烏東德水電站不銹鋼水管腐蝕漏水原因分析

謝方祥，王 豪，陳鵬云

(長江勘測規劃設計研究有限責任公司，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，目前已廣泛應用于醫療器具、船舶、食品工業及石油化工行業等，也是水電工程中常用的材料，用于生產、生活、空調、消防、量測等設備管道系統[1]。但是，304不銹鋼的耐腐蝕性能是有條件的、相對的。冷熱加工工藝不當以及使用環境中廣泛存在的氯離子等原因都會導致其耐蝕性明顯降低。雖然國內外很多學者已對不同條件下304不銹鋼的腐蝕機理進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一的具體結論[2]。烏東德水電站管道系統多、布置復雜、涉及的區域廣，重要性不言而喻。若不能正常運行，將影響電站可靠持續運行，甚至出現水淹廠房的可能性，造成嚴重的安全事故和經濟損失。本文主要針對烏東德水電站304不銹鋼水管腐蝕情況及其原因進行探究。

1 設計方案及現場概況

1.1 設計方案

烏東德水電站主要建筑物的生產、生活、消防供水系統來自水廠和江水，技術供水、空調水系統直接取自江水。管道參數遵循合同規定，技術要求按照GB/T 12771-2008《流體輸送用不銹鋼焊接鋼管》規定選定，材質為06Cr19Ni10(又稱為“304”)。廠內出現漏點的不銹鋼管道使用情況見表1。

表1 廠內304不銹鋼水管主要使用情況統計(明裝)

1.2 現場概況

2020年7月烏東德水電站首批機組發電，廠內部分管道充水運行。7月底發現地下電站主廠房811 m水輪機層消防水管開始出現漏水現象，左岸電站約20多處，右岸電站約8處。經施工單位補焊后發現在其附近出現新的漏點，因而暫停補焊工作，并將現場情況反饋給廠家。管道廠家對漏水原因進行了初步分析。直至9月底，左、右岸電站管路漏水點數量劇增，總計達到270多處，漏水問題呈現惡化趨勢。經過1 a的時間運行，原漏點處基本處于穩定，未出現大面積的新增漏點。原漏點也未出現腐蝕程度惡化以及孔變大等現象。過程中腐蝕情況如圖1～3所示。

圖1 焊縫處點狀滲水有(疑似點腐蝕)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 閥門本體點狀滲水Fig.3 Point-like seepage of the valve

對現場重點管路腐蝕漏水現場情況進行統計匯總，清潔水、量測系統的滲漏情況見表2，消防水系統的滲漏情況見表3。

表2 清潔水、量測系統的滲漏情況

對于清潔水、量測系統：焊縫滲漏百分比=113/857×100%=13.2%；焊縫滲漏點占總漏水點的百分比=113/(113+18)×100%=86.3%。

表3 消防水系統的滲漏情況

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

根據表2～3發現：對于典型的清潔水、量測、消防水系統，漏水點(約90%)集中出現在焊縫位置，極少數漏水點在管道母材，另外極個別閥門本體也出現個別滲水點。滲水處主要呈現點狀腐蝕，且有黑色液體滲出。滲水形態主要是點滲，局部某些部位呈現針孔狀噴水。

2 原因分析

對管道腐蝕漏水現象進行了討論，并對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、腐蝕機理等方面)逐項進行了檢測分析[3-4]。

2.1 腐蝕機理

304不銹鋼的材料特性出現腐蝕漏水現象產生的機理主要有以下4個方面。

(1) 氯離子侵蝕。水中氯離子含量過高，發生了化學腐蝕[5]。

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

(3) 晶間腐蝕。常規不含鈦和鈮的材料易發生晶間腐蝕，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中所析出的碳化物減至最少，而碳化物的析出可能導致不銹鋼在某些環境中產生晶間腐蝕(焊接侵蝕)。

(4) 表面痕現象和桔皮現象。304不銹鋼加工過程中產生的缺陷。

2.2 焊接材料檢測分析

管道連接均采用高溫焊接[6]。因此，焊接材料質量直接影響焊接處的性能，一般選用焊條時遵循等強度、等條件、等同性的原則。調查發現，現場實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、管件成分檢測分析

為了排除管道、管件材料本身不符合標準要求而導致腐蝕漏水的原因，截取一段滲水位置的管道重新進行了綜合檢測[7-8]。檢測結果見如下。

(1) 化學成分。對管道所含的各項元素的質量分數進行了檢測，并與規范GB/T 11170—2008《不銹鋼多元素含量的測定——火花放電原子發射光譜法》和GB/T 20123—2006中測定范圍值進行對比。具體結果見表4。

表4 化學成分檢測結果

(2) 力學性能。檢測了試件的延伸強度、抗拉強度、伸長率，并與規范GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗》中規定的標準值進行對比。具體檢測結果見表5。

表5 力學性能檢測結果

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

(4) 非金屬夾雜物檢測。截取來樣縱向剖面試樣，經鑲嵌、磨拋后置于光學顯微鏡上觀察，并照按GB/T 10561-2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》中標準實際檢驗A法進行評定，試樣夾雜物評為A0，B1，C0，D1，DS0。

以上4項檢測結果均為合格。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 水源氯離子檢測分析

由于水中氯離子在一定條件下會對不銹鋼管(尤其是含Cr、Ni元素的不銹鋼管)造成一定腐蝕[9]，形成點狀腐蝕。故按照標準GB/T 5750.5-2006《生活飲用水標準檢驗方法 無機非金屬指標》中的方法對水中氯化物含量進行檢測，分別選取大壩上游側海子尾巴右岸油庫處、大壩下游側左岸進場交通洞附近的水源進行檢測，檢測結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。并通過查詢蓄水前后水中的氯化物濃度數據對比發現水庫蓄水發電后，氯化物濃度上升了約40 mg/L。

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

由于中國尚無標準或規范明確規定水中氯離子含量值范圍對不銹鋼存在明顯的腐蝕作用。因此查閱了相關研究報告和論文后認為，目前烏東德水電站所用水源水質中的氯離子含量處于相關試驗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管道腐蝕的影響程度，調研了其他電站的水質、管道材質以及運行情況，見表6～7。

表6 金沙江流域其他電站水質分析統計

表7 金沙江流域部分電站管道現狀調研情況

表6～7中結果說明：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不銹鋼對比304不銹鋼，材質具有了更好的耐腐蝕性及高溫強度，基本未出現過腐蝕漏水現象。而304以下材質不銹鋼在高溫焊接的前提下均會出現腐蝕漏水現象。

2.5 焊接工藝分析

經過調查，烏東德水電站采用V型坡口，氬弧焊打底，電弧焊蓋面，焊前進行預熱，焊后未進行熱處理，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，當焊接溫度處于該范圍內，不銹鋼會稀釋碳元素周圍的鉻元素，進而形成碳化鉻，碳化物周圍鋼的基體中Cr濃度會降低，形成貧鉻區。由于貧鉻區鉻量不足，使鈍化能力降低甚至消失，進而改變了不繡鋼的性能材質。因此，在腐蝕介質作用下貧鉻區會優先溶解產生晶間腐蝕[11-13]。

綜上，在該焊接工藝參數條件下，結合烏東德水電站現有水源氯離子含量，管道極易產生腐蝕現象。

3 現場處理措施

根據目前各管道系統腐蝕漏水情況及以上分析，認為金沙江流域的工程建設項目不建議采用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)或其他類型的內襯不銹鋼、碳鋼等[14]。

結合現場實際情況，最終決定采用對生產和生活用水、技術供水、消防水、空調水系統的管道焊接件部位進行逐步更換的方案：用鋼塑復合管更換304不銹鋼管，并采用卡箍連接方式。先更換廠內滲漏較嚴重的部分水消防系統、清潔水系統(包括閥門、管道、管件)，并要求更換的管道與支管的閥門進行連接時，應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行連接，另一端使用涂塑溝槽式連接件與鋼塑復合鋼管進行連接[15]。

鋼塑復合鋼管是以無縫不銹鋼管為基管，內壁涂裝高附著力、防腐、食品級衛生型的聚乙烯粉末涂料或環氧樹脂涂料。不銹鋼管道內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，經6個月運行，管道再未出現新的腐蝕漏水點，也未出現漏水現象，整體運行良好，滿足了安全穩定運行的要求。

4 結 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不銹鋼管道內部的氧化鉻薄膜被破壞，同時周圍會形成貧鉻區，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，導致腐蝕破壞更易在焊縫處發生，這也是95%以上的腐蝕漏水點均在焊縫處的癥結，是管道漏水的主要原因。

(3) 消防水系統管路多處于靜水狀態，增加了焊接位置局部腐蝕穿孔的程度。因此，水的流速狀態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和生活用水、技術供水、消防水、空調水系統的管道逐步更換為鋼塑復合管，并采用卡箍連接方式。該措施保障了管道系統可靠穩定運行，至今再未出現腐蝕漏水現象，是金沙江流域一種正確合適的管道應用方案。