模型管道规范中的腐蚀，第1部分

两种不同的现象会导致金属管壁恶化或磨损——侵蚀和腐蚀。腐蚀是高速水分子对金属表面的磨损。腐蚀是金属与环境之间或不同金属之间的化学或电化学反应导致金属的变质或降解。

几年前，我被要求调查一家医院的管道系统，因为它正在经历“绿色”水。在我的调查中，我发现在大直径管道上安装的不是镀锌钢水管，而是安装了附表10的不锈钢水管。

与不锈钢直接接触的铜支管比不锈钢总水管更不高贵。铜作为牺牲阳极和腐蚀保护不锈钢水管。由于铜的含量高，这种腐蚀导致各个水槽出现绿色的水。

应使用介电接头或介电水道来电分离不同的金属，以中断电路径并尽量减少腐蚀。我问承包商为什么不安装介电接头，他说如果两种材料都不会生锈就不需要了。我告诉他这在规范中有规定，我必须向他解释电偶系列金属，以及为什么，在这种情况下，铜被腐蚀，而不是他熟悉的镀锌钢，以及为什么还需要电介质接头。

腐蚀是由直流电通过电解液从金属表面的一个位置流到金属表面的另一个位置造成的。电解质是一种离子化物质，如水或湿土，能够传导电流。

环境条件，如土壤条件或含水量，可能会影响管道材料的性能，特别是当连接不同的金属时。用于输送液体和气体的金属管道，无论是地下还是地上，都会遇到外部和内部条件，这些条件会导致管壁的内外腐蚀。

在室外，地上管道遇到天气和大气条件;地下管道遇到土壤条件和水。管道中的内部条件或管道内输送的流体也可以作为电解质，并可能影响管道材料的腐蚀速率和性能。

保护管道免受腐蚀是在统一水管守则(UPC)《国际水管规则》(IPC)和国际住宅代码(IRC)。简单地说，如果管道或配件是由不同的金属制成的，则金属与金属接触的接头需要符合美国卫生工程学会(ASSE)标准的介电连接ASSE 1079，介质管接头的性能要求。

2021统一管道规范

在腐蚀控制方面，2021年UPC要求在605.15和605.16节中加入不同的金属，并要求介电接头符合ASSE 1079。第312.5节中提到的保护涂层管或管材通常仅用于地下管道。2021年统一标准公约的相关章节如下:

312.4腐蚀、侵蚀和机械损伤。

易受腐蚀、侵蚀或机械损坏的管道应采用经批准的方式进行保护。

312.5保护涂层管。

应检查或测试具有保护涂层的管道或管材，并且应以批准的方式修复管道涂层的可见空隙、损坏或缺陷。

605.15介电接头。

安装在不同金属连接点上的介电接头，应符合ASSE 1079的要求。

605.16各种材料之间的接缝。

各种材料之间的接头应按照制造商的安装说明进行安装，并应符合第605.16.1至605.16.3节的要求

605.16.1铜或铜合金管和管螺纹接头

铜和铜合金管之间或管与螺纹管之间的连接应使用铜合金适配器，铜合金接头[最小6英寸(152毫米)]，介质接头或符合ASSE 1079的介质接头。铜或铜合金管或管材与管件的连接应采用焊接、钎焊、喇叭口或压接连接，螺纹管与管件的连接应采用标准管径螺纹连接。

605.16.2塑料管道到其他材料

如果将塑料管连接到其他类型的管道，则应使用为特定过渡设计的认可类型的适配器或过渡接头。

605.16.3不锈钢到其他材料

在将不锈钢管与其他类型的管道连接时，应使用符合ASSE 1079并为特定过渡设计的压缩型机械接头、介电接头或介电接头。

2021国际管道规范

在腐蚀控制方面，2021 IPC要求在605.23节及其子节中连接不同金属，并要求介电接头符合ASSE 1079。2021年IPC的相关部分是:

305.1防接触保护

除铸铁、球墨铸铁和镀锌钢外，金属管道不得与钢框架构件、混凝土或煤渣墙和地板或其他砌体直接接触。金属管道不得与腐蚀性土壤直接接触。如果使用护套防止直接接触，护套材料厚度应不小于0.008英寸(8密耳)(0.203毫米)，护套应由塑料制成。当护套保护穿透混凝土或砌体墙壁或地板的管道时，护套的安装方式应允许管道在护套内运动。

605.1土壤和地下水。

禁止在被溶剂、燃料、有机化合物或者其他有害物质污染的土壤、地下水中安装供水、配水管道，造成管道材料渗透、腐蚀、降解或者结构破坏。怀疑存在有害条件的，应当对土壤和地下水条件进行化学分析，以确定供水或配水管道材料对具体安装的可接受性。当存在不利条件时，应要求采用经批准的替代材料或路线。

605.23不同材料之间的连接。

不同管道材料之间的连接应采用压缩或机械密封类型的机械连接，或应按照第605.23.1、605.23.2或605.23.3节进行连接。连接器或适配器应具有符合ASTM F477的弹性密封。接头应按照制造商的说明安装。

605.23.1铜或铜合金管到镀锌钢管。

铜管或管材与镀锌钢管之间的连接处应采用符合ASSE 1079标准的铜合金或介电接头或介电接头。铜管应该以认可的方式焊接到管件上，管件应该用螺丝拧紧到螺纹管上

605.23.2塑料管道或其他管道材料的管道。

不同类型塑料管之间或塑料管与其他管道材料之间的接头应使用经批准的适配器或过渡接头。

605.23.3不锈钢。

不锈钢和不同管道材料之间的连接应采用压缩或机械密封类型的机械连接或符合ASSE 1079的介电接头或介电接头。

2021国际住宅法规

2021 IRC在管道第VII部分第26章第P2603节防腐保护中解决了金属管道免受钢框架构件或腐蚀性土壤的保护，这与2021 IPC第305.1节接触保护类似，但没有提到管道系统中不同金属之间的连接。2021年IRC的相关部分如下:

P2603.3防腐

除铸铁、球墨铸铁和镀锌钢外，金属管道不得与钢框架构件、混凝土或砌体直接接触。金属管道不得与腐蚀性土壤直接接触。如果使用护套防止直接接触，护套材料厚度应不小于0.008英寸(8密耳)(0.203毫米)，并应由塑料制成。当护套保护穿透混凝土或砌体墙壁或地板的管道时，护套的安装方式应允许管道在护套内运动。

腐蚀电池

腐蚀电池类似于干电池。要发生腐蚀，必须具备以下四个要素:

1.电解质;

2.一个阳极;

3.阴极;

4.回路。

当两种不同的金属暴露在电解质中，电流从一种金属(阳极，或较不贵重的金属)通过电解质流向另一种金属(阴极，或较贵重的金属)，然后通过回路返回阳极时，就会发生腐蚀电池。不同金属之间的电位(电压)差是引起电流通过导体运动的电动势。

当电流离开金属进入电解液时，就会发生腐蚀;电流离开金属的点是阳极。电流进入金属的点是阴极;阴极处不发生腐蚀。

使用牺牲阳极来保护管道或储罐(阴极)被称为阴极保护。储罐式热水器采用一种阴极保护形式，在热水器水箱内安装镁或铝(较便宜的选择)阳极棒(见图1和2)。阳极棒在水箱喷嘴螺纹处与钢制水箱接触。

阳极棒(镁或铝)是一种比钢罐(阴极)更不贵重的金属，所以阳极棒是一种牺牲金属，在钢罐开始腐蚀之前就会腐蚀。(注:由于热水中溶解的金属，这就是为什么“他们”说你应该用冷水做饭。)储罐式热水器的维护应包括检查和更换阳极棒，以延长钢罐的寿命。

金属电动势系列

根据法拉第感应定律，不同的金属在潮湿的环境中耦合在一起时，会发生腐蚀。每种金属的电势如表1所示水管工程设计手册(第8章)，显示了金属的电动势序列，按照它们的电动势顺序排列，从最不贵重的金属到最贵重的金属。

这个列表是按照标准电极电位的顺序排列的，对于标准氢电极来说，阴极的元素具有正电位(大于1)，对于标准氢电极来说，阳极的元素具有负电位(小于1)。

在大多数情况下，该系列中的任何金属都将被腐蚀以保护更贵重的金属。由于溶液中离子浓度的影响以及在某些装置中发现的不同环境，这条规则也有例外。这种例外通常适用于该系列中靠近的金属，它们可能遭受电位逆转。在电动势系列中相距很远的金属将表现出预期的行为。

表1中的电系列金属举例说明了为什么储罐式热水器中的大多数牺牲阳极通常由镁制成。

表1。金属电动势系列

金属的潜力金属

镁(galvomag合金)^一个1.75

镁(H-I合金)^一个1.55

锌1.10

1.01铝

铸铁0.68

碳钢0.68

430型不锈钢(17%铬)^b0.64

抗镍铸铁(20%镍)0.61

304型不锈钢(18% Cr, 8% Ni)^b0.60

410型不锈钢(13% Cr)^b0.59

耐镍铸铁(30%镍)0.56

抗镍铸铁(20% Ni+Cu) 0.53

海军轧制黄铜0.47

黄黄铜0.43

铜0.43

红黄铜0.40

铜0.38

海军黄铜0.36

90:10 Cu-Ni+ (0.8% Fe) 0.35

70:30 Cu-Ni+ (0.06% Fe) 0.34

70:30 Cu-Ni+ (0.47% Fe) 0.32

430型不锈钢(17%铬)^b0.29

0.27镍

316型不锈钢(18% Cr, 12% Ni, 3% Mo)^b0.25

铬镍铁合金0.24

410型不锈钢(13% Cr)^b0.22

钛(商业)0.22

银0.20

钛(高纯度)0.20

304型不锈钢(18% Cr, 8% Ni)^b0．15

哈氏合金C 0.15

蒙乃尔0.15

316型不锈钢(18% Cr, 12% Ni, 3% Mo)^b0.12

注:数字越小，金属越贵重。这些数字是基于对海水的潜在测量，流速为13英尺/秒(3.96米/秒)，温度为77华氏度(25摄氏度)。

^一个根据陶氏化学公司提供的数据。

^b不锈钢，作为一个类别，表现出不稳定的电位，这取决于在试样支架周围形成的裂缝中的点蚀和腐蚀的发生率。所列值代表观察到的极端值，由于其不稳定的性质，不应被视为在所涵盖的合金之间建立不变的电位关系。

影响金属管腐蚀的其他因素:

•氧气和溶解的二氧化碳或其他气体会导致家用水管系统的腐蚀。

•高溶解固体，如盐和硫酸盐，可能导致化学或生物化学腐蚀。

•较高的水温会降低生物生长速度，增加化学腐蚀。

侵蚀

模型规范中没有具体的语言来解决热水供应和回流管道中循环热水的速度限制，以控制侵蚀;然而，所有规范都要求供水固定装置的尺寸、制造商的建议和良好的工程实践。

侵蚀，或有时被称为“侵蚀腐蚀”，是指由于管道中高速水流的磨蚀或侵蚀作用，金属管道的磨损率增加。它通常发生在高温铜管中，但如果速度足够高并且流动循环，则可能发生在其他材料中。

明显的沟槽和圆孔是侵蚀的标志;通常它们是光滑的，并具有湍流的点蚀，定向或流动模式。当铜管内部没有绿锈时，铜管的腐蚀通常是明显的。侵蚀腐蚀是由高速湍流水流引起的，如果有悬浮固体，则会更加严重，这就像对管道内壁喷砂一样。

侵蚀通常局限于水改变方向的区域，湍流导致速度增加的区域，以及产生集中喷嘴流的障碍物或组件的区域。

这些区域的管壁磨损变薄并开始泄漏。如果不尽快解决高速状态，可能会对整个循环管道系统造成重大破坏。

空化(由于高速涡轮、泵叶轮或螺旋桨等的气泡形成和破裂而造成的损害)是一种侵蚀腐蚀形式。它的外观类似于紧密间隔的坑，尽管表面通常是粗糙的。

高速侵蚀是循环热水系统中水泵过大或系统平衡不佳的水管系统问题的常见来源。

高水温和铜管腐蚀

根据铜开发协会(CDA)的说法，在热水系统温度高达140华氏度的情况下，铜管中的高温会导致流速超过5英尺/秒(fps)的腐蚀。随着温度的升高，最大推荐流速降低。CDA建议超过140华氏度的水的最大流速为2至3 fps。

多年来，我开发了一个家用热水系统的流速图(比CDA的建议要发达一点)。我建议在铜质管道系统中使用以下生活热水流速，以防止铜质管壁受到侵蚀:

铜管:最大流速图
基于温度

最大速度

单位:英尺/秒(fps)¹

冷水最大流速8 fps

热水高达140 f5 fps

热水140华氏度以上至150华氏度/秒

150华氏度以上至160华氏度/秒的热水

160℉/秒以上的热水

¹这些是控制铜管系统腐蚀的推荐最大流速。通过在设计时增加管道尺寸或减少循环系统中的流量，可以降低流速。

在下一篇专栏文章中，我将向您介绍John H. Fitzgerald III，他是一位腐蚀专家，也是我的导师。他曾经邀请我在芝加哥一栋高层公寓楼里研究一个令人困惑的问题，那里的水泵叶轮在几周内就会解体，需要经常更换。解决方案在于了解腐蚀和侵蚀之间的区别，以及水流经循环管道系统的性质。

不幸的是，我最近得知约翰于2018年3月去世;我相信所有认识他的人都会深深怀念他，包括我。由于他的贡献、热情和对他所遇到的人的教育，今天的腐蚀工程领域要好得多。约翰的记忆和教诲活在他的作品中，活在他的学生和同事的记忆中，也活在本专栏读者的记忆中。

这一栏和下一栏是为了纪念约翰·H·菲茨杰拉德三世。