316L不銹鋼管道腐蝕原因分析及預防措施

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、醫藥等許多工程應用中,因為316L不銹鋼具備優異的耐腐蝕性能、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、制造商以及產品的最終用戶的關注,在海洋平臺管線中廣泛應用于淡水管線、飲用水管線、化學藥劑注入管線等[1～7]。

目前,國內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展。針對本文案例,主要從鹽度方面來分析不銹鋼管線發生點蝕的成因[8～12]。

南海某平臺淡水系統管線材料為ASTM A312/A312M標準中TP316/316L型不銹鋼。平臺在陸地建造階段,管線試壓用水經過嚴格水質檢測,Cl-濃度低于25ppm;平臺出海之后,該管系輸送淡水。但在平臺試運行階段出現了不銹鋼管道泄漏。經檢測,泄漏處水樣Cl-濃度為260mg/L,嚴重超標。通過現場取樣,并對泄露段不銹鋼管線材質進行化學成分檢查、非金屬夾雜物檢查、顯微組織檢查等,判定管道泄漏原因為管壁發生了由內而外的點蝕。在管道腐蝕點處,有積液痕跡。當水汽蒸發時,Cl-濃縮,積液處Cl-濃度會升高,即使316L不銹鋼本身具備較強的耐腐蝕性能,在此Cl-超標的情況下,極易發生點蝕[1],蝕穿管壁并破壞表面油漆涂層,出現泄漏。

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

1 分析方法

截取長約150mm泄漏管段試樣,如圖1所示,分別進行化學成分分析檢查、材料點腐蝕試驗、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?？沙醪脚袛嘈孤豆芏紊系母g類型為點蝕,點蝕處孔洞內外徑大小不一致,內小外大,且管段外表面以穿孔為圓心,均勻向周圍擴散。

圖1 泄漏管段Fig.1 Leakage pipeline

1.1 化學成分分析檢查

采用火花直讀光譜儀(賽默飛世爾Thermo ICAP6300)分析試驗件原材料化學成分,分析結果如表1所示。經與ASTM A312/312M-2019中標準值分析比對,確認該試驗件原材料合格。

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

1.2 材料點腐蝕試驗

為驗證管材的抗點腐蝕性能,分別從穿孔一側和未穿孔一側取樣,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℃下進行72h腐蝕試驗。試驗后觀察管材內表面,未穿孔一側的管材除在數字記號“2”內發生輕微腐蝕,其余位置無腐蝕,如圖2所示;穿孔一側未發生腐蝕,如圖3所示。該實驗表明,材料本身具備抗點腐蝕的能力,記號內的輕微腐蝕是由于附著異物引起的,原材料本身無問題。

(a) 試驗前(b) 試驗后圖2 未穿孔側管線內壁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,孔洞呈現階梯狀,內壁孔徑最小,外壁孔徑最大,外表面的腐蝕以穿孔為圓心,以波紋狀向周圍擴散,如圖4所示。根據點蝕擴散控制模型理論[2],該穿孔宏觀外形符合點蝕特征。

圖4 穿孔外觀Fig.4 Hole appearance

1.4 非金屬夾雜物檢查

根據點蝕發生的原理,點蝕優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、晶格缺陷晶界、非金屬夾雜(硫化物夾雜)等。因此,對測試件進行非金屬夾雜物檢查。分別檢查未穿孔一側管材、腐蝕坑周圍的非金屬夾雜物,詳見圖5、 6。對比分析可知,出現的點狀物為少量氧化物及少量硅酸鹽,未出現異常,可見腐蝕與原材料非金屬夾雜物基本無關聯。

圖5 未穿孔一側管材非金屬夾雜物(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

分別取穿孔一側基體、未穿孔一側基體、穿孔處、小蝕坑處的樣品,以截面為觀察面,經鑲嵌、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。

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

圖7 未穿孔一側管材基體組織(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。在小蝕坑的底部發現點蝕跡象,表明小蝕坑正在進行第三階段腐蝕,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高分辨冷場發射掃描電鏡)檢查穿孔內表面邊緣和內腔的微觀形貌,可見在穿孔附近的內表面存在較多點蝕痕跡,如圖10所示;穿孔的內腔壁顯示出材料壓延變形的層狀結構,如圖11所示;內壁可見清晰的晶界,但未發現腐蝕沿晶界深入材料的痕跡;內腔上的點蝕孔內壁表現與內腔相同的形貌。這些形貌特征表明,在穿孔內發生的是均勻腐蝕,而非材料發生了晶間腐蝕。使用能譜分析內腔和管壁內表面的微區成分,結果見表2。

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

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

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

能譜分析結果,在穿孔內腔、內壁表面均有Cl元素腐蝕的痕跡,表明腐蝕是由于Cl-引起的;同時發現K、 Na等元素,表明腐蝕介質應是從海水引入的,如圖12、 13所示。

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

圖13 內腔點蝕孔能譜Fig.13 Internal cavity pitting hole energy spectrum

經過上述多輪試驗分析可知,該項目所用316L不銹鋼管母材符合規范要求,具備抗點蝕能力,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;發生腐蝕的管道處于U型彎低洼處,當Cl-含量超標在此處產生積液時,由于Cl-半徑小、穿透力強,能夠穿過鈍化膜,與內部金屬表面結合,形成可溶性物質[3],因而產生點腐蝕。

2 管線腐蝕的預防與處理

根據上文實驗結果可知,316L不銹鋼管線發生點蝕是由于海水在管線內U型彎低洼處產生積液,導致Cl-含量超標,故而形成點蝕。因此,不銹鋼管線的防腐蝕工作應針對在鹽霧環境下對海水的預防,并貫穿于采辦、驗貨、材料存放、現場施工及腐蝕修復等全過程,各環節需嚴格按照要求執行。

(1) 采辦:由于建造場地位于海邊,應要求材料供應商按照規格書關于材料保護運輸的規定,對其運送至場地的材料進行保護。不銹鋼管線端部,用塑料蓋封堵保護,盡可能保證管內干燥。運輸過程中避免不銹鋼管與其他異種金屬接觸,建議獨立包裝運輸。

(2) 驗貨:入庫之前應盡快組織材料驗貨。將材料保護作為必要檢查項,以確保在預制安裝之前管線內部Cl-含量水平較低。對于未按要求防護材料的,應及時整改。仔細檢查不銹鋼管線來料表面、端部,若出現明顯銹斑、銹跡,建議要求廠家換貨處理,保證材料到貨質量。

(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境下,易導致管線表面腐蝕。

(4) 涂裝:在316L不銹鋼外部進行防腐涂料涂裝,是防止外部環境引起不銹鋼表面點腐蝕的一種經濟有效的手段[4]。建造工程中應嚴格根據防腐規格書執行,在噴涂前后,均應做好端面防護,用塑料蓋封堵管線端部,防止水、污垢進入管線內部。涂裝完畢后在轉運及安裝過程中,應使用帆布包裹,避免管線在轉運過程中劃傷,破壞防腐油漆涂層。

(5) 試壓:不銹鋼管線系統試壓,應保證試壓用水Cl-含量不超過25ppm。管路應設置足夠的U型彎泄放點,防止產生積液。水壓測試完畢后應用干燥、無油的高速壓縮空氣吹掃、干燥,并滿足項目相關的露點要求,最后進行密封處理。

(6) 輕微銹蝕處理:對于不銹鋼管外壁輕微銹蝕處,應引起足夠重視,采用酸洗鈍化膏進行除銹處理,防止銹蝕進一步擴大,產生電化學腐蝕,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 語

隨著我國海洋石油工業進軍深藍的步伐愈發堅定,減少海洋平臺不銹鋼管線的失效發生,對于保障平臺安全,將深海開發戰略落實到位具有重要意義。在建造過程中,對于316L不銹鋼管的保護應該是全方位、多角度的。本文通過對失效管道試件的多角度實驗分析,采用排除法一一排查,得出了外部因素引進Cl-含量超標的液體介質是導致管道腐蝕穿孔的主要原因,并簡要介紹了點腐蝕的腐蝕機理。對316L不銹鋼管線的整個建造流程,提出了合理化建議。希望加強各環節的過程管控力度,杜絕外部因素導致的不銹鋼管線腐蝕,確保海洋平臺的安全高效生產。