奧氏體不銹鋼管道點(diǎn)蝕泄漏的失效分析及預(yù)防措施

李德念 楊玉麗 董明景

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

奧氏體不銹鋼管具有良好的機(jī)械性能、耐蝕性能、經(jīng)濟(jì)性能[2]，常被應(yīng)用于飲用水、生活飲用水、空氣、醫(yī)用氣體、冷水、熱水等介質(zhì)傳輸管道。但只有正確選型，且運(yùn)用得當(dāng)，才能充分發(fā)揮其技術(shù)、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。否則，也會出現(xiàn)腐蝕泄漏。某地區(qū)客戶所使用的超純水機(jī)，介質(zhì)傳輸管道采用奧氏體不銹鋼管焊接而成，放置半年后發(fā)現(xiàn)部分管道出現(xiàn)泄漏，管道材質(zhì)為SUS 304，壁厚為1.5 mm。

不銹鋼管道作為超純水機(jī)的重要介質(zhì)傳輸部件，其失效將直接影響消費(fèi)者的使用，并且其一旦發(fā)生腐蝕泄漏就需要全部切割、焊接更換，現(xiàn)場無法維修需返廠維修，維修成本太高。本文結(jié)合某地區(qū)客戶超純水機(jī)不銹鋼管道發(fā)生點(diǎn)蝕泄漏問題的特點(diǎn)，分析了不銹鋼管道泄漏機(jī)理，并提出針對性的預(yù)防改進(jìn)措施。

1 不銹鋼腐蝕概述

不銹鋼是指Cr含量≥12 %的低碳合金鋼的統(tǒng)稱，具有良好的耐腐蝕性能，在大氣中年平均腐蝕速率≤0.01 mm。不銹鋼表面自帶有一層含鉻氧化層，又稱鈍化膜，這種鈍化膜能使不銹鋼里面的金屬元素與空氣里的氧隔離，從而起到防腐的作用[1]。

不銹鋼的鈍化膜具有一定的自反應(yīng)能力，在一般的介質(zhì)中鈍化膜的溶解和修復(fù)處于動平衡狀態(tài)。而當(dāng)介質(zhì)中存在活性陰離子時(shí)，自鈍化的平衡態(tài)就會遭到破壞，此時(shí)溶解占據(jù)優(yōu)勢。其原因?yàn)镃l-吸附在鈍化膜上[1]，將氧原子排擠出來，使鈍化膜表面上薄弱位置的點(diǎn)或區(qū)域被擊穿，腐蝕聚集在設(shè)備的某個(gè)點(diǎn)或區(qū)域，并在這些點(diǎn)或區(qū)域擴(kuò)展延伸形成腐蝕小坑，而金屬表面的大部分區(qū)域仍保持鈍化性。按腐蝕類別區(qū)分，不銹鋼的腐蝕形態(tài)主要有晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、電化學(xué)腐蝕、貧鉻腐蝕等[3]。

2 超純水機(jī)不銹鋼管道腐蝕泄漏失效分析

2.1 失效現(xiàn)象

某地區(qū)客戶超純水機(jī)未使用靜置半年后，啟動時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)水端不銹鋼管道出現(xiàn)多處泄漏異常。

2.2 宏觀檢查

經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)泄漏位置均位于管道底部，且主要集中在進(jìn)水口位置，如圖1所示，對管道泄漏位置進(jìn)行拆機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)有大量黃色渾濁液體，管道底部附著大量類似于淤泥狀沉淀物，如圖1（a）所示；清理后發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)壁有腐蝕孔洞，孔洞由內(nèi)向外延伸擴(kuò)展，其周圍無明顯劃痕及碰傷現(xiàn)象，排除因外力損傷腐蝕所致，如圖1（b）所示。

圖1 泄漏位置宏觀樣貌

2.3 成分分析

超純水機(jī)管道采用SUS 304（0Crl8Ni9）焊接而成。采用直讀光譜測試儀對材料成分進(jìn)行測試分析，材料成分主要含量，詳見表1。測試結(jié)果表明成分符合GBT 19228.2-2011 《不銹鋼卡壓式管件組件 第2部分連接用薄壁不銹鋼管》SUS304標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 泄漏不銹鋼管成分測試結(jié)果

2.4 金相分析

在超純水機(jī)不銹鋼管道泄漏點(diǎn)臨近位置，橫向取樣鑲嵌，水磨、拋光后，在金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)管壁出現(xiàn)不同程度的腐蝕凹坑，腐蝕形態(tài)由管道內(nèi)壁向外延伸擴(kuò)展，個(gè)別位置的腐蝕孔洞幾乎已貫穿不銹鋼管道基材壁厚，如圖2（a）所示；樣品經(jīng)電解腐蝕后，在500X的金相顯微鏡下觀察未發(fā)現(xiàn)不銹鋼管基材組織存在裂紋、晶間腐蝕及貧鉻等缺陷，排除材料加工工藝缺陷造成的腐蝕，詳見圖2（b）。

圖2 不銹鋼管金相分析情況

泄漏模式為點(diǎn)腐蝕，點(diǎn)腐蝕是指金屬材料在某特定工作環(huán)境介質(zhì)中，經(jīng)歷一段時(shí)光后，其大多數(shù)表面不發(fā)生肉眼可見的腐蝕或腐蝕很微小，但在其表面上個(gè)別的區(qū)域里，出現(xiàn)腐蝕孔或麻花點(diǎn)，且蝕孔隨著時(shí)光的推移，不斷延伸擴(kuò)展，形成針孔狀腐蝕坑的現(xiàn)象稱為點(diǎn)腐蝕，簡稱點(diǎn)蝕[4]。

不銹鋼作為一種易鈍化的金屬，點(diǎn)蝕是其主要失效形式之一。一般認(rèn)為，氯離子（Cl-）、硫、酸等會對不銹鋼表面的含鉻氧化膜產(chǎn)生破壞作用，從而導(dǎo)致點(diǎn)蝕。

氯離子（Cl-）對不銹鋼點(diǎn)蝕的影響的反應(yīng)過程如下：

孔里發(fā)生陽極溶解反應(yīng)原理：

孔外在近中性介質(zhì)條件下發(fā)生的溶解反應(yīng)的原理：

2.5 微觀分析

采用SEM掃描電子顯微鏡對腐蝕坑腐蝕微區(qū)位置（如圖3）進(jìn)行成分含量分析，測試結(jié)果如表2所示。

圖3 腐蝕位置微觀樣貌

表2 凹坑位置微區(qū)成分分析結(jié)果

SEM形貌分析測試結(jié)果顯示，超純水機(jī)泄漏位置出現(xiàn)了明顯的點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象，其腐蝕后產(chǎn)物含有C、P、O、Na、Cl、S等元素，S－、Cl－的存在會進(jìn)一步加劇了鋼管的腐蝕[5]。

2.6 超純水機(jī)管道附著物成分分析

采用能量色散X線熒光光譜對堆積在漏點(diǎn)位置的沉淀物進(jìn)行測試，測試結(jié)果見圖4，測試結(jié)果顯示沉淀物主要成分為鐵、鉻、鈣及碳水化合物等元素。

圖4 沉淀物材質(zhì)分析

2.7 超純水機(jī)管道液體分析

采用離子色譜測試儀對殘留在管道中的黃色渾濁液體進(jìn)行測試，測得其pH值約為8近中性，Cl-濃度為69 mg/L，如表3所示，符合GB 5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，生活用水的pH值為6.5～8.5，Cl-濃度小于250 mg/L[6]。

表3 管道內(nèi)殘留成分分析結(jié)果

2.8 超純水機(jī)管道內(nèi)壁附著物及氯離子來源情況分析

超純水機(jī)管道生產(chǎn)流程為：

下料→焊接→外壁焊點(diǎn)打磨→抹滑石粉→自來水清洗→安裝→通自來水運(yùn)行測試→水箱排水→包裝。

從生產(chǎn)流程可看出：超純水機(jī)通過焊接、焊點(diǎn)打磨、自來水清洗三個(gè)工序生產(chǎn)過程中，由于焊接管道較長在使用自來水清洗時(shí)，難以將管道內(nèi)的焊渣、金屬粉末及滑石粉完全清洗干凈，生產(chǎn)過程排查情況見圖5。

圖5 生產(chǎn)過程排查情況

在入庫檢驗(yàn)環(huán)節(jié)又需要通自來水進(jìn)行運(yùn)行測試，測試完成后雖然將水箱的水排空，但處于底部管道中的自來水卻無法完全排空，眾所周知自來水中含有一定數(shù)量的鈣、鎂鹽類物質(zhì),這些物質(zhì)與管道內(nèi)殘留的金屬粉末、滑石粉混合，長期留滯在管道中易形成沉淀物覆蓋在不銹鋼管道內(nèi)壁上。

根據(jù)資料（銅合金及其加工手冊，中南大學(xué)出版社）顯示，容易鈍化的金屬，點(diǎn)蝕現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。當(dāng)鈍化層遭到破壞時(shí)，受到破壞的地方會形成電偶陽極，而未被破壞的區(qū)域形成陰極，小面積陽極電流密度大，很快被腐蝕為小孔，若腐蝕產(chǎn)生在腐蝕坑上形成覆蓋物，阻礙了腐蝕產(chǎn)物從腐蝕坑中沖離，就會造成腐蝕坑中缺氧。與此同時(shí)，溶液中的氯離子又隨腐蝕電流向蝕坑中濃集，使腐蝕坑內(nèi)酸度增加，因而腐蝕速率進(jìn)一步增加[7,8]。

3 超純水機(jī)管道點(diǎn)蝕泄漏失效原因及預(yù)防措施

綜合以上分析判定導(dǎo)致超純水機(jī)管道泄漏的主要原因?yàn)椋涸谠O(shè)備未使用時(shí)，超純水機(jī)管道內(nèi)水分未清洗干凈，且存在部分焊渣、金屬粉末等殘留物殘留在管道內(nèi)部，長期在管道中留滯形成沉淀物覆蓋在不銹鋼管道內(nèi)壁上，阻礙了不銹鋼表面自鈍化的平衡態(tài)，破壞了不銹鋼表面含鉻氧化膜，在水中氯離子的催化下加快了不銹鋼管道點(diǎn)腐蝕的速率，從而使超純水機(jī)管道出現(xiàn)點(diǎn)蝕泄漏。

根據(jù)GB 150-2011《壓力容器 第四部分：制造、檢驗(yàn)和驗(yàn)收》，中提到試驗(yàn)后應(yīng)立即將水排凈吹干，無法完全排凈吹干時(shí)，對奧氏體不銹鋼制容器，應(yīng)該控制H2O的Cl-濃度不超過25 mg/L，控制介質(zhì)中Cl-含量不超過25 mg /L能有效減少應(yīng)力腐蝕的產(chǎn)生［9］。

結(jié)合相關(guān)資料及實(shí)際情況，對于此類問題，可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防：

1）不銹鋼管道存儲時(shí)應(yīng)保持管道干燥、清潔。

2）在無法完全排凈吹干介質(zhì)時(shí)，應(yīng)控制介質(zhì)中氯離子的含量不超過25 mg/L[9]。

3）在使用不銹鋼管道時(shí)應(yīng)定期清淤及除垢[10]，可預(yù)防管道腐蝕，延長管道使用壽命。

4 結(jié)論

1）焊渣、金屬粉末等殘留物長期沉淀覆蓋在不銹鋼管道上，會阻礙不銹鋼表面的自鈍化平衡態(tài)，從而破壞不銹鋼表面含鉻氧化膜。

2）在氯離子含量超過25 mg/L的環(huán)境介質(zhì)中，會加快奧氏體不銹鋼的點(diǎn)蝕速率。

3）在使用不銹鋼管道時(shí)應(yīng)定期清淤及除垢[10]，可預(yù)防管道腐蝕，延長管道使用壽命。