化学稳定性评价指标

目前已经制定的许多关于水的可腐蚀能力的指标主要基于以下假设：易于在金属表面沉积碳酸钙垢的水，其腐蚀性是比较小的。朗格利尔指数（Langelier index）是指水体实测的pH值与其“饱和pH值”之间的差，其中“饱和pH值”是指具有相同碱度和钙硬度的水与固体碳酸钙保持平衡时的pH值。朗格利尔指数为正值的水能够从溶液中将碳酸钙沉积为水垢。

据WHO《饮用水水质准则》（第四版），目前还没有对所有材料都适用的腐蚀性指标。而不同的腐蚀性指标，尤其是那些与饱和碳酸钙有关的指标，给出了并非一致的结果。严格来说，与碳酸钙饱和状态有关的各种参数是表明沉积或溶解碳酸钙（方解石）程度的指标，而不是水的“腐蚀性”指标。例如，许多朗格利尔指数是负值的水实际没有腐蚀性而许多朗格利尔指数是正值的水却有腐蚀性。虽然如此，仍然有许多文献报道将饱和指数用于对腐蚀控制的依据类似在铁质水管内附着一层像“鸡蛋壳”大小的方解石保护层。总体而言，具有较高pH值、钙硬度以及碱度的水腐蚀性较低，而这些条件都与正值的朗格利尔指数有关。但是对于铜管系统，这些基于碳酸盐沉积的指标并不能合理地预测腐蚀性规律，建议不予使用。氯化物和硫酸盐浓度与碳酸氢盐浓度比（Larson ratio，拉森比率）可用于评估水对铸铁和钢的腐蚀作用。

管网水质化学稳定性的判别指数分为两大类，一类主要是基于碳酸钙溶解平衡的指数，如朗格利尔饱和指数、Ryznar稳定指数、碳酸钙沉淀势CCPP等；另一类则是基于其他水质参数的指数，如拉森比率等。

3.2.1.1　朗格利尔饱和指数

基于碳酸钙溶解平衡的稳定性指数很多，朗格利尔饱和指数IL，又称LSI，是最早也是应用最广泛的。其定义为

式中　pH——水的实际pH值；

pHs——水在碳酸钙饱和平衡时的pH值，被称为饱和pH值。

朗格利尔饱和指数从热力学平衡角度出发，认为在某一水温下，水中溶解的碳酸钙达到饱和状态时，存在一系列的动态平衡。以化学质量平衡为基础，此时水的pH值是个定值。当IL＝0时，水质稳定；当IL＞0时，碳酸盐处于过饱和，有结垢倾向；当IL＜0时，碳酸盐未饱和，二氧化碳过量，有腐蚀的倾向。pHs值受很多因素影响，除了主要与水的重碳酸盐碱度、钙离子浓度和水温有关外，还受到水中含盐量、钙的缔合离子对及其他能形成碱度的成分等多种因素的影响。一般从简化计算的角度考虑，可将某些因素忽略进行近似计算。在有关手册、著作及文章中采用的计算公式各有差异，最常用的有两种方法。

一种是美国公众健康协会（American Public Health Association，APHA）和美国供水协会（American Water Works Association，AWWA）合编的Standard Methods for Examination of Water and Wastewater（19版）中记载的pHs计算方法。

pHs计算的另一种常用方法是查表法，根据水的总碱度、钙硬度、总溶解固体和水温，查表得到相应的常数（表3-1），按下式计算：

式中　Ns——溶解固体常数；

Nt——温度常数；

Nh——钙硬度（以CaCO3计，mg/L）常数；

Na——总碱度（以CaCO3计，mg/L）常数。

表3-1　pHs计算常数表

（续表）

在实际工作中，朗格利尔饱和指数能作为水处理过程中一个相对性的指导。国内外学者对供水系统水质化学稳定性的研究主要集中在水质化学稳定性的判别指数及模型、管道内壁腐蚀瘤的形态特征及结构分析、腐蚀产物的释放及有色水形成的机理、水质化学稳定处理及腐蚀控制方法等方面。

3.2.1.2　Ryznar稳定指数

Ryznar在朗格利尔饱和指数的基础上，通过大量实验，于1944年提出了半经验性的Ryznar稳定指数IR，又被称为RSI。其定义为

式中　pH——水的实际pH值；

pHs——水在碳酸钙饱和平衡时的pH值，被称为饱和pH值。

以Ryznar稳定指数来判别水质的化学稳定性，见表3-2，在某些情况下较饱和指数接近实际，但它仍然是以pHs为计算基础，因而同样存在局限性。通常将朗格利尔饱和指数、Ryznar稳定指数配合使用，来判断供水系统水质的化学稳定性。

表3-2　Ryznar稳定指数判别水质化学稳定性情况表

3.2.1.3　碳酸钙沉淀势CCPP

朗格利尔饱和指数和Ryznar稳定指数只能给出有关水质化学稳定性的定性概念。对于结垢性或者腐蚀性的水来说，究竟每升水中应该沉淀或溶解多少碳酸钙才能使水质稳定，饱和指数和稳定指数都是无能为力的。碳酸钙沉淀势CCPP则能给出碳酸钙的沉淀或溶解量的数值，因而是个更好的水质化学稳定性指数。CCPP的定义为

式中钙的单位为mol/L，下标i和eq分别代表水原来的和与碳酸钙平衡后的钙离子浓度值，CCPP的单位为mg/L CaCO3，100则是mol/L变为mg/L的换算系数。

3.2.1.4　侵蚀指数AI

侵蚀指数AI是用来鉴定水质对石棉水泥管侵蚀性的稳定性指数。对于石棉水泥材质的管材，水对其的侵蚀作用不能只简单考虑碳酸钙溶解平衡。侵蚀指数AI被定义为

式中　Ca——水样的钙硬度（mg/L CaCO3）；

Alk——水样的总碱度（mg/L CaCO3）。

当AI＜10时，水对石棉水泥管具有高度侵蚀性；当AI＝10～12时，水对石棉水泥管具有中等程度侵蚀性；当AI≥12时，水对石棉水泥管无侵蚀性。

3.2.1.5　拉森比率LR

拉森和Skold在分析大量铁管腐蚀速率数据时，发现水体中碳酸氢根的存在对于缓解腐蚀起着重要作用。他们认为水体的腐蚀性取决于水中腐蚀性组分对于缓蚀性组分的比例，并于1957年提出了拉森比率的概念。拉森比率被定义为

式中氯离子、硫酸根、碳酸氢根的单位均为mol/L。拉森比率考虑到了氯离子和硫酸根等无机阴离子对腐蚀的影响。水体中含盐量的增加会提高水的电导率，加快腐蚀进程；氯离子和硫酸根等无机阴离子半径小，容易穿透破坏金属表面的钝化膜，促进腐蚀。LR值越低，水的腐蚀性就越小。一些学者认为LR应小于0.2以降低水的腐蚀性。另外有人认为LR小于0.5即可接受。综上所述，由于供水系统是一个复杂的系统，并且各个稳定指数计算公式适用条件各不相同，以及公式本身理论上的局限性，实际应用时应综合考虑，才能更实际地反映供水系统中水质化学稳定性的情况，见表3-3和表3-4。

国内一般采用饱和指数和稳定指数共同来分析评价水质化学稳定性。这两个指数只能给出水质化学稳定性的定性分析，用饱和指数判别水的腐蚀或结垢的倾向，用稳定指数判别水的腐蚀或结垢的程度。对于腐蚀性或结垢性的水来说，究竟每升水中应该沉淀或溶解多少碳酸钙才能使水质稳定，饱和指数和稳定指数都是无能为力的。况且，提出饱和指数的初衷只是用于评价钢管、铸铁管、镀锌钢管等未内防腐铁质金属管道的水质化学稳定性。为了全面、客观地评价水质化学稳定性问题，需采用多种指数来建立水质化学稳定性的综合评价体系。

表3-3　水质化学稳定性的评价标准

表3-4　国外一些国家出厂水化学稳定性控制指标

碳酸钙沉淀势CCPP能给出碳酸钙沉淀或溶解量的数值，它从定量的角度来分析水质化学稳定性，因而是个更好的判别指数。对于石棉管、水泥管及水泥砂浆衬里的金属管材，侵蚀指数AI能更准确地评价水质化学稳定性。

另外，在一定条件下，氯离子、硫酸根离子等阴离子能够增加水的导电性，破坏金属管道内壁的钝化膜、腐蚀瘤和穿透非金属管材，降低水质化学稳定性。拉森比率LR能够评价氯离子、硫酸根离子等阴离子对水质化学稳定性的影响。因此，主要采用3种稳定指数来综合评价水质化学稳定性：对于无内防腐的金属管材，用碳酸钙沉淀势CCPP和拉森比率LR来分析；对于水泥管、水泥砂浆衬里的金属管材，用侵蚀指数AI和拉森比率LR来分析。由于当前国内对水质化学稳定性的判别，仍以饱和指数IL和稳定指数IR为主，因此，也将其纳入评价体系，但仅供参考，以便进行对比，其评价结果与碳酸钙沉淀势CCPP相矛盾时，以碳酸钙沉淀势为准。