装备专业毕业设计生活污水对管道Q235钢的腐蚀性研究.docx
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装备专业毕业设计生活污水对管道Q235钢的腐蚀性研究
生活污水对管道（Q235钢）的腐蚀性研究
摘要
管道事故给国民经济带来巨大的损失，因此管道腐蚀成为腐蚀研究领域的重点。
本文主要针对污水处理厂中生活污水对管道（Q235钢）的腐蚀进行研究，采用了失重法，挂片法，计划—间隔试验法，电化学法。
此次试验测试了该钢在生活污水中的腐蚀速率、自腐蚀电位，利用恒电位绘制了极化曲线图，讨论了它的腐蚀机理，以及腐蚀防护方法。
同时，还进行了该钢在自来水中腐蚀的对比试验，为自来水管道的腐蚀性研究提供了参考。
通过调查国内外生活污水对管道腐蚀的研究现状，了解到目前所常用管道腐蚀的检测方法和防护方法，对此次实验有很大的帮助，有很大的实用性和参考价值。
关键词：
失重法，计划—间隔试验法，电化学法
TheStudyonDomesticWaste-waterCorrosionofPipes（Q235steel）
ABSTRACT
Pipelineaccidentshavebroughthugelossestothenationaleconomy,sothepipelinecorrosionhasbecomethefocusoftheresearchareaofcorrosion.Thispapermainlyforthesewagetreatmentplantindomesticwaste-waterofQ235steelpipelinecorrosionresearch,byweight-lossmethod,hangingplatemethodandplanintervalexperimentmethod,electrochemicalmethod.Thecorrosionrateandcorrosionpotentialofthesteelinthelifewastewaterweretested.Thepolarizationcurveswereplottedbyusingtheconstantpotential,thecorrosionmechanismandthecorrosionprotectionmethodswerediscussed.Atthesametime,thecorrosionofthesteelintapwaterwastested,whichprovidedareferenceforthestudyofthecorrosionoftapwaterpipeline.Throughtheinvestigationathomeandabroadlifewaste-waterofpipelinecorrosionresearchstatus,understandtocurrentlyusedinpipelinecorrosiondetectionmethodsandprotectionmethods,fortheexperimentisveryhelpful,verypracticalandreferencevalue.
Keywords:
weightlossmethod，planintervalexperimentmethod，electrochemicalmethod
1绪论
一般来说，材料或材料的性质由于与它所处环境发生的化学或电化学反应而变质，通常将这种现象称为腐蚀。
腐蚀的危害已经涉及到各行各业，伴随腐蚀带来的经济损失无疑是非常巨大的。
腐蚀实际上会造成物不能尽其用，而且会引起有害物质的泄露，不仅污染环境，更会对人们的安全造成威胁。
由此可见，对金属腐蚀的防护显得非常重要，它不仅能节省能源的损失，还能够保护环境。
生活污水主要是城市生活中使用的各种洗涤剂和污水、垃圾、粪便等，多为无毒的无机盐类，生活污水中含氮、磷、硫多，致病细菌比较多。
而生活污水管道一般都是部分浸泡于生活废水当中，即处于液态腐蚀介质中，其管道主要发生的腐蚀类型为化学腐蚀和电化学腐蚀[1]。
不同地区的生活污水由于其腐蚀性介质的成分和浓度会存在差异，对生活污水的排水管道的主要腐蚀现象为：
钢筋的锈蚀、硫氢酸的腐蚀、酸性软水的溶出型腐蚀等。
它的腐蚀作用是持续性的，缓慢的，短期内不会造成太大危害。
但是生活污水管道的使用周期长，不容易检修和维护，因此，长时间后腐蚀危害现象还是挺严重的。
污水处理设施一般用焊接钢管（Q235），无缝钢管（高压），UPVC（给水管或化工管），ABS（工程塑料管），镀锌钢管。
防腐等级高的还可以用不锈钢管SS304、SS316，以至于SS316L[2]。
污水处理厂用的最多的是焊接钢管。
本次实验所选用的材料为碳钢（Q235钢），也是大多数生活污水管道所采用的材料，因此此次实验具有一定的代表性。
1.1管道腐蚀所造成的危害和损失
一般来说，腐蚀的危害主要从四个方面来体现，它们分别是经济上的损失，自然资源和能源的消耗，有的腐蚀还会阻碍新技术的发展，会污染环境和对人们的安全造成威胁。
腐蚀造成的经济损失到底有多大，大部分人可能还没有一个清楚的认知，近年来各国因腐蚀造成的损失如表1-1所示。
表1-1各国腐蚀损失表
国名
年份
腐蚀损失
占国民经济生产总值100%
美国
2012
3000亿美元
4.2
中国
2014
20000亿元
3.0
英国
2012
100亿英镑
3.5
德国
2010
450亿欧元
3.0
全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失约达7000亿-10000亿美元，我国每年因金属腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值（GNP）的4%左右。
据不完全统计，在2012年美国因腐蚀造成的直接经济损失约为3000亿美元，英国2012年因腐蚀造成的经济损失约为100亿英镑，占国民经济总产值的3.5%[3]。
这些数据无疑反映出一个巨大的问题，腐蚀所造成的损失已经超出人们的预期值。
认识到腐蚀的危害之后，越来越多的国家开始重视腐蚀防护。
管道对于人们日常生活可以说提供了很大程度的便利，像输送液态、气态物质，储存等。
但是伴随而来的风险也不容小觑，一般管道都埋在地下或与土壤接触。
由于其长时间的处于土壤之中，防侵蚀性差等特点，会发生腐蚀而造成有害物质泄漏。
不仅污染环境，还会污染地下水威胁人们的安全[4]。
1.2管道腐蚀的形式和特点
管道腐蚀的类型主要分为两大类：
外腐蚀和内腐蚀。
还可能由于微弱的杂散电流发生腐蚀，由于不同金属而发生电偶腐蚀等。
1.2.1外腐蚀
外腐蚀主要是管道外表面与外部环境接触，比如土壤、海水、大气等腐蚀介质相接触而发生腐蚀。
土壤中存在微生物、杂散电流等，都会与管道发生不同程度的腐蚀。
发生在土壤中的腐蚀大多数为电化学腐蚀。
1.2.2内腐蚀
内腐蚀是由于管道内的流体物质与管道发生发生腐蚀，包括酸性腐蚀、氯离子引起的腐蚀、微生物腐蚀、应力腐蚀、焊接腐蚀等等。
不同的物质对于管道腐蚀的速度不同，这也造成不同管道的使用年限不同。
1.3如今管道材料的分类、价格、特点
1.3.1管道材料的分类
管道是用管子、管子联接件和阀门等联接成的用于输送气体、液体或带固体颗粒的流体的装置。
常用的管道材料有金属管道、非金属管道和复合管道等。
常用的金属管道分为钢管、有色金属管、铸铁管、不锈钢管等。
1.3.2管道材料的特点
钢管具有强度高，承受压力大，抗震性能好，质量轻，内外表面光滑，容易加工和安装等优点，但其耐腐蚀性差，对水质有影响，价格较高。
铸铁管分为给水铸铁管和排水铸铁管。
给水铸铁管具有较高的承压能力及耐腐蚀性，使用期长，质脆，管壁较薄，承口深度较小，施工不方便，但能耐腐蚀，适用于室内生活污水、雨水等管道。
混凝土管道是室外排水管道的主要管材，混凝土类管道包括：
混凝土管、钢筋混凝土管、陶土管和石棉水泥管。
采用混凝土类管道的介质一般是靠重力流动，不承受太大的压力[5]。
1.3.3管道材料的价格比较
由于钢管的耐腐蚀性差，会对水质有影响，所以其使用周期较短，价格较高。
而铸铁管由于其耐腐蚀性良好，使用周期较长，所以其价格比钢管低。
选取管道的要参考的因素有其输送流体的腐蚀性，安装的简易程度，管道材料的特点等，选取合适的管道要综合各方面的条件。
1.4Q235钢管道的优缺点
Q235钢是碳素结构钢，此类钢产量最大，用途最广。
此钢是低碳钢，具有良好的塑性和焊接性能，成型能力很好，所有很多型材都采用此钢。
再加上钢具有一定的强度，适合于桥梁、建筑等工程结构，实用性能好，价格相对也很便宜，性价比高。
所以此钢用途最广。
Q235钢其耐腐蚀性较差，容易发生腐蚀是管道内流体发生变化。
而且此钢在焊接时容易出现裂纹问题，分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹。
1.5腐蚀测试与防护
面对各种各样的腐蚀类型，我们需要测定其腐蚀测度就是用到不同的测试方法。
失重法就是比较常用的一种测定腐蚀速度的方法，从腐蚀物体的重量损失，厚度，表面面积，腐蚀时间等。
通过这些最直接的物理测试得到的数据处理是最可靠的，但往往实验室需要很长时间的，这就需要一定的时间投入[6]。
还有就是利用复杂的电化学技术来测定腐蚀速度，这种实验方法往往耗时短，但实验测量有一定的偏差量。
所谓腐蚀的防护就是将材料的腐蚀率降低到一个可以接受的水平，还有一点重要的参考因素就是经济条件，要符合设计的成本要求。
目前在社会中所常用的几种金属腐蚀防护方法主要有，加金属或非金属覆盖层，也就是常用的衬里；电化学保护法，主要是阴极保护和阳极保护。
还有一定的防腐结构设计，和介质处理（比如在腐蚀介质中添加缓蚀剂）。
目前防腐工程中应用最广泛的就是添加覆盖层保护。
每一种防腐方法都不可能适用于所有腐蚀类型，只能针对一种或几种腐蚀类型，有一定的使用范围和条件。
选取腐蚀方法时，应当从经济成本、防腐效果和施工难易程度等多方面来考虑[7]。
1.6本文研究的主要内容
本文研究的方向是生活污水对Q235钢管道的腐蚀性研究。
从生活污水对该钢的腐蚀机理、腐蚀类型、腐蚀速度等，来得出生活污水对该钢的腐蚀情况。
此次试验采用了失重法，计划-间隔实验法，来得出生活污水对该钢的腐蚀率，以及随着实验时间的增加，生活污水的腐蚀性和该钢的耐蚀性是如何变化的。
采用了恒电位法，并且讨论了电偶腐蚀，来测定该钢的一些防腐条件，用以对该钢管道防腐措施提出一些建议。
2生活污水对Q235钢管道的腐蚀机理
2.1生活污水的成分分析
生活污水是人们在日常生活中进行生产劳动时所产生的污水。
一般来说，生活污水都包括厨房中的洗菜水、洗碗水，卫生间产生的废水，雨水，洗澡水和洗衣服的废水等。
影响生活污水成分的因素有很多：
不同地域的人们生活习惯不同，他们所在区域生活污水成分就不同；季节也会影响生活污水中的成分，比如春末夏初时洗涤水用量增多，生活污水中洗涤剂的含量就会增大；不同城市的污水处理工艺不同，也是不同区域生活污水成分不同的影响因素。
生活污水对管道的腐蚀是持续性的，周期比较长。
影响生活污水腐蚀性的成分有：
pH、温度、悬浮物、硫化物、钠离子、镁离子、氯离子，还有游离的碳酸根离子等。
不同地域的生活废水中腐蚀介质浓度是有差异的。
2.2Q235钢在生活污水中的腐蚀类型及腐蚀机理
金属腐蚀的腐蚀机理比较复杂，金属腐蚀的分类方法也有很多种。
按照腐蚀历程可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀；按照腐蚀的温度可以分为常温腐蚀和高温腐蚀；按照腐蚀的环境可以分为大气腐蚀、海水腐蚀、淡水腐蚀、土壤腐蚀和生物腐蚀；按照腐蚀的破坏形式可以分为全面腐蚀和局部腐蚀。
最常见的金属局部腐蚀有几下几种基本类型：
选择性腐蚀、斑点腐蚀、溃疡腐蚀、点腐蚀（又称为孔蚀）、晶间腐蚀、剥蚀、电偶腐蚀（又称为接触腐蚀）、缝隙腐蚀和丝状腐蚀[8]。
2.2.1化学腐蚀
在Q235钢的生活污水管道中，生活污水会直接与该钢表面的原子相互作用而形成腐蚀产物，这种腐蚀类型是化学腐蚀。
其腐蚀历程是一种氧化和还原的纯化学反应。
生活污水管道中除了一定量的水之外，还存在溶解氧、二氧化碳、硫化物等腐蚀介质，它们都会与该钢管道接触并且发生腐蚀。
2.2.2电化学腐蚀
电化学腐蚀是在相对独立的阴、阳区同时独立完成腐蚀历程，它是靠电位差来获得推动力来完成腐蚀历程的。
由于生活污水中成分复杂，其中含有大量游离的离子会与Q235钢发生电化学腐蚀。
生活污水中的大量游离的Cl
能在某些活性点上优先于氧原子吸附在Q235钢表面，并且和金属离子结合成可溶性氧化物，形成直径约为20-30um的小孔。
氯离子使管道发生点蚀（也称孔蚀），会在点蚀小孔内形成盐酸而加速点蚀小孔的发展。
生活污水中的S
会与水中的氢离子发生反应产生H
S，H
S会与该钢形成硫化物，这样会使管道发生应力破裂。
大量游离的碳酸根离子在生活污水中会溶于水形成碳酸，碳酸会使该钢发生电化学腐蚀并促进其发展[9]。
2.2.3微生物腐蚀
生活污水由于其中成分极其复杂，在Q235钢管道内便有很多微生物存在。
比如：
硫酸盐还原菌，硝化细菌，硫氧化细菌和铁细菌等。
在生活污水管道这样pH和温度都适应微生物繁殖的地方，微生物会大量存在。
微生物容易吸附在管道表面，并且快速繁殖扩散形成一层不连续的生物膜，导致生活污水管道表面的不均匀。
不同的微生物之间共生并且其间会产生协同效应，会加剧腐蚀速度。
微生物的新陈代谢会产生有机酸、无机酸、硫化物、氨、氢，还有矿物等，这些会造成氧浓差和小孔腐蚀；微生物新陈代谢的产物会使生活污水管道表面变得不均匀，而且微生物在管道表面的附着点容易成为电化学反应的阳极，导致点蚀、缝隙腐蚀和浓差电池等腐蚀的发生；微生物会破坏保护性覆盖层的稳定性，通过分纤维分解酶破坏生活污水管道的有机纤维覆盖层，而使Q235钢管道在生活污水中加速腐蚀[10]。
2.2.4硫化氢腐蚀
生活污水中游离的硫离子会与水中的氢离子反应生成硫化氢，它们之间反映方程为：
。
而H
S一旦融于水中便立即电离使溶液呈现酸性，H
S在水中的电离分解反应为：
。
H
S水溶液对Q235钢管道的电化学腐蚀过程的反应式：
阳极反应：
阴极反应：
对于Q235钢管道而言，附着于管道表面的腐蚀产物不只是FeS，随着生活污水pH值和H
S浓度的变化会具有不同Fe和S的组成，其产生的腐蚀产物主要有Fe
S
、Fe
S
、FeS
、FeS。
硫化氢导致的腐蚀类型主要是均匀腐蚀或局部腐蚀，影响硫化氢腐蚀的因素主要有H
S的浓度、pH值，和温度等[11]。
2.3生活污水管道在实际生活中的腐蚀情况
从大体来看，我国的生活污水管道的现实情况不容乐观。
我国修建于1950年左右的排水管道到今天已经有60多年的使用寿命了，由于其运输的介质是生活废水，经受长年累月的的腐蚀，管道容易破损从而造成污染物质泄露，造成环境的污染和对人们安全的威胁。
另外，随着经济的不断发展，原有的管道根本不能满足人们的生产需要，就不得不在原有的管道基础上扩建城市排水管网。
这时候，我们就要重视原有生活废水管道的维护管理，这是保证管道正常且安全运行的关键。
金属管道、配件、水箱和水塔等输配水设施本身含有杂质，金属与杂质之间存在着不同的电极电位，这样，在水的作用下会形成无数微腐蚀原电池，由于化学和电化学作用会对管道内壁造成较严重腐蚀，产生大量铁、锰、铅、锌等金属锈蚀物。
研究表明，对于未作防腐处理的金属管道，当年限超过5-10年时，污垢就会达到恶化水质的程度，对于防腐处理较低的金属管道，3-5年就开始出现腐蚀现象，管道使用年限越长，腐蚀越严重，水质状况越差。
腐蚀物和水垢物是管网中形成的新的污染源，沉积物是潜在污染源[12]。
2.3.1国内研究发展概况
目前，我国的生活污水管道修复大都是在管道发生了泄露、破坏以后而进行的抢修。
这种情况，不仅已经造成了经济损失，还引起了环境污染问题。
因此，我国目前在大力发展和普及污水管道检测技术，做到防范于未然。
必须加快智能检测器的国产化速度，进行定期的管道检测，建立管道检测信息数据库，从中找出各条生活污水管道的腐蚀规律，从而采取有效的措施将人们的损失降到最低。
2.3.2国外研究发展概况
在国外，管道的检测维护研究开始的比较早，西方的发达国家早在五六十年代就开始了管道检测技术研究。
随着管道检测技术的不断提高，为保证管道的安全运行和减少管道事故造成的危害和损失起到了重要作用。
目前最主要的管道检测技术是闭路电视（CCTV）和声纳技术，CCTV系统安装在自走车上，可以进入管道内进行摄像记录技术人员根据检测录像，进行管道状况的判读，就可以判断管道的腐蚀情况。
比如，英国就规定了排水管道依据管龄的长短，每隔1-5年就要检查一次。
日本则规定一般10年一次，管龄超过30年的，每隔7年查一次生活废水管道的使用情况[13]。
以美国为首的欧美国家，非常重视给水排水管网。
美国环保署（EPA）对水管材料选择做出硬性规定，管材的选择必须满足高质量、低维护、长寿命的要求。
城市自来水供水管网，凡干管改造，一律选用不锈钢管和球墨铸铁；进出高楼的供水管，首选不锈钢水管。
2003版美国国际标准委员会的水管和住宅标准再次包括了这方面的内容，说明不锈钢水管的使用已正式得到美国官方批准。
其他国家如加拿大卫生部、荷兰卫生鉴定委员会和世界卫生组织也确认了这一标准。
现在越来越多的国家要求饮用水系统的管道和系统部件必须符合上述标准，以此作为健康保证的基础，符合该标准要求的第一批材料有304/304L、316/316L不锈钢。
在美国，不锈钢管已成为美国30年来新建的1600多座城市污水处理厂的标准用材。
1955年以前日本的自来水供水管道普遍使用的是镀锌管材。
1955-1980年间，大量使用的是塑料管和钢塑复合管。
从1980年开始，从输水辅助干线到水表之间，凡直径50mm以下的供水管道全部采用不锈钢管、管接头、弯管和水龙头[14]。
3实验部分
3.1实验内容涉及公式
3.1.1暴露试样面积的计算公式如下：
（3-1）
式中：
A：
试样的总面积，mm
；
D：
试样的直径，mm；
d：
挂孔的直径，mm；
h：
试样的厚度，mm。
选取挂钩时，应尽量选取直径小的挂钩，保证腐蚀面积均匀。
3.1.2腐蚀速度的测定
1）重量法测定腐蚀速度
重量法测定腐蚀速度又分为失重法和增重法。
失重法适用于试样的腐蚀产物能很好的去除而不损伤主体试样的情况，其计算公式如下：
（3-2）
式中：
R：
腐蚀率，mm/a；
W
：
实验前的试样质量，g；
W
：
实验后的试样质量，g；
S：
试样的总面积，cm
T：
实验时间，h；
D：
材料的密度，g/cm
增重法适用于当腐蚀产物全部附着在金属上，并且不易去除时可以采用这种方法。
由于此次实验的腐蚀产物能够很好的去除而不损失碳钢试片，所以此次实验采用失重法进行碳钢在生活废水中的腐蚀速度测定。
2）电化学法测定腐蚀速度
除了以腐蚀前后金属重量的变化来测定腐蚀速度，我们还可以采用电化学法来测定腐蚀速度。
金属在电解质溶液中构成腐蚀电池而发生电化学腐蚀，其腐蚀速度可以用腐蚀电池的腐蚀电流来表征。
因为金属溶解的数量与电量的关系遵循法拉第定律，所以通过已知腐蚀电流或腐蚀电流密度就能计算出所溶解物质的质量，即：
（3-3）
式中W——在时间t内被腐蚀的金属量，g；
Q——在时间t内从阳极上流过的电量，C；
t——金属遭受腐蚀时间，s；
I——电流强度，A；
A——摩尔质量，g/mol；
N——参加反应的电子数，等于金属的化合价变化数；
F——法拉第常数，96500C/mol。
如果电流强度I是阳极的电流密度i
则单位时间单位面积上的腐蚀量（即腐蚀速度）应为
（3-4）
式中K——腐蚀速度，g/（m
h）；
S——阳极区面积，m
；
i
——阳极区电流密度，A/m
，也是腐蚀速度的电流指标。
对于单一金属的腐蚀速度计算来说，上式中面积S通常就取包括所有微阳极和微阴极的总面积，电流密度i
就是金属的自腐蚀电流密度。
3.1.3腐蚀实验计划间隔实验法实验周期的确定
试验周期（h）的确定：
2000
腐蚀率（mm/a）
预测碳钢试片在生活废水中的腐蚀率为0.3mm/a，根据上式则可以计算出试验周期：
试验周期=（2000
25.4）/（0.3×1000）=169.3h
进行标准化后，取试验周期为144h。
3.2实验内容及方法
a）用失重法分别测试碳钢在生活污水和在自来水中的腐蚀率并加以比较。
b）用计划—间隔实验法测定碳钢在生活污水中和在自来水中的耐蚀性和溶液腐蚀性的变化，并加以比较。
c）利用恒电位法测试碳钢在生活污水中电化学极化行为来分析其腐蚀机理，即阳极极化曲线，阴极极化曲线。
3.3计划—间隔试验方法介绍
a）取四组试样每组试样3片。
四组试样放置在几个烧杯里进行条件相同的平行实验。
图3-1计划—间隔试验法时间示意图
本次实验一、二、三组同时开始试验，且实验条件都相同。
第一组为全程实验（试验周期a=36小时），第二组实验时间为t=108小时，第三组实验时间为t+a=144小时，当一、二、三组实验进行到t=108小时时，将第四组试样置入上述溶液中开始实验，实验时间为b=36小时（b=a）。
b）全部实验都按此标准进行，将获得的四组试样的腐蚀损失（即单位面积的失重）作为评价的依据。
c）评价
设Ra、Rt、R
和Rb分别为一、二、三、四组试样的腐蚀损失，Rc是试验在108小时到144小时之间的‘计算腐蚀率’。
实验期间发生的情况根据表3-1、表3-2来进行判断。
表3-1腐蚀实验期间发生的情况
类别
结论
判据
溶液的腐蚀性
没有变化
Ra=Rb
下降
Rb〈Ra
增加
Rb〉Ra
金属的腐蚀率
没有变化
Rc=Rb
下降
Rc〈Rb
增加
Rb〈Rc
表3-2综合情况评价表
序号
溶液腐蚀性
金属腐蚀率
判据
1
没有变化
没有变化
Ra=Rc=Rb
续表3-2
序号
溶液腐蚀性
金属腐蚀率
判据
2
没有变化
下降
Rc〈Ra=Rb
3
没有变化
增加
Ra=Rb〈Rc
4
下降
没有变化
Rc=Rb〈Ra
5
下降
下降
Rc〈Rb〈Ra
6
下降
增加
Ra〉Rb〈Rc
7
增加
没有变化
Ra〈Rc=Rb
8
增加
下降
Ra〈Rb〉Rc
9
增加
增加
Ra〈Rb〈Rc
3.4实验器材与药品
碳钢、金相砂纸、电吹风机、干燥器、烧杯、塑料绳、温度计、精密电子秤、玻璃棒、游标卡尺、丙酮棉球、酒精、生活废水、橡皮擦、软毛牙刷、自来水（温度在25℃）。
恒电位仪、参比电极（饱和甘汞电极）、辅助电极（铂电极）、铁架台、铁夹、碳钢试片、碳钢试条。
3.5实验材料处理
3.5.1碳钢试片材料表面处理方法
首先用表面比较粗糙的砂纸（即粒度较小的砂纸）进行打磨，再用粒度为300、500的金相砂纸细磨所有实验所需的碳钢试片，以及之后电化学实验要用的研究电极暴露面。
所有碳钢试片都应将表面磨成镜面，无任何缺陷，并且将边沿磨光。
做完这些之后，将所有碳钢试片用丙酮棉球进行脱脂处理，并用清水清洗试样。
再用电吹风机将它们吹干放入干燥器中干燥。
3.5.2碳钢试片的尺寸测量和称重
碳钢试片的尺
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