0Cr18Ni9不锈钢天然气管线的泄漏原因

2020-06-01

腐蚀与防护 2020年5期

(中国中石化石油工程建设有限公司，北京 100020)

不锈钢因具有较高的Cr、Ni含量，通常具有较好的耐蚀性[1]，但不锈钢对S、Cl元素较为敏感[2]，特别是当材料表面粗糙度较差时，环境介质中的S、Cl等腐蚀性元素会在局部滞留富集，造成局部腐蚀性元素含量增大，容易引起局部腐蚀[3]。20世纪末以来，我国天然气管道进入了史无前例的高速发展期[4]。某海上天然气输送管道材料为0Cr18Ni9不锈无缝钢管，规格为φ219 mm×4.5 mm，执行标准为GB/T 14976-2002《流体输送用不锈钢无缝钢管》，单管长7 m，管线总长4.5 km，架设于海上，由588根钢管组成。该管线在安装结束后，在水压试验时发现有5处泄漏，第二次水压试验时发现有6处泄漏，比第一次增加了一处泄漏点。为了弄清该管线泄漏失效的原因，笔者对其进行了分析。

图1为出现泄漏的不锈钢管段，其中Y001和Y002管段存在泄漏点，Y003管段为完好管段。

图1 泄漏失效的管段Fig. 1 Pipe section with leaked failure

1 理化试验

1.1 宏观形貌

肉眼观察，钢管外壁存在少量黄褐色锈斑，Y001和Y002管段上可见穿透性泄漏孔洞，见图1中箭头处。从泄漏位置切割取样，可见管内、外表面区别较为明显，泄漏管段内表面存在较多腐蚀产物，孔洞附近无明显腐蚀产物堆积，未泄漏管段内表面比较洁净，见图2。

(a) 外表面

(b) 内表面图2 管段泄漏区域的宏观形貌Fig. 2Macro appearance at the leakage area of pipe section： (a) outer surface； (b) inner surface

采用LEICA M205A体视显微镜观察发现，泄漏管段内壁靠近孔洞处存在翘皮，见图3；拨开翘皮后可见皮下存在点蚀坑，坑内无腐蚀产物聚集；沿厚度剖切后发现靠近翘皮处存在较大的点蚀坑，见图4。

图3 失效管段内表面的翘皮和腐蚀孔洞Fig. 3 Warping and corrosion holes in the inner surface of the failed pipe section

图4 翘皮下的截面形貌Fig. 4 Cross-section morphology under warping

对管段泄漏孔附近的内、外表面进行形貌观察和最大蚀坑尺寸测量，结果见表1，可见孔洞内表面的最大蚀坑尺寸较外表面的大。结合泄漏部位的宏观形貌和剖面形貌可以判断，泄漏起源于管道内表面，并且由腐蚀引起。

1.2 化学成分

从泄漏的管段上取样，采用CS901B红外碳硫仪和ARL4460光电直读光谱仪对其化学成分进行分析，结果见表2，由表2可见：失效管段的化学成分符合GB/T 14976-2002标准的要求。

表1 失效管段的宏观检测结果Tab. 1 Macro inspection results of the failed pipe sections

表2 失效管段的化学成分Tab. 2 Chemical composition of the failed pipe section %

1.3 拉伸性能

从泄漏管段上取样，采用ZWICK Z250拉伸试验机进行拉伸试验，结果见表3。由表3可见：失效管段的力学性能符合标准要求。

表3 失效管段的力学性能Tab. 3 Mechanical properties of the failed pipe section

1.4 晶间腐蚀试验

从泄漏的不锈钢管上取样，采用GB/T 4334-2008中规定的方法E进行晶间腐蚀试验，试验结果表明钢管内壁无晶间腐蚀倾向。

1.5 金相分析

从穿透型孔洞附近切取剖面试样，采用LEICA M205A体视显微镜观察，可见腐蚀坑呈现明显的“开口小、内部大”的点腐蚀特征[4-5]，点蚀坑与管内壁相通，和管外壁还存在小部分连接。由图5可见：腐蚀坑起源于内表面，这和宏观观察结果是一致的；试样经侵蚀后，采用LEICA MLM/DMI5000M型光学显微镜观察，点蚀坑附近的金相组织为奥氏体。

(a) 截面形貌

(b) 显微组织图5 点蚀坑区域试样的截面形貌及显微组织Fig. 5 Sectional morphology (a) and microstructure (b) of samples in pitting area

从内表面存在翘皮的区域附近切取剖面样品，采用LEICA M205A体视显微镜观察，翘皮部位存在腐蚀产物聚集和点蚀特征，这表明点蚀与管子内壁的翘皮有关。试样侵蚀后，采用LEICA MLM/DMI5000M型光学显微镜观察，点蚀坑处的金相组织为奥氏体，见图6。

从泄漏管上切取纵向试样，经镶嵌、磨抛后在LEICA MLM/DMI5000M型光学显微镜下进行夹杂物检验，按照GB/T 10561-2005/ISO4967：1998(E)标准A法，使用ISO评级图评定，结果为，A0.5，B0，C0，D0.5，见图7，可见夹杂物级别不高。

从泄漏管上切取横向试样进行晶粒度检验，根据GB/T 6394-2002，使用ASTM E112-96评级图评定，其奥氏体晶粒度为9～8级，晶粒较为细小，见图8。

(a) 抛光态

(b) 侵蚀态图6 内表面翘皮处的形貌Fig. 6 Warping appearance of inner surface： (a) polished morphology; (b) eroded morphology

图7 夹杂物形貌Fig. 7 Morphology of inclusions

图8 基体金相组织Fig. 8 Metallographic structure of matrix

1.6 SEM形貌观察

采用Quanta400FEG扫描电子显微镜(SEM)观察穿透型孔洞附近区域，见图9。由图9可见：孔洞处存在明显的翘皮现象，翘皮下点蚀坑内部比较洁净，呈金属的银亮色，未见明显腐蚀产物聚集，点蚀孔洞形状不规则，存在少量分散分布的腐蚀产物。

图9 试样内表面透型孔洞附近区域的显微形貌Fig. 9 Micromorphology of the area near the through-holes on the inner surface of the sample

1.7 EDS能谱分析

采用EDS能谱仪对点蚀孔洞区域的腐蚀产物元素含量进行分析，结果表明，腐蚀产物中含38.40%(质量分数，下同)O，0.27% Al，0.56% Si，1.07% S，0.90% Cl，1.49% Ca，0.34% Ti，11.60% Cr，45.35% Fe，即点蚀坑附近的腐蚀产物中含有较高量的强腐蚀性元素S和Cl(图略)。

2 结果与讨论

通过以上理化试验结果可知，泄漏的不锈钢管化学成分和力学性能均符合技术要求，其非金属夹杂物级别不高，金相组织为单一奥氏体，晶粒度等级为9～8级，内表面无晶间腐蚀倾向，表明泄漏的不锈钢管材料冶金质量正常。

根据宏观分析结果，泄漏孔洞的内、外表面最大蚀坑尺寸测量结果，以及蚀坑剖面形貌判断，泄漏起源于管内表面，并且由腐蚀引起。

管壁剖面金相检验结果表明，失效管段内壁存在翘皮和点蚀坑，有的点蚀坑还未发展到外壁，说明造成泄漏的点蚀孔洞是从管子内壁开始的，并且和翘皮有关。孔洞区域未见明显腐蚀产物堆积，孔洞内部也未见明显腐蚀产物，说明腐蚀过程中产生的腐蚀产物被转移了；管内壁存在翘皮，翘皮附近聚集了较多的腐蚀产物，翘皮和管壁接触区域存在点蚀坑，点蚀坑表面比较洁净，说明该不锈钢管的点腐蚀是在水环境中进行的，点腐蚀过程中产生的腐蚀产物以离子态被水介质带走了；点蚀坑的腐蚀面比较洁净，说明钢管内壁接触的水介质的pH较低。能谱分析结果表明，腐蚀产物中含有较多强腐蚀性元素S和Cl，它们对不锈钢比较敏感，特别是在水环境中或比较潮湿的空气中会对不锈钢产生腐蚀。泄漏的不锈钢管内壁存在翘皮，增大了管内壁的粗糙度，容易驻留腐蚀性介质，使S和Cl元素富集，容易引发腐蚀；同时翘皮和管基体之间也形成了不同程度的缝隙，会产生缝隙腐蚀，其主要表现形式也是点腐蚀。

3 失效机理

3.1 翘皮形成原因

无缝钢管在生产过程中，内孔需经过多次冲孔和拔长。当加工无缝钢管的型芯受到较为严重的磨损时，钢管内壁会变得粗糙，可能会留下小的凸起，如图10(a)示意，在进行下一道拉孔的过程中，小凸起将会被挤入管壁，形成翘皮，见图10。尽管翘皮受到挤压后和基体结合比较紧密，但它们之间存在微小的缝隙。存在翘皮的钢管在库存期间，特别是在室外堆放期间，管内壁会产生凝集水，也许还会接触到雨水，这样，在管内壁将会形成水环境，在翘皮的底部将会发生缝隙腐蚀。沿海性气氛中含有的S和Cl气体也会溶入水中，这会加速腐蚀。

3.2 缝隙腐蚀机理

(a) 存在凸起 (b) 形成翘皮 (c) 产生缝隙腐蚀图10 形成翘皮及产生腐蚀的示意图Fig. 10 Schematic diagram of formation of warped skin and corrosion: (a) an existing protrusion; (b) forming a warp; (c) causing crevice corrosion