工業(yè)集控區(qū)污水處理廠金屬工藝管道腐蝕分析及措施

吳永偉

（福建省環(huán)境保護設(shè)計院有限公司，福建 福州 350012）

金屬腐蝕是指金屬在周圍介質(zhì)的化學(xué)或電化學(xué)作用下，與物理、機械或生物學(xué)因素共同發(fā)生作用，導(dǎo)致金屬破壞的現(xiàn)象。根據(jù)腐蝕過程，一般可分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。而日常生活中常見的生銹現(xiàn)象，就是鋼鐵及鐵合金在自然環(huán)境中形成的腐蝕產(chǎn)物，這也是一種腐蝕現(xiàn)象。污水處理廠中的工藝管道，多采用碳鋼、不銹鋼等金屬材質(zhì)，但隨著時間的推移，金屬工藝管道的腐蝕問題已成為影響污水處理廠正常生產(chǎn)的重要因素。

1 工程概況

以福建某工業(yè)集控區(qū)為例，該工業(yè)區(qū)成立于1991年，是全國最早的污染集中控制區(qū)之一，區(qū)內(nèi)入駐企業(yè)主要為漂染水洗企業(yè)和五金電鍍企業(yè)。該集控區(qū)配套的污水處理廠，負責(zé)集中處理區(qū)內(nèi)的漂染及電鍍廢水，處理規(guī)模為7.1萬m3/d。目前，該污水處理廠各污水處理水池附屬的金屬工藝管道，如溢流管、放空管、連通管、排放管等均存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象，因管徑大小不同，壁厚不同，腐蝕程度也不同：有的管道腐蝕表面呈樹皮狀，可整片剝離管道；有的管道已經(jīng)出現(xiàn)滴漏、滲漏現(xiàn)象；有的外觀未滲漏，但也存在腐蝕情況，同時，管道附屬法蘭、螺栓銹蝕嚴重，閥門失效。具體腐蝕情況如圖1所示。

圖1 金屬工藝管道腐蝕情況

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計，該污水處理廠內(nèi)的多個處理水池的附屬金屬管道都需要進行維修或改造處理。但是，各處理水池基本處于滿負荷生產(chǎn)運行狀態(tài)，停產(chǎn)放空處理水池進行管道維修/改造存在諸多問題：①生產(chǎn)負荷較高，停產(chǎn)會影響污水處理廠的整體生產(chǎn)計劃安排；②池內(nèi)有效培養(yǎng)及馴化的活性污泥可能因處置不當而流失，恢復(fù)生產(chǎn)時影響較大；③處理水池排空會帶來污泥壓濾脫水及處置問題，會增加額外運行成本；④池內(nèi)填料使用年限已久，排空池內(nèi)活性污泥可能導(dǎo)致填料整體垮塌，給生產(chǎn)帶來更大影響。

因此，針對以上問題，需要制定行之有效的處置措施，在確保各項工作有序進行以及在不影響目前正常生產(chǎn)的前提下，實現(xiàn)腐蝕管道的加強防護，以確保短期內(nèi)不會出現(xiàn)因管道破裂而發(fā)生生產(chǎn)事故，已是迫在眉睫的事情。

2 成因分析

2.1 氧氣的影響

自然界中最常見的鐵生銹其原因是吸氧腐蝕，此過程反應(yīng)化學(xué)方程式如下[1]：

陽極反應(yīng)：Fe→Fe2++2e-；

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-；

4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3；

2Fe（OH）3→Fe2O3·H2O+2H2O；

Fe（OH）3→FeO（OH）+H2O；

8FeO（OH）+Fe2++2e-→Fe3O4+4H2O

由以上方程式可以看出，沒有水和氧氣，鐵就不會生銹，但空氣中會存在約21%體積的氧氣，其吸氧腐蝕現(xiàn)象是無法避免的。

2.2 相對濕度的影響

空氣中的相對濕度越高，金屬管道表面水膜越厚，空氣中的氧越容易透過水膜到達金屬表面并發(fā)生反應(yīng)。鋼的臨界相對濕度約為70%，當相對濕度達到臨界值時，金屬腐蝕速度會大幅上升。本工業(yè)集控區(qū)污水處理廠地處閩南沿海，離海岸線直線最短距離約400 m。而該地區(qū)沿海的高濕階段主要出現(xiàn)在春夏兩季，且距離海岸線越近，高濕現(xiàn)象越突出，而源自海洋的高濕會伴有一定的腐蝕性[2]。所以，高濕現(xiàn)象勢必導(dǎo)致相對濕度超過臨界值，進而使金屬管道腐蝕速度加快。

2.3 溫度的影響

環(huán)境溫度與相對濕度有關(guān)，當處于干燥的環(huán)境（如沙漠）中，因金屬管道表面難以形成水膜，氣溫再高金屬也不容易銹蝕?？僧斚鄬穸冗_到臨界值時，溫度的影響將明顯加劇，當溫度每上升10 ℃，銹蝕速度將會提高兩倍。因此，在濕熱帶或雨季，氣溫越高，銹蝕現(xiàn)象越嚴重。本工業(yè)集控區(qū)污水處理廠所在區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均氣溫為20～21 ℃，最冷的時段平均氣溫也有11～12 ℃。而且夏天較長，每年從5月一直持續(xù)到10月，占全年的一半時間[2]。由此可見，該污水處理廠全年大部分時間均處在高溫環(huán)境中，勢必會加劇金屬管道的腐蝕。

2.4 輸送介質(zhì)的影響

本集控區(qū)配套的污水處理廠，主要負責(zé)集中處理區(qū)內(nèi)的漂染及電鍍廢水。由于廢水中含有酸、堿、鹽以及各種有機化學(xué)物質(zhì)、無機化學(xué)物質(zhì)，其介質(zhì)成分極為復(fù)雜，導(dǎo)致金屬工藝管道尤其是碳鋼、不銹鋼材質(zhì)的管道經(jīng)常容易從內(nèi)部向外產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。同時，隨著廢水在管道內(nèi)停留時間的增加，廢水中的溶解氧和硝酸鹽完全被消耗，導(dǎo)致管道內(nèi)的厭氧環(huán)境會促進H2S、NH3、SO2等有害氣體的生成[3]，這也會對管道造成腐蝕；另外，污水中的S經(jīng)過一系列的生物化學(xué)反應(yīng)最終轉(zhuǎn)變成H2SO4，進而與金屬管道發(fā)生反應(yīng)，同樣會腐蝕管道。

2.5 其他影響

除以上影響因素外，空氣中含有的其他腐蝕性物質(zhì)如鹽霧、二氧化硫、硫化氫和灰塵，都會加速金屬管道的腐蝕。而且在不同地區(qū)、不同環(huán)境下受腐蝕大小的差別是比較直觀的，例如，城市高于農(nóng)村；工業(yè)區(qū)高于生活區(qū)；高粉塵區(qū)高于低粉塵區(qū)。本污水處理廠地處沿海工業(yè)集控區(qū)內(nèi)，空氣中其他腐蝕性物質(zhì)的濃度會比周邊地區(qū)更高，所以對金屬管道的腐蝕影響更為明顯。

3 問題及解決方案

根據(jù)實際統(tǒng)計，該污水處理廠內(nèi)至少有十個污水處理水池附屬的金屬管道存在腐蝕現(xiàn)象。針對以上情況，運維單位已將金屬工藝管道維修/改造事宜提上日程，并就維修/改造方案咨詢多個專業(yè)廠家，均未得到滿意的結(jié)果。主要是因為項目實施較早，前期設(shè)計階段對后期管道檢修條件考慮不夠充分，金屬工藝管道與處理水池連接部位未預(yù)留相應(yīng)的截止閥門，導(dǎo)致大部分管道必須在停產(chǎn)排空池體后才能實現(xiàn)管道的維修/改造。最后，運維單位為了確保短期內(nèi)的生產(chǎn)不受影響，擬采取措施給腐蝕的金屬工藝管道加強防護，待加強防護措施到位不影響生產(chǎn)后，再將金屬工藝管道統(tǒng)籌納入各污水處理水池進行綜合考慮，然后分年度按計劃進行大修或改造。

4 處置措施

本次加強防護措施主要是根據(jù)現(xiàn)場腐蝕金屬工藝管道的實際情況，采用玻璃鋼纖維包封金屬工藝管道，確保正常生產(chǎn)不受影響。擬定方案為：將原腐蝕金屬工藝管道及閥門全部用玻璃鋼纖維完全包封，混凝土水池與玻璃鋼纖維包封管道接口部分進行密封處理，包封后的玻璃鋼管道外殼滿足原有管道的使用強度要求，即使內(nèi)部金屬管道全部損壞，其外部玻璃鋼加強體也能對管道進行支撐和密封，以保障污水處理水池與玻璃鋼管道的密封性能，確保管道使用年限至少五年，具體工藝如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場測量尺寸，為金屬工藝管道附屬的閥門部分制作一個玻璃鋼密封箱，使其全部包封在內(nèi)，密封箱下部結(jié)合實際要求補做支撐，確保具有足夠的強度支撐上部管道及管道內(nèi)介質(zhì)和風(fēng)載荷；（2）將原金屬工藝管道與混凝土水池接合部位外套一個玻璃鋼法蘭，法蘭與混凝土池表面用定制密封圈密封，將法蘭用加長膨脹螺栓與混凝土水池緊固為一體，保證連接部位的密封性；（3）在原金屬工藝管道外套一根口徑為大50 mm的玻璃鋼管，然后與閥門密封箱密封連接，使原金屬工藝管道和閥門全部密封在玻璃鋼制品中；（4）由于原金屬工藝管道的安裝位置和形式不同，因此本加強防護方案需根據(jù)實際情況做到“一管一案”；（5）與運維單位協(xié)商擬定突發(fā)事故應(yīng)急預(yù)案，杜絕施工過程中由于金屬工藝管道破裂而發(fā)生事故；（6）結(jié)合現(xiàn)場實際情況，將污水池外部原有腐蝕嚴重的鋼制管道支架更換為玻璃鋼支架，并確保其固定牢靠；（7）對于一些處于懸浮狀態(tài)的金屬工藝管道，要制作支撐架，以提高管道的強度和使用壽命；（8）每根金屬工藝管道加強防護施工完畢后，進行壓力測試，以保障施工質(zhì)量，確保防護后的管道其功能和強度滿足要求。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

根據(jù)具體處置措施，將加強防護的管道與未處置的管道進行對比，如圖2所示。由此可見，對金屬工藝管道加強保護可以顯著增強工藝管道的強度，同時外觀也較好。以上措施可有效地控制污水處理廠金屬工藝管道的腐蝕現(xiàn)象，且不會影響污水處理廠正常生產(chǎn)，并確保水池及工藝管道的維修、改造更加平穩(wěn)、有序、按計劃實施。

圖2 金屬工藝管道加強防護情況

5.2 建議

（1）應(yīng)嚴格按照加強防護專項方案、技術(shù)交底資料及有關(guān)規(guī)范標準和操作規(guī)程進行施工，并加強有關(guān)工序質(zhì)量參數(shù)的監(jiān)控；（2）施工現(xiàn)場應(yīng)封閉作業(yè)，避免對污水處理廠正常生產(chǎn)造成影響；（3）作業(yè)現(xiàn)場遇到需運維單位配合的工作，應(yīng)提前溝通反饋，做好銜接工作。