超声波技术在长距离输水管道防腐工程中的应用.pdf

2023.7周雪杨，姜国徽，许国栋（山东省调水工程运行维护中心福山管理站，山东 烟台 265500）揖摘要铱 分析了山东省胶东调水管道工程发生腐蚀生锈的原因，提出了一种新型的防腐防锈技术超声波技术，其空化、杀菌、剪切等功能能够对管道起到防腐防锈功能，实践证明，效果较好。揖关键词铱 胶东调水；管道工程；超声波；防腐防锈揖中图分类号铱 TV85揖文献标志码铱 A揖文章编号铱 1009-6159渊2023冤-07-0044-02山东省胶东调水工程是实现全省水资源优化配置、缓解胶东地区水资源供需矛盾、改善当地生态环境的大型长距离输水工程。工程输水线路总长 469.2 km，其中利用现有引黄济青段工程 160.5 km；新辟输水线路 308.7 km，包括输水明渠长 159.6 km，管道工程 149.1 km。输水管道设计流量 5.54.8 m3/s，校核流量 7.26.2 m3/s。工程等别为 I 等，主要建筑物为 1 级，次要建筑物为 3 级，抗震设防烈度为 VII 度。输水管道工程主要采用管道、暗渠和隧洞相结合的方式输送水源，根据埋深、地质等情况，管道采用预应力钢筒混凝土管（PCCP 管）、螺旋钢管和玻璃钢管 3 种管材组成，穿河及穿路（含铁路、公路）处全部采用螺旋钢管；根据沿线管道压力不同，管道直径为 2 200 mm、2 000 mm 以及 1 800 mm 三种。输水方式为加压输水和有压重力输水组合的输水方式，全部地埋铺设，输水系统复杂，因此受土壤、水体、空气等多种因素作用而导致腐蚀生锈的现象普遍发生，影响工程的运行寿命和供水安全。为此，本文探索一种安全、经济、有效输水管道防腐防锈技术，即超声波技术。1管道腐蚀的原因化学腐蚀主要是由输水管道内部水体夹杂的介质引起，水体中具有腐蚀性的杂质可直接腐蚀管材。山东省胶东调水管道工程主要引调长江水、黄河水，水体在长距离输送中往往会夹带各种盐类，主要是 CaCl2和 MgCl2，这些盐类物质不会直接对钢管本身造成腐蚀，但 CaCl2和 MgCl2在 pH 值较小的水体中极易发生水解，它们是腐蚀性盐酸的重要来源。水体日积月累的流动冲击着管材内原有的防护薄膜，防护薄膜不断溶解、掉落，剥离出铁离子、铜离子，与水体中腐蚀性盐酸发生化学反应而引起锈蚀，从而导致输水管道内壁严重腐蚀。微生物腐蚀是指附着在钢管表面生物膜中的微生物生命活动导致钢管腐蚀破坏的一种现象。附着在钢管管壁上的生物膜富含不溶性硫化物、低分子有机酸、高分子胞聚糖所组成的复杂混合物，这种混合物在水体中极易与金属发生复杂的电化学反应。钢管的金属表面状态在微菌落的作用下容易发生改变，脱离出金属电子，为发生腐蚀创造了条件。生物膜能够分泌出一种促进还原阴极的有机酶，细菌通过细胞膜上的电子转运蛋白或者自身分泌的生物小分子转移电子载体，在有机酶的作用下从金属中获得电子，引起阳（阴）极反应，发生电化学反应，从而导致金属发生腐蚀。微菌落在水体中持续不断的活动，能够扩大腐蚀的程度，由均匀腐蚀转变为局部腐蚀，加速钢管的腐蚀速度。综上所述，微生物腐蚀是自身的生命活动引起的反应，因此抑制或者破坏生物膜的形成，能够大大降低微生物腐蚀发生收稿日期：2023-04-28作者简介：周雪杨（1987），女，工程师山东水利44窑窑2023.7的机率。外部腐蚀主要由金属管道与其他类似金属之间发生反应引起的腐蚀，也称为金属腐蚀。埋设在地下的管线具有不同的对地电位，在相互干扰的作用下可以导致不同金属之间的短接。当这种短接发生在两种不同电位之间时，就会产生活性金属，活性金属作为阳极，与潜在的负电位的合成一种微型电流。在潮湿的环境中，金属管线在这种微型电流的作用下就会发生电位腐蚀。输水钢管是铁碳合金，铁是阳极，阳极金属和其他物质组成许多微型电流，在潮湿的空气和土壤中加速这种电流的产生，直接导致金属腐蚀。若遇到管材防腐保护层软化、开裂、针状气泡等情况，更加速输水管道外部腐蚀的发生。2超声波防腐技术的原理超声波的空化作用是存在于水体中的微气核空化泡在声波的作用下产生振动，当声压达到一定数值后发生生长和崩溃的动力学过程。当输水管道接入超声波后，水体发生剧烈振动，产生数以万计的微小空化泡。这些气泡在超声波作用下纵向传播，在负压区生长，到正压区迅速闭合，在正负压强交替作用下受到强烈的压缩、拉伸。气泡被压缩或拉伸至破裂的一瞬间，会产生巨大的瞬时压力，一般可高达几十兆帕至上百兆帕，同时产生瞬间的高温（可达 5 000 K 以上），并伴有强烈的冲击波和时速达 400 km 的微射流。瞬时的高温、高压微射流，能够抑制钙、镁、氯离子与铁离子发生作用，从而达到防腐目的。超声波具有的杀菌作用主要是在空化作用下引起的。超声波是一种纵波，在水体中传播时会产生交替压缩和膨胀压力变化的区域，从而发生空穴现象，并在介质中形成微小气泡核。微小气泡核在绝热收缩和崩溃的瞬间，其内部呈现 5 000 K以上的瞬时高温和压力，直接破坏微生物的细胞壁，杀死水中的细菌，阻止生物膜的产生，达到了防止钢管在生物膜作用下被腐蚀的目的。超声波的机械能作用于结晶物质、管壁以及水体中，由于这些物体对超声波频率的响应不同，各自产生的振动幅度不同，因此在微观层面上产生高速的相对运动。高速的相对运动使水体中各种盐类的结晶体与管壁界面上产生相对剪切力，在这种超声波形成的剪切作用下，液体中的结晶体和微小结合物与管壁发生松脱，避免与钢管的直接接触而引起的钢管腐蚀。3超声波防腐技术的优点传统的管道防腐主要采用环氧煤沥青、富锌涂料等化学试剂涂敷在管壁上，除锈一般常采用化学除锈的方式。传统的化学除锈剂主要成分是盐酸，酸类物质能够与钢管表面的铁锈发生化学反应，从而达到除锈的目的。同时，酸类物质又能与金属发生反应产生含有氢成分的物质，对铁锈及难溶的氧化皮产生压力，加速铁锈的脱落及还原铁。但是，大量的氢气会使钢管产生氢脆现象，削弱了钢铁本身的强度，也容易形成酸雾，危害操作人员的身体健康，腐蚀周边其他的金属设备。因此传统的防腐、除锈方式环境污染大、成本高，而且只能在停水期施工。而超声波技术是通过纯物理方式来作用，是以水体为介质产生空化、剪切、杀菌效应，从而对输水管道起到防腐防锈作用，不污染环境，对人体无害。因超声波无污染、效果明显、作用持久，是国家重点推广的节能技术，已经在军工业、船业、暖通设备等行业广泛使用。众所周知，超声波具备穿透力强、可传递极强的特性，在水体中传播时可以引发产生干涉、反射、叠加和共振等现象，穿过材料或仪器设备内部时，不会造成设备的损伤。基于管道工程研制的超声波除锈防腐设备作为一种自动程序，能够实现 7伊24 h 持续在线工作，便捷性高、功能强大。超声波除锈防腐作用的主要介质是水体，因而输水管道满管时也能够正常工作，不受工程运行与否的影响，不必停水停工，节约了时间成本。而且超声波技术操作简单，超声波防腐系统设备内部程序设定好后，一旦开启运行，紧紧需要一个按钮便能控制启停，不需要人力在现场维持。同时他能够智能化控制超声波频（下转第 48 页）周雪杨，姜国徽，许国栋：超声波技术在长距离输水管道防腐工程中的应用45窑窑2023.7（上接第 45 页）率，发出的超声波频率范围在 1998 kHz 之间，低功率的超声波运行只对单细胞生物和微生物起到作用，对人体均无影响。因此，超声波检测技术是一种低成本、速度快、安全有效的技术。超声波是通过运用一定频率范围内的纵波作用在输水管材表面，通过水体介质将纵波传输到管材各个角落，所以只要确保输水管材中有水体，就能够得到有效的防护，符合胶东调水管涵工程的实际情况。胶东半岛地区年降水量仅为 650800 mm，人均水资源量仅为全国平均的 1/71/6，是水资源最短缺的地区之一，而且降水季节变化比较大，夏季降水量高达 90%，山东半岛地区多低山丘陵，河流源短流急，不宜存蓄，因此山东半岛地区水资源极度缺乏。山东省胶东调水管道工程建成后，20152022 年期间，每年除了设备检修需要停水 12 个月之外，其余时间都是满荷运行，每年管涵工程连续运行平均长达1011 个月之久，运行时间长，管材中水体持续处于满载状态。因此，超声波技术在输水管道中防腐防锈作用能够达到 10 个月以上，作用时间长，而且能够遍布到管材的各个缝隙和角落，达到无死角的防腐效果。4结 语山东省胶东调水管道工程在运行过程中，因管材生锈腐蚀导致输水渗漏时常发生，严重影响工程运行安全，威胁工程沿线人民群众的生命财产安全。解决调水管道腐蚀生锈的问题已经成为水利工程高质量发展的必然要求。相较于传统技术，超声导波防腐防锈技术具有便利性、安全性以及成本低等优势，对管道本体无损害，安全环保，而且作用时间长、防腐效率高，能够达到无死角防护作用。胶东调水管道在运用超声波技术后，超声波作用覆盖面范围内不再出现明显的锈蚀痕迹，防腐效果明显，在长距离输水管道的防腐防锈中具有很好的推广价值。（责任编辑 崔春梅）系统功能包含自动编研和编研管理两部分，自动编研包含编研预设设计器与和编研生成器两部分，编研管理包含编研成果的上传、编研分类管理、成果管理和成果发布。通过三维虚拟建模技术建设网上虚拟档案展厅，将山东南水北调档案资料发布在虚拟展厅中，从而起到宣传山东南水北调文化的作用。线上虚拟档案展厅系统共分为 3 层，分别是表现层、支撑层和基础层。其中，表现层包含前台展示系统和后台管理系统。支撑层包含 VR 浏览模块等 5 个模块，这些模块支撑表现层的功能实现。基础层包含展厅资料库等基础数据。线上虚拟功能不仅能将已有的线下档案馆还原到网上，也能根据设计图纸进行建模，渲染出全景图片，使虚拟的展厅在网上展示，达到和真实场景相似的效果。线上虚拟展厅支持人物讲解，图片、视频、音频讲解，场景选择，点赞，意见反馈等功能，且能根据展厅主题的不同进行定制化处理。前台展示山东南水北调线上虚拟档案展厅 3D 建模，创建虚拟展馆并陈列展示。后台管理系统实时统计当前网站的浏览人数、点赞人数和意见反馈，随时对虚拟场景中的介绍信息进行更新，并支持门户信息平台的无缝接入。3结 语南水北调工程功在当代、利在千秋。记录南水北调建设过程和建设历史的档案资料必须得到有效保护。针对南水北调工程档案管理工作开展智慧化和信息化研究是非常及时和必要的。档案数字化是开展信息化服务的基础，南水北调山东段工程档案数字平台建设，既是历史的责任，也是现实的需要。参考文献1戴欣欣.南水北调工程档案管理系统实施研究D.北京：北京邮电大学，2014.2吴继红，付正刚，陈正韩.均衡管理在南水北调中线水源工程档案管理中的应用J.水利水电快报，2020，41（12）：74-76.3刘岩.小康社会建设内涵与档案工作面临的的挑战J.中国档案，2013（3）：6-7.4刘岩.山东省南水北调工程档案管理的经验做法J.山东水利，2019（9）：20-21.（责任编辑 李浩）刘岩，庄严：南水北调山东段工程档案数字平台建设设想48窑窑