工業集控區污水處理廠金屬工藝管道腐蝕分析及措施

吳永偉

（福建省環境保護設計院有限公司，福建 福州 350012）

金屬腐蝕是指金屬在周圍介質的化學或電化學作用下，與物理、機械或生物學因素共同發生作用，導致金屬破壞的現象。根據腐蝕過程，一般可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。而日常生活中常見的生銹現象，就是鋼鐵及鐵合金在自然環境中形成的腐蝕產物，這也是一種腐蝕現象。污水處理廠中的工藝管道，多采用碳鋼、不銹鋼等金屬材質，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的重要因素。

1 工程概況

以福建某工業集控區為例，該工業區成立于1991年，是全國最早的污染集中控制區之一，區內入駐企業主要為漂染水洗企業和五金電鍍企業。該集控區配套的污水處理廠，負責集中處理區內的漂染及電鍍廢水，處理規模為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；有的管道已經出現滴漏、滲漏現象；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

根據現場統計，該污水處理廠內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運行狀態，停產放空處理水池進行管道維修/改造存在諸多問題：①生產負荷較高，停產會影響污水處理廠的整體生產計劃安排；②池內有效培養及馴化的活性污泥可能因處置不當而流失，恢復生產時影響較大；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池內填料使用年限已久，排空池內活性污泥可能導致填料整體垮塌，給生產帶來更大影響。

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的前提下，實現腐蝕管道的加強防護，以確保短期內不會出現因管道破裂而發生生產事故，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，此過程反應化學方程式如下[1]：

陽極反應：Fe→Fe2++2e-；

陰極反應：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生反應。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。本工業集控區污水處理廠地處閩南沿海，離海岸線直線最短距離約400 m。而該地區沿海的高濕階段主要出現在春夏兩季，且距離海岸線越近，高濕現象越突出，而源自海洋的高濕會伴有一定的腐蝕性[2]。所以，高濕現象勢必導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

環境溫度與相對濕度有關，當處于干燥的環境（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。可當相對濕度達到臨界值時，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，銹蝕現象越嚴重。本工業集控區污水處理廠所在區域屬于亞熱帶季風氣候，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境中，勢必會加劇金屬管道的腐蝕。

2.4 輸送介質的影響

本集控區配套的污水處理廠，主要負責集中處理區內的漂染及電鍍廢水。由于廢水中含有酸、堿、鹽以及各種有機化學物質、無機化學物質，其介質成分極為復雜，導致金屬工藝管道尤其是碳鋼、不銹鋼材質的管道經常容易從內部向外產生腐蝕現象。同時，隨著廢水在管道內停留時間的增加，廢水中的溶解氧和硝酸鹽完全被消耗，導致管道內的厭氧環境會促進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經過一系列的生物化學反應最終轉變成H2SO4，進而與金屬管道發生反應，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、不同環境下受腐蝕大小的差別是比較直觀的，例如，城市高于農村；工業區高于生活區；高粉塵區高于低粉塵區。本污水處理廠地處沿海工業集控區內，空氣中其他腐蝕性物質的濃度會比周邊地區更高，所以對金屬管道的腐蝕影響更為明顯。

3 問題及解決方案

根據實際統計，該污水處理廠內至少有十個污水處理水池附屬的金屬管道存在腐蝕現象。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廠家，均未得到滿意的結果。主要是因為項目實施較早，前期設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留相應的截止閥門，導致大部分管道必須在停產排空池體后才能實現管道的維修/改造。最后，運維單位為了確保短期內的生產不受影響，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后，再將金屬工藝管道統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現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）根據現場測量尺寸，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，密封箱下部結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介質和風載荷；（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實際情況做到“一管一案”；（5）與運維單位協商擬定突發事故應急預案，杜絕施工過程中由于金屬工藝管道破裂而發生事故；（6）結合現場實際情況，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，以保障施工質量，確保防護后的管道其功能和強度滿足要求。

5 結論及建議

5.1 結論

根據具體處置措施，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象，且不會影響污水處理廠正常生產，并確保水池及工藝管道的維修、改造更加平穩、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）應嚴格按照加強防護專項方案、技術交底資料及有關規范標準和操作規程進行施工，并加強有關工序質量參數的監控；（2）施工現場應封閉作業，避免對污水處理廠正常生產造成影響；（3）作業現場遇到需運維單位配合的工作，應提前溝通反饋，做好銜接工作。