二次供水常用给水管材端口耐腐蚀性能研究

慧聪水工业网 2024-01-16 10:46 来源: 给水排水

导读:二次供水系统存在管道端口腐蚀的问题,有造成供水水质恶化进而对用户健康构成威胁的风险。探讨了钢塑复合管和304薄壁不锈钢管在氯离子和pH为腐蚀介质时采用不同连接方式时对于端口耐腐蚀性能的影响。研究结果阐述了管道连接方式的不同对于端口耐腐蚀性能的影响,有利于帮助二次供水系统在不同水质条件下的管材及连接方式选取。

引用本文:贺驰骋,林涛,孟宪虎,等. 二次供水常用给水管材端口耐腐蚀性能研究[J]. 给水排水,2023,49(11):120-127.

本文以304薄壁不锈钢管和钢塑复合管及其常用的端口连接方式为研究对象,分析端口耐腐蚀性能随运行时间的变化趋势,探究不同连接方式之间耐腐蚀性能差异,寻求饮用水水质条件下最适合的二次供水管材及其端口连接方式。

1 材料与方法

1.1 试验管材与腐蚀介质

试验管材选取钢塑复合管和304薄壁不锈钢管(省质检中心供)。腐蚀介质种类及浓度选取参考《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2022),利用NaCl配制浓度为50 mg/L、200 mg/L的NaC1水溶液作为腐蚀介质;利用HCl和NaOH将纯水分别调节pH值至6.0、9.0作为腐蚀介质。

1.2 试验装置

试验采用的管段式反应器如图1a所示。由两段管径DN100、长度200 mm的管段采用不同的连接方式(钢塑复合管选用丝扣/沟槽连接;304薄壁不锈钢选用卡压/双卡压/沟槽连接)组装而成。使用前先用纯水冲洗,再用无水乙醇清洗后干燥备用。试验前将管段放置在紫外灯下照射灭菌30 min以减少微生物影响,然后将模拟配制的腐蚀溶液加入管段式反应器中,通过磁力搅拌器控制转速为800 r/min,运行过程中保持反应器密封避光,运行周期60 d。

电化学测试装置如图1b所示。电化学工作站采用上海辰华CHI660e;电解液为0.1 mol/L KCl溶液;参比电极为饱和甘汞电极、对电极为石墨棒、工作电极为管段连接处。测试时使用亚克力板和密封胶泥将连接处下端密封,然后加入电解液将整个连接处浸没,工作电极夹在管壁上,参比电极和对电极浸没在电解液中。极化曲线扫描频率取10 mV/s,扫描区间为自腐蚀电位±0.1 V。

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图1 试验装置示意

中试装置示意图如图2所示。试验管段由管径为DN100的304薄壁不锈钢管采用6个沟槽连接拼接组成;试验循环管路采用储水箱便于控制运行中进水水量稳定,每循环运行48小时后及时排空储水箱补充新鲜水;调节水泵控制管路内流速为1.0 m/s,以流量计监测循环管路水流流速;装置运行周期为9个月。

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图2 中试装置示意

1.3 试验取样和检测

试验周期内每5d对试验管段进行拍照观察;每10d通过移液枪取10 mL水样于15 mL离心管中,使用美国Thermo公司生产的iCAP RQ电感耦合等离子体质谱仪进行总铁浓度测量,所有的样品都进行两次重复的测量;极化曲线测试同样10d进行一次,方法与仪器见1.2,测试的数据导入Origin 2018软件中进行拟合;中试装置每30d从水样取样口进行总铁浓度测定,测试方法同上。

1.4 质量控制与保障

60d试验周期内实验室温度保持在19~20℃;管段内溶解氧浓度通过每日开盖运行及定期电化学测试时的搅拌进行维持,经过不定期(5d、10d、25d、50d)使用美国HACH公司生产的HQ30D便携式溶解氧仪进行检测,基本维持在初始时的7.9 mg/L附近;pH值每5d使用上海雷磁PHS-3C型pH计进行测量并进行调节;管内水体体积在2.0L左右,试验取样及测试对于体积的影响忽略不计。中试装置设在南京市江宁区,市政管网水质指标良好。

2 结果与讨论

2.1 腐蚀现象

2.1.1 钢塑复合管腐蚀现象

60d试验结束后,通过图片可以明显观察到钢塑复合管沟槽连接在四种腐蚀介质下均呈现出较为严重的腐蚀情况,其中Cl-=200 mg/L和pH=9条件下尤为严重:可以看到管内水体明显浑浊,呈褐色,管段连接处可见明显的腐蚀产物附着,推测这与沟槽连接处碳钢直接暴露在腐蚀介质中进而发生均匀腐蚀有关;Cl-=50 mg/L和pH=6条件下腐蚀情况相对较轻,但还是能较为明显观察到腐蚀产物的堆积,同时管内水体略呈黄褐色。相较而言,丝扣连接只在Cl-=200 mg/L条件下出现了管内水体发黄,连接处出现腐蚀产物附着的现象,其余条件下管内水体无色,管段连接处无腐蚀产物附着,未出现明显的腐蚀现象。

因此,根据照片呈现形貌分析,可以推测钢塑复合管在丝扣连接下的耐腐蚀性能优异于沟槽连接。原因可能与沟槽连接钢塑复合管的钢管基层直接暴露在腐蚀介质中(图3b),而丝扣连接依然有聚乙烯层覆盖(图3a)有关。同时,试验所呈现的结果也侧面展现了氯离子是影响管道腐蚀的关键因素。

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图3 60 d周期后各腐蚀介质条件及连接方式下管段内部腐蚀情况

2.1.2 304薄壁不锈钢管腐蚀现象

60d周期结束后,三种连接方式下的304薄壁不锈钢管段内部情况如图4所示。观察可得薄壁不锈钢管经过60d的试验后,卡压、双卡压和沟槽三种连接方式之间没有像钢塑复合管那样出现明显的腐蚀差异,均未出现较严重的腐蚀现象,这体现了304薄壁不锈钢管良好的耐腐蚀性能。通过对照片的进一步分析,观察到在腐蚀介质为氯离子时,卡压连接端口处均出现了不同程度的腐蚀现象,200 mg/L条件下端口连接处一圈均有明显的腐蚀产物堆积、水体颜色略微发黄,50 mg/L条件下端口处略有腐蚀产物附着;双卡压连接端口处未出现明显腐蚀现象,管内水体未变色;沟槽连接在200 mg/L条件下端口处出现了少量腐蚀产物的附着,但管内水体未变色。在pH为腐蚀介质时,卡压连接在pH=9条件下端口处出现了腐蚀产物的堆积,pH=6条件下端口处非常光滑,没有腐蚀产物附着痕迹;双卡压连接和沟槽连接端口处不锈钢色泽明亮,未见腐蚀现象。

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图4 60 d周期后各腐蚀介质条件及连接方式下管段内部腐蚀情况

综合照片及SEM分析,304薄壁不锈钢卡压连接相较于双卡压连接和沟槽连接,耐腐蚀性能较差,尤其是在氯离子作为腐蚀介质的条件下;双卡压连接和沟槽连接耐腐蚀性能较好,但两者之间的耐腐蚀性能差异还有待进一步分析。

2.2 极化曲线对比

2.2.1 氯离子

因为钢塑复合管内衬塑料层不导电,在本次试验装置下无法进行电化学测试,故仅对304薄壁不锈钢管进行极化曲线的测量分析。但为了控制试验变量,钢塑复合管同样会进行1.2所述的电化学测试准备工作。

304薄壁不锈钢三种连接方式在氯离子条件下60d周期内测得腐蚀速率变化如图5所示。其中双卡压连接最稳定,其次为沟槽连接,卡压连接则波动较为频繁且数值较高,说明了卡压连接端口表面钝化膜在周期内不稳定。Cl-=200 mg/L条件下三种连接方式腐蚀速率均值分别为0.009 mm/a、0.005 mm/a和0.007 mm/a,对比可得卡压连接的腐蚀速率均值最大,同时卡压连接有着周期内最高的腐蚀速率0.01 mm/a。Cl-=50 mg/L条件下腐蚀速率均值分别为0.008 mm/a、0.004 mm/a和0.006 mm/a,卡压连接同样有着最高的腐蚀速率,说明卡压连接理论上有着更高的腐蚀倾向,这与表观形貌所得的结论相呼应。

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 图5 三种连接方式在氯离子条件下60 d腐蚀速率变化

综上所述,卡压连接在氯离子为腐蚀介质条件下耐腐蚀性能较差,其次是沟槽连接,耐腐蚀性能最好的是双卡压连接。

2.2.2 pH

薄壁不锈钢三种连接方式在pH条件下60d周期内测得的腐蚀速率变化如图6所示。pH=6条件下三种连接方式腐蚀速率均值分别为0.005 mm/a、0.004 mm/a和0.007 mm/a,对比可得沟槽连接的腐蚀速率均值最大,但沟槽连接60d周期内腐蚀速率变化幅度小且40d后还有降低的趋势,卡压连接的腐蚀速率在实验周期内不断增加,在50d左右超过沟槽连接,最后达到0.008 mm/a。pH=9条件下三种连接方式腐蚀速率均值分别为0.005 mm/a、0.005 mm/a和0.006 mm/a,三者的腐蚀速率数值比较接近。

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 图6 三种连接方式在pH条件下60 d极化曲线及腐蚀速率变化

综上所述,在pH=6条件下,卡压连接耐腐蚀性能较差,且长远来看有较高的腐蚀倾向;其次是沟槽连接,虽然稳定但腐蚀速率数值较高,从电化学角度看还是有着较高的腐蚀倾向;双卡压连接耐腐蚀性能较好。pH=9条件下三种连接方式耐腐蚀性能则较为接近,同时可以发现pH较高时腐蚀速率并没有下降,在双卡压连接中甚至升高,这与通常认为的pH对于铁腐蚀影响的观点相悖。结合先前的研究,可能的原因与电化学测试时使用的高浓度氯化物电解液有关,多次测试端口处残留的高浓度氯离子在pH=9条件下对端口表面的钝化膜产生了较大的破坏,进而影响了腐蚀速率的变化。

2.3 总铁变化趋势

2.3.1 钢塑复合管

钢塑复合管丝扣和沟槽两种连接方式耐腐蚀性能的差异在之前宏观分析中已经有了一个大致的判断,但是还需要通过总铁变化进行定量分析,试验周期总铁浓度变化曲线如图7所示。通过图7a可以发现,总铁浓度增长速度最快的两条曲线分别是沟槽连接Cl-=200 mg/L和pH=9,这两种腐蚀介质条件下60d总铁浓度分别达到985.40 μg/L和1127.47 μg/L,是其余条件下管段浓度的数倍至数十倍,且总铁浓度增长的斜率还在不断增加,这表明在较高浓度氯离子和较高pH值的腐蚀环境中钢塑沟槽连接端口耐腐蚀性能差,其中pH=9条件下出现较为严重腐蚀情况的原因应该与2.2.2中一致,鉴于其较高的总铁浓度,有待于更进一步的研究。因为这两种条件管段总铁浓度过高,所以在图7b中将其去掉以更好的分析其余条件下的总铁浓度变化趋势。分析可得去除之后沟槽连接pH=6条件下总铁浓度最高,达到267.87 μg/L,接下来依次为沟槽连接Cl-=50 mg/L、丝扣连接Cl-=200 mg/L、Cl-=50 mg/L、pH=6和pH=9,60d总铁浓度分别为122.07 μg/L、121.53 μg/L、34.36 μg/L、9.42 μg/L和3.34 μg/L。不过沟槽连接在低浓度氯离子条件下后期总铁浓度增长放缓,丝扣连接在较高浓度的氯离子条件下曲线斜率则在不断增加,结合沟槽连接Cl-=200 mg/L条件的曲线斜率这说明了较高浓度的氯离子对于钢塑复合管两种连接方式均有一定的腐蚀作用。pH值对于丝扣连接则几乎无腐蚀作用,这说明丝扣连接端口包裹的聚乙烯层对于pH值的耐腐蚀性很高。

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 图7 钢塑复合管60 d总铁浓度变化曲线

综上所述,沟槽连接在四种腐蚀介质条件下的总铁浓度均高于丝扣连接,尤其是丝扣连接在pH条件下几乎没有发生腐蚀,这也与表观形貌中观察到的腐蚀现象一致,说明钢塑复合管丝扣连接比沟槽连接的耐腐蚀性能好,这可能与前文提及的沟槽连接处钢管基层直接暴露在溶液中有关。因其潜在的高腐蚀风险,在二次供水系统选材过程中必须引起重视。

2.3.2 304薄壁不锈钢

304薄壁不锈钢三种连接方式60d总铁浓度变化曲线如图8所示,左侧图8a腐蚀介质为氯离子,右侧图8b腐蚀介质为pH值。首先从整体角度分析,三种连接方式试验周期内均未出现较高的总铁浓度(均低于100 μg/L),相较于钢塑复合管有着更加优异的耐腐蚀性能。进一步分析,在氯离子两种浓度条件下卡压连接60d结束总铁浓度均为最高,Cl-=200 mg/L条件下为92.07 μg/L、Cl-=50 mg/L条件下为68.44 μg/L,说明卡压连接相较于其余两种连接方式,耐腐蚀性能受氯离子的影响大;双卡压连接和沟槽连接在Cl-=200 mg/L条件下均出现了一定程度腐蚀且两者总铁浓度比较接近,分别为47.60 μg/L和49.15 μg/L;但在Cl-=50 mg/L条件下浓度仅有1.42 μg/L和5.79 μg/L,基本未腐蚀,说明两种连接方式对于低浓度下的氯离子有良好的耐受性。在两种pH值条件下卡压连接总铁浓度相较于其余两种连接方式依然较高但低于氯离子条件下的总铁浓度,pH=6为39.02 μg/L、pH=9为48.01 μg/L;双卡压连接和沟槽连接在pH=6和pH=9条件下的60d总铁浓度分别为5.26 μg/L、12.94 μg/L、3.45 μg/L和7.53 μg/L,除沟槽连接pH=6条件,其余连接方式和腐蚀介质条件下总铁浓度均不超过10 μg/L,说明少量的H+和OH-对于不锈钢钝化膜的影响较小。

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图8 薄壁不锈钢管60 d总铁浓度变化曲线

综上所述,卡压连接在四种腐蚀介质条件下60d总铁浓度均为最高且增长迅速,说明卡压连接的耐腐蚀性能较差,随着时间的推移腐蚀反应的进行也未得到有效缓解,这与极化曲线中腐蚀速率的变化趋势类似,说明卡压连接端口的密封性存在一些问题,有待进一步探究;双卡压连接和沟槽连接60d总铁浓度较为接近,沟槽连接60d总铁浓度略微高于双卡压连接,并且在供水水质pH值偏低时耐腐蚀性能较双卡压连接略差,在实际工程运用中可以适当加以考虑,但整体来看两种连接方式耐腐蚀性能较好。

2.4 中试装置总铁浓度变化

中试装置出水总铁浓度变化曲线如图9所示,其中市政管网进水总铁浓度为7.30 μg/L;腐蚀因素方面,Cl-=19.2 mg/L、pH=7.78。从整体趋势来看,薄壁不锈钢沟槽连接保持了小试试验中优良的耐腐蚀性能,在为期9个月的中试试验期间出水总铁浓度基本未发生变化。在9个月试验后出水总铁浓度为12.20 μg/L,对比1月出水总铁浓度7.50 μg/L只提高了不到5 μg/L。同时,可以观察到出水总铁浓度在试验初期(1~3月)有一定波动,在4~7月逐渐上升,至8~9月达到稳定状态,结合前文,这可能与管道端口处钝化膜的变化有关,但考虑到总铁浓度具体数值的变化幅度,钝化膜的变动基本未影响沟槽连接端口的耐腐蚀性能,并且随着其达到稳定状态,薄壁不锈钢沟槽连接的出水总铁浓度还有下降的趋势。

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图9 中试装置总铁浓度变化曲线

3 结 论

(1) 钢塑复合管丝扣连接耐腐蚀性能优异于沟槽连接,在试验条件下沟槽连接的总铁浓度高于丝扣连接数倍至数十倍,尤其在饮用水中含有高浓度氯离子及较高pH值地区的二次供水系统中钢塑复合管应尽量避免选用沟槽连接。

(2) 304薄壁不锈钢管三种连接方式中卡压连接的耐腐蚀性能较差,在Cl-=200 mg/L条件下腐蚀速率均值达到最大的0.009 mm/a,60d总铁浓度也要高出另外两种连接方式90%以上,其余条件下也都有着最高的60d总铁浓度;双卡压连接和沟槽连接耐腐蚀性能较好且相近,但沟槽连接在pH=6时腐蚀速率均值较高达到0.007 mm/a,在低pH值水中有一定的腐蚀倾向。

(3) 在常规自来水水质下,304薄壁不锈钢管沟槽连接在9个月中试装置运行中保持了优良的耐腐蚀性能,9个月后出水总铁浓度相较于进水仅增加不到5 μg/L。综合小试结果,在实际工程中能有效避免管道端口腐蚀。

(4) 综合来看304薄壁不锈钢端口的耐腐蚀性能还是优于钢塑复合管,应当优先推广使用。但考虑到不锈钢管高昂的造价,在一些饮用水水质中氯离子浓度较低的地区,二次供水系统可以对钢塑复合管丝扣连接的使用加以考虑。

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