直埋式热力管道焊接接头的外腐蚀分析与防护

张治国 张丹丹

(陇南师范高等专科学校机电工程学院，甘肃陇南，742500)

随着城镇化率的逐渐增高，集中供暖作为一种绿色取暖方式越来越受到人们关注。城镇的供热系统复杂、建造过程的监管存在差异，导致热力管网在使用过程中存在很多问题，其中管道的腐蚀问题就是一个很严峻的考验[1]。热力管道的工作温度变化大而频繁，工作环境复杂，导致管道发生腐蚀的速度快、程度大。在一些特殊的工作环境中，管道的保护稍有不当就会加剧管道的腐蚀，尤其在管道的焊接接头处腐蚀复杂多样[2]，材料组织发生变化，晶粒变得粗大，抗腐蚀能力下降[3]，增加了管道防护的难度，发生腐蚀的概率和速率往往比其他部位大很多。针对热力管道外腐蚀产生原因、焊接接头处防护存在的问题、具体防护措施进行了分析研究，这对热力管道敷设及焊接维修后的防护具有重要意义。

1 直埋热力管道外腐蚀成因分析

不同地域的土壤环境存在很大差异，在某些地区土壤环境的特殊性导致热力管道发生严重腐蚀，最终导致热力管道渗漏、破损。土壤环境的影响因素主要有降雨量多少、雨水pH值、土壤成分、土壤中含盐种类、土壤中含盐量、土壤中含氧量和土壤温度变化等。土壤对管道的腐蚀性研究要分地域进行。通常情况下，分析土壤对管道腐蚀性要考虑如下因素：

1.1 降雨量及土壤的含水量

降雨量直接影响土壤的含水量，在一些湿润多雨的地区，土壤中的水分含量变化很大，导致土壤中水与气的含量频繁变化。土壤中的水与气含量是此消彼长的存在，降雨量多时，土壤中的水分含量高，而含气量就相对降低，降雨量减少时，土壤中含水量下降的同时含气量就会增加，水气含量的相对变化使得管道处于易发生腐蚀的特定水气含量比例下，最终加剧土壤对管道的腐蚀。

1.2 雨水及土壤的pH值

土壤的pH值直接决定管道外壁发生腐蚀类型，pH值在不同值时发生腐蚀的机理不同。我国土壤按酸碱度分为强酸性、酸性、中性、碱性和强碱性，在酸性土壤中管道腐蚀严重。随着环境的恶化，很多工业城市的雨水pH值都相对较低，pH值小于5.6的酸雨屡见不鲜，受酸雨影响，土壤中的pH值发生变化，导致供热管道外壁腐蚀。土壤中氯离子含量较高时，碳钢被腐蚀生成晶体生长速度快，疏松易脱落的大颗粒物质，对管道的腐蚀危害大。

1.3 土壤中的含盐量

土壤中盐分含量越高，土壤的导电可能性就越大，土壤就表现出较强的腐蚀性。在土壤盐分高的的地区，管道外腐蚀的发生率与速率就相对较高。

1.4 土壤的电阻率

研究表明，土壤的电阻率越小碳钢的锈蚀速率越快。土壤的电阻率可以综合反映土壤导电能力的大小，导电能力越大，腐蚀速率越快。在研究土壤腐蚀性时，土壤的电阻率是一个很重要的参数。

1.5 土壤杂散电流

在工业生产及家庭生活中，各种生产、生活的用电装置接地处理后或者电缆发生漏电后，都会在土壤中形成杂散电流，杂散电流的存在加剧埋地金属的腐蚀速度与程度，其对热力管道造成的影响不可忽视。没有电流通过时，金属在土壤中的电位，称为自然腐蚀电位。土壤中杂散电流影响自然腐蚀电位。腐蚀电位越高，越容易发生电化学腐蚀。

1.6 土壤氧化还原作用

土壤氧化还原作用是土壤中氧化态物质与还原态物质之间的土壤反应，反映其状况的一项重要指标是土壤氧化还原电位。在疏松、相对干燥的土壤中空气含量高，其氧化还原电位就高，表现出较强的腐蚀性。在土壤空气含量少时，氧化还原点位低，土壤中的微生物参与反应，土壤氧化还原反应是一个复杂的非纯化学反应。

1.7 土壤温度

热力管道在工作中，受工作介质的影响，管道周围的土壤温度会升高，此外，季节变化时，受环境温度的影响，土壤温度也会升高，温度升高会导致土壤对管道外壁的腐蚀加剧。除此之外，土壤温度的变化还会改变其他影响腐蚀的参数发生变化。例如，温度升高，微生物就越活跃，导致管道腐蚀加剧。

2 直埋热力管道焊接接头防护存在的问题

目前，我国使用的直埋敷设热力管道大部分为三层结构，分别为最外层的保护层、中间的保温层和内部的钢管层。供热管道的钢管层多为低碳钢，钢管层外壁与土壤中的介质接触导致金属管外壁腐蚀。供热管道在不发生破损的情况下，由于保护层和保温层的存在，管道发生外腐蚀不是导致管道失效的主要原因。对于保护层和保温层发生破坏或者发生过焊接维修的热力管道，外腐蚀是导致热力管道失效不可忽视的原因。

热力管道焊接处，尤其在焊接维修处，施工环境往往都比较差，焊接质量控制难度较大。焊接准备前，待焊缺口处的污染物无法彻底清除，产生焊接缺陷的概率增加。施焊过程中，环境湿度大，管道残留积液等原因导致焊缝的冷却速度快，焊渣上浮不够充分而造成焊缝组织粗大、夹渣等问题，所以在管道接头处发生腐蚀的概率剧增。

焊接接头处管道的保护存在很大的隐患。管道外侧聚乙烯保护层需要焊接，但在施工过程中，部分采用了搭接捆扎的形式，这样就对焊接接口处焊缝的腐蚀埋下了很大的隐患。另外，施工质量若存在问题，保护层容易渗水，保温层在温水中发生水解，内部钢管外壁发生腐蚀，尤其在焊接接头处，由于其特殊性，腐蚀的程度更大。焊接接头更容易被腐蚀受到如下因素的影响：

2.1 温度

受热力管道内部温度的影响，温度每增高一定的数值，腐蚀的速率就会加倍[4]。在焊缝处由于焊缝组织恶化、焊接质量差等因素，在温度较高的环境中，焊缝腐蚀的速度会更快。

2.2 应力作用

受到管内温度、管外温度、水温变化等因素的影响，焊缝产生热胀冷缩、受力不平衡等现象，导致焊缝处产生比较大的应力，在应力作用下焊缝的腐蚀速度更快[5]。时常产生渗漏现象，进一步加剧了焊缝处的腐蚀。

2.3 表面质量

焊缝在成型过程中，由于受到环境因素的影响，凝固速度快，液态金属中的杂质来不及上浮到熔池表面就已经成型，导致焊缝表面质量较差，极大地增加了焊缝发生腐蚀的可能性和速度。

2.4 杂质

由于施工环境的影响，管道在施焊前后，焊道表面及焊缝清理难度大，施焊后焊道表面存在的杂质也是导致焊缝腐蚀一个非常重要的因素。

3 直埋热力管道焊接接头防护措施

直埋热力管道焊接接头处的防护工作是一个系统的工程，应从提高施工质量、改善管道工作环境、保证焊接质量及优化焊接工艺等方面进行。

3.1 提高施工质量

施工过程中应由设计单位、建设单位以及监管单位统一把关，严格按照设计规定施工。管道在吊装过程中尽量避免外部保护层的划伤，挤伤等损伤。装配过程中要严格按照装配要求，保证管道安装的平整度，避免因装配不当造成的装配应力。保证接头处清洁，避免杂质混入。沟槽内的积水、杂物、石块等尖锐物等必须清理干净，保证良好的安装环境，尽力避免管道被土壤腐蚀的可能性。管道连接处的处理是重中之重，金属管道的焊接质量必须保证，外部保护层的连接同样重要。很多施工单位，为了节省成本，缩短施工时间，接头处的外壳采用搭接后捆扎的方式进行，捆扎太紧会损伤保护层、捆扎不紧无法达到防水效果，所以，保护层聚乙烯外壳需按设计要求进行焊接，并保证焊接质量。

3.2 改善管道工作环境

根据外腐蚀发生的机理，要降低、减轻管道的腐蚀，需要改善管道的外部工作环境，降低腐蚀发生的条件。目前应用于石油、天然气管道防护的电化学防腐技术——阴极保护技术就是在管道上通过阴极电流，使金属电位发生变化，降低阳极反应速度，从而实现防腐的目的。此项技术同样可以用于热力管道的防腐，但进一步的应用研究还需要防腐人员积极探索。改善管道外部环境，需要针对不同地域影响土壤腐蚀性的主要因素，探索具体的改善措施。

3.3 提高焊接质量

鉴于焊接接头防腐存在的众多问题，焊接接头的防护是热力管道防腐的重要环节，其中焊接质量的把控是关键。在施焊前一定要将管道上的油污、水分等杂质清理干净，保证焊接质量，同时降低腐蚀发生的条件。焊接过程中，选用合适的焊条，严格按照焊接工艺参数进行焊接，尽量避免或者克服不良天气情况给焊接过程带来的影响。焊接完成后，严格清理焊缝处的熔渣、飞溅物及焊缝周围杂质，尽最大可能降低腐蚀发生的条件。在焊接维修过程中同样要按维修工艺严格执行。

此外，传统的焊接方法热输入大，造成焊缝组织粗大，焊接残余应力大，尤其在管道的焊接维修过程中，焊接质量无法保证，提高了管道发生腐蚀的条件。在热力管道焊接中，可以引用高效焊接技术，在保证焊接质量的同时，提高焊接效率，达到双赢的目的，在技术层面上降低焊接接头处众多因素导致的腐蚀问题。

4 总结

热力管道焊接接头处的防腐是管道防腐的重要环节。直埋敷设式热力管道引起外壁腐蚀的因素很多，且腐蚀原因复杂。在不同的地域造成管道腐蚀的主要因素不同，管道外壁的防腐措施不能一成不变，要因地制宜。管道的外壁防腐要从施工准备、施工质量保证、技术处理等方面进行系统防护。在焊接接头处，管道外层保护层容易损坏、焊接接头质量难控制、焊接接头组织的特殊性及维修频发等原因，腐蚀更易发生，给防护工作带来很大挑战。通过严格控制焊接质量、应用新工艺等方式可以降低焊接接头处发生腐蚀的情况。但管道外部工作环境的改善技术难度大，影响因素多，还需要防腐人员在管道外腐蚀防护过程中不断地深入研究新方法、新工艺。