输送天然气用不锈钢焊管锈蚀穿孔原因分析

通过对锈蚀穿孔的天然气用不锈钢焊管进行化学成分分析、硬度检测、金相高倍检验以及焊管腐蚀形貌观察，结合钢管的使用环境，分析和讨论了不锈钢焊管锈蚀穿孔的性质和原因。结果表明：钢管腐蚀部位沿纵向呈点状分布于焊缝位置，钢管的锈蚀穿孔属于点蚀；焊缝组织中δ铁素体含量偏高是导致钢管焊缝锈蚀穿孔的内在因素，钢管附着泥尘和接触含氯水分等腐蚀介质是导致其焊缝锈蚀穿孔的外部环境因素，而钢管中存在的残余应力对焊缝的锈蚀穿孔具有促进作用。

某燃气公司用于居民小区输送天然气使用的不锈钢焊管在使用约１ａ（年）时间后，检查发现存在明显的表面锈蚀现象。据调查用于该小区的该批次所有天然气管道均发现有不同程度的锈蚀或穿孔，甚至导致燃气泄漏，致使用户无法正常用气，并造成很大的安全隐患，严重影响居民的正常生活，对居民的生命和财产安全造成威胁。

该批次天然气不锈钢焊管规格为４０ｍｍ×１ｍｍ，焊管母材为３０４（即０Ｃｒ１８Ｎｉ９）不锈钢，钢管是使用冷轧不锈钢卷采用填充金属双面自动电弧焊接工艺制成的直缝焊管，经高温网带炉保护气氛固溶热处理后交付使用，其固溶温度为１０５０℃。钢管主要用于城市天然气输送，是天然气进户公用主管道。为查找该批次不锈钢焊管锈蚀穿孔的原因，避免该类问题的再次发生，笔者对失效的不锈钢焊管试样进行了检验和分析，并针对失效原因提出了建议和预防措施。

１理化检验

１．１宏观观察及取样情况

失效不锈钢管表面有较严重的点状锈蚀现象，据调查该批不锈钢管只在附有泥浆和接触水滴的位置发生锈蚀，其他部位未见锈蚀。根据对失效不锈钢管外壁锈蚀部位的观察和测量，锈蚀部位已形成了穿透型腐蚀小孔，孔径约３ｍｍ，蚀孔周围附有黄褐色腐蚀斑渍，锈蚀痕迹及蚀孔沿纵向分布且位于一条直线上，但未见明显焊缝，锈蚀部位断面已无明显金属光泽，如图１所示。

用线切割方法纵向剖开后观察钢管内壁，可见明显的纵向焊缝，且发现锈蚀部位刚好位于钢管焊缝处，并沿纵向分布于一条直线上，钢管内壁焊缝处也可见与外壁穿透的锈蚀小孔，但孔径相对外壁要小，锈穿的钢管内壁焊缝处附着凝结腐蚀产物，但相对于外壁腐蚀程度要轻，如图２所示，说明锈蚀是从钢管外壁开始，形成锈斑，并逐渐向内部扩展，随着时间的延长逐渐形成锈蚀穿孔。

对锈蚀部位取样进行检验和分析，试样编号为１号；对该支样管未腐蚀的部位也进行取样，试样编号为２号。分别对２个试样进行纵向和横向解剖，以便进行钢管的化学成分分析、硬度检测以及金相高倍观察。

１．２化学成分分析

采用德国ＳＰＥＣＴＲＯ直读光谱仪和红外碳硫仪对２号试样进行化学成分分析，结果见表１。可以看出钢管各元素含量均在ＧＢ／Ｔ１２７７１－２００８《流体输送用不锈钢焊接钢管》规定范围内。

１．３硬度检测

使用ＨＶ－１０Ｂ维氏硬度计分别对１号和２号试样的焊缝和母材处进行硬度检测，结果见表２。可以看出，钢管硬度虽满足标准技术要求，但硬度偏高，远超过１３８ＨＶ的下限规定值。

１．４金相检验

将有锈蚀的１号试样纵面和横向剖面经过镶嵌和预磨抛光后，采用日本ＯＬＹＭＰＵＳＧＸ７１型光学显微镜进行高倍观察，发现焊缝组织已有明显的被腐蚀现象，特别是铁素体的腐蚀尤为严重，已形成明显的腐蚀孔洞；将１号试样采用王水侵蚀后进行金相高倍观察发现，焊缝和热影响区均有明显的晶界腐蚀；同时在钢管表面的焊缝附近发现有较明显的裂纹，该裂纹垂直于钢管外壁表面向内部扩展和延伸，裂纹径向深度约０．５ｍｍ，如图３～５所示。观察１号、２号试样横向和纵向整个试面，试样基体显微组织为单相奥氏体，按ＧＢ／Ｔ６３９４－２００２评定平均晶粒度，其级别为７．５级，基体组织沿环向可见明显的加工流线，如图６所示。

２号试样正常焊缝显微组织为铸态奥氏体＋铁素体双相组织，采用ＴＩＧＥＲ３０００金相图像分析仪测得其铁素体含量为２１％（体积分数，下同），如图７和图８所示。

２分析与讨论

３０４不锈钢是目前奥氏体不锈钢中使用最广泛的钢种之一，是美国ＡＳＴＭ标准的不锈钢牌号，相当于我国国家标准中的０Ｃｒ１８Ｎｉ９钢。从锈蚀不锈钢管的化学成分分析结果得知，该不锈钢管材料符合ＧＢ／Ｔ１２７７１－２００８对０Ｃｒ１８Ｎｉ９不锈钢成分的技术要求，通过对钢管的显微组织进行观察得知，材料基体显微组织及晶粒度未见明显异常。从钢管内外壁锈蚀形貌和宏观低倍观察结果来看，钢管腐蚀呈现出明显的点蚀特征，点状锈蚀均出现在焊缝部位，并沿纵向分布于一条直线上。根据对焊缝显微组织观察和钢管的使用情况判断，该批３０４不锈钢管焊缝的点状锈蚀穿孔应同时存在内部和外部两方面的因素。

首先，从焊缝显微组织高倍观察结果得知，焊缝组织呈铸态奥氏体＋铁素体双相组织。一般来讲，１８－８型奥氏体不锈钢焊接钢管由于熔敷金属在凝固结晶时的成分偏析使焊缝组织中存在一定量的δ铁素体属于正常现象，根据奥氏体不锈钢焊接理论，焊缝熔敷金属中保留有适量的δ铁素体对奥氏体不锈钢的焊接性，特别是焊缝在焊接过程中的抗凝固裂缝性能具有积极影响。在不锈钢焊管的焊接生产过程中为了保持较高的焊接速率，使焊缝中保留少量δ铁素体是有益的。这部分少量的δ铁素体能提高焊缝的抗热裂能力，因为δ铁素体对硫、磷、硅等杂质元素有较高的溶解度，能有效地降低凝固时残液中的夹杂物含量，提高焊缝抗裂性能，但该种积极影响只限于奥氏体不锈钢中存在少量的δ铁素体，其最佳含量为３％～８％。过高的铁素体含量会改变焊缝的组织成分，降低焊缝的物理性能，对于焊缝的耐蚀性能也有较大的影响，铁素体含量对不锈钢耐腐蚀性的影响主要是对点蚀和应力腐蚀会有恶化作用。通过对钢管焊缝组织中铁素体含量的测定结果可知，焊缝中的铁素体含量高达２１％，较高含量的铁素体组织对焊缝的耐蚀性能必然带来不利影响，这是导致该批不锈钢管焊缝锈蚀穿孔的内部因素。焊缝的腐蚀始发点都发生在微观偏析造成的枝晶中心区，腐蚀的形成和扩展是由奥氏体枝晶间的δ铁素体被优先腐蚀而形成细小孔洞和微裂纹，随着这些孔洞和微裂纹的不断发展，最终导致焊缝的腐蚀穿孔，这可从锈蚀试样的低倍和高倍金相观察结果得到证明。

其次，从前面对钢管内、外壁锈蚀形貌的宏观观察和分析结果来看，腐蚀是从钢管外壁开始的，并逐渐向内部发展，随着时间的延长逐渐形成锈蚀穿孔，这说明钢管的腐蚀与外界使用环境有关。该批钢管用于城市天然气输送，据观察和了解，锈蚀部位均位于焊管附有泥浆或水分的焊缝位置，特别是钢管在经过穿墙进入居民用户的墙地面位置锈蚀尤为明显，因为钢管在这个部位更容易接触和聚集泥尘和水分，在室外该种水分主要来自于雨水，室内主要来自于居民生活用水，这是导致该批不锈钢管焊缝锈蚀的外部因素。在我国自来水普遍采用加氯消毒的方法，ＧＢ５７４９－２００６《生活饮用水卫生标准》规定氯化物余氯质量浓度为不低于０．２ｍｇ·Ｌ－１，最高限值达２５０ｍｇ·Ｌ－１，饮用水余氯达到一定含量后可以杀灭水中细菌和病毒，但含氯离子的介质对奥氏体不锈钢属于敏感介质，水中的氯离子与金属接触易形成化学微电池，不断地破坏不锈钢的钝化膜而产生孔蚀，氯离子也是造成应力腐蚀的触发介质。同时钢管上附着的泥浆、尘埃中含有碳酸盐、硅酸盐等弱酸性化合物，遇水发生水解而具有一定的酸性，对钢管形成腐蚀，耐蚀性相对较差的焊缝金属接触具有一定腐蚀性介质后，便会逐渐被氧化锈蚀，以致形成穿孔。

除此之外，从钢管硬度检测情况和纵向组织的观察结果可见，钢管硬度虽然满足了标准的下限要求，但钢管基体硬度偏高，最高达２３２ＨＶ，远超过１３８ＨＶ的下限值，钢管硬度换算为强度则达到８０５ＭＰａ。根据生产检验统计数据，３０４不锈钢在正常固溶热处理工艺下的强度为５２０～６００ＭＰａ，该批钢管较高的硬度和强度说明钢管处于硬化或半硬化状态。同时显微组织存在较明显的环向加工流线，说明钢管未经高温固溶热处理或固溶不充分，使钢管中保留了较大的残余应力［５］，在钢管中观察到的细小应力裂纹也说明了钢管残余应力的存在，这对钢管腐蚀的产生具有促进作用。

综上所述，从钢管的腐蚀形式来看，该批不锈钢焊管焊缝锈蚀属于点蚀。焊缝组织中存在较高含量的δ铁素体是焊缝锈蚀穿孔的内部因素，钢管内部还存在一定的残余应力促进了腐蚀的产生和发展；含有氯离子水分和盐类外部腐蚀介质的使用环境是钢管锈蚀产生的外部因素，在内部和外部因素的共同作用下，钢管焊缝锈蚀穿孔是不可避免的。

３结论及建议

（１）该批输送天然气的不锈钢焊管锈蚀属于点蚀，锈蚀部位沿纵向分布于焊缝位置。

（２）钢管焊缝组织中δ铁素体含量偏高是导致焊缝锈蚀穿孔的内部因素，建议选用适宜的焊接填充金属和合理的焊接工艺，以控制焊缝组织中的δ铁素体含量。

（３）钢管局部附着泥尘和含氯水分等腐蚀介质是导致钢管焊缝锈蚀穿孔的外部环境因素，建议对不锈钢焊管使用环境较恶劣的部位采取适当的防护措施。

（４）钢管内部的残余应力促进了腐蚀的产生和发展，成品钢管应进行充分的固溶处理，以降低和消除冷加工应力。