饮用水分配系统中阀门腐蚀、结垢及失效的机制

《Water Research》：Mechanism of Corrosion, Scaling and Failure of Valves in Drinking Water Distribution Systems

阀门腐蚀机制与失效防治研究，通过解体失效阀门、SEM/XRD分析及模拟实验，揭示了可锻铸铁阀门内部不同位置（如阀盘-轨道界面、杆件-法兰连接处）腐蚀产物组成及分布规律，发现长期静置导致自腐蚀主导、高电流密度形成致密磁性氧化铁（Fe3O4）结垢，阻碍阀盘运动并削弱杆件强度。提出周期性操作打破厌氧环境、高流速冲洗清除结垢、杆件润滑减少磨损的综合防治策略。

　　

刘迪波|张海雅|赵立通|杨建军|邢萌|王俊|刘树明|陈超

清华大学环境学院，中国北京100084

摘要

饮用水分配系统（DWDS）中的阀门腐蚀会通过导致运行故障、水质恶化和泄漏来威胁系统安全。通过拆卸故障阀门、进行扫描电子显微镜（SEM）/X射线衍射（XRD）分析、使用管道段反应器进行模拟实验以及电化学监测，本研究阐明了DWDS中闸阀的腐蚀过程和失效机制。研究结果表明，由于球墨铸铁具有较高的腐蚀倾向，其形成的氧化铁垢主要由赤铁矿（α-FeOOH）和磁铁矿（Fe3O4）组成。垢的成分和形态随位置的不同而显著变化：在稳定条件下，阀门上部主要形成稳定的α-FeOOH；而在闸盘和阀轨凹槽之间的密闭无氧环境中，则形成富含Fe3O4、氢氧化锌和硅酸盐的致密无序垢层。虽然在静止状态下由于碳酸盐沉积和质量传递限制，电偶腐蚀受到抑制，但长期来看自腐蚀会导致更高的腐蚀电流。阀门失效主要是由于垢层阻塞了闸盘的移动以及腐蚀导致阀杆变弱。为缓解这些问题，建议定期操作阀门以打破无氧环境，并通过大流量冲洗去除积累的垢层，并对阀杆进行润滑以减少磨损。

引言

饮用水分配系统（DWDS）是市政基础设施的重要组成部分，占供水设施投资的很大比例。阀门是关键部件，在DWDS的灵活调节和高效运行中起着不可或缺的作用（Jun等人，2008年）。闸阀常用于供水管道，其部件通常由球墨铸铁、黄铜、青铜和不锈钢等不同材料制成（Benzarti等人，2025年；Ng等人，2020年）。

金属阀门在服役过程中的腐蚀主要是一个电化学过程，包括自腐蚀和电偶腐蚀。自腐蚀是指阀门金属（如铁、铜或锌）失去电子，而水中的氧化剂（如溶解氧或余氯）获得电子（Gao等人，2016年；Gerke等人，2008年）。由此产生的腐蚀产物经历一系列过程，包括沉淀、氧化、溶解和再沉淀，最终形成主要由氧化铁（Fe2O3）、磁铁矿（Fe3O4）和铁氧氢氧化物等组成的垢层（Peng等人，2010年；Zhang等人，2022年）。此外，金属材料在水溶液中与不同腐蚀电位的接触会在界面形成电偶电池，从而导致电偶腐蚀（Benson等人，2012年；Feng等人，2016年；Lanzutti等人，2022年；Ng等人，2018年）。

在DWDS中，许多阀门由球墨铸铁制成。其腐蚀产生的氧化铁垢会在阀盘和阀体之间积聚。这些氧化铁晶体具有刚性和高硬度（Li等人，2016年）。如果阀门长时间处于关闭状态，阀盘和阀体之间的腐蚀垢层会变得致密且稳定，可能导致它们熔合，使阀门难以操作。此外，在阀门运行过程中，内部腐蚀垢层可能因机械力而脱落并进入水流中，从而增加浊度、出现“黄水”现象并降低水质（Weston等人，2022年；Zhang等人，2014年）。长期腐蚀和反复的垢层脱落还可能使阀盘变薄或形成缝隙，可能导致穿孔。这会降低阀门的密封性能，引发泄漏和其他运行问题。

除了直接接触水导致的内部腐蚀外，阀门的外部部件还会因长期暴露在潮湿环境中而受到大气或土壤腐蚀（Li等人，2007年；Ng等人，2024年）。阀杆螺纹的腐蚀会使手轮难以转动，影响操作。同样，螺栓和螺母的腐蚀会妨碍其拆卸，增加维护难度（El-Zomor等人，2025年）。

DWDS中的阀门并不经常操作，但在需要时必须能够快速可靠地隔离管道段。腐蚀引起的损坏可能导致运行故障、泄漏和供水安全中断（Liu等人，2024年；Wéber等人，2020年）。故障阀门是供水系统运行中的关键薄弱环节，也是供水公司最关心的问题之一，会大幅增加维护和运行成本。由于在役腐蚀阀门的拆卸难度以及样本的稀缺性，相关研究仍然有限。目前，人们对DWDS中阀门的腐蚀过程和失效机制尚未完全了解，也缺乏对阀门垢层性质的详细表征。

基于阀门的腐蚀和结垢机制，本研究调查了阀门失效的主要原因和影响因素。本研究分析了中国实际DWDS中一些因腐蚀而失效的阀门样本，包括拆卸和表征内部腐蚀垢层的分布和性质。此外，通过在实验室构建模拟管道段反应器，定量研究了自腐蚀和电偶腐蚀的强度和过程，并通过实验室模拟实验研究了腐蚀垢层和氧化铁的转化过程，以加深对阀门中垢层形成和演变的理解。本研究为研究管道垢层提供了新的方法，有助于水务专业人员选择有效的措施来防止或减缓阀门失效。

章节摘录

阀门材料表征和水样采集

本研究从中国的实际饮用水分配系统（DWDS）中收集了三个失效的闸阀进行分析。其中两个（DN200和DN150）来自华北地区的一个地下水供应DWDS，使用时间超过10年；另一个（DN1000）来自华东地区的一个地表水供应DWDS，使用时间超过15年。这些阀门被分解为阀杆、阀盖、闸盘、阀体上部和下部，它们具有相同的材料配置。阀杆由不锈钢制成

失效阀门的结构分析和成分

从华北和华东的两个城市各取了一个闸阀进行拆卸，并进行了扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）分析。结果表明，阀门不同部位的垢层成分存在显著差异，如图2和图S4-S5所示。

对于三个阀门中的垢层SEM形态分析，发现两个位置存在严重的腐蚀和结垢现象：闸盘与阀体阀轨凹槽的接触面，以及阀杆与阀盖的连接处。

结论与建议

本研究采用多种方法研究了DWDS中阀门的腐蚀过程和失效机制，包括拆卸和分析失效的现场闸阀、通过SEM和XRD表征腐蚀垢层的成分、使用管道段反应器模拟自腐蚀和电偶腐蚀，以及对金属材料和腐蚀垢层的电化学监测。主要发现总结如下：

(1) 腐蚀垢层的性质存在差异

未引用的参考文献

Rios等人，2013年

CRediT作者贡献声明

刘迪波：撰写——初稿、方法论、调查、数据管理。张海雅：资源获取、方法论、正式分析。赵立通：方法论、调查、正式分析。杨建军：资源获取、资金筹集、数据管理。邢萌：资源获取、资金筹集、数据管理。王俊：撰写——初稿、可视化、资源管理、方法论。刘树明：撰写——审稿与编辑、项目管理、资金筹集。陈超：撰写——审稿

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：陈超表示获得了中国国家重点研发计划的资金支持。陈超、刘迪波、王俊拥有清华大学颁发的专利。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本报告工作的财务利益或个人关系

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（2023YFC3208101）的支持。