奥氏体不锈钢新管腐蚀泄漏原因分析

黄桥生

(国电科学技术研究院，江苏南京210046)

奥氏体不锈钢新管腐蚀泄漏原因分析

黄桥生

(国电科学技术研究院，江苏南京210046)

某电厂奥氏体不锈钢新管水压试验发生腐蚀泄漏。通过涡流检测、金相组织分析、腐蚀成分分析、腐蚀印证分析、腐蚀对比分析等一系列试验，并结合不锈钢材料的特点，分析认为凝汽器不锈钢新管包装不符合标准要求，使Cl离子与管子外壁接触，破坏了奥氏体不锈钢表面钝化膜的钝化平衡，致使发生了Cl介质腐蚀穿孔泄漏。

奥氏体不锈钢管;TP304L;腐蚀;泄漏

0 引言

与铜管、钛管相比，不锈钢管具有良好的机械性能、耐蚀性能、经济性能，不锈钢管凝汽器总的传热性能也不低，得到了许多电厂认可。但是不论是不锈钢管还是钛管只有选材合理、质量合格、安装正确、运行维护得当，才能充分发挥其技术、经济优势。否则，也会出现腐蚀泄漏［1］。某新建电厂凝汽器奥氏体不锈钢焊接管2010年8月灌水试验中发现凝汽器部分不锈钢新管泄漏，该不锈钢管材质为TP304L，规格为φ31.75mm×0.7mm和φ31.75mm ×0.5mm。

1 不锈钢材料特点分析

1.1 材料特点

不锈钢全称为不锈耐酸钢，有非常好的耐腐蚀性能，在大气中年平均腐蚀率≤0.01mm。不锈钢中主要的合金元素是铬和镍，在普通的低碳钢中只要加入≥12%分子量的铬，整个钢材就有了抗腐蚀性能。冷凝器换热管的使用材料一般为00Crl8Ni10 (即通常所说的304L)，是一种超低碳不锈钢，其中Cr含量18%左右，Ni含量10%左右，也是在工业应用中最常规的不锈钢品种。不锈钢外表面的有一层氧化膜，称钝化膜，这层膜使材料里面的金属元素与空气中的氧隔离，从而起到防腐的作用。

1.2 加工特点

不锈钢管的性能除了与材料本身有关外，还与其加工方式有着密切的关系。无缝管的制作过程是用合格的坯料冷拔成形，然后固溶处理(即高温回火+淬火)，接着静置于强酸环境中酸洗钝化，使之形成一层钝化膜，整个处理过程是和不锈钢板材相同的，由于体积小容易处理，其机械性能优于板材。而其加工工艺决定了它的厚度较焊管厚些。焊管是由冷轧成的钢带(经固溶处理)经模具后挤压成钢管形状，然后由自动氩弧焊自熔焊接而成成形并经校直后低温消应力回火，然后酸洗钝化。由于生产的钢带厚度可控制得比较薄，且生产的成本也较低，因此焊管的价格相对便宜。

在局部机械性能及化学成分分析上，焊管的性能和无缝管并无明显差别，但焊管的焊缝是一个薄弱环节，其并不体现在力学上，而是体现在耐腐蚀性能上，由于在焊接的高温环境中，奥氏体中固溶的碳化物在奥氏体晶间沉淀析出，即可产生敏化现象，造成碳化物邻近部分形成贫铬区，又因是自熔焊接，合金元素Cr得不到有效的补充，使其抗晶间腐蚀的能力降低，也就是为何虽经酸洗钝化，但其与无缝管相比抗腐蚀性能仍有一定差距的原因。故在同样的使用条件下，焊缝部位易最先被破坏［2］。

2 宏观检查分析

2.1 外观检查

宏观检查发现腐蚀是局部的。泄漏部位管外壁有穿透型腐蚀小孔，周围有黄色的腐蚀凹坑，另外还有多处黄色腐蚀斑渍，剖开管子发现内壁除有1处从外壁腐蚀穿透的小孔，无其他缺陷与腐蚀迹象，说明腐蚀是从管外壁开始的。

2.2 涡流检测

5号机凝汽器共有21494根TP304L不锈钢管，现场100%涡流检测，共发现10个批次265根不锈钢管存在超标缺陷，占检测数量的1.23%。主要缺陷为面积型腐蚀和点蚀，部分存在裂纹缺陷。

3 微观试验分析

3.1 金相组织分析

凝汽器穿孔管的组织为奥氏体，其孔洞具有腐蚀的特征，见图1。

图1 腐蚀部位金相显微组织FeCl3·HCl溶液

3.2 化学成分分析

对不锈钢管的C、S、P、Cr、Ni等5种元素的含量进行检测，结果显示不锈钢管的上述5元素含量满足ASTM A213/213M标准［3］要求，见表1。

表1 化学成分分析%

3.3 腐蚀部位成分分析

利用电子探针对TP304L不锈钢管完好部位与穿孔部位进行成分检测，具体检测部位见图2，典型腐蚀部位电子探讨，检测结果见表2。试样直接从失效钢管上用钢锯截取，表面未清洗处理，以保证腐蚀产物的完整。图2中a区域是不锈钢管完好部位的电子探针测量，测量结果没有显示Cl和S元素;而b～d区域(穿孔部位)的Cl含量较高，最高可以达到1.96%，S含量达到1.21%(见表2)。

图2 TP304L不锈钢管腐蚀部位的背散射图片

表2 典型腐蚀部位电子探针检测结果

3.4 腐蚀印证试验分析

配制6种含S、Cl溶液对完好的TP304L钢管进行腐蚀印证试验。这6种腐蚀溶液分别为H2SO4、CuSO4、Na2S、Na2S+H2SO4、Na2S+HCl和HCl，腐蚀时间为6h，试验结果:CuSO4、Na2S溶液与不锈钢管不反应，H2SO4溶液与Na2S+H2SO4溶液与不锈钢管的反应产物呈黑色，Na2S+HCl溶液和HCl与管子的腐蚀特征与穿孔钢管的特征非常相似。

3.5 包装塑料水浴脱Cl－试验分析

为寻找腐蚀源Cl－，对某电厂TP304L不锈钢管包装塑料在一定的温度和时间下进行水浴脱Cl－试验。其试验条件为:在200 mL纯净水中，60℃水浴加热30min。内层塑料尺寸为15.3cm×10.6cm;外层塑料尺寸，13.0cm×12.4cm。

试验结果表明:内层塑料脱Cl－致水中Cl－浓度为24.1mg/L，外层塑料脱Cl－致水中Cl－浓度为5.3mg/L。

4 原因分析

(1)奥氏体不锈钢表面钝化膜有一定的反应能力，在一般的介质中钝化膜的溶解和修复处于动平衡状态。但只要介质中含有活性阴离子时，自钝化的平衡态就会被破坏，此时溶解就占优势，其原因是Cl－吸附在钝化膜表面，把氧原子排挤掉，使钝化膜上钝化比较薄弱的点域被击穿，腐蚀仅仅集中在设备的某些特定点域，并在这些点域形成深处发展的腐蚀小坑，而金属的大部分表面仍保持钝性。Cl－对不锈钢的腐蚀在极端情况下可在24h内穿透，在这种情况下材料的厚度不起主导作用。

(2)通过对钢管腐蚀部位的成分分析发现:失效部位Cl和S含量较高，不符合ASTM A213/213M标准要求。同时也说明Cl和S有可能是腐蚀产生的主要元素。

(3)Cl主要是降低点蚀电位，促进不锈钢钝化膜的破坏，导致点蚀产生，而S对点蚀电位影响不大，主要是增加钝态电流，改变钝化膜的性能，降低其防腐性能，二者腐蚀机制理不一样。腐蚀穿孔与酸性环境下的Cl和S腐蚀有关，并且Cl对不锈钢腐蚀的影响更大，因为在HCl酸性环境下与不锈钢管的腐蚀特征与穿孔不锈钢管子特征非常相似。而在Na2S+H2SO4酸性环境下与不锈钢管的腐蚀特征明显不同，因此Cl－是腐蚀的关键因素。

(4)腐蚀不锈钢管的塑料膜包装经塑料水浴脱Cl－试验分析结果表明:内层塑料Cl－浓度较高。而钢管包装按照《钢管的验收、包装、标准和质量证明书》(GB/T 2102－2006)要求不锈钢抛光管捆扎前应逐根用塑料薄膜包裹，冷拔或冷轧不锈钢管捆扎前应不少于两层的麻袋布、编织袋或塑料布紧密包裹。在潮湿环境下塑料布由于有支撑，不与不锈钢管壁紧贴。而使用塑料膜则会紧贴不锈钢管壁形成水膜。一般使用的塑料膜为聚氯乙烯PVC，其分子链和助剂中含有Cl－离子，在南方春、夏潮湿的环境下，阳光照射促使塑料断键，其Cl－离子会游离出来并在水膜中局部浓缩，从而形成腐蚀源［4］。

(5)经涡流检测发现该批次的不锈钢管还存在裂纹等缺陷，说明该批管子材质存在质量控制不到位情况。

5 结语

分析认为该批奥氏体不锈钢包装不当使Cl离子与管子外壁接触，破坏了奥氏体不锈钢表面钝化膜，表面自钝化的平衡态被破坏，氯离子Cl－吸附在钝化膜表面，把氧原子排挤掉，使钝化膜上钝化比较薄弱或材质存在缺陷的点域被击穿，形成点腐蚀，并深处发展最终使钢管穿孔泄漏。同时，钢材本身耐蚀性能相对较差也有助于加快腐蚀的进程。

在使用中采取措施控制奥氏体不锈钢局部腐蚀的发生，重点是解决好水的处理问题，控制好水质，做好运行维护保养，不断积累使用经验，实现不锈钢管凝汽器安全经济运行。

［1］梁磊，修思刚，朱云鹏，等.304不锈钢管凝汽器腐蚀原因研究［J］.汽轮机技术，2007，49(1):78－79.

［2］张婕，丁俊峰.影响不锈钢列管冷凝器孔蚀的因素［J］.粮食与食品工业，2007，16(1):41－42.

［3］ASTM A213/A213M－02.Standard specification for seamless ferritic and austenitic alloy－steel boiler，superheater，and heat－exchanger tubes［S］.West Conshohocken，PA 19428－2959，United states.2001(II).

［4］李兴.不锈钢凝汽器管使用中的问题与对策［J］.天津电力技术，2008(4):19.

［5］张雪飞，张志国，杨立君，等.600 MW机组炉水氯离子含量超标原因分析及治理［J］.电力科技与环保，2013，29(4):35－38.

［6］徐书德，卢泓樾.600MW超临界燃煤机组捞渣机渣零排放研究与实施［J］.电力科技与环保，2015，31(6):32－35.

Analysis on cause of new austenite stainless steel tube＇s corrosion and leakage

The new austenitic stainless steel of a power plant occurred corrosion leak in a leakage test.By eddy current testing，microstructure analysis，corrosion component analysis，the corrosion proof and comparative analysis，combining the characteristics of the new austenitic stainless steel，results show that the packaging of condenser does not meet the standard requirement and Cl contact with the outer wall of the tube，which destroyed the passivation balance of the austenitic stainless steel surface and result in corrosive perforations leakage for Cl medium.

austenitic stainless steel;TP304L steel;corrosion;leakage

TG172

B

1674－8069(2016)06－040－03

2016-07-22;

2016-08-13

黄桥生(1980-)，湖南衡东人，高级工程师，主要从事金属技术监督与技术服务工作。E－mail:63292537@qq.com