5.1.3.1 给水系统现存腐蚀问题

    从出厂水到用户终端要经过漫长的管网和蓄水措施，往往需要几个小时，甚至几天。管网实际上是一个大的反应器，继续进行出厂水未完成的反应及水与管壁物质的反应。这些反应有生物性的、物理性的、化学性的，除了受出厂水质影响外，与输配水管道的材质、使用年限、施工等因素有一定的关系。根据2012年，中国人大网发布的《国务院关于保障饮用水安全工作情况的报告》公布，“十一五”期间，全国设市城市和县城公共供水日供水能力增加0.33亿立方米，管网长度增加22.21万公里。截至2010年底，全国城镇供水人口达6.3亿人，供水普及率达90.3%。全国设市城市公共供水厂出厂水水样达标率为83.0%，设市城市和县城公共供水末梢水水样达标率为79.6%，合格率下降不足5%。然而，实际上中国多数城镇自来水由水厂流经管网到水龙头时，水质合格率约下降10%。一般而言经过处理的出厂水水质都能达到国家饮用水水质标准，但是经过给水管网的长距离输配或停留较长时间后，到达用户处时却产生了种种问题，比如水质下降，池度、色度、铁等水质指标升高，严重时产生黄水、黑水等现象，严重影响着居民的日常生活、危害居民的身体健康。新中国成立之初，由于经济发展条件所限，包括城市基础设施建设只能选择价格较为低廉的材料，自来水管网多采用灰口铸铁管和混凝土管，而这类管材只有50年的使用年限，也大多处于寿命的临界点。

    目前我国城市供水管网逾39万公里，灰口铸铁管所占比重较大，部分城市老城区的管网长期超限运行，年限达50年以上的约占全国供水管网总量的6%。有资料显示，有的质量较差的自来水管材，使用寿命甚至不超过5年，埋下地下的后果可想而知，如果施工质量再不达标，无疑更是雪上加霜。管网腐蚀、结坂和由化学稳定性变化导致的铁释放现象问题是引起管网水质恶化的几个重要原因。目前常用的输配水管材有：铸铁管、钢管、球墨铸铁管、给水塑料管（UPVC管、PE管等）、压力水泥管、玻璃钢管、铝塑复合管、衬里钢管（PVC衬里、PE粉末树脂衬里）等，虽然建设部已禁止铸铁管的使用，但是在国内城市地下已的管道中，铸铁管仍占相当大的比例。当出厂水具有腐蚀性或管道使用年限过长时，铸铁管内壁就会腐蚀结垢沉积，锈蚀产物中含有大量的铁、铅、锌和各种细菌及藻类，当管道内水流速度、方向或水压发生突变时，就会造成短时间的水恶化，出现铁、锰、色度、浊度和细菌等指标值的大幅度上升，同样作为主要给水管材的镀锌钢管也存在着类似的问题（早在20多年前，日本、新加坡等国就已开始禁止镀锌钢管的使用，上海从1999年，逐步淘汰镀锌钢管）。

    有研究表明，对于未作防腐处理的金属管道，当年限超过5~10年时，污垢就已达到了恶化水质的程度，对于防腐处理较低差的金属管道，3~5年就开始出现腐蚀现象，管道使用年限越长，腐蚀越严重，水质状况越糟。住建部在2002年、2003年曾调查数百城市的供水管网，发现管网质量普遍低劣，已不符国标的灰口铸铁管占50.80%，普通水泥管占13%，镀锌管等占6%。这三类低质管网主要于上世纪70年代至2000年之间。2002年统计显示，上海中心城区管网中有50年以上管龄的管道有132km，无内衬的管道长度为378km，易爆易漏的管道约800km。为此，上海市水务局规划更换800～1 000km 城市管道，并逐步将街坊管网纳入自来水公司管辖。通常说来，未做防腐处理的铸铁管道，使用年限超过5年时，其腐蚀、污垢将达到严重的程度。

    根据中国水利水电科学研究院的数据显示，目前我国城市供水管网大多处于寿命的临界点，部分城市老城区的管网长期超限运行，超过50年以上的约占全国供水管网总量的6%。一方面受管道内氯腐蚀，产生化学反应，管壁变薄；另一方面，管外壁受地下污水、臭气侵蚀，且供水管线安装之初防腐质量不高等因素造成管外壁脱落。加之上述管材自身的严重缺陷，铸铁管受拉应力影响，环向、纵向均易出现断裂，发生漏水事故；镀锌钢管主要是受腐蚀，老化严重，接口管箍断裂及管身锈蚀剥落，管壁变薄，出现漏水；钢筋混凝土管则是主要表现在接口胶圈老化，水压过高被冲出，与钢筋抗拉强度受损管身易出现环向裂缝引发漏水。

    例如，湖北黄石给水管网经历了从无到有、从小到大的发展过程，随着花湖水厂竣工投产，黄石市的供水范围上起鄂州花湖，下至大冶市区，向西覆盖至铁山，向东延伸至中窑，给水管网总长435公里。但是，这些给水管道大多运行有五十多年，整体而言已趋于老化。特别是王家里水厂出厂主干管涵盖的黄石大道、芜湖路、武汉路等老市区，管内腐蚀严重，经常发生爆管事件。黄石市区给水管道年代跨度大，各种管材混杂，有石棉水泥管、预应力钢筋混凝土管、灰口铸铁管等，灰口铸铁管的比例达70%以上。上世纪六七十年代大量使用的灰口铸铁管，由于其生产工艺上有先天缺陷，如管体组织疏松、脆性大、不耐冲击、抗弯抗拉强度低等，极易发生爆管、断裂。

    管网老化会导致泄漏，北京市的漏水率都在20%左右，别的地方应该更多。更严重的是，管网老化导致二次污染事件频发。以北京为例，在水资源极度紧张的现实压力下，北京不得不从多地调配水源。根据北京市自来水集团公布的信息，目前北京自来水水源多达22处。

    再以深圳市深圳水务集团市政管网（未包含小区与用户管网）为例，深圳市水务集团服务范围内的市政管网全长约821.5公里，其中钢筋混凝土管174.6公里，钢管216.8公里，铸铁管 210.8公里，球墨铸铁管35.9公里，PCCP 管10.8公里，因资料不全未知管材属性的管道172.5公里，其钢管、铸铁管和球墨铸铁管分别占27%、21%和4%，金属管道在市政管网中比例超过50%。深圳特区的供水管网建设年限不长，但根据用户问卷调查显示，投诉水中有杂质、沉渣、铁锈，水管破旧，腐蚀生锈，有漏水问题的在用户投诉中占80%以上。由此可见，我国城市金属供水管网的腐蚀状况及其造成的管网维护与水质恶化等问题十分严重。

    山东烟台开发区已建区19周年，全区目前已建成供水管网36平方公里、供水管线150公里，满足了全区的用水需要。但是由于过去在设计、施工、管材等方面的种种原因，使开发区2平方公里起步区内的供水系统存在着亟待解决的问题。原敷设的无内衬管道已基本腐蚀，管道内壁结垢现象严重，当水压水量波动时就容易形成“红水”（铁锈水），严重影响了该区域内的企事业单位和居民的生产生活。根据不同的使用年限、不同的管材、管径等因素，对管道内壁的腐蚀情况进行了取样调查，从调查的情况分析，凡是没做内衬的管材，使用5年以上均100%被腐蚀，尤其是普通铸铁管材更为明显，结出5 cm高的锈瘤。从管道中取出的锈块，大的约有6 cm，可见管道腐蚀的严重性。

    1995年12月23日起，香港当局禁止使用无内搪层镀锌钢管，规定必须使用铜管、不锈钢管和聚乙烯管等，从而杜绝饮水受到锈蚀的影响。然而在中国内地供水管道的材质和使用根本无统一标准可循，在监管上处于城建部门和卫生部门“两不管”的交叉带。由于全国95%以上的公共供水厂是在饮用水卫生新标准颁布之前建设的，导致目前中国有一半以上的城市供水管网漏损率超标，年漏损水量达60亿立方米，同时造成水质在输送过程下降。根据中国城镇供水协会的不完全统计，1992年~2003年，全国城市供水管网平均漏损率从7.89%增加到17.92%。2002年建设部对全国408个城市的调查显示城市公共供水系统管网漏损率平均达21.5%。2003年在29个有统计结果的省区中，包括黑龙江、海南、湖北、河南等10个省市的公共供水管网的平均漏损率均高于30%，其中个别城市甚至高达50%。而对于即将进入管网的自来水来说，化学稳定性和生物稳定性的无法保证，导致出厂检测中的数据极有可能因为老旧水管在腐蚀、结垢后形成的微生物细菌种子增多而被改变。由铁锈产生的锈垢，钙、镁离子产生的结垢和水中的悬浮杂质沉淀形成的泥垢使得管道结垢层的厚度会随着时间的延续不断地增加，形成了很好的细菌滋生场所，微生物附着生长从而形成“生物膜”。此类“二次污染”最终导致了2000年~2003年中国184个大中城市的城市供水管网共发生了4232次污染事件。

    5.1.3.2 给水管道腐蚀类型及机理

    1. 化学腐蚀

    金属跟接触到的物质（如O2、Cl2、SO2等）直接发生化学反应而引起的腐蚀叫做化学腐蚀。这类反应比较简单，仅仅是金属跟氧化剂之间的氧化—还原反应，实际在生产实践中单纯化学腐蚀的例子是很少见的，它总是与电化学腐蚀交叉进行。

    2. 电化学腐蚀

    金属管道的内腐蚀首先是电化学腐蚀的过程，并受阴极过程控制。以钢管为例，阳极过程中，铁以离子形式进入水中，同时将电子留在金属中；水中H+和氧吸收电子被还原而产生吸氧或析氢腐蚀。在管壁生成Fe（OH）2，进一步氧化成Fe（OH）3附着于管壁面。主要的反应式如下：

阳极： Fe－2e-→ Fe2+                           （5.1）

Fe2+ + 2OH- → Fe（OH）2                        （5.2）

4Fe（OH）2 + O2 + 2H2O → 4Fe（OH）3             （5.3）

阴极： O2 + 2H2O + 4e-→ 4OH-（中、碱性溶液中）                 （5.4）

2H+ + 2e- → H2（酸性溶液中）                        （5.5）

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O（酸性溶液中）               （5.6）

    电化学腐蚀有多种表现形式，如由两种不同的金属或不同成分组成的一种金属（合金）接触于同一水体而发生的电偶腐蚀，以及由于金属离子浓度、溶解氧浓度不同而产生的浓差腐蚀等。给水金属管与土壤接触同时某一地方的土壤或沿金属管道长距离的土壤化学性质不均匀或特性不同时，就好像两块不同金属放在同一电解液中一样，在这两部分组织有差异的金属管道之间发生电位差而形成电池从而腐蚀给水管。而对于管道内壁来说，它所接触的是城市的输送水。水本身就是电解质，水在给水管道的金属表面的两个不同物理或化学属性有差异的部位将形成电极而造成腐蚀。