地下不銹鋼供水管道腐蝕滲漏失效分析

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(1. 齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省材料失效分析與安全評(píng)估工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250014；2. 香港城市大學(xué) 物理及材料科學(xué)系，香港 999077)

不銹鋼材料具有良好的塑性、韌性及耐腐蝕性能，在日常生活及生產(chǎn)中被廣泛使用，尤其在各種供水循環(huán)及輸送系統(tǒng)中，不銹鋼更是被認(rèn)定為優(yōu)良的管材。不銹鋼管道內(nèi)壁光滑，長(zhǎng)期使用不會(huì)積垢、不易被細(xì)菌粘污，無須擔(dān)心水質(zhì)受影響，更能杜絕水的二次污染[1-2]。然而，近年來被認(rèn)為不易被腐蝕的不銹鋼管道卻頻繁發(fā)生腐蝕失效，嚴(yán)重的甚至發(fā)生泄漏事故[3-7]。不銹鋼材料抗腐蝕特性的根本，源于鉻元素會(huì)與外界的氧作用在其表面形成一層很薄的氧化膜(自鈍化膜)，這一層氧化膜可阻止鋼基體進(jìn)一步腐蝕[8]。然而，在實(shí)際工況下，外部環(huán)境過于復(fù)雜，由于安裝、使用不當(dāng)，氧化鉻薄膜可能會(huì)被破壞，進(jìn)而在不銹鋼表面形成薄弱環(huán)節(jié)。如果外部接觸介質(zhì)中存在易對(duì)不銹鋼材料侵蝕的鹵族元素(尤其是氯離子)，那么不銹鋼管道表面的“薄弱”位置就極易發(fā)生點(diǎn)蝕、晶間腐蝕等破壞。

某公司建設(shè)的地下不銹鋼供水管道在安裝完成并試壓后，未完全排出管內(nèi)循環(huán)水，在半年后檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)了腐蝕滲漏現(xiàn)象。管道內(nèi)部介質(zhì)為地下水，管外壁與土壤接觸。大部分漏點(diǎn)出現(xiàn)在用于管道連接的環(huán)焊縫處，并且位于管壁與介質(zhì)水直接接觸的管道底部和兩側(cè)，如圖1所示。管道材料為S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼，由板帶經(jīng)成型加工、焊接、焊縫打磨、定徑等過程完成，產(chǎn)品執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12771-2008《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》。不銹鋼管自身焊縫沿管道軸向，管與管之間又通過環(huán)焊縫進(jìn)行連接。不銹鋼管的外徑為150 mm，管壁厚度2.0 mm。

(a) 去除周圍泥土后

(b) 管道環(huán)焊縫處圖1 失效不銹鋼管的宏觀形貌Fig. 1 Macrographs of the failed stainless steel pipe: (a) after removal of surrounding soil; (b) at the girth weld

本工作利用掃描電子顯微鏡、能量色散X射線譜等技術(shù)對(duì)該發(fā)生滲漏的不銹鋼管道進(jìn)行了理化檢驗(yàn)，綜合分析了不銹鋼管發(fā)生局部腐蝕的原因和條件，以防止再次發(fā)生此類失效。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

分別對(duì)失效不銹鋼管道環(huán)焊縫處的漏點(diǎn)和環(huán)焊縫附近的漏點(diǎn)進(jìn)行切割取樣，并在較強(qiáng)的光線下用肉眼和體視顯微鏡進(jìn)行觀察。圖2為不銹鋼管道環(huán)焊縫處的一處典型漏點(diǎn)。由圖2可見：在該位置處不銹鋼管的內(nèi)壁、外壁均可見腐蝕坑，內(nèi)壁被大面積紅棕色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，外壁腐蝕坑在環(huán)焊縫處及環(huán)焊縫旁邊都可見。

圖3為環(huán)焊縫附近管身上另一處腐蝕漏點(diǎn)的宏觀形貌。由圖3可見：該處管內(nèi)壁同樣覆蓋著大量紅棕色腐蝕產(chǎn)物，腐蝕破壞區(qū)域較大，與內(nèi)壁腐蝕坑位置對(duì)應(yīng)的管外壁處出現(xiàn)漏點(diǎn)，這說明腐蝕破壞由管內(nèi)壁開始，并沿管壁厚度方向發(fā)展，最終穿孔至外壁。

(a) 內(nèi)壁

(b) 外壁圖2 失效不銹鋼管環(huán)焊縫處的宏觀形貌Fig. 2 Macrographs of girth weld of failed stainless steel pipe: (a) the inner surface; (b) the outer surface

(a) 內(nèi)壁

(b) 外壁圖3 失效不銹鋼管管身(靠近環(huán)焊縫處)的宏觀形貌Fig. 3 Macrographs of body of failed stainless steel pipe (near the girth weld): (a) the inner surface; (b) the outer surface

1.2 不銹鋼管母材的化學(xué)成分分析

從失效不銹鋼管上截取試樣，用X射線熒光光譜儀和高頻紅外碳硫分析儀進(jìn)行成分分析，結(jié)果見表1。分析表明，該不銹鋼管的化學(xué)成分均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12771-2008對(duì)S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼的要求。

表1 失效不銹鋼管的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of failed stainless steel pipe (mass) %

1.3 微觀檢查和腐蝕產(chǎn)物成分分析

將管道壁進(jìn)行切割取樣后，對(duì)具有典型特征的漏點(diǎn)，腐蝕區(qū)域的內(nèi)、外表面及橫截面分別在掃描電子顯微鏡(SEM)上進(jìn)行仔細(xì)檢查。

圖4為靠近環(huán)焊縫處不銹鋼管腐蝕內(nèi)表面的SEM形貌。在該區(qū)域不銹鋼管內(nèi)壁可見大量腐蝕坑，高倍下腐蝕坑底可見晶粒形貌。利用能量色散X射線譜儀(EDS)對(duì)管內(nèi)壁腐蝕坑處，及沉積物區(qū)域分別進(jìn)行微區(qū)元素分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了較高含量的腐蝕性元素氯和硫,見圖5和圖6。腐蝕坑所在位置有類似機(jī)械損傷的痕跡,見圖4，劃痕的存在會(huì)破壞不銹鋼表面的鈍化膜，使得腐蝕易在該位置發(fā)生。另外，焊縫金屬與基體金屬的過渡部位是焊接后的應(yīng)力集中點(diǎn);焊縫又在管內(nèi)形成不平整區(qū)域，容易聚集沉積氯化物、游離氯等腐蝕介質(zhì)，同樣使得腐蝕破壞易在焊縫處發(fā)生。

(a) 低倍

(b) 高倍圖4 靠近環(huán)焊縫處不銹鋼管腐蝕內(nèi)表面的SEM形貌Fig. 4 SEM morphology of corroded inner surface near the girth weld of stainless steel: (a) at low magnification; (b) at high magnification

圖5 不銹鋼管內(nèi)表面腐蝕坑處的EDS分析結(jié)果Fig. 5 EDS results of corrosion pits on inner surface of stainless steel pipe

圖6 不銹鋼管內(nèi)表面的腐蝕產(chǎn)物的EDS分析結(jié)果Fig. 6 EDS results of corrosion products on inner surface of stainless steel pipe

為進(jìn)一步確定不銹鋼管腐蝕破壞的形式，從發(fā)生腐蝕的環(huán)焊縫處取樣進(jìn)行SEM和EDS檢驗(yàn)，結(jié)果見圖7和圖8。由圖7(a)可見，不銹鋼管的內(nèi)壁與外壁處均有腐蝕坑，由內(nèi)壁向外發(fā)展的腐蝕坑較深(部分腐蝕坑貫穿整個(gè)壁厚，形成滲漏點(diǎn))，由外壁向內(nèi)發(fā)展的腐蝕坑較淺。腐蝕坑底管道材料的晶界已受到破壞，見圖7(b)，在腐蝕坑內(nèi)也檢出了對(duì)不銹鋼材料具有腐蝕性的氯元素,見圖8。

(a) 低倍

(b) 高倍圖7 不銹鋼管環(huán)焊縫處截面的SEM形貌Fig. 7 SEM morpholgy of cross section of the girth weld of stainless steel pipe: (a) at low magnification; (b) at high magnification

圖8 不銹鋼管環(huán)焊縫截面腐蝕坑處的EDS分析結(jié)果Fig. 8EDS results of corrosion pits on cross section of the girth weld of stainless steel pipe

1.4 金相檢驗(yàn)

從失效不銹鋼管上截取金相試樣觀察其組織，結(jié)果見圖9。分析表明，焊縫處組織為奧氏體和枝晶分布的δ鐵素體，見圖9(a)；焊縫與母材焊接熔合良好，熔合區(qū)焊縫側(cè)的組織為奧氏體和枝晶分布的δ鐵素體，熔合區(qū)母材側(cè)的組織為單相奧氏體，見圖9(b)，屬于奧氏體不銹鋼的正常組織。

(a) 焊縫區(qū)

(b) 焊縫熔合區(qū)圖9 失效不銹鋼管的金相組織Fig. 9 Metallographic structure of failed stainless steel pipe: (a) welding zone; (b) weld fusion zone

1.5 力學(xué)性能檢驗(yàn)

在失效不銹鋼管的完好部位取樣進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表2。結(jié)果表明:不銹鋼管的抗拉強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12771-2008對(duì)S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼的要求。

表2 失效不銹鋼管的拉伸性能及其標(biāo)準(zhǔn)Tab. 2 Tensile properties of the failed stainless steel pipe and standards

1.6 不銹鋼管道內(nèi)水質(zhì)檢測(cè)

為確定失效不銹鋼管內(nèi)的介質(zhì)水中是否含有可能引起不銹鋼管壁腐蝕的介質(zhì)，對(duì)介質(zhì)水中的氯離子、硫酸鹽含量進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：循環(huán)水中氯離子質(zhì)量濃度約為139 mg/L，硫酸鹽質(zhì)量濃度為108 mg/L。

2 失效原因分析

由分析結(jié)果可知，失效不銹鋼管的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12771-2008對(duì)S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼的要求。

失效不銹鋼管的腐蝕位置主要集中于環(huán)焊縫處的管道底部與側(cè)面，即與內(nèi)部介質(zhì)水相接觸的位置。失效不銹鋼管的內(nèi)、外表面均發(fā)現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，但由管道內(nèi)表面形成的腐蝕破壞區(qū)域大于外表面的腐蝕破壞區(qū)域；內(nèi)表面形成的腐蝕坑向外發(fā)展的深度較大，部分腐蝕坑已穿透整個(gè)壁厚，形成滲漏點(diǎn)；由外表面形成的腐蝕坑向內(nèi)發(fā)展的深度較小，且分布在不銹鋼管滲漏點(diǎn)附近。這些現(xiàn)象均說明本次不銹鋼管道的失效是由管道內(nèi)表面腐蝕破壞引起的。管道外壁出現(xiàn)的較淺的腐蝕坑是由于管道內(nèi)部介質(zhì)水從滲漏點(diǎn)流出，進(jìn)入土壤，與管道外表面接觸后在外表面形成的。

該失效不銹鋼管道內(nèi)壁發(fā)生的腐蝕破壞形式既包括點(diǎn)蝕形成的腐蝕坑、孔，又存在晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼在一般的酸、堿介質(zhì)中具有一定的耐腐蝕，但是含有鹵素(尤其是氯離子)的介質(zhì)對(duì)其具有較強(qiáng)的腐蝕作用。有研究數(shù)據(jù)證明[9-10]，在一定環(huán)境條件下，奧氏體不銹鋼局部富集的氯離子達(dá)到一定含量時(shí)(10 mg/L以上)就可以使其產(chǎn)生點(diǎn)蝕。失效不銹鋼管道內(nèi)介質(zhì)水中氯離子質(zhì)量濃度為139 mg/L，氯離子含量比較高。EDS分析結(jié)果表明，在腐蝕坑內(nèi)及其周圍的腐蝕產(chǎn)物中都發(fā)現(xiàn)了氯和一定含量的硫元素的聚集。硫元素與氯元素的共同作用，在一定條件下會(huì)加劇不銹鋼管道的腐蝕破壞，尤其是晶間腐蝕的發(fā)生。

如前所述，不銹鋼材料依靠一層氧化鉻薄膜抵御腐蝕，而當(dāng)材料因局部發(fā)生貧鉻或其他因素引起氧化膜破裂時(shí)，由氯離子引起的局部腐蝕(點(diǎn)蝕)就可能發(fā)生。管道內(nèi)表面腐蝕坑所在位置有機(jī)械損傷的痕跡，劃痕的存在會(huì)破壞不銹鋼表面的鈍化膜，使得腐蝕易在這些位置發(fā)生。另外，焊縫金屬與基體金屬的過渡部位，是焊接后的應(yīng)力集中點(diǎn)。焊縫又在管內(nèi)形成不平整區(qū)域，容易聚集沉積氯化物，游離氯等腐蝕介質(zhì)，同樣使得腐蝕破壞易在焊縫處發(fā)生。

3 結(jié)論

失效不銹鋼管道材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼的要求。失效不銹鋼管道的滲漏是由氯離子點(diǎn)腐蝕及晶間腐蝕引起的?？刂撇讳P鋼管道內(nèi)介質(zhì)水中氯離子含量是防止不銹鋼管材發(fā)生孔蝕及晶間腐蝕的最根本的方法。對(duì)在有鹵素存在的環(huán)境中使用的管道，應(yīng)選擇能夠耐鹵素腐蝕的管材。此外，提高不銹鋼管材的加工質(zhì)量，避免不正常的加工痕跡出現(xiàn),改善管道連接處的環(huán)焊縫工藝，減少殘余應(yīng)力等對(duì)防止此類腐蝕破壞的發(fā)生也非常重要。

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