于香利，沈全鋒，羅雙全，儲(chǔ) 勇，劉 軍

（中國(guó)石油工程建設(shè)公司 阿爾及利亞分公司，北京100120）

在阿爾及利亞水泵站項(xiàng)目中，引擎的冷卻水系統(tǒng)管道根據(jù)合同采用了1.4301不銹鋼（相當(dāng)于S304或0Cr18Ni9），冷卻水為泵站輸送的原水。該項(xiàng)目于2011年3月投入運(yùn)行，半年后，冷卻水管線出現(xiàn)不同程度的腐蝕，主要集中在焊縫處，隨著時(shí)間推移，腐蝕點(diǎn)明顯增多，運(yùn)行3a后，幾乎所有管線焊縫處均出現(xiàn)了腐蝕點(diǎn)，個(gè)別地方出現(xiàn)泄漏。

1 問(wèn)題分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

該地處撒哈拉沙漠腹地，水源地位于因薩拉赫市，通過(guò)6座泵站將水送到阿國(guó)南部的塔曼拉塞特市，管道長(zhǎng)度740km。泵站內(nèi)冷卻系統(tǒng)大部分管道安裝在地面上，有部分管道埋在地下，當(dāng)?shù)刈罡邭鉁貫?0℃。

每個(gè)泵站由3臺(tái)泵組成，因目前水源地產(chǎn)水量不足，泵站每天只有1臺(tái)泵間斷運(yùn)行約12h，其他2臺(tái)泵處于備用狀態(tài)。

冷卻水從水源地多口水井抽出匯合后直接送到泵站進(jìn)行外輸，混合后的水質(zhì)分析列于表1。

因腐蝕點(diǎn)多集中在焊縫處，焊接質(zhì)量及焊條使用情況是該問(wèn)題的分析重點(diǎn)。該項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)焊條采用E308－16不銹鋼焊條。1.4301不銹鋼及E308－16焊條的元素組成見(jiàn)表2。

1.2 腐蝕形貌觀察

圖1為管線外表面及焊縫情況；圖2為管線外面放大的腐蝕點(diǎn)情況；圖3為管子內(nèi)表面情況，可以看到焊縫處發(fā)生腐蝕，焊縫以外內(nèi)表面良好。

圖4為熔合區(qū)及焊縫表面的腐蝕形貌。由圖4可見(jiàn)，焊縫表面腐蝕坑明顯，腐蝕程度較母材嚴(yán)重，說(shuō)明焊縫的耐蝕性能弱于母材。不銹鋼在焊接時(shí)一般采用“等成分”原則匹配，焊縫腐蝕程度比母材嚴(yán)重的原因一方面與焊接工藝有關(guān)，但主要影響因素應(yīng)與焊縫的成分有關(guān)。

表1 水質(zhì)分析結(jié)果Tab.1 Water analysis results

表2 基材及焊條的名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.2 Chemical composition of base metal and welding rod（mass） %

圖1 焊縫腐蝕情況Fig.1 Corrosion appearance of welding seal

圖5 為焊縫和母材的腐蝕表面。由圖5（a）可見(jiàn)，焊縫表面腐蝕較為嚴(yán)重，有較嚴(yán)重的點(diǎn)蝕坑，大小不一，并無(wú)規(guī)則的特征形貌；腐蝕產(chǎn)物層多處已剝落。由圖5（b）可見(jiàn)，母材表面腐蝕情況較好，無(wú)明顯腐蝕坑；腐蝕形貌較焊縫規(guī)則，呈現(xiàn)波紋狀和絲狀腐蝕花樣。

可以看出，焊縫的耐蝕性能明顯較母材弱。為了探究腐蝕差異的更深層原因，現(xiàn)對(duì)母材和焊縫進(jìn)行能譜分析，測(cè)出抗腐蝕元素含量（主要是鎳和鉻的含量）差異，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 外部腐蝕點(diǎn)放大Fig.2 Outside corrosion point

圖3 管子內(nèi)表面Fig.3 Internal surface of pipe

圖4 熔合區(qū)和焊縫的金相組織和腐蝕情況Fig.4 Surface corrosion morphology of melt zone（a）and weld（b）

圖5 焊縫和母材的腐蝕形貌Fig.5 Corrosion morphology of weld（a）and metal（b）

表3 母材和焊縫的能譜分析結(jié)果Tab.3 EDS results of base metal and weld seal%

由表3可見(jiàn)，母材鎳和鉻含量較高，鉻元素含量＞18%，鎳元素含量＞12%。為典型316不銹鋼成分。焊縫中鉻和鎳含量較母材低，鉻元素含量＜16%，鎳元素含量＜8%，選取其他區(qū)域進(jìn)行分析后結(jié)果類(lèi)似，可見(jiàn)，焊縫為304不銹鋼成分。

1.3 腐蝕原因分析

通過(guò)上述分析可知，焊縫中鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜18%，鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜10%，與304材質(zhì)匹配，而母材的鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為18%，鎳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為12%，高于焊縫中耐蝕元素的含量，與316不銹鋼成分相似；而之前，沒(méi)發(fā)現(xiàn)焊接規(guī)范過(guò)大的跡象，所以過(guò)渡金屬中合金元素的燒損應(yīng)該在可控范圍內(nèi)。因此，基于合同規(guī)定304材質(zhì)條件下選用的焊條不符合實(shí)際母材及原水水質(zhì)，宜用E309焊條。

從現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的腐蝕情況看，該腐蝕屬于典型的點(diǎn)蝕情況。點(diǎn)蝕是奧氏體不銹鋼明顯腐蝕的通常形式。一般以針狀腐蝕開(kāi)始，由于腐蝕的產(chǎn)生，受腐蝕部位變黑色或變成深褐色。大多數(shù)嚴(yán)重腐蝕環(huán)境中，點(diǎn)蝕的數(shù)量和深度增加，使表面呈現(xiàn)受腐蝕的外觀。該項(xiàng)目水質(zhì)氯離子高，可以預(yù)測(cè)氯離子對(duì)奧氏體不銹鋼有較強(qiáng)的侵蝕性，類(lèi)似溶液中發(fā)生氯離子對(duì)奧氏體不銹鋼點(diǎn)腐蝕的情況時(shí)有報(bào)道[1]。

關(guān)于氯離子誘發(fā)不銹鋼點(diǎn)蝕的理論很多，比較能被人們所接受的是自催化理論[2－3]。由于焊縫表面存在缺陷、雜質(zhì)和溶質(zhì)等的不均勻性，活性陰離子（Cl－）首先被吸附在金屬表面某些點(diǎn)上，破壞鈍化膜形成大陰極小陽(yáng)極模式，產(chǎn)生下列發(fā)應(yīng)：

陽(yáng)極反應(yīng)

陰極反應(yīng)

上述反應(yīng)使陽(yáng)極金屬很快腐蝕成小孔。通常用材料的臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）這個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量不銹鋼的局部耐腐蝕能力[4]。圖6是氯離子濃度與304和316兩種不銹鋼臨界點(diǎn)蝕溫度的關(guān)系曲線[5]，由圖6可見(jiàn)，氯離子含量越高，發(fā)生點(diǎn)蝕的溫度就越低?？梢钥闯鰷囟群吐入x子含量升高都可以加劇對(duì)不銹鋼的腐蝕。

圖6 臨界點(diǎn)蝕溫度與氯離子濃度關(guān)系[5]Fig.6 The relation drawing between the CPT and chloridion concentration

本項(xiàng)目的NaCl質(zhì)量濃度為0.1%，304不銹鋼臨界點(diǎn)蝕溫度應(yīng)為42℃，在日常運(yùn)行中，備用泵管線一直充滿(mǎn)著水，長(zhǎng)期暴露在陽(yáng)光照射下，鋼管表面溫度可達(dá)85℃，已達(dá)到304不銹鋼的點(diǎn)腐蝕溫度條件，而沒(méi)有達(dá)到316不銹鋼的點(diǎn)蝕溫度，故本項(xiàng)目的腐蝕點(diǎn)大多數(shù)發(fā)生在焊縫處。

值得一提的是，本項(xiàng)目中高溫冷卻水管道，采用同樣不銹鋼管材和焊接工藝，管內(nèi)流動(dòng)的是一級(jí)反滲透脫鹽水，氯離子質(zhì)量濃度為39mg·L－1，運(yùn)行溫度高達(dá)90℃，經(jīng)過(guò)3.5a運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)生腐蝕。這也充分說(shuō)明了氯離子對(duì)不銹鋼的腐蝕性。

2 整改方案

2.1 管線替換方案

最初的整改擬采用管線替換方案，在該方案確定過(guò)程中，對(duì)比了常用的碳鋼＋內(nèi)襯、316L不銹鋼、雙相不銹鋼、HDPE及GRE管線替換方案，各方案性能對(duì)比列于表4。

建議的方案為地上管線部分采用碳鋼＋內(nèi)襯，地下部分采用HDPE方案。該方案吸取了兩種方案的優(yōu)點(diǎn)，可以有效防止腐蝕的再度發(fā)生。同時(shí)該項(xiàng)目的主送水管線采用的就是碳鋼＋內(nèi)襯，運(yùn)行效果良好。但該方案因業(yè)主不同意而被長(zhǎng)期擱置?？紤]到水源地的脫鹽設(shè)施即將啟動(dòng)建設(shè)，整改方案轉(zhuǎn)向管線修復(fù)。

表4 管線替換方案性能對(duì)比Tab.4 Performance comparison for pipe replacement scheme

2.2 管線修復(fù)方案

該方案是在保持現(xiàn)有管線在運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)腐蝕點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)?，F(xiàn)場(chǎng)已采用高強(qiáng)度灌漿料封堵漏點(diǎn)、補(bǔ)焊泄漏點(diǎn)等措施均不成功，最后決定采用BELZONA高分子材料修復(fù)焊縫和母材漏點(diǎn)。經(jīng)雙方協(xié)商，在不影響泵站正常運(yùn)行的情況下，利用泵站設(shè)備每天停泵間隙，對(duì)腐蝕點(diǎn)采用BELZONA材料進(jìn)行修復(fù)。

3 BELZONA修復(fù)工藝

3.1 修復(fù)方法

不銹鋼管線修復(fù)采用BELZONA 1121（超級(jí)XL金屬）、BELZONA 1321（陶瓷S－金屬）、BELZONA 1831（水下超級(jí)金屬）、BELZONA 9341增強(qiáng)帶對(duì)管線腐蝕處進(jìn)行修復(fù)，不同部位的修復(fù)工藝方法現(xiàn)場(chǎng)情況見(jiàn)圖7。

圖7 腐蝕管道的修復(fù)工藝Fig.7 Repair tochnology for corroded pipe（a） internal repair （b） external repair （c） arc plate repair

（1）內(nèi)部修復(fù)法 對(duì)管道系統(tǒng)中有法蘭連接的地方，拆開(kāi)法蘭，從管道內(nèi)部對(duì)腐蝕的焊縫進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)方法如下：用磨光機(jī)對(duì)內(nèi)部焊縫進(jìn)行打磨，打磨區(qū)域約為焊縫兩邊75mm處，先用刮刀將1121產(chǎn)品涂覆整個(gè)區(qū)域，4h后對(duì)硬化的1121涂層再用砂紙進(jìn)行打磨，除去灰塵，最后涂抹第二道1321，使其表面潔凈光滑，以減少流通阻力。

（2）外部修復(fù)法 對(duì)于無(wú)法打開(kāi)的腐蝕焊縫采用外部修復(fù)法，該修復(fù)與內(nèi)部焊縫修復(fù)步驟類(lèi)似，不同之處在涂第二道1121之前，先用9341增強(qiáng)帶裹住整個(gè)涂覆區(qū)域，搭接長(zhǎng)度不小于1／3管徑周長(zhǎng)，然后再涂1121，使其固化后的總厚度不小于3mm；最后用丙酮或BELZONA 9111高效清洗脫脂劑清理修復(fù)的焊縫涂層，使其美觀、光滑。對(duì)于每天操作時(shí)間只有10h的回流線，第一道修復(fù)材料需要采用1831，以減少固化時(shí)間。

（3）弧形板修復(fù)法 此修復(fù)方法適用于管子對(duì)接焊縫，在第一道BELZONA涂層基礎(chǔ)上，冷粘接一圈不銹鋼弧板，進(jìn)一步加強(qiáng)涂層的強(qiáng)度。

3.2 工藝特點(diǎn)

（1）操作簡(jiǎn)單 傳統(tǒng)的管道修復(fù)涉及到焊接、機(jī)械加工等過(guò)程，操作條件要求高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。BELZONA高分子材料修復(fù)簡(jiǎn)單快捷，施工人員少，見(jiàn)效快，極大地縮短了工期。

（2）修復(fù)成本低 每個(gè)泵站不銹鋼管線管徑以DN200和DN300為主，管線總長(zhǎng)度約2.2km，需要修復(fù)內(nèi)部焊縫130道，外部焊縫300道，總費(fèi)用約100萬(wàn)元人民幣，與其他方案相比大大降低了成本。

上述修復(fù)方案在3號(hào)泵站修復(fù)后運(yùn)行六個(gè)月，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)泄漏情況，詳見(jiàn)圖8，說(shuō)明修復(fù)是成功的。

4 結(jié)論

（1）該項(xiàng)目發(fā)生腐蝕的主要原因是因?yàn)楹笚l與主材質(zhì)不匹配造成的，水中氯離子含量高是造成腐蝕的根本原因，溫度是造成管線腐蝕的次要因素。

（2）BELZONA修復(fù)方案是本項(xiàng)目特有背景下采取的方案。該方案成本低，施工簡(jiǎn)單，是可行的。

（3）對(duì)管線外部焊縫修復(fù)，因沒(méi)有將原水與管材隔離，腐蝕還將繼續(xù)，相當(dāng)于增加了管道的腐蝕裕量。所以具體效果還有待于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行來(lái)驗(yàn)證。

圖8 運(yùn)行6個(gè)月后管道內(nèi)部和外部的修復(fù)效果Fig.8 External（a）and internal（b）repair effect for pipe after running for 6months

[1]陳小年.304不銹鋼基于氯離子環(huán)境點(diǎn)腐蝕失效機(jī)理的研究[D].揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2011.

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