某海洋平臺消防泡沫罐腐蝕穿孔失效分析

楊陽 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、閥門等組成。該批泡沫罐安裝時間為2001年，材質(zhì)為316SS不銹鋼，罐體規(guī)格為837×837×315 mm，縱向4個棱角（距罐底約102 mm）焊接有4 個樁腿，使得罐底懸空約269 mm，罐頂焊接有4個銅質(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，罐底配置一個排液閥（位置與加液口相對）。

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)甲板多個泡沫罐底部出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象且越來越嚴(yán)重，由此帶來的隱患是泡沫液消耗量將會增加且泡沫罐附近的甲板也會因為泡沫液積存導(dǎo)致地面濕滑發(fā)生人員滑倒事故，于是對某一泡沫罐進(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 試驗材料與方法

采用SPECTROLAB M11 直讀光譜儀對罐體母材及焊縫區(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 試驗結(jié)果及討論

2.1 宏觀分析

對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)腐蝕失效點共計18處，其中有2處已發(fā)生腐蝕穿孔。經(jīng)一步排查統(tǒng)計，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，圖2 為側(cè)向角焊縫上的7 處腐蝕失效點。

對多處腐蝕穿孔位置的角焊縫內(nèi)、外壁形貌進(jìn)行對比觀察，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，而對應(yīng)外壁未發(fā)現(xiàn)失效現(xiàn)象，如圖4所示。其余無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，檢測結(jié)果符合ASTM A240/A240M 技術(shù)要求，見表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，編號為1＃和2＃，選取Cl-、Fe2+、Fe3+三個離子進(jìn)行樣品分析對比，檢測結(jié)果見表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15000 ppm，這對316不銹鋼材質(zhì)非常不利，會加劇局部腐蝕進(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。

對泡沫液產(chǎn)品的pH測試結(jié)果顯示為8.5，且經(jīng)過細(xì)菌測試，未檢測出存在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，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。焊瘤及周圍母材的EDS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，與周圍母材所含元素種類基本吻合，進(jìn)一步得出焊瘤為焊接過程金屬熔化形成。結(jié)合前述焊瘤多孔結(jié)構(gòu)，推斷其可能由于焊接過程中形成氣孔所致，排除了夾雜物的可能性。此外，通過對比元素成分發(fā)現(xiàn)，焊瘤的Cr/Fe比為0.98，周圍母材的Cr/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，周圍母材處于貧鉻區(qū)域，會優(yōu)先發(fā)生腐蝕[1-2]。

表5 焊瘤及周圍母材微區(qū)化學(xué)成分

2.5 失效原因分析

罐體焊接過程中，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)大于周圍母材，元素偏析嚴(yán)重，周圍母材處于貧鉻區(qū)，當(dāng)兩者處于同一腐蝕性介質(zhì)中，母材會優(yōu)先發(fā)生腐蝕。推斷現(xiàn)場焊后沒有對焊縫內(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)長的一段時間（屬于“死水”狀態(tài)）后，會發(fā)生有機物沉積，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，焊瘤與母材間存在μm 級縫隙，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，氯離子具有很強的活化性能，會破壞金屬表面氧化膜，并阻礙其再次成膜，從而會加劇局部腐蝕，機理如下所示：

（1）氯離子具有更強的吸附性能，它在金屬表面替代氧形成吸附點，這些吸附點區(qū)域就會形成小陽極、大陰極的催化腐蝕形態(tài)，蝕點及縫隙（陽極區(qū)）內(nèi)富集了大量氯離子并與金屬形成氯化物，氯化物水解會生成鹽酸和金屬陽離子，為了平衡電荷濃度，水中更多的陰離子會不斷遷移過來，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]：

陽極：Fe→Fe2++2e

陰極：1/2O2+H2O+2e →2OH-

（2）由于陰、陽兩極彼此分離，在沉積物覆蓋下，蝕孔或蝕縫內(nèi)介質(zhì)呈滯留狀態(tài)，溶解的金屬陽離子很難對外擴(kuò)散，而水中的溶解氧則無法滲透至孔內(nèi)，陽離子濃度不斷增加，水中的氯離子即會遷入陽極區(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)，這種小陽極、大陰極的電化學(xué)腐蝕狀態(tài)會不斷加速陽極極化反應(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）焊瘤與周圍母材元素偏析嚴(yán)重，周圍母材處于貧鉻區(qū)，當(dāng)兩者處于同一腐蝕性介質(zhì)中，會優(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）罐體制造過程中，應(yīng)嚴(yán)格把控焊接工藝，加強質(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)品驗收，采取有效的檢測方法（如RT檢測）進(jìn)行合格性檢驗。

（4）建議定期對罐體進(jìn)行整體清洗，避免罐體角焊縫位置附著沉淀物。