输水钢管内腐蚀分析及涂层选择

作者 | 师立功

（北京汉森邦德科技有限公司，北京102600）

0、引言

输水管线是城市和工业企业生存和发展的生命线。近年来, 随着城市化进程以及工业的发展，越来越多的长距离引水、输水工程投入生产，引水管道，原水管道（水源地至水厂）、清水管道（水厂至市政供水管网）、中水管道、污水管道以及海水淡化管道和疏浚管道等工程大量使用管材，“综合管廊”的建设以及治理“城市内涝”也需要大量的管道，在管道材料中，涂塑钢管结合了钢材的高强度以及高分子涂层的优异防腐性能，在管材比选后胜出，成为各种输水管道的首选管材，如大口径供水管道中，钢质管道占了相当大的比例。以北京为例，在DN1000以上的246公里供水管道中，钢管道共有169公里，占全部大口径管道的68.7%。涂塑钢管对各种地质的适应性强，具有强度高、韧性好、重量轻、接口少、输水阻力小、防腐寿命长的优点，可长效保证输送水的安全卫生环保。

水对管道内壁钢铁具有的一定侵蚀性，也对管道内壁涂层具有一定的老化降解作用，水通过老化的涂层或涂层的缺陷部位渗透到基材可使水管内壁发生不同程度的腐蚀。水对管道的腐蚀不仅影响饮用水安全，也可引起污水渗漏造成环境污染。因此，应根据输送水质的不同性质、状态，设计选择内防腐涂层材料、涂层结构和涂层厚度，最大限度地延长管道的使用寿命，保证输水及排水的安全性和卫生性。

1、输水钢管内腐蚀分析

1.1 水的腐蚀强度定义

GB50487定义了环境水的腐蚀性标准，见表1，根据输水管道输送介质的化学性质和物理状态，内腐蚀等级可分为弱腐蚀、中等腐蚀和强腐蚀三个等级，见表2。

表1  GB50487 环境水的腐蚀性判别标准

表2 腐蚀介质、腐蚀环境与防腐层等级关系

水本身是极性分子，具有化学攻击性。不同性质的水具有不同的腐蚀性，纯水对大部分金属不会产生明显的腐蚀，河水、湖水、地下水等含盐量少的天然水属于淡水，淡水中江河水的电导率约为2×10^-4s/cm，雨水为1×10^-5s/cm，氯离子浓度上限值为200 ppm（GB5749-85标准允许生活饮用水的Cl-含量上限为150 mg/L），淡水含盐量少，导电性差，一般呈中性。淡水中高浓度的溶解氧使金属形成钝态，使腐蚀速度急剧下降，因此淡水属于弱腐蚀类水质，一般认为不具有腐蚀性。硬水中含Ca、Mg盐类多，其中的重碳酸根在钢铁表面形成CaCO3的膜，阻止了溶解氧的扩散，所以硬水比软水腐蚀性小。水越硬，pH 越高，腐蚀性越低。即越容易结垢的水，腐蚀性越低。

1.2 水腐蚀性影响因素

水腐蚀程度与输送的水的化学性质、温度、压力、流速以及水中所含的酸、碱、盐等化学物质等有关，此外，在引水工程和排污工程中，水中泥沙对内涂层产生冲刷腐蚀。

1.2.1 pH影响

淡水的腐蚀受阴极过程所控制，当介质水有pH在4～9范围时，钢的表面盖上一层氢氧化物膜，氧要通过膜才能起去极化作用，腐蚀速度与pH值无关，但当水中含有Cl^-和HCO₃^-，即使pH在8附近腐蚀也将加速；当pH值< 4时钝化膜被溶解，产生析氢反应加剧腐蚀；当9 < pH<11时，钢铁表面产生碱性极化环境，随着ph增大腐蚀降低；当ph>11时，产生了强碱性环境，钝化膜重新破坏，铁生成可溶性的NaFeO₂，因而腐蚀速度又重新上升。不同的水的PH范围大致为，海水：7.2-8.6；淡化海水：6.0-7.0；饮用水：6.5-9；工业废水：1-6.4；污水：9.1-13；

1.2.2溶解氧含量

饮用水都含有一定的溶解氧，其含量约为5-300 mg/L。在水温80℃下，随着温度的升高溶解氧含量也增高，腐蚀速率将增大，而当水温高于80℃时，随着温度升高，溶解氧含量反而降低。

1.2.3溶解盐类的影响

水中的离子在涂层中的传输行为是影响基体金属腐蚀行为的重要因素，阳离子对腐蚀影响较小，除非淡水受到工业污染而含有氧化性重金属离子如Cu²⁺、Fe³⁺、Cr³⁺、Hg²⁺等导致水的腐蚀性增强，水中的阴离子一般都有腐蚀性，如Cl^-易穿透涂层并在水和氧气共同存在下反应生成的NaCl残存在腐蚀的深层，继续加速钢铁的腐蚀，Cl^-在涂层中传输的难易程度往往决定着基体金属的腐蚀程度，不同的阴离子有着不同的腐蚀影响，其顺序为NO₃^-< Cl^-< SO₄^2-< ClO₄^-。

1.2.4温度的影响

温度会改变介质的电阻，水的电阻通常是随着温度的升高而降低的，比如热带海水的电阻比寒冷地区同样的海水电阻低得多。在腐蚀速度受水中氧扩散控制的情况下，pH在4-10范围内，温度上升，化学反应速度加快，当水温上升10℃，钢的腐蚀速度大约提高30%。随着温度的上升，高分子内防腐涂层链段开始变得活跃，结构间隙增大，增大了水的渗透，将使腐蚀加剧。

2、涂层选择

2.1 管道内防腐蚀涂层性能的要求

2.1.1渗透性低

水分子是体积最小的液体介质，直径仅为0.27nm，渗透能力高于一般的离子，有机涂层的一般规律是在海水中抗渗透最好，自来水中次之，在蒸馏水中最差。在高压管道中，水对涂层的渗透率增大；水温升高，有机涂层的抗渗性变差；提高涂层厚度能阻缓水、氧和离子的透过，从而降低了腐蚀介质在涂层中扩散，增强了涂层的抗阴极剥离性能。

2.1.2附着力高

涂层要有足够的附着力来防止水进入或迁移到涂层和管道之间，涂层附着力尤其是湿附着力在延长管道使用寿命的作用是十分显著。如果湿态附着力低于3MPa，则涂层可能不能很好地附着在基体上，非常容易剥落。固化后的涂层的Tg越高，则其湿附着力越好。

图1 水环境下涂层阴极剥离的机理

附着力与前处理的质量有极大的依赖关系，当底材存在可溶性盐时，由于涂层内外的渗透压不同而产生“渗压起泡”，造成附着力的丧失，见图2。

图2底材可溶性盐导致渗压起泡机理

2.2 输水管道内防腐涂层的种类

2.2.1水泥砂浆衬里

水泥砂浆保护层隔离腐蚀介质是传统的防腐方式，成本低。水泥成分中的石灰和水快速反应转变为氢氧化钙，水化过程产生氢氧化钙孔隙液给钢管提供了高碱度的工作环境（pH>12)，在钢管表面形成20-100A的钝化膜，抗腐蚀的条件是钝化膜不破坏，孔隙液不污染。当环境中的某些成分（如CO₂）和氢氧化钙发生反应导致pH值降低或存在氯离子渗透时钝化膜将被破坏。但水泥砂浆结构密度低，存在气孔和微裂缝，属于渗透性涂层（就好比居民楼卫生间不做防水，则楼上居民的漏水很快便可通过混凝土楼板渗透至楼下），因而水、Cl^-、CO₂、SO₄^2-、O₂等介质容易渗入和存留并使水泥砂浆层碳化、酸化、水解、疏松、裂缝直至破坏而失去对钢铁的保护作用。

表3  BS EN545标准规定水泥砂浆涂层输送不同水质限制表

2.2.2 无溶剂液态环氧涂料

无溶剂液态涂料由于涂层内无溶剂滞留、无溶剂挥发产生的针孔，因此比溶剂型品种的耐腐蚀性能优异。饮用水管道应用液态环氧涂料必须是无溶剂（如甲苯、二甲苯）的，且必须控制固化温度使环氧涂料充分固化，防止固化剂残留。无溶剂液态环氧可一次涂装达到设计厚度，无重涂过程，减少了层间附着力失效的风险。无溶剂液态环氧在1979年首次在英国应用于饮用水管道，至今已有长达40年以上历史涂层仍完好。无溶剂液态环氧涂料性能优越，符合环保要求，而且性能可以与熔结环氧粉末相媲美，可作为FBE涂层的补口材料，适当增加厚度后与FBE具有相同的防腐性能。

2.2.3 熔结环氧粉末涂料（FBE） 

FBE是一种100％固体含量、零VOC排放的“绿色涂料”，以其优异的附着力、柔韧性以及卓越的耐腐蚀性和长效防腐寿命是海底管道以及化工防腐技术的首选涂层。在钢筋混凝土中应用FBE涂层钢筋技术，保护了处于腐蚀介质渗入的混凝土中钢筋，建筑物使用寿命可以延长25年。在输水、输油、输气等相关领域有更强广泛的应用，则技术标准相当成熟

2.2.4聚氨酯类涂料  

100%固含量的聚异氰酸酯固化材料是北美最早采用的涂层技术，上世纪70年代开始用于石油和天然气管道、饮用水管道和污水管道等输水管道工程，目前已发展到第三代涂层技术-聚脲涂层。聚氨酯类涂料根据配方的化学组成分为聚脲、聚氨酯（脲）和聚氨酯涂料，通常聚氨酯的配制涉及一个多元醇（软段）与一个二异氰酸脂或聚异氰酸酯（硬段）反应。

2.3 不同防腐内涂层性能对比

下表4根据各涂层相关行业标准提供的涂层指标对输水管道内防腐涂层的性能进行了总结。

表4 常用钢管内防腐涂层性能指标

此外，据中国腐蚀与防腐网提供的腐蚀数据，见表5，在自然环境的海水中挂片腐蚀试验中，FBE也表现出最优异的腐蚀性能。经对比涂层性能可以看出，FBE作为输水管道内涂层附着力及耐阴极剥离性能最佳，且涂层具有优异的耐磨性能，内壁光滑，是最理想的输送饮用水管道以及非饮用水管道的防腐与减阻内涂层。

表5 几种涂层海水中的挂片腐蚀试验

3、总 结

涂层从有效腐蚀防护到失效不是一个瞬间过程，是一个随着时间的流逝逐步失效的过程，影响涂层耐久性的各种因素相互作用影响涂层的服役寿命。应结合环境、水质条件、管道重要性选用适合的防腐内涂层，以提高管道的使用寿命，保证输水管道安全。社会环保意识和生活用水质标准的提高，水泥砂浆涂层已很难满足更高要求的饮用水标准以及日益恶劣的生活污水腐蚀条件。随着近年来城市化进程，海绵城市建设、引水工程、输水工程、再生水工程、市政给排水工程、综合管廊建设以及治理“城市内涝”工程的开工建设，熔结环氧粉末（FBE）可作为输水管道的内防腐的首选涂层具有更加无可比拟的优势将迎来重大的发展时机。

该文节选自2018年第15届防腐蚀涂料年会论文集