316L不锈钢管道腐蚀原因分析及预防措施

毕航铭

(中海福陆重工有限公司,广东 珠海 519050)

0 引 言

在海洋、电厂、化工过程、采矿、石油化工、油气、医药等许多工程应用中,因为316L不锈钢具备优异的耐腐蚀性能、良好的耐高温氧化及耐热性等工程性能,同时也具备优良的焊接性能,极大地吸引了许多研究人员、工程师、制造商以及产品的最终用户的关注,在海洋平台管线中广泛应用于淡水管线、饮用水管线、化学药剂注入管线等[1～7]。

目前,国内外研究主要从海水温度、溶解氧、海洋微生物、流速和盐度等方面探究了不锈钢在海洋环境下的腐蚀行为,从不同角度列举了不锈钢在耐腐蚀方面的研究进展。针对本文案例,主要从盐度方面来分析不锈钢管线发生点蚀的成因[8～12]。

南海某平台淡水系统管线材料为ASTM A312/A312M标准中TP316/316L型不锈钢。平台在陆地建造阶段,管线试压用水经过严格水质检测,Cl-浓度低于25ppm;平台出海之后,该管系输送淡水。但在平台试运行阶段出现了不锈钢管道泄漏。经检测,泄漏处水样Cl-浓度为260mg/L,严重超标。通过现场取样,并对泄露段不锈钢管线材质进行化学成分检查、非金属夹杂物检查、显微组织检查等,判定管道泄漏原因为管壁发生了由内而外的点蚀。在管道腐蚀点处,有积液痕迹。当水汽蒸发时,Cl-浓缩,积液处Cl-浓度会升高,即使316L不锈钢本身具备较强的耐腐蚀性能,在此Cl-超标的情况下,极易发生点蚀[1],蚀穿管壁并破坏表面油漆涂层,出现泄漏。

本文基于以上案例,从建造角度分析事故原因,并提出有效的预防措施,供今后工程项目参考。

1 分析方法

截取长约150mm泄漏管段试样,如图1所示,分别进行化学成分分析检查、材料点腐蚀试验、穿孔外观检查、非金属夹杂物检查、显微组织检查、扫描电镜及能谱分析检查等,分析管道失效原因。可初步判断泄露管段上的腐蚀类型为点蚀,点蚀处孔洞内外径大小不一致,内小外大,且管段外表面以穿孔为圆心,均匀向周围扩散。

图1 泄漏管段Fig.1 Leakage pipeline

1.1 化学成分分析检查

采用火花直读光谱仪(赛默飞世尔Thermo ICAP6300)分析试验件原材料化学成分,分析结果如表1所示。经与ASTM A312/312M-2019中标准值分析比对,确认该试验件原材料合格。

表1 原材料化学成分分析结果(wt.%)Tab.1 Chemical composition analysis of raw material (wt.%)

1.2 材料点腐蚀试验

为验证管材的抗点腐蚀性能,分别从穿孔一侧和未穿孔一侧取样,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℃下进行72h腐蚀试验。试验后观察管材内表面,未穿孔一侧的管材除在数字记号“2”内发生轻微腐蚀,其余位置无腐蚀,如图2所示;穿孔一侧未发生腐蚀,如图3所示。该实验表明,材料本身具备抗点腐蚀的能力,记号内的轻微腐蚀是由于附着异物引起的,原材料本身无问题。

(a) 试验前(b) 试验后图2 未穿孔侧管线内壁Fig.2 Inner surface of pipe without leakage point

1.3 穿孔外观检查

使用体视显微镜(奥林巴斯SZX16)观察穿孔,孔洞呈现阶梯状,内壁孔径最小,外壁孔径最大,外表面的腐蚀以穿孔为圆心,以波纹状向周围扩散,如图4所示。根据点蚀扩散控制模型理论[2],该穿孔宏观外形符合点蚀特征。

图4 穿孔外观Fig.4 Hole appearance

1.4 非金属夹杂物检查

根据点蚀发生的原理,点蚀优先在金属钝化膜的某些敏感位置成核[2],包括钝化膜薄弱区、晶格缺陷晶界、非金属夹杂(硫化物夹杂)等。因此,对测试件进行非金属夹杂物检查。分别检查未穿孔一侧管材、腐蚀坑周围的非金属夹杂物,详见图5、 6。对比分析可知,出现的点状物为少量氧化物及少量硅酸盐,未出现异常,可见腐蚀与原材料非金属夹杂物基本无关联。

图5 未穿孔一侧管材非金属夹杂物(100μm)Fig.5 Non-metallic debris at non-perforated side of the pipe(100μm)

图6 腐蚀坑处非金属夹杂物(100μm)Fig.6 Non-metallic debris at corrosion pits(100μm)

1.5 显微组织检查

分别取穿孔一侧基体、未穿孔一侧基体、穿孔处、小蚀坑处的样品,以截面为观察面,经镶嵌、磨抛后,使用王水在室温下侵蚀,洗净吹干后置于金相显微镜(奥林巴斯BX53M)下观察。

焊缝两侧的管材均为单相有孪晶的奥氏体组织,晶界细而清晰,视场内有少量沿管纵向分布的α-铁素体;在未穿孔的一侧,晶粒细小而均匀的等轴状,发生穿孔的一侧晶粒呈现略粗大的不规则形状,未见明显异常,如图7、 8所示。

图7 未穿孔一侧管材基体组织(50μm)Fig.7 Matrix tissue on the non-perforated side of the pipe(50μm)

图8 穿孔一侧管材基体组织(50μm)Fig.8 Matrix tissue on the perforated side of the pipe(50μm)

在穿孔、小蚀坑处的显微组织与基体组织无明显差异,均为有孪晶的单相奥氏体组织,偶有沿纵向分布的α-铁素体,未见明显异常,如图9所示。在穿孔和蚀坑内壁未见明显的沿晶特征,说明管线母材本身无异常。在小蚀坑的底部发现点蚀迹象,表明小蚀坑正在进行第三阶段腐蚀,一旦蚀穿材料,将形成另一处穿孔。

图9 小蚀坑显微组织(200μm)Fig.9 Microstructure of small erosion pits(200μm)

1.6 扫描电镜及能谱分析

使用扫描电镜(Regulus 8230高分辨冷场发射扫描电镜)检查穿孔内表面边缘和内腔的微观形貌,可见在穿孔附近的内表面存在较多点蚀痕迹,如图10所示;穿孔的内腔壁显示出材料压延变形的层状结构,如图11所示;内壁可见清晰的晶界,但未发现腐蚀沿晶界深入材料的痕迹;内腔上的点蚀孔内壁表现与内腔相同的形貌。这些形貌特征表明,在穿孔内发生的是均匀腐蚀,而非材料发生了晶间腐蚀。使用能谱分析内腔和管壁内表面的微区成分,结果见表2。

图10 穿孔处内表面(120×)Fig.10 Inner surface of perforated area (120×)

图11 内壁上的蚀坑(400×)Fig.11 Erosion pits on the inner wall (400×)

表2 穿孔外表面能谱分析结果Tab.2 Perforated outer surface energy spectrum analysis results

能谱分析结果,在穿孔内腔、内壁表面均有Cl元素腐蚀的痕迹,表明腐蚀是由于Cl-引起的;同时发现K、 Na等元素,表明腐蚀介质应是从海水引入的,如图12、 13所示。

图12 外表面能谱Fig.12 External surface energy spectrum

图13 内腔点蚀孔能谱Fig.13 Internal cavity pitting hole energy spectrum

经过上述多轮试验分析可知,该项目所用316L不锈钢管母材符合规范要求,具备抗点蚀能力,管线中无非金属夹杂物影响,其失效的根本原因是不锈钢管线受到Cl-含量超过25ppm的污染水腐蚀;发生腐蚀的管道处于U型弯低洼处,当Cl-含量超标在此处产生积液时,由于Cl-半径小、穿透力强,能够穿过钝化膜,与内部金属表面结合,形成可溶性物质[3],因而产生点腐蚀。

2 管线腐蚀的预防与处理

根据上文实验结果可知,316L不锈钢管线发生点蚀是由于海水在管线内U型弯低洼处产生积液,导致Cl-含量超标,故而形成点蚀。因此,不锈钢管线的防腐蚀工作应针对在盐雾环境下对海水的预防,并贯穿于采办、验货、材料存放、现场施工及腐蚀修复等全过程,各环节需严格按照要求执行。

(1) 采办:由于建造场地位于海边,应要求材料供应商按照规格书关于材料保护运输的规定,对其运送至场地的材料进行保护。不锈钢管线端部,用塑料盖封堵保护,尽可能保证管内干燥。运输过程中避免不锈钢管与其他异种金属接触,建议独立包装运输。

(2) 验货:入库之前应尽快组织材料验货。将材料保护作为必要检查项,以确保在预制安装之前管线内部Cl-含量水平较低。对于未按要求防护材料的,应及时整改。仔细检查不锈钢管线来料表面、端部,若出现明显锈斑、锈迹,建议要求厂家换货处理,保证材料到货质量。

(3) 存放:对于存放于室外的管线,需用洁净的帆布做好遮蔽、包裹,避免材料直接曝露在近海环境下,易导致管线表面腐蚀。

(4) 涂装:在316L不锈钢外部进行防腐涂料涂装,是防止外部环境引起不锈钢表面点腐蚀的一种经济有效的手段[4]。建造工程中应严格根据防腐规格书执行,在喷涂前后,均应做好端面防护,用塑料盖封堵管线端部,防止水、污垢进入管线内部。涂装完毕后在转运及安装过程中,应使用帆布包裹,避免管线在转运过程中划伤,破坏防腐油漆涂层。

(5) 试压:不锈钢管线系统试压,应保证试压用水Cl-含量不超过25ppm。管路应设置足够的U型弯泄放点,防止产生积液。水压测试完毕后应用干燥、无油的高速压缩空气吹扫、干燥,并满足项目相关的露点要求,最后进行密封处理。

(6) 轻微锈蚀处理:对于不锈钢管外壁轻微锈蚀处,应引起足够重视,采用酸洗钝化膏进行除锈处理,防止锈蚀进一步扩大,产生电化学腐蚀,造成管道穿孔失效。其原理是,通过涂抹酸洗钝化膏,在不锈钢管线表面形成一种又密又薄且覆盖性良好的、能牢固附着在金属表面的钝化膜,降低腐蚀速率[5]。

3 结 语

随着我国海洋石油工业进军深蓝的步伐愈发坚定,减少海洋平台不锈钢管线的失效发生,对于保障平台安全,将深海开发战略落实到位具有重要意义。在建造过程中,对于316L不锈钢管的保护应该是全方位、多角度的。本文通过对失效管道试件的多角度实验分析,采用排除法一一排查,得出了外部因素引进Cl-含量超标的液体介质是导致管道腐蚀穿孔的主要原因,并简要介绍了点腐蚀的腐蚀机理。对316L不锈钢管线的整个建造流程,提出了合理化建议。希望加强各环节的过程管控力度,杜绝外部因素导致的不锈钢管线腐蚀,确保海洋平台的安全高效生产。