316L不銹鋼波紋管泄漏原因

呂 淵

(上海材料研究所, 上海 200437)

某船舶在行駛時發現部分儲水區消耗量偏高，靠岸后進行排查發現，該區域的波紋管發生穿孔泄露現象。泄漏波紋管材料為316L不銹鋼，該船于7月試航，10月發現波紋管發生穿透泄漏現象，屬于早期失效。船舶行駛時波紋管內部一般為空氣，可通過控制向波紋管注入海水來調整船舶在海面上的高度，所以此時波紋管內部介質為外部注入的海水，根據船舶的使用需求，有時也會排出波紋管內部的海水。波紋管內部介質為海水與空氣交替，服役溫度為常溫。為找到該波紋管的泄漏原因，筆者從泄漏點的特征入手，結合使用情況以及相關理化檢驗對產生泄漏的波紋管進行了分析，并提出建議，以期避免該類失效事故再次發生。

1 理化檢驗

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

圖1 泄漏波紋管宏觀形貌

圖2 泄漏波紋管內壁的宏觀形貌

截取泄露點處的波紋管，將雙層的波紋管分開，朝向外側的一面宏觀形貌見圖3a)，朝向內側的一面宏觀形貌見圖3b)，可見兩層結構之間較為潔凈，呈亮金屬色，未見腐蝕痕跡。

圖3 波紋管泄露點處的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

在波紋管遠離泄漏點處取樣進行化學成分分析，結果見表1，可見波紋管的化學成分滿足ASTM A240/A240M:2018StandardSpecificationforChromiumandChromium-NickelStainlessSteelPlate,Sheet,andStripforPressureVesselsandforGeneralApplications對316L不銹鋼的技術要求。

表1 波紋管化學成分(質量分數)

1.3 掃描電鏡及能譜分析

采用掃描電鏡(SEM)對泄露點處進行觀察，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)分別對積垢與金屬表面進行能譜分析，結果見表2，可見有較高含量的腐蝕性元素硫和氯，說明波紋管內部介質含有腐蝕性元素。

表2 波紋管泄漏點處內壁能譜分析結果(質量分數)

圖4 波紋管泄漏點處內壁SEM形貌

在波紋管內壁收集積垢對其進行兩次能譜分析，結果見表3。由表3可知，附著在內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 波紋管內壁積垢能譜分析結果(質量分數)

1.4 金相檢驗

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

圖6 泄漏點處浸蝕后的顯微組織形貌

2 分析與討論

由化學成分分析結果可知，波紋管的化學成分符合相關技術要求;由金相檢驗結果可知,波紋管的顯微組織未見異常，波紋管材料未檢測到質量問題。從使用情況來看，該波紋管使用過程中會反復注入與排出海水，分析認為,排出波紋管內的海水時，水中的雜質會殘留在管道的下半部分，尤其是波紋管的凹槽中。而由宏觀觀察結果可知,波紋管的積垢及腐蝕集中出現于波紋管的下半部分，泄漏點出現在凹槽里，與分析結果相符。由波紋管內壁的SEM分析可知，積垢與金屬表面結合不緊密，存在明顯間隙，對其進行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)與水發生水解反應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)，在反應的同時會產生HCl，但由于被積垢封鎖，氫、硫、氯等腐蝕性離子無法擴散到外部環境，導致積垢下的管壁發生垢下腐蝕[1]，直至穿透壁厚導致泄漏。

3 結論及建議

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

(2)建議對船舶服役的海域中的海水水質進行考察；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。