水利工程中大流量輸水管道的防腐措施研究

焦文娟

(水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國對水資源的開發(fā)與利用在不斷的擴(kuò)大。因此，如何高效、合理的分配水資源成為了學(xué)者們研究的重點課題。同時，管道輸水作為一種高效快捷的輸水方式，在各類水利工程中得到了廣泛應(yīng)用。而在管道的輸水過程中，影響其安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素便是其管道的抗腐蝕特性。對于在工程管道中，如果管道出現(xiàn)腐蝕，其腐蝕的位置往往是結(jié)構(gòu)受力的薄弱點，易發(fā)生工程事故，存在較大的安全隱患。

針對此，本文對水利工程中大流量輸水管道的防腐措施進(jìn)行研究，通過對其腐蝕原理以及防腐方法進(jìn)行分析，達(dá)到在工程實際中輸水管道防腐的目的，同時可為大流量輸水工程防腐設(shè)計提供參考，具有工程應(yīng)用價值。

1 大流量輸水管道腐蝕

1.1 埋地金屬管道腐蝕

從本質(zhì)以及腐蝕原理上來說上而言，埋地金屬管道的腐蝕從分類上屬于電化學(xué)腐蝕。金屬管道鋪設(shè)在土壤層后，在土壤中，金屬管道會形成應(yīng)力或者腐蝕原電池等形式。由于土壤性質(zhì)的不同，導(dǎo)致金屬管道形成了多種電池形式：有的電池陽極面積大、有的陰極面積大、電位較高的可達(dá)到幾百毫安，電位低的可以為幾毫安，因此，從腐蝕特點上，其具有腐蝕部位不均勻。從統(tǒng)計情況來看，大流量輸水管道更為容易發(fā)生電池腐蝕，在表現(xiàn)上多為管道的局部腐蝕。

通過總結(jié)經(jīng)驗可以發(fā)現(xiàn)先，在各種因素的綜合影響下，大流量輸水管道上總有一段距離上的附屬穿孔率較高。在這段距離上，便是到時管道出現(xiàn)泄漏的薄弱環(huán)節(jié)，在運(yùn)行一段時間后，管道將出現(xiàn)第一次泄露。并且，隨著運(yùn)行時間的增長，管道的其他部位也將出現(xiàn)蝕坑，其發(fā)生的時間與頻次將越來越高。通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計后可知，在數(shù)據(jù)關(guān)系上，泄露點數(shù)與時間的變化規(guī)律為半對數(shù)函數(shù)。

1.2 埋地混凝土管道腐蝕

1.2.1 埋地混凝土管道腐蝕原理

在定義上，埋地混凝土管道腐蝕的腐蝕指的是鋼筋腐蝕。鋼筋作為混凝土管道承受拉力的主要部件，其發(fā)生腐蝕將對整個管道的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響。一般情況下，混凝土管道使用壽命較高，抗腐蝕特性較好。然而，當(dāng)混凝土管道作為大流量輸水管道時，在潮濕以及土壤中介質(zhì)的影響下，混凝土管道極易發(fā)生腐蝕。其表現(xiàn)形式主要如下，土壤中的部分物質(zhì)首先將埋地混凝土管道的液相發(fā)生改變，使得鋼筋出現(xiàn)銹蝕，隨著時間的推推移，腐蝕體積逐漸變大，當(dāng)其電鍍大于混凝土的自身強(qiáng)度時，管道將發(fā)生破壞。同時潮濕的土壤將腐蝕直接腐蝕鋼筋。

通常，混凝土管道中的pH值維持在12.5左右，在此條件下?；炷凉艿乐械匿摻?。但隨著土壤中有機(jī)物腐爛時，將分解出二氧化碳，二氧化碳將于水泥中的Ca(OH)2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CaCO3。使得混凝土管道的pH值不斷減小，當(dāng)減小到某一值時，混凝土管道中的鋼筋鈍化膜在酸性的作用下將產(chǎn)生破壞。其反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：

2Fe-4e-→2Fe2+

(1)

同時陰極將發(fā)生還原反應(yīng)：

O2+2H2O+4e-→4OH2-

(2)

陰極和陽極的整體反應(yīng)如下：

2Fe+O2+2H2O+4e-→22F2++4OH-→2Fe(OH)2

(3)

2Fe(OH)2在水分子以的進(jìn)一步作用下，將生成4Fe(OH)3：

4Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)3

(4)

4Fe(OH)3在水分子的作用下，將生成紅繡。紅繡的體積是正常的四倍左右。隨著紅繡體積的不斷增大，混凝土管道將表面將產(chǎn)生裂紋或者脫落，混凝土表面破損后，將進(jìn)一步加大混凝土管道鋼筋的腐蝕。

1.2.2 混凝土管道鋼筋腐蝕對承載力的影響

在發(fā)生腐蝕后，其混凝土與鋼筋的交接面上將存在銹脹力，將對整個鋼筋混凝土管道的受力產(chǎn)生影響。其受力變化如過程如表1所示。

表1 截面積損失率與力學(xué)性能的關(guān)系

2 大流量輸水管道防腐蝕措施

2.1 埋地金屬管道防腐蝕措施

埋地金屬管道的防腐蝕措施通常采用添加防腐涂層的方法。如表2所示為常用的埋地金屬管道的添加防腐層的方法以及其特點與所用涂料的類型。防腐涂層除了在材料上存在較大差異外，在防腐層的形式上也是各種各樣。例如有單模、覆蓋層以及負(fù)荷結(jié)構(gòu)涂層等。

表2 常用鋼管外防腐方式技術(shù)比較表

除了采用添加防腐涂層外，埋地金屬管道也可采用陰極保護(hù)、加強(qiáng)直流干擾腐蝕的防護(hù)、加強(qiáng)交流干擾腐蝕的防護(hù)等措施來避免管道發(fā)生腐蝕。

2.2 埋地混凝土管道防腐蝕措施

2.2.1 混凝土管道表面處理以及鋼筋涂層防護(hù)

為了提高混凝土管道防腐蝕能力，通過在管道表面涂抹具有降低碳酸鹽、硫化物等氣體以及水分子滲透力的涂料，來達(dá)到防腐蝕的目的。一般情況下強(qiáng)腐蝕地段，采用表面涂層防護(hù);而對于小型構(gòu)件，采用浸漬型涂層。

除在混凝土管道表面進(jìn)行防腐處理外，為了避免混凝土中的鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕。通常采用涂抹環(huán)氧樹脂粉末涂層的方法來阻止水蒸氣以及氯氣等于鋼筋接觸，從而防止鋼筋發(fā)生腐蝕。

2.2.2 鋼筋緩蝕劑

鋼筋緩蝕劑是混凝土管道防腐措施中最為有效的一種。緩蝕劑是經(jīng)過氧化還原反應(yīng)后的鈍化膜。形成的鈍化膜能夠有效的阻止止混凝土與鋼筋界面孔溶液中發(fā)生的電化學(xué)腐蝕。其中應(yīng)用最為廣泛的便是亞硝酸鈣混凝土管鋼筋緩蝕劑。

2.2.3 陰極保護(hù)

所謂混凝土管道陰極保護(hù)法是采用外加電流或犧牲陽極的陰極保護(hù)方法，其目的是為了使得混凝土管道中的鋼筋電位降低到陽極開路電壓之下，鋼筋的電位處于陰極，其中陽極一般采用高硅鑄鐵、石墨、鋼鐵等。

3 結(jié)語

為避免大流量管道發(fā)生腐蝕，本文從大流量輸水管道的工程實際情況出發(fā)，對埋地金屬管道與混凝土管道的腐蝕原理與防腐方法進(jìn)行了全面的分析，可為大流量輸水工程防腐設(shè)計提供參考，具有一定的工程意義。