316L不銹鋼管道腐蝕原因分析及預(yù)防措施

畢航銘

(中海福陸重工有限公司,廣東 珠海 519050)

0 引 言

在海洋、電廠、化工過程、采礦、石油化工、油氣、醫(yī)藥等許多工程應(yīng)用中,因?yàn)?16L不銹鋼具備優(yōu)異的耐腐蝕性能、良好的耐高溫氧化及耐熱性等工程性能,同時也具備優(yōu)良的焊接性能,極大地吸引了許多研究人員、工程師、制造商以及產(chǎn)品的最終用戶的關(guān)注,在海洋平臺管線中廣泛應(yīng)用于淡水管線、飲用水管線、化學(xué)藥劑注入管線等[1～7]。

目前,國內(nèi)外研究主要從海水溫度、溶解氧、海洋微生物、流速和鹽度等方面探究了不銹鋼在海洋環(huán)境下的腐蝕行為,從不同角度列舉了不銹鋼在耐腐蝕方面的研究進(jìn)展。針對本文案例,主要從鹽度方面來分析不銹鋼管線發(fā)生點(diǎn)蝕的成因[8～12]。

南海某平臺淡水系統(tǒng)管線材料為ASTM A312/A312M標(biāo)準(zhǔn)中TP316/316L型不銹鋼。平臺在陸地建造階段,管線試壓用水經(jīng)過嚴(yán)格水質(zhì)檢測,Cl-濃度低于25ppm;平臺出海之后,該管系輸送淡水。但在平臺試運(yùn)行階段出現(xiàn)了不銹鋼管道泄漏。經(jīng)檢測,泄漏處水樣Cl-濃度為260mg/L,嚴(yán)重超標(biāo)。通過現(xiàn)場取樣,并對泄露段不銹鋼管線材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分檢查、非金屬夾雜物檢查、顯微組織檢查等,判定管道泄漏原因?yàn)楣鼙诎l(fā)生了由內(nèi)而外的點(diǎn)蝕。在管道腐蝕點(diǎn)處,有積液痕跡。當(dāng)水汽蒸發(fā)時,Cl-濃縮,積液處Cl-濃度會升高,即使316L不銹鋼本身具備較強(qiáng)的耐腐蝕性能,在此Cl-超標(biāo)的情況下,極易發(fā)生點(diǎn)蝕[1],蝕穿管壁并破壞表面油漆涂層,出現(xiàn)泄漏。

本文基于以上案例,從建造角度分析事故原因,并提出有效的預(yù)防措施,供今后工程項(xiàng)目參考。

1 分析方法

截取長約150mm泄漏管段試樣,如圖1所示,分別進(jìn)行化學(xué)成分分析檢查、材料點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)、穿孔外觀檢查、非金屬夾雜物檢查、顯微組織檢查、掃描電鏡及能譜分析檢查等,分析管道失效原因。可初步判斷泄露管段上的腐蝕類型為點(diǎn)蝕,點(diǎn)蝕處孔洞內(nèi)外徑大小不一致,內(nèi)小外大,且管段外表面以穿孔為圓心,均勻向周圍擴(kuò)散。

圖1 泄漏管段Fig.1 Leakage pipeline

1.1 化學(xué)成分分析檢查

采用火花直讀光譜儀(賽默飛世爾Thermo ICAP6300)分析試驗(yàn)件原材料化學(xué)成分,分析結(jié)果如表1所示。經(jīng)與ASTM A312/312M-2019中標(biāo)準(zhǔn)值分析比對,確認(rèn)該試驗(yàn)件原材料合格。

表1 原材料化學(xué)成分分析結(jié)果(wt.%)Tab.1 Chemical composition analysis of raw material (wt.%)

1.2 材料點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)

為驗(yàn)證管材的抗點(diǎn)腐蝕性能,分別從穿孔一側(cè)和未穿孔一側(cè)取樣,按GB/T 17897-2016中的方法A,使用100g FeCl3·6H2O溶解于900mL H2O中,制成溶液,在22℃下進(jìn)行72h腐蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)后觀察管材內(nèi)表面,未穿孔一側(cè)的管材除在數(shù)字記號“2”內(nèi)發(fā)生輕微腐蝕,其余位置無腐蝕,如圖2所示;穿孔一側(cè)未發(fā)生腐蝕,如圖3所示。該實(shí)驗(yàn)表明,材料本身具備抗點(diǎn)腐蝕的能力,記號內(nèi)的輕微腐蝕是由于附著異物引起的,原材料本身無問題。

(a) 試驗(yàn)前(b) 試驗(yàn)后圖2 未穿孔側(cè)管線內(nèi)壁Fig.2 Inner surface of pipe without leakage point

1.3 穿孔外觀檢查

使用體視顯微鏡(奧林巴斯SZX16)觀察穿孔,孔洞呈現(xiàn)階梯狀,內(nèi)壁孔徑最小,外壁孔徑最大,外表面的腐蝕以穿孔為圓心,以波紋狀向周圍擴(kuò)散,如圖4所示。根據(jù)點(diǎn)蝕擴(kuò)散控制模型理論[2],該穿孔宏觀外形符合點(diǎn)蝕特征。

圖4 穿孔外觀Fig.4 Hole appearance

1.4 非金屬夾雜物檢查

根據(jù)點(diǎn)蝕發(fā)生的原理,點(diǎn)蝕優(yōu)先在金屬鈍化膜的某些敏感位置成核[2],包括鈍化膜薄弱區(qū)、晶格缺陷晶界、非金屬夾雜(硫化物夾雜)等。因此,對測試件進(jìn)行非金屬夾雜物檢查。分別檢查未穿孔一側(cè)管材、腐蝕坑周圍的非金屬夾雜物,詳見圖5、 6。對比分析可知,出現(xiàn)的點(diǎn)狀物為少量氧化物及少量硅酸鹽,未出現(xiàn)異常,可見腐蝕與原材料非金屬夾雜物基本無關(guān)聯(lián)。

圖5 未穿孔一側(cè)管材非金屬夾雜物(100μm)Fig.5 Non-metallic debris at non-perforated side of the pipe(100μm)

圖6 腐蝕坑處非金屬夾雜物(100μm)Fig.6 Non-metallic debris at corrosion pits(100μm)

1.5 顯微組織檢查

分別取穿孔一側(cè)基體、未穿孔一側(cè)基體、穿孔處、小蝕坑處的樣品,以截面為觀察面,經(jīng)鑲嵌、磨拋后,使用王水在室溫下侵蝕,洗凈吹干后置于金相顯微鏡(奧林巴斯BX53M)下觀察。

焊縫兩側(cè)的管材均為單相有孿晶的奧氏體組織,晶界細(xì)而清晰,視場內(nèi)有少量沿管縱向分布的α-鐵素體;在未穿孔的一側(cè),晶粒細(xì)小而均勻的等軸狀,發(fā)生穿孔的一側(cè)晶粒呈現(xiàn)略粗大的不規(guī)則形狀,未見明顯異常,如圖7、 8所示。

圖7 未穿孔一側(cè)管材基體組織(50μm)Fig.7 Matrix tissue on the non-perforated side of the pipe(50μm)

圖8 穿孔一側(cè)管材基體組織(50μm)Fig.8 Matrix tissue on the perforated side of the pipe(50μm)

在穿孔、小蝕坑處的顯微組織與基體組織無明顯差異,均為有孿晶的單相奧氏體組織,偶有沿縱向分布的α-鐵素體,未見明顯異常,如圖9所示。在穿孔和蝕坑內(nèi)壁未見明顯的沿晶特征,說明管線母材本身無異常。在小蝕坑的底部發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕跡象,表明小蝕坑正在進(jìn)行第三階段腐蝕,一旦蝕穿材料,將形成另一處穿孔。

圖9 小蝕坑顯微組織(200μm)Fig.9 Microstructure of small erosion pits(200μm)

1.6 掃描電鏡及能譜分析

使用掃描電鏡(Regulus 8230高分辨冷場發(fā)射掃描電鏡)檢查穿孔內(nèi)表面邊緣和內(nèi)腔的微觀形貌,可見在穿孔附近的內(nèi)表面存在較多點(diǎn)蝕痕跡,如圖10所示;穿孔的內(nèi)腔壁顯示出材料壓延變形的層狀結(jié)構(gòu),如圖11所示;內(nèi)壁可見清晰的晶界,但未發(fā)現(xiàn)腐蝕沿晶界深入材料的痕跡;內(nèi)腔上的點(diǎn)蝕孔內(nèi)壁表現(xiàn)與內(nèi)腔相同的形貌。這些形貌特征表明,在穿孔內(nèi)發(fā)生的是均勻腐蝕,而非材料發(fā)生了晶間腐蝕。使用能譜分析內(nèi)腔和管壁內(nèi)表面的微區(qū)成分,結(jié)果見表2。

圖10 穿孔處內(nèi)表面(120×)Fig.10 Inner surface of perforated area (120×)

圖11 內(nèi)壁上的蝕坑(400×)Fig.11 Erosion pits on the inner wall (400×)

表2 穿孔外表面能譜分析結(jié)果Tab.2 Perforated outer surface energy spectrum analysis results

能譜分析結(jié)果,在穿孔內(nèi)腔、內(nèi)壁表面均有Cl元素腐蝕的痕跡,表明腐蝕是由于Cl-引起的;同時發(fā)現(xiàn)K、 Na等元素,表明腐蝕介質(zhì)應(yīng)是從海水引入的,如圖12、 13所示。

圖12 外表面能譜Fig.12 External surface energy spectrum

圖13 內(nèi)腔點(diǎn)蝕孔能譜Fig.13 Internal cavity pitting hole energy spectrum

經(jīng)過上述多輪試驗(yàn)分析可知,該項(xiàng)目所用316L不銹鋼管母材符合規(guī)范要求,具備抗點(diǎn)蝕能力,管線中無非金屬夾雜物影響,其失效的根本原因是不銹鋼管線受到Cl-含量超過25ppm的污染水腐蝕;發(fā)生腐蝕的管道處于U型彎低洼處,當(dāng)Cl-含量超標(biāo)在此處產(chǎn)生積液時,由于Cl-半徑小、穿透力強(qiáng),能夠穿過鈍化膜,與內(nèi)部金屬表面結(jié)合,形成可溶性物質(zhì)[3],因而產(chǎn)生點(diǎn)腐蝕。

2 管線腐蝕的預(yù)防與處理

根據(jù)上文實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,316L不銹鋼管線發(fā)生點(diǎn)蝕是由于海水在管線內(nèi)U型彎低洼處產(chǎn)生積液,導(dǎo)致Cl-含量超標(biāo),故而形成點(diǎn)蝕。因此,不銹鋼管線的防腐蝕工作應(yīng)針對在鹽霧環(huán)境下對海水的預(yù)防,并貫穿于采辦、驗(yàn)貨、材料存放、現(xiàn)場施工及腐蝕修復(fù)等全過程,各環(huán)節(jié)需嚴(yán)格按照要求執(zhí)行。

(1) 采辦:由于建造場地位于海邊,應(yīng)要求材料供應(yīng)商按照規(guī)格書關(guān)于材料保護(hù)運(yùn)輸?shù)囊?guī)定,對其運(yùn)送至場地的材料進(jìn)行保護(hù)。不銹鋼管線端部,用塑料蓋封堵保護(hù),盡可能保證管內(nèi)干燥。運(yùn)輸過程中避免不銹鋼管與其他異種金屬接觸,建議獨(dú)立包裝運(yùn)輸。

(2) 驗(yàn)貨:入庫之前應(yīng)盡快組織材料驗(yàn)貨。將材料保護(hù)作為必要檢查項(xiàng),以確保在預(yù)制安裝之前管線內(nèi)部Cl-含量水平較低。對于未按要求防護(hù)材料的,應(yīng)及時整改。仔細(xì)檢查不銹鋼管線來料表面、端部,若出現(xiàn)明顯銹斑、銹跡,建議要求廠家換貨處理,保證材料到貨質(zhì)量。

(3) 存放:對于存放于室外的管線,需用潔凈的帆布做好遮蔽、包裹,避免材料直接曝露在近海環(huán)境下,易導(dǎo)致管線表面腐蝕。

(4) 涂裝:在316L不銹鋼外部進(jìn)行防腐涂料涂裝,是防止外部環(huán)境引起不銹鋼表面點(diǎn)腐蝕的一種經(jīng)濟(jì)有效的手段[4]。建造工程中應(yīng)嚴(yán)格根據(jù)防腐規(guī)格書執(zhí)行,在噴涂前后,均應(yīng)做好端面防護(hù),用塑料蓋封堵管線端部,防止水、污垢進(jìn)入管線內(nèi)部。涂裝完畢后在轉(zhuǎn)運(yùn)及安裝過程中,應(yīng)使用帆布包裹,避免管線在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中劃傷,破壞防腐油漆涂層。

(5) 試壓:不銹鋼管線系統(tǒng)試壓,應(yīng)保證試壓用水Cl-含量不超過25ppm。管路應(yīng)設(shè)置足夠的U型彎泄放點(diǎn),防止產(chǎn)生積液。水壓測試完畢后應(yīng)用干燥、無油的高速壓縮空氣吹掃、干燥,并滿足項(xiàng)目相關(guān)的露點(diǎn)要求,最后進(jìn)行密封處理。

(6) 輕微銹蝕處理:對于不銹鋼管外壁輕微銹蝕處,應(yīng)引起足夠重視,采用酸洗鈍化膏進(jìn)行除銹處理,防止銹蝕進(jìn)一步擴(kuò)大,產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕,造成管道穿孔失效。其原理是,通過涂抹酸洗鈍化膏,在不銹鋼管線表面形成一種又密又薄且覆蓋性良好的、能牢固附著在金屬表面的鈍化膜,降低腐蝕速率[5]。

3 結(jié) 語

隨著我國海洋石油工業(yè)進(jìn)軍深藍(lán)的步伐愈發(fā)堅定,減少海洋平臺不銹鋼管線的失效發(fā)生,對于保障平臺安全,將深海開發(fā)戰(zhàn)略落實(shí)到位具有重要意義。在建造過程中,對于316L不銹鋼管的保護(hù)應(yīng)該是全方位、多角度的。本文通過對失效管道試件的多角度實(shí)驗(yàn)分析,采用排除法一一排查,得出了外部因素引進(jìn)Cl-含量超標(biāo)的液體介質(zhì)是導(dǎo)致管道腐蝕穿孔的主要原因,并簡要介紹了點(diǎn)腐蝕的腐蝕機(jī)理。對316L不銹鋼管線的整個建造流程,提出了合理化建議。希望加強(qiáng)各環(huán)節(jié)的過程管控力度,杜絕外部因素導(dǎo)致的不銹鋼管線腐蝕,確保海洋平臺的安全高效生產(chǎn)。