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金属管道的腐蚀及防腐对策

时间:2018/2/17 9:24:16 访问人数:

1金属管道腐蚀的危害金属及金属管道腐蚀是一个世界性的问题。用于建筑设备配管的金属管道由于直接接触各种易产生腐蚀的介质,其腐蚀问题尤为突出。建筑设备配管的金属管道按材质分主要有钢管(含镀锌钢管)、铸铁管、不锈钢管、铜管、铝管等,按用途分有生活、生产的冷、热给水管、蒸汽及其它气体、污废水排水、凝结水、消防给水管等。因钢管的用量最大、最容易腐蚀,本文将予以重点讨论。

  1.1金属管道腐蚀程度的鉴别方法可用表1来表述(指安装前内外壁检查)。

  1.2金属管道的腐蚀及其使用寿命腐蚀将严重影响金属管道使用寿命。随着时间的推移,金属管道的腐蚀是不可避免的。即使做了表1金属管道腐蚀程度鉴别方法腐蚀程度表面情况颜色去锈工具及方法去锈后表面状况轻锈(浮锈)呈较均匀细粉末黄或淡红用粗布或棕刷轻微损伤氧化膜钢中锈(迹锈)呈粉末状红褐、淡赭硬棕刷、钢丝刷部分氧化膜脱落,表面粗糙或锈眼材重锈(层锈)片状锈层或凸起锈斑暗褐、红黄硬钢丝刷、钢丝刷呈现麻坑水渍受雨、海水侵灰黑、麻布轻者无锈痕,重蚀呈水纹印迹暗红者有印痕水纹印呈平滑水纹状暗印褐色麻布留平滑印痕铜材迹锈呈不平(或平)水纹黑、浅绿粗麻布、棕刷稍呈粗糙绿锈凸起成斑点或层状深绿硬棕刷呈麻坑锌白浮锈呈细粉末白用布留有平滑暗灰色锈印铝材白迹锈有斑点或水纹白用布稍呈粗糙白重锈凸起白麻布呈现小坑防腐涂层,其涂层也会逐渐老化而丧失其防腐蚀性能。金属管道的腐蚀有多方面因素,主要原因可用表2来表述。

  表2金属管道腐蚀的主要原因主要原因相关因素材料的性能管道、管件的材质设计选用标准配管方法和防腐措施施工及验收标准施工方法和质量监督验收维护及检修标准运行维修管理及实施运行条件管内流体性状、环境影响建筑物条件配管位置、建筑物用途我国目前尚未对设备管道的使用年限作出规定。而使用年限的概念对于设计、施工和运行维修人员来说是很重要的。现将日本耐久委员会有关标准摘编为表3.管道的实际耐用年限(Y)可按下式求得:Y=YbABCDEFYb?管道的标准耐用时间,a;A配管方法系数,例如螺纹连接为0. 7;表3建筑设备管道的标准耐用时间Yb介质Z管材给水热水排水冷却水蒸汽凝结水消防水油类铸铁管普通镀锌钢管无缝镀锌钢管无缝钢管聚氯乙烯内衬钢管不锈钢管铜管硬聚氯乙烯管注:单位为a. B一设计标准系数,良好设计为1. 2,?般设计为1,不良设计为0.8;C一施工标准系数,精心施工为1. 2,一般施工为1,不良施工为0.8;D一维修标准系数,进行水处理为1. 2,定期维修为1,不维修为0.8;E一用水量系数,正常水量为1.0,水量过多F一场地和环境系数,条件特差水质为0. 8,地下埋设时,一般地区普通水质为1.0,一般地区特差水质为0. 8,地区及水质皆差时为0.6. 1.3管道腐蚀实例及分析从笔者参与的对金属管道及容器的拆装、维修和用户回访情况看,腐蚀是普遍存在的,其程度与使用年限,材质优劣,施工及维修质量,安装环境等均有密切联系。

  使用年限超过10年的镀锌给水管,管内壁普遍出现锈蚀,热水管尤为严重,螺纹接头处严重被蚀至折断;镀锌不良(俗称冷镀锌)的管道使用不到3年即到处穿蚀漏水,不得不更换;有的未做相应处理,管内壁锈蚀及结垢严重;有的维修管理无人过问,管壁层锈成块状脱落,阀门开关不灵,直等到系统无法运行时才进行大修;有的管道长期处在恶劣环境中受腐蚀而不加保护,大大降低管道使用寿命;有一实例是对安装仅2年的消防给水钢管进行改造,在放水拆除时,排出的水呈黑色,经冲洗0. 5h后,水才开始清澈,可见锈蚀之严重。

  总的看来,钢管腐蚀最严重,镀锌钢管略有改善,铸铁管有不同程度腐蚀,但比钢管要好。铜管及不锈钢管(少量)多为运行管理人员重视,经常擦拭,表面很少见腐蚀,但在小型冷库的铜管曾发现有绿色锈斑,显然与维护不良有关。

  日本的石田繁夫曾对84个工程实例的各种管道设施的腐蚀情况作过详细调查,其中有不同工程(办公楼、商店、住宅、旅馆、医院、工厂、银行、新闻社),不同管材(钢管、镀锌钢管、铸铁管、不锈钢管、铜管、塑料管)和不同介质(冷、热水、冷却水、蒸汽、凝结水、排水),结论是:金属管道腐蚀普遍存在。他指出:“这都是一些失败的例子。但就是现在,我们仍有这一类过失。”言外之意是,人们尽管在千方百计防止金属管道腐蚀,但要完全消除腐蚀,至少现在还不可能。

  将石田繁夫调查的情况作一分析,对认识管道腐蚀还是有一定帮助的。现在按不同管材来加以综述。

  镀锌钢管从使用1年到17年的,共10例,均有不同程度腐蚀,其中有1例埋地安装仅1年就因局部腐蚀而穿孔;装在室内的消防管,因使用频率不高,内壁锈蚀严重,出现瘤状物,但未穿孔。

  钢管从使用6个月至18年的5例,内壁均全部腐蚀,其中1例为使用18年的蒸汽凝结水管,管壁明显减薄。另1例使用6个月的冷却水管在水泵吸入侧的内壁全部出现黑色腐蚀,且有剥离。

  铸铁管用于冷却水1例,使用6个月,外观未见异常,内壁有黄色结晶物,这是排烟中的SO2溶于水中所致。

  铜管13例,运行时间从3个月到16年3个月,多数为冷热水给水管。其中1例2年10个月的黄铜管因脱锌而产生腐蚀,立管因应力破裂而漏水;一例运行到6年,因脱锌腐蚀而折损。紫铜管6例,使用9年到16年,出现不同程度不同深度方向腐蚀,或受重复应力破损而出现漏水部位;青铜管用于给水隔屏时,运行5个月,出现溃蚀。

  不锈钢水管、水槽及水箱6例,运行9个月至2年6个月,其中运行1年至2年6个月的水槽,在气层部位有因残氯蒸发而引起腐蚀;9个月至1年的热水管法兰盘出现应力裂缝漏水和小孔腐蚀。1.4金属管道腐蚀的危害管壁厚度减薄,降低了管道的承压能力,严重时会低于设计压力,产生爆管,带来严重后果;管内壁沉积锈蚀物或结成瘤状物,大管内壁的摩阻系数,减少管道的有效截面积,降低流量;管道锈蚀穿孔时,导致介质外流,造成污染并产生经济损失;严重锈蚀系统会造成阀门、水泵、减压阀等过水设施出现渣滓沉积卡堵,导致系统不能正常运行直至瘫痪。消防系统的消火栓可能打不开,自动喷淋头可能被堵死或喷水强度大大减小,不能达到灭火效果。

  严重锈蚀系统不但影响生产生活的正常进行,还会损失工料,破坏建筑构件及装修,造成经济损失,必须拆除更新。

  给水管道系统腐蚀时,会污染甚至严重污染水质,影响使用,危害人体健康;用于生产时,会对产品产生不利影响。

  2金属管道腐蚀的原因金属腐蚀是指金属与周围接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀的过程。基本上可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。此外,还有冲蚀、介质温度影响和生物腐蚀等,本文不作讨论。

  21化学腐蚀指金属单纯由于化学作用而引起的腐蚀。例如金属在干燥空气中或非电解质溶液(酒精、汽油、苯等)中的腐蚀。例如铁在高温下跟氧气直接反应产生氧化铁(皮状),氯气与钢铁或其他金属直接反应而发生腐蚀;铁、铝、锌等在干燥空气中也可被氧化而形成一层氧化膜(铝形成的Al23膜层比较致密牢固,有一定的隔离保护作用,可防止其下层金属接触腐蚀性物质而进一步被腐蚀,铁的氧化膜则质地疏松,容易吸水,反而促使下层金属腐蚀)。总之,化学腐蚀的化学反应较简单,仅仅是金属跟氧化剂之间的氧化丑原反应。

  22电化学腐蚀金属接触到电解质溶液,发生原电池效应,比较活泼的金属原子失去电子而被氧化,腐蚀过程中有电流产生,叫电化学腐蚀或电化腐蚀。例如:钢铁在潮湿空气中,表面吸附一层薄薄的水膜,纯水是弱电解质,它能电离出少量的H+和OH-,同时由于空气里的C2的溶解,使水里的H+多。结果在钢铁表面形成了一层电解质溶液薄膜,它跟钢铁的铁和少量的碳(或其它杂质)恰好构成了原电池。因此,钢铁制品的表面就形成了无数微小的原电池。在这些原电池里,铁是负极,碳是正极,这时作为负极的铁就失去电子而被氧化:Fe-2e=Fe2+;在正极,溶液里的H+得到电子而被还原,最后产生氢气在碳的表面放出:2H++2e=H2;这种腐蚀通常叫析氢腐蚀。如果钢铁表面水膜酸性很弱或呈中性,在负极上也是铁失去电子而被氧化成Fe2+,而在正极上主要是溶解于水膜里的氧气得到电子而被还原:Fe氧腐蚀。

  从本质上看,电化学腐蚀和化学腐蚀都是铁等金属原子失去电子而被氧化的过程,而电化腐蚀过程伴有电流产生,化学腐蚀过程却没有,在一般情况下,两种腐蚀往往同时发生。造成电化学腐蚀的外因主要是大气中的二氧化碳、二氧化硫、氨、氧等成分及材料表面的灰尘、锈蚀伤痕等。内因则是金属材料的电位不同,化学成分及材料内部的组织的不均匀性等。此外,相对湿度的因素也很重要,当达到金属材料内部临界湿度时,腐蚀速度将急剧大(钢材的临界湿度约为70%)。需要说明的是电极电位高的银、铜等,不易失去电子变为离子,所以不易腐蚀。锌、铬、镍等虽具有负电极电位,但在空气中能生成具有保护作用的氧化膜,使表面的电极电位向正的方向明显跃变(此现象叫钝化),因此也具有相当好的耐蚀能力。不锈钢由于含有镍、铬等易于钝化的元素,奥氏体不锈钢具有单相组织,所以耐蚀性很好。而一般钢材,不具有均匀的多相组织,故耐蚀能力很低。

  23其它原因材质不良,金相组织含有超标的杂质,或管壁有小孔,或内壁粗糙,或镀锌、铬层附着不牢固,不能很好地起保护作用。

  设计不良,如将室外的管道沟兼作排水沟,沟内相对湿度很高,管外壁靠地一侧经常有凝结水,给电化学腐蚀提供了有利条件。有些管道在使用后水不能完全排空,在管壁、空气、水三者同时接触处的界面电化学腐蚀严重。有的立管穿过污水或小便槽,同样存在此弊端。

  施工安装不良时,对镀锌钢管进行了套丝或焊接,减薄了管壁及破坏了镀锌层,而又不作防腐处理;或者没有对管道系统进行清洗或吹扫,管内存积大量残渣和积水,为腐蚀创造了条件。

  管理维护不良,发现了锈蚀或渗漏等问题,不及时作除锈补漆和检修排除故障;或因不按时进行巡视检查,没有及时发现被严重腐蚀的管段,导致腐蚀加剧,产生严重后果。

  3防腐对策做好金属管道的防腐层处理,将管道与其所处的外部环境隔绝。即所谓覆盖层保护法。一般管道的防腐处理包括除油、除锈及酸洗等表面清理。然后是刷防锈漆、刮管涂衬或喷涂塑料防腐层。一种传统的防腐涂层是沥青防腐涂料,即用冷底子油打底,涂覆沥青后外包玻璃丝布,上面再涂沥青,俗称‘二油一布“,特需加强防腐的管段也有做”三油二布’的。此措施多用于埋地钢管的防腐,实践证明是有效的。此外,在管道外壁包扎塑料带防腐层,在管壁内外涂水泥砂浆掺胶层都很经济简便,可供选用。

  管道因套丝煨弯、焊接而破坏了镀锌层的,要加强防腐处理,可能时应重新镀锌。

  合理选用管材及阀件。镀锌钢管应内外热镀锌(即浸锌),不得有脱锌,空穴锈蚀现象。埋地给水管尽量采用铸铁管或承压塑料管;对水质要求严格的系统要采用铜管、不锈钢管或塑料管。管件阀件的选用应与管材配套,并能抵抗环境及介质造成的腐蚀。例如在CO2灭火系统或氧气系统宜采用不锈钢阀件。

  设计时应考虑管道的外部环境和管内介质,进行合理设计。尽量避免管道穿过严重腐蚀性环境或易受到机械损坏的场所。如大气中有较多腐蚀性气体,管道应尽量埋地敷设。管道沟不能兼作排水沟,并应使其气流通畅,减小管沟内湿度。对于热水和蒸汽管道,水质要作处理。

  精心施工,严格按规范操作。管道应按规定放一定坡度,使其能自然排空,避免沉渣积水。供水供汽管道在验收前,应进行冲洗和吹洗保证管内清洁。非工作状态时管内不充水或气体的管道,在冲洗后应用压缩空气吹干。镀锌钢管的连接应首选卡箍连接,其次才是螺丝连接和法兰连接,且在螺丝外露处和法兰施焊处一定要加强防锈处理。镀锌钢管不得直接焊接或在系统中采用非镀锌管件。如果钢管规定要镀锌且必须焊接,应该在焊接拼装后再镀锌,然后进行二次安装;不论钢管、铜管或不锈钢管的焊接,必须遵守焊接规范,保证焊缝饱满且必须焊透,不得在接口处的管内壁出现凹槽,因为凹槽积水将导致腐蚀产生。

  加强运行维护管理。经常性地对管道系统进行外观检查,发现有脱漆,锈蚀及渗漏,应及时处理。还要执行定期全面检查维修制度。对经常充水而不运行的水消防管道,应进行周期性试运行,以冲洗管道,除去沉积物和保持系统通畅,以免出现火灾时系统不能正常启动而造成严重后果。

  4结语金属管道的腐蚀及防腐对策是一个很大的课题。本文以讨论建筑给排水金属管道的腐蚀问题为主。对于埋地金属管道经过特殊腐蚀性地段(例如盐碱地带,高酸性地带,适宜硫酸盐还原菌生存繁殖地带,存在大量杂散电流地带,管道接触土壤成份变化差异较大地带以及管道经常承受较大外力地带等)的腐蚀以及生物性(细菌)腐蚀及对策,固体物料输送中由于高度磨损而产生的腐蚀及对策等,其腐蚀机理较为复杂,本文未加讨论。对于金属管道的防腐对策,本文未讨论的尚有埋地管道的电化学保护法,即通过电流使被保护的管道进行阴性极化来实现管道保护。其中又可分为外加电流法和牺牲阳极法。外加电流法对被保护管道以外的管道有不利影响,不宜在城市中应用。牺牲阳极法是用电极电位比被保护管道更低的金属作为阳极,与被保护的金属管道相连,由于二者之间存在电位差,阳极随着流出电流而逐渐消耗,从而保护了管道不被腐蚀,但阳极需定期更换。使用时应根据保护对象和投资、维护等条件综合考虑选定。

  由于材料科学技术的发展,应用于制造管道的材料己大大加,金属管道用于工程的比例正在逐渐减小,例如,廉价的钢筋混凝土管,耐腐蚀高分子聚合管,多种材料复合管,以及铸石管等等,虽不能全部取代金属管道,但由于它们有很好的抗腐蚀性能,均可以供设计者因地制宜地合理选用。

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