楊陽(yáng) 羅懿 劉亮 王海鋒 金磊（中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津300452）

某海洋平臺(tái)配置有多組消防水和泡沫系統(tǒng)，其中消防泡沫系統(tǒng)主要由泡沫罐、消防軟管、軟管架、螺紋法蘭、連接管路、閥門(mén)等組成。該批泡沫罐安裝時(shí)間為2001年，材質(zhì)為316SS不銹鋼，罐體規(guī)格為837×837×315 mm，縱向4個(gè)棱角（距罐底約102 mm）焊接有4 個(gè)樁腿，使得罐底懸空約269 mm，罐頂焊接有4個(gè)銅質(zhì)螺紋螺栓，用于裝置消防軟管架，并配置加液口、出液口及排氣閥各1個(gè)，罐底配置一個(gè)排液閥（位置與加液口相對(duì)）。

表1 母材A化學(xué)成分分析結(jié)果（w%）

表2 母材B化學(xué)成分分析結(jié)果（w%）

表3 焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果（w%）

圖1 罐底角焊縫失效位置

圖2 側(cè)向角焊縫失效位置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，確定了泡沫罐焊接形式，并明確了組合焊接的結(jié)構(gòu)。罐體頂部與底部均有兩邊棱角為角焊縫，方向平行，另兩邊棱角為板體彎折得到，縱向四邊棱角均為角焊縫，焊接組合后，罐體表面整體有均勻涂漆保護(hù)。2018 年，在執(zhí)行消防泡沫罐PM 檢查中，發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)甲板多個(gè)泡沫罐底部出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象且越來(lái)越嚴(yán)重，由此帶來(lái)的隱患是泡沫液消耗量將會(huì)增加且泡沫罐附近的甲板也會(huì)因?yàn)榕菽悍e存導(dǎo)致地面濕滑發(fā)生人員滑倒事故，于是對(duì)某一泡沫罐進(jìn)行失效分析，找出發(fā)生腐蝕穿孔的原因，并提出有效的改進(jìn)措施，防止類似失效事件的發(fā)生。

1 試驗(yàn)材料與方法

采用SPECTROLAB M11 直讀光譜儀對(duì)罐體母材及焊縫區(qū)域進(jìn)行化學(xué)成分分析；采用EVO18 Horizon 掃描電鏡對(duì)罐體角焊縫內(nèi)壁失效穿孔位置和未穿孔位置的形貌和微區(qū)成分進(jìn)行分析；利用X 射線儀器對(duì)腐蝕樣品進(jìn)行成分分析，掃描范圍為3°～80°、掃描步寬為0.02°/min、掃描電壓為40 kV、掃描電流為40mA。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 宏觀分析

對(duì)罐體母材與角焊縫所有區(qū)域進(jìn)行了宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)腐蝕失效點(diǎn)共計(jì)18處，其中有2處已發(fā)生腐蝕穿孔。經(jīng)一步排查統(tǒng)計(jì)，腐蝕位置均位于罐底和側(cè)向的角焊縫上，罐頂角焊縫與所有母材（包括彎折位置）未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕現(xiàn)象。圖1為罐底角焊縫上的11 處腐蝕失效點(diǎn)，圖2 為側(cè)向角焊縫上的7 處腐蝕失效點(diǎn)。

對(duì)多處腐蝕穿孔位置的角焊縫內(nèi)、外壁形貌進(jìn)行對(duì)比觀察，發(fā)現(xiàn)腐蝕失效位置的內(nèi)壁均存在明顯的焊瘤。圖3為一處腐蝕穿孔的內(nèi)、外壁形貌特征，同時(shí)選取內(nèi)壁其他焊瘤位置進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，內(nèi)壁也存在明顯的腐蝕特征，而對(duì)應(yīng)外壁未發(fā)現(xiàn)失效現(xiàn)象，如圖4所示。其余無(wú)焊瘤位置的角焊縫內(nèi)外壁均未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕特征，綜合以上分析，判斷泡沫罐的角焊縫穿孔是內(nèi)腐蝕所致，且與焊瘤的存在有關(guān)聯(lián)。

圖3 腐蝕穿孔位置形貌

圖4 對(duì)比位置形貌

2.2 材質(zhì)成分分析

從罐體母材及焊縫區(qū)域上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表明，檢測(cè)結(jié)果符合ASTM A240/A240M 技術(shù)要求，見(jiàn)表1～3所示。

2.3 水質(zhì)分析

分別采集失效泡沫罐內(nèi)殘留液和未添加至泡沫罐的泡沫液，編號(hào)為1＃和2＃，選取Cl-、Fe2+、Fe3+三個(gè)離子進(jìn)行樣品分析對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4所示。從表中數(shù)據(jù)可知，泡沫液產(chǎn)品含有較高氯離子濃度，已經(jīng)超過(guò)15000 ppm，這對(duì)316不銹鋼材質(zhì)非常不利，會(huì)加劇局部腐蝕進(jìn)行，失效泡沫罐內(nèi)貯存的泡沫液含有一定量的Fe2+、Fe3+，這是由于腐蝕發(fā)生所致。

對(duì)泡沫液產(chǎn)品的pH測(cè)試結(jié)果顯示為8.5，且經(jīng)過(guò)細(xì)菌測(cè)試，未檢測(cè)出存在SRB、TGB、FB細(xì)菌，排除微生物腐蝕的影響。

表4 樣品成分測(cè)試結(jié)果

2.4 微觀分析及能譜分析

罐體角焊縫內(nèi)壁失效穿孔位置和失效而未穿孔位置的微觀形貌圖如圖5、圖6 所示。由圖可見(jiàn)，焊瘤均保留完整，而焊瘤與母材的接觸位置大部分已形成穿孔特征。

圖5 失效穿孔位置內(nèi)壁形貌

圖6 失效未穿孔位置內(nèi)壁形貌

對(duì)腐蝕產(chǎn)物的EDS結(jié)果表明，微區(qū)化學(xué)成分中含有一定量的F、Cl 元素，兩者均為泡沫液成分元素。焊瘤及周?chē)覆牡腅DS結(jié)果如表5所示。由表可知，焊瘤的主要化學(xué)成分為C、O、Cr、Mn、Fe、Ni、Mo元素，與周?chē)覆乃胤N類基本吻合，進(jìn)一步得出焊瘤為焊接過(guò)程金屬熔化形成。結(jié)合前述焊瘤多孔結(jié)構(gòu)，推斷其可能由于焊接過(guò)程中形成氣孔所致，排除了夾雜物的可能性。此外，通過(guò)對(duì)比元素成分發(fā)現(xiàn)，焊瘤的Cr/Fe比為0.98，周?chē)覆牡腃r/Fe 比為0.29，差異性較大，元素偏析較嚴(yán)重，當(dāng)兩者處于同一腐蝕性介質(zhì)的條件下，周?chē)覆奶幱谪氥t區(qū)域，會(huì)優(yōu)先發(fā)生腐蝕[1-2]。

表5 焊瘤及周?chē)覆奈^(qū)化學(xué)成分

2.5 失效原因分析

罐體焊接過(guò)程中，由于氣孔影響導(dǎo)致角焊縫內(nèi)壁多處位置出現(xiàn)焊瘤，焊瘤的Cr/Fe 比遠(yuǎn)大于周?chē)覆?，元素偏析?yán)重，周?chē)覆奶幱谪氥t區(qū)，當(dāng)兩者處于同一腐蝕性介質(zhì)中，母材會(huì)優(yōu)先發(fā)生腐蝕。推斷現(xiàn)場(chǎng)焊后沒(méi)有對(duì)焊縫內(nèi)表面做酸洗鈍化處理，其保護(hù)膜較差，加之焊瘤導(dǎo)致不平整度增加，這些都為孔蝕核的形成提供了條件。

泡沫液在罐內(nèi)貯存相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間（屬于“死水”狀態(tài)）后，會(huì)發(fā)生有機(jī)物沉積，沉淀物優(yōu)先吸附在粗糙表面，焊瘤的位置尤為明顯，易形成垢下腐蝕，同時(shí)，焊瘤與母材間存在μm 級(jí)縫隙，也滿足發(fā)生縫隙腐蝕的條件[3]。

泡沫液是含有氯離子濃度較高的水相體系，氯離子具有很強(qiáng)的活化性能，會(huì)破壞金屬表面氧化膜，并阻礙其再次成膜，從而會(huì)加劇局部腐蝕，機(jī)理如下所示：

（1）氯離子具有更強(qiáng)的吸附性能，它在金屬表面替代氧形成吸附點(diǎn)，這些吸附點(diǎn)區(qū)域就會(huì)形成小陽(yáng)極、大陰極的催化腐蝕形態(tài)，蝕點(diǎn)及縫隙（陽(yáng)極區(qū)）內(nèi)富集了大量氯離子并與金屬形成氯化物，氯化物水解會(huì)生成鹽酸和金屬陽(yáng)離子，為了平衡電荷濃度，水中更多的陰離子會(huì)不斷遷移過(guò)來(lái)，結(jié)果在局部區(qū)域內(nèi)加速了腐蝕反應(yīng)速度，具體反應(yīng)如下[4-5]：

陽(yáng)極：Fe→Fe2++2e

陰極：1/2O2+H2O+2e →2OH-

（2）由于陰、陽(yáng)兩極彼此分離，在沉積物覆蓋下，蝕孔或蝕縫內(nèi)介質(zhì)呈滯留狀態(tài)，溶解的金屬陽(yáng)離子很難對(duì)外擴(kuò)散，而水中的溶解氧則無(wú)法滲透至孔內(nèi)，陽(yáng)離子濃度不斷增加，水中的氯離子即會(huì)遷入陽(yáng)極區(qū)以維持電中性，這在很小的區(qū)域內(nèi)形成了濃度較高的金屬氯化物溶液，并且不斷濃縮，嚴(yán)重破壞了金屬表面的平衡狀態(tài)，這種小陽(yáng)極、大陰極的電化學(xué)腐蝕狀態(tài)會(huì)不斷加速陽(yáng)極極化反應(yīng)，直至將金屬蝕穿。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）罐體失效穿孔的腐蝕形式為介質(zhì)內(nèi)腐蝕所致。

（2）焊瘤與周?chē)覆脑仄鰢?yán)重，周?chē)覆奶幱谪氥t區(qū)，當(dāng)兩者處于同一腐蝕性介質(zhì)中，會(huì)優(yōu)先發(fā)生腐蝕。

（3）存在焊瘤的角焊縫表面有沉淀物附著，易形成垢下腐蝕，且焊瘤與母材間存在μm 級(jí)縫隙，也滿足發(fā)生縫隙腐蝕的條件。

（4）泡沫液的高氯離子濃度加速了腐蝕的進(jìn)行。

3.2 建議

（1）選擇含低氯或不含氯泡沫液產(chǎn)品，降低不銹鋼腐蝕發(fā)生的可能性。

（2）罐體制造過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格把控焊接工藝，加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)督。罐體內(nèi)壁焊縫及近縫區(qū)進(jìn)行酸洗鈍化等。

（3）建議罐體產(chǎn)品驗(yàn)收，采取有效的檢測(cè)方法（如RT檢測(cè)）進(jìn)行合格性檢驗(yàn)。

（4）建議定期對(duì)罐體進(jìn)行整體清洗，避免罐體角焊縫位置附著沉淀物。