海水管道腐蚀泄漏分析

吉莉红 

上海船舶工艺研究所

摘 要：

本文从理论上分析了海水管道出现腐蚀现象的原因，认为异种钢接头两侧存在电偶腐蚀及点腐蚀的加速是产生泄漏的主要原因。同时阴极保护不充分、海水冲刷、异种钢的脱碳层、氢的影响也是产生泄漏的重要原因。并介绍了管道系统中所采取的相应的腐蚀防护方法。

关键词：电偶腐蚀、异种钢、管道、海水腐蚀、

前 言：

海水是较强的腐蚀介质，对钢铁材料有很强的腐蚀性，使得以海水作循环冷却水的管道循环水系统腐蚀问题日益突出。目前，许多沿海循环水泵采用了涂料及外加电流阴极保护的措施，使腐蚀得到了一定程度的控制。

由于海水腐蚀的方式和速度受到很多相关因素的影响，加上设计或制造时忽视了腐蚀的影响，造成部分系统的设备早期失效进而影响设备的安全运行。

设备以海水作循环冷却水，以开式水管道为例，管道材质为Q235（碳钢），规格530*6mm，管道设计压力为0.6Mpa，管道采用阴极保护-牺牲阳极铝块加防腐涂料（防腐厚度500um） 进行防腐，外壁采用两油三布。清洗滤水器2*2台，内壁材质316L 设计压力位0.8Mpa,设计使用温度为80度，接头法兰为316L；开冷泵2*2台，接头材质为碳钢；管道内的蝶阀材质为碳钢，蝶阀壳体材质为CrMo。

#1机组1月进入投运， 6月2日至6月20日运行人员陆续发现#1机组开式水管道清洗滤水器进口管道发生泄漏（见图一）。

图一（开式水管道泄漏点示意图）

现场共计发现泄漏点6处（见照片一、二、三），泄漏孔洞直径8~20mm左右，封堵后继续运行。

 1#机组海水管道泄漏点  

 

照片一                   照片二                       照片三

6月21日对#1机组开式水管道进行解体检查。

一、#1设备开式水管道系统主要存在的问题:

1）清洗滤水器进口管道内壁部位的碳钢母材上（离异种钢接头焊缝7~10mm处）全周发生严重的锈蚀管道部分点位置已经穿孔泄漏（见照片四、五），导致发生多处明显电蚀坑洞，腐蚀坑的深度平均在3.0~1.0mm之间。

腐蚀坑

 

       照片四                              照片五

以上照片为保留异种钢焊缝机械切割后的废弃管段

2) 系统管道经超声波测厚检查，壁厚平均分布在4.5～5.5mm，大部分管道内壁防腐材料正常(防腐层厚度测量平均分布在200um~400um之间)，未见明显的起壳和锈蚀。部分管道焊缝及弯头处未见防腐材料，表面锈蚀严重，已经产生大面积蚀坑，腐蚀坑的深度平均在0.1~0.5 mm之间，经防腐层厚度测量平均分布在200um~400um之间。

3) 蝶阀阀体内表面、阀杆位置部分防腐材料起壳，伴随发生部分锈蚀，伴有小面积的蚀坑（见照片六）。

照片六

二、泄漏和腐蚀原因分析

海水是较强的腐蚀性电解质溶液，具有较高的含盐量和较强的导电性、生物活性，钢铁本身就是合金，而海水中含有丰富的盐， 海水的含盐量和水温情况，在本工程中使用的钢铁材料在海水中更容易形成原电池，从而使电化学反应更强、更容易被腐蚀，金属在海水中受到较强的腐蚀。有实验结果表明：Q235在海水中的平均腐蚀速度为0.65mm/a，穿孔速度为平均腐蚀速度的5～7倍。

    设备开式水系统采用外加电流阴极保护系统加涂料进行防腐，管道内壁得到了较为有效的保护，但除了海水正常腐蚀原因外，还存在以下腐蚀因素造成了异种钢接头附近的材料的腐蚀泄漏。

1、防腐层未能有效覆盖或厚度不够形成的海水腐蚀及阴极保护-牺牲阳极铝块的设计不合理导致的保护不够

在开式水管道系统解体检查过程中我们发现：

a、本管道中采用的阴极保护为铝牺牲阳极，但是在牺牲阳极安装过程中，异种钢焊缝离开牺牲阳极位置大概有9米左右，未能很好的起到阴极保护的作用（见图一）。

b、管道部分组合焊口、弯头内壁没有进行防腐处理或防腐层厚度只有设计厚度的20%。分析原因是由于管道安装和防腐作业不是同一单位，而业主、监理没有有效进行现场施工协调，导致部分管道内壁没有有效的进行防腐处理。

由于部分管道内壁直接裸露、或经过短期冲刷后裸露在海水中，部分管道内壁产生海水腐蚀，部分区域由于海水中空气的存在已经出现穴蚀又称空泡腐蚀或气蚀。

2、异种钢接头两侧存在电偶腐蚀 （couple corrosion）

    清洗滤水器高颈法兰与管道相接的焊缝接头是316和碳钢的异种钢接头。接头高颈法兰是316不锈钢材质，与碳钢材质的管道在海水中相连接必然存在电位差。碳钢在海水中的自然电位为－0.66～－0.59 V，而不锈钢的自然电位为－0.2～0.5 V，其间存在高达400 mV的电位差。金属的电极电位越负，表示金属容易离子化，即不耐腐蚀；电极电位越正，金属越耐蚀。因此在异种钢接头内壁直接裸露在海水中，存在着严重的电偶腐蚀，导致接头靠近碳钢管道部分的母材快速腐蚀。

（见图二）。两种金属相距数十米，只要存在电位差，并实现电联结，就可能发生电偶腐蚀。

鉴于本次解体后的实物检查结果和理论分析，不同金属间电偶腐蚀是产生碳钢管道穿孔导致泄漏的主要原因之一。

3、点腐蚀加速和氢的影响

点腐蚀它通常是由于金属表面上的某个缺陷（气孔、凹坑）而引起的。一旦腐蚀开始，则铁离子反应并形成亚铁离子。亚铁离子进一步氧化成三价铁离子。氯化物试图转移到坑或缝隙区内并且pH 值降低至大约1 或更低。在该区中氧含量很低。在坑或缝隙的外面大量溶液中，氧含量很高。随着坑的底部趋于阳极化，坑或缝隙的周围区趋于阴极化，于是电池电流的关系即被形成。当坑或缝隙中的腐蚀进一步扩展时，则变为自催化反应。三价铁离子与氯离子作用形成氯化铁。该反应不断重复并快速产生金属穿孔现象。从开式水管道解体后的内壁观察，发现电偶腐蚀伴随着点腐蚀的加速造成管道的最终泄漏。

在腐蚀反应、阴极保护和电解过程中都有可能产生氢，大部分的氢迅速结合成氢气排出，少部分氢可能扩散到金属内部，形成氢鼓泡氢脆，造成金属材料的破坏。

在异种钢接头中，由于316不锈钢侧一侧加入了Cr16、Mo2等合金元素能生成稳定的碳化物，相对于碳钢则对氢影响的腐蚀量也少，即在海水中，碳钢侧的腐蚀明显高于316不锈钢侧的腐蚀量。

三、泄漏返修措施和改进

1、将异种钢接头处的碳钢管段进行整体更换

由于业主没有重新更改设计，所以暂时还保留此异种钢接头存在。在返修作业期间，将原先的异种钢接头部分的接头全部清除并更换被腐蚀严重的碳钢管道，从新进行焊接。

2、对异种钢接头部位提高防腐、绝缘等级处理

采用万能角向磨光机打磨（除锈）达到st3级要求。现场刷涂环氧防锈底漆四道，每道厚度80um，刷涂环氧煤沥青漆四道，每道80um，总计厚度640um。

3、增加辅助阳极，保证阴极保护效果

在异种钢接头部位、蝶阀及开冷泵进口位置增加辅助阳极锌块牺牲阳极-阴极保护措施，从而降低不锈钢侧的自然电位，避免由于碳钢管道防腐意外破损导致的电偶腐蚀反应。并使阴极保护效果达到设计要求。

4、对管道内壁进行整体检查，对防腐厚度不达标的部位进行增补，保证防腐达到要求。

四、总结

本文分析的开式水管道泄露的主要原因是电偶腐蚀和点腐蚀的加速造成了开式水管道在运行5个月后发生泄漏，其他包括异种钢的脱碳层、氢的影响等因素是辅助产生腐蚀的因素。

为保证设备开式水管道的正常运行，对于异种钢接头及海水管道建议从以下几个方面进行改进和落实。

1、从设计上尽量减少异种钢接头或设置绝缘垫片，以降低阳极区域面积，减少电偶腐蚀的影响。在无法避免异种钢接头的情况下，应优先选择在316不锈钢侧设置阴极保护-锌牺牲阳极块，以降低管道内金属的电位差，避免电偶腐蚀的发生。在地面部分的阳极牺牲块应设计在法兰短节中，便于防腐作业和检修作业。

2、在异种钢接头碳钢侧母材区域范围内，彻底清除表面飞溅等几何高低不平部分，以避免电偶腐蚀面积比值太大导致的电流密度急剧增加，并在此区域适当提高防腐等级，提高该区域的绝缘效果，减少电偶腐蚀的发生概率。

3、在安装过程中必须严格做好清理和防腐工作，并主要对防腐的效果进行厚度、绝缘、剥离等阶段验收，保证管道的防腐效果。

4、对管道系统内的阴极保护系统在安装后进行分区域进行电流测试，以确定阴极保护的效果和安装质量。

五、结束语

通过对管道泄漏的理论、实物分析，对海水管道泄漏的原因作出了正确的解释，得到业主、设计、监理的认可，赢得了新加坡精英集团旗下百达建设公司的好评。

对于异种钢接头碳钢侧母材区域的泄漏分析给我们留下一定的实践经验，此类泄漏分析经验可以扩展运用到其他在海水中存在高电位差的异金属包括凝汽器、循环水等海水介质容器、管道，对我们今后的系统设计、设备安装、在役运行检测等专业起到一定的参考价值。

在开式水系统异种钢接头的泄漏返修、改进过程中，通过理论分析抓住重点原因结合施工中的各种现象，解决管道泄漏的问题，保障了机组安全运行，提高经济效益。

参考文献

[1] 朱相荣. 金属材料的海洋腐蚀与防护［M］. 北京：国防工业出版社，1999.

[2] 胡士信. 阴极保护工程手册［M］.         北京：化学工业出版社，1999.

[3] 陈强等. 湛江发电厂循环水泵的腐蚀防护综合治理[J ] .

                  广东电力, 2003 , Vol . 16 , NO. 4

[4] R.W.Ross        腐蚀的基本原理Fundamentals of corrosion       

[5] 朱相荣、张启富  海水中钢铁腐蚀与环境因素的关联分析

海洋科学 2004.24

[6] 曹楚南. 腐蚀电化学原理       化学工业出版社       2008.03

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