饮用水供水管道的腐蚀监测分析

韦荣茂

(南宁市峙村河水库管理所，广西 南宁 530400)

1 材料与方法

抑制剂分配系统直接安装在过滤器单元之后，聚磷酸钙作为一种抑制剂，作用机理是：形成保护层、抑制细菌生长、稳定残余沉积物、限制生锈。聚磷酸钙在水环境中与溶解的二氧化碳发生反应，形成碳酸钙，形成紧密稳定的保护层。精准确定抑制剂剂量，是有效降低腐蚀过程的主要因素；防止形成过量的碳酸钙残留物也很重要。研究表明，即使添加0.5 ppm的聚磷酸盐，也可显著降低残留物的形成速率，经反复试验确定抑制剂的最佳剂量为5 ppm[1-5]。

腐蚀监测自动化系统，该系统由计算机和数据传输系统组成： ①调节温度、流量传感器和偏振、电阻探头信号的系统。 ②由传感器控制的多路复用器组成数据控制系统。 ③放置在水管内的传感器。

监控系统实现数字化管理，数字系统包括数据调节模块和序列控制模块，用于单个传感器的测量。数据调节系统直接连接到计算机，以记录和预测结果。

自动监测腐蚀效果时，腐蚀速率基于线性极化电阻(LPR)测量，此测量技术通过电化学测量方法来测定腐蚀速率。使用多个传感器同时监测水中的温度和氧气浓度，来说明腐蚀速率变化。腐蚀传感器的电极由非合金结构钢制成，在合适的位置测量水参数和腐蚀速率。监测位置分布示意图如图1所示，虚线为湖水输送管道(地面取水至泵站)。

图1 供水系统的腐蚀监测点分布

利用该监测系统对水的理化参数进行了在线测试，从抑制剂保护的角度来看，最重要的参数包括：温度、pH以及水中氧、钙和磷酸盐的含量。采用动态电化学阻抗谱(DEIS)评价抑制剂对钢腐蚀过程的影响，与经典阻抗法相比，该方法的主要优点是：获得瞬时阻抗谱而不是平均值(即“逐频”技术)，其相应于研究过程的动力学，并考虑到非稳态电化学过程的研究时域。考虑到该方法的优点，评价了添加抑制剂对钢阻抗响应的影响。在缓蚀剂注入点上游收集的水中，使用三电极系统(氯化银基准、铂网辅助和管道钢工作电极)进行测试。

测量装置包括电化学系统、恒电位器和产生扰动信号的仪器，该扰动信号记录电压扰动和电流响应信号。DEIS测量的频率范围如下：20 kHz至7 Hz，采样频率50 kHz。

2 结果与分析

水的腐蚀性指标是在对地表水采样、分析的基础上，结合温度变化趋势确定的，监测结果如表1所示。

表1 地表水监测成果

监测结果表明，水在低温时具有腐蚀性，这与发生水腐蚀的地点所监测的信息不完全相符，因为本次取样水质腐蚀较严重，水体多为温水(通过热交换器加热的水)。

在测量的前110 s，监测了供水钢管中未添加抑制剂的腐蚀情况，以电荷转移形式测量的阻抗值较低，这表明存在严重腐蚀。从110 s开始注入抑制剂，出现了强烈的不稳定条件，这说明受到了几个阻抗谱的明显干扰。随着时间的推移，阻抗明显增加，这表明腐蚀过程的速率下降，应用的抑制剂初效明显。由于阻抗谱的不完全性，没有在等效电路的基础上进行详细的分析。为了获得测试抑制剂冲击动力学的可能性，有必要将产生的正弦信号包的较低范围限制在7 Hz，这阻止了对阻抗谱扩散方面的完整分析。为了评估抑制剂在更长的时间内的影响，开始连续的腐蚀监测。在泵站内实施的腐蚀速率连续监测系统基础上进行的腐蚀速率测试结果如图2所示。

图2 供水钢管腐蚀速率随时间变化的监测结果

图2监测结果表明了钢管在添加抑制剂前、后的腐蚀速率，腐蚀传感器探头安装在水系统中，传感器表面用砂纸打磨，防止滑动。在初始阶段，由于腐蚀产物的存在，腐蚀速率会更高，这一点在对直接从进水口收集的水进行腐蚀速率测试时尤为明显。腐蚀速率值大于0.1 mm/a。腐蚀产物形成稳定层的过程需要较长的时间(约300 d)，有利于降低腐蚀速率。因此，在发生故障后更换的新管道的腐蚀速率可能会更大。观察到抑制剂的使用大大加快了保护层的形成。在实践中，自监测开始以来，腐蚀速率明显下降，这有助于限制新管道元件的腐蚀。

尽管应用了抑制剂保护，但在夏季期间，暴露在抑制剂注入点下游水域的钢管腐蚀速率仍在增加，但腐蚀速率不超过0.08 mm/a。添加抑制剂后的水腐蚀指标结果见表2。

表2 添加抑制剂后对水的腐蚀指标的影响

结果表明，添加抑制剂后，水的腐蚀性有所下降(即与表1的数据相比)。这些结果与直接测量腐蚀速率的结果一致。在供水系统的各个监测点对抑制剂的影响进行了评估，供水系统各个点的钢管腐蚀速率测量结果如图3所示，其分布如图1所示。

图3 添加抑制剂后钢管在水中的腐蚀速率变化曲线

从腐蚀监测开始的第1087天到第1178天，在添加和不添加抑制剂的情况下，钢管在水环境中的腐蚀速率都有所增加。腐蚀速率的增加与从表面进水口收集的水温相对应(图3)。然而，在45～48 ℃的恒温温水中，腐蚀速率的增加与水温的增加关系不大。腐蚀性指数较高的原因可能与水成分的季节性变化有关。因此，本研究监测了直接从地表收集的水中及温水中的氧含量，结果如图4所示。

图4 距离抑制剂注入点8 km处的水温为45～48 ℃的水中氧浓度变化

一般来说，为了降低钢管在水中的腐蚀速率，应降低水温和水中的氧浓度。在图4中可以看到，45～48 ℃比2～22 ℃的氧离子浓度要低。然而，水中氧含量的季节性变化并不遵循这一规律。在夏季，水温较高，氧气浓度也会意外上升。最有可能的是，在这一时期，由于更大的径流产生流量，向水供应氧气的过程更激烈。当秋季水温降低时，氧气含量也会增加。因此，不仅地表水的温度有明显的季节性变化，而且氧气含量也有变化。

夏季和秋季水中的氧气浓度较高，导致钢管在45～48 ℃的恒温温水中腐蚀速率更高。表3列出了抑制剂监测系统运行6 a后，各腐蚀监测点的腐蚀速率的最大值(夏季记录)和最小值(冬季记录)。表3所示的结果表明抑制剂保护是有效的，腐蚀速率不会降低超过0.030 mm/a。

表3 引入抑制剂保护6 a后各个监测点的钢管腐蚀速率的极值 mm·a-1

3 结 论

通过监测分析可以得出以下结论：

(1)注入抑制剂大大降低了地面进水口的腐蚀风险，这种影响在夏季尤为明显。在距离进水位置上游较近位置注入抑制剂的措施最为有效。

(2)在温水系统中(45～48 ℃)，与不添加抑制剂的水相比，添加抑制剂的腐蚀速率降低了一半，显著减少了故障发生次数。

(3)研究发现，在距离注水点较远的管网中，水的腐蚀性随着取水点的距离增加而增加。但在供水运行条件下，腐蚀速率仍较低。

(4)当添加抑制剂时，在距离进水点较远的地方，腐蚀速率仍可以观察到随时间的变化而逐渐下降。