工业集控区污水处理厂金属工艺管道腐蚀分析及措施

吴永伟

（福建省环境保护设计院有限公司，福建 福州 350012）

金属腐蚀是指金属在周围介质的化学或电化学作用下，与物理、机械或生物学因素共同发生作用，导致金属破坏的现象。根据腐蚀过程，一般可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。而日常生活中常见的生锈现象，就是钢铁及铁合金在自然环境中形成的腐蚀产物，这也是一种腐蚀现象。污水处理厂中的工艺管道，多采用碳钢、不锈钢等金属材质，但随着时间的推移，金属工艺管道的腐蚀问题已成为影响污水处理厂正常生产的重要因素。

1 工程概况

以福建某工业集控区为例，该工业区成立于1991年，是全国最早的污染集中控制区之一，区内入驻企业主要为漂染水洗企业和五金电镀企业。该集控区配套的污水处理厂，负责集中处理区内的漂染及电镀废水，处理规模为7.1万m3/d。目前，该污水处理厂各污水处理水池附属的金属工艺管道，如溢流管、放空管、连通管、排放管等均存在不同程度的腐蚀现象，因管径大小不同，壁厚不同，腐蚀程度也不同：有的管道腐蚀表面呈树皮状，可整片剥离管道；有的管道已经出现滴漏、渗漏现象；有的外观未渗漏，但也存在腐蚀情况，同时，管道附属法兰、螺栓锈蚀严重，阀门失效。具体腐蚀情况如图1所示。

图1 金属工艺管道腐蚀情况

根据现场统计，该污水处理厂内的多个处理水池的附属金属管道都需要进行维修或改造处理。但是，各处理水池基本处于满负荷生产运行状态，停产放空处理水池进行管道维修/改造存在诸多问题：①生产负荷较高，停产会影响污水处理厂的整体生产计划安排；②池内有效培养及驯化的活性污泥可能因处置不当而流失，恢复生产时影响较大；③处理水池排空会带来污泥压滤脱水及处置问题，会增加额外运行成本；④池内填料使用年限已久，排空池内活性污泥可能导致填料整体垮塌，给生产带来更大影响。

因此，针对以上问题，需要制定行之有效的处置措施，在确保各项工作有序进行以及在不影响目前正常生产的前提下，实现腐蚀管道的加强防护，以确保短期内不会出现因管道破裂而发生生产事故，已是迫在眉睫的事情。

2 成因分析

2.1 氧气的影响

自然界中最常见的铁生锈其原因是吸氧腐蚀，此过程反应化学方程式如下[1]：

阳极反应：Fe→Fe2++2e-；

阴极反应：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，没有水和氧气，铁就不会生锈，但空气中会存在约21%体积的氧气，其吸氧腐蚀现象是无法避免的。

2.2 相对湿度的影响

空气中的相对湿度越高，金属管道表面水膜越厚，空气中的氧越容易透过水膜到达金属表面并发生反应。钢的临界相对湿度约为70%，当相对湿度达到临界值时，金属腐蚀速度会大幅上升。本工业集控区污水处理厂地处闽南沿海，离海岸线直线最短距离约400 m。而该地区沿海的高湿阶段主要出现在春夏两季，且距离海岸线越近，高湿现象越突出，而源自海洋的高湿会伴有一定的腐蚀性[2]。所以，高湿现象势必导致相对湿度超过临界值，进而使金属管道腐蚀速度加快。

2.3 温度的影响

环境温度与相对湿度有关，当处于干燥的环境（如沙漠）中，因金属管道表面难以形成水膜，气温再高金属也不容易锈蚀。可当相对湿度达到临界值时，温度的影响将明显加剧，当温度每上升10 ℃，锈蚀速度将会提高两倍。因此，在湿热带或雨季，气温越高，锈蚀现象越严重。本工业集控区污水处理厂所在区域属于亚热带季风气候，年平均气温为20～21 ℃，最冷的时段平均气温也有11～12 ℃。而且夏天较长，每年从5月一直持续到10月，占全年的一半时间[2]。由此可见，该污水处理厂全年大部分时间均处在高温环境中，势必会加剧金属管道的腐蚀。

2.4 输送介质的影响

本集控区配套的污水处理厂，主要负责集中处理区内的漂染及电镀废水。由于废水中含有酸、碱、盐以及各种有机化学物质、无机化学物质，其介质成分极为复杂，导致金属工艺管道尤其是碳钢、不锈钢材质的管道经常容易从内部向外产生腐蚀现象。同时，随着废水在管道内停留时间的增加，废水中的溶解氧和硝酸盐完全被消耗，导致管道内的厌氧环境会促进H2S、NH3、SO2等有害气体的生成[3]，这也会对管道造成腐蚀；另外，污水中的S经过一系列的生物化学反应最终转变成H2SO4，进而与金属管道发生反应，同样会腐蚀管道。

2.5 其他影响

除以上影响因素外，空气中含有的其他腐蚀性物质如盐雾、二氧化硫、硫化氢和灰尘，都会加速金属管道的腐蚀。而且在不同地区、不同环境下受腐蚀大小的差别是比较直观的，例如，城市高于农村；工业区高于生活区；高粉尘区高于低粉尘区。本污水处理厂地处沿海工业集控区内，空气中其他腐蚀性物质的浓度会比周边地区更高，所以对金属管道的腐蚀影响更为明显。

3 问题及解决方案

根据实际统计，该污水处理厂内至少有十个污水处理水池附属的金属管道存在腐蚀现象。针对以上情况，运维单位已将金属工艺管道维修/改造事宜提上日程，并就维修/改造方案咨询多个专业厂家，均未得到满意的结果。主要是因为项目实施较早，前期设计阶段对后期管道检修条件考虑不够充分，金属工艺管道与处理水池连接部位未预留相应的截止阀门，导致大部分管道必须在停产排空池体后才能实现管道的维修/改造。最后，运维单位为了确保短期内的生产不受影响，拟采取措施给腐蚀的金属工艺管道加强防护，待加强防护措施到位不影响生产后，再将金属工艺管道统筹纳入各污水处理水池进行综合考虑，然后分年度按计划进行大修或改造。

4 处置措施

本次加强防护措施主要是根据现场腐蚀金属工艺管道的实际情况，采用玻璃钢纤维包封金属工艺管道，确保正常生产不受影响。拟定方案为：将原腐蚀金属工艺管道及阀门全部用玻璃钢纤维完全包封，混凝土水池与玻璃钢纤维包封管道接口部分进行密封处理，包封后的玻璃钢管道外壳满足原有管道的使用强度要求，即使内部金属管道全部损坏，其外部玻璃钢加强体也能对管道进行支撑和密封，以保障污水处理水池与玻璃钢管道的密封性能，确保管道使用年限至少五年，具体工艺如下：（1）根据现场测量尺寸，为金属工艺管道附属的阀门部分制作一个玻璃钢密封箱，使其全部包封在内，密封箱下部结合实际要求补做支撑，确保具有足够的强度支撑上部管道及管道内介质和风载荷；（2）将原金属工艺管道与混凝土水池接合部位外套一个玻璃钢法兰，法兰与混凝土池表面用定制密封圈密封，将法兰用加长膨胀螺栓与混凝土水池紧固为一体，保证连接部位的密封性；（3）在原金属工艺管道外套一根口径为大50 mm的玻璃钢管，然后与阀门密封箱密封连接，使原金属工艺管道和阀门全部密封在玻璃钢制品中；（4）由于原金属工艺管道的安装位置和形式不同，因此本加强防护方案需根据实际情况做到“一管一案”；（5）与运维单位协商拟定突发事故应急预案，杜绝施工过程中由于金属工艺管道破裂而发生事故；（6）结合现场实际情况，将污水池外部原有腐蚀严重的钢制管道支架更换为玻璃钢支架，并确保其固定牢靠；（7）对于一些处于悬浮状态的金属工艺管道，要制作支撑架，以提高管道的强度和使用寿命；（8）每根金属工艺管道加强防护施工完毕后，进行压力测试，以保障施工质量，确保防护后的管道其功能和强度满足要求。

5 结论及建议

5.1 结论

根据具体处置措施，将加强防护的管道与未处置的管道进行对比，如图2所示。由此可见，对金属工艺管道加强保护可以显著增强工艺管道的强度，同时外观也较好。以上措施可有效地控制污水处理厂金属工艺管道的腐蚀现象，且不会影响污水处理厂正常生产，并确保水池及工艺管道的维修、改造更加平稳、有序、按计划实施。

图2 金属工艺管道加强防护情况

5.2 建议

（1）应严格按照加强防护专项方案、技术交底资料及有关规范标准和操作规程进行施工，并加强有关工序质量参数的监控；（2）施工现场应封闭作业，避免对污水处理厂正常生产造成影响；（3）作业现场遇到需运维单位配合的工作，应提前沟通反馈，做好衔接工作。