316L不銹鋼波紋管泄漏原因

呂 淵

(上海材料研究所, 上海 200437)

某船舶在行駛時(shí)發(fā)現(xiàn)部分儲(chǔ)水區(qū)消耗量偏高，靠岸后進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的波紋管發(fā)生穿孔泄露現(xiàn)象。泄漏波紋管材料為316L不銹鋼，該船于7月試航，10月發(fā)現(xiàn)波紋管發(fā)生穿透泄漏現(xiàn)象，屬于早期失效。船舶行駛時(shí)波紋管內(nèi)部一般為空氣，可通過控制向波紋管注入海水來調(diào)整船舶在海面上的高度，所以此時(shí)波紋管內(nèi)部介質(zhì)為外部注入的海水，根據(jù)船舶的使用需求，有時(shí)也會(huì)排出波紋管內(nèi)部的海水。波紋管內(nèi)部介質(zhì)為海水與空氣交替，服役溫度為常溫。為找到該波紋管的泄漏原因，筆者從泄漏點(diǎn)的特征入手，結(jié)合使用情況以及相關(guān)理化檢驗(yàn)對(duì)產(chǎn)生泄漏的波紋管進(jìn)行了分析，并提出建議，以期避免該類失效事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

泄漏波紋管宏觀形貌見圖1，可見波紋管外壁整體較為潔凈，僅在泄漏點(diǎn)附近有銹蝕痕跡，分析認(rèn)為銹蝕痕跡是波紋管內(nèi)部介質(zhì)通過泄漏點(diǎn)流向外壁的，這些介質(zhì)會(huì)附著在波紋管外壁并在重力作用下流動(dòng)，流向波紋管在實(shí)際使用時(shí)的底部。對(duì)波紋管底部泄漏點(diǎn)處的內(nèi)壁進(jìn)行觀察，其宏觀形貌見圖2a)，可見有致密異物覆蓋，在泄漏點(diǎn)附近可見小片區(qū)域呈新鮮金屬色，分析認(rèn)為是異物剝落后露出的金屬基體；部分異物覆蓋區(qū)域可見龜裂特征，說明覆蓋的異物較脆，容易剝落。波紋管頂部泄漏點(diǎn)對(duì)側(cè),即波紋管頂部內(nèi)壁的宏觀形貌見圖2b)，可見整體較為潔凈，呈亮金屬色。整體看來，泄漏點(diǎn)位于波紋管的底部，且底部內(nèi)壁存在致密覆蓋異物，而波紋管頂部較為潔凈，分析認(rèn)為這與波紋管的實(shí)際使用情況有關(guān)，波紋管內(nèi)的海水排出時(shí)，水位逐漸降低，海水中的雜質(zhì)會(huì)殘留在管道下半部分，導(dǎo)致異物積存。

圖1 泄漏波紋管宏觀形貌

圖2 泄漏波紋管內(nèi)壁的宏觀形貌

截取泄露點(diǎn)處的波紋管，將雙層的波紋管分開，朝向外側(cè)的一面宏觀形貌見圖3a)，朝向內(nèi)側(cè)的一面宏觀形貌見圖3b)，可見兩層結(jié)構(gòu)之間較為潔凈，呈亮金屬色，未見腐蝕痕跡。

圖3 波紋管泄露點(diǎn)處的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

在波紋管遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見波紋管的化學(xué)成分滿足ASTM A240/A240M:2018StandardSpecificationforChromiumandChromium-NickelStainlessSteelPlate,Sheet,andStripforPressureVesselsandforGeneralApplications對(duì)316L不銹鋼的技術(shù)要求。

表1 波紋管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.3 掃描電鏡及能譜分析

采用掃描電鏡(SEM)對(duì)泄露點(diǎn)處進(jìn)行觀察，其SEM形貌見圖4，可見積垢剝落后的金屬表面，且積垢與金屬表面結(jié)合并不緊密，有明顯間隙，見圖4中箭頭所示。采用能譜儀(EDS)分別對(duì)積垢與金屬表面進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見表2，可見有較高含量的腐蝕性元素硫和氯，說明波紋管內(nèi)部介質(zhì)含有腐蝕性元素。

表2 波紋管泄漏點(diǎn)處內(nèi)壁能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

圖4 波紋管泄漏點(diǎn)處內(nèi)壁SEM形貌

在波紋管內(nèi)壁收集積垢對(duì)其進(jìn)行兩次能譜分析，結(jié)果見表3。由表3可知，附著在內(nèi)壁的積垢主要成分除了腐蝕性元素硫和氯外，還含有較高含量的鈉、鎂、鋁、硅、鉀、鈣等元素，且氧含量較高。

表3 波紋管內(nèi)壁積垢能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.4 金相檢驗(yàn)

在波紋管泄露點(diǎn)處取縱剖面金相試樣，試樣經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于金相顯微鏡下觀察。拋光態(tài)形貌見圖5，可以看出，試樣的拋光態(tài)形貌未見異常。經(jīng)化學(xué)試劑浸蝕后，顯微組織為奧氏體+鐵素體，未見異常，見圖6。

圖6 泄漏點(diǎn)處浸蝕后的顯微組織形貌

2 分析與討論

由化學(xué)成分分析結(jié)果可知，波紋管的化學(xué)成分符合相關(guān)技術(shù)要求;由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,波紋管的顯微組織未見異常，波紋管材料未檢測(cè)到質(zhì)量問題。從使用情況來看，該波紋管使用過程中會(huì)反復(fù)注入與排出海水，分析認(rèn)為,排出波紋管內(nèi)的海水時(shí)，水中的雜質(zhì)會(huì)殘留在管道的下半部分，尤其是波紋管的凹槽中。而由宏觀觀察結(jié)果可知,波紋管的積垢及腐蝕集中出現(xiàn)于波紋管的下半部分，泄漏點(diǎn)出現(xiàn)在凹槽里，與分析結(jié)果相符。由波紋管內(nèi)壁的SEM分析可知，積垢與金屬表面結(jié)合不緊密，存在明顯間隙，對(duì)其進(jìn)行EDS分析可知,這些積垢含有腐蝕性元素硫和氯，此外還含有較高的鈉、鎂、鋁、硅、鉀、鈣等元素，且氧含量較高，分析認(rèn)為,附著的積垢主要是上述金屬離子與氯離子的化合物(如NaCl,MgCl2,AlCl3,SiCl4,KCl,CaCl2)與水發(fā)生水解反應(yīng)生成的氫氧化物或其他化合物(如NaOH,Mg(OH)2,Al(OH)3,H2SiO3,H4SiO4,KOH,Ca(OH)2)，在反應(yīng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生HCl，但由于被積垢封鎖，氫、硫、氯等腐蝕性離子無法擴(kuò)散到外部環(huán)境，導(dǎo)致積垢下的管壁發(fā)生垢下腐蝕[1]，直至穿透壁厚導(dǎo)致泄漏。

3 結(jié)論及建議

(1)波紋管在使用過程中其內(nèi)部的凹槽會(huì)積存海水中的雜質(zhì)形成積垢，積垢中存在腐蝕性元素硫和氯，導(dǎo)致波紋管發(fā)生垢下腐蝕，直至穿透管壁而泄漏。

(2)建議對(duì)船舶服役的海域中的海水水質(zhì)進(jìn)行考察；波紋管注水后嘗試添加緩蝕劑；控制波紋管的排水速率，或嘗試其他排水方案，防止積垢存留在波紋管的凹槽中。