S30403不銹鋼焊管點腐蝕失效的原因分析

沈衛(wèi)強， 高江君， 高 虹， 陸訓偉， 翟麗麗

(江蘇武進不銹股份有限公司，江蘇 常州 213111)

引 言

不銹鋼在大氣環(huán)境中能在其表面自發(fā)形成一層致密的鈍化膜，鈍化膜的隔離作用使不銹鋼具有較好的耐腐蝕特性；不銹鋼被廣泛應用于工程建設項目中，其中在核電、海洋工程和船舶、石油、化工、煤化工和LNG工程等方面的應用非常廣泛，在經(jīng)濟建設中占有舉足輕重的地位[1]。為了滿足更多領域的使用要求，具有不同性能的不銹鋼材料被不斷開發(fā)并被推廣應用，從而適應不同腐蝕環(huán)境的應用需要。但由于用戶對不銹鋼材料選擇、應用環(huán)境和腐蝕機理的認知缺乏系統(tǒng)了解，造成在實際選材過程中，因選材不當而過早地引起腐蝕破壞。不銹鋼材料表面的鈍化膜賦予其優(yōu)良的抗均勻腐蝕能力；然而，在抗均勻腐蝕的同時，金屬的局部點狀腐蝕(即“點蝕”)卻難以避免。點蝕的發(fā)生起始于材料表面，最終向材料表面以下的縱深方向迅速擴展。因此，點蝕破壞具有極大的隱蔽性和突發(fā)性，特別是在石油、化工、核電等領域，點蝕容易造成金屬管壁穿孔，使大量油、氣泄漏，甚至造成火災、爆炸等災難性事故[2]。

點腐蝕的發(fā)生起始于鈍化膜的局部破損，其多數(shù)發(fā)生在Cl-環(huán)境下，由于Cl-與金屬表面吸附能力強，且半徑小，穿透力強，所以極易穿透鈍化膜上的空隙，與金屬陽離子結(jié)合，形成強氯化鹽發(fā)生溶解，并繼續(xù)向深處發(fā)展，最后形成蝕孔[3]。點腐蝕隱蔽性強，往往在不銹鋼的表面僅會觀察到極小的孔洞，但其內(nèi)部金屬已被大量腐蝕。作為典型的不銹鋼點腐蝕誘發(fā)因素，Cl-對不銹鋼的點蝕行為被人們廣泛研究[3-5]。因此，分析研究不銹鋼在富有鹵素離子(Cl-)的點蝕腐蝕特性，對降低經(jīng)濟損失、提高材料利用率、提高使用過程中的安全性具有重要意義。

1 采樣分析

1.1 樣品信息

某公司生產(chǎn)的022Cr19Ni10(S30403)不銹鋼焊管在富有鹵素離子(Cl-)的環(huán)境中發(fā)生點狀腐蝕失效，其樣品基本信息如表1所示。

表1 樣品基本信息

據(jù)了解，該泄漏樣管內(nèi)部介質(zhì)為蒸汽，外部介質(zhì)主要成分為冰醋酸；漏點多位于兩無縫管對接焊的焊縫附近。

1.2 宏觀形貌觀察

樣品宏觀形貌如圖1所示。樣管左、右兩側(cè)遠離焊縫位置處表面質(zhì)量良好，近焊縫處存在較多焊接結(jié)疤、劃痕；右側(cè)樣管近焊縫處發(fā)現(xiàn)多個腐蝕麻點。

1.3 檢測內(nèi)容

在腐蝕麻點附近取樣，進行化學成分、非金屬夾雜物、晶粒度等測試，并采用SEM+EDS對腐蝕產(chǎn)物進行分析。

圖1 樣管宏觀形貌

1.3.1 化學成分

樣管左、右兩側(cè)化學成分如表2所示，符合標準要求。

1.3.2 非金屬夾雜物、晶粒度

樣管非金屬夾雜物、晶粒度測定結(jié)果如表3、圖2～4所示。樣管左、 右兩側(cè)非金屬夾雜物等級、 晶粒度等級均未見異常。

表2 樣管左右兩側(cè)化學成分/%

表3 樣管非金屬夾雜物、晶粒度

圖2 樣管左側(cè)非金屬夾雜物

圖3 樣管右側(cè)非金屬夾雜物

圖4 樣管晶粒度

1.3.3 低倍形貌

圖5，6所示分別為樣管縱截面和右側(cè)樣管外表面的低倍形貌。樣管右側(cè)管壁存在多個孔洞，尺寸較大，貫穿管壁，而外表面腐蝕孔洞尺寸小。

1.3.4 顯微組織(縱截面)

從圖4看到，樣管左、右兩側(cè)基體組織均為單一奧氏體，組織均勻。

圖7所示為右側(cè)樣管腐蝕孔洞的顯微形貌。在樣管外壁，發(fā)現(xiàn)多個小型點腐蝕孔洞；腐蝕孔洞附近未發(fā)現(xiàn)大尺寸非金屬夾雜物，且組織均勻。

圖5 縱截面低倍形貌

圖6 右側(cè)樣管外表面腐蝕孔洞

圖7 腐蝕孔洞顯微組織(縱截面，樣管右側(cè))

1.3.5 SEM+EDS

圖8所示為樣管右側(cè)外表面腐蝕產(chǎn)物的能譜譜圖。由圖可知，樣管外表面腐蝕孔洞附近氯、氟元素含量較高。

能譜試驗結(jié)果如表4所示。

表4樣管右側(cè)腐蝕產(chǎn)物能譜化學成分/%

圖8 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

2 結(jié)果分析

上述結(jié)果表明，樣管右側(cè)(Ф76 mm×3.5 mm)化學成分滿足GB/T 14976-2012要求，非金屬夾雜物和晶粒度等級均未見異常，組織均勻；表面大部分區(qū)域保持鈍態(tài)，呈銀白色，焊縫附近存在結(jié)疤、劃痕、麻點；在縱截面，腐蝕孔洞呈囊形或楔形，尺寸較大，貫穿管壁；右側(cè)樣管外壁存在多處小型點腐蝕坑，尚未貫穿管壁；表面麻點附近腐蝕產(chǎn)物中氯元素含量較高。

不銹鋼點腐蝕是腐蝕僅僅集中在某些特定點域，并在這些點域形成向深處發(fā)展的腐蝕小坑，而不銹鋼的大部分表面仍保持鈍態(tài)的腐蝕現(xiàn)象。不銹鋼發(fā)生點腐蝕時，其外觀形貌有如下特征：1)大部分表面腐蝕極其輕微，保持鈍態(tài)，僅局部呈現(xiàn)腐蝕小孔；2)表面看上去不是蝕坑，凹痕本身仍有金屬光澤，但其內(nèi)部嚴重腐蝕，呈現(xiàn)囊形、楔形或橢圓形等孔洞；3)蝕坑表面尺寸很小，被腐蝕產(chǎn)物覆蓋；4)僅在特定腐蝕介質(zhì)中才會發(fā)生。當介質(zhì)中鹵素離子(尤其是Cl-)和氧化劑同時存在時，容易發(fā)生點腐蝕。

由宏觀照片中打磨的痕跡可知，使用方在進行無縫管體對接焊后，人為去除了管端的表皮，破壞了

管端表面的鈍化膜，并且焊后未進行適當?shù)臒崽幚硐附討?，導致該部位的腐蝕傾向增加。再加之，使用者在含有鹵素離子(Cl-等)的介質(zhì)環(huán)境中使用不耐點腐蝕的普通奧氏體不銹鋼，導致發(fā)生了點腐蝕。

3 結(jié)束語

(1)泄漏樣管失效形式是鹵素離子(Cl-等)引起的“點腐蝕”失效。

(2)通過優(yōu)化焊后熱處理工藝，可以有效改善不銹鋼焊接處抗晶間腐蝕和點腐蝕的性能，從一定程度上增強鈍化膜的穩(wěn)定性。

(3)不銹鋼表面的銀白色物質(zhì)為鈍化膜，能在一定程度上阻止晶間腐蝕和點腐蝕的發(fā)生，不應輕易去除。

(4)不銹鋼并非在所有環(huán)境條件下均具有良好的耐腐蝕性能，使用者應結(jié)合自身使用的環(huán)境條件選擇合適的材質(zhì)，以免蒙受不必要的損失。