謝方祥，王 豪，陳鵬云

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

0 引 言

作為一種典型的奧氏體不銹鋼，304不銹鋼具有加工性能好、韌性高、耐腐蝕的特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器具、船舶、食品工業(yè)及石油化工行業(yè)等，也是水電工程中常用的材料，用于生產(chǎn)、生活、空調(diào)、消防、量測(cè)等設(shè)備管道系統(tǒng)[1]。但是，304不銹鋼的耐腐蝕性能是有條件的、相對(duì)的。冷熱加工工藝不當(dāng)以及使用環(huán)境中廣泛存在的氯離子等原因都會(huì)導(dǎo)致其耐蝕性明顯降低。雖然國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已對(duì)不同條件下304不銹鋼的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了大量研究和論證，但受限于各種特定條件，并未形成明確或者統(tǒng)一的具體結(jié)論[2]。烏東德水電站管道系統(tǒng)多、布置復(fù)雜、涉及的區(qū)域廣，重要性不言而喻。若不能正常運(yùn)行，將影響電站可靠持續(xù)運(yùn)行，甚至出現(xiàn)水淹廠房的可能性，造成嚴(yán)重的安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。本文主要針對(duì)烏東德水電站304不銹鋼水管腐蝕情況及其原因進(jìn)行探究。

1 設(shè)計(jì)方案及現(xiàn)場(chǎng)概況

1.1 設(shè)計(jì)方案

烏東德水電站主要建筑物的生產(chǎn)、生活、消防供水系統(tǒng)來(lái)自水廠和江水，技術(shù)供水、空調(diào)水系統(tǒng)直接取自江水。管道參數(shù)遵循合同規(guī)定，技術(shù)要求按照GB/T 12771-2008《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》規(guī)定選定，材質(zhì)為06Cr19Ni10(又稱為“304”)。廠內(nèi)出現(xiàn)漏點(diǎn)的不銹鋼管道使用情況見(jiàn)表1。

表1 廠內(nèi)304不銹鋼水管主要使用情況統(tǒng)計(jì)(明裝)

1.2 現(xiàn)場(chǎng)概況

2020年7月烏東德水電站首批機(jī)組發(fā)電，廠內(nèi)部分管道充水運(yùn)行。7月底發(fā)現(xiàn)地下電站主廠房811 m水輪機(jī)層消防水管開始出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，左岸電站約20多處，右岸電站約8處。經(jīng)施工單位補(bǔ)焊后發(fā)現(xiàn)在其附近出現(xiàn)新的漏點(diǎn)，因而暫停補(bǔ)焊工作，并將現(xiàn)場(chǎng)情況反饋給廠家。管道廠家對(duì)漏水原因進(jìn)行了初步分析。直至9月底，左、右岸電站管路漏水點(diǎn)數(shù)量劇增，總計(jì)達(dá)到270多處，漏水問(wèn)題呈現(xiàn)惡化趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)1 a的時(shí)間運(yùn)行，原漏點(diǎn)處基本處于穩(wěn)定，未出現(xiàn)大面積的新增漏點(diǎn)。原漏點(diǎn)也未出現(xiàn)腐蝕程度惡化以及孔變大等現(xiàn)象。過(guò)程中腐蝕情況如圖1～3所示。

圖1 焊縫處點(diǎn)狀滲水有(疑似點(diǎn)腐蝕)黑色液體Fig.1 Spot water seepage and black liquid (suspected of pitting corrosion) at the weld

圖2 管道、管件母材滲水Fig.2 Water seepage of base metal of pipeline and pipeline accessories

圖3 閥門本體點(diǎn)狀滲水Fig.3 Point-like seepage of the valve

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)重點(diǎn)管路腐蝕漏水現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，清潔水、量測(cè)系統(tǒng)的滲漏情況見(jiàn)表2，消防水系統(tǒng)的滲漏情況見(jiàn)表3。

表2 清潔水、量測(cè)系統(tǒng)的滲漏情況

對(duì)于清潔水、量測(cè)系統(tǒng)：焊縫滲漏百分比=113/857×100%=13.2%；焊縫滲漏點(diǎn)占總漏水點(diǎn)的百分比=113/(113+18)×100%=86.3%。

表3 消防水系統(tǒng)的滲漏情況

對(duì)于消防水系統(tǒng)：焊縫滲漏百分比=148/1265×100%=11.7%；焊縫滲漏點(diǎn)占總漏水點(diǎn)的百分比=148/(148+15)×100%=90.8%。

根據(jù)表2～3發(fā)現(xiàn)：對(duì)于典型的清潔水、量測(cè)、消防水系統(tǒng)，漏水點(diǎn)(約90%)集中出現(xiàn)在焊縫位置，極少數(shù)漏水點(diǎn)在管道母材，另外極個(gè)別閥門本體也出現(xiàn)個(gè)別滲水點(diǎn)。滲水處主要呈現(xiàn)點(diǎn)狀腐蝕，且有黑色液體滲出。滲水形態(tài)主要是點(diǎn)滲，局部某些部位呈現(xiàn)針孔狀噴水。

2 原因分析

對(duì)管道腐蝕漏水現(xiàn)象進(jìn)行了討論，并對(duì)可能存在的各影響因素(如焊接材料、管道管件成分、焊接工藝、水質(zhì)、腐蝕機(jī)理等方面)逐項(xiàng)進(jìn)行了檢測(cè)分析[3-4]。

2.1 腐蝕機(jī)理

304不銹鋼的材料特性出現(xiàn)腐蝕漏水現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理主要有以下4個(gè)方面。

(1) 氯離子侵蝕。水中氯離子含量過(guò)高，發(fā)生了化學(xué)腐蝕[5]。

(2) 固溶處理。合金元素沒(méi)有溶入基體，致使基體組織合金含量低，自身抗蝕性能差。

(3) 晶間腐蝕。常規(guī)不含鈦和鈮的材料易發(fā)生晶間腐蝕，而不銹鋼含有鉻使表面形成很薄的鉻膜，隔離鋼內(nèi)侵入的氧氣起耐腐蝕作用。為了保持不銹鋼所固有的耐腐蝕性，鋼必須含有12%以上的鉻。較低的碳含量使得在靠近焊縫的熱影響區(qū)中所析出的碳化物減至最少，而碳化物的析出可能導(dǎo)致不銹鋼在某些環(huán)境中產(chǎn)生晶間腐蝕(焊接侵蝕)。

(4) 表面痕現(xiàn)象和桔皮現(xiàn)象。304不銹鋼加工過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷。

2.2 焊接材料檢測(cè)分析

管道連接均采用高溫焊接[6]。因此，焊接材料質(zhì)量直接影響焊接處的性能，一般選用焊條時(shí)遵循等強(qiáng)度、等條件、等同性的原則。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用的焊接材料左岸電站主要為CHS102焊條、308焊絲；右岸電站主要為CHS132焊條、304焊絲。

經(jīng)查詢不同焊條特性，CHS102焊條、308焊絲、CHS132焊條特性均為不銹鋼焊接材料，具有良好的力學(xué)性能及抗晶間腐蝕性能，能較好地與304不銹鋼焊接。因此，焊接材料是合格的，不是管道腐蝕漏水的原因。

2.3 管道、管件成分檢測(cè)分析

為了排除管道、管件材料本身不符合標(biāo)準(zhǔn)要求而導(dǎo)致腐蝕漏水的原因，截取一段滲水位置的管道重新進(jìn)行了綜合檢測(cè)[7-8]。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)如下。

(1) 化學(xué)成分。對(duì)管道所含的各項(xiàng)元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了檢測(cè)，并與規(guī)范GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測(cè)定——火花放電原子發(fā)射光譜法》和GB/T 20123—2006中測(cè)定范圍值進(jìn)行對(duì)比。具體結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

(2) 力學(xué)性能。檢測(cè)了試件的延伸強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率，并與規(guī)范GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。具體檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

(3) 晶間腐蝕實(shí)驗(yàn)。按照GB/T 4334-2008 《金屬和合金的腐蝕不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)方法》中方法E，試樣在硫酸-硫酸銅-銅屑溶液中進(jìn)行16 h沸騰試驗(yàn)。經(jīng)彎曲后檢驗(yàn)，試樣表面無(wú)晶間腐蝕裂紋。

(4) 非金屬夾雜物檢測(cè)。截取來(lái)樣縱向剖面試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于光學(xué)顯微鏡上觀察，并照按GB/T 10561-2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際檢驗(yàn)A法進(jìn)行評(píng)定，試樣夾雜物評(píng)為A0，B1，C0，D1，DS0。

以上4項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果均為合格。因此，可判斷管道及管件的成分不存在缺陷，不是腐蝕漏水的原因。

2.4 水源氯離子檢測(cè)分析

由于水中氯離子在一定條件下會(huì)對(duì)不銹鋼管(尤其是含Cr、Ni元素的不銹鋼管)造成一定腐蝕[9]，形成點(diǎn)狀腐蝕。故按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5750.5-2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法 無(wú)機(jī)非金屬指標(biāo)》中的方法對(duì)水中氯化物含量進(jìn)行檢測(cè)，分別選取大壩上游側(cè)海子尾巴右岸油庫(kù)處、大壩下游側(cè)左岸進(jìn)場(chǎng)交通洞附近的水源進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為上游水中氯化物濃度為59.9 mg/L，下游水中氯化物濃度為66.0 mg/L。并通過(guò)查詢蓄水前后水中的氯化物濃度數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)水庫(kù)蓄水發(fā)電后，氯化物濃度上升了約40 mg/L。

水廠管理單位也對(duì)水源進(jìn)行檢測(cè)，分別取金沙江水和左岸水廠的水進(jìn)行了化驗(yàn)。其中，氯化物含量分別為：江水58 mg/L，水池60 mg/L。為了避免同一檢測(cè)單位的檢測(cè)誤差，管道廠家也對(duì)地下廠房水管內(nèi)的水質(zhì)進(jìn)行了同樣的取水檢測(cè)，得到其中氯化物含量為71 mg/L。

由于中國(guó)尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范明確規(guī)定水中氯離子含量值范圍對(duì)不銹鋼存在明顯的腐蝕作用。因此查閱了相關(guān)研究報(bào)告和論文后認(rèn)為，目前烏東德水電站所用水源水質(zhì)中的氯離子含量處于相關(guān)試驗(yàn)研究的濃度的中等偏上[10]，具有一定腐蝕性。

為了更好地判斷該因素對(duì)管道腐蝕的影響程度，調(diào)研了其他電站的水質(zhì)、管道材質(zhì)以及運(yùn)行情況，見(jiàn)表6～7。

表6 金沙江流域其他電站水質(zhì)分析統(tǒng)計(jì)

表7 金沙江流域部分電站管道現(xiàn)狀調(diào)研情況

表6～7中結(jié)果說(shuō)明：在水源氯化物含量較接近的情況下，由于加入了一定含量的鈦元素，321不銹鋼對(duì)比304不銹鋼，材質(zhì)具有了更好的耐腐蝕性及高溫強(qiáng)度，基本未出現(xiàn)過(guò)腐蝕漏水現(xiàn)象。而304以下材質(zhì)不銹鋼在高溫焊接的前提下均會(huì)出現(xiàn)腐蝕漏水現(xiàn)象。

2.5 焊接工藝分析

經(jīng)過(guò)調(diào)查，烏東德水電站采用V型坡口，氬弧焊打底，電弧焊蓋面，焊前進(jìn)行預(yù)熱，焊后未進(jìn)行熱處理，焊接溫度基本控制在400 ℃～600 ℃。由于450 ℃～850 ℃為304不銹鋼的敏化溫度，當(dāng)焊接溫度處于該范圍內(nèi)，不銹鋼會(huì)稀釋碳元素周圍的鉻元素，進(jìn)而形成碳化鉻，碳化物周圍鋼的基體中Cr濃度會(huì)降低，形成貧鉻區(qū)。由于貧鉻區(qū)鉻量不足，使鈍化能力降低甚至消失，進(jìn)而改變了不繡鋼的性能材質(zhì)。因此，在腐蝕介質(zhì)作用下貧鉻區(qū)會(huì)優(yōu)先溶解產(chǎn)生晶間腐蝕[11-13]。

綜上，在該焊接工藝參數(shù)條件下，結(jié)合烏東德水電站現(xiàn)有水源氯離子含量，管道極易產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

3 現(xiàn)場(chǎng)處理措施

根據(jù)目前各管道系統(tǒng)腐蝕漏水情況及以上分析，認(rèn)為金沙江流域的工程建設(shè)項(xiàng)目不建議采用304不銹鋼管道及焊接連接工藝。如若采用焊接方式則需采用更耐腐蝕、耐高溫的不銹鋼(如316、321)或其他類型的內(nèi)襯不銹鋼、碳鋼等[14]。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終決定采用對(duì)生產(chǎn)和生活用水、技術(shù)供水、消防水、空調(diào)水系統(tǒng)的管道焊接件部位進(jìn)行逐步更換的方案：用鋼塑復(fù)合管更換304不銹鋼管，并采用卡箍連接方式。先更換廠內(nèi)滲漏較嚴(yán)重的部分水消防系統(tǒng)、清潔水系統(tǒng)(包括閥門、管道、管件)，并要求更換的管道與支管的閥門進(jìn)行連接時(shí)，應(yīng)提供一片溝槽式帶頸法蘭，法蘭一端與支管閥門使用不銹鋼螺栓螺母進(jìn)行連接，另一端使用涂塑溝槽式連接件與鋼塑復(fù)合鋼管進(jìn)行連接[15]。

鋼塑復(fù)合鋼管是以無(wú)縫不銹鋼管為基管，內(nèi)壁涂裝高附著力、防腐、食品級(jí)衛(wèi)生型的聚乙烯粉末涂料或環(huán)氧樹脂涂料。不銹鋼管道內(nèi)襯塑料隔絕了氯離子與鋼材的直接接觸，避免不銹鋼被腐蝕，且采用卡箍連接，降低了高溫焊接對(duì)不銹鋼耐腐蝕性能的影響。采用該種處理措施后的水消防、清潔水系統(tǒng)，經(jīng)6個(gè)月運(yùn)行，管道再未出現(xiàn)新的腐蝕漏水點(diǎn)，也未出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，整體運(yùn)行良好，滿足了安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

4 結(jié) 論

(1) 金沙江水源的氯化物含量基本在40～70 mg/L，氯離子腐蝕不銹鋼是導(dǎo)致滲水的直接原因。

(2) 在高溫焊接工藝條件下，304不銹鋼管道內(nèi)部的氧化鉻薄膜被破壞，同時(shí)周圍會(huì)形成貧鉻區(qū)，降低了焊接處的耐腐蝕性能力。而焊縫金屬與基體金屬的過(guò)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)，導(dǎo)致腐蝕破壞更易在焊縫處發(fā)生，這也是95%以上的腐蝕漏水點(diǎn)均在焊縫處的癥結(jié)，是管道漏水的主要原因。

(3) 消防水系統(tǒng)管路多處于靜水狀態(tài)，增加了焊接位置局部腐蝕穿孔的程度。因此，水的流速狀態(tài)也是影響不銹鋼管道腐蝕漏水的部分原因。

(4) 將烏東德水電站生產(chǎn)和生活用水、技術(shù)供水、消防水、空調(diào)水系統(tǒng)的管道逐步更換為鋼塑復(fù)合管，并采用卡箍連接方式。該措施保障了管道系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行，至今再未出現(xiàn)腐蝕漏水現(xiàn)象，是金沙江流域一種正確合適的管道應(yīng)用方案。