電鍍廢水膜處理設備泄露原因探析

朱敦學，陳 浩，李瑞鵬

(1.南京大學建筑規劃設計研究院有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京源泉環保科技股份有限公司，江蘇 南京 210046)

0 引言

電鍍廢水成分復雜，其所含有的有毒陰離子、重金屬離子及酸、堿等[1]污染物對環境危害嚴重。膜分離技術因其分離效率高、不發生相態變化等優點[2]，被廣泛應用于電鍍行業廢水等工業廢水處理領域。在工程實際應用中，膜處理設備的管接件在運行一段時間后會出現泄漏問題，本文以某電鍍廢水膜處理設備為例，探析其泄漏原因，并提出合理解決措施。

1 泄露分析

該電鍍廢水處理項目的鎳回收膜設備設計量5t/h，膜設備中的濃縮部分采用的是304不銹鋼材質的金屬管接件制作，其中濃縮與超濃縮的進水與出水的不銹鋼閥門以及單向閥在使用1～3個月后均不同程度地發生了泄露現象。經現場確認,由圖1、圖2可見,該管接件泄露主要有以下特點:

圖1 泄露位置

圖2 被腐蝕的不銹鋼閥門表面

(1)在各處不銹鋼閥門連接的兩端接頭處都有明顯的滲漏現象；

(2)滲漏處都是處于膜設備的濃縮與超濃縮工段；

(3) 將泄露閥門表面的硫酸鎳結晶后的附著物清除干凈，閥門表面可見很多黑色或者深褐色的斑點，且斑點處滲漏程度最為嚴重。

2 原因分析

根據該膜處理設備管接件的泄漏特點及材料特點,考慮其處于膜回收濃縮管段，其管段流經的介質含有氯離子等侵蝕性離子，使不銹鋼材料發生腐蝕，同時不同的焊接工藝也將影響不銹鋼焊接接頭耐腐蝕能力[4]。

2.1 材料特點

304不銹鋼是典型的奧氏體不銹鋼材料，其物理化學性能良好,具有較好的塑性及韌性，易于加工焊接[3],因此廣泛應用于制造壓力管道、平板等。奧氏體不銹鋼雖具有一定的耐腐蝕性，但在含氯離子、硫離子[8]等侵蝕性較強的介質環境中會被腐蝕，被腐蝕部位會變成黑色或者深褐色[3]，且受腐蝕的不銹鋼表面光澤度降低。

2.2 腐蝕類型

不銹鋼表面的氧化膜是其耐腐蝕性能的保障。當氧化膜受到破壞，不銹鋼就會發生局部腐蝕，包括應力腐蝕、孔蝕、點蝕、縫隙腐蝕[3]。

(1) 應力腐蝕：在特定介質和應力作用下，不銹鋼發生應力腐蝕開裂。在氯離子環境中，奧氏體不銹鋼較易產生應力腐蝕，通過添加緩蝕劑，可延緩奧氏體不銹鋼應力腐蝕速度。張新英[5]在逐漸升高的氯離子質量濃度的實驗組中加入緩蝕藥劑，結果表明當氯離子質量濃度最高達到623.4mg/L時，材料的腐蝕率仍較低，說明在一定濃度范圍內加入緩蝕劑可以取得良好的緩蝕效果。

(2) 孔蝕:不銹鋼表面的氧化膜被含氯離子的溶液溶解,在其基底生成小蝕坑,進而形成蝕孔。在不銹鋼材料中添加鉬、硅等元素或添加元素的同時增加材料中的鉻含量，能提高氧化膜的穩定性，預防孔蝕失效。

(3) 點腐蝕：不銹鋼材料中都存在一定含量的非金屬化合物,通過氯離子作用易形成坑點腐蝕, 受腐蝕處多變成黑色或深褐色。

(4) 縫隙腐蝕：與點腐蝕機理相同，坑點效應作用下產生離子遷移與富集，從而產生腐蝕。正如其名，縫隙腐蝕多發生在搭接縫、管板孔縫隙等部位。

2.3 焊接工藝

使用不銹鋼制作管道等主要是通過氬弧焊焊接方式完成，而焊接接頭在腐蝕失效分析中顯示受到的腐蝕最嚴重。焊接接頭發生晶間腐蝕主要是因為焊接時產生的危險溫度，使得晶界及周邊區域鉻含量減少，當奧氏體不銹鋼的鉻元素含量<12%時，就不再具有耐腐蝕的性能。林曉云[9]等分析發現，當不銹鋼焊接接頭處于450～850℃時，奧氏體中的過飽和碳會擴散至晶粒邊界并析出，與鉻形成化合物，使晶界鉻含量降低，進而降低晶界耐腐蝕性能。 而當溫度低于450℃或高于850℃時，都不會降低晶界處鉻含量[10]。

通過氬弧焊對不銹鋼進行焊接時，氬弧焊的溫度可以高達幾千甚至上萬攝氏度。由于受到焊接過程的熱循環影響，對不銹鋼耐腐蝕能力影響最為凸出的往往是在距離焊點有一定距離的附近部位，即熱影響區。M. Dadfar等[11]研究發現熱影響區的腐蝕速率快于其他區域，通過焊后熱處理工藝可以減緩其腐蝕速率。因此防止焊接過程導致的不銹鋼腐蝕性能下降，可考慮選擇適當的焊接方法如快速焊等縮短危險溫度區間的時間，同時在焊接后快速冷卻，使焊縫溫度低于450℃[10]。此外，可在焊接材料上選用碳含量低的焊材，降低對抗腐蝕性能的影響[4]。

2.4 導致該次設備泄露的原因

該電鍍廢水膜處理設備管段中流經的介質主要含有硫酸鎳、氯化鎳、硼酸、光亮劑及少量的硫酸，pH為3～4，而氯離子對不銹鋼表面的氧化膜極具破壞性[6]。葛紅花[7]等研究了304不銹鋼耐氯離子性能，結果表明304不銹鋼受氯離子作用點蝕的濃度界限為150mg/L左右。而產生該電鍍廢水的電子廠在電鍍槽內添加的氯化鎳(純度為工業級約98%)濃度為40g/L,換算出氯離子的濃度大約12g/L,即12000mg/L。假設膜設備超濃縮管段中的氯離子濃度為槽液濃度的10%，則管道中的氯離子濃度高達1200mg/L,遠遠超過了304不銹鋼對于氯離子的耐受濃度。對照設備管接件的泄露特點，初步斷定泄露的不銹鋼閥門是受到氯離子等介質的腐蝕而產生黑色及深褐色的斑點。同時，將該膜處理設備管件存在泄漏現象的閥門比對后可以發現，圖3中不銹鋼閥門焊接點附近腐蝕情況，熱影響區的黑點數目最集中，腐蝕程度高于其他區域。熱影響區受到的腐蝕最為嚴重，與文獻研究結果相符，不銹鋼焊接工藝也會對設備管接件的腐蝕泄露產生影響。

圖3 不銹鋼閥門焊接點附近腐蝕情況

3 結論及建議

(1)該電子電鍍廢水膜處理設備管接件發生泄露是由于不銹鋼閥門在高濃度氯離子等介質中被腐蝕造成的，同時焊接工藝很有可能會進一步影響不銹鋼腐蝕的速度。

(2)為延長不銹鋼在氯離子環境下的壽命，可在工藝條件允許的情況下，加入適當的緩蝕劑或選擇合理的材料，以達到最佳經濟效益。

(3)焊接工藝方法不同會影響該電子電鍍廢水膜處理設備管接件耐腐蝕能力。焊接后快速冷卻或使用小熱量輸入的焊接工藝，能降低對材料抗腐蝕性能的影響。