史宏德

(寶鋼股份鋼管條鋼事業(yè)部焊管廠,上海 201900)

0 前 言

金屬材料在人類發(fā)展歷史上占有極為重要的地位。到目前為止,在各種材料中,金屬及其合金仍然是工程領(lǐng)域、工業(yè)部門用量最大的材料。管道輸送油氣已成為第五種運(yùn)輸方式而被廣泛采用,但是,油氣輸送管道因金屬腐蝕穿孔泄漏而引起的爆炸、環(huán)境污染情況時(shí)有發(fā)生。

HFW焊管是利用高頻電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)將管坯邊緣迅速加熱到焊接溫度后進(jìn)行擠壓、焊接而成。其外形美觀、生產(chǎn)效率高、成本低,已廣泛應(yīng)用于油氣輸送管線。

通常HFW焊管在用于油氣輸送管線前要進(jìn)行外防腐,如環(huán)氧樹脂防腐、聚乙稀防腐等。然而,當(dāng)HFW焊管生產(chǎn)后未及時(shí)防腐,并且在露天堆場(chǎng)放置一段時(shí)間后,在一定的條件下就會(huì)發(fā)生明顯的腐蝕，造成金屬材料的損失,同時(shí)對(duì)管線的安全使用產(chǎn)生影響[1-4]。

以X65級(jí)HFW焊管露天堆放一年后為例,運(yùn)用LEICA DMR正置式光學(xué)顯微鏡 (SCW13）分析、JSM-6490LV掃描電鏡 （SCW030）分析等方法，對(duì)試樣的腐蝕特點(diǎn)和腐蝕機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試樣材料

某規(guī)格X65級(jí)HFW焊管在某露天堆場(chǎng)存放一年后的照片如圖1所示，表面噴丸處理時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼管表面有凹坑缺陷，其宏觀形貌如圖2所示。

圖1 X65管線鋼管露天存放照片

圖2中試樣1的表面有沿管體縱向均勻密布的帶狀腐蝕坑,深度為0.1～0.2 mm；試樣2表面有分布不規(guī)則腐蝕坑,深度0.5～2 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)依據(jù)GB/T 21638—2009《鋼鐵材料缺陷電子束顯微分析方法通則》進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備采用LEICA DMR正置式光學(xué)顯微鏡（SCW13）以及JSM-6490LV 掃描電鏡（SCW030）。

圖2 鋼管表面凹坑缺陷形貌

2 試驗(yàn)結(jié)果

圖3 試樣2表面微觀形貌

圖4 試樣2缺陷處截面金相組織及形貌

圖3為試樣2的表面微觀形貌，通過(guò)掃描電鏡可見(jiàn)凹坑缺陷處底部為較疏松的銹蝕形貌，正常處為噴丸后的表面形貌。圖4為試樣2的截面金相組織形貌，在金相顯微鏡下可見(jiàn)試樣組織為鐵素體，晶粒度10級(jí),材料基體中有點(diǎn)狀?yuàn)A雜物存在，夾雜物周圍組織晶粒較大。對(duì)試樣夾雜物的成分進(jìn)行分析表明，試樣組織中含有O，Al，Ca，Ti等元素，這是由于X65管線鋼在精煉時(shí)經(jīng)過(guò)鈣的變性處理,大部分CaO和Al2O3等鋁酸鈣夾雜物呈液態(tài)上浮進(jìn)入精煉渣層,但有少量留在鋼中[5-6]。

3 分析與討論

鋼管露天堆放并沒(méi)有防雨措施,雨水沿鋼管表面自上而下流淌,在管與管接觸處有積水形成，并且不易排出,從而形成了電化學(xué)腐蝕。這種腐蝕是通過(guò)在鋼管暴露表面上形成的原電池來(lái)進(jìn)行的,這種原電池叫做腐蝕電池,其特征為陰極、陽(yáng)極和陰陽(yáng)極之間有使電子轉(zhuǎn)移的導(dǎo)電回路存在,腐蝕的實(shí)質(zhì)是氧化還原反應(yīng)。

腐蝕電池的陽(yáng)極溶解生成

腐蝕電池的陰極溶解生成

總反應(yīng)式為

在水和氧的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為

氫氧化鐵易于脫水而生成Fe2O3，反應(yīng)式為

這是鐵銹的常見(jiàn)形式,經(jīng)拋丸清理后出現(xiàn)如圖2（a）所示的沿管體縱向均勻密布的帶狀腐蝕坑。 圖 2（b）所示的腐蝕坑顯然比圖 2（a）嚴(yán)重,該試樣取自同一露天堆場(chǎng)與地面接觸焊管的管體,除與地面積水接觸外還與土壤接觸，如圖5所示。土壤具有毛細(xì)管多孔性,通常會(huì)形成膠體體系。在土壤土粒之間,存在大量的毛細(xì)管微孔或孔隙,孔隙中充滿空氣和水，由于水分的存在,土壤成為離子導(dǎo)體，具有電解質(zhì)溶液的特征。其次,土壤的類型、電阻率、含水量、酸堿度、硫化物、硫酸鹽等都是影響鋼管腐蝕速率的因素。當(dāng)土壤含水量高、或含鹽量、含酸量高時(shí),都會(huì)加快鋼材的腐蝕。

圖5 焊管露天堆放情況照片

土壤中存在的微生物主要是硫酸鹽，還原菌SRB也能促進(jìn)金屬的腐蝕,總反應(yīng)式為

圖2（b）所示的腐蝕坑年腐蝕量為2 mm,試樣厚8 mm,大約4年時(shí)間會(huì)發(fā)生腐蝕穿孔,因此可以判斷,與試樣2接觸的土壤具有很強(qiáng)的腐蝕性。

根據(jù)以上分析可知,試樣表面銹蝕坑與材料堆放的環(huán)境和時(shí)間有關(guān)，同時(shí)，材料內(nèi)部的夾雜物及周圍組織異常導(dǎo)致的成分不均勻和組織不均勻可能會(huì)成為銹蝕的起源點(diǎn)[7-10]。

4 預(yù)防措施

針對(duì)HFW焊管在露天堆場(chǎng)產(chǎn)生的腐蝕問(wèn)題,可采取如下預(yù)防措施：①合理安排制管和防腐的生產(chǎn)計(jì)劃,盡量做到同步進(jìn)行；②有條件時(shí),在防腐前HFW焊管應(yīng)堆放在庫(kù)內(nèi)；③在露天堆放的焊管應(yīng)與地面隔離并覆蓋防水雨布(見(jiàn)圖6～圖7)；④露天堆場(chǎng)要設(shè)置排水溝；⑤在露天堆放有防護(hù)措施的焊管也應(yīng)該在三個(gè)月內(nèi)進(jìn)行防腐。

圖6 焊管與地面隔離堆放

圖7 堆放鋼管覆蓋防水雨布

5 結(jié) 論

(1)試樣表面銹蝕坑屬于電化學(xué)腐蝕,并與材料堆放環(huán)境和時(shí)間有關(guān)。

(2)金屬材料內(nèi)部的夾雜物及周圍組織的異?？赡軙?huì)成為銹蝕的起源點(diǎn)。

(3)露天堆放的焊管應(yīng)覆蓋防水雨布并與地面隔離。

(4)在露天堆放有防護(hù)措施的焊管也應(yīng)在三個(gè)月內(nèi)進(jìn)行防。

[1]黃春芳.天然氣管道輸送技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社,2011.

[2]王引真,熊偉,王彥芳,等.油氣管道選材[M].北京：中國(guó)石化出版社,2010.

[3]李鶴林.中國(guó)焊管50年[M].西安:科學(xué)技術(shù)出版社,2008.

[4]高惠臨.管線鋼與管線鋼管 [M].北京:中國(guó)石化出版社,2012.

[5]李代鍾.鋼中的非金屬夾雜物[M].北京:科學(xué)出版社,1983.

[6]姜錫山.鋼中非金屬夾雜物[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2011.

[7]王榮.管道的腐蝕與控制[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2012.

[8]龔敏.金屬腐蝕理論及腐蝕控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[9]王恒.金屬清洗與防銹[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[10]何仁洋.油氣管道檢測(cè)與評(píng)價(jià)[M].北京:中國(guó)石化出版社,2010.