地下不锈钢供水管道腐蚀渗漏失效分析

,, , , ,,

(1. 齐鲁工业大学(山东省科学院) 山东省材料失效分析与安全评估工程技术研究中心，济南 250014；2. 香港城市大学 物理及材料科学系，香港 999077)

不锈钢材料具有良好的塑性、韧性及耐腐蚀性能，在日常生活及生产中被广泛使用，尤其在各种供水循环及输送系统中，不锈钢更是被认定为优良的管材。不锈钢管道内壁光滑，长期使用不会积垢、不易被细菌粘污，无须担心水质受影响，更能杜绝水的二次污染[1-2]。然而，近年来被认为不易被腐蚀的不锈钢管道却频繁发生腐蚀失效，严重的甚至发生泄漏事故[3-7]。不锈钢材料抗腐蚀特性的根本，源于铬元素会与外界的氧作用在其表面形成一层很薄的氧化膜(自钝化膜)，这一层氧化膜可阻止钢基体进一步腐蚀[8]。然而，在实际工况下，外部环境过于复杂，由于安装、使用不当，氧化铬薄膜可能会被破坏，进而在不锈钢表面形成薄弱环节。如果外部接触介质中存在易对不锈钢材料侵蚀的卤族元素(尤其是氯离子)，那么不锈钢管道表面的“薄弱”位置就极易发生点蚀、晶间腐蚀等破坏。

某公司建设的地下不锈钢供水管道在安装完成并试压后，未完全排出管内循环水，在半年后检修时发现了腐蚀渗漏现象。管道内部介质为地下水，管外壁与土壤接触。大部分漏点出现在用于管道连接的环焊缝处，并且位于管壁与介质水直接接触的管道底部和两侧，如图1所示。管道材料为S30408(06Cr19Ni10)不锈钢，由板带经成型加工、焊接、焊缝打磨、定径等过程完成，产品执行国家标准GB/T 12771-2008《流体输送用不锈钢焊接钢管》。不锈钢管自身焊缝沿管道轴向，管与管之间又通过环焊缝进行连接。不锈钢管的外径为150 mm，管壁厚度2.0 mm。

(a) 去除周围泥土后

(b) 管道环焊缝处图1 失效不锈钢管的宏观形貌Fig. 1 Macrographs of the failed stainless steel pipe: (a) after removal of surrounding soil; (b) at the girth weld

本工作利用扫描电子显微镜、能量色散X射线谱等技术对该发生渗漏的不锈钢管道进行了理化检验，综合分析了不锈钢管发生局部腐蚀的原因和条件，以防止再次发生此类失效。

1 理化检验与结果

1.1 宏观检查

分别对失效不锈钢管道环焊缝处的漏点和环焊缝附近的漏点进行切割取样，并在较强的光线下用肉眼和体视显微镜进行观察。图2为不锈钢管道环焊缝处的一处典型漏点。由图2可见：在该位置处不锈钢管的内壁、外壁均可见腐蚀坑，内壁被大面积红棕色腐蚀产物覆盖，外壁腐蚀坑在环焊缝处及环焊缝旁边都可见。

图3为环焊缝附近管身上另一处腐蚀漏点的宏观形貌。由图3可见：该处管内壁同样覆盖着大量红棕色腐蚀产物，腐蚀破坏区域较大，与内壁腐蚀坑位置对应的管外壁处出现漏点，这说明腐蚀破坏由管内壁开始，并沿管壁厚度方向发展，最终穿孔至外壁。

(a) 内壁

(b) 外壁图2 失效不锈钢管环焊缝处的宏观形貌Fig. 2 Macrographs of girth weld of failed stainless steel pipe: (a) the inner surface; (b) the outer surface

(a) 内壁

(b) 外壁图3 失效不锈钢管管身(靠近环焊缝处)的宏观形貌Fig. 3 Macrographs of body of failed stainless steel pipe (near the girth weld): (a) the inner surface; (b) the outer surface

1.2 不锈钢管母材的化学成分分析

从失效不锈钢管上截取试样，用X射线荧光光谱仪和高频红外碳硫分析仪进行成分分析，结果见表1。分析表明，该不锈钢管的化学成分均符合国家标准GB/T 12771-2008对S30408(06Cr19Ni10)不锈钢的要求。

表1 失效不锈钢管的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of failed stainless steel pipe (mass) %

1.3 微观检查和腐蚀产物成分分析

将管道壁进行切割取样后，对具有典型特征的漏点，腐蚀区域的内、外表面及横截面分别在扫描电子显微镜(SEM)上进行仔细检查。

图4为靠近环焊缝处不锈钢管腐蚀内表面的SEM形貌。在该区域不锈钢管内壁可见大量腐蚀坑，高倍下腐蚀坑底可见晶粒形貌。利用能量色散X射线谱仪(EDS)对管内壁腐蚀坑处，及沉积物区域分别进行微区元素分析，结果发现了较高含量的腐蚀性元素氯和硫,见图5和图6。腐蚀坑所在位置有类似机械损伤的痕迹,见图4，划痕的存在会破坏不锈钢表面的钝化膜，使得腐蚀易在该位置发生。另外，焊缝金属与基体金属的过渡部位是焊接后的应力集中点;焊缝又在管内形成不平整区域，容易聚集沉积氯化物、游离氯等腐蚀介质，同样使得腐蚀破坏易在焊缝处发生。

(a) 低倍

(b) 高倍图4 靠近环焊缝处不锈钢管腐蚀内表面的SEM形貌Fig. 4 SEM morphology of corroded inner surface near the girth weld of stainless steel: (a) at low magnification; (b) at high magnification

图5 不锈钢管内表面腐蚀坑处的EDS分析结果Fig. 5 EDS results of corrosion pits on inner surface of stainless steel pipe

图6 不锈钢管内表面的腐蚀产物的EDS分析结果Fig. 6 EDS results of corrosion products on inner surface of stainless steel pipe

为进一步确定不锈钢管腐蚀破坏的形式，从发生腐蚀的环焊缝处取样进行SEM和EDS检验，结果见图7和图8。由图7(a)可见，不锈钢管的内壁与外壁处均有腐蚀坑，由内壁向外发展的腐蚀坑较深(部分腐蚀坑贯穿整个壁厚，形成渗漏点)，由外壁向内发展的腐蚀坑较浅。腐蚀坑底管道材料的晶界已受到破坏，见图7(b)，在腐蚀坑内也检出了对不锈钢材料具有腐蚀性的氯元素,见图8。

(a) 低倍

(b) 高倍图7 不锈钢管环焊缝处截面的SEM形貌Fig. 7 SEM morpholgy of cross section of the girth weld of stainless steel pipe: (a) at low magnification; (b) at high magnification

图8 不锈钢管环焊缝截面腐蚀坑处的EDS分析结果Fig. 8EDS results of corrosion pits on cross section of the girth weld of stainless steel pipe

1.4 金相检验

从失效不锈钢管上截取金相试样观察其组织，结果见图9。分析表明，焊缝处组织为奥氏体和枝晶分布的δ铁素体，见图9(a)；焊缝与母材焊接熔合良好，熔合区焊缝侧的组织为奥氏体和枝晶分布的δ铁素体，熔合区母材侧的组织为单相奥氏体，见图9(b)，属于奥氏体不锈钢的正常组织。

(a) 焊缝区

(b) 焊缝熔合区图9 失效不锈钢管的金相组织Fig. 9 Metallographic structure of failed stainless steel pipe: (a) welding zone; (b) weld fusion zone

1.5 力学性能检验

在失效不锈钢管的完好部位取样进行了拉伸试验，检验结果见表2。结果表明:不锈钢管的抗拉强度、规定塑性延伸强度、断后伸长率均符合标准GB/T 12771-2008对S30408(06Cr19Ni10)不锈钢的要求。

表2 失效不锈钢管的拉伸性能及其标准Tab. 2 Tensile properties of the failed stainless steel pipe and standards

1.6 不锈钢管道内水质检测

为确定失效不锈钢管内的介质水中是否含有可能引起不锈钢管壁腐蚀的介质，对介质水中的氯离子、硫酸盐含量进行了分析。分析结果表明：循环水中氯离子质量浓度约为139 mg/L，硫酸盐质量浓度为108 mg/L。

2 失效原因分析

由分析结果可知，失效不锈钢管的化学成分、力学性能和金相组织均符合国家标准GB/T 12771-2008对S30408(06Cr19Ni10)不锈钢的要求。

失效不锈钢管的腐蚀位置主要集中于环焊缝处的管道底部与侧面，即与内部介质水相接触的位置。失效不锈钢管的内、外表面均发现了腐蚀现象，但由管道内表面形成的腐蚀破坏区域大于外表面的腐蚀破坏区域；内表面形成的腐蚀坑向外发展的深度较大，部分腐蚀坑已穿透整个壁厚，形成渗漏点；由外表面形成的腐蚀坑向内发展的深度较小，且分布在不锈钢管渗漏点附近。这些现象均说明本次不锈钢管道的失效是由管道内表面腐蚀破坏引起的。管道外壁出现的较浅的腐蚀坑是由于管道内部介质水从渗漏点流出，进入土壤，与管道外表面接触后在外表面形成的。

该失效不锈钢管道内壁发生的腐蚀破坏形式既包括点蚀形成的腐蚀坑、孔，又存在晶间腐蚀。奥氏体不锈钢在一般的酸、碱介质中具有一定的耐腐蚀，但是含有卤素(尤其是氯离子)的介质对其具有较强的腐蚀作用。有研究数据证明[9-10]，在一定环境条件下，奥氏体不锈钢局部富集的氯离子达到一定含量时(10 mg/L以上)就可以使其产生点蚀。失效不锈钢管道内介质水中氯离子质量浓度为139 mg/L，氯离子含量比较高。EDS分析结果表明，在腐蚀坑内及其周围的腐蚀产物中都发现了氯和一定含量的硫元素的聚集。硫元素与氯元素的共同作用，在一定条件下会加剧不锈钢管道的腐蚀破坏，尤其是晶间腐蚀的发生。

如前所述，不锈钢材料依靠一层氧化铬薄膜抵御腐蚀，而当材料因局部发生贫铬或其他因素引起氧化膜破裂时，由氯离子引起的局部腐蚀(点蚀)就可能发生。管道内表面腐蚀坑所在位置有机械损伤的痕迹，划痕的存在会破坏不锈钢表面的钝化膜，使得腐蚀易在这些位置发生。另外，焊缝金属与基体金属的过渡部位，是焊接后的应力集中点。焊缝又在管内形成不平整区域，容易聚集沉积氯化物，游离氯等腐蚀介质，同样使得腐蚀破坏易在焊缝处发生。

3 结论

失效不锈钢管道材料的化学成分、力学性能和金相组织均符合国家标准对S30408(06Cr19Ni10)不锈钢的要求。失效不锈钢管道的渗漏是由氯离子点腐蚀及晶间腐蚀引起的。控制不锈钢管道内介质水中氯离子含量是防止不锈钢管材发生孔蚀及晶间腐蚀的最根本的方法。对在有卤素存在的环境中使用的管道，应选择能够耐卤素腐蚀的管材。此外，提高不锈钢管材的加工质量，避免不正常的加工痕迹出现,改善管道连接处的环焊缝工艺，减少残余应力等对防止此类腐蚀破坏的发生也非常重要。

参考文献：

[1] 周凯文. 新型绿色环保给水管材-薄壁不锈钢管[J]. 建筑施工,2008,30:711-712.

[2] 王海涛. 浅谈薄壁不锈钢管在给排水管材中的应用[J]. 国外建材科技,2006,27:85-86.

[3] 时军波,陈立宗,丁宁,等. 热交换器不锈钢传热板片的腐蚀失效原因[J]. 腐蚀与防护,2016,37(1):71-75.

[4] MARTINS C M B,MOREIRA J L,MARTINS J I. Corrosion in water supply pipe stainless steel 304 and a supply line of helium in stainless steel 316[J]. Eng Fail Anal,2014,39:65-71.

[5] YANG G,YOON K B,MOON Y C. Stress corrosion cracking of stainless steel pips for methyl-methacrylate process plants[J]. Eng Fail Anal,2013,29:45-55.

[6] SMIDERLE J,PARDAL J M,TAVARES S S M,et al. Premature failure of superduplex stainless steel pipe by pitting in sea water environment[J]. Eng Fail Anal,2014,46:134-139.

[7] 鞠虹,王君,唐晓,等. 油气集输管道在海洋环境中的腐蚀与防护[J]. 石油化工设备,2010,39:41-47.

[8] NATALIE C A. Thermodynamics of aqueous corrosion in ASM Handbook[M]. [S.l.]:ASM International,2002:18-86.

[9] 金志浩,葛红花,林薇薇,等. 四种不锈钢在含不同浓度Cl-的高炉煤气管道冷凝模拟液中的腐蚀行为[J]. 腐蚀与防护,2014,35(9):890-894.

[10] 孟新静,金志浩,葛红花. 高氯介质中pH对316L不锈钢和Q235碳钢腐蚀行为的影响[J]. 腐蚀与防护,2014,35(9):866-870.