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膠東某城市熱網(wǎng)直埋型補償器腐蝕原因的定性分析

【摘 要】隨著城市集中供熱的不斷發(fā)展，供熱管網(wǎng)的安全性越來越被人們重視，本文通過對實際工程中補償器損壞的一個案例，分析了其損壞的原因，希望能夠引起工程技術(shù)人員的重視。
【關(guān)鍵詞】供熱管道 波紋補償器 電化學腐蝕

1.前言
山東煙臺地區(qū)某城市供熱管網(wǎng)始建于2004年，管網(wǎng)最大管徑為DN800mm，采用波紋補償器進行熱補償，波紋材質(zhì)為316L不銹鋼，5層，每層厚度0.8mm。管網(wǎng)投運后，供熱效果良好，運行比較平穩(wěn)。
2009年供暖期間，巡線工發(fā)現(xiàn)位于621差轉(zhuǎn)臺門前的供熱主干管處有熱氣冒出，當即通知生產(chǎn)部門進行查看、維修。
經(jīng)過現(xiàn)場挖掘發(fā)現(xiàn)，DN800mm供水管道的補償器波紋破壞發(fā)生泄漏，熱水噴出，回水管道的補償器腐蝕也很嚴重，但未破裂。經(jīng)過緊張的搶修，將供、回水管道補償器進行更換，終于實現(xiàn)了正常供熱。
針對這起補償器的泄漏事故，熱力公司、設計單位、生產(chǎn)廠家共同分析補償器損壞的原因，在排除了設計、制造因素后，對事發(fā)地點周圍環(huán)境進行觀察，分析造成補償器損壞的原因。補償器損壞狀況如圖所示。
2.腐蝕原因分析
1）地下含有較高的氯離子使不銹鋼波紋發(fā)生了電化學腐蝕。
由于補償器保溫接口處出現(xiàn)裂縫，使補償器易于遭到地下水的侵蝕。在事故現(xiàn)場，不僅發(fā)現(xiàn)了大量泄漏的熱水，還發(fā)現(xiàn)了污水，原來與供熱管道平行敷設的污水管道發(fā)生了泄漏，其與供熱管道水平距離為4.5米，離泄漏點7.0米處有一污水井。泄漏點東側(cè)25米處為一海水養(yǎng)殖廠。海水養(yǎng)殖廠不定期的將海水排到該污水井中，污水管道泄漏使補償器浸到浸泡，污水中含有的大量氯離子，使補償器的波紋發(fā)生了腐蝕。
眾所周知，不銹鋼特別是316L不銹鋼具有較強的耐腐蝕性能，其耐腐蝕的重要原因在于起保護作用的氧化膜具有自愈性，當氧化膜破損時，能夠重新形成薄膜，對金屬進行保護。但處于鈍態(tài)的金屬仍有一定的反應能力，氧化膜的溶解和修復（再鈍化）處于動態(tài)平衡狀態(tài)，當介質(zhì)中含有活性陰離子時（如常見的氯離子），平衡便受到破壞，溶解占優(yōu)勢，原因是氯離子能優(yōu)先地有選擇地吸附在氧化膜上，把氧原子排擠掉，然后和氧化膜中的陽離子結(jié)合成可溶性氯化物，在露出基底的金屬的特定點上生成小蝕坑，這些蝕坑稱為孔蝕核，即為蝕孔生成的活性中心。
可見氯離子的存在破壞了不銹鋼的鈍態(tài)，實驗研究表明，有氯離子存在的環(huán)境下，不銹鋼既不容易產(chǎn)生鈍化也不易維持鈍化。在局部鈍化膜破化的同時，其余的保護膜保持完好，這使得腐蝕的條件得以實現(xiàn)和加強，根據(jù)電化學產(chǎn)生機理，處于活化態(tài)的不銹鋼較之鈍化態(tài)的不銹鋼其電極電位要高許多，電解質(zhì)溶液就滿足了電化學腐蝕的熱力學條件，活化態(tài)不銹鋼成為陽極，鈍化態(tài)不銹鋼成為陰極。由于腐蝕點只涉及到一小部分金屬，其余大部分未腐蝕區(qū)域是一個大的陰極面積，而在電化學反應中，陰、陽極反應速率是相同的，這樣集中到陽極腐蝕點上的腐蝕速度非?？?，且具有穿透作用，這樣蝕坑會越來越深，使波紋遭到損壞。
較高的壓力和供水溫度（壓力為1.15MPa，供水溫度約100℃）也加速了波紋管在存在氯離子環(huán)境下的電化學腐蝕，同時使波紋管發(fā)生了應力腐蝕，進一步加速了波紋管損壞的進度，這一點從回水管補償器損壞的比較輕可以看出。
2）地下存在的大量銅金屬使不銹鋼波紋發(fā)生了電化學腐蝕。
泄漏點在621差轉(zhuǎn)臺門前，差轉(zhuǎn)臺地下埋有大量的銅制接地網(wǎng)，該接地網(wǎng)在供熱管道施工時，曾被挖出后又被恢復。由于污水管道的泄漏，使補償器遭到污水侵蝕，在補償器周圍存在大量的含氯離子的電解質(zhì)，加之氯離子對不銹鋼波紋氧化膜的影響，使不銹鋼的基底金屬與銅板之間形成了Cu-Fe原電池。該原電池反應如下：
不銹鋼波紋：Fe→Fe2++2e
      O2+2H2O+4e→4OH-
銅板接地網(wǎng)：Cu→Cu2++2e
      O2+2H2O+4e→4OH-
不銹鋼波紋上由于電子流出，氧的還原反應被抑制，不銹鋼波紋的氧化反應加強；銅板上由于電子流入，銅的氧化反應被抑制，氧的還原反應加強。結(jié)果不銹鋼波紋腐蝕加速，銅板接地網(wǎng)獲得保護。
金屬或合金越活潑，在與高電位金屬組成電偶對時，活潑金屬更易被腐蝕，此外溫度、電解質(zhì)濃度都會影響電極電位，溫度、濃度越高活潑金屬電極電位就越低，腐蝕就越強烈。供水管道補償器先于回水補償器破裂就說明了這個問題。
3）地下存在的雜散電流使不銹鋼波紋發(fā)生了腐蝕。
雜散電流是指在設計或規(guī)定的回路以外流動的電流。它能加速金屬管道的腐蝕，對埋地金屬管道影響較大。
雜散電流按照其產(chǎn)生電流的電流源不同，可分為三類：
第一類：直流雜散電流，由直流電流源產(chǎn)生，主要出現(xiàn)在地鐵、直流電焊機和陰極保護系統(tǒng)中。
第二類：交流雜散電流，主要發(fā)生在高壓輸電線中。
第三類：由于地球自身的磁場而引起的。
雜散電流的存在會加速金屬的腐蝕，根據(jù)法拉第定律可以得到因雜散電流腐蝕而失去的金屬的重量。
    W=tMi/Fn
W——金屬溶解的質(zhì)量，g
M——金屬的原子量
n——金屬離子的電荷（腐蝕作用中金屬的原子價）
F——法拉第常數(shù)
i——腐蝕電流，A
t——腐蝕時間，S
雜散電流產(chǎn)生的原因：
雜散電流容易受到周圍環(huán)境的各種因素影響，是一個不穩(wěn)定的物理量，產(chǎn)生的原因也很復雜，一般歸結(jié)為以下兩點：
（1）電流泄漏
電流泄漏是產(chǎn)生雜散電流的一個主要原因。它主要是由于接觸或者絕緣不好等原因造成的。一旦有了電流泄漏，就會導致金屬結(jié)構(gòu)物中自由電子發(fā)生定向移動，造成電子與金屬陽離子的分離。
（2）電位梯度
電位梯度是產(chǎn)生雜散電流的另外一個主要原因。如果某一金屬結(jié)構(gòu)物置于一個電場中，而且這個電場的電位分布是不均勻的，存在電位梯度，這樣這個金屬結(jié)構(gòu)物就容易遭受雜散電流的腐蝕。具體原因是因為電場中存在電位梯度，會對放于其中的帶電粒子（金屬中的自由電子）產(chǎn)生電場力，在電場力的作用下，金屬內(nèi)部的自由電子就會發(fā)生定向移動，造成電子與金屬陽離子的分離。此時若金屬結(jié)構(gòu)物所處的環(huán)境是電解質(zhì)環(huán)境，金屬陽離子就會脫離金屬，進入電解質(zhì)中去，金屬就遭受了腐蝕。
由于事故地點位于621差轉(zhuǎn)臺附近，其周圍存在較強的電場，在電場力作用下，浸于含有大量Cl-污水中的補償器的自由電子要發(fā)生定向位移，使自由電子與金屬陽離子發(fā)生分離，自由電子將與污水中的陽離子結(jié)合，而金屬陽離子將與污水中的陰離子結(jié)合，加速補償器的腐蝕。腐蝕示意圖如圖所示。
基于以上幾點的分析，第一點原因應是造成波紋補償器腐蝕破壞的主要原因，正是氯離子使不銹鋼波紋發(fā)生了電化學腐蝕，才形成了后面的Cu-Fe原電池，而后者又加速了前者的腐蝕速度，最終在三方面共同的作用下，使補償器的波紋發(fā)生破壞導致泄漏。
通過對以上情況的分析，補償器遭受腐蝕的重要媒介是存在其周圍的污水形成的電解質(zhì)環(huán)境，為了防止此部位補償器再發(fā)生類似事故，將該處補償器放在鋼筋混凝土井室中，保證其外部空間的干燥，消除了補償器周圍的電解質(zhì)環(huán)境，使其不再遭受電化學腐蝕。
3.結(jié)束語
隨著城市的發(fā)展，供熱管網(wǎng)的規(guī)模不斷擴大，城市熱力網(wǎng)管道所處的環(huán)境也日益復雜，就本工程而言，熱網(wǎng)補償器的腐蝕涉及了電化學、電磁學、土壤化學等多個學科和領(lǐng)域，這就要求從事供熱工作的工程技術(shù)人員，除了要掌握本學科的專業(yè)知識外，還要涉獵相關(guān)學科的知識，擴大知識面。這樣在熱力網(wǎng)的設計中，才能充分考慮熱力網(wǎng)所處環(huán)境，精心選擇熱力管道敷設路由，減少地下水、地下管道、構(gòu)筑物及周圍電場對熱力管道的影響；此外在設計過程中還應盡量減少易損部件的使用，以降低管網(wǎng)事故率，保證安全供熱。

參考文獻

［1］吳瑋巍，蔣益明，廖家興，鐘澄，李勁—Cl離子對304、316不銹鋼臨界點蝕溫度的影響 復旦大學材料科學系
［2］王璐—鋼板樁碼頭靠泊船雜散電流腐蝕研究  大連理工大學
［3］許建國—淺談雜散電流腐蝕機理及防護措施   鐵道機車車輛