華北某處理廠污水管線的失效機理研究

張傳旭 劉亮

(中海油(天津)管道工程技術有限公司，天津 300452)

0 引言

2018年5月，華北某處理廠的地面出現異常返水現象，經開挖，發現一污水管線出現漏水現象。經初步調研，此管段使用時間超過15年，無材質、工藝等資料。經現場勘查，此管段水平埋于地下，位于污水沉降罐下游。已知管內運行環境為常溫常壓，管內介質為泥漿，且介質間歇流動。本文通過腐蝕產物分析、腐蝕模擬實驗等方法，分析該管件發生腐蝕的原因。

1 宏觀分析

1.1 外防腐層完整性檢測評價

失效位置如圖1所示，彎頭部分整體覆蓋有防腐層，其外防腐工藝應為底漆+纖維增強材料。彎頭處有纖維材料的褶皺和層疊現象，其原因可能為此彎頭的外防腐層是在焊接完成后執行的現場處理，由于現場條件所限，在纏繞纖維增強材料時無法使其貼緊彎頭，從而導致不規則的褶皺。彎頭部分位置的防腐層已破損裸露，涂層裸露區域外壁發生明顯的腐蝕現象，有紅色腐蝕產物附著。

圖1 失效位置照片

1.2 超聲波壁厚檢測

選取管段有代表性的不同位置，除其表面外防腐，采用GE DM5E超聲波測厚儀對剩余壁厚進行測量，測量方向分別為0點、3點、6點、9點。

剩余壁厚測試結果見表1，由剩余壁厚值可以看出，彎頭的兩側的直管壁厚均勻，在3.6～3.7mm之間。彎頭的9點鐘位置壁厚最厚，3點鐘方向壁厚小，這可能是由于彎頭在加工過程中導致的外側減薄的現象。彎頭12點鐘位置厚度大于6點鐘位置，可能與管內流體腐蝕有關。

表1 壁厚測量結果

1.3 管段解剖及內壁腐蝕形貌觀察

將試驗管段沿水平軸向剖開后，宏觀檢查其剖面及內表面腐蝕形貌，如圖2所示。對比焊接處的結構，彎管管徑小于直管。此管段合在焊接完成后，焊接位置形成臺階狀結構，而失效穿孔位置即位于上游方向的臺階狀結構。由于管道水平鋪設，流體在入口一側的臺階位置優先聚集，這為垢下腐蝕提供了條件。且由于介質間歇流動，介質在此處聚集，可維持金屬表面的濕潤狀態，為腐蝕提供了條件。

直管段有內涂層，內涂層表面光滑，整體較完整，與管體粘結緊密，起到良好的防止內腐蝕的作用(去除涂層后下部露出均勻金屬本體)，但靠近兩處焊縫的局部內涂層與管體分離，裸露的管體產生腐蝕現象，大面積的腐蝕現象出現在焊接熱影響區附近。推斷這是由于焊接產生高溫，破壞局部內涂層，導致該部位失去內部防腐作用，圖中紅色虛線表示未破壞的內涂層的邊界。

圖2 管段內側照片

放大觀察失效位置附近管壁的剖面，可以發現管壁有由內向外減薄的趨勢，如圖3所示。此現象表明，管壁的內腐蝕是造成此位置穿孔失效的主要原因。失效位置的內側成階梯狀，即穿孔面積由內向外逐漸減小，同樣為“內腐蝕”提供依據。

綜上所述，失效穿孔位置的內外壁均存在腐蝕現象，但對比外壁多處涂層裸露位置的外壁腐蝕情況，得出外腐蝕不是導致穿孔的主要原因，根據剖面管壁形貌及內側的明顯徑向擴展趨勢，進一步確認：腐蝕穿孔主要是由內腐蝕導致。

2 細菌培養實驗

取污水沉降罐水樣進行細菌培養實驗，如圖4所示。

圖3 失效位置形貌

圖4 細菌培養實驗結果

實驗結果表明，水樣中含有硫酸鹽還原菌和腐生菌，而不含鐵細菌。管內流體中含有微生物，可能導致微生物腐蝕(MIC)。

3 腐蝕產物結構分析

圖5 XRD分析圖譜

分別取失效位置附近內壁腐蝕產物(1#)、失效位置附件外壁腐蝕產物(2#)進行清洗、烘干，進行XRD分析。2種腐蝕產物分析圖譜見圖5。將圖譜進行分析，可得腐蝕產物中主要成分，見表2。

通過XRD分析可知，外壁腐蝕產物主要為FeOOH，內壁腐蝕產物主要以FeCO3形式存在，且有FeO、FeS，結合細菌檢測結果，推斷涂層裸露位置發生細菌的可能性極大。

表2 腐蝕產物樣品成分

4 電化學分析

圖6為彎頭與其兩側直管段在管內污水介質環境自腐蝕電位測試結果。由圖可知：彎頭的自腐蝕點位為 -683mV(SCE)，兩側直管段的自腐蝕點位分別為：-703mV(SCE)、-691mV(SCE)，彎頭的自腐蝕點位略高于直管。

圖6 自腐蝕點位測量結果

一般認為，當相互接觸的兩種金屬電極電位差在50mV以上時，在腐蝕介質中就有可能發生電偶腐蝕[1-2]，且電極電位低的金屬首先發生腐蝕。由以上測試結果可知，彎頭與兩側直管的點位差不超過30mV，因此在該腐蝕環境中，兩者之間不會發生電偶腐蝕。

5 腐蝕模擬實驗

分別取不用位置的管件，通過機加工得到掛片試件，試件經打磨、清洗、尺寸測量、稱重等過程后，放入腐蝕環境進行腐蝕模擬實驗。一周后取出腐蝕掛片，經清洗、稱重，即可獲得腐蝕速率。本研究分別對內外壁腐蝕進行模擬，其腐蝕介質分別為從污水沉降罐取出的水樣和管件失效位置取回的土壤。實驗結果見表3、表4。

在腐蝕模擬實驗中，掛片均為均勻腐蝕，且由腐蝕速度計算可得，此腐蝕速率在管段的使用期限內無法造成穿孔的現象，存在其他因素，加速腐蝕的發生。

表3 內壁腐蝕模擬實驗數據

表4 外壁腐蝕模擬實驗數據

6 結語

直管段有內涂層，且內涂層整體上效果良好，可以起到減緩內腐蝕的作用。但在焊接位置附近，焊接產生的高溫破壞了內涂層，導致在此部分內涂層的減緩腐蝕的作用減弱或失效。

彎頭的內徑小于直管段，導致在二者焊接完成后，兩處焊縫位置均形成臺階狀結構。在上游一側直管與彎頭連接位置，出現下游管壁高于上游管壁的情況。管內介質間歇流動，介質不流動時，會有一部分存留在臺階處。管內介質主要為污泥，污泥在此聚集，引發垢下腐蝕。同時，介質中含有硫酸鹽還原菌、腐生菌，從而會產生微生物腐蝕，而垢下腐蝕更可促進微生物腐蝕的發生，最終在微生物腐蝕和垢下腐蝕雙重作用下，導致焊縫局部發生嚴重腐蝕[3-4]。