模拟深隧道环境下的不锈钢排水管腐蚀行为

《Journal of Water Process Engineering》：Corrosion behavior of stainless steel discharge pipes under a simulated deep tunnel environment

　　

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  通过模拟深隧道的化学腐蚀环境，研究了SUS304材料的腐蚀情况。
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  硫酸与氯化钠会加速铁和铬的溶出，并导致局部钝化膜受损。
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  浓度为1000毫克/升的次氯酸钠会导致铁和铬大量释放，同时使氧化物层出现剥落。
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  XPS和SEM–EDS分析技术用于检测表面的化学变化及腐蚀损伤的形态特征。
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  这些研究结果有助于了解排放管道的腐蚀行为，从而为资产状态管理提供依据。

引言

由于气候变化导致的强降雨以及城市化进程中不透水表面的增加，全球范围内对城市洪水的担忧日益严重[1]、[2]。尤其是随着城市快速扩张，现有的污水系统已超出设计容量，因排水不畅而引发的洪水灾害频发[3]。为此，人们提出了深隧道等新型排水设施来提升城市排水系统的处理能力，这类设施逐渐成为解决城市洪水问题的关键基础设施[4]。在深隧道中，排放管道是通过泵将收集到的水加压后输送到上层排水系统的核心部件，其正常运行直接关系到整个隧道的运转。对这些关键设施的维护对于确保其稳定运行至关重要[5]、[6]，也有助于降低意外故障或洪水发生的风险。此外，这还有助于提升城市基础设施的抗灾能力。不过，目前尚缺乏针对深隧道资产管理的系统性研究。为了确保未来深隧道的稳定运行，有必要制定相应的维护策略，识别影响其关键部件性能的因素，并能够准确评估这些部件的现状。

由于需要具备较强的耐腐蚀性，深隧道中的排放管道通常采用不锈钢材料。虽然不锈钢表面形成的钝化膜使其具有优异的耐腐蚀性，但在特定环境下仍可能遭受点蚀、缝隙腐蚀和应力腐蚀开裂等局部腐蚀现象的影响[7]、[8]、[9]、[10]、[11]。尤其是那些埋藏在数十米深处的深隧道，由于难以进入，其内部的排放管道更容易在高温高湿或含有腐蚀性物质的恶劣环境中发生腐蚀。例如，在深隧道这种缺氧且湿度高的环境中，污水中的硫酸盐还原菌会将硫酸根离子转化为硫化氢，生成的硫化氢会渗透到隧道内的冷凝水膜中，随后又被附着在表面的生物膜中的硫氧化菌氧化为硫酸，这一生物氧化过程会使环境pH值降至3–4以下，形成强酸性环境[12]、[13]、[14]。随着时间的推移，硫酸在冷凝水膜中的不断积累会进一步加剧腐蚀程度。此外，城市地区的深隧道中很可能存在来自污水的氯离子。有一些研究显示，在实际设有深隧道和水库的地区，氯离子浓度每年平均以0.2–6.6毫克/升的速度上升[15]，这说明深隧道环境中也会出现氯离子的累积现象。这些硫氧化物和氯离子是导致不锈钢老化的主要因素。李等人发现，次氯酸钠会改变含铬的钝化膜结构，降低铬与铁的比例，进而降低304不锈钢的点蚀抗力[16]；秦等人则发现，在模拟含氯环境的氯化钠溶液中，以Cr?O?为基础的钝化膜稳定性会下降，从而导致耐腐蚀性减弱[17]。张等人从原子层面证实，在硫酸与氯化钠的混合溶液中，氯离子会渗透到钝化膜的内层，并在金属与膜界面处聚集，导致金属晶格膨胀并形成起伏的界面，他们认为这就是氯离子导致钝化膜失效的机制[18]。因此，深隧道环境会引发腐蚀，而这些腐蚀产物的长期积累还会形成腐蚀垢，最终可能导致不锈钢失效、设备出现问题以及水质污染[19]、[20]。由此可见，硫酸和氯离子的影响是导致基于不锈钢的排放管道出现机械故障的重要因素，但目前针对深隧道环境下的腐蚀研究还相对有限。

因此，本研究比较分析了深隧道排放管道材料（不锈钢）在硫酸、硫酸加氯化物以及氧化性氯化物环境下的腐蚀过程与特征。研究结果为评估深隧道中排放管道的性能衰退状况以及制定相应的维护策略提供了基础数据。

章节摘要

深隧道与不锈钢排放管道的腐蚀环境特征

本研究所研究的对象是一种深隧道，这是一种用于在城市地区暴雨期间临时储存并排出雨水的防灾设施。我们之前的研究已经给出了该深隧道系统的示意图[51]。深隧道难以进入，部分区域还是封闭且湿度极高的环境。在实际使用过程中，排放管道的外表面会交替经历湿润和干燥的状态

金属离子浓度检测

由于浸泡实验中溶解在溶液中的铁和铬浓度能够反映样品的实际金属损失情况，因此我们采用了ICP-OES技术对这些浓度进行检测，以便定量比较在硫酸、硫酸加氯化物以及次氯酸钠环境下的腐蚀行为。这些溶出浓度代表了浸泡期间累计的腐蚀程度，可用于评估腐蚀水平。通过多次检测所获得的累积数据

讨论

如前文所述，排放管道的腐蚀程度以及资产状态的变化取决于其所接触的物质类型。基于旨在阐明这种腐蚀行为的浸泡实验结果，图7展示了SUS304的腐蚀机制。此外，我们还建立了幂律模型，用来量化壁厚随时间的变化与相关参数之间的关系

研究的局限性及未来研究方向

本研究为深入理解深隧道排放管道在酸性、含酸氯化物以及氧化性氯化物环境下的SUS304腐蚀情况提供了加速浸泡实验的对比数据。不过，关于电化学阻抗谱分析，还存在一些局限性。电化学阻抗谱分析是在35天的浸泡试验之后作为暴露后的检测手段进行的，因此所测得的阻抗响应实际上反映了测试时表面老化层以及腐蚀产物层的电化学特性。

结论

本研究在硫酸、硫酸加氯化物以及浓度为200–1000毫克/升的次氯酸钠溶液中开展了加速浸泡实验，以此模拟深隧道中不锈钢排放管道的腐蚀环境。通过比较不同环境下的腐蚀行为，我们明确了每种环境下的主要腐蚀机制及典型的腐蚀破坏模式。

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  ICP-OES分析结果显示，在200–500毫克/升的浓度范围内，硫酸与氯化钠混合溶液中的铁和铬的累计溶出量要高于其他浓度条件

CRediT作者贡献说明

杨成俊：原文撰写、可视化分析、方法设计、正式数据分析、数据整理、概念构建。金敏世：可视化分析、数据整理、正式数据分析。欧志英：正式数据分析、方法设计。金俊荣：实验研究、概念构建。哈桑·安沃尔：实验研究。李康勋：文章审阅与编辑、项目监督。

利益冲突声明

所有作者均声明，自己不存在任何可能影响本研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了韩国环境产业技术研究院的支持，该研究属于“水资源灾害管理领域的气候适应性研发项目”，资金由韩国气候、能源与环境部提供（项目编号：RS-2024-00335526）。

杨成俊|金敏世|欧志英|金俊荣|哈桑·安沃尔|李康勋