1.4301不銹鋼管線的腐蝕及修復

于香利，沈全鋒，羅雙全，儲 勇，劉 軍

（中國石油工程建設公司 阿爾及利亞分公司，北京100120）

在阿爾及利亞水泵站項目中，引擎的冷卻水系統管道根據合同采用了1.4301不銹鋼（相當于S304或0Cr18Ni9），冷卻水為泵站輸送的原水。該項目于2011年3月投入運行，半年后，冷卻水管線出現不同程度的腐蝕，主要集中在焊縫處，隨著時間推移，腐蝕點明顯增多，運行3a后，幾乎所有管線焊縫處均出現了腐蝕點，個別地方出現泄漏。

1 問題分析

1.1 現場情況

該地處撒哈拉沙漠腹地，水源地位于因薩拉赫市，通過6座泵站將水送到阿國南部的塔曼拉塞特市，管道長度740km。泵站內冷卻系統大部分管道安裝在地面上，有部分管道埋在地下，當地最高氣溫為50℃。

每個泵站由3臺泵組成，因目前水源地產水量不足，泵站每天只有1臺泵間斷運行約12h，其他2臺泵處于備用狀態。

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

因腐蝕點多集中在焊縫處，焊接質量及焊條使用情況是該問題的分析重點。該項目現場焊條采用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情況；圖3為管子內表面情況，可以看到焊縫處發生腐蝕，焊縫以外內表面良好。

圖4為熔合區及焊縫表面的腐蝕形貌。由圖4可見，焊縫表面腐蝕坑明顯，腐蝕程度較母材嚴重，說明焊縫的耐蝕性能弱于母材。不銹鋼在焊接時一般采用“等成分”原則匹配，焊縫腐蝕程度比母材嚴重的原因一方面與焊接工藝有關，但主要影響因素應與焊縫的成分有關。

表1 水質分析結果Tab.1 Water analysis results

表2 基材及焊條的名義化學成分（質量分數）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，焊縫表面腐蝕較為嚴重，有較嚴重的點蝕坑，大小不一，并無規則的特征形貌；腐蝕產物層多處已剝落。由圖5（b）可見，母材表面腐蝕情況較好，無明顯腐蝕坑；腐蝕形貌較焊縫規則，呈現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，現對母材和焊縫進行能譜分析，測出抗腐蝕元素含量（主要是鎳和鉻的含量）差異，結果見表3。

圖2 外部腐蝕點放大Fig.2 Outside corrosion point

圖3 管子內表面Fig.3 Internal surface of pipe

圖4 熔合區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果Tab.3 EDS results of base metal and weld seal%

由表3可見，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%，選取其他區域進行分析后結果類似，可見，焊縫為304不銹鋼成分。

1.3 腐蝕原因分析

通過上述分析可知，焊縫中鉻元素質量分數＜18%，鎳元素質量分數＜10%，與304材質匹配，而母材的鉻元素質量分數約為18%，鎳元素質量分數約為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，沒發現焊接規范過大的跡象，所以過渡金屬中合金元素的燒損應該在可控范圍內。因此，基于合同規定304材質條件下選用的焊條不符合實際母材及原水水質，宜用E309焊條。

從現場發生的腐蝕情況看，該腐蝕屬于典型的點蝕情況。點蝕是奧氏體不銹鋼明顯腐蝕的通常形式。一般以針狀腐蝕開始，由于腐蝕的產生，受腐蝕部位變黑色或變成深褐色。大多數嚴重腐蝕環境中，點蝕的數量和深度增加，使表面呈現受腐蝕的外觀。該項目水質氯離子高，可以預測氯離子對奧氏體不銹鋼有較強的侵蝕性，類似溶液中發生氯離子對奧氏體不銹鋼點腐蝕的情況時有報道[1]。

關于氯離子誘發不銹鋼點蝕的理論很多，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、雜質和溶質等的不均勻性，活性陰離子（Cl－）首先被吸附在金屬表面某些點上，破壞鈍化膜形成大陰極小陽極模式，產生下列發應：

陽極反應

陰極反應

上述反應使陽極金屬很快腐蝕成小孔。通常用材料的臨界點蝕溫度（CPT）這個指標來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蝕溫度的關系曲線[5]，由圖6可見，氯離子含量越高，發生點蝕的溫度就越低。可以看出溫度和氯離子含量升高都可以加劇對不銹鋼的腐蝕。

圖6 臨界點蝕溫度與氯離子濃度關系[5]Fig.6 The relation drawing between the CPT and chloridion concentration

本項目的NaCl質量濃度為0.1%，304不銹鋼臨界點蝕溫度應為42℃，在日常運行中，備用泵管線一直充滿著水，長期暴露在陽光照射下，鋼管表面溫度可達85℃，已達到304不銹鋼的點腐蝕溫度條件，而沒有達到316不銹鋼的點蝕溫度，故本項目的腐蝕點大多數發生在焊縫處。

值得一提的是，本項目中高溫冷卻水管道，采用同樣不銹鋼管材和焊接工藝，管內流動的是一級反滲透脫鹽水，氯離子質量濃度為39mg·L－1，運行溫度高達90℃，經過3.5a運行，沒有發生腐蝕。這也充分說明了氯離子對不銹鋼的腐蝕性。

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，在該方案確定過程中，對比了常用的碳鋼＋內襯、316L不銹鋼、雙相不銹鋼、HDPE及GRE管線替換方案，各方案性能對比列于表4。

建議的方案為地上管線部分采用碳鋼＋內襯，地下部分采用HDPE方案。該方案吸取了兩種方案的優點，可以有效防止腐蝕的再度發生。同時該項目的主送水管線采用的就是碳鋼＋內襯，運行效果良好。但該方案因業主不同意而被長期擱置。考慮到水源地的脫鹽設施即將啟動建設，整改方案轉向管線修復。

表4 管線替換方案性能對比Tab.4 Performance comparison for pipe replacement scheme

2.2 管線修復方案

該方案是在保持現有管線在運行狀態下對腐蝕點進行修復。現場已采用高強度灌漿料封堵漏點、補焊泄漏點等措施均不成功，最后決定采用BELZONA高分子材料修復焊縫和母材漏點。經雙方協商，在不影響泵站正常運行的情況下，利用泵站設備每天停泵間隙，對腐蝕點采用BELZONA材料進行修復。

3 BELZONA修復工藝

3.1 修復方法

不銹鋼管線修復采用BELZONA 1121（超級XL金屬）、BELZONA 1321（陶瓷S－金屬）、BELZONA 1831（水下超級金屬）、BELZONA 9341增強帶對管線腐蝕處進行修復，不同部位的修復工藝方法現場情況見圖7。

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

（1）內部修復法 對管道系統中有法蘭連接的地方，拆開法蘭，從管道內部對腐蝕的焊縫進行修復，修復方法如下：用磨光機對內部焊縫進行打磨，打磨區域約為焊縫兩邊75mm處，先用刮刀將1121產品涂覆整個區域，4h后對硬化的1121涂層再用砂紙進行打磨，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）外部修復法 對于無法打開的腐蝕焊縫采用外部修復法，該修復與內部焊縫修復步驟類似，不同之處在涂第二道1121之前，先用9341增強帶裹住整個涂覆區域，搭接長度不小于1／3管徑周長，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的焊縫涂層，使其美觀、光滑。對于每天操作時間只有10h的回流線，第一道修復材料需要采用1831，以減少固化時間。

（3）弧形板修復法 此修復方法適用于管子對接焊縫，在第一道BELZONA涂層基礎上，冷粘接一圈不銹鋼弧板，進一步加強涂層的強度。

3.2 工藝特點

（1）操作簡單 傳統的管道修復涉及到焊接、機械加工等過程，操作條件要求高，費時費力。BELZONA高分子材料修復簡單快捷，施工人員少，見效快，極大地縮短了工期。

（2）修復成本低 每個泵站不銹鋼管線管徑以DN200和DN300為主，管線總長度約2.2km，需要修復內部焊縫130道，外部焊縫300道，總費用約100萬元人民幣，與其他方案相比大大降低了成本。

上述修復方案在3號泵站修復后運行六個月，沒有發現泄漏情況，詳見圖8，說明修復是成功的。

4 結論

（1）該項目發生腐蝕的主要原因是因為焊條與主材質不匹配造成的，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修復方案是本項目特有背景下采取的方案。該方案成本低，施工簡單，是可行的。

（3）對管線外部焊縫修復，因沒有將原水與管材隔離，腐蝕還將繼續，相當于增加了管道的腐蝕裕量。所以具體效果還有待于長時間運行來驗證。

圖8 運行6個月后管道內部和外部的修復效果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境點腐蝕失效機理的研究[D].揚州：揚州大學，2011.

[2]楊鐵軍，李國明，陳珊，等.低合金鋼點蝕擴展過程中的自催化作用[J].腐蝕與防護，2010，31（7）：541－542.

[3]中國石油大學（華東）油氣CAE技術研究中心.沙漠長距離輸水工藝及控制優化技術研究報告[R].東營：2013.

[4]GB／T 50619－2010 火力發電廠海水淡化工程設計規范[S].

[5]吳瑋巍，蔣益明，廖家興，等.Cl離子對304、316不銹鋼臨界點蝕溫度的影響[J].腐蝕科學與防護技術，2007，27（1）：18－19.