0Cr18Ni9不銹鋼天然氣管線的泄漏原因

(中國中石化石油工程建設有限公司，北京 100020)

不銹鋼因具有較高的Cr、Ni含量，通常具有較好的耐蝕性[1]，但不銹鋼對S、Cl元素較為敏感[2]，特別是當材料表面粗糙度較差時，環(huán)境介質中的S、Cl等腐蝕性元素會在局部滯留富集，造成局部腐蝕性元素含量增大，容易引起局部腐蝕[3]。20世紀末以來，我國天然氣管道進入了史無前例的高速發(fā)展期[4]。某海上天然氣輸送管道材料為0Cr18Ni9不銹無縫鋼管，規(guī)格為φ219 mm×4.5 mm，執(zhí)行標準為GB/T 14976-2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》，單管長7 m，管線總長4.5 km，架設于海上，由588根鋼管組成。該管線在安裝結束后，在水壓試驗時發(fā)現(xiàn)有5處泄漏，第二次水壓試驗時發(fā)現(xiàn)有6處泄漏，比第一次增加了一處泄漏點 。為了弄清該管線泄漏失效的原因，筆者對其進行了分析。

圖1為出現(xiàn)泄漏的不銹鋼管段，其中Y001和Y002管段存在泄漏點，Y003管段為完好管段。

圖1 泄漏失效的管段Fig. 1 Pipe section with leaked failure

1 理化試驗

1.1 宏觀形貌

肉眼觀察，鋼管外壁存在少量黃褐色銹斑，Y001和Y002管段上可見穿透性泄漏孔洞，見圖1中箭頭處。從泄漏位置切割取樣，可見管內、外表面區(qū)別較為明顯，泄漏管段內表面存在較多腐蝕產物，孔洞附近無明顯腐蝕產物堆積，未泄漏管段內表面比較潔凈，見圖2。

(a) 外表面

(b) 內表面圖2 管段泄漏區(qū)域的宏觀形貌Fig. 2Macro appearance at the leakage area of pipe section： (a) outer surface； (b) inner surface

采用LEICA M205A體視顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)， 泄漏管段內壁靠近孔洞處存在翹皮，見圖3；撥開翹皮后可見皮下存在點蝕坑，坑內無腐蝕產物聚集；沿厚度剖切后發(fā)現(xiàn)靠近翹皮處存在較大的點蝕坑，見圖4。

圖3 失效管段內表面的翹皮和腐蝕孔洞Fig. 3 Warping and corrosion holes in the inner surface of the failed pipe section

圖4 翹皮下的截面形貌Fig. 4 Cross-section morphology under warping

對管段泄漏孔附近的內、外表面進行形貌觀察和最大蝕坑尺寸測量，結果見表1，可見孔洞內表面的最大蝕坑尺寸較外表面的大。結合泄漏部位的宏觀形貌和剖面形貌可以判斷，泄漏起源于管道內表面，并且由腐蝕引起。

1.2 化學成分

從泄漏的管段上取樣，采用CS901B紅外碳硫儀和ARL4460光電直讀光譜儀對其化學成分進行分析，結果見表2，由表2可見：失效管段的化學成分符合GB/T 14976-2002標準的要求。

表1 失效管段的宏觀檢測結果Tab. 1 Macro inspection results of the failed pipe sections

表2 失效管段的化學成分Tab. 2 Chemical composition of the failed pipe section %

1.3 拉伸性能

從泄漏管段上取樣，采用ZWICK Z250拉伸試驗機進行拉伸試驗，結果見表3。由表3可見：失效管段的力學性能符合標準要求。

表3 失效管段的力學性能Tab. 3 Mechanical properties of the failed pipe section

1.4 晶間腐蝕試驗

從泄漏的不銹鋼管上取樣，采用GB/T 4334-2008中規(guī)定的方法E進行晶間腐蝕試驗，試驗結果表明鋼管內壁無晶間腐蝕傾向。

1.5 金相分析

從穿透型孔洞附近切取剖面試樣，采用LEICA M205A體視顯微鏡觀察，可見腐蝕坑呈現(xiàn)明顯的“開口小、內部大”的點腐蝕特征[4-5]，點蝕坑與管內壁相通，和管外壁還存在小部分連接。由圖5可見：腐蝕坑起源于內表面，這和宏觀觀察結果是一致的；試樣經侵蝕后，采用LEICA MLM/DMI5000M型光學顯微鏡觀察，點蝕坑附近的金相組織為奧氏體。

(a) 截面形貌

(b) 顯微組織圖5 點蝕坑區(qū)域試樣的截面形貌及顯微組織Fig. 5 Sectional morphology (a) and microstructure (b) of samples in pitting area

從內表面存在翹皮的區(qū)域附近切取剖面樣品，采用LEICA M205A體視顯微鏡觀察，翹皮部位存在腐蝕產物聚集和點蝕特征，這表明點蝕與管子內壁的翹皮有關。試樣侵蝕后，采用LEICA MLM/DMI5000M型光學顯微鏡觀察，點蝕坑處的金相組織為奧氏體，見圖6。

從泄漏管上切取縱向試樣，經鑲嵌、磨拋后在LEICA MLM/DMI5000M型光學顯微鏡下進行夾雜物檢驗，按照GB/T 10561-2005/ISO4967：1998(E)標準A法，使用ISO評級圖評定，結果為，A0.5，B0，C0，D0.5，見圖7，可見夾雜物級別不高。

從泄漏管上切取橫向試樣進行晶粒度檢驗，根據(jù)GB/T 6394-2002，使用ASTM E112-96評級圖評定，其奧氏體晶粒度為9～8級，晶粒較為細小，見圖8。

(a) 拋光態(tài)

(b) 侵蝕態(tài)圖6 內表面翹皮處的形貌Fig. 6 Warping appearance of inner surface： (a) polished morphology; (b) eroded morphology

圖7 夾雜物形貌Fig. 7 Morphology of inclusions

圖8 基體金相組織Fig. 8 Metallographic structure of matrix

1.6 SEM形貌觀察

采用Quanta400FEG掃描電子顯微鏡(SEM)觀察穿透型孔洞附近區(qū)域，見圖9。由圖9可見：孔洞處存在明顯的翹皮現(xiàn)象，翹皮下點蝕坑內部比較潔凈，呈金屬的銀亮色，未見明顯腐蝕產物聚集，點蝕孔洞形狀不規(guī)則，存在少量分散分布的腐蝕產物。

圖9 試樣內表面透型孔洞附近區(qū)域的顯微形貌Fig. 9 Micromorphology of the area near the through-holes on the inner surface of the sample

1.7 EDS能譜分析

采用EDS能譜儀對點蝕孔洞區(qū)域的腐蝕產物元素含量進行分析，結果表明，腐蝕產物中含38.40%(質量分數(shù)，下同)O，0.27% Al，0.56% Si，1.07% S，0.90% Cl，1.49% Ca，0.34% Ti，11.60% Cr，45.35% Fe，即點蝕坑附近的腐蝕產物中含有較高量的強腐蝕性元素S和Cl(圖略)。

2 結果與討論

通過以上理化試驗結果可知，泄漏的不銹鋼管化學成分和力學性能均符合技術要求，其非金屬夾雜物級別不高，金相組織為單一奧氏體，晶粒度等級為9～8級，內表面無晶間腐蝕傾向，表明泄漏的不銹鋼管材料冶金質量正常。

根據(jù)宏觀分析結果，泄漏孔洞的內、外表面最大蝕坑尺寸測量結果，以及蝕坑剖面形貌判斷，泄漏起源于管內表面，并且由腐蝕引起。

管壁剖面金相檢驗結果表明，失效管段內壁存在翹皮和點蝕坑，有的點蝕坑還未發(fā)展到外壁，說明造成泄漏的點蝕孔洞是從管子內壁開始的，并且和翹皮有關?？锥磪^(qū)域未見明顯腐蝕產物堆積，孔洞內部也未見明顯腐蝕產物，說明腐蝕過程中產生的腐蝕產物被轉移了；管內壁存在翹皮，翹皮附近聚集了較多的腐蝕產物，翹皮和管壁接觸區(qū)域存在點蝕坑，點蝕坑表面比較潔凈，說明該不銹鋼管的點腐蝕是在水環(huán)境中進行的，點腐蝕過程中產生的腐蝕產物以離子態(tài)被水介質帶走了；點蝕坑的腐蝕面比較潔凈，說明鋼管內壁接觸的水介質的pH較低。能譜分析結果表明，腐蝕產物中含有較多強腐蝕性元素S和Cl， 它們對不銹鋼比較敏感，特別是在水環(huán)境中或比較潮濕的空氣中會對不銹鋼產生腐蝕。泄漏的不銹鋼管內壁存在翹皮，增大了管內壁的粗糙度，容易駐留腐蝕性介質，使S和Cl元素富集，容易引發(fā)腐蝕；同時翹皮和管基體之間也形成了不同程度的縫隙，會產生縫隙腐蝕，其主要表現(xiàn)形式也是點腐蝕。

3 失效機理

3.1 翹皮形成原因

無縫鋼管在生產過程中，內孔需經過多次沖孔和拔長。當加工無縫鋼管的型芯受到較為嚴重的磨損時，鋼管內壁會變得粗糙，可能會留下小的凸起，如圖10(a)示意，在進行下一道拉孔的過程中，小凸起將會被擠入管壁，形成翹皮，見圖10。盡管翹皮受到擠壓后和基體結合比較緊密，但它們之間存在微小的縫隙。存在翹皮的鋼管在庫存期間，特別是在室外堆放期間，管內壁會產生凝集水，也許還會接觸到雨水，這樣，在管內壁將會形成水環(huán)境，在翹皮的底部將會發(fā)生縫隙腐蝕。沿海性氣氛中含有的S和Cl氣體也會溶入水中，這會加速腐蝕。

3.2 縫隙腐蝕機理

(a) 存在凸起 (b) 形成翹皮 (c) 產生縫隙腐蝕圖10 形成翹皮及產生腐蝕的示意圖Fig. 10 Schematic diagram of formation of warped skin and corrosion: (a) an existing protrusion; (b) forming a warp; (c) causing crevice corrosion

(1)

圖11 縫隙腐蝕的形成機理示意圖Fig. 11 Schematic diagram of the formation mechanism of crevice corrosion

縫隙腐蝕和點蝕的蝕坑形貌相同，其腐蝕機理也相似，均存在自催化效應和酸化效應，均以閉塞電池的機制成長，發(fā)生后難以控制。但是它們的形成過程有所不同，縫隙腐蝕較點蝕更容易發(fā)生，甚至不需要特定的腐蝕性介質[8]。

4 結論及建議

4.1 結論

(1) 泄漏的不銹鋼管線化學成分和力學性能均符合技術要求，金相組織正常，夾雜物級別不高，晶粒細小，管內壁無晶間腐蝕傾向，表明管線的冶金質量正常。

(2) 不銹鋼管線泄漏的主要原因是：鋼管內表面加工質量較差，內表面存在翹皮，引發(fā)了縫隙腐蝕，導致管壁上形成了穿透性孔洞。環(huán)境中的S和Cl元素對腐蝕具有促進作用。

4.2 建議

根據(jù)泄漏管線的失效原因和失效機理分析，提出以下改進措施：

(1) 提高管線的加工質量，對內、外表面的粗糙度進行控制，特別是不允許存在翹皮類缺陷。

(2) 管線在安裝使用前，應加強倉儲管理，避免露天堆放，避免接觸水以及其他腐蝕性介質。