胶东某城市热网直埋型补偿器腐蚀原因的定性分析

【摘 要】随着城市集中供热的不断发展，供热管网的安全性越来越被人们重视，本文通过对实际工程中补偿器损坏的一个案例，分析了其损坏的原因，希望能够引起工程技术人员的重视。
【关键词】供热管道 波纹补偿器 电化学腐蚀

1.前言
山东烟台地区某城市供热管网始建于2004年，管网最大管径为DN800mm，采用波纹补偿器进行热补偿，波纹材质为316L不锈钢，5层，每层厚度0.8mm。管网投运后，供热效果良好，运行比较平稳。
2009年供暖期间，巡线工发现位于621差转台门前的供热主干管处有热气冒出，当即通知生产部门进行查看、维修。
经过现场挖掘发现，DN800mm供水管道的补偿器波纹破坏发生泄漏，热水喷出，回水管道的补偿器腐蚀也很严重，但未破裂。经过紧张的抢修，将供、回水管道补偿器进行更换，终于实现了正常供热。
针对这起补偿器的泄漏事故，热力公司、设计单位、生产厂家共同分析补偿器损坏的原因，在排除了设计、制造因素后，对事发地点周围环境进行观察，分析造成补偿器损坏的原因。补偿器损坏状况如图所示。
2.腐蚀原因分析
1）地下含有较高的氯离子使不锈钢波纹发生了电化学腐蚀。
由于补偿器保温接口处出现裂缝，使补偿器易于遭到地下水的侵蚀。在事故现场，不仅发现了大量泄漏的热水，还发现了污水，原来与供热管道平行敷设的污水管道发生了泄漏，其与供热管道水平距离为4.5米，离泄漏点7.0米处有一污水井。泄漏点东侧25米处为一海水养殖厂。海水养殖厂不定期的将海水排到该污水井中，污水管道泄漏使补偿器浸到浸泡，污水中含有的大量氯离子，使补偿器的波纹发生了腐蚀。
众所周知，不锈钢特别是316L不锈钢具有较强的耐腐蚀性能，其耐腐蚀的重要原因在于起保护作用的氧化膜具有自愈性，当氧化膜破损时，能够重新形成薄膜，对金属进行保护。但处于钝态的金属仍有一定的反应能力，氧化膜的溶解和修复（再钝化）处于动态平衡状态，当介质中含有活性阴离子时（如常见的氯离子），平衡便受到破坏，溶解占优势，原因是氯离子能优先地有选择地吸附在氧化膜上，把氧原子排挤掉，然后和氧化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，在露出基底的金属的特定点上生成小蚀坑，这些蚀坑称为孔蚀核，即为蚀孔生成的活性中心。
可见氯离子的存在破坏了不锈钢的钝态，实验研究表明，有氯离子存在的环境下，不锈钢既不容易产生钝化也不易维持钝化。在局部钝化膜破化的同时，其余的保护膜保持完好，这使得腐蚀的条件得以实现和加强，根据电化学产生机理，处于活化态的不锈钢较之钝化态的不锈钢其电极电位要高许多，电解质溶液就满足了电化学腐蚀的热力学条件，活化态不锈钢成为阳极，钝化态不锈钢成为阴极。由于腐蚀点只涉及到一小部分金属，其余大部分未腐蚀区域是一个大的阴极面积，而在电化学反应中，阴、阳极反应速率是相同的，这样集中到阳极腐蚀点上的腐蚀速度非常快，且具有穿透作用，这样蚀坑会越来越深，使波纹遭到损坏。
较高的压力和供水温度（压力为1.15MPa，供水温度约100℃）也加速了波纹管在存在氯离子环境下的电化学腐蚀，同时使波纹管发生了应力腐蚀，进一步加速了波纹管损坏的进度，这一点从回水管补偿器损坏的比较轻可以看出。
2）地下存在的大量铜金属使不锈钢波纹发生了电化学腐蚀。
泄漏点在621差转台门前，差转台地下埋有大量的铜制接地网，该接地网在供热管道施工时，曾被挖出后又被恢复。由于污水管道的泄漏，使补偿器遭到污水侵蚀，在补偿器周围存在大量的含氯离子的电解质，加之氯离子对不锈钢波纹氧化膜的影响，使不锈钢的基底金属与铜板之间形成了Cu-Fe原电池。该原电池反应如下：
不锈钢波纹：Fe→Fe2++2e
      O2+2H2O+4e→4OH-
铜板接地网：Cu→Cu2++2e
      O2+2H2O+4e→4OH-
不锈钢波纹上由于电子流出，氧的还原反应被抑制，不锈钢波纹的氧化反应加强；铜板上由于电子流入，铜的氧化反应被抑制，氧的还原反应加强。结果不锈钢波纹腐蚀加速，铜板接地网获得保护。
金属或合金越活泼，在与高电位金属组成电偶对时，活泼金属更易被腐蚀，此外温度、电解质浓度都会影响电极电位，温度、浓度越高活泼金属电极电位就越低，腐蚀就越强烈。供水管道补偿器先于回水补偿器破裂就说明了这个问题。
3）地下存在的杂散电流使不锈钢波纹发生了腐蚀。
杂散电流是指在设计或规定的回路以外流动的电流。它能加速金属管道的腐蚀，对埋地金属管道影响较大。
杂散电流按照其产生电流的电流源不同，可分为三类：
第一类：直流杂散电流，由直流电流源产生，主要出现在地铁、直流电焊机和阴极保护系统中。
第二类：交流杂散电流，主要发生在高压输电线中。
第三类：由于地球自身的磁场而引起的。
杂散电流的存在会加速金属的腐蚀，根据法拉第定律可以得到因杂散电流腐蚀而失去的金属的重量。
    W=tMi/Fn
W——金属溶解的质量，g
M——金属的原子量
n——金属离子的电荷（腐蚀作用中金属的原子价）
F——法拉第常数
i——腐蚀电流，A
t——腐蚀时间，S
杂散电流产生的原因：
杂散电流容易受到周围环境的各种因素影响，是一个不稳定的物理量，产生的原因也很复杂，一般归结为以下两点：
（1）电流泄漏
电流泄漏是产生杂散电流的一个主要原因。它主要是由于接触或者绝缘不好等原因造成的。一旦有了电流泄漏，就会导致金属结构物中自由电子发生定向移动，造成电子与金属阳离子的分离。
（2）电位梯度
电位梯度是产生杂散电流的另外一个主要原因。如果某一金属结构物置于一个电场中，而且这个电场的电位分布是不均匀的，存在电位梯度，这样这个金属结构物就容易遭受杂散电流的腐蚀。具体原因是因为电场中存在电位梯度，会对放于其中的带电粒子（金属中的自由电子）产生电场力，在电场力的作用下，金属内部的自由电子就会发生定向移动，造成电子与金属阳离子的分离。此时若金属结构物所处的环境是电解质环境，金属阳离子就会脱离金属，进入电解质中去，金属就遭受了腐蚀。
由于事故地点位于621差转台附近，其周围存在较强的电场，在电场力作用下，浸于含有大量Cl-污水中的补偿器的自由电子要发生定向位移，使自由电子与金属阳离子发生分离，自由电子将与污水中的阳离子结合，而金属阳离子将与污水中的阴离子结合，加速补偿器的腐蚀。腐蚀示意图如图所示。
基于以上几点的分析，第一点原因应是造成波纹补偿器腐蚀破坏的主要原因，正是氯离子使不锈钢波纹发生了电化学腐蚀，才形成了后面的Cu-Fe原电池，而后者又加速了前者的腐蚀速度，最终在三方面共同的作用下，使补偿器的波纹发生破坏导致泄漏。
通过对以上情况的分析，补偿器遭受腐蚀的重要媒介是存在其周围的污水形成的电解质环境，为了防止此部位补偿器再发生类似事故，将该处补偿器放在钢筋混凝土井室中，保证其外部空间的干燥，消除了补偿器周围的电解质环境，使其不再遭受电化学腐蚀。
3.结束语
随着城市的发展，供热管网的规模不断扩大，城市热力网管道所处的环境也日益复杂，就本工程而言，热网补偿器的腐蚀涉及了电化学、电磁学、土壤化学等多个学科和领域，这就要求从事供热工作的工程技术人员，除了要掌握本学科的专业知识外，还要涉猎相关学科的知识，扩大知识面。这样在热力网的设计中，才能充分考虑热力网所处环境，精心选择热力管道敷设路由，减少地下水、地下管道、构筑物及周围电场对热力管道的影响；此外在设计过程中还应尽量减少易损部件的使用，以降低管网事故率，保证安全供热。

参考文献

［1］吴玮巍，蒋益明，廖家兴，钟澄，李劲—Cl离子对304、316不锈钢临界点蚀温度的影响 复旦大学材料科学系
［2］王璐—钢板桩码头靠泊船杂散电流腐蚀研究  大连理工大学
［3］许建国—浅谈杂散电流腐蚀机理及防护措施   铁道机车车辆