地下不銹鋼供水管道腐蝕滲漏失效分析

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(1. 齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省材料失效分析與安全評估工程技術研究中心，濟南 250014；2. 香港城市大學 物理及材料科學系，香港 999077)

不銹鋼材料具有良好的塑性、韌性及耐腐蝕性能，在日常生活及生產中被廣泛使用，尤其在各種供水循環及輸送系統中，不銹鋼更是被認定為優良的管材。不銹鋼管道內壁光滑，長期使用不會積垢、不易被細菌粘污，無須擔心水質受影響，更能杜絕水的二次污染[1-2]。然而，近年來被認為不易被腐蝕的不銹鋼管道卻頻繁發生腐蝕失效，嚴重的甚至發生泄漏事故[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一步腐蝕[8]。然而，在實際工況下，外部環境過于復雜，由于安裝、使用不當，氧化鉻薄膜可能會被破壞，進而在不銹鋼表面形成薄弱環節。如果外部接觸介質中存在易對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”位置就極易發生點蝕、晶間腐蝕等破壞。

某公司建設的地下不銹鋼供水管道在安裝完成并試壓后，未完全排出管內循環水，在半年后檢修時發現了腐蝕滲漏現象。管道內部介質為地下水，管外壁與土壤接觸。大部分漏點出現在用于管道連接的環焊縫處，并且位于管壁與介質水直接接觸的管道底部和兩側，如圖1所示。管道材料為S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼，由板帶經成型加工、焊接、焊縫打磨、定徑等過程完成，產品執行國家標準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焊縫進行連接。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射線譜等技術對該發生滲漏的不銹鋼管道進行了理化檢驗，綜合分析了不銹鋼管發生局部腐蝕的原因和條件，以防止再次發生此類失效。

1 理化檢驗與結果

1.1 宏觀檢查

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

圖3為環焊縫附近管身上另一處腐蝕漏點的宏觀形貌。由圖3可見：該處管內壁同樣覆蓋著大量紅棕色腐蝕產物，腐蝕破壞區域較大，與內壁腐蝕坑位置對應的管外壁處出現漏點，這說明腐蝕破壞由管內壁開始，并沿管壁厚度方向發展，最終穿孔至外壁。

(a) 內壁

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

(a) 內壁

(b) 外壁圖3 失效不銹鋼管管身(靠近環焊縫處)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行成分分析，結果見表1。分析表明，該不銹鋼管的化學成分均符合國家標準GB/T 12771-2008對S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼的要求。

表1 失效不銹鋼管的化學成分(質量分數)Tab. 1 Chemical composition of failed stainless steel pipe (mass) %

1.3 微觀檢查和腐蝕產物成分分析

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

圖4為靠近環焊縫處不銹鋼管腐蝕內表面的SEM形貌。在該區域不銹鋼管內壁可見大量腐蝕坑，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)對管內壁腐蝕坑處，及沉積物區域分別進行微區元素分析，結果發現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械損傷的痕跡,見圖4，劃痕的存在會破壞不銹鋼表面的鈍化膜，使得腐蝕易在該位置發生。另外，焊縫金屬與基體金屬的過渡部位是焊接后的應力集中點;焊縫又在管內形成不平整區域，容易聚集沉積氯化物、游離氯等腐蝕介質，同樣使得腐蝕破壞易在焊縫處發生。

(a) 低倍

(b) 高倍圖4 靠近環焊縫處不銹鋼管腐蝕內表面的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 不銹鋼管內表面腐蝕坑處的EDS分析結果Fig. 5 EDS results of corrosion pits on inner surface of stainless steel pipe

圖6 不銹鋼管內表面的腐蝕產物的EDS分析結果Fig. 6 EDS results of corrosion products on inner surface of stainless steel pipe

為進一步確定不銹鋼管腐蝕破壞的形式，從發生腐蝕的環焊縫處取樣進行SEM和EDS檢驗，結果見圖7和圖8。由圖7(a)可見，不銹鋼管的內壁與外壁處均有腐蝕坑，由內壁向外發展的腐蝕坑較深(部分腐蝕坑貫穿整個壁厚，形成滲漏點)，由外壁向內發展的腐蝕坑較淺。腐蝕坑底管道材料的晶界已受到破壞，見圖7(b)，在腐蝕坑內也檢出了對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 不銹鋼管環焊縫截面腐蝕坑處的EDS分析結果Fig. 8EDS results of corrosion pits on cross section of the girth weld of stainless steel pipe

1.4 金相檢驗

從失效不銹鋼管上截取金相試樣觀察其組織，結果見圖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，熔合區焊縫側的組織為奧氏體和枝晶分布的δ鐵素體，熔合區母材側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

(b) 焊縫熔合區圖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 力學性能檢驗

在失效不銹鋼管的完好部位取樣進行了拉伸試驗，檢驗結果見表2。結果表明:不銹鋼管的抗拉強度、規定塑性延伸強度、斷后伸長率均符合標準GB/T 12771-2008對S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼的要求。

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

1.6 不銹鋼管道內水質檢測

為確定失效不銹鋼管內的介質水中是否含有可能引起不銹鋼管壁腐蝕的介質，對介質水中的氯離子、硫酸鹽含量進行了分析。分析結果表明：循環水中氯離子質量濃度約為139 mg/L，硫酸鹽質量濃度為108 mg/L。

2 失效原因分析

由分析結果可知，失效不銹鋼管的化學成分、力學性能和金相組織均符合國家標準GB/T 12771-2008對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焊縫處的管道底部與側面，即與內部介質水相接觸的位置。失效不銹鋼管的內、外表面均發現了腐蝕現象，但由管道內表面形成的腐蝕破壞區域大于外表面的腐蝕破壞區域；內表面形成的腐蝕坑向外發展的深度較大，部分腐蝕坑已穿透整個壁厚，形成滲漏點；由外表面形成的腐蝕坑向內發展的深度較小，且分布在不銹鋼管滲漏點附近。這些現象均說明本次不銹鋼管道的失效是由管道內表面腐蝕破壞引起的。管道外壁出現的較淺的腐蝕坑是由于管道內部介質水從滲漏點流出，進入土壤，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壁發生的腐蝕破壞形式既包括點蝕形成的腐蝕坑、孔，又存在晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼在一般的酸、堿介質中具有一定的耐腐蝕，但是含有鹵素(尤其是氯離子)的介質對其具有較強的腐蝕作用。有研究數據證明[9-10]，在一定環境條件下，奧氏體不銹鋼局部富集的氯離子達到一定含量時(10 mg/L以上)就可以使其產生點蝕。失效不銹鋼管道內介質水中氯離子質量濃度為139 mg/L，氯離子含量比較高。EDS分析結果表明，在腐蝕坑內及其周圍的腐蝕產物中都發現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，在一定條件下會加劇不銹鋼管道的腐蝕破壞，尤其是晶間腐蝕的發生。

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

3 結論

失效不銹鋼管道材料的化學成分、力學性能和金相組織均符合國家標準對S30408(06Cr19Ni10)不銹鋼的要求。失效不銹鋼管道的滲漏是由氯離子點腐蝕及晶間腐蝕引起的。控制不銹鋼管道內介質水中氯離子含量是防止不銹鋼管材發生孔蝕及晶間腐蝕的最根本的方法。對在有鹵素存在的環境中使用的管道，應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量，避免不正常的加工痕跡出現,改善管道連接處的環焊縫工藝，減少殘余應力等對防止此類腐蝕破壞的發生也非常重要。

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