供水系统铸铁管材的腐蚀行为及影响因素研究

摘要

本课题以保证供水管网的水质安全为目的，通过静态实验和动态实验较为全面地探讨了铸铁管材的腐蚀机理及影响因素。从管段中提取生长环及污泥，经分离提纯得到硫酸盐还原菌和铁细菌菌株，以相应的培养基培育菌株作为腐蚀介质，监测微生物的生长代谢对生长环境的影响。采用电化学方法和表面分析技术研究硫酸盐还原菌和铁细菌对金属管道腐蚀的影响，探讨微生物存在时，阳极金属的活性溶解和生物膜下点蚀的萌发和生长发展。通过动态实验模拟水流对管壁的冲刷作用，研究不同流速、流态下管材腐蚀行为的变化。实验发现，管网中微生物主要存在于管道内壁，而金属表面的粗糙程度与细菌的黏附和生物膜的形成等因素有关，因此细菌总数、铁细菌和SRB数量在铸铁管材上都呈现出最大值（分别为5.3×107 cfu/cm2、2.5×105 cfu/cm2、184cfu/cm2，t=45d），说明管材的选择对水中细菌总数和生长环的形成是至关重要的。硫酸盐还原菌可使铸铁管材发生点蚀现象。但相对于无菌水，腐蚀产物层的结构更加多样复杂，呈现不均匀性。
　　本文针对供水管网的运行情况特点，揭示了水流速度和与铸铁管材腐蚀速率的关系。腐蚀速率与主体水流速线性相关，流速的增加，加快了水中腐蚀性物质的传输速率和电荷转移过程，从而促进铸铁的腐蚀进程。动态实验中维持一定的水力停留时间可导致铸铁管材的腐蚀速率增大，说明主体水由静态-动态或动态-静态的变化促进了铸铁管材的腐蚀过程。流速的变化加快了使腐蚀性物质的传输和腐蚀进程，从而使管材的腐蚀速率大于主体水流速恒定的状态。此外，铸铁管材的腐蚀与水质条件变化密切相关。随着腐蚀速率的增加，水中浊度和色度明显增加，说明铸铁管材腐蚀是“有色水”的产生的主要原因；此外，腐蚀还可能导致铸铁管材向主体水中释放铁离子，使水中Fe2+浓度和总铁含量增大，影响供水水质。
　　本研究建立了水中氯浓度与铸铁管材腐蚀速率的变化关系。Cl-可使铸铁表面表面活性点增多，吸附的Cl-含量增大，而电荷转移电阻 Rct降低至6307×103Ω·cm2(CCl-=2.0mg/L)，从而加速了铁的阳极活性溶解过程，使铸铁管材的腐蚀速率增大。通过 SEM观察到铸铁表面存在明显的点蚀坑，且蚀孔深度与铸铁表面的平均粗糙度随时间的增加而增大，表明水中氯离子的存在可导致铸铁管材的腐蚀过程以点蚀的形式向管壁内部发展，对管材的破坏性极大。
　　研究表明水中氯离子作用下生成的腐蚀产物主要为 Fe2O3、Fe3O4和α-FeOOH和γ-FeOOH，其结构疏松多孔。氯离子存在时，易形成稳定性较差的β-FeOOH，暴露于空气中转化为α-FeOOH和γ-FeOOH，因此在XRD分析中并未检测到此相。但β-FeOOH大量存在于腐蚀产物层内部，其相针之间的间隙较大，可以使水分存留其中，为点蚀的发生创造有利条件。与α-FeOOH相比，其结构比较疏松，不易于形成致密的钝化层而抑制管道的腐蚀发生，而Cl-可能阻止腐蚀产物向较稳定的α-FeOOH转变，抑制管材表面钝化层的形成。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2供水管网的现状

1.3供水管网中金属管材的腐蚀

1.4研究金属管材腐蚀的技术方法

1.5课题来源

1.6课题研究目的和研究内容

第2章 实验材料与研究方法

2.1 实验材料

2.2实验设备和装置

2.3实验方法

第3章 供水管网中铸铁管材的微生物腐蚀

3.1 引言

3.2铸铁管材表面微生物的生长特性和形态

3.3铸铁管材在不同介质中的微生物腐蚀行为

3.4铸铁表面的腐蚀形貌

3.5 铸铁管材在不同介质中的腐蚀机理

3.6 微生物腐蚀对介质环境的影响

3.7 本章小结

第4章 管网中流速对铸铁管材腐蚀的影响

4.1 引言

4.2 流速对管材腐蚀腐蚀行为的影响

4.3腐蚀产物表面形貌分析

4.4铸铁管材腐蚀对水质的影响

4.5流速流态对管道腐蚀的影响

4.6本章小结

第5章 基于余氯浓度变化的铸铁管材腐蚀过程分析及影响因素

5.1 引言

5.2余氯对铸铁管材腐蚀过程的影响

5.3表面腐蚀产物层形态分析

5.4余氯衰减对腐蚀的影响

5.5铸铁在含氯水中的腐蚀及防护

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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