石油石化污水处理设备腐蚀及技术经济研究

李莹莹

(1.中国石化销售有限公司上海石油分公司，上海 200001；2.同济大学，上海 200001)

污水装置管线材料的选择和防腐技术已经比较成熟，针对不同工况选用玻璃钢管、不锈钢管、混凝土管或钢管内衬玻璃钢等，均可较好的解决腐蚀问题。但在设备防腐方面，因国内污水处理设备市场仍处在鱼龙混杂的阶段，且污水处理设备结构、尺寸、环境的多样性和复杂性，缺少系统性的防腐研究和解决方案，造成质量参差不齐，腐蚀问题仍很突出。与此同时，为了降低污泥腐蚀对污泥脱水机长周期连续运转的影响，需要加强污泥脱水机的防腐措施，常用的防腐技术手段主要包含如下四种：(1)选择耐蚀材料，即将设备或管线中的不抗腐蚀的材质更换为抗腐蚀材料，实现防腐的目的[3]；(2)对腐蚀环境和介质采取措施，避免与腐蚀性介质接触；(3)采用涂层和电化学保护方法，减弱了设备或者管线的腐蚀[4-5]；(4)采用非金属材料代替金属材料，因为非金属材料具有天然的较强抗腐蚀能力[6]。

针对石油石化行业里面的污泥脱水机，结合高酸原油、重质油等劣质原油带来的强腐蚀和防腐措施分析可知，污泥脱水机需要工作在一个泥-水-汽混杂的环境，条件极为恶劣，且无法改变，因此上述防腐措施中的(2)无法应用。同时，污泥脱水机设备中的大部分配件为转动或支撑部件，要求具有较高的耐磨性、较高的硬度，而非金属硬度较低、耐磨性较差，难以替代金属；另外，现在的污泥脱水机结构复杂，主要零部件为动设备，除支撑框架外无法采用涂层防腐，所以上述防腐措施中的(3)和(4)也难以有效减缓甚至避免污泥脱水机的腐蚀问题。综上可知，在污泥处理过程中，上述四点预防或者消除措施中，“选择耐蚀材料”是减缓污泥脱水机设备腐蚀的首选项。因此，本文从设备腐蚀及硬度方面，通过挂片腐蚀法，[7]研究了常见金属材质在制备污泥脱水机设备中的可行性，同时基于石油石化行业现场应用的污泥脱水机设备运行情况，对优选的设备材质进行了技术经济性分析，从而获得了适宜制备污泥脱水机设备的材质。

1 实验部分

1.1 实验材料

实验材料选择几种设备常用材质，包括碳钢(型号为Q235B)，304不锈钢，316不锈钢，2205双相不锈钢。分别购置上述四种常用材质的标准试片，每种两片，试片规格：50 mm×10 mm×3 mm。

挂片腐蚀实验结束前后，需要对挂片进行清洗，需要的试剂包括无水乙醇、氢氧化钠、盐酸、六次甲基四铵、硫酸、磷酸、三氧化铬(铬酐)、硝酸、柠檬酸铵等。上述化学试剂均为分析纯(A.R.)，使用或者配制溶液前未进行进一步的纯化。

1.2 实验操作

腐蚀实验按照如下的步骤进行操作，主要包含挂片预处理、腐蚀实验、后续处理，具体步骤如下所示：

1.2.1 挂片预处理

购置密封包装的标准挂片，用钢印将试样打上号码。将挂片浸入无水乙醇中浸泡移除表面有机物(50 mL/每10片)，并用脱脂棉擦洗试样表面粘附的杂质；取出挂片，冷风吹干，用滤纸包好，置于干燥器中，24 h后称重待用(称重精确至0.1 mg)。

1.2.2 腐蚀试验

(1)有限元强度分析得出的推力杆接头部和销轴处的最大应力远大于材料的许用应力，与实际发生断裂的位置是一致的，验证了计算的正确性。

挂片称重后立即穿上塑料线尼龙绳，浸入试验环境内，并记下浸入时间。耐蚀材料优选试验环境选择在污泥脱水机房除臭封闭房内，模拟污水、臭气、污泥腐蚀环境。注意挂片间不能彼此接触，也不能与容器接触，以免改变该挂片的腐蚀速率。挂片浸入深度应保持一致，观察并记录试样浸入溶液后发生的现象。本次腐蚀试验中，挂片放置时间为116 d，即挂入时间t为2781 h。

1.2.3 后续处理

将用后的挂片小心取出，观察记录表面状况后进行后续实验。对腐蚀沉积不明显的挂片，用绘图橡皮擦拭，使其露出金属本色，然后浸入无水乙醇中，再用脱脂棉擦洗两遍，再浸入清洁的无水乙醇中浸泡片刻，取出，置干净滤纸上，冷风吹干，用滤纸包好，置干燥器中，24 h后称重(称重精确至0.1 mg)，得出失重，计算腐蚀率；

对腐蚀沉积物较多的挂片，先用化学清洗法除去腐蚀产物，常用化学清洗剂的配制及说明如表1所示。化学清洗后的挂片应立即浸入20 %的氢氧化钠溶液中钝化片刻，取出后浸入无水乙醇中，用滤纸擦干，然后用绘图橡皮擦拭，露出金属本色。

表1 挂片化学清洗方法

对于腐蚀试验结果的数学处理，通常按均匀腐蚀的平均值表示。挂片腐蚀速度的计算公式如下所示：

(1)

上述公式中，V失代表金属的腐蚀速度，单位为g/(m2·h)，m0和m1分别为挂片腐蚀前后的质量，单位为g；S为挂片的表面积，单位为m2；t为挂件腐蚀试验的总时间，单位为h。

2 腐蚀实验结果分析

图1为挂片经历了116 d腐蚀后的实验照片。从中可知，对于Q235B碳钢(编号为819)，腐蚀已经非常明显，穿孔位置几乎被腐蚀穿透，且钢码难以辨认；而对于304不锈钢(编号为515)，仅在穿孔位置出现了一些腐蚀发黑现象，为点蚀现象，其余部位未见明显的腐蚀现象，同时，该试样的钢码清晰可见；316不锈钢(编号为538)和2205双相不锈钢(编号为407)未见明显腐蚀发黑现象，且这两个试样的钢码清晰可见。由此可见，对于116 d腐蚀实验后，Q235B碳钢腐蚀非常明显，304不锈钢仅在穿孔位置有点蚀现象，而316不锈钢和2205双相不锈钢未见腐蚀现象。

图1 挂片腐蚀后的照片

统计汇总了四种金属挂片在腐蚀前后的质量，同时按照公式(1)，计算了这四种金属挂片的腐蚀速率和平均腐蚀速率，结果如表2所示。对于编号为866的Q235B碳钢，由于在腐蚀实验过程中，穿孔位置已经被完全腐蚀，导致挂片与容器底部接触，使得该挂片的腐蚀情况与其余挂片产生了明显的区别，因此编号866的Q235B碳钢未进行后续计算。

表2 污泥脱水机房挂片试验腐蚀速率表

与图1中照片较为相符，对于编号为819的Q235B碳钢，腐蚀实验前后质量分别为10.7580 g和5.5795 g，在116 d的腐蚀过程中，Q235B碳钢总失重达到了5.1785 g，几乎一半的Q235B碳钢已经完全被腐蚀掉。通过公式(1)计算得到的腐蚀速率和平均腐蚀速率为1.369 g/m2·h，意味着在该环境中，1 m2的碳钢在污泥脱水机工作环境中运行1 h后，由于腐蚀导致损失的质量达到了1.369 g。因此，普通未经防腐处理的碳钢完全不适用于石油石化污水处理装置污泥脱水机房环境。同时，鉴于其过快的腐蚀速率，经表面防腐的碳钢构件也不推荐用于制备污泥脱水机，以防防腐层局部脱落后孔蚀，造成重大设备事故。

对于发生点蚀现象的304不锈钢(编号分别为510和515)，腐蚀实验前后质量变化相对较小，按照公式(1)计算得到的腐蚀速率为0.0006346 g/m2·h和0.0006610 g/m2·h，平均化之后为0.0006477 g/m2·h，远远小于Q235B碳钢的平均腐蚀速率1.369 g/m2·h，即304不锈钢的抗腐蚀能力远优于Q235B碳钢。而对于316不锈钢(编号分别为538和569)和2205双相不锈钢(编号分别为403和407)，计算得到的平均腐蚀速率分别仅为0.0002777 g/m2·h和0.0001983 g/m2·h，即这两种材质的腐蚀能力相差不大，稍优于304不锈钢的平均腐蚀速率0.0006477 g/m2·h，远远优于Q235B碳钢的平均腐蚀速率1.369 g/m2·h。因此，通过公式1计算得到的这四种材料的平均腐蚀速率，将其用于制备污泥脱水机工作时，抗腐蚀能力按照如下的顺序递减：2205双相不锈钢～316不锈钢﹥304不锈钢﹥﹥Q235B碳钢。由于Q235B碳钢严重的腐蚀速率，因此不建议将其应用于污泥脱水机制造过程。

304不锈钢、316不锈钢和2205双相不锈钢材料在116 d的挂片实验过程中均具有非常低的平均腐蚀速率，除304不锈钢出现点蚀外，316不锈钢、2205双相不锈钢均未发现明显的腐蚀，因此，这三种不锈钢材料适宜用于污水处理装置中。而在污泥脱水机的制备过程中，除了需要考虑材料的抗腐蚀性能，原材料的成本也是非常关键的一个因素，这很大程度上决定了设备的成本和后续的维护建议程度，需要综合权衡材料的抗腐蚀性能、成本、使用寿命、年折旧费用等技术经济指标。表3为常见三种不锈钢材质用于污泥脱水机制备及应用过程中的技术经济指标表。

表3 三种常用不锈钢材质的技术经济指标表

注：*以每吨不锈钢价格计算，但实际设备售价中不锈钢原料仅占一部分。

对于以304不锈钢为材质制备的污泥脱水机，已有的现场应用数据表明，其在石油石化行业现场使用寿命为24个月。依据表2中计算得到的平均腐蚀速率，估算得到316不锈钢和2205双相不锈钢在石油石化行业现场使用寿命分别为56个月和78个月。304不锈钢的吨成本为17000元，服役周期为25个月，因此304不锈钢的年折旧费用为8500元/a。同理可以计算得到316不锈钢的年折旧费用为5571元/a，而2205双相不锈钢的的年折旧费用为5692元/a。因此，综合上述因素考虑，对于石油石化行业应用的污泥脱水机，制备过程中建议采用的材质为316不锈钢和2205不锈钢，这两种材质的年折旧费用相对较为接近，比现阶段采用304不锈钢材质制备的污泥脱水机，年折旧成本降低了约52.6%，具有更高的技术经济性。

3 实验结论

针对污泥脱水机设备面临苛刻的腐蚀工作环境，本文先从理论上分析了污泥脱水机防腐措施应该选择“耐蚀材料”。为了进一步比较常见金属材料，包括Q235B碳钢、304不锈钢、316不锈钢和2205不锈钢的抗腐蚀能力，采用“挂片腐蚀法”研究了其在模拟环境下116 d的腐蚀情况。结果表明，Q235B碳钢腐蚀严重，平均腐蚀速率达到了1.369 g/m2·h，不适宜制备污泥脱水机设备。304不锈钢、316不锈钢和2205不锈钢具有较高的抗腐蚀能力，平均腐蚀速率分别为0.0006477、0.0002777和0.0001983 g/m2·h，适宜制备污泥脱水机设备。结合石油石化行业污泥脱水机现场应用情况，比较了304不锈钢、316不锈钢和2205不锈钢制备污泥脱水机设备的技术经济性，发现316不锈钢和2205不锈钢制备污泥脱水机设备具有更低的年折旧费用，相较于304不锈钢的年折旧费用降低了一半以上。

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