埋地铸铁海水管失效分析_图文(精)

埋地铸铁海水管失效分析
张慧敏 1、 2潘家祯 1王志文 1
1—华东理工大学, 2—上海应用技术学院
摘要:本文主要研究输送海水的铸铁管失效的原因及机理。

通过对失效的管线进行宏观形貌、金相分析、能谱分析、微观裂纹极其断口分析,得到了失效的原因为 Cl -离子及氧存
在下的电化学腐蚀与化学腐蚀,并对腐蚀机理进行了阐述。

关键词:铸铁管,失效,机理
An analysis of failure in cast iron seawater buried pipe
Hui-min Zhang1、 2 Jia-zhen Pan 1 Zhi-wen Wang 1
1— East China University of Science and Technology 2— Shanghai Institute of Technology Abstract :This paper mainly analysis the cause and principle of the failure in cast iron seawater pipe. Through the failure analysis of the gray cast iron pipe with morphological character, metallographic examination, scanning electron microscope it is found that the cause of the failure is the action of electrochemical corrosion and chemical corrosion when the cl- and oxygen is exited. The principle of the corrosion is also discussed.
Keywords: cast iron pipe, failure analysis, principle
1. 失效铸铁管的尺寸与工作环境
铸铁管被广泛用于埋地管线中, 其输送的介质各异。

铸铁管因其价格便宜,铸造方便而被广泛使用。

研究铸铁管的失效机理有助于对新铸铁管进行防腐设计,或改善铸铁管的防腐性能。

本文分析的失效铸铁管为上海石化股份有限公司炼化部输
送海水的埋地铸铁管,其使用年限为 28年,直径为 630mm ,壁厚为 12mm ,防腐措施为:内衬聚合物砂浆,外防腐采用橡胶石油沥青。

介质为海水,对海水分析的结果为:悬浮物 1000mg/L, 含氧量 9.6 mg/L, 含盐量 1.36%, PH=8左右,电阻率为60.2Ω/cm,氯离子 8000 mg/L, 含沙量 0.5Kg/m3。

图 1宏观失效形貌
2. 铸铁管失效的宏观形貌
该铸铁管失效的宏观形貌为:有一处较大的腐蚀穿孔,孔表面有疏松的腐蚀产物,孔口参差不齐;内表面有一层较薄的腐蚀产物,与管壁贴合良好,表面有龟裂;外表面无裂纹及腐蚀情况; 沿横截面掰开管子发现有多处环向裂纹,母材的颜色分为两层,靠内表面一层的颜色暗黄,靠外表面一层的颜色为灰色, 分层面为波浪形, 如图 1所示。

3. 测试分析
为了分析失效的原因及机理, 对失效管道进行了如下测试分析:
3.1母材金相组织分析
沿横截面取远离腐蚀穿孔处的管材进行金相分析,抛光后的试件也明显分为二层,在靠近内壁一层为黑色无金属光泽,靠近外壁一层为灰色, 有金属光泽。

图 2为靠近外壁一层的母材的金相组织, 图中可清晰地看到片状的 Fe
3
C 与铁素体组成的珠光体及菊花状的石墨,为灰口铸铁;图 3为两层交界处母材的金相组织图,可见靠外壁一层(左处仍可见少量的石墨和珠光体与白色的铁素体,但靠近内壁一层原石墨的位置已不是黑色而是白色了,在原珠光体处变为黑色,有极少
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数的地方留有白色的铁素体与片状的 Fe 3C ,在基体各处布满大小不一深浅不同的小孔,其位置大部分沿原石墨的周边在原珠光体处,只有少量穿越原石墨的位置;图 4为靠内壁一层母材的金相组织,其上原石墨的位置处为白色,原珠光体处
图 2靠外壁一层母材金相组织500x
图 3两层交界处母材金相组织200x
图 4靠内壁一层母材金相组织 500x
为凹凸不平的黑色,基体上分布着大小不一的孔, 只有极少数的地方还留有小面积的珠光体。

3.2母体材料成分及硬度分析
将做金相组织的试件在扫描电镜上做能谱分析,得到靠外壁一层、靠内壁一层及交界处的成分,如图 5、图 6、图 7所示。

将同一试件在显微硬度计上进行硬度测试,测试结果列在表 1内。

图 7靠近内表面处的成分
表 1显微硬度(Hv 测试结果硬度 Hv 值
位置
第一次测试第二
次测
试
第三
次测
试
平均
值
加载
外层 50g 内层 50g
灰口铸铁的化学成分 (Wt大致为:2.8~4.0%C, 1.0~3.0%Si, 0.6~1.0%Mn<0.15%S, <0.4%P。

珠光体灰口铸铁的机械性能为 :抗压强度为 180~450MPa,硬度HB 为 140~240。

将上述测试结果列在表 2中加以对比。

由能谱分析可知, Cl-的含量在交界面最多,而在内表面较少,外表面不存在,交界面有较大的裂纹存在使海水中的 Cl-离子通过裂纹与组织中的孔隙由腐蚀穿孔处进入交界面,由此可知内表面的水泥砂浆起到了一定的防腐作用;从对比中还可发现, O 元素在交界面与内表面中都有较大的百分比, 说明内表面也有明显的氧化,即水泥砂浆对海水中富含的氧没有防护作用,而交界面上的 O 与 Cl 一样是通过裂纹与组织中的孔隙进入的。

在内外表面及交界面上铁的含量也有很大的变化,内表面及交界面处铁含量明显降低,而氧含量较高,说明有氧化铁存在及铁元素被腐蚀掉了。

在表中还可看到碳含量在内外表面处较高,
表 2
Element C KO K SiK 硬度 Wt%At%Wt%At%
靠近外表面处
01.3301.47288.4二层交界面处 00.4700.5308.8107.84 靠近内表面处 06.9604.9501.7000.96
这是由于扫描电镜对碳含量的测量有误差所致。

硬度在靠内表面一层明显下降,这是由于较硬的
Fe 3C 大量的减少,而代之的氧化铁、氢氧化铁及
大量的腐蚀孔洞使硬度急剧下降。

3.3母体材料裂纹分析
从裂纹的金相组织看,裂纹应为微观腐蚀小
孔连接而成,可从图 3及图 8观察得到。

裂纹的
端点为圆弧形,如图 9所示。

裂纹的走向如图 10
所示,为环向的,处于靠近内壁面一层内,裂纹
的周围布满小孔。

图 8裂纹金相形貌 100x
图 9裂纹端点的形状 100x
图 10 裂纹走向 100x
3.4母体材料断口分析
对壁厚上两层分界面的断口进行扫描电
镜分析,得到如图 11与 12的断口形貌。

图 11
中可见,表面布满直径约为 1µm的孔洞及白色的条状氧化物。

图 12可见方形条状及少数片状的物质,主要为氧化物,断口整齐。

图 11扫描电镜断口形貌 1000x
图 12扫描电镜断口形貌 5000x
4. 失效原理分析对铸铁管而言, 失效的主要原因是腐蚀及材料的脆性 [1], 大部分铸铁管的失效是由外载荷、内压、制造缺陷及腐蚀破坏引起的,而坑点腐蚀是最常见的一种失效形式。

从上述检测结果及工作环境、材料、防腐措施来分析,内压较小,因内压引起的环向应力及径向应力较小,可以不考虑;而从工作环境看,富含氧及 Cl 离子的海水,极具腐蚀性,而在靠内表面一层及两层交界面上的成分分析也发现 O 及 Cl 这两个元素,故主要为腐蚀破坏。

4.1腐蚀机理分析
海水是强电解质溶液, 电导大, 电阻性阻滞很小,不仅微观电池活性大,同时宏观电池活性也大,铸铁在海水中阳极极化很困难,海水中大量存在的 Cl-离子能阻碍铸铁产生阳极极化 [3]。

本铸铁管的基体组织为石墨 G 、铁素体 F 、
珠光体(F+Fe3C ,见图 2。

石墨的标准电极电位为 +0.37V,铁素体的标准电极电位为 -0.44V , Fe 3C 的标准电极电位介于两者之间,不同的电位差在海水中组成腐蚀原电池。

在铸铁管内的水泥砂浆存在局部剥落的情况下,海水与基体金属接触,存在腐蚀条件,且海水中供氧充分, 可从图 6、图 7成分分析中得知, 基体处在供氧充分的介质中时,电极电位较负的铁发生氧化反应, 氧在微石墨电极上发生去极化还原反应。

Cl-在腐蚀过程中的贡献是诱导,加剧孔蚀 [4]。

连续分布的片状石墨将基体分割成无数个不连续的“小格子” ,处于不同位置的基体与电解质 (海水接触的程度不同,氧的浓度也不同, 存在氧浓差腐蚀电池,氧浓度较高的微区作为阴极,浓度较低的微区作为阳极,主要反应下:
阴极: −−→++
OH e O O H 2221
22 阳极:+−++→H e O O H 222
1
22
↑+→++
+
222H Fe
Fe H
铁的腐蚀使铁素体基体出现微孔, 由于铁离子的积聚,使 Cl-、 OH-离子向远离初始腐蚀微孔氧浓度较低的阳极迁移,并形成各种化合物及络合物,主要反应有:
222FeCl Cl Fe →+−+ ↓→+−+22 (2OH Fe OH Fe
−++↓→+H OH Fe O H Fe 2 (2222
Cl OH Fe OH Cl Fe (2→++−−+
另外, Fe 3C 因电极电位底于石墨也会发生电化学腐蚀,使原珠光体处出现凹突不平的黑
色,即出现腐蚀产物。

除了上述的化学反应外,还发生析氢腐蚀。

这些反应使靠近内表面的一层基体组织中布满小孔, 见图 4, 而且石墨在反应过程中与基体脱离,在试件制备时脱落,露出白色的铁素体及各种化合物及络合物。

如果没有水泥沙浆的衬托,内表面可能已脱落,故实际壁厚应只有靠近外表面一侧的壁厚才能算有效壁厚。

另外, 靠近内表面一层的金属也呈现出黑色,而并非正常的灰色。

由于微小孔洞的存在和铁素体、渗碳体被腐蚀,而使靠内表面处的硬度大幅度
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降低。

4.2裂纹产生、扩展机理分析
从图 3~4的微观结构中可见, 基体中布满小孔,其边缘形状没有尖角,该小孔是由于电化学腐蚀产生,小孔逐渐长大与其周边的小孔相连,形成初始裂纹。

从图
8~10中可见,裂纹的形状及尖端的形貌,可以证明裂纹是由腐蚀小孔相连而产生的。

为什么裂纹是由小孔环向连接而成,而不是象应力腐蚀那样为垂直的呢? 应该说有两个原因。

首先,管内介质无压力, 没有膜应力存在;其次,从内、外、中三个表面的化学成分上看,中间面的 Cl -的含量较高, 既腐蚀沿中间面扩展较快,产生以环向裂纹为主的网状裂纹。

裂纹的走向与海水介质的渗入方式有关。

5. 结论
通过上述分析,可得到如下结论:
1. 铸铁管输送富含氧的海水时, 因电化学腐蚀,易在近介质处产生微小的坑点腐蚀,部分坑点腐蚀连接就会形成网状裂纹。

2. 水泥沙浆因其水溶性及孔隙率较大, 不适宜作为内防腐层。

6. 防止失效对策
对新管道, 减缓铸铁在海洋环境下腐蚀的措施可以从几方面考虑,首先可以从表层的防腐上考虑,如可以对内表面进行金属热喷涂和有机涂层防护,目前也有一些研究有关方面的文章;其次可以在基体材料的合金化上考虑,如
低碳高硅铸铁等,基体组织中无石墨相,腐蚀
原电池大为减少,并且铸铁表面也可生成电阻
很大的 SiO
2
氧化膜,可使腐蚀速率提高一个数
量级 , 从普通铸铁腐蚀速率的
0.12mm/a~0.3mm/a提高到 <0.01mm/a[3]。

对在用管道, 应注意定时监测, 及时发现问
题,及时更换。

参考文献:
[1]J.M.Makar, Apreliminary analysis of failures in grey cast iron water
pipe,Engineering Failure Analysis 7(200043-53.
[2]A.Neville,T.Hodgkiess,H.Xu, An electrochemical and microstructural assessment of erosion-corrosion of cast iron,
wear 233-235(1999 523-534.
[3]王荣峰,韦华,夏兰廷,赵桂卿,铸铁
在海洋腐蚀环境下的防护措施, 铸造设备
研究, 2001年 10月。

[4] 夏兰廷,韦华,石墨形态对铸铁静海腐
蚀性能的影响,太原重型机械学院学
报, 2002年 3月。

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