戴英 徐一為

　　天津市是國內使用自來水較早的城市之一，城市的供水系統已有近百年的歷史。1898年的供水管道，部分還在管網系統中運行使用。許多管道的使用年限較長。我市的水源主要以地表水為主。由于水源水質復雜，藥劑投加量較大，管道運行流速偏低等因素，造成管道內壁產生較厚的“環狀銹垢”，給供水管道運行帶來了許多的不良后果。

　　從90年代初，我公司領導和有關技術人員，對這個問題十分重視。組織力量，結合管道施工、維護等工作，開展了管道內部銹蝕、結垢的調查工作。面對全市多公里供水管道的復雜情況，考慮到城市的正常供水和時間、經濟、技術等因素，確定了從管道的不同的年限、不同地點、不同口徑及距水廠的不同距離和不同水源等幾個方面，調查我市的供水管道內部銹蝕結垢情況，并從其成因危害以及如何防治幾個方面開展研究工作

一、管道內部銹蝕結垢的調查結果

　　管道內部銹蝕結垢調查工作，運用結合管道施工、維護等工程及對感興趣的管段定點取樣的方法，經過一年半的時間，共取得管道結垢銹蝕樣76個，具體情況見附表：(注：管徑單位為mm)

　　在這76個管道銹樣中，大部分呈瘤狀，由棕黃色、堅硬的氧化鐵殼體組成，殼內由黑色的氧化亞鐵組成，Fe0₂ 硫化鐵FeS等松質組成，少部分呈其它形狀的銹垢，如尖峰狀、粉末狀等。其化學成分為鐵占80%，硅占15%，微量元素占。我們把這些銹樣按顏色、硬度、形狀、厚度及化學成分，分成AB、C、D 四類：
　　A 類：銹垢形狀密連的小聳峰，棕黃色，機構的外層尖細，硬度大，內層有少量的黑色松質，厚度為 9-12mm，n值約為 0.02 ，占總數的14% ，多為 60 年代前鋪設的老管道。管材質量優于 60 年代以后使用的連續鑄管。這類銹樣的取樣管段多為流速較大的管段，沉積、氧化過程機會少，主要是銹蝕形成。
　　B 類：形狀為連續突起的褐色小山包，外層是硬度大的殼體，殼內充滿黑色軟質，厚度為 10-20mm ，n 值約有 0.025 ，占總數的28% 。其金屬含量中，Cd、Mn、Zn、Cu、TFe、TCr 的指標明顯高于其它銹樣，SO₄^2- 和 Cl^- 離子，含量較高，是銹樣中顏色較深的一類。
　　C 類：形狀為圓突密連的瘤體，外層為黃色殼狀，內為黃色的松質物，厚度為 20-25mm ，n 值約在 0.026-0.030 之間，占總數的54% ，是最普遍的一種，多為 70-80 年代使用的連續鑄管，管材密度較低，是最易腐蝕的一種管材。
　　D 類：形如粉末狀，強度最低，顏色分黑灰和黃色兩種，分層依次堆積，厚度30-35mm，n 值約在 0.030，占總數的4% 。取樣的管段處于市區外圍井水和河水交替供水的管段。銹塊中，Na、Mn、Si 的含量比其它銹樣高出幾倍，是由大量泥沙沉淀形成的較厚結垢。

二、管道內部銹蝕的產生原因

　　水是溶解力強的溶媒，可以說沒有什么物質不溶于水。金屬被水溶解，對金屬而言，呈現出所謂的腐蝕現象。供水管道系統內的管材，主要是鐵管，鐵管輸送水就會被水溶解，產生腐蝕，其主要理論有：
　　1.氧化理論（Acid.theory）：由于水中的碳酸（H₂CO₃）作用，鐵變成碳酸亞鐵，接著再被水中的氧所氧化，成為氫氧化鐵。
　　2. 過氧化理論（Peroxide.theory）：鐵首先和水化合成氫氧化亞鐵，這時產生的氫氣和水中的氧化合生成 H₂O₂ 之后，氫氧化亞鐵和 H₂O₂ 化合生成氫氧化鐵。
　　Fe+2H₂O → Fe（OH）₂ +H₂^↑
　　H2+O₂ → H₂O₂
　　2Fe（OH）₂ + H₂O₂ → 2Fe（OH）₃（銹）
　　3. 電化學理論（ Electrochemical . theory ）：腐蝕是由電化學反應而引起的，首先生成的是氫氧化亞鐵，在堿性水中，與氧化合生成氫氧化鐵，形成膜而停留在金屬表面。在酸性水時，先與水中碳酸形成的 CO₂ 化合成重碳酸亞鐵 [Fe（HCO3）₂] 后再與水中氧化合成的氫氧化鐵，以浮游形成從水中析出沉淀。
　　此外，在腐蝕中，還有一些能用微電池——濃差電池或氧差電池機理說明的腐蝕。
　　當水在管道里與鐵接觸，通過各種途徑開始腐蝕，在氧化皮的縫隙或管內凹凸不平的粗糙面上，形成許多微小的腐蝕電池 , 開始腐化，產生沿著水流方向的膜或殼。如果這種電化學或微電池作用代表全部腐蝕過程的話，我們應該看到的是一個空泡，但實際上，我們發現的這些空泡，經過一段時期后，變成了大小不均的瘤狀結垢，硬殼內充滿了氧化亞鐵和硫化鐵等物質。這是因為，當金屬表面由于氧化形成二價氫氧化鐵與中性水接觸形成的三價鐵（膜或空殼）并不是永遠貼附在管壁上，保持靜止。只要水中不斷有 O₂ 溶入，就可能通過破裂的膜向內一層層運動，把部分亞鐵離子氧化成鐵離子，經過一段時間，這些氧化鐵濃度超過一定的比例，磁性氧化鐵或其它亞鐵化合物就會不斷地析出，并產生酸性物質，后者繼續與金屬作用，在產生新地亞鐵鹽，不斷循環。在水處理過程中，投加 FeSO₄ 和 Cl₂ 也參加反應，同時析出大量的 SO₄ ^2- 和 Cl^- 使得銹蝕內的亞鐵鹽幾硫化鐵增加并氧化。
　　在不斷氧化循環腐蝕的同時，銹殼內的各種鹽類不斷積累，促使鐵細菌依靠鹽類的氧化而不斷繁殖，尤其是靠近管壁，氧的含量比外界較貧乏，更加有利于鐵細菌的生存。鐵細菌在生存過程中吸收亞鐵鹽，排除的氫氧化鐵產生大量沉淀，細菌周圍就會有大量的粘泥，使殼體充滿并不斷增大，引起管道的嚴重堵塞。這種堵塞是沿管壁四周均勻逐漸生長的，并可形成管道內壁的垢下腐蝕現象。所以，水中氧是電腐蝕的開始，而硫酸鹽類還原細菌是腐蝕結垢的原因，鐵細菌則是大面積腐蝕管道的另一原因。
　　在調查的 76 個銹樣中，我們還發現，在供水條件相同的區域中，不同質量的鑄鐵管，銹蝕的程度也大不相同，一些 70-80 年代鋪設的管道銹蝕程度大于60 年代前，尤其是解放前的老管道。為此，我們對其中的 8 個銹樣做了金屬含量與金相化驗。結果表明，金屬含量均符合國家標準，但從金相報告中反應出8 個管材試樣的組織結構有差別，主要是石墨的形狀不同，大小不適中，造成管道的密度不同。
　　灰鑄鐵是由金屬基體和片狀石墨組成。而石墨的形狀和分布，主要受化學成分的含量與制造時冷卻速度的影響。如果石墨片較薄，大小不適中，會直接影響金屬基體的連續性，而影響鑄鐵的機械性能和防腐蝕性能。 8 個試樣中，均勻厚片狀石墨的鑄鐵管，腐蝕程度較輕，而菊花狀和樹枝狀的薄片型石墨管材，其機械性能比較差，腐蝕程度較嚴重。
　　在給水管道內部產生銹蝕結垢的因素中還有一個方面，就是管道內水的流速對銹垢產生的影響。在調查的 76 個銹樣中，由于管徑的不同，生銹量也有顯著的不同。這是因為銹蝕的產生與水的流速大小有關。當水是酸性時，其腐蝕為氫型的腐蝕。這時，由于受氫過電壓所支配，所以不受流速大小的影響。當水質近于中性狀態時（相同于自來水），因其腐蝕是奪取水中的氧，生成氫氧化鐵地氧型腐蝕。所以，供給氧氣是否適量與銹蝕的情況有很大關系。

　　在鐵與水相接觸的表面上，有一層附著在其上的不流動的薄水層，流速增大，則水層變得更薄，通過該水層水流中的氧的擴散，補給就容易，因而促進銹蝕。但是在一定范圍內，流速再加大，氧供給量繼續增加，則鐵的表面由于氧氣過剩而趨于鈍態化，反而使腐蝕減小。流速再加大，由于紊流將發生氣蝕，因機械作用，使金屬表面受耗損并產生空隙腐蝕。小口徑管道由于流速處于較小范圍，所以銹蝕多。同樣厚的銹垢，管道口徑愈小，則通水量減少得愈多。相反，大口徑管道，流速偏大，銹蝕也因趨于鈍態而減少。

三、管道內部銹蝕的危害

　　給水管道內部銹蝕結垢后，會降低管道的輸水能力，污染供水水質，破壞管道的機械強度，危害無窮。
　　1.供水能力下降，供水電耗增加
　　管道的“環狀銹垢”產生，縮小了有效直徑，增加輸水阻力，使管道運行的水頭損失增大，造成用水戶水量和水壓的嚴重不足。在取樣的管道上，我們做了部分管段的摩阻值測定：“Mannings”n 值一般在 0.022-0.030 ，最高的一處 DN200 管 n 值達到 0.0382 ，由此，可以看出銹蝕結垢對供水管道的影響之大。
　　由于銹垢使管道的摩阻大幅增高，在保證正常供水，滿足生產，生活需要的條件下，水廠送水的水泵揚程就要提高，供水電耗也隨之增大，造成供水企業的經濟效益損失極大。
　　2.污染供水水質
　　天津市供水的出廠水質交好，特別水濁度一項出廠時僅為 0.5-1 度，但這樣低濁度的供水在通過管道的輸送后，由于管道內壁的銹蝕結垢中部分 Fe（OH）₃可浮游于水中，銹垢塊中有2%-3%可溶于水中（理化鑒定結果），使水質受到二次污染，出現“紅水”現象。特別是當管道內流速、流向發生變化時，就會有大量的“紅水”甚至“黑水”出現，造成供水水質事故。
　　3.管道的強度降低
　　從銹蝕結垢管材截面的金相片可以看到，鑄鐵管壁受到腐蝕的金屬有1/5 - 1/4變成了黑色，黑色部分的大小與附著在管壁上的銹瘤部分相對應，而黑色部分則是鑄鐵組成中鐵的一部分變成銹而溶出，剩余的大量是石墨。這一變黑的石墨層，就失去了鑄鐵原有的性能和強度。石墨化的黑色部分甚至可用小刀削落。在管道供水運行中，受到水壓沖擊或外部荷載時，極易出現爆管、折管等漏水事故。

四、管道銹蝕結垢的防與治

　　認識到管道銹蝕結垢的危害性之大，我們就要對它進行預防和根治，以減小其危害。預防主要從量個方面著手：一方面調改水處理的藥劑，使用聚合類混凝劑，調整水的pH值，投加防腐劑；另一方面，新的管道工程在選擇管材時，要選擇材質好、有可靠的防腐內襯的管材，如帶水泥漿襯里的球墨鑄鐵管或UPVC、PE等管材。
　　對于管道銹垢的治理，可有計劃地更換管道，或對舊有管道進行刮管涂襯，刮管涂襯可根據不同地銹蝕結垢情況，采用不同的方法，有高壓水沖洗法、清洗法、機械刮管等多種方法。涂襯地種類可根據管徑的大小、長短等條件，采用噴涂水泥砂漿、環氧樹脂、穿套軟管等辦法。這些，都可以有效地治理管道銹蝕結垢的問題。