1.4301不锈钢管线的腐蚀及修复

2015-09-27于香利沈全锋罗双全

腐蚀与防护 2015年11期

于香利，沈全锋，罗双全，储勇，刘军

（中国石油工程建设公司阿尔及利亚分公司，北京100120）

在阿尔及利亚水泵站项目中，引擎的冷却水系统管道根据合同采用了1.4301不锈钢（相当于S304或0Cr18Ni9），冷却水为泵站输送的原水。该项目于2011年3月投入运行，半年后，冷却水管线出现不同程度的腐蚀，主要集中在焊缝处，随着时间推移，腐蚀点明显增多，运行3a后，几乎所有管线焊缝处均出现了腐蚀点，个别地方出现泄漏。

1 问题分析

1.1 现场情况

该地处撒哈拉沙漠腹地，水源地位于因萨拉赫市，通过6座泵站将水送到阿国南部的塔曼拉塞特市，管道长度740km。泵站内冷却系统大部分管道安装在地面上，有部分管道埋在地下，当地最高气温为50℃。

每个泵站由3台泵组成，因目前水源地产水量不足，泵站每天只有1台泵间断运行约12h，其他2台泵处于备用状态。

冷却水从水源地多口水井抽出汇合后直接送到泵站进行外输，混合后的水质分析列于表1。

因腐蚀点多集中在焊缝处，焊接质量及焊条使用情况是该问题的分析重点。该项目现场焊条采用E308－16不锈钢焊条。1.4301不锈钢及E308－16焊条的元素组成见表2。

1.2 腐蚀形貌观察

图1为管线外表面及焊缝情况；图2为管线外面放大的腐蚀点情况；图3为管子内表面情况，可以看到焊缝处发生腐蚀，焊缝以外内表面良好。

图4为熔合区及焊缝表面的腐蚀形貌。由图4可见，焊缝表面腐蚀坑明显，腐蚀程度较母材严重，说明焊缝的耐蚀性能弱于母材。不锈钢在焊接时一般采用“等成分”原则匹配，焊缝腐蚀程度比母材严重的原因一方面与焊接工艺有关，但主要影响因素应与焊缝的成分有关。

表1 水质分析结果Tab.1 Water analysis results

表2 基材及焊条的名义化学成分（质量分数）Tab.2 Chemical composition of base metal and welding rod（mass） %

图1 焊缝腐蚀情况Fig.1 Corrosion appearance of welding seal

图5 为焊缝和母材的腐蚀表面。由图5（a）可见，焊缝表面腐蚀较为严重，有较严重的点蚀坑，大小不一，并无规则的特征形貌；腐蚀产物层多处已剥落。由图5（b）可见，母材表面腐蚀情况较好，无明显腐蚀坑；腐蚀形貌较焊缝规则，呈现波纹状和丝状腐蚀花样。

可以看出，焊缝的耐蚀性能明显较母材弱。为了探究腐蚀差异的更深层原因，现对母材和焊缝进行能谱分析，测出抗腐蚀元素含量（主要是镍和铬的含量）差异，结果见表3。

图2 外部腐蚀点放大Fig.2 Outside corrosion point

图3 管子内表面Fig.3 Internal surface of pipe

图4 熔合区和焊缝的金相组织和腐蚀情况Fig.4 Surface corrosion morphology of melt zone（a）and weld（b）

图5 焊缝和母材的腐蚀形貌Fig.5 Corrosion morphology of weld（a）and metal（b）

表3 母材和焊缝的能谱分析结果Tab.3 EDS results of base metal and weld seal%

由表3可见，母材镍和铬含量较高，铬元素含量＞18%，镍元素含量＞12%。为典型316不锈钢成分。焊缝中铬和镍含量较母材低，铬元素含量＜16%，镍元素含量＜8%，选取其他区域进行分析后结果类似，可见，焊缝为304不锈钢成分。

1.3 腐蚀原因分析

通过上述分析可知，焊缝中铬元素质量分数＜18%，镍元素质量分数＜10%，与304材质匹配，而母材的铬元素质量分数约为18%，镍元素质量分数约为12%，高于焊缝中耐蚀元素的含量，与316不锈钢成分相似；而之前，没发现焊接规范过大的迹象，所以过渡金属中合金元素的烧损应该在可控范围内。因此，基于合同规定304材质条件下选用的焊条不符合实际母材及原水水质，宜用E309焊条。

从现场发生的腐蚀情况看，该腐蚀属于典型的点蚀情况。点蚀是奥氏体不锈钢明显腐蚀的通常形式。一般以针状腐蚀开始，由于腐蚀的产生，受腐蚀部位变黑色或变成深褐色。大多数严重腐蚀环境中，点蚀的数量和深度增加，使表面呈现受腐蚀的外观。该项目水质氯离子高，可以预测氯离子对奥氏体不锈钢有较强的侵蚀性，类似溶液中发生氯离子对奥氏体不锈钢点腐蚀的情况时有报道[1]。

关于氯离子诱发不锈钢点蚀的理论很多，比较能被人们所接受的是自催化理论[2－3]。由于焊缝表面存在缺陷、杂质和溶质等的不均匀性，活性阴离子（Cl－）首先被吸附在金属表面某些点上，破坏钝化膜形成大阴极小阳极模式，产生下列发应：

阳极反应

阴极反应

上述反应使阳极金属很快腐蚀成小孔。通常用材料的临界点蚀温度（CPT）这个指标来衡量不锈钢的局部耐腐蚀能力[4]。图6是氯离子浓度与304和316两种不锈钢临界点蚀温度的关系曲线[5]，由图6可见，氯离子含量越高，发生点蚀的温度就越低。可以看出温度和氯离子含量升高都可以加剧对不锈钢的腐蚀。

图6 临界点蚀温度与氯离子浓度关系[5]Fig.6 The relation drawing between the CPT and chloridion concentration

本项目的NaCl质量浓度为0.1%，304不锈钢临界点蚀温度应为42℃，在日常运行中，备用泵管线一直充满着水，长期暴露在阳光照射下，钢管表面温度可达85℃，已达到304不锈钢的点腐蚀温度条件，而没有达到316不锈钢的点蚀温度，故本项目的腐蚀点大多数发生在焊缝处。

值得一提的是，本项目中高温冷却水管道，采用同样不锈钢管材和焊接工艺，管内流动的是一级反渗透脱盐水，氯离子质量浓度为39mg·L－1，运行温度高达90℃，经过3.5a运行，没有发生腐蚀。这也充分说明了氯离子对不锈钢的腐蚀性。

2 整改方案

2.1 管线替换方案

最初的整改拟采用管线替换方案，在该方案确定过程中，对比了常用的碳钢＋内衬、316L不锈钢、双相不锈钢、HDPE及GRE管线替换方案，各方案性能对比列于表4。

建议的方案为地上管线部分采用碳钢＋内衬，地下部分采用HDPE方案。该方案吸取了两种方案的优点，可以有效防止腐蚀的再度发生。同时该项目的主送水管线采用的就是碳钢＋内衬，运行效果良好。但该方案因业主不同意而被长期搁置。考虑到水源地的脱盐设施即将启动建设，整改方案转向管线修复。

表4 管线替换方案性能对比Tab.4 Performance comparison for pipe replacement scheme

2.2 管线修复方案

该方案是在保持现有管线在运行状态下对腐蚀点进行修复。现场已采用高强度灌浆料封堵漏点、补焊泄漏点等措施均不成功，最后决定采用BELZONA高分子材料修复焊缝和母材漏点。经双方协商，在不影响泵站正常运行的情况下，利用泵站设备每天停泵间隙，对腐蚀点采用BELZONA材料进行修复。

3 BELZONA修复工艺

3.1 修复方法

不锈钢管线修复采用BELZONA 1121（超级XL金属）、BELZONA 1321（陶瓷S－金属）、BELZONA 1831（水下超级金属）、BELZONA 9341增强带对管线腐蚀处进行修复，不同部位的修复工艺方法现场情况见图7。

图7 腐蚀管道的修复工艺Fig.7 Repair tochnology for corroded pipe（a） internal repair （b） external repair （c） arc plate repair

（1）内部修复法对管道系统中有法兰连接的地方，拆开法兰，从管道内部对腐蚀的焊缝进行修复，修复方法如下：用磨光机对内部焊缝进行打磨，打磨区域约为焊缝两边75mm处，先用刮刀将1121产品涂覆整个区域，4h后对硬化的1121涂层再用砂纸进行打磨，除去灰尘，最后涂抹第二道1321，使其表面洁净光滑，以减少流通阻力。

（2）外部修复法对于无法打开的腐蚀焊缝采用外部修复法，该修复与内部焊缝修复步骤类似，不同之处在涂第二道1121之前，先用9341增强带裹住整个涂覆区域，搭接长度不小于1／3管径周长，然后再涂1121，使其固化后的总厚度不小于3mm；最后用丙酮或BELZONA 9111高效清洗脱脂剂清理修复的焊缝涂层，使其美观、光滑。对于每天操作时间只有10h的回流线，第一道修复材料需要采用1831，以减少固化时间。

（3）弧形板修复法此修复方法适用于管子对接焊缝，在第一道BELZONA涂层基础上，冷粘接一圈不锈钢弧板，进一步加强涂层的强度。