摘要：針對國內某些引調水工程中管道輸水距離長、內壓高及工作環(huán)境復雜多變等特點，定性分析了水介質O₂溶解量、CO₂溶解量及固體顆粒含量等多個因子對鋼管腐蝕的作用機理，并基于灰色關聯(lián)法，通過腐蝕因子樣本的無量綱化及關聯(lián)系數(shù)求解，建立了長距離高壓輸水管道的腐蝕因子影響程度分析模型。實例計算結果表明：對腐蝕影響程度最高的因子是水壓、流速及顆粒含量；在此基礎上，提出了長距離高壓輸水管道的防腐技術方案，即加強級涂料+局部犧牲陽極保護。研究成果可為后續(xù)類似工程提供借鑒。

關 鍵 詞：長距離高壓輸水管道；腐蝕因子；灰色關聯(lián)法；引調水工程

中圖法分類號：TV672.2 文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S2.039

0 引言

鋼管因其承壓強度高、工作安全可靠等特點，在長距離有壓輸水系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。但同時，受輸送水質、環(huán)境溫度、土壤性質、附近雜散電流等多因素影響，鋼管易發(fā)生腐蝕而失效。鋼管的防腐作用機理是通過物理或化學方法降低腐蝕因子對管道結構的侵蝕，主要措施包括熱鍍活潑金屬（鋁或鋅）、涂料及電化學防護等^［1］。

近年來涂料防腐技術發(fā)展迅速，涂料種類繁多，其中聚乙烯、熔結環(huán)氧粉末、2PE/3PE等防腐工藝不僅具有優(yōu)良的抗腐蝕性和較強的抗剝離性，還能一定程度上解決水質二次污染問題，在跨區(qū)域引調水、給水工程中應用廣泛^［2-4］。陰極保護主要包括犧牲陽極保護和外加強制電流保護，是解決鋼管電化學腐蝕的有效方法，但一般不單獨使用，通常采用“涂料+陰極保護”聯(lián)合防腐方案，在水庫樞紐取水工程、輸水及供水工程中均有應用^［5-6］。長距離輸水管道在穿過高壓輸電線路等區(qū)域時，易產生感應電流而加劇管道腐蝕，接地泄散電流對附近管道的影響研究和危險防護證實了排流保護裝置的重要性^［7-9］。

針對長距離高壓輸水管道上述特點，本文擬采用定性分析和定量計算相結合的方法，研究主要腐蝕因子對鋼管的腐蝕作用程度，最后提出有效的防腐技術方案。

1 管道腐蝕因子及防腐要求

1.1 輸水鋼管腐蝕因子

（1）O₂溶解量、CO₂溶解量及固體顆粒含量。在潮濕或者水環(huán)境介質中，鋼管的主要成分單質Fe易被O₂氧化，形成鐵銹。CO₂溶于水中，電離產生H⁺，降低水的pH，可促使內壁發(fā)生析氫極化反應。管道運行過程中，水中難溶固體顆粒會與管道內壁發(fā)生摩擦、碰撞，破壞內壁防腐層，加快管道腐蝕。

（2）水溫、流速及水壓。對于吸熱反應，在一定范圍內水溫越高，反應速率越快，管道腐蝕越快。高速水流對管壁的沖刷作用不僅破壞管壁防腐層，還直接造成管壁減薄。高壓水流一方面使水中的溶氣量減少，減緩腐蝕；另一方面使內壁漆膜更容易被撕裂脫落，加快管道腐蝕。

（3）管外水流、空氣、土石、電流。埋地管道在地下水位上漲或者明敷管道受地表水浸泡時外壁易產生吸氧、析氫反應。明敷管道暴露在空氣中時易被空氣中的氧氣氧化。埋地管道受土石的顆粒大小、堅硬程度、酸堿鹽的含量影響，會產生不同程度的物理損傷、化學侵蝕。管道經過高壓輸電線路等電流經過及變化地段時，管道易產生感應電流，進而引發(fā)電化學腐蝕。

1.2 長距離高壓管道工作特點及防腐要求

（1）高原、山區(qū)給水工程取水管或者輸水管一般為長距離高壓輸水管道，其水源水質較好，固體顆粒含量較少，溶氣量、pH均較穩(wěn)定，水溫變化幅度較小，末端用水水質要求較高，管道內壁防腐層應當滿足衛(wèi)生許可要求。

（2）與一般輸水管道相比，長距離高壓輸水管道管內水壓較高，流速較快，內壁防腐層抗剝離性能較強。

（3）長距離高壓管道以埋地淺埋敷設為主，局部采用明敷或者沿管溝敷設，受地下水位及空氣影響較小，與土壤物化性質關系很大，外壁防腐層應牢固厚實。

（4）管道長距離敷設，接觸高壓輸電線路、用電設備的可能性提高，受雜散電流影響較大，陰極保護裝置應當作為聯(lián)合防腐方案加以應用。

2 腐蝕因子影響程度分析

經過分析，影響管道腐蝕程度的因子包括水中O₂溶解量、CO₂溶解量、固體顆粒含量、水溫、水壓、流速、土石顆粒度、硬度、酸堿鹽度等因子?；诨疑P聯(lián)模型，腐蝕因子影響程度分析過程如下：

（1）以壁厚腐蝕深度作為腐蝕程度計量指標，并按式（1）無量綱化。

W_0j=s_j/1/m∑m/j=1s_j（1）

式中：W_0j為第j個樣本腐蝕程度無量綱數(shù)；j為樣本序列號；m為每個腐蝕因子采集到的樣本數(shù)量；s_j為第j個樣本腐蝕程度值，下同。

（2）將水中O₂溶解量、CO₂溶解量等腐蝕因子按式（2）無量綱化。

W_ij=y_ij/1/m∑m/j=1y_ij（2）

式中：W_ij為第i個腐蝕因子第j個樣本無量綱數(shù)；i為腐蝕因子序列號；y_ij為第i個腐蝕因子采集到的第j個樣本，下同。

（3）關聯(lián)系數(shù)按式（3）計算。

β_ij=min_ij|W_0j-W_ij|+αmax_ij|W_0j-W_ij|/|W_0j-W_ij|+αmax_ij|W_0j-W_ij|（3）

式中：β_ij為第i個腐蝕因子第j個樣本關聯(lián)系數(shù)；min_ij為腐蝕因子與腐蝕程度值無量綱數(shù)的最小誤差；max_ij為腐蝕因子與腐蝕程度值無量綱數(shù)的最大誤差；α為分辨系數(shù)，取0.5，下同。

（4）腐蝕因子的影響程度按式（4）計算。

D_i=G_i/∑n/i=1G_i×100%（4）

式中：D_i為第i個腐蝕因子影響程度；n為腐蝕因子總數(shù)；G_i為第i個腐蝕因子關聯(lián)度，可按式（5）計算：

G_i=1/m∑m/j=1β_ij（5）

經過上述過程，計算得到管道腐蝕因子D_i的值，通過比較該值大小即可判斷腐蝕因子影響程度，給出防腐策略。

3 實例分析與驗證

3.1 實例情況

云南省雙柏鄂嘉至妥甸引調水工程，取水點高程1 924.27 m，供水點高程1 726.57 m，線路最低點高程678.24 m，取水管道采用重力自流方式，取水流量0.584 m³/s，管線全長23.4 km，敷設方式為沿地形淺埋。通過沿管線布設測點，監(jiān)測腐蝕深度及主要腐蝕因子量，從中選取了5組具有代表性的數(shù)據樣本，如表1所列。

3.2 試驗過程及結論

按公式（1）～（4），將樣本數(shù)據無量綱化得到W_ij，求關聯(lián)系數(shù)β_ij，最后計算得到關聯(lián)度G_i和影響程度D_i，相關計算結果如表2所列。

根據計算結果，有如下結論：

（1）各腐蝕因子對輸水管道腐蝕影響程度為水壓≈流速＞固體顆粒含量＞CO₂溶解量＞水溫＞O₂溶解量＞輸電線路距離，影響程度最大的因子是水壓和流速，D_i值均值為15.5%；影響程度最小的是輸電線路距離，D_i值為10.1%。

（2）輸電線路對整條管道腐蝕影響最小，主要作用于局部位置，應當在該部位增加陰極保護防腐方法。

4 結語

針對長距離高壓輸水管道的特點，本文采用定性分析和定量計算相結合的方法著重研究了輸水鋼管腐蝕因子的作用程度，并借助工程實例提出此類管道的防腐方案：內、外壁表面預處理達Sa2.5級、粗糙度達60～100 μm；內壁采用涂塑鋼管加強級環(huán)氧樹脂涂層，涂層厚度不小于450 μm；外壁采用加強級三層結構擠壓纏繞式聚乙烯防腐，并在靠近輸電線路附近根據電阻率按一定間隔敷設Al或Zn陰極保護裝置。

參考文獻：

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（編輯：胡旭東）