石油石化污水處理設(shè)備腐蝕及技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jì)大學(xué)，上海 200001)

污水裝置管線材料的選擇和防腐技術(shù)已經(jīng)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(nèi)襯玻璃鋼等，均可較好的解決腐蝕問題。但在設(shè)備防腐方面，因國內(nèi)污水處理設(shè)備市場仍處在魚龍混雜的階段，且污水處理設(shè)備結(jié)構(gòu)、尺寸、環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，缺少系統(tǒng)性的防腐研究和解決方案，造成質(zhì)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(jī)長周期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的影響，需要加強(qiáng)污泥脫水機(jī)的防腐措施，常用的防腐技術(shù)手段主要包含如下四種：(1)選擇耐蝕材料，即將設(shè)備或管線中的不抗腐蝕的材質(zhì)更換為抗腐蝕材料，實(shí)現(xiàn)防腐的目的[3]；(2)對腐蝕環(huán)境和介質(zhì)采取措施，避免與腐蝕性介質(zhì)接觸；(3)采用涂層和電化學(xué)保護(hù)方法，減弱了設(shè)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?yàn)榉墙饘俨牧暇哂刑烊坏妮^強(qiáng)抗腐蝕能力[6]。

針對石油石化行業(yè)里面的污泥脫水機(jī)，結(jié)合高酸原油、重質(zhì)油等劣質(zhì)原油帶來的強(qiáng)腐蝕和防腐措施分析可知，污泥脫水機(jī)需要工作在一個泥-水-汽混雜的環(huán)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(yīng)用。同時，污泥脫水機(jī)設(shè)備中的大部分配件為轉(zhuǎn)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(xiàn)在的污泥脫水機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要零部件為動設(shè)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(jī)的腐蝕問題。綜上可知，在污泥處理過程中，上述四點(diǎn)預(yù)防或者消除措施中，“選擇耐蝕材料”是減緩污泥脫水機(jī)設(shè)備腐蝕的首選項。因此，本文從設(shè)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(zhì)在制備污泥脫水機(jī)設(shè)備中的可行性，同時基于石油石化行業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的污泥脫水機(jī)設(shè)備運(yùn)行情況，對優(yōu)選的設(shè)備材質(zhì)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，從而獲得了適宜制備污泥脫水機(jī)設(shè)備的材質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料選擇幾種設(shè)備常用材質(zhì)，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(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)試片，每種兩片，試片規(guī)格：50 mm×10 mm×3 mm。

掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)束前后，需要對掛片進(jìn)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(xué)試劑均為分析純(A.R.)，使用或者配制溶液前未進(jìn)行進(jìn)一步的純化。

1.2 實(shí)驗(yàn)操作

腐蝕實(shí)驗(yàn)按照如下的步驟進(jìn)行操作，主要包含掛片預(yù)處理、腐蝕實(shí)驗(yàn)、后續(xù)處理，具體步驟如下所示：

1.2.1 掛片預(yù)處理

購置密封包裝的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)物(50 mL/每10片)，并用脫脂棉擦洗試樣表面粘附的雜質(zhì)；取出掛片，冷風(fēng)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(yàn)

(1)有限元強(qiáng)度分析得出的推力桿接頭部和銷軸處的最大應(yīng)力遠(yuǎn)大于材料的許用應(yīng)力，與實(shí)際發(fā)生斷裂的位置是一致的，驗(yàn)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(yàn)環(huán)境內(nèi)，并記下浸入時間。耐蝕材料優(yōu)選試驗(yàn)環(huán)境選擇在污泥脫水機(jī)房除臭封閉房內(nèi)，模擬污水、臭氣、污泥腐蝕環(huán)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(yīng)保持一致，觀察并記錄試樣浸入溶液后發(fā)生的現(xiàn)象。本次腐蝕試驗(yàn)中，掛片放置時間為116 d，即掛入時間t為2781 h。

1.2.3 后續(xù)處理

將用后的掛片小心取出，觀察記錄表面狀況后進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。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(fēng)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(xué)清洗法除去腐蝕產(chǎn)物，常用化學(xué)清洗劑的配制及說明如表1所示。化學(xué)清洗后的掛片應(yīng)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(xué)清洗方法

對于腐蝕試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)學(xué)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(zhì)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(yàn)的總時間，單位為h。

2 腐蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖1為掛片經(jīng)歷了116 d腐蝕后的實(shí)驗(yàn)照片。從中可知，對于Q235B碳鋼(編號為819)，腐蝕已經(jīng)非常明顯，穿孔位置幾乎被腐蝕穿透，且鋼碼難以辨認(rèn)；而對于304不銹鋼(編號為515)，僅在穿孔位置出現(xiàn)了一些腐蝕發(fā)黑現(xiàn)象，為點(diǎn)蝕現(xiàn)象，其余部位未見明顯的腐蝕現(xiàn)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(fā)黑現(xiàn)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(shí)驗(yàn)后，Q235B碳鋼腐蝕非常明顯，304不銹鋼僅在穿孔位置有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，而316不銹鋼和2205雙相不銹鋼未見腐蝕現(xiàn)象。

圖1 掛片腐蝕后的照片

統(tǒng)計匯總了四種金屬掛片在腐蝕前后的質(zhì)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(jié)果如表2所示。對于編號為866的Q235B碳鋼，由于在腐蝕實(shí)驗(yàn)過程中，穿孔位置已經(jīng)被完全腐蝕，導(dǎo)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(chǎn)生了明顯的區(qū)別，因此編號866的Q235B碳鋼未進(jìn)行后續(xù)計算。

表2 污泥脫水機(jī)房掛片試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)前后質(zhì)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(dá)到了5.1785 g，幾乎一半的Q235B碳鋼已經(jīng)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(huán)境中，1 m2的碳鋼在污泥脫水機(jī)工作環(huán)境中運(yùn)行1 h后，由于腐蝕導(dǎo)致?lián)p失的質(zhì)量達(dá)到了1.369 g。因此，普通未經(jīng)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(jī)房環(huán)境。同時，鑒于其過快的腐蝕速率，經(jīng)表面防腐的碳鋼構(gòu)件也不推薦用于制備污泥脫水機(jī)，以防防腐層局部脫落后孔蝕，造成重大設(shè)備事故。

對于發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象的304不銹鋼(編號分別為510和515)，腐蝕實(shí)驗(yàn)前后質(zhì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(yuǎn)優(yōu)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(zhì)的腐蝕能力相差不大，稍優(yōu)于304不銹鋼的平均腐蝕速率0.0006477 g/m2·h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)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(jī)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(yán)重的腐蝕速率，因此不建議將其應(yīng)用于污泥脫水機(jī)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(shí)驗(yàn)過程中均具有非常低的平均腐蝕速率，除304不銹鋼出現(xiàn)點(diǎn)蝕外，316不銹鋼、2205雙相不銹鋼均未發(fā)現(xiàn)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(jī)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(guān)鍵的一個因素，這很大程度上決定了設(shè)備的成本和后續(xù)的維護(hù)建議程度，需要綜合權(quán)衡材料的抗腐蝕性能、成本、使用壽命、年折舊費(fèi)用等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。表3為常見三種不銹鋼材質(zhì)用于污泥脫水機(jī)制備及應(yīng)用過程中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表。

表3 三種常用不銹鋼材質(zhì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)表

注：*以每噸不銹鋼價格計算，但實(shí)際設(shè)備售價中不銹鋼原料僅占一部分。

對于以304不銹鋼為材質(zhì)制備的污泥脫水機(jī)，已有的現(xiàn)場應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，其在石油石化行業(yè)現(xiàn)場使用壽命為24個月。依據(jù)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(yè)現(xiàn)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(fèi)用為8500元/a。同理可以計算得到316不銹鋼的年折舊費(fèi)用為5571元/a，而2205雙相不銹鋼的的年折舊費(fèi)用為5692元/a。因此，綜合上述因素考慮，對于石油石化行業(yè)應(yīng)用的污泥脫水機(jī)，制備過程中建議采用的材質(zhì)為316不銹鋼和2205不銹鋼，這兩種材質(zhì)的年折舊費(fèi)用相對較為接近，比現(xiàn)階段采用304不銹鋼材質(zhì)制備的污泥脫水機(jī)，年折舊成本降低了約52.6%，具有更高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

針對污泥脫水機(jī)設(shè)備面臨苛刻的腐蝕工作環(huán)境，本文先從理論上分析了污泥脫水機(jī)防腐措施應(yīng)該選擇“耐蝕材料”。為了進(jìn)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(huán)境下116 d的腐蝕情況。結(jié)果表明，Q235B碳鋼腐蝕嚴(yán)重，平均腐蝕速率達(dá)到了1.369 g/m2·h，不適宜制備污泥脫水機(jī)設(shè)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(jī)設(shè)備。結(jié)合石油石化行業(yè)污泥脫水機(jī)現(xiàn)場應(yīng)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(jī)設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，發(fā)現(xiàn)316不銹鋼和2205不銹鋼制備污泥脫水機(jī)設(shè)備具有更低的年折舊費(fèi)用，相較于304不銹鋼的年折舊費(fèi)用降低了一半以上。

[1]孫喜鵬,江奇志,李 強(qiáng).疊螺脫水機(jī)與離心脫水機(jī)在污泥處理中的應(yīng)用比較[J].工業(yè)用水與廢水,2012,43(6):73-76.

[2]于鳳昌,段永鋒,崔新安,等.高酸原油的腐蝕評價、預(yù)測及選材研究[J].石油化工腐蝕與防護(hù),2014(3):8-13.

[3]邵天翔,黎洪珍.川東酸性環(huán)境中油管腐蝕分析及預(yù)防措施[J].中外能源,2013(8):54-59.

[4]范 麗,劉景榕,李雪瑩,等.聚苯胺的制備及其在壓載艙涂料中的防腐性能[J].材料科學(xué)與工藝,2018(2):1-8.

[5]趙慧萍,趙文娟,張曉芳.金屬電化學(xué)腐蝕與防腐淺析[J].化學(xué)工程與裝備,2013(10): 135-136.

[6]楊永波,石 磊.防腐新技術(shù)在輸油管網(wǎng)上的應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報,2009(5):403-405.

[7]陳家曉,崔曉燕,陳 智,等.氣井井下掛片腐蝕監(jiān)測工藝研究及應(yīng)用[J].石油與天然氣化工,2015(1):63-66.