CN114993921B - 一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法及装置 - Google Patents

一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法及装置，涉及模拟管道装置技术领域。包括：腐蚀舱、U型密封组件、循环污水组件以及气体收集组件；腐蚀舱内嵌与所述U型密封组件中；循环污水组件包括塑料软管，塑料软管贯穿腐蚀舱以及所述U型密封组件，用于输送污水；气体收集组件固定于U型密封组件的两端。本发明提供的试验装置和预酸化试验方法，可以探究足尺钢筋混凝土管在真实MICC作用下的劣化行为。本发明使得足尺原位加速腐蚀试验成为可能，对于排水管网病害病理相关研究具有重要意义。

Description

一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法及装置
技术领域
本发明涉及公共安全应急管理技术领域，特别是指一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置的方法及装置。
背景技术
在城镇化快速发展过程中，地下排水管网“先天不足，后天失养”的问题日益突出。然而，当前国内的排水管网健康评价技术仍以专家经验为主、缺乏理论基础，发展严重滞后。科学认识排水管网各类病害的发生发展机理及其劣化失效过程机制，是突破这一技术瓶颈的核心科学问题。
根据以往管网检测结果，微生物诱导混凝土腐蚀(Microbiologically inducedconcrete corrosion-MICC)是混凝土污水管道中最常见的病害。混凝土污水管道的MICC过程大致可分为三个阶段：在第一阶段，混凝土表面的碱性物质被CO2和H2S等酸性气体中和，pH值逐渐降低；在第二阶段，当pH降低至9左右时，混凝土表面适于嗜中性硫氧化菌(Neutrophilic sulfur-oxidizing bacteria,NSOB)和真菌生长，硫酸、醋酸和乳酸等代谢产物进一步降低混凝土表面PH值；在第三阶段，当混凝土表面PH值小于4时，嗜酸性硫氧化菌(Acidophilic sulfur-oxidizing bacteria，ASOB)在混凝土表面和孔隙中大量繁殖，H2S、单质硫和硫代硫酸盐等物质被代谢为硫酸，pH进一步降低，直到pH降为0.5～1.0，微生物系统出现自我抑制。据报道，混凝土腐蚀严重时可以达到10mm/年的腐蚀速率，最终产物为几乎没有强度的石膏，严重破坏了管道结构的完整性。
针对污水管道的MICC，现有研究多采用混凝土材料试件开展相关试验，屈指可数的管件腐蚀试验也仅仅通过硫酸浸泡或壁厚减薄来模拟MICC。这些管件模拟腐蚀方法不足之处在于：1)硫酸浸泡试验通过一定浓度的硫酸浸泡管壁，仅能模拟生物硫酸产生以后的化学过程，忽视了前期重要的化学扩散、微生物演替、微生物转化与物理膨胀致裂等过程；2)壁厚减薄试验通过机械凿薄管顶混凝土保护层，以模拟微生物引起的均匀腐蚀，没有考虑腐蚀截面形貌与腐蚀过渡层的影响。
上述两种方法虽然一定程度上可以体现MICC特征，但由于忽略了重要的微生物过程，所得试验结果难以使人信服。针对上述不足，最理想的研究手段是原位足尺管件腐蚀试验，然而，原位腐蚀非常耗时，试验成本高，难以实施。
发明内容
针对现有技术中原位腐蚀非常耗时，试验成本高，难以实施的问题，本发明提出了一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一方面，提供了一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置，包括：
腐蚀舱、U型密封组件、循环污水组件以及气体收集组件；
腐蚀舱内嵌与U型密封组件中；
循环污水组件包括塑料软管，塑料软管贯穿U型密封组件与腐蚀舱相连通，用于输送污水；
气体收集组件固定于U型密封组件的两端。
可选地，腐蚀舱为圆形钢筋混凝土管件。
可选地，U型密封组件包括：透明挡板、密封胶圈、U型反力架组、紧固螺栓；
所述透明挡板通过所述密封胶圈固定于所述腐蚀舱的两端，通过紧固螺栓将所述透明挡板固定在所述U型反力架组上，纵向固定所述腐蚀舱。
可选地，U型反力架组，包括：U型反力架侧板、U型反力架底板以及弧形支座；
U型反力架侧板为中空的长方体侧板，U型反力架底板位于腐蚀舱以及透明挡板的下方；弧形支座位于U型反力架底板上方，腐蚀舱的两侧，横向固定腐蚀舱。
可选地，U型反力架侧板配有14个螺纹孔，紧固螺栓穿过螺纹孔与透明挡板接触，通过拧动紧固螺栓，为透明挡板施加水平压力，压缩密封胶圈，对腐蚀舱进行密封。
可选地，循环污水组件，还包括：一号污水井、二号污水井以及泥浆泵；
一号污水井、二号污水分别位于腐蚀舱的两端；泥浆泵设置于一号污水井端，连接塑料软管，将污水从一号污水井中抽取输送至腐蚀舱，再从腐蚀舱流至二号污水井。
可选地，气体收集组件，包括：进气口、出气口、输气管、橡胶软管以及反应容器；
进气口与出气口通过输气管连接，贯穿腐蚀舱；进气口设置在二号污水井一端，位于U型反力架侧板的中空位置的底部；出气口设置在一号污水井一端，位于U型反力架侧板的中空位置的顶部，通过橡胶软管与反应容器连接；进气口处配有阀门，阀门预留在透明挡板上。
可选地，在每次打开舱门前启用气体收集组件，由进气口不断通入压缩空气，将腐蚀舱内有毒气体排挤到气体反应容器中。
可选地，反应容器中的乙酸锌用于吸收排除的有毒气体。
一方面，提供了一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法，该方法适用于上述的装置，包括以下步骤：
S1：对腐蚀舱内的120度区域的混凝土内弧面喷淋5％稀硫酸，将表面pH降至4，调整为微生物诱导混凝土腐蚀MICC第三阶段启动的适宜条件；
S2：在酸化后的表面通入活性污泥，组建足尺污水模拟系统试验装置；将酸化的区域调整为管道冠部，泵入污水，直至污水液面接触到酸化区域；
S3：通过定期更换污水、通入空气，为微生物提供生产要素；依据腐蚀效果适度通入Na2S溶液，提高硫化氢气体浓度。
本发明实施例的上述技术方案至少具有如下有益效果：
上述方案中，本发明提出一种可缩短原位腐蚀试验周期的加速腐蚀试验方法，以及与之相配套的足尺污水模拟系统，用于探究足尺管的真实微生物诱导混凝土腐蚀MICC行为机制。相较于硫酸浸泡法和壁厚减薄法，本发明可模拟微生物转化过程，可以代表真实污水系统中的管道腐蚀行为。用于加速模拟足尺混凝土管在污水系统中的腐蚀行为，在大幅缩短原位腐蚀试验周期的同时，也能体现微生物转化过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置的装置框图；
图2是本发明实施例提供的一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置的腐蚀舱内部腐蚀图；
图3是本发明实施例提供的一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法的流程图。
其中附图标记为：
1、腐蚀舱；2、密封胶垫；3、透明挡板；4、U型反力架侧板；5、紧固螺栓；6、U型反力架底板；7、弧形支座；8、塑料软管；9、进水口阀门；10、出水口阀门；11、进气口；12、出气口；13、橡胶软管；14、一号污水井；15、泥浆泵；16、二号污水井；17、反应容器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
需要说明的是，本发明中使用的“上”、“下”、“左”、“右”“前”“后”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
图1是本发明实施例提供的一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置的装置框图；图2是本发明实施例提供的一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置的腐蚀舱内部腐蚀图；图3是本发明实施例提供的一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法的流程图。
图1是根据一示例性实施例示出的一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置的装置框图。参照图1，该装置包括：
腐蚀舱1、U型密封组件、循环污水组件以及气体收集组件；
腐蚀舱1内嵌与U型密封组件中；
循环污水组件包括塑料软管8，塑料软管8贯穿腐蚀舱1以及U型密封组件，用于输送污水；
气体收集组件固定于U型密封组件的两端。
优选地，腐蚀舱1为圆柱形的舱钢筋混凝土管件。
一种可行的实施方式中，选用钢筋混凝土管件为腐蚀舱1体，腐蚀舱1采用内径1500mm，长度3000mm的钢筋混凝土管件，钢筋混凝土管件两侧管口粘贴密封胶圈2，通过U型密封模块密封。
优选地，U型密封组件包括：密封胶圈2、透明挡板3、U型反力架组、紧固螺栓5；
所述透明挡板通过所述密封胶圈固定于所述腐蚀舱的两端，通过紧固螺栓将所述透明挡板固定在所述U型反力架组上，纵向固定所述腐蚀舱。
一种可行的实施方式中，密封胶圈2粘贴在腐蚀舱1的端口，密封胶外侧与透明挡3接触，透明挡板3由紧固螺栓5压紧。
一种可行的实施方式中，透明挡板3通过紧固螺栓5固定在腐蚀舱的两端，透明挡板3与腐蚀舱1接口处设置有密封胶圈2，拧动紧固螺栓5可将U型反力架的力传递给透明挡板3，进一步挤压密封胶圈2，实现腐蚀舱1的密封。
优选地，U型反力架组，包括：U型反力架侧板4、U型反力架底板6以及弧形支座7；
U型反力架侧板4为中空的长方体侧板，U型反力架底板6位于腐蚀舱1以及透明挡板3的下方；弧形支座7位于U型反力架底板6上方，腐蚀舱1的两侧，横向固定腐蚀舱1。
一种可行的实施方式中，预先酸化试件表面至pH～4，为生物硫酸的生产提供适宜条件，大幅缩短MICC启动阶段。如图2所示，使用5％硫酸溶液对腐蚀舱1内弧面120°范围进行预酸化处理，调整pH接近4左右，接入活性污泥。将管件腐蚀区域调整至正上方，放置于U型反力架的弧形支座7上。
优选地，U型反力架侧板4配有14个螺纹孔，紧固螺栓5穿过螺纹孔与透明挡板3接触，通过拧动紧固螺栓5，为透明挡板3施加水平压力，压缩密封胶圈2，对腐蚀舱1进行密封。
一种可行的实施方式中，U型反力架配有个螺纹孔，紧固螺栓5穿过螺纹孔与透明挡板3接触，通过拧动紧固螺栓5，可为透明挡板3施加水平压力，进一步可压缩密封胶圈2，从而实现密封。
可选地，循环污水组件，还包括：一号污水井15、二号污水井16以及泥浆泵；
一号污水井15、二号污水分别位于腐蚀舱1的两端；泥浆泵设置于一号污水井15端，连接塑料软管8，将污水从一号污水井15中抽取输送至腐蚀舱1，再从腐蚀舱1流至二号污水井16。
一种可行的实施方式中，通过泥浆泵可将污水从一号污水井15经由塑料软管8输送至腐蚀舱1，再通过塑料软管8排出至二号污水井16。
一种可行的实施方式中，通过设置进水口阀门9和出水口阀门10，开启进水口阀门9与泥浆泵，可将污水输送至腐蚀舱1，开启出水口阀门10可将污水排出至二号污水井16，实现污水流动循环。
优选地，气体收集组件，包括：进气口11、出气口12、输气管、橡胶软管13以及反应容器17；
进气口11与出气口12通过输气管连接，贯穿腐蚀舱1；进气口11设置在二号污水井16一端，位于U型反力架侧板4的中空位置的底部；出气口12设置在一号污水井15一端，位于U型反力架侧板4的中空位置的顶部，通过橡胶软管13与反应容器17连接。
优选地，进气口11处配有阀门，阀门预留在透明挡板3上。
优选地，在每次打开舱门前启用气体收集组件，由进气口11不断通入压缩空气，将腐蚀舱1内有毒气体排挤到气体反应容器17中。
优选地，反应容器17中的酸性溶液用于中和排除的有毒气体。
一种可行的实施方式中，定期从进气口11输送压缩空气，提供好氧环境；此外，在每次管件检测时，从进气口11通入压缩空气，将腐蚀舱1中的气体排入醋酸锌溶液进行中和。
一种可行的实施方式中，反应容器17中的溶液可选用醋酸锌溶液。
一种可行的实施方式中，将压缩空气从进气口11加入腐蚀舱1的底部，由下至上将有毒气体从出气口12排出，通过橡胶软管13输送至盛有醋酸锌溶液的容器中吸收。
本发明实施例中，通过对钢筋混凝土管的冠部进行预酸化处理，调整为ASOB适宜生存阶段，大幅缩短生物硫酸的生产周期。以钢筋混凝土管为舱体，采用U型反力架组、透明挡板3与密封胶圈2实现钢筋混凝土管的两端密封，搭建足尺污水模拟系统。将该系统放置于两口污水井之间，由泥浆泵将污水井中的污水泵送至腐蚀舱1，可模拟真实污水环境。本试验装置与试验方法可大幅减少试验成本和试验周期，使得足尺污水管的原位腐蚀操作可行。
本发明实施例提供了一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法，该方法适用于上述足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置。如图3所示的足尺污水模拟系统加速腐蚀试方法的流程图，该方法的处理流程可以包括如下的步骤：
S1：对腐蚀舱内的120度区域的混凝土内弧面喷淋5％稀硫酸，将表面pH降至4，调整为微生物诱导混凝土腐蚀MICC第三阶段启动的适宜条件；
S2：在酸化后的表面通入活性污泥，组建足尺污水模拟系统试验装置；将酸化的区域调整为管道冠部，泵入污水，直至污水液面接触到酸化区域；
S3：通过定期更换污水、通入空气，为微生物提供生产要素；依据腐蚀效果适度通入Na2S溶液，提高硫化氢气体浓度。
一种可行的实施方式中，试验对象为足尺钢筋混凝土管件，试验前对其内弧面120°范围进行预酸化处理，调整pH接近4左右。
本发明实施例中，通过对钢筋混凝土管的冠部进行预酸化处理，调整为嗜酸性硫氧化菌ASOB适宜生存阶段，大幅缩短生物硫酸的生产周期。以钢筋混凝土管为舱体，采用U型反力架组、透明挡板与密封胶圈实现钢筋混凝土管的两端密封，搭建足尺污水模拟系统。将该系统放置于两口污水井之间，由泥浆泵将污水井中的污水泵送至腐蚀舱，可模拟真实污水环境。本试验装置与试验方法可大幅减少试验成本和试验周期，使得足尺污水管的原位腐蚀操作可行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置，其特征在于，包括：
腐蚀舱、U型密封组件、循环污水组件以及气体收集组件；
所述腐蚀舱内嵌于所述U型密封组件中；
所述循环污水组件包括塑料软管，所述塑料软管贯穿U型密封组件与腐蚀舱相连通，用于输送污水；
所述循环污水组件还包括：一号污水井、二号污水井以及泥浆泵；所述一号污水井、二号污水井分别位于所述腐蚀舱的两端；所述泥浆泵设置于所述一号污水井端，连接所述塑料软管，将所述污水从所述一号污水井中抽取输送至腐蚀舱，再从所述腐蚀舱流至二号污水井；
所述气体收集组件固定于所述U型密封组件的两端；
所述腐蚀舱为圆形钢筋混凝土管件；
所述U型密封组件包括：透明挡板、密封胶圈、U型反力架组、紧固螺栓；
所述透明挡板通过所述密封胶圈固定于所述腐蚀舱的两端，通过紧固螺栓将所述透明挡板固定在所述U型反力架组上，纵向固定所述腐蚀舱；
所述气体收集组件，包括：进气口、出气口、输气管、橡胶软管以及反应容器；所述进气口与所述出气口通过所述输气管连接，贯穿所述腐蚀舱；所述进气口设置在所述二号污水井一端，位于所述U型反力架侧板的中空位置的底部；所述出气口设置在所述一号污水井一端，位于所述U型反力架侧板的中空位置的顶部，通过所述橡胶软管与所述反应容器连接；所述进气口处配有阀门，所述阀门预留在所述透明挡板上；
所述U型反力架组包括：U型反力架侧板、U型反力架底板以及弧形支座；
所述U型反力架侧板为中空的长方体侧板，所述U型反力架底板位于所述腐蚀舱以及所述透明挡板的下方；所述弧形支座位于所述U型反力架底板上方，所述腐蚀舱的两侧，横向固定所述腐蚀舱。
2.根据权利要求1所述的足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置，其特征在于，所述U型反力架侧板配有14个螺纹孔，所述紧固螺栓穿过螺纹孔与所述透明挡板接触，通过拧动所述紧固螺栓，为所述透明挡板施加水平压力，压缩所述密封胶圈，对所述腐蚀舱进行密封。
3.根据权利要求1所述的足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置，其特征在于，在每次打开舱门前启用气体收集组件，由进气口不断通入压缩空气，将腐蚀舱内有毒气体排挤到气体反应容器中。
4.根据权利要求3所述的足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置，其特征在于，所述反应容器中的乙酸锌溶液用于中和排除的有毒气体。
5.一种足尺污水模拟系统加速腐蚀试验方法，所述方法适用于如权利要求1-4任意一项所述的足尺污水模拟系统加速腐蚀试验装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对腐蚀舱内的120度区域的混凝土内弧面喷淋5％稀硫酸，将表面pH降至4，调整为微生物诱导混凝土腐蚀第三阶段启动的适宜条件；
S2：在酸化后的表面通入活性污泥，组建足尺污水模拟系统试验装置；将酸化的区域调整为管道冠部，泵入污水，直至污水液面接触到酸化区域；
S3：通过定期更换污水、通入空气，为微生物提供生产要素；依据腐蚀效果适度通入Na2S溶液，提高硫化氢气体浓度；
所述第三阶段中，当混凝土表面PH值小于4时，嗜酸性硫氧化菌在混凝土表面和孔隙中大量繁殖，H2S、单质硫和硫代硫酸盐物质被代谢为硫酸，pH进一步降低，直到pH降为0.5～1.0，微生物系统出现自我抑制。
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