分享：2205双相不锈钢管路腐蚀泄漏原因

• 陈洁明1, 2, , 
 
• 霍玉雯1, 
 
• 李雪峰1, 
 
• 郭海霞1, 
 
• 刘晓勇1, 2, 
 
• 张欣耀1, 2

• 1.

  中国船舶集团有限公司 第七二五研究所，洛阳 471023

• 2.

  海洋腐蚀与防护全国重点实验室，洛阳 471023

某化工厂的2205双相不锈钢管规格（直径×厚度）为32 mm×1.5 mm，在检修中发现管路发生泄漏，管路内部介质为弱酸性的工业废水，管内废水温度不高于80 ℃，同批次多根管路已发生泄漏情况。笔者采用一系列理化检验方法对管路泄漏的原因进行分析，并提出了改进措施，以避免该类问题再次发生。

1.   理化检验

1.1   宏观观察

泄漏管路的宏观形貌如图1所示。由图1可知：管路泄漏位置的分布无明显规律，但泄漏位置绝大多数位于管路底部，可能与管内废水介质中部分物质沉积，以及靠近管壁流速较低有关；管路内壁腐蚀严重，呈不规则的长条形坑状，坑内有部分黑色物质覆盖，在腐蚀坑周围有黑色点状腐蚀形貌，在内壁腐蚀严重位置对应的外壁发现有一处黑色点状泄漏，外壁其余位置呈明亮的金属光泽，未发现明显腐蚀现象。

图  1  泄漏管路的宏观形貌

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1.2   化学成分分析

使用电感耦合等离子体原子发射光谱法对管子的化学成分进行分析，结果如表1所示。由表1可知：管子的化学成分满足GB/T 21833—2008《奥氏体-铁素体双相不锈钢无缝钢管》的要求。

Table  1.  管子的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	S	P	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	N
实测值	0.019	<0.005	0.027	0.566	1.18	22.36	4.93	3.10	0.183
标准值	≤0.030	≤0.020	≤0.030	≤1.00	≤2.00	22.00~23.00	4.50~6.50	3.00~3.50	0.14~0.20

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使用离子色谱仪对管路内部水质进行分析，结果如表2所示。由表2可知：管内水的pH为4.52，呈酸性，并含有氯离子和硫酸根离子，其余阴离子含量较少。

Table  2.  管路内部水质分析结果

pH	离子质量浓度/(mg·L－1)
	Cl−	SO42−	NO3−	F−	Br−
4.52	42.53	5.12	<1.00	<1.00	<1.00

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1.3   腐蚀坑深度测试

使用激光共聚焦显微镜对管材腐蚀位置进行观察，腐蚀坑的三维形貌如图2所示。由图2可知：在最大腐蚀坑靠近中间位置发生腐蚀穿孔，该位置的腐蚀坑深度最深，在最大腐蚀坑周围分布有较多小腐蚀坑，小腐蚀坑的深度较浅。

图  2  腐蚀坑的三维形貌

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1.4   金相检验

使用线切割方法沿管材腐蚀位置纵向取样，对试样进行金相检验。根据GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对管材的夹杂物进行评级，结果如表3所示。由表3可知：管材主要含A类（硫化物类）和D类（球状氧化物类）夹杂物，夹杂物的尺寸较小，符合技术要求。

Table  3.  非金属夹杂物评定结果

项目	A		B		C		D		DS
	粗系	细系	粗系	细系	粗系	细系	粗系	细系
实测值	0	0.5	0	0	0	0	0	1.0	0

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管材不同位置的显微组织形貌如图3所示。由图3可知：管材显微组织为奥氏体+铁素体，但不同位置的相含量有所差异；管材心部奥氏体的体积分数为48%，符合GB/T 21833.1—2020《奥氏体-铁素体型双相不锈钢无缝钢管 第1部分：热交换器用管》的要求；管材内、外表面附近的奥氏体含量明显高于铁素体，其中内壁奥氏体的体积分数约为61%，外壁奥氏体的体积分数约为65%，在内、外壁表层的组织中发现较多的白色颗粒相。

图  3  管材不同位置的显微组织形貌

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1.5   扫描电镜（SEM）及能谱分析

对管材内壁的白色颗粒相进行SEM观察及能谱分析，结果如图4所示。由图4可知：颗粒相分布于晶界和晶粒内，主要分布在铁素体、铁素体和奥氏体交界位置，颗粒相中Cr、Mo元素含量均明显高于基体，其分布位置和元素含量均符合σ相特征[1]；基体中存在较多富Cr元素的颗粒状σ相，发现σ相的Cr元素含量明显高于基体，但σ相周围Cr元素含量明显降低，形成一定范围的贫Cr区，降低了材料的耐腐蚀性[2]。

图  4  颗粒相SEM形貌及能谱分析结果

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管材内表面腐蚀位置SEM形貌及能谱分析结果如图5所示。由图5可知：腐蚀位置呈不规则的凹坑状，部分腐蚀坑连接成片，部分腐蚀坑单个独立分布，腐蚀坑内有腐蚀产物残留；坑内腐蚀产物中有少量腐蚀性Cl元素和S元素。

图  5  管材内表面腐蚀位置SEM形貌及能谱分析结果

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2.   综合分析

理化检验结果表明，2205双相不锈钢管路的化学成分符合标准要求，管路内部介质为含有氯离子和硫酸根离子的酸性废水。根据腐蚀穿孔位置的宏观和微观形貌可知，管路的腐蚀形貌符合点腐蚀特征。点腐蚀是一种隐蔽性强、破坏性大的局部腐蚀形式，虽然对产生的金属质量损失很小，但一旦发生穿孔破坏，管内介质泄漏，会对管路设备的安全运行造成巨大危害。

2205双相不锈钢具有合适比例的奥氏体和铁素体，兼具优良的耐腐蚀性和力学性能[3]，在石油化工、海洋装备等领域有着广泛应用。在腐蚀环境中，双相不锈钢能够在表面生成致密的、具有自修复能力的氧化铬保护膜，起到减缓腐蚀速率的作用，尤其是Cr元素可以提高材料的点腐蚀电位，减小点腐蚀发生的风险[4]，从而使不锈钢能够在一定的腐蚀性环境中长期使用。

发生腐蚀的不锈钢管路内外壁表层均发现颗粒状σ相，这种颗粒状σ相只在管材的内外壁表层出现，分布深度从表面到基体只有十几微米，但σ相的数量较多。σ相是双相不锈钢中容易析出且危害较大的一种有害相，σ相中Cr、Mo元素含量较高，且硬度和脆性较大，导致材料的力学性能降低，并且在相周围形成贫Cr区，破坏了奥氏体和铁素体的比例，降低了材料的耐腐蚀性[5]。在腐蚀环境中，σ相析出区域附近的微区元素分布不均匀，材料中的Cr元素含量减少，腐蚀性阴离子（如氯离子）容易在贫Cr区吸附，并与铁离子形成络合物，破坏了表面钝化膜的结构，导致钝化膜修复能力下降，形成局部腐蚀现象[6-7]，从而加速材料点腐蚀的发生。尤其是σ相主要分布在管材的内壁，与内部酸性介质直接接触，易在内壁表面σ相较多的位置形成点腐蚀坑。在不锈钢表面，点腐蚀坑位置会形成局部腐蚀电池，Fe2+与环境中的Cl－形成溶于水的FeCl2，并向阳极区扩散，与阴极区的OH－反应生成Fe(OH)2，随后与水或氧气反应生成Fe(OH)3，点腐蚀坑内的腐蚀产物中不断生成Fe(OH)3和Fe(OH)2，导致腐蚀坑内的pH不断降低[8]，腐蚀产物覆盖在蚀坑表面，阻碍了介质的传递，加速了阳极反应速率，促进了局部腐蚀的发生，甚至贯穿材料壁厚，出现穿孔。管路发生腐蚀穿孔的位置为管路底部，由于重力作用，废水介质中的较重物质容易在该位置沉积富集，导致内壁表面部分位置的钝化膜难以动态修复，从而加速点腐蚀的发生。

3.   结语及建议

双相不锈钢管路发生泄漏的原因为点腐蚀，管材内壁表层组织中存在σ相，导致贫Cr区的出现，降低了材料局部耐点腐蚀性能，在酸性环境和氯离子作用下，材料发生点腐蚀穿孔。

建议使用方加强对管路材料的金相检验，避免使用含σ相的管材。建议生产方对管材生产工艺进行改进，尽量缩短管材在σ相析出温度区间的停留时间，避免σ相的析出。