中国石油化工股份有限公司天津分公司水务部 天津 300271
摘要：本文以某污水净化装置中高效过滤器的管道泄漏为例，主要通过宏观检验、光谱分析、金相检测等手段分析了不锈钢管道的腐蚀失效原因，阐述了氯离子腐蚀机理，并简要从选材、焊接两方面提出对策。
关键词：污水回用；氯离子；奥氏体不锈钢；腐蚀；焊接
1概况
石油化工工业废水成分复杂，根据生产的产品采取不同的工艺，构成污染物质的多样性，污水中有机物、无机物浓度高，尤其是针对不锈钢设备，往往受介质中卤素离子（Cl- 、Br-）的影响，加上制造加工不得当，未完全发挥其优良的性能便过早失效。
某污水处理厂净化装置的高效过滤系统于2011年6月建成投运，处理水量为420 m3/h，整个系统共5个单元，每个单元4台高效过滤器（Φ1200×1100mm），其采用石英砂作为过滤介质，将悬浮在水中的杂质颗粒有效截留在过滤介质中，当运行时间或运行压差达到设定值时，系统进入反冲洗状态。系统运行两年多，发现高效过滤器管道开始出现渗漏，补焊后不到一个月又开始泄漏。
2腐蚀状况
2.1外壁宏观检验
发生腐蚀泄漏部位主要位于系统每个单元的进、出水主管，轴测图如图1。管道材质为304不锈钢，规格φ89×3mm；焊接连接（氩弧焊）,工作压力：最小0.15Mpa，最大0.8Mpa，工作温度为常温，腐蚀泄漏点主要靠近管道焊缝，以进水管最多，几乎每条与三通连接的焊缝附近都有泄漏孔，长时间已被锈蚀产物堵塞，个别直管母材有针孔泄漏。
2.2内壁宏观检验
管道内表面覆盖一层黑色泥状物，泥状物下面呈现锈色产物。清理内壁污垢发现焊缝附近的热影响区（宽度范围为20-30mm）存在焊接回火色，呈明显深蓝色，且存在穿透性针孔，局部已形成密集点蚀坑，蚀坑最大为6×3mm，针孔孔径小于0.5mm，肉眼可见。
3原因分析
3.1水质分析
对高效过滤系统的进出水进行化验分析，PH值呈中性，氯离子浓度平均达到450mg/L，电导率3200μs/cm，具有一定的腐蚀性，同时介质中总固体含量较高，在管道中处于流速过低或滞流状态时，易产生沉积，促进氯离子富集和垢下腐蚀。
3.2光谱检测及金相分析
图2 热影响区端面组织 ×200
对管道外壁母材、焊缝进行光谱检测分析，确定304不锈钢母材及其焊接所用焊材的材质成分均在标准范围内。然而焊缝金属主要是由填充金属和少量基本金属组成，填充金属（焊丝）选择的正确与否对焊缝金属的质量起决定性作用，奥氏体不锈钢焊接（如304不锈钢焊丝一般选用为H0Cr21Ni10）中焊缝金属所含合金元素铬（Cr）镍（N）的含量，一般都高于母材的选择，所以此管道焊缝相对于热影响区腐蚀较轻。
但通过内壁宏观检验，发现焊缝附近的热影响区存在焊接回火色，呈明显深蓝色，对内壁母材与热影响区氧化皮表层进行光谱检测对比，热影响区氧化皮表层铁含量在72%范围，高于母材表层的68%，并分别对母材、热影响区做金相检测对比，发现热影响区金相组织明显发生了变化，奥氏体晶粒粗大，晶粒内及晶界有碳化物析出。图1为母材正常奥氏体组织，图2为热影响区组织。
由于不锈钢材料在高温下极易与周围的空气等发生氧化反应，焊接的全过程要始终处于隋性气体的保护，如果保护不好，造成焊缝背部（包括热影响区）产生被氧化、气孔、成型不良等缺陷。同时在焊缝及其附近区域，由于焊接热循环的影响，其金相组织变化很大，焊接氧化皮外层由Fe的氧化物，而内层则主要由Fe和Cr氧化物的两层结构所组成，加上氧化膜缺陷较多，其孔蚀电位低，膜下方的金属贫铬造成无法钝化保护，给氯离子吸附、腐蚀创造了条件。
4腐蚀机理
奥氏体不锈钢具有优良的机械性能和耐腐蚀性能，而耐腐蚀性能主要基于本身的钝态性，即用钝化机理中的膜理论解释，其表面能形成一层具有保护性、薄而致密的钝化膜（一般以铬的氧化物为主）这层膜是腐蚀介质扩散的阻挡层，成为防腐蚀的基本屏障，并具有自钝化特征，通常在氧化剂(如空气)存在时能保持或修复膜。
但如果不锈钢表面存在局部缺陷（非金属夹杂、划伤等），或在具有起活化作用的Cl- 、Br-等卤素离子存在的条件下，钝化膜局部破坏后，微小破口暴露的金属成为电池的阳极，周围大面积的膜称为阴极，阳极电流高度集中，使腐蚀迅速向内发展，形成蚀孔。由于阴、阳两极彼此分离,腐蚀产物将在孔口形成阻塞，孔内介质相对于孔外介质呈滞流状态,内外对流和扩散受到阻滞，蚀孔内形成闭塞区（也称闭塞电池），蚀孔内的氧迅速耗尽,只剩下金属腐蚀的阳极反应，蚀孔内很快积累了带正电的金属离子，为了保持电中性，带负电的氯离子从孔外迁入孔内，氯离子浓度增大，形成金属氯化物，其发生水解产生H+，蚀孔内PH值下降，使阳极溶解加快,反应方程式：M++CL-+H2O →MOH+H++CL- ，氯化物水解使介质酸度进一步增加,蚀孔的高速度深化,最终把金属断面蚀穿【1】。
5对策
5.1合理选材
1、设计中应充分考虑介质中所含腐蚀性物质含量，氯离子浓度作为不锈钢选材的重要影响因素，但还存在多个影响选材的其它因素，允许氯离子浓度上限也取决于 pH 值、温度、以及其它溶解在水中的物质。有资料表明，304不锈钢一般应用在氯离子含量不超过200mg/L的水中，316 不锈钢更适用于氯离子浓度超过 200 mg/l 的更苛刻的腐蚀环境，以及存在一些其它不利因素，如低硫酸盐含量和存在紧密的缝隙，316不锈钢一般使用上限为氯离子浓度1000mg/L【2】。考虑到焊接因素对不锈钢耐蚀性的影响，应尽量选择低碳型不锈钢，如304L、316L，这样可以降低焊接热影响区所析出的碳化物，对耐腐蚀性能的影响降至最低。
5.2焊接控制
奥氏体不锈钢管道焊接在采用氩弧焊时，背面应完全充氩气保护（氩气纯度不低于99.99%），保证背面不被氧化，一般焊好的焊口以银白色及金黄色为佳，同时为防止碳化物析出而造成的耐蚀性降低，应采用尽可能小的焊接电流与尽可能大的焊接速度，快速冷却，减少热影响区，从而减少或避免晶间腐蚀和点蚀，延长使用寿命。
参考文献
[1]王巍；薛富津；潘小洁，石油化工设备防腐蚀技术，北京：化学工业出版社，2010.
[2]Ulrich Heubner；Werdohl，不锈钢在污水处理设施中的性能表现，材料和应用系列，Euro Inox2010（Nickel Institute）.