周雪楊，姜國徽，許國棟

（山東省調(diào)水工程運行維護中心福山管理站，山東煙臺 265500）

山東省膠東調(diào)水工程是實現(xiàn)全省水資源優(yōu)化配置、緩解膠東地區(qū)水資源供需矛盾、改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的大型長距離輸水工程。工程輸水線路總長469.2 km，其中利用現(xiàn)有引黃濟青段工程160.5 km；新辟輸水線路308.7 km，包括輸水明渠長159.6 km，管道工程149.1 km。輸水管道設(shè)計流量5.5~4.8 m3/s，校核流量7.2~6.2 m3/s。工程等別為I 等，主要建筑物為1 級，次要建筑物為3 級，抗震設(shè)防烈度為VII 度。

輸水管道工程主要采用管道、暗渠和隧洞相結(jié)合的方式輸送水源，根據(jù)埋深、地質(zhì)等情況，管道采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP 管）、螺旋鋼管和玻璃鋼管3 種管材組成，穿河及穿路（含鐵路、公路）處全部采用螺旋鋼管；根據(jù)沿線管道壓力不同，管道直徑為2 200 mm、2 000 mm 以及1 800 mm 三種。輸水方式為加壓輸水和有壓重力輸水組合的輸水方式，全部地埋鋪設(shè)，輸水系統(tǒng)復(fù)雜，因此受土壤、水體、空氣等多種因素作用而導(dǎo)致腐蝕生銹的現(xiàn)象普遍發(fā)生，影響工程的運行壽命和供水安全。為此，本文探索一種安全、經(jīng)濟、有效輸水管道防腐防銹技術(shù)，即超聲波技術(shù)。

1 管道腐蝕的原因

1.1 化學(xué)腐蝕

化學(xué)腐蝕主要是由輸水管道內(nèi)部水體夾雜的介質(zhì)引起，水體中具有腐蝕性的雜質(zhì)可直接腐蝕管材。山東省膠東調(diào)水管道工程主要引調(diào)長江水、黃河水，水體在長距離輸送中往往會夾帶各種鹽類，主要是CaCl2和MgCl2，這些鹽類物質(zhì)不會直接對鋼管本身造成腐蝕，但CaCl2和MgCl2在pH 值較小的水體中極易發(fā)生水解，它們是腐蝕性鹽酸的重要來源。水體日積月累的流動沖擊著管材內(nèi)原有的防護薄膜，防護薄膜不斷溶解、掉落，剝離出鐵離子、銅離子，與水體中腐蝕性鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起銹蝕，從而導(dǎo)致輸水管道內(nèi)壁嚴(yán)重腐蝕。

1.2 微生物腐蝕

微生物腐蝕是指附著在鋼管表面生物膜中的微生物生命活動導(dǎo)致鋼管腐蝕破壞的一種現(xiàn)象。附著在鋼管管壁上的生物膜富含不溶性硫化物、低分子有機酸、高分子胞聚糖所組成的復(fù)雜混合物，這種混合物在水體中極易與金屬發(fā)生復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)。鋼管的金屬表面狀態(tài)在微菌落的作用下容易發(fā)生改變，脫離出金屬電子，為發(fā)生腐蝕創(chuàng)造了條件。生物膜能夠分泌出一種促進還原陰極的有機酶，細(xì)菌通過細(xì)胞膜上的電子轉(zhuǎn)運蛋白或者自身分泌的生物小分子轉(zhuǎn)移電子載體，在有機酶的作用下從金屬中獲得電子，引起陽（陰）極反應(yīng)，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致金屬發(fā)生腐蝕。微菌落在水體中持續(xù)不斷的活動，能夠擴大腐蝕的程度，由均勻腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)榫植扛g，加速鋼管的腐蝕速度。綜上所述，微生物腐蝕是自身的生命活動引起的反應(yīng)，因此抑制或者破壞生物膜的形成，能夠大大降低微生物腐蝕發(fā)生的機率。

1.3 管道的外部腐蝕

外部腐蝕主要由金屬管道與其他類似金屬之間發(fā)生反應(yīng)引起的腐蝕，也稱為金屬腐蝕。埋設(shè)在地下的管線具有不同的對地電位，在相互干擾的作用下可以導(dǎo)致不同金屬之間的短接。當(dāng)這種短接發(fā)生在兩種不同電位之間時，就會產(chǎn)生活性金屬，活性金屬作為陽極，與潛在的負(fù)電位的合成一種微型電流。在潮濕的環(huán)境中，金屬管線在這種微型電流的作用下就會發(fā)生電位腐蝕。輸水鋼管是鐵碳合金，鐵是陽極，陽極金屬和其他物質(zhì)組成許多微型電流，在潮濕的空氣和土壤中加速這種電流的產(chǎn)生，直接導(dǎo)致金屬腐蝕。若遇到管材防腐保護層軟化、開裂、針狀氣泡等情況，更加速輸水管道外部腐蝕的發(fā)生。

2 超聲波防腐技術(shù)的原理

2.1 空化作用

超聲波的空化作用是存在于水體中的微氣核空化泡在聲波的作用下產(chǎn)生振動，當(dāng)聲壓達到一定數(shù)值后發(fā)生生長和崩潰的動力學(xué)過程。當(dāng)輸水管道接入超聲波后，水體發(fā)生劇烈振動，產(chǎn)生數(shù)以萬計的微小空化泡。這些氣泡在超聲波作用下縱向傳播，在負(fù)壓區(qū)生長，到正壓區(qū)迅速閉合，在正負(fù)壓強交替作用下受到強烈的壓縮、拉伸。氣泡被壓縮或拉伸至破裂的一瞬間，會產(chǎn)生巨大的瞬時壓力，一般可高達幾十兆帕至上百兆帕，同時產(chǎn)生瞬間的高溫（可達5 000 K 以上），并伴有強烈的沖擊波和時速達400 km 的微射流。瞬時的高溫、高壓微射流，能夠抑制鈣、鎂、氯離子與鐵離子發(fā)生作用，從而達到防腐目的。

2.2 殺菌作用

超聲波具有的殺菌作用主要是在空化作用下引起的。超聲波是一種縱波，在水體中傳播時會產(chǎn)生交替壓縮和膨脹壓力變化的區(qū)域，從而發(fā)生空穴現(xiàn)象，并在介質(zhì)中形成微小氣泡核。微小氣泡核在絕熱收縮和崩潰的瞬間，其內(nèi)部呈現(xiàn)5 000 K以上的瞬時高溫和壓力，直接破壞微生物的細(xì)胞壁，殺死水中的細(xì)菌，阻止生物膜的產(chǎn)生，達到了防止鋼管在生物膜作用下被腐蝕的目的。

2.3 剪切作用

超聲波的機械能作用于結(jié)晶物質(zhì)、管壁以及水體中，由于這些物體對超聲波頻率的響應(yīng)不同，各自產(chǎn)生的振動幅度不同，因此在微觀層面上產(chǎn)生高速的相對運動。高速的相對運動使水體中各種鹽類的結(jié)晶體與管壁界面上產(chǎn)生相對剪切力，在這種超聲波形成的剪切作用下，液體中的結(jié)晶體和微小結(jié)合物與管壁發(fā)生松脫，避免與鋼管的直接接觸而引起的鋼管腐蝕。

3 超聲波防腐技術(shù)的優(yōu)點

3.1 安全環(huán)保，對人體和設(shè)備無害

傳統(tǒng)的管道防腐主要采用環(huán)氧煤瀝青、富鋅涂料等化學(xué)試劑涂敷在管壁上，除銹一般常采用化學(xué)除銹的方式。傳統(tǒng)的化學(xué)除銹劑主要成分是鹽酸，酸類物質(zhì)能夠與鋼管表面的鐵銹發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而達到除銹的目的。同時，酸類物質(zhì)又能與金屬發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生含有氫成分的物質(zhì)，對鐵銹及難溶的氧化皮產(chǎn)生壓力，加速鐵銹的脫落及還原鐵。但是，大量的氫氣會使鋼管產(chǎn)生氫脆現(xiàn)象，削弱了鋼鐵本身的強度，也容易形成酸霧，危害操作人員的身體健康，腐蝕周邊其他的金屬設(shè)備。因此傳統(tǒng)的防腐、除銹方式環(huán)境污染大、成本高，而且只能在停水期施工。而超聲波技術(shù)是通過純物理方式來作用，是以水體為介質(zhì)產(chǎn)生空化、剪切、殺菌效應(yīng)，從而對輸水管道起到防腐防銹作用，不污染環(huán)境，對人體無害。因超聲波無污染、效果明顯、作用持久，是國家重點推廣的節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)在軍工業(yè)、船業(yè)、暖通設(shè)備等行業(yè)廣泛使用。

3.2 靈活可控，時間和人力成本低

眾所周知，超聲波具備穿透力強、可傳遞極強的特性，在水體中傳播時可以引發(fā)產(chǎn)生干涉、反射、疊加和共振等現(xiàn)象，穿過材料或儀器設(shè)備內(nèi)部時，不會造成設(shè)備的損傷?；诠艿拦こ萄兄频某暡ǔP防腐設(shè)備作為一種自動程序，能夠?qū)崿F(xiàn)7×24 h 持續(xù)在線工作，便捷性高、功能強大。超聲波除銹防腐作用的主要介質(zhì)是水體，因而輸水管道滿管時也能夠正常工作，不受工程運行與否的影響，不必停水停工，節(jié)約了時間成本。而且超聲波技術(shù)操作簡單，超聲波防腐系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部程序設(shè)定好后，一旦開啟運行，緊緊需要一個按鈕便能控制啟停，不需要人力在現(xiàn)場維持。同時他能夠智能化控制超聲波頻率，發(fā)出的超聲波頻率范圍在19~98 kHz 之間，低功率的超聲波運行只對單細(xì)胞生物和微生物起到作用，對人體均無影響。因此，超聲波檢測技術(shù)是一種低成本、速度快、安全有效的技術(shù)。

3.3 作用時間長，工作效率高

超聲波是通過運用一定頻率范圍內(nèi)的縱波作用在輸水管材表面，通過水體介質(zhì)將縱波傳輸?shù)焦懿母鱾€角落，所以只要確保輸水管材中有水體，就能夠得到有效的防護，符合膠東調(diào)水管涵工程的實際情況。膠東半島地區(qū)年降水量僅為650~800 mm，人均水資源量僅為全國平均的1/7~1/6，是水資源最短缺的地區(qū)之一，而且降水季節(jié)變化比較大，夏季降水量高達90%，山東半島地區(qū)多低山丘陵，河流源短流急，不宜存蓄，因此山東半島地區(qū)水資源極度缺乏。山東省膠東調(diào)水管道工程建成后，2015—2022 年期間，每年除了設(shè)備檢修需要停水1~2 個月之外，其余時間都是滿荷運行，每年管涵工程連續(xù)運行平均長達10~11 個月之久，運行時間長，管材中水體持續(xù)處于滿載狀態(tài)。因此，超聲波技術(shù)在輸水管道中防腐防銹作用能夠達到10 個月以上，作用時間長，而且能夠遍布到管材的各個縫隙和角落，達到無死角的防腐效果。

4 結(jié) 語

山東省膠東調(diào)水管道工程在運行過程中，因管材生銹腐蝕導(dǎo)致輸水滲漏時常發(fā)生，嚴(yán)重影響工程運行安全，威脅工程沿線人民群眾的生命財產(chǎn)安全。解決調(diào)水管道腐蝕生銹的問題已經(jīng)成為水利工程高質(zhì)量發(fā)展的必然要求。相較于傳統(tǒng)技術(shù)，超聲導(dǎo)波防腐防銹技術(shù)具有便利性、安全性以及成本低等優(yōu)勢，對管道本體無損害，安全環(huán)保，而且作用時間長、防腐效率高，能夠達到無死角防護作用。膠東調(diào)水管道在運用超聲波技術(shù)后，超聲波作用覆蓋面范圍內(nèi)不再出現(xiàn)明顯的銹蝕痕跡，防腐效果明顯，在長距離輸水管道的防腐防銹中具有很好的推廣價值。