。

（3）从电化学的角度来看，淡化水的腐蚀机理与自来水不同，其自腐蚀电位约-0.360 V，腐蚀电流密度约1.6×10-7A/cm2，其初始腐蚀速率相对自来水不高。

（4）淡化水的腐蚀产物与自来水不同，淡化水对铸铁水管的腐蚀产物主要是FeOOH，进一步证明腐蚀机理与自来水不同。

建议长期现场监测淡化水对管道的腐蚀状况，且淡化水进入管网前应进行必要的后处理措施，如调解pH值、加碱、矿化等。

[1]Desalination for Safe Water Supply[R]．Geneva：World Health Organization，2007．

[2]Laurie S McNeill，Marc Edwards．Iron pipe corrosion in distribution systems[J].American Water Works Association，2001，93(7)：88-93.

[3]Y Dreizin， A Tenne， D Hoffman.Integrating large scale seawater desalination plants within Israel’s water supply system[J].Desalination ，2008，220(1-3)：132-149.

[4]姚黎光.上海供水管网问题现状与对策[J].建设科技，2008，05：78-79.

[5]刘慧，孙勇，等.给水排水管材实用手册[M].北京：化学工业出版社，2005.

[6]周韬.铁质给水管道内壁腐蚀对管网水质影响研究 [D].长沙：湖南大学土木工程学院，2006.

Abstract：The characteristics of product water from multi-stage flash desalination(MSF)are investigated and its influence on municipal water pipe which is made of cast iron is researched.Corresponding experiments have been completed by different methods such as stability index,weight loss,electrochemical analysis and XRD testing.The results provided the corrosion degree of the cast iron specimens and the types of corrosion products caused by desalted water.Thus,this study would be meaningful for the usage of desalted water in municipal pipe networks.

Key words：seawater desalination;product water;cast iron;corrosion

Research on the Corrosion of Cast Iron Caused by Product Water of Distilled Seawater Desalination

WANG Xiao-ling,XU Ke,SU Li-yong,ZHANG Qian
（The Institute of Seawater Desalination and Multipurpose Utilization,SOA,Tianjin 300192,China）

P747，TG172.5

A

1003－2029（2011）01－0099－04

2010－11－03

2008年中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（K－JBYWF－2008－C03）

王晓玲（1977－），女，研究领域：海水淡化技术。Email:daisycany@yahoo.com.cn