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        316L不銹鋼波紋管泄漏原因

        2021-10-08 07:17:04
        理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)) 2021年9期
        關(guān)鍵詞:分析

        呂 淵

        (上海材料研究所, 上海 200437)

        某船舶在行駛時(shí)發(fā)現(xiàn)部分儲(chǔ)水區(qū)消耗量偏高,靠岸后進(jìn)行排查發(fā)現(xiàn),該區(qū)域的波紋管發(fā)生穿孔泄露現(xiàn)象。泄漏波紋管材料為316L不銹鋼,該船于7月試航,10月發(fā)現(xiàn)波紋管發(fā)生穿透泄漏現(xiàn)象,屬于早期失效。船舶行駛時(shí)波紋管內(nèi)部一般為空氣,可通過控制向波紋管注入海水來調(diào)整船舶在海面上的高度,所以此時(shí)波紋管內(nèi)部介質(zhì)為外部注入的海水,根據(jù)船舶的使用需求,有時(shí)也會(huì)排出波紋管內(nèi)部的海水。波紋管內(nèi)部介質(zhì)為海水與空氣交替,服役溫度為常溫。為找到該波紋管的泄漏原因,筆者從泄漏點(diǎn)的特征入手,結(jié)合使用情況以及相關(guān)理化檢驗(yàn)對(duì)產(chǎn)生泄漏的波紋管進(jìn)行了分析,并提出建議,以期避免該類失效事故再次發(fā)生。

        1 理化檢驗(yàn)

        1.1 宏觀分析

        泄漏波紋管宏觀形貌見圖1,可見波紋管外壁整體較為潔凈,僅在泄漏點(diǎn)附近有銹蝕痕跡,分析認(rèn)為銹蝕痕跡是波紋管內(nèi)部介質(zhì)通過泄漏點(diǎn)流向外壁的,這些介質(zhì)會(huì)附著在波紋管外壁并在重力作用下流動(dòng),流向波紋管在實(shí)際使用時(shí)的底部。對(duì)波紋管底部泄漏點(diǎn)處的內(nèi)壁進(jìn)行觀察,其宏觀形貌見圖2a),可見有致密異物覆蓋,在泄漏點(diǎn)附近可見小片區(qū)域呈新鮮金屬色,分析認(rèn)為是異物剝落后露出的金屬基體;部分異物覆蓋區(qū)域可見龜裂特征,說明覆蓋的異物較脆,容易剝落。波紋管頂部泄漏點(diǎn)對(duì)側(cè),即波紋管頂部?jī)?nèi)壁的宏觀形貌見圖2b),可見整體較為潔凈,呈亮金屬色。整體看來,泄漏點(diǎn)位于波紋管的底部,且底部?jī)?nèi)壁存在致密覆蓋異物,而波紋管頂部較為潔凈,分析認(rèn)為這與波紋管的實(shí)際使用情況有關(guān),波紋管內(nèi)的海水排出時(shí),水位逐漸降低,海水中的雜質(zhì)會(huì)殘留在管道下半部分,導(dǎo)致異物積存。

        圖1 泄漏波紋管宏觀形貌

        圖2 泄漏波紋管內(nèi)壁的宏觀形貌

        截取泄露點(diǎn)處的波紋管,將雙層的波紋管分開,朝向外側(cè)的一面宏觀形貌見圖3a),朝向內(nèi)側(cè)的一面宏觀形貌見圖3b),可見兩層結(jié)構(gòu)之間較為潔凈,呈亮金屬色,未見腐蝕痕跡。

        圖3 波紋管泄露點(diǎn)處的宏觀形貌

        1.2 化學(xué)成分分析

        在波紋管遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)處取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1,可見波紋管的化學(xué)成分滿足ASTM A240/A240M:2018StandardSpecificationforChromiumandChromium-NickelStainlessSteelPlate,Sheet,andStripforPressureVesselsandforGeneralApplications對(duì)316L不銹鋼的技術(shù)要求。

        表1 波紋管化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        1.3 掃描電鏡及能譜分析

        采用掃描電鏡(SEM)對(duì)泄露點(diǎn)處進(jìn)行觀察,其SEM形貌見圖4,可見積垢剝落后的金屬表面,且積垢與金屬表面結(jié)合并不緊密,有明顯間隙,見圖4中箭頭所示。采用能譜儀(EDS)分別對(duì)積垢與金屬表面進(jìn)行能譜分析,結(jié)果見表2,可見有較高含量的腐蝕性元素硫和氯,說明波紋管內(nèi)部介質(zhì)含有腐蝕性元素。

        表2 波紋管泄漏點(diǎn)處內(nèi)壁能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        圖4 波紋管泄漏點(diǎn)處內(nèi)壁SEM形貌

        在波紋管內(nèi)壁收集積垢對(duì)其進(jìn)行兩次能譜分析,結(jié)果見表3。由表3可知,附著在內(nèi)壁的積垢主要成分除了腐蝕性元素硫和氯外,還含有較高含量的鈉、鎂、鋁、硅、鉀、鈣等元素,且氧含量較高。

        表3 波紋管內(nèi)壁積垢能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

        1.4 金相檢驗(yàn)

        在波紋管泄露點(diǎn)處取縱剖面金相試樣,試樣經(jīng)鑲嵌、磨拋后置于金相顯微鏡下觀察。拋光態(tài)形貌見圖5,可以看出,試樣的拋光態(tài)形貌未見異常。經(jīng)化學(xué)試劑浸蝕后,顯微組織為奧氏體+鐵素體,未見異常,見圖6。

        圖6 泄漏點(diǎn)處浸蝕后的顯微組織形貌

        2 分析與討論

        由化學(xué)成分分析結(jié)果可知,波紋管的化學(xué)成分符合相關(guān)技術(shù)要求;由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知,波紋管的顯微組織未見異常,波紋管材料未檢測(cè)到質(zhì)量問題。從使用情況來看,該波紋管使用過程中會(huì)反復(fù)注入與排出海水,分析認(rèn)為,排出波紋管內(nèi)的海水時(shí),水中的雜質(zhì)會(huì)殘留在管道的下半部分,尤其是波紋管的凹槽中。而由宏觀觀察結(jié)果可知,波紋管的積垢及腐蝕集中出現(xiàn)于波紋管的下半部分,泄漏點(diǎn)出現(xiàn)在凹槽里,與分析結(jié)果相符。由波紋管內(nèi)壁的SEM分析可知,積垢與金屬表面結(jié)合不緊密,存在明顯間隙,對(duì)其進(jìn)行EDS分析可知,這些積垢含有腐蝕性元素硫和氯,此外還含有較高的鈉、鎂、鋁、硅、鉀、鈣等元素,且氧含量較高,分析認(rèn)為,附著的積垢主要是上述金屬離子與氯離子的化合物(如NaCl,MgCl2,AlCl3,SiCl4,KCl,CaCl2)與水發(fā)生水解反應(yīng)生成的氫氧化物或其他化合物(如NaOH,Mg(OH)2,Al(OH)3,H2SiO3,H4SiO4,KOH,Ca(OH)2),在反應(yīng)的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生HCl,但由于被積垢封鎖,氫、硫、氯等腐蝕性離子無法擴(kuò)散到外部環(huán)境,導(dǎo)致積垢下的管壁發(fā)生垢下腐蝕[1],直至穿透壁厚導(dǎo)致泄漏。

        3 結(jié)論及建議

        (1)波紋管在使用過程中其內(nèi)部的凹槽會(huì)積存海水中的雜質(zhì)形成積垢,積垢中存在腐蝕性元素硫和氯,導(dǎo)致波紋管發(fā)生垢下腐蝕,直至穿透管壁而泄漏。

        (2)建議對(duì)船舶服役的海域中的海水水質(zhì)進(jìn)行考察;波紋管注水后嘗試添加緩蝕劑;控制波紋管的排水速率,或嘗試其他排水方案,防止積垢存留在波紋管的凹槽中。

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