水處理系統桶槽洩漏之分析與防治

1. 前言

桶槽的製作工法與設計，往往影響桶槽使用年限的多寡。若有缺陷，桶槽在使用下可能出現洩漏情況，一旦發生則必須耗費許多人力、時間與金錢進行補救，如果桶槽內部填裝化學品，更有影響人身安全的疑慮，故桶槽的健全與否將影響系統的運轉與人員安全。

為了解F14A(F6、F14P12、F14P34)廠區內桶槽出現的洩漏情況，故統整分析各廠桶槽洩漏的系統、洩漏位置、損壞率以及實際狀況，後續發現大部分的桶槽洩漏原因重複性高，所以針對常造成桶槽洩漏的原因進行失效分析，並找出方法補救與防治，達到降低桶槽洩漏再發生機會，並了解桶槽製作過程中可能造成使用時洩漏之因素。^[4]

2. 文獻回顧

2.1 案例一_F14 P12 CAX陽塔樹脂桶槽洩漏

純水系統中，陰陽塔樹脂桶槽在產水固定噸數後須進行再生(使用HCl、NaOH化學品)，如此一來才能持續進行水中陰陽離子交換，降低水中導電度。

F14 P2 UPW CAX陽塔樹脂桶槽在長時間的運轉下，逐漸發生陽塔底部蝕穿圖1，導致樹脂桶槽洩漏。每每發生樹脂桶槽洩漏，當下都須進行緊急搶修，將桶槽外部進行補焊CAP圖2，避免桶槽持續洩漏。

2.2 案例二_F6 DIR桶槽洩漏

UPW DIR Tank為收集製程端用來清洗晶片後的水，相較於其他製程水來說，是非常乾淨的一股水，故在UPW系統中會將該股水進行回收，再次回到純水中進行過濾使用，此股水也較於自來水乾淨，為純水系統中不可或缺的一股來源水。

在F6 UPW收集DIR的Tank使用PP板材質，在系統長期運轉下，桶槽因承受力不足，在側面產生破裂圖3，造成嚴重的洩漏。

2.3 案例三_P1234 HCl/NaOH儲存槽洩漏

水系統處理中，WWT與UPW的系統皆有使用HCl/NaOH的化學品，主要目的為用來控制水中的pH值或進行樹脂再生，故化學品的儲存桶槽將顯得格外重要，否則系統在運轉下將無法正常進行。

HCl/NaOH的化學品都使用FRP的材質桶槽進行儲存，因FRP材質特性為質輕、堅硬、無導電性、耐腐蝕，故為良好的儲存桶槽材質。而在F14 P12(HCl)與P34(NaOH)的化學品儲存桶槽都發生過洩漏情況圖4，經研究分析後發現，洩漏位置都在桶槽底部，並更深入了解後可能為桶槽塗層不足與施工工法不正確之原因所致。^[4]

3. 研究方法

3.1 研究架構

3.2 調查分析桶槽廠區

3.2.1 F6桶槽洩漏情況

F6調查統計桶槽洩漏情況，發生洩漏的桶槽為P1純水回收DIR的桶槽，洩漏點為桶槽桶身中段約兩米處，該處桶槽損壞率為33%(2/9)

3.2.2 F14 P12桶槽洩漏情況

F14 P12統計桶槽洩漏情況，發生洩漏的桶槽為P2 UPW CAX桶槽，洩漏點為桶槽桶底，該項桶槽損壞率為66%(2/3)；P12純水化學品HCL儲存桶槽，洩漏點為桶槽桶底，該項桶槽損壞率為100%(2/2)；P2 UPW DIR桶槽，洩漏點為桶槽桶底，該項桶槽損壞率為66%(2/3)。

3.2.3 F14 P34桶槽洩漏情況

F14 P34統計桶槽洩漏情況，發生洩漏的桶槽為P34純水化學品NaOH儲存桶槽，洩漏點為桶槽桶底，該項桶槽損壞率為50%(1/2)；P34廢水硫酸氨儲存桶槽，洩漏點為桶槽桶底，該項桶槽損壞率為22.2%(2/9)；P34廢水AWR一段ACF桶槽，洩漏點為桶槽桶底，該項桶槽損壞率為25%(3/12)。

3.2.4 F14A & F6洩漏情況總結(表1)

3.3 量測儀器

3.3.1 針孔測試

桶槽中若有接觸化學品，則桶槽內部將會施作內襯，而內襯若塗抹不均或是有裂縫，將會造成桶槽使用壽命減少，故桶槽製作完成後或修補後都將進行針孔測試(pinhole test)量測。其原理為金屬表面絕緣防腐層過薄、金屬及漏電微孔處的電阻值和氣隙密度都很小，當有高壓經過時就形成氣隙擊穿而產生火花放電，此時電路產生一個脈衝信號，產生電弧或警報器發出聲光報警，達到檢驗出表面塗層過薄或洩漏目的，適合用於管線與桶槽。

本篇文章中，使用的針孔測試使用儀器型號為LEISTER PST-100圖5，輸出伏特數範圍為10~55KV，可量測厚度範圍為3 mm~50mm。

3.3.2 硬度計測試

CS(carbon steel)桶槽為防酸鹼化學藥品，通常內部會內襯rubber lining，作為CS外部桶槽之保護。其中rubber lining硬度相當重要，因在CS桶槽中壓力變化大，CS桶槽中的內襯極有可能導致變形，而造成內襯的拉力強度、延伸性、反彈性影響，故需進行硬度的量測，確保桶槽在壓力變化後能保有初始的厚度與彈性，不造成變形。

本篇文章中，在CS桶槽中的內襯rubber lining，量測硬度使用TECLOCK ASTM D-type硬度計圖6，其測頭高度為2.5mm、0~100度荷重質為0-44450mN。

3.3.3 厚度儀測試

FRP的黏貼層數對於抗酸鹼的程度有很大的影響，故利用厚度儀進行偵測，其原理為探頭發射的超音波脈沖到達被測物體並在物體中傳播，到達材料分介面時被反射回探頭，通過精確測量超音波在材料中傳播的時間來確定被測材料的厚度，達到塗層厚度確認。

本篇文章中，使用量測厚度儀為CMX CMX/DL超音波測厚儀圖7，音速範圍1250-13995m/s、量測厚度範圍為0.63~508mm。

4. 結果與討論

4.1 F14 P2 UPW樹脂桶槽結構設計不佳

F14P2 UPW CAX樹脂桶槽在十幾年的運轉之下，發生多次的陽塔底部洩漏，也導致人員多次進行緊急搶修，藉由修補過程中進行桶槽內外的設計研究，發現該系統的注酸方式為專用管線，故在桶槽底部有另設注酸管路圖8；而在桶槽內部中外壁使用耐酸鹼的rubber lining內襯進行包覆，其中注酸管路在桶槽內部亦包覆rubber lining。因該管路鄰近產水入口，故在長期的入水沖刷下，造成管路L角處產生龜裂圖9，導致注酸時由內襯龜裂處滲入腐蝕桶槽。在F14 P2 UPW CAX該系統有三套CAX，其中兩套都有發生rubber lining龜裂情況。

4.1.1 F14 P1P2 UPW樹脂桶槽比較比較(P1 Organo VS P2 Christ)

對比樹脂桶槽無洩漏的F14 P1 UPW 2B3T(Organo系統)，發現該系統的注酸管路與產水管路接合後，再進到桶槽中圖10，而非與F14 P2 UPW CAX設計相同為另設管路圖11。

針對F14 P2的CAX桶槽修復方式，對於該問題永久根除的方式為更改結構設計，但因結構設計改變涉及範圍非常廣不易進行，故針對內部的管路內襯進行補強。依分析結果觀察，為L角處內襯的厚度不足導致長期沖刷下造成龜裂，故針對該項薄弱環節進行修復。

詢問FRP專業廠商並討論後，在易龜裂的L角處圖12進行rubber lining的增厚修補(約10mm)，如此一來L角處則有較佳的抗沖刷能力，將龜裂程度降大最低。

4.2 F6 UPW DIR Tank 材質選用不正確

F6 UPW DIR此股水的長期運轉下，收集DIR的Tank發生桶槽側面產生破裂，造成嚴重的洩漏。

後續F6 UPW DIR為了解決該項問題，對照它廠在UPW DIR tank中使用的材質為鐵板，則將該項桶槽材質由PP板改為鐵板，如此一來利用鐵板進行製作提升結構強度外，在桶槽內部、nozzle使用FRP塗層可耐酸鹼增加使用壽命如 圖13。

4.3 FRP桶槽施作工法不正確

在現今的工廠中林立不同FRP桶槽製作工廠，在不同的公司中有不同的製作手法，而製作的手法則在結構的組成上將會影響FRP桶槽的使用壽命，以下幾點則是在此次桶槽分析中須注意的桶槽結構項目 :

4.3.1 不同容量桶槽FRP厚度探討

桶槽的儲存容積，代表著桶槽本身承受的重力，此部分將進行桶槽頂部、桶槽桶身與桶槽底部圖14的厚度探討 :

① 桶槽頂部(t1)

FRP桶槽桶頂主要有三個入口/孔，分別為液體灌充口、抽風孔(Exhaust)和人孔，而在桶槽製作標準中，桶頂厚度則須符合表中(表2)厚度標準。

② 桶槽桶身(t2)

FRP桶槽桶身則須承受桶內液體的側向力，故桶身的厚度需較於桶頂厚，桶槽桶身規格如 表3。

③ 桶槽底部(t3)

FRP桶槽底部則承受桶內液體的正向力，故桶底厚度較於前述的三項厚，以保持桶底承受力，較不容易產生破裂情況，桶槽桶身規格如 表4。

4.3.2 桶槽FRP厚度積層探討

FRP(fiber-reinforced plastic)桶槽製作的材料是一種以高分子量的環氧樹脂或不飽和聚酯樹脂為基質，其特性為輕便、耐腐蝕、抗老化、防水防潮及絕緣等優點，雖然玻璃棉為主要成分，但可細分成許多材質圖15，而每種材質都有著各別特性。

表面氈 : 提高表面光潔度和防滲漏性，同時增強層剪切強度和表面韌性，提高產品的耐腐蝕性和耐侯性。

切股氈 : 高強度、高靭度、抗酸鹼適用於手工塗佈法，可使用在大面積或非大量生產或表面光滑之製品。

紗束 : 含浸性佳、積層物之表面效果良好、易加工、積層物抗張強度及耐衝擊性特大。

針對不同的材料使用則有不同的厚度，一般來說桶槽厚度約為13mm，其中表面耐蝕層約佔10%約為1.3mm；中間耐蝕層約占20%-30%約為2.6-3.9mm；強化層則約占30%-50%約為3.9-6.5mm；最後則是最外層的樹脂約占10%、1.3mm。若為強化樹脂桶槽本身的耐化性，則可針對積層中的中間耐腐蝕層進行強化，一般來說可提升至30%-50%，對於儲存強酸鹼液體有強化之作用，如 圖16。

另外，若是貯存鹼類(NaOH，NaOCL等)或是儲存氟類藥液(HF)，與藥液接觸面需再加一層有機纖維布(不織布)，如此一來，對於桶槽的儲存將有更佳的效果。^[2]

4.3.3 桶槽FRP施工手法

在FRP桶槽洩漏的觀察研究中，發現大部分的洩漏點皆在桶槽底部，經由深入探討後，發現FRP桶槽底部L角的施工非常不容易，除了在桶槽轉彎貼合玻璃纖維不易外，在使用玻璃纖維黏貼手法也會影響桶槽的使用年限。

不論桶槽為圓形或方形，桶槽桶身垂直於桶底都呈現L型，而其L角在黏貼FRP時，易造成修補黏貼過程中，FRP無法與桶壁緊密結合，造成空氣殘存於桶壁與FRP之間，而在長時間的運轉下，空氣則在此處活動，久而久之導致FRP剝離，在液體的沖刷下造成FRP破裂產生洩漏。

故在黏貼L角時圖17，必須讓桶底呈現R角(類R角)避免出現施作上的死角，導致空氣無法擠出，其方法上除了桶槽製作時，使其部位呈現非L角之外，在FRP的施工手法上會在此處塗上黏著劑，讓FRP黏貼時可緊密黏著於桶壁上。^[1]

另外，在轉角處的FRP黏貼有多種方式，有些手法為直接桶壁黏貼，並與相鄰的直角進行接合(圖18 左)，有些則會直角處進行重疊黏貼，與專業廠商確認^[1]，為防止由接合處滲漏，接合處最佳為大於30cm以上的重疊(圖18 右)，如此一來儲存槽中的液體較不易由接合處滲出。

4.4 桶槽量測規範建立

桶槽製作與桶槽修補後的驗收，成為最後一道判別桶槽是否能上線使用的防線，在桶槽常發生洩漏的問題中，歸納出以下三點針對桶槽洩漏常發生的原因進行量測，以確保桶槽的完整性 :

4.4.1 FRP桶壁厚度量測

誠如第4.2.1桶槽FRP的厚度與桶槽大小呈現正相關，越大的桶槽桶頂、桶身、桶底的厚度也將越厚，故驗收方式將成為一大關鍵。鑒於4.2.1歸納出的桶槽相對應之厚度，檢驗方式將為桶槽製作完整後，將對於桶頂(灌充口、抽風口)、桶身(測人孔)、桶底(nozzle、液出口)進行開洞，故可針對每項開洞後之FRP進行量測，確認桶槽相對應的FRP厚度。

另外，修補後的FRP桶槽可利用厚度儀進行量測，一般來說FRP一層厚度約為0.8mm，可根據與廠商約定修補的層數進行量測，確認施工後的FRP是否如同預設結果。

4.4.2 針孔測試量測

針孔測試一般用於CS桶槽中內襯rubber lining的確認，對象為橡膠材質，而不同的橡膠厚度需對應不同的伏特數，一般來說1mm的橡膠材質厚度對應使用3KV，故在量測上須確認其伏特數，方能有效之量測。

新桶槽量測方式為利用儀器針對桶槽每平方米進行刷測、修補桶槽則是修補銜接處進行刷測，內襯一旦有塗層不均(較薄處)、龜裂處則會產生電弧，當下即須確認位置與後續填補方式。^[3]

4.4.3 硬度計量測

CS桶槽中內襯的rubber lining，其硬度扮演相當重要的一環，內襯所能承受的壓力大小與其硬度有相關性。硬度計的量測需平行於橡膠，確認後向下施力，壓至最底時指針停住，該讀值即為其硬度。一般來說，CS桶槽中的rubber lining硬度落在75±50，而新桶槽量測位置為每平方米進行量測，修復桶槽則以修復位置為主。

5. 結論與建議

5.1 結論

此次針對F14A(F6、F14P12、F14P34)的桶槽進行洩漏與研究分析，歸納出洩漏的原因 : ①初始設計不正確，大量的水體流經桶槽內部，若設計上有瑕疵，長期沖洗之下易造成龜裂，導致桶槽被腐蝕；②使用材質錯誤，填裝水樣與內襯/材質通常須有相對應的儲存容器，若選擇對應材質錯誤，易發生桶槽腐蝕或承受力不足，造成使用年限將縮短；③製作工法確實與否，桶槽廠商都有屬自己施工手法，而正確的施作工法則會大幅降低洩漏情況。

對於桶槽設計的不正確，若要重新進行設計製造，工程耗費相當大，以目前的最佳方式則是針對設計較弱的一環進行補強；而在材質的選用上，必須先了解該桶槽儲存的液體或處理的化學特性，再進行材質的規劃選用，才能使得桶槽儲存正確的液體；最後較佳的施工(修補)手法，對於桶槽的使用年限有著極大的幫助，再加上正確的檢驗手法(針孔測試、硬度測試、膜厚測試)，即可讓桶槽的完整性大大增加。

5.2 建議

1. 當桶槽在使用前就建立起檢驗方式，則可大幅降低日後使用時桶槽洩漏情況。
2. 定期更換耗材時，進到桶槽中進行測試維護觀察使用情況，不須等到外觀有明顯洩漏時才進行維修。