狄 川 趙鐵瑞

（1. 石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站技術(shù)中心，北京 102500；2. 石油化工工程質(zhì)量監(jiān)督總站天津監(jiān)督站，天津 300271）

0 引言

材料與環(huán)境間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為腐蝕，一般可分為全面腐蝕和局部腐蝕。全面腐蝕相對(duì)局部腐蝕其危險(xiǎn)性小些，而局部腐蝕危險(xiǎn)則極大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在煉化生產(chǎn)裝置由于局部腐蝕導(dǎo)致的事故比全面腐蝕多得多，不僅是因?yàn)榫植扛g的檢出難度較大，同時(shí)其難以預(yù)測(cè)性使得局部腐蝕造成的破壞難以控制。局部腐蝕是指金屬表面局部發(fā)生腐蝕，包括縫隙腐蝕、晶間腐蝕、點(diǎn)蝕等。對(duì)于不同的腐蝕類型，材料抵抗腐蝕的能力也各不相同。不銹鋼材料因其表面形成的Fe/Cr氧化物鈍化膜，使其具有良好的耐均勻腐蝕性能而得到廣泛應(yīng)用，其鈍化膜的完整性決定了不銹鋼的耐腐蝕能力。然而在含有鹵族陰離子（如Br-、Cl-）的環(huán)境中，不銹鋼鈍化膜極易發(fā)生點(diǎn)蝕，從而嚴(yán)重影響應(yīng)用。因此不銹鋼的點(diǎn)蝕問題一直受到設(shè)備管理人員的重視[1]。

1 案例問題描述

某石化裝置一條新建循環(huán)水管線投用近一年后，管線焊口和管線的管托處發(fā)生多處泄漏。該管線同時(shí)與其他裝置聯(lián)通，主體管道為碳鋼材質(zhì)，部分管線材質(zhì)為304不銹鋼。檢查發(fā)現(xiàn)泄漏部位集中在304不銹鋼部分，拆解發(fā)現(xiàn)已形成多處穿孔。需要說明的是同時(shí)該不銹鋼循環(huán)水段為全廠循環(huán)水工藝末端，根據(jù)生產(chǎn)需要，一般為夏季投用，冬季停用放空。

相關(guān)設(shè)計(jì)文件、焊接工藝文件及質(zhì)量驗(yàn)收記錄顯示：不銹鋼管道的焊接采用GTAW工藝；焊道成型外觀檢視合格，無損檢測(cè)結(jié)果合格；不銹鋼管道所配套使用的管托及用于固定焊接的焊材（308焊條）均為同種不銹鋼配套材質(zhì)；設(shè)計(jì)文件中未要求進(jìn)行焊后酸洗鈍化[2]。

2 氯離子點(diǎn)蝕機(jī)理

點(diǎn)腐蝕，簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕，是指金屬表面在腐蝕介質(zhì)中形成小孔的一種極為局部的腐蝕形態(tài)，亦稱孔蝕。一般蝕孔表面通常被腐蝕產(chǎn)物堵塞和覆蓋而很難被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，從而造成突然性事故。不銹鋼的抗腐蝕能力主要基于鉻鎳元素在表面形成的致密的氧化膜，氧化膜能夠減低不銹鋼在氧化性介質(zhì)的腐蝕速度，也稱鈍化膜。鈍化膜有一定的自愈性，處于溶解和再鈍化的動(dòng)態(tài)平衡中。當(dāng)存在氯離子時(shí)，這種平衡被打破，氯離子占據(jù)優(yōu)勢(shì)排擠掉氧原子。參考吸附理論，氯離子具有與金屬的強(qiáng)吸附能力，其可以優(yōu)先地有選擇的吸附在鈍化膜上，同時(shí)替代氧原子與鈍化膜中的陽(yáng)離子形成可溶性氯化物，這樣導(dǎo)致了腐蝕的加速。

3 工藝原因分析

通過檢測(cè)管道中的殘留液體發(fā)現(xiàn)Cl-量達(dá)到了1200mg/L，嚴(yán)重超過《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。通過以上描述，不難判定該穿孔很可能是因氯離子引起的不銹鋼點(diǎn)蝕，但氯離子并不直接與“鐵”接觸，主要是通過氯離子在溶液中與鈍化膜中的陽(yáng)離子結(jié)合形成可溶性氯化物，破壞鈍化膜，繼而形成小蝕坑。同時(shí)氯離子在溶液中較強(qiáng)的水解造酸能力將促進(jìn)點(diǎn)蝕的發(fā)展。

在電化學(xué)腐蝕過程中, Cl-向過剩正電荷區(qū)遷移集中[3]：

局部腐蝕，尤其是點(diǎn)蝕，其腐蝕面積小，傾向向縱深發(fā)展，因而一般無損檢測(cè)手段很難發(fā)現(xiàn)。循環(huán)水中，氯元素以離子狀態(tài)游動(dòng)，在流速較低或者靜止時(shí)更容易引起點(diǎn)蝕,相反，循環(huán)水流速較高時(shí)，則能阻止氯離子沿表面的濃縮, 并減緩點(diǎn)蝕的趨勢(shì)。有學(xué)者[3]認(rèn)為腐蝕一般從不銹鋼表面的各種缺陷處開始發(fā)生，例如表面硫化物夾雜、表面溝槽劃傷處，不銹鋼氯離子點(diǎn)蝕引發(fā)于硫化錳包裹體，先腐蝕形成小凹穴，繼而在不銹鋼內(nèi)向孔的深度方向連續(xù)擴(kuò)展; 由于凹穴內(nèi)溶液的酸性較高, 其內(nèi)的金屬就更易被腐蝕。酸性環(huán)境下的氫離子能通過電遷移吸引氯離子以保持穴內(nèi)的電中性，這樣就形成了以凹穴為小陽(yáng)極的以凹穴周圍區(qū)域?yàn)榇箨帢O電化學(xué)反應(yīng)池,一般在電化學(xué)反應(yīng)中，陰極和陽(yáng)極反應(yīng)速度是相同的，但因?yàn)榇颂庩?yáng)極集中到了“點(diǎn)”上，腐蝕速率就可能很高。同時(shí)，隨著氯離子濃度的升高以及溫度的升高將會(huì)增加點(diǎn)蝕傾向，一般情況下溫度升高均會(huì)增加反應(yīng)動(dòng)能[4]。

4 施工原因分析

有效鉻含量減少造成耐蝕性能降低。不銹鋼的抗腐蝕能力主要來源于其表面的自愈性氧化膜，其實(shí)質(zhì)是鉻氧化合物，鉻元素量要達(dá)到一定的程度，以保證在氧化膜被破壞時(shí)能夠重新生成。一般認(rèn)為至少要保證鉻含量在12%以上，才能保證不銹鋼的“不銹”能力。但在施工過程中，由于焊接熱輸入或焊后熱處理過程往往不易進(jìn)行質(zhì)量管控，工程實(shí)際中常會(huì)出現(xiàn)在不銹鋼敏化溫度區(qū)間長(zhǎng)時(shí)間停留的情況，在425～800℃范圍內(nèi)，不銹鋼中過飽和碳不斷地向奧氏體晶粒邊界析出擴(kuò)散，并和鉻元素化合、在晶間形成碳化鉻的化合物，如六碳化二十三鉻（Cr23C6）等。為了進(jìn)一步說明碳鉻結(jié)合情況，以Cr23C6為例進(jìn)行質(zhì)量比計(jì)算：

Cr23C6：（鉻原子量×23）/（碳原子量×6）=（52×23）/（12×6）≈17

可見，析出的碳將結(jié)合17倍質(zhì)量的鉻，它的析出自然消耗了晶界附近大量的鉻（每1%的C約需消耗10～20%的Cr），由于鉻擴(kuò)散速度慢等原因，消耗的鉻將不能從晶粒中以擴(kuò)散的形式得到補(bǔ)充，形成貧鉻區(qū)[5]。

需要說明的是，施工過程尤其是焊接過程的不合規(guī)操作會(huì)給管道的長(zhǎng)周期運(yùn)行埋下隱患，但對(duì)于該案例，施工原因應(yīng)歸于次要原因，因?yàn)闅埩艚橘|(zhì)中的氯離子含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了一般非含Mo不銹鋼的耐受標(biāo)準(zhǔn)。

5 改進(jìn)措施

5.1 設(shè)計(jì)方面

通常情況下，工業(yè)循環(huán)水管線一般使用碳鋼管或加內(nèi)部防腐涂層，對(duì)于不同材質(zhì)管線、設(shè)備的跨接過渡段、盲端等部位因特別設(shè)置截?cái)嚅y門、排液放空閥門等，并設(shè)置部位的工藝采用要求、嚴(yán)格跟蹤腐蝕元素含量。設(shè)計(jì)人員應(yīng)詳細(xì)分析管道設(shè)備的使用條件，做好選材和工藝設(shè)計(jì)。一般來說，在不銹鋼材料中，可選用加鉬的材料比不加鉬的材料在耐點(diǎn)蝕性能方面要好，鉬含量添加越多，耐坑點(diǎn)腐蝕的性能越好，當(dāng)不銹鋼中的鉬含量大于3%時(shí)，就能達(dá)到充分組織氯離子向基體滲透的作用。

5.2 施工方面

敏化現(xiàn)象不僅會(huì)降低材料的抗腐蝕性能，而且會(huì)降低材料的綜合力學(xué)性能，施工單位在進(jìn)行焊接工藝評(píng)定、制定焊接工藝卡的過程中，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)防止敏化的操作要求。可采用小的焊接電流、快速焊接，多層多道焊并嚴(yán)格控制層間溫度、加速冷卻等方法，以減少熱影響區(qū)寬度，減少敏化區(qū)間停留時(shí)間。此外，也可同時(shí)采用超低碳、含有穩(wěn)定劑如鈦、鈮的焊接材料。如有必要也可進(jìn)一步進(jìn)行焊后熱處理，如固溶處理、穩(wěn)定化退火。

5.3 工藝方面

GB/T 50050-2017《工業(yè)循環(huán)冷卻水處理設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定了碳鋼管線循環(huán)水中氯離子含量要求為700～1000mg/L，對(duì)于不銹鋼管線則應(yīng)低于700mg/L。同時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了循環(huán)水的pH、菌藻含量、濁度、流速、溫度、硬度等指標(biāo)，因此單一的追蹤控制氯離子含量，也并不能完全杜絕腐蝕的發(fā)生，合理完善的循環(huán)水處理方案是基本前提，只有各項(xiàng)水質(zhì)、藥劑指標(biāo)均控制在正常范圍內(nèi)，才能最終保證設(shè)備管道的長(zhǎng)周期安全平穩(wěn)運(yùn)行。另外，拆解循環(huán)水設(shè)備常會(huì)發(fā)現(xiàn)殘留在器壁上厚厚的黏泥及青綠色異物（微生物腐蝕），這也是設(shè)備管線腐蝕的一個(gè)重要原因，加強(qiáng)前置過濾，油水有效分離，可有效減緩腐蝕進(jìn)程，若存在氯離子濃度超標(biāo)，將會(huì)進(jìn)一步加速腐蝕進(jìn)程，這種條件下，循環(huán)水中氯離子以不超過700mg/L為宜。

6 結(jié)語(yǔ)

本案例中不銹鋼管線的腐蝕為典型的氯離子腐蝕問題，主要因?yàn)槁入x子含量超標(biāo)、殘液滯留，最終導(dǎo)致穿孔。同時(shí)焊接過程中焊接溫度控制不當(dāng)，敏化區(qū)間停留過長(zhǎng)是材質(zhì)抗腐蝕性能降低重要原因。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，循環(huán)水管線一般設(shè)計(jì)為碳鋼材質(zhì)即可，或加以內(nèi)部防腐，在特定工藝要求下，選用不銹鋼材質(zhì)的，應(yīng)注意區(qū)分工業(yè)循環(huán)水適用不同材質(zhì)下的指標(biāo)要求不同，針對(duì)性控制追蹤工藝參數(shù)。綜上，此案例說明施工質(zhì)量控制的源頭應(yīng)追溯到設(shè)計(jì)層面，設(shè)計(jì)合理的選材、合理的工藝控制參數(shù)設(shè)置、合理的管道布置將從源頭上減少嚴(yán)重腐蝕情況的產(chǎn)生。