淡化海水对铸铁输水管线的腐蚀研究及对策

2014-01-01薛瑞王小丹

天津化工 2014年2期

薛瑞，王小丹

（1.中海油天津化工研究设计院，天津 300131；2.天津地质调查中心，天津 300170）

天津是一个重工业城市，每年工业用水约占全市总耗水量的23%[1]，而这其中循环冷却水占到了70%。天津有155 km的海岸线，具有丰富的海水资源，利用海水资源生产淡水是缓解水资源短期的重要途径。据统计，目前我国海水淡化能力为每日60万t，其中天津约为每日20万t，占全国总量的三分之一。

淡化海水在解决淡水使用紧张的同时，也带来一些必然的缺陷，例如淡化海水碱度硬度低、氯根高，尤其对未作预处理的铸铁输水管线和使用设备有着严重地腐蚀损害的危险等，因此本文在分析淡化海水生产工艺现状及管线腐蚀情况基础上提出相应对策。

1 淡化海水生产工艺及现状

海水淡化，又称海水脱盐，是一种从海水中获取淡水的过程，是通过化学或物理化学方法等实现的。实现海水淡化一种方法是从海水中把淡水取出来，再一种方法是从海水中将盐分取出来。前者主要有蒸馏法、反渗透（RO）、冷冻法、水合物法和溶剂萃取法等，后者有离子交换法、电渗析法（ED）、电容吸附法和压渗法等[2]。

其中反渗透法有着无相变过程，能耗低；工程投资及造水成本较低；装置紧凑，占地较少；操作简单，维修方便等特点[3]，近年来多用此法淡化海水。本文所讨论的淡化海水就是通过反渗透法生产所得。

2 水质分析及判断

本文重点针对由天津大港新泉海水淡化工程生产的淡化海水所引发的问题做此讨论。首先对淡化海水水质进行分析判断。水质分析数据见表1（现场水取自输水管线前端）。

表1 淡化海水水质分析数据

为了对水质的腐蚀性和结垢性进行控制，必须要有一个能评价水质化学稳定性的指标体系，以便对水质化学稳定性进行鉴别，从而采取相应的稳定性控制措施。常用的水质化学稳定性的判别指数有：饱和指数、稳定指数、结垢指数等[4,5]。表2对淡化海水做了具体的水质化学稳定的判断。

表2 淡化海水结垢或腐蚀倾向判断

通过对淡化海水水质化学稳定性的判定，我们从表2可以清楚看出，此海水淡化水为严重腐蚀性水，对输水管线和使用设备有着极强的腐蚀性，在日常使用中要格外注意。

3 淡化海水对输水管线的腐蚀机理

在我国铁质管材的应用极为广泛。据统计，我国给水管网中铸铁管占51.67%，钢管占23.85%。由于铁质管材的化学性质，管内极易生成腐蚀产物并逐渐形成管垢，而管垢的溶解和沉淀会造成管网供水的二次污染。研究表明，管网腐蚀与管垢溶解的机理主要是铁离子的释放与沉淀，管垢的化学成分主要是铁、氧、锌和硅等，且除氧元素外，以铁元素居多[6]。

铸铁管道腐蚀是一个复杂的过程，在富氧的氯化物水溶液中，溶解氧是铁腐蚀反应中主要的电子受体，其浓度的升高有助于加速铁的原电池腐蚀反应。经过pH调整后，碳钢发生的电化学腐蚀反应式为：

腐蚀产物会继续被氧化：

在反应式①的持续作用下，经过一段时间的运行后，系统碳钢管道越来越薄，碳钢阀门的阀瓣、阀芯被腐蚀破坏后关不严密，甚至损坏。在方程式②反应的持续作用下，Fe(OH)2不断被氧化成Fe(OH)3，在管道内壁结垢、甚至堵塞设备[7]。

清洁的铁管表面，腐蚀速率一般随着水中溶解氧浓度的增加而增加。除溶解氧外，水中SO2、C1-、余氯、硅酸盐、水温等因素也通过自身独特的方式影响着铁管的腐蚀反应。

4 淡化海水对铸铁输水管线腐蚀影响

某化工企业的循环冷却水系统全部使用淡化海水作补充水，且输水管线全部为未作任何防腐处理的铸铁管道。图1给出了该化工企业淡化海水输水管线末端出水总铁含量统计值。

图1 某化工企业循环冷却水系统供水前期输水管线末端总铁含量统计

由图1可以看出，在2009年8月到2010年1月淡化海水供水前期，输水管线末端出水中总铁含量持续走高，由最开始的0.1mg/L最高升到3.62mg/L，出水呈黄色。2010年2月开始在输水管线前端持续投加管道缓蚀剂，管线末端出水总铁含量才逐渐回落到1mg/L以下。

淡化海水输水管线前端水质初始浊度很低，仅为0.02NTU，其经过输水管线后出水浊度有了明显升高，最高时可达3.5NTU，出现明显的“黄水”现象。

5 管道缓蚀药剂筛选

为缓解淡化海水输水管线严重腐蚀的问题，也为下一步的循环冷却水提供合格水源，作者单位进行了管道缓蚀药剂的筛选，实验方法参考GB/T 18175-2000（水处理剂缓蚀性能的测定-旋转挂片法）。实验条件：①水源：淡化海水（输送管线前端取水）；②温度：室温；③pH：自然 pH；④挂片：A4碳钢；⑤旋转轴转速：70～75r/min；⑥时间：12～24h。

根据实际情况，我们选择了六种配方的管道缓蚀剂进行实验评价，分别测定了在不同配方下12h和24h下碳钢的腐蚀速率，具体实验数据见表3。