供水管道內腐蝕鑒定技術與模擬方法研究進展

胡 玲

(上海城投水務<集團>有限公司供水分公司,上海 200002)

供水系統是城市的生命線[1],其健康運行才能滿足我國城市高質量發展和人民美好生活的需求[2]。截至2021年,據國家統計局報道,我國的年供水總量已達673.34億m3,供水管道長度達1 059 901.18 km,供水管道如何高效地維護已成為供水行業關注的焦點。管道運行中出現的內腐蝕現象極易造成漏損和爆裂問題,管道內腐蝕不僅影響管道的水流輸送,還會導致水質劣化[3]。目前,本領域的相關文獻尚無對管道內腐蝕鑒定手段及模擬方法的系統歸納,因此,本文對供水管道的內腐蝕機理和相應的內腐蝕鑒定手段進行綜述闡述,并歸納總結了現行研究中所采用的模擬方法,以便于行業相關技術工作者更加全面地了解供水管道內腐蝕。

1 供水管道內腐蝕成因與過程

供水管道在其特定工作環境中由于內外因素(主要是管材自身和城市飲用水物理和生化特點),會累積物理損傷、化學內腐蝕和生物內腐蝕[4],并進一步導致所輸送水流的水質指標劣化。我國現有金屬供水管材主要包括灰口鑄鐵管、球墨鑄鐵管、鋼管、不銹鋼管等,非金屬管材主要是硬質聚氯乙烯(UPVC)、聚乙烯(PE)管等。金屬管道大多采用硅酸鹽水泥砂漿作為內襯,當內襯失效后,基管也將進一步發生內腐蝕,我國供水管道中常見的管材與內腐蝕特點總結如表1所示[3-8]。

表1 我國供水管道常見管材與內腐蝕特點

1.1 物理損傷

由于管道自身機械性能和力學性能(例如抗剪性能、抗壓性能、抗彎性能、抗沖擊性能、強度和硬度等)以及被輸送流體的水力狀態(例如流速、流態等)的特點,供水管道中會出現物理損傷[9-10],管道的物理損傷與老化內腐蝕之間聯系密切[11]。施加在管道上的各類荷載可能導致機械性損傷,包括管道內部所承受的水壓力、水重力,以及外部的覆土荷載、交通荷載、地震荷載和冷凍荷載等[10,12-13],損傷嚴重時甚至導致爆管和泄漏問題[14]。最為顯著的是在管道輸送水時,水的流動引起的剪切力將剝蝕金屬管道內表面[15],而水流的沖刷不僅會造成機械性損傷,還將強化溶解氧和無機陰離子向管壁的傳質過程[16-17],從而加劇化學內腐蝕和生物內腐蝕。

1.2 化學內腐蝕

UPVC管的內腐蝕遵循高分子材料的老化內腐蝕規律,主要表現為在輸送含氯水時管道內表面殘留的低分子量有機物釋放[5,33],以及表面分子被氯氧化[34],UPVC的有機物釋放量和釋放速率比未增塑UPVC管和無規共聚聚丙烯(PPR)管都要高[35]。在較高溫度環境下UPVC管老化還將加速[36],較低溫度下UPVC管也易發生較大伸縮形變并導致漏損[37]。

1.3 生物內腐蝕

2 供水管道內腐蝕鑒定手段

供水管道產生的內腐蝕導致其結構受損,影響管道的正常使用壽命,因此,需要進行內腐蝕鑒定,從而制定相應的沖洗、修復或更換等處理工作。本文將內腐蝕鑒定方法分為直接和間接兩種,直接鑒定是依據內腐蝕的現狀形態進行,間接鑒定則是依據內腐蝕導致的運行影響來進行。

2.1 直接鑒定法

直接鑒定法關注管道內腐蝕后的相應形貌改變,以此鑒定內腐蝕的發生與否和程度大小,包括內腐蝕部位的宏觀形態與微觀檢測,需使用專門儀器設備進行檢測。直接鑒定法的應用場景主要是診斷管道內腐蝕程度,在漏損控制與管道更換過程中提供管內信息,從而采取相應技術手段。

2.1.1 內腐蝕部位宏觀形態外觀

供水管道內腐蝕部位的宏觀外觀會發生顯著變化,化學內腐蝕引起的凸起管瘤和表面附著的管垢(包括管道內腐蝕產物、微生物生物膜和水流沉積物復合物)與正常內壁的形態外觀都具有差異,內腐蝕后的管道在宏觀形態外觀上易于辨認。凸起的管瘤內、外部特征不同,外部一般平滑而致密,內部則呈現疏松多孔結構[32,50]。嚴重內腐蝕的管道甚至由于結構不完整發生漏損,根據這些宏觀外觀形態鑒定內腐蝕可以通過光學檢測技術、電磁波檢測技術、聲學探聽技術和超聲波檢測技術進行鑒定。視覺檢測技術中閉路電視(closed-circuit television,CCTV)是常見的技術方法,可沿管道捕獲圖像和視頻[51-52],電磁檢測技術中探地雷達(ground penetrating radar,GPR)較為常用[53],聲學探聽技術和超聲波檢測技術近年來也較多地被應用[54],依據宏觀形態外觀的鑒定技術歸納如表2所示[53,55-56]。

表2 管道內腐蝕鑒定技術

2.1.2 內腐蝕部位微觀物理化學屬性

基于供水管道金屬內腐蝕產物微觀的化學屬性,可以對微觀形貌和化學成分與晶體結構進行內腐蝕鑒定。常用的微觀形貌分析技術有掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM),常用的化學成分與晶體結構分析技術有X射線能譜分析(X-ray energy dispersive spectrometer,EDS)、X射線熒光光譜(X-ray fluorescence spectroscopy,XRF)、X射線電子能譜(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)、X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)等。SEM可以對管道表面微觀形態進行觀測[31,50,57-59],EDS可以對內腐蝕管垢元素組成進行分析[31,50,57,59],XRF可以對內腐蝕產物進行元素組成分析[50,58-59],XPS可對內腐蝕表面的化合物元素組成、原子排列以及電子狀態等進行分析[50],XRD可對內腐蝕產物化合物晶體組成進行分析[31,50,57-59]。

2.2 間接鑒定法

間接鑒定法關注內壁腐蝕后對水質和水力參數的影響,從水力水質的變化量來鑒定管道是否發生了內腐蝕以及內腐蝕程度的大小。由于供水管道的水力停留時間可達2～3 d甚至更長時間,對于被輸送水流,管道不僅是輸送通道,同時也是巨大的反應器[8]。對于已經內腐蝕的管道,水力狀態穩定的條件下,管壁內腐蝕部位與水流之間存在穩定的物質交換,特別是在水力狀態發生急劇變化之后,例如水源切換、水力條件突變時,會出現更為顯著的水質變化[60]。

2.2.1 管道流體輸送能力降低

當供水管道內腐蝕不斷累積時,管道內壁內腐蝕部位的增厚往往增加水流通過的摩擦阻力,供水管道的水頭損失增加,流體輸送能力降低,可以從水廠泵的運行條件、用戶能夠使用的水頭間接鑒定管道內腐蝕的發生與程度。陳躍等[61]報道,隨著管道使用年限增加,管道的糙度增加,海曾-威廉系數C值將下降30%以上,極大地增加了水頭損失。

2.2.2 管道金屬元素釋放與水質化學指標改變

對于金屬供水管道,管道內腐蝕引起的重金屬元素釋放現象十分顯著,鐵基材料基管的內腐蝕將引起鐵溶出進入水中[4,62],同時還存在錳、鎳、銅、鉛、鉻等重金屬進入的風險[3,63]。非金屬材料中,UPVC管道對水質化學指標的改變是釋放有機物引起的總有機碳增加和消毒副產物增加[35,46]。管道內腐蝕后的氯衰減速率增加的問題同樣值得關注,由于管道發生內腐蝕后,與氯反應的物質增加,內腐蝕產物和生物膜都將加劇氯衰減,管壁對氯的消耗比主體水流的消耗快1～2個數量級[64-66]。

2.2.3 水質生物風險增加

管道內腐蝕后生物膜的生長和脫落將使水質生物風險增加,水中菌落數首先增加[67]。一般情況下,生物膜中的微生物不具備致病性,但大量的生物膜給病原微生物和機會致病菌等有害生物提供了附著和生長的機會[68]。其中有害生物的增加,以及病原微生物和機會致病菌在水中的擴散,使得能夠引發腸道感染的腸道沙門氏菌和霍亂弧菌等糞源致病菌,以及引發肺部感染的銅綠假單胞菌和軍團菌都有概率進入水中威脅用水安全[46]。管道生物膜的存在也將增加微生物產生的氯耗,從而增加消毒副產物的生成危害[68]。

2.2.4 飲用水感官指標變化

當管道內腐蝕后,飲用水中鐵、錳等物質含量增加,渾濁度、色度升高,甚至將出現“黃水”“紅水”現象[9,61],相關研究[69]發現渾濁度與總鐵含量呈正相關。同時,由于內腐蝕產物的進入和化學指標的改變,尤其是總有機碳、揮發性有機物等指標的增加,使得飲用水的味感指標受影響[70-71]。

3 供水管道內腐蝕模擬方法

為了探究和明晰供水管道內腐蝕的規律,需要借助相應的模擬方法對管道內腐蝕進行模擬,目前研究中常見的模擬方法包括實物模擬、機理等效模擬和計算模擬等模擬方法類別。常見的模擬方法的特點歸納如表3所示。

表3 管道內腐蝕模擬方法歸納

3.1 實物模擬

小比例管道模型多應用于中試系統,能夠較好還原管網系統的真實運行情況,一般采用較小管徑的管道組成模擬系統,并通過泵進行單向流或循環流供水,采取完整管道的內腐蝕樣本。林明利等[60]研究水源切換背景下的水質變化時,采用中試系統的受試管網進行模擬,并保證在水力條件與實際管網相接近的條件下運行,根據儲備水量的多少控制單向流或循環流。周昭彥等[72-73]在中試管道模型中接種了軍團菌和阿米巴原蟲生物膜探究消毒方法對其滅活的效果。Zhang等[74]使用循環水管道生物反應器驗證了生物膜的脫離增加了水體微生物的抗生素耐藥性。實物模擬方法能夠較真實模擬管道運行,但對裝置搭建的空間有較大要求,占地面積一般在100～1 000 m2數量級,當采取單向流供水時需水量較大,供水量一般在0.1～10 L/s數量級。

3.2 機理等效模擬

(2)化學反應條件等效模擬。在燒杯試驗中,研究者能夠通過建立管道材料與環境中水質成分之間的化學反應條件,可以考察不同水質參數,如溶解氧、氧化還原電位、金屬離子濃度、無機非金屬離子濃度、pH等來模擬內腐蝕過程。張海亞等[78]通過燒杯試驗探明了球墨鑄鐵管和304不銹鋼管偶接時的電偶內腐蝕行為,揭示了球墨鑄鐵管由于較低點位作為陽極,內腐蝕加劇,球墨鑄鐵陽極的電偶電流密度最大可達到內腐蝕電流密度的8倍左右。羅冬浦等[79]通過燒杯浸泡試驗比較了不銹鋼管、UPVC在臭氧下的耐內腐蝕性能。

機理等效模擬的方法占地比實物模擬更小,運行相對簡便,易于實驗室條件下開展,占地面積一般在0.1～10 m2數量級,供水量一般在0.1 L/s數量級。水力條件等效模擬能夠較為準確地得到模擬水力狀態下的微生物相關規律,而化學反應條件則能夠得到相應化學規律。機理等效模擬不能完全重現管道內的水力狀態和應力狀態,是在一定條件下的近似,因此,適用于對研究關注內容有所側重的模擬試驗。機理等效模擬所得到的規律能夠用于探究特定水力條件或化學反應條件對腐蝕行為的影響機制,深化對管道內腐蝕的生物化學過程的理解,能夠對管道內腐蝕抑制與抗腐蝕新技術的研發起到一定指導性作用。

3.3 計算模擬

(1)水質動態變化模擬。水質動態變化模擬主要考察管道內物質遷移與轉化,其中所涉及的生物化學過程與管道內腐蝕密切相關。孫傅等[80]基于EPANET-MSX模擬了給水管網中微生物生長、微生物衰減以及水質參數的動態變化特征。陳國強等[81]研究了軸擴散效應對管道水流中微生物量模擬的影響,得出流速小于0.1 m/s的低流速管道中,下游節點的水質受到擴散效應的累積影響,并造成污染物濃度逐漸從水源開始向下游累積,到終端時擴散效應達到最大。

(2)計算流體力學模擬。計算流體力學模擬能夠反映管道的水力狀態,以及內腐蝕的發生對水流的流動狀態影響。周煜杰[82]使用3 D掃描儀建立內腐蝕管段內壁模型,并使用ANSYS軟件的Fluent模塊對流體輸送狀態進行了計算流體力學模擬,證實了凹凸不平的管瘤增加能量損耗并且所受到的壓強較高,以及內腐蝕坑應力集中的現象。翟參[83]使用同樣的計算方法模擬得到發生漏損時管道漏損口形變量大小排序為UPVC>灰口鑄鐵管>不銹鋼管>碳鋼管。

(3)有限元分析模擬。有限元分析模擬能夠模擬管道在內腐蝕環境中的應力和變形情況,并考慮不同內腐蝕情況下管道的結構弱點和疲勞性能。胡群芳等[84]采用有限元分析方法對城市大口徑供水管道的爆管形成機理、物理過程進行了模擬。王麗萍等[85]采用有限元分析方法,探明了對球墨鑄鐵管道在豎向載荷下的接口破損閾值問題。

計算模擬中的水質動態變化模擬可以得到較為準確的水質參數,但是無法關注管材腐蝕本身的特性。計算模擬中的計算流體力學模擬和有限元分析模擬依靠算力資源來得到較為精確的水力學、材料力學參數。這類方法的關注點是與管道腐蝕相關的力學狀態,有助于提升在腐蝕管道鑒定、診斷、維護和施工等方面的見解,其模擬結果一般能夠較為準確地符合實際工程情況。但計算流體力學、有限元分析模擬等計算模擬方法無法關注微生物生長等生物化學過程,在關注生物內腐蝕的情況的同時,還需要輔以生物化學模擬方法、水質動態變化模擬方法等其他手段。

4 結論與展望

(1)供水管道在其特定工作環境中由于管材自身和城市飲用水物理和生化特點,會累積物理損傷、化學內腐蝕和生物內腐蝕。內襯可以延緩基管內腐蝕,但鐵基管材的金屬管道例如球墨鑄鐵管的硅酸鹽水泥砂漿內襯內腐蝕失效后,基管也將進一步發生內腐蝕。UPVC等非金屬管材的內腐蝕遵循高分子材料的老化內腐蝕規律,區別于金屬管道。

(2)供水管道產生的內腐蝕影響管道的正常使用壽命,因此,需要進行內腐蝕鑒定。直接鑒定是依據內腐蝕的現狀形態進行的,包括內腐蝕部位的宏觀外觀形態與微觀化學屬性。宏觀外觀形態上可以通過光學檢測技術、電磁波檢測技術、聲學探聽技術和超聲波檢測技術進行鑒定,微觀化學屬性上可以從微觀形貌和化學成分與晶體結構進行內腐蝕鑒定。間接鑒定是依據內腐蝕的導致的運行影響來進行的,可從管道流體水頭損失的增加、管道金屬元素釋放與水質化學指標改變、水質生物風險增加和飲用水感官指標變化等方面入手鑒定。未來隨著傳感器科學技術的發展,新的探測和表征方法也可以逐步應用到供水管道內腐蝕鑒定中。

(3)對供水管道產生的內腐蝕規律的探究和明晰,需要借助相應的模擬方法對管道內腐蝕進行模擬,包括實物模擬、機理等效模擬和計算模擬等模擬方法類別。實物模擬采取比例大小的管道模型多應用于中試系統,能夠較高還原管網系統的真實運行情況。機理等效模擬既可以使用特制的反應器進行水力條件等效模擬,模擬實際管道中的水流剪切力和停留時間等參數,也可以使用燒杯試驗,考察管道材料與環境中水質成分之間的化學反應條件的關系。新模擬方法的開發應側重或兼顧在管道內腐蝕過程中,管道和水流之間的物理、化學和生物相互作用的呈現。