張傳旭 劉亮

(中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452)

0 引言

2018年5月，華北某處理廠的地面出現(xiàn)異常返水現(xiàn)象，經(jīng)開挖，發(fā)現(xiàn)一污水管線出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。經(jīng)初步調(diào)研，此管段使用時(shí)間超過(guò)15年，無(wú)材質(zhì)、工藝等資料。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查，此管段水平埋于地下，位于污水沉降罐下游。已知管內(nèi)運(yùn)行環(huán)境為常溫常壓，管內(nèi)介質(zhì)為泥漿，且介質(zhì)間歇流動(dòng)。本文通過(guò)腐蝕產(chǎn)物分析、腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)等方法，分析該管件發(fā)生腐蝕的原因。

1 宏觀分析

1.1 外防腐層完整性檢測(cè)評(píng)價(jià)

失效位置如圖1所示，彎頭部分整體覆蓋有防腐層，其外防腐工藝應(yīng)為底漆+纖維增強(qiáng)材料。彎頭處有纖維材料的褶皺和層疊現(xiàn)象，其原因可能為此彎頭的外防腐層是在焊接完成后執(zhí)行的現(xiàn)場(chǎng)處理，由于現(xiàn)場(chǎng)條件所限，在纏繞纖維增強(qiáng)材料時(shí)無(wú)法使其貼緊彎頭，從而導(dǎo)致不規(guī)則的褶皺。彎頭部分位置的防腐層已破損裸露，涂層裸露區(qū)域外壁發(fā)生明顯的腐蝕現(xiàn)象，有紅色腐蝕產(chǎn)物附著。

圖1 失效位置照片

1.2 超聲波壁厚檢測(cè)

選取管段有代表性的不同位置，除其表面外防腐，采用GE DM5E超聲波測(cè)厚儀對(duì)剩余壁厚進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量方向分別為0點(diǎn)、3點(diǎn)、6點(diǎn)、9點(diǎn)。

剩余壁厚測(cè)試結(jié)果見表1，由剩余壁厚值可以看出，彎頭的兩側(cè)的直管壁厚均勻，在3.6～3.7mm之間。彎頭的9點(diǎn)鐘位置壁厚最厚，3點(diǎn)鐘方向壁厚小，這可能是由于彎頭在加工過(guò)程中導(dǎo)致的外側(cè)減薄的現(xiàn)象。彎頭12點(diǎn)鐘位置厚度大于6點(diǎn)鐘位置，可能與管內(nèi)流體腐蝕有關(guān)。

表1 壁厚測(cè)量結(jié)果

1.3 管段解剖及內(nèi)壁腐蝕形貌觀察

將試驗(yàn)管段沿水平軸向剖開后，宏觀檢查其剖面及內(nèi)表面腐蝕形貌，如圖2所示。對(duì)比焊接處的結(jié)構(gòu)，彎管管徑小于直管。此管段合在焊接完成后，焊接位置形成臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，而失效穿孔位置即位于上游方向的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)。由于管道水平鋪設(shè)，流體在入口一側(cè)的臺(tái)階位置優(yōu)先聚集，這為垢下腐蝕提供了條件。且由于介質(zhì)間歇流動(dòng)，介質(zhì)在此處聚集，可維持金屬表面的濕潤(rùn)狀態(tài)，為腐蝕提供了條件。

直管段有內(nèi)涂層，內(nèi)涂層表面光滑，整體較完整，與管體粘結(jié)緊密，起到良好的防止內(nèi)腐蝕的作用(去除涂層后下部露出均勻金屬本體)，但靠近兩處焊縫的局部?jī)?nèi)涂層與管體分離，裸露的管體產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，大面積的腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)附近。推斷這是由于焊接產(chǎn)生高溫，破壞局部?jī)?nèi)涂層，導(dǎo)致該部位失去內(nèi)部防腐作用，圖中紅色虛線表示未破壞的內(nèi)涂層的邊界。

圖2 管段內(nèi)側(cè)照片

放大觀察失效位置附近管壁的剖面，可以發(fā)現(xiàn)管壁有由內(nèi)向外減薄的趨勢(shì)，如圖3所示。此現(xiàn)象表明，管壁的內(nèi)腐蝕是造成此位置穿孔失效的主要原因。失效位置的內(nèi)側(cè)成階梯狀，即穿孔面積由內(nèi)向外逐漸減小，同樣為“內(nèi)腐蝕”提供依據(jù)。

綜上所述，失效穿孔位置的內(nèi)外壁均存在腐蝕現(xiàn)象，但對(duì)比外壁多處涂層裸露位置的外壁腐蝕情況，得出外腐蝕不是導(dǎo)致穿孔的主要原因，根據(jù)剖面管壁形貌及內(nèi)側(cè)的明顯徑向擴(kuò)展趨勢(shì)，進(jìn)一步確認(rèn)：腐蝕穿孔主要是由內(nèi)腐蝕導(dǎo)致。

2 細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)

取污水沉降罐水樣進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，如圖4所示。

圖3 失效位置形貌

圖4 細(xì)菌培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水樣中含有硫酸鹽還原菌和腐生菌，而不含鐵細(xì)菌。管內(nèi)流體中含有微生物，可能導(dǎo)致微生物腐蝕(MIC)。

3 腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)分析

圖5 XRD分析圖譜

分別取失效位置附近內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物(1#)、失效位置附件外壁腐蝕產(chǎn)物(2#)進(jìn)行清洗、烘干，進(jìn)行XRD分析。2種腐蝕產(chǎn)物分析圖譜見圖5。將圖譜進(jìn)行分析，可得腐蝕產(chǎn)物中主要成分，見表2。

通過(guò)XRD分析可知，外壁腐蝕產(chǎn)物主要為FeOOH，內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要以FeCO3形式存在，且有FeO、FeS，結(jié)合細(xì)菌檢測(cè)結(jié)果，推斷涂層裸露位置發(fā)生細(xì)菌的可能性極大。

表2 腐蝕產(chǎn)物樣品成分

4 電化學(xué)分析

圖6為彎頭與其兩側(cè)直管段在管內(nèi)污水介質(zhì)環(huán)境自腐蝕電位測(cè)試結(jié)果。由圖可知：彎頭的自腐蝕點(diǎn)位為 -683mV(SCE)，兩側(cè)直管段的自腐蝕點(diǎn)位分別為：-703mV(SCE)、-691mV(SCE)，彎頭的自腐蝕點(diǎn)位略高于直管。

圖6 自腐蝕點(diǎn)位測(cè)量結(jié)果

一般認(rèn)為，當(dāng)相互接觸的兩種金屬電極電位差在50mV以上時(shí)，在腐蝕介質(zhì)中就有可能發(fā)生電偶腐蝕[1-2]，且電極電位低的金屬首先發(fā)生腐蝕。由以上測(cè)試結(jié)果可知，彎頭與兩側(cè)直管的點(diǎn)位差不超過(guò)30mV，因此在該腐蝕環(huán)境中，兩者之間不會(huì)發(fā)生電偶腐蝕。

5 腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)

分別取不用位置的管件，通過(guò)機(jī)加工得到掛片試件，試件經(jīng)打磨、清洗、尺寸測(cè)量、稱重等過(guò)程后，放入腐蝕環(huán)境進(jìn)行腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)。一周后取出腐蝕掛片，經(jīng)清洗、稱重，即可獲得腐蝕速率。本研究分別對(duì)內(nèi)外壁腐蝕進(jìn)行模擬，其腐蝕介質(zhì)分別為從污水沉降罐取出的水樣和管件失效位置取回的土壤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

在腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)中，掛片均為均勻腐蝕，且由腐蝕速度計(jì)算可得，此腐蝕速率在管段的使用期限內(nèi)無(wú)法造成穿孔的現(xiàn)象，存在其他因素，加速腐蝕的發(fā)生。

表3 內(nèi)壁腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 外壁腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)語(yǔ)

直管段有內(nèi)涂層，且內(nèi)涂層整體上效果良好，可以起到減緩內(nèi)腐蝕的作用。但在焊接位置附近，焊接產(chǎn)生的高溫破壞了內(nèi)涂層，導(dǎo)致在此部分內(nèi)涂層的減緩腐蝕的作用減弱或失效。

彎頭的內(nèi)徑小于直管段，導(dǎo)致在二者焊接完成后，兩處焊縫位置均形成臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)。在上游一側(cè)直管與彎頭連接位置，出現(xiàn)下游管壁高于上游管壁的情況。管內(nèi)介質(zhì)間歇流動(dòng)，介質(zhì)不流動(dòng)時(shí)，會(huì)有一部分存留在臺(tái)階處。管內(nèi)介質(zhì)主要為污泥，污泥在此聚集，引發(fā)垢下腐蝕。同時(shí)，介質(zhì)中含有硫酸鹽還原菌、腐生菌，從而會(huì)產(chǎn)生微生物腐蝕，而垢下腐蝕更可促進(jìn)微生物腐蝕的發(fā)生，最終在微生物腐蝕和垢下腐蝕雙重作用下，導(dǎo)致焊縫局部發(fā)生嚴(yán)重腐蝕[3-4]。