石油石化污水處理設備腐蝕及技術經濟研究

李瑩瑩

(1.中國石化銷售有限公司上海石油分公司，上海 200001；2.同濟大學，上海 200001)

污水裝置管線材料的選擇和防腐技術已經比較成熟，針對不同工況選用玻璃鋼管、不銹鋼管、混凝土管或鋼管內襯玻璃鋼等，均可較好的解決腐蝕問題。但在設備防腐方面，因國內污水處理設備市場仍處在魚龍混雜的階段，且污水處理設備結構、尺寸、環境的多樣性和復雜性，缺少系統性的防腐研究和解決方案，造成質量參差不齊，腐蝕問題仍很突出。與此同時，為了降低污泥腐蝕對污泥脫水機長周期連續運轉的影響，需要加強污泥脫水機的防腐措施，常用的防腐技術手段主要包含如下四種：(1)選擇耐蝕材料，即將設備或管線中的不抗腐蝕的材質更換為抗腐蝕材料，實現防腐的目的[3]；(2)對腐蝕環境和介質采取措施，避免與腐蝕性介質接觸；(3)采用涂層和電化學保護方法，減弱了設備或者管線的腐蝕[4-5]；(4)采用非金屬材料代替金屬材料，因為非金屬材料具有天然的較強抗腐蝕能力[6]。

針對石油石化行業里面的污泥脫水機，結合高酸原油、重質油等劣質原油帶來的強腐蝕和防腐措施分析可知，污泥脫水機需要工作在一個泥-水-汽混雜的環境，條件極為惡劣，且無法改變，因此上述防腐措施中的(2)無法應用。同時，污泥脫水機設備中的大部分配件為轉動或支撐部件，要求具有較高的耐磨性、較高的硬度，而非金屬硬度較低、耐磨性較差，難以替代金屬；另外，現在的污泥脫水機結構復雜，主要零部件為動設備，除支撐框架外無法采用涂層防腐，所以上述防腐措施中的(3)和(4)也難以有效減緩甚至避免污泥脫水機的腐蝕問題。綜上可知，在污泥處理過程中，上述四點預防或者消除措施中，“選擇耐蝕材料”是減緩污泥脫水機設備腐蝕的首選項。因此，本文從設備腐蝕及硬度方面，通過掛片腐蝕法，[7]研究了常見金屬材質在制備污泥脫水機設備中的可行性，同時基于石油石化行業現場應用的污泥脫水機設備運行情況，對優選的設備材質進行了技術經濟性分析，從而獲得了適宜制備污泥脫水機設備的材質。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗材料選擇幾種設備常用材質，包括碳鋼(型號為Q235B)，304不銹鋼，316不銹鋼，2205雙相不銹鋼。分別購置上述四種常用材質的標準試片，每種兩片，試片規格：50 mm×10 mm×3 mm。

掛片腐蝕實驗結束前后，需要對掛片進行清洗，需要的試劑包括無水乙醇、氫氧化鈉、鹽酸、六次甲基四銨、硫酸、磷酸、三氧化鉻(鉻酐)、硝酸、檸檬酸銨等。上述化學試劑均為分析純(A.R.)，使用或者配制溶液前未進行進一步的純化。

1.2 實驗操作

腐蝕實驗按照如下的步驟進行操作，主要包含掛片預處理、腐蝕實驗、后續處理，具體步驟如下所示：

1.2.1 掛片預處理

購置密封包裝的標準掛片，用鋼印將試樣打上號碼。將掛片浸入無水乙醇中浸泡移除表面有機物(50 mL/每10片)，并用脫脂棉擦洗試樣表面粘附的雜質；取出掛片，冷風吹干，用濾紙包好，置于干燥器中，24 h后稱重待用(稱重精確至0.1 mg)。

1.2.2 腐蝕試驗

(1)有限元強度分析得出的推力桿接頭部和銷軸處的最大應力遠大于材料的許用應力，與實際發生斷裂的位置是一致的，驗證了計算的正確性。

掛片稱重后立即穿上塑料線尼龍繩，浸入試驗環境內，并記下浸入時間。耐蝕材料優選試驗環境選擇在污泥脫水機房除臭封閉房內，模擬污水、臭氣、污泥腐蝕環境。注意掛片間不能彼此接觸，也不能與容器接觸，以免改變該掛片的腐蝕速率。掛片浸入深度應保持一致，觀察并記錄試樣浸入溶液后發生的現象。本次腐蝕試驗中，掛片放置時間為116 d，即掛入時間t為2781 h。

1.2.3 后續處理

將用后的掛片小心取出，觀察記錄表面狀況后進行后續實驗。對腐蝕沉積不明顯的掛片，用繪圖橡皮擦拭，使其露出金屬本色，然后浸入無水乙醇中，再用脫脂棉擦洗兩遍，再浸入清潔的無水乙醇中浸泡片刻，取出，置干凈濾紙上，冷風吹干，用濾紙包好，置干燥器中，24 h后稱重(稱重精確至0.1 mg)，得出失重，計算腐蝕率；

對腐蝕沉積物較多的掛片，先用化學清洗法除去腐蝕產物，常用化學清洗劑的配制及說明如表1所示。化學清洗后的掛片應立即浸入20 %的氫氧化鈉溶液中鈍化片刻，取出后浸入無水乙醇中，用濾紙擦干，然后用繪圖橡皮擦拭，露出金屬本色。

表1 掛片化學清洗方法

對于腐蝕試驗結果的數學處理，通常按均勻腐蝕的平均值表示。掛片腐蝕速度的計算公式如下所示：

(1)

上述公式中，V失代表金屬的腐蝕速度，單位為g/(m2·h)，m0和m1分別為掛片腐蝕前后的質量，單位為g；S為掛片的表面積，單位為m2；t為掛件腐蝕試驗的總時間，單位為h。

2 腐蝕實驗結果分析

圖1為掛片經歷了116 d腐蝕后的實驗照片。從中可知，對于Q235B碳鋼(編號為819)，腐蝕已經非常明顯，穿孔位置幾乎被腐蝕穿透，且鋼碼難以辨認；而對于304不銹鋼(編號為515)，僅在穿孔位置出現了一些腐蝕發黑現象，為點蝕現象，其余部位未見明顯的腐蝕現象，同時，該試樣的鋼碼清晰可見；316不銹鋼(編號為538)和2205雙相不銹鋼(編號為407)未見明顯腐蝕發黑現象，且這兩個試樣的鋼碼清晰可見。由此可見，對于116 d腐蝕實驗后，Q235B碳鋼腐蝕非常明顯，304不銹鋼僅在穿孔位置有點蝕現象，而316不銹鋼和2205雙相不銹鋼未見腐蝕現象。

圖1 掛片腐蝕后的照片

統計匯總了四種金屬掛片在腐蝕前后的質量，同時按照公式(1)，計算了這四種金屬掛片的腐蝕速率和平均腐蝕速率，結果如表2所示。對于編號為866的Q235B碳鋼，由于在腐蝕實驗過程中，穿孔位置已經被完全腐蝕，導致掛片與容器底部接觸，使得該掛片的腐蝕情況與其余掛片產生了明顯的區別，因此編號866的Q235B碳鋼未進行后續計算。

表2 污泥脫水機房掛片試驗腐蝕速率表

與圖1中照片較為相符，對于編號為819的Q235B碳鋼，腐蝕實驗前后質量分別為10.7580 g和5.5795 g，在116 d的腐蝕過程中，Q235B碳鋼總失重達到了5.1785 g，幾乎一半的Q235B碳鋼已經完全被腐蝕掉。通過公式(1)計算得到的腐蝕速率和平均腐蝕速率為1.369 g/m2·h，意味著在該環境中，1 m2的碳鋼在污泥脫水機工作環境中運行1 h后，由于腐蝕導致損失的質量達到了1.369 g。因此，普通未經防腐處理的碳鋼完全不適用于石油石化污水處理裝置污泥脫水機房環境。同時，鑒于其過快的腐蝕速率，經表面防腐的碳鋼構件也不推薦用于制備污泥脫水機，以防防腐層局部脫落后孔蝕，造成重大設備事故。

對于發生點蝕現象的304不銹鋼(編號分別為510和515)，腐蝕實驗前后質量變化相對較小，按照公式(1)計算得到的腐蝕速率為0.0006346 g/m2·h和0.0006610 g/m2·h，平均化之后為0.0006477 g/m2·h，遠遠小于Q235B碳鋼的平均腐蝕速率1.369 g/m2·h，即304不銹鋼的抗腐蝕能力遠優于Q235B碳鋼。而對于316不銹鋼(編號分別為538和569)和2205雙相不銹鋼(編號分別為403和407)，計算得到的平均腐蝕速率分別僅為0.0002777 g/m2·h和0.0001983 g/m2·h，即這兩種材質的腐蝕能力相差不大，稍優于304不銹鋼的平均腐蝕速率0.0006477 g/m2·h，遠遠優于Q235B碳鋼的平均腐蝕速率1.369 g/m2·h。因此，通過公式1計算得到的這四種材料的平均腐蝕速率，將其用于制備污泥脫水機工作時，抗腐蝕能力按照如下的順序遞減：2205雙相不銹鋼～316不銹鋼﹥304不銹鋼﹥﹥Q235B碳鋼。由于Q235B碳鋼嚴重的腐蝕速率，因此不建議將其應用于污泥脫水機制造過程。

304不銹鋼、316不銹鋼和2205雙相不銹鋼材料在116 d的掛片實驗過程中均具有非常低的平均腐蝕速率，除304不銹鋼出現點蝕外，316不銹鋼、2205雙相不銹鋼均未發現明顯的腐蝕，因此，這三種不銹鋼材料適宜用于污水處理裝置中。而在污泥脫水機的制備過程中，除了需要考慮材料的抗腐蝕性能，原材料的成本也是非常關鍵的一個因素，這很大程度上決定了設備的成本和后續的維護建議程度，需要綜合權衡材料的抗腐蝕性能、成本、使用壽命、年折舊費用等技術經濟指標。表3為常見三種不銹鋼材質用于污泥脫水機制備及應用過程中的技術經濟指標表。

表3 三種常用不銹鋼材質的技術經濟指標表

注：*以每噸不銹鋼價格計算，但實際設備售價中不銹鋼原料僅占一部分。

對于以304不銹鋼為材質制備的污泥脫水機，已有的現場應用數據表明，其在石油石化行業現場使用壽命為24個月。依據表2中計算得到的平均腐蝕速率，估算得到316不銹鋼和2205雙相不銹鋼在石油石化行業現場使用壽命分別為56個月和78個月。304不銹鋼的噸成本為17000元，服役周期為25個月，因此304不銹鋼的年折舊費用為8500元/a。同理可以計算得到316不銹鋼的年折舊費用為5571元/a，而2205雙相不銹鋼的的年折舊費用為5692元/a。因此，綜合上述因素考慮，對于石油石化行業應用的污泥脫水機，制備過程中建議采用的材質為316不銹鋼和2205不銹鋼，這兩種材質的年折舊費用相對較為接近，比現階段采用304不銹鋼材質制備的污泥脫水機，年折舊成本降低了約52.6%，具有更高的技術經濟性。

3 實驗結論

針對污泥脫水機設備面臨苛刻的腐蝕工作環境，本文先從理論上分析了污泥脫水機防腐措施應該選擇“耐蝕材料”。為了進一步比較常見金屬材料，包括Q235B碳鋼、304不銹鋼、316不銹鋼和2205不銹鋼的抗腐蝕能力，采用“掛片腐蝕法”研究了其在模擬環境下116 d的腐蝕情況。結果表明，Q235B碳鋼腐蝕嚴重，平均腐蝕速率達到了1.369 g/m2·h，不適宜制備污泥脫水機設備。304不銹鋼、316不銹鋼和2205不銹鋼具有較高的抗腐蝕能力，平均腐蝕速率分別為0.0006477、0.0002777和0.0001983 g/m2·h，適宜制備污泥脫水機設備。結合石油石化行業污泥脫水機現場應用情況，比較了304不銹鋼、316不銹鋼和2205不銹鋼制備污泥脫水機設備的技術經濟性，發現316不銹鋼和2205不銹鋼制備污泥脫水機設備具有更低的年折舊費用，相較于304不銹鋼的年折舊費用降低了一半以上。

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