不锈钢管道腐蚀分析

不锈钢管道

Arthur H. Tuthill

不锈钢用作自来水管具有成本效益。

自六十年代中期以来，不锈钢已广泛用于饮用水工业，包括在水淡化厂用于处理加工淡水；在饮用水处理厂用于沉淀过滤装置和管道；在日本东京，不锈钢小口径管用家用自来水连接管。在纽约市，不锈钢大口径管用于立柱管和其它管道。不锈钢最为人们所熟悉的应用是喷嘴式饮水龙头。本文给出了304（UNS 30400）和316（S31600）不锈钢的背景资料和一般数据，并报道了目前不锈钢在饮用水方面的应用。对不锈钢在原水、氯化处理的水和纯净水中的行为以及埋在土壤里的管道的状态进行了评述，并论述了制作后清理以及外观的维护和保持清洁的方法。提出了成功应用不锈钢的指导方针。

不锈钢的不锈特性归结于其表面附着的一层厚度仅为几埃的坚固的铬氧化膜，这层铬氧化膜在空气或水中立即形成，并且能在划伤或损坏后自行修复。不锈钢易于焊接，尽管其焊接技术与普通碳钢的焊接技术稍有不同。316、316L（S31603）、304、304L（S30403），以及相应的铸钢钢号CF8M（J93000）、CF3M（J92800）、CF8（J92600）、CF3（J92700）是应用最广的锻造和铸造牌号。

表1给出了这些钢种的化学成分和机械特性。

表1 锻造和铸造不锈钢的化学成分%

牌号 UNS编号C（最大） Cr Ni Mo

锻造

304 S30400 0.08 18.0~20.0 8.0~11.0

8.0~13.0

18.0~20.0

304L S30403 0.035

2.0~

3.0

11.0~14.0

316 S31600

16.0~18.0

0.08

2.0~

3.0

11.0~15.0

316L S31603 0.035

16.0~18.0

铸造

CF3 J92500 0.03 17.0~21.0 8.0~12.0

CF8 J92600 0.08 18.0~21.0 8.0~11.0

CF3M J92800 0.03 17.0~21.0 9.0~13.0 2.0~3.0

CF8M J92900 0.08 18.0~12.0 9.0~12.0 2.0~3.0

不锈钢管在饮用水工业中大量使用的一个事例是用于美国、加勒比和中东的水淡化处理加工管道，304L和316L不锈钢用于水处理的收集水槽和混合厂的管道，生产出的高纯净水和当地可用的地下水在混合厂进行混合。

1 化学成分对性能的影响

不锈钢的化学成分有两个主要差别。一些牌号含有2%~3%的钼，而另一些则没有。牌号316/316L和CF8M/CF3M含有2%~3%的钼，大大提高了它们耐局部腐蚀的性能。当不锈钢发生腐蚀时，其腐蚀是局部的即呈现一个或多个小坑。在天然水中，不锈钢不会像碳钢那样受到全面腐蚀。保护不锈钢不受腐蚀薄而坚韧耐久的铬氧化膜有时会有一些缺陷，当环境条件对保护膜上的薄弱点有足够的腐蚀性时，不锈钢正是在这些缺陷处发生腐蚀。除了制作和装运过程中铁粒嵌入表面引起的生锈情况外，不锈钢曝露在空气中很少发生腐蚀，但在特殊条件下暴露于水中或埋入土壤中有时会发生腐蚀。在304/304L不锈钢会发生局部腐蚀的那些环境条件中，钼大大提高了材料在这些介质中耐局部腐蚀的性能。含钼不锈钢的耐腐蚀性比标准不锈钢稍好一点，因此它们常常用作某些将来腐蚀性有可能增加的环境中的防腐材料。

用户应当了解到不锈钢成分的第二个差异是碳含量的不同。304L、316L、CF3和CF3M 的含碳量（见表1）最高为0.03%，而304、316、CF8和CF8M的含碳量最大为0.08%。锻造的低碳牌号用于管道等焊接制造，当预料将来某个时候要进行修理或重建时，铸造的低牌号常被指于泵的铸造。采用低碳牌号保证了焊接热量将不会使焊缝的热影响区（HAZ）敏化而产生晶间腐蚀。敏化这一术语描述了某些环境下，老牌的高碳不锈钢（含碳（0.08%）由于在焊接过程中焊缝周围热影响区发生碳化物的析出而导致的耐腐蚀性的下降。在大多数空气和淡水环境下敏化不大可能导致晶间腐蚀，但在化学清洗操作中，它会导致严重的腐蚀。对所有的焊接制造包括制管指定采用低碳牌号以避免晶间腐蚀已成为标准化的做法。

高碳钢种的强度稍微高一些（见表2），当稍高的强度是有利因素而焊接不是重要因素的情况下，泵和阀门制造商常常采用高碳钢种制造泵轴和阀杆。

表2 锻造和铸造不锈钢和机械性能

钢种UNS编号抗拉强度屈服强度延长率（%）

最小(ksi) 最小(ksi) 2英寸的管304 S30400 75 30 35

304L S30403 70 25 35

316 S31600 75 30 35

316L S31603 70 25 35

CF3 J92500 70 30 35

CF8 J92600 70 30 35

CF3M J92800 70 30 30

CF8M J92900 70 30 30

2．不锈钢在东京和纽约配水系统中的应用

东京供水局经过十年试验，首创了从街道的辅助干线到住所的测量仪表间的连接管道（管接头）使用了不锈钢，从根本上降低了渗漏率（见图1）。东京市计划到1997年所有住宅区全部安装不锈钢的管道连接。东京也开创了在公路桥上采用不锈钢管道代替易出故障的河底管线。

纽约市在对备选材料进行了15所评估的基

础上，开始在城市配水系统3号输水管道一期的

大口径立柱管大规模采用304L不锈钢，并已于

1993年投入使用。在建的二期工程更加大量地

采用了不锈钢管道。不锈钢管道正在有选择性被

用于那些难于更换和要求最长使用寿命的区段。

不锈钢用于水处理厂的大型控制常沉

淀过滤装置始于1965年，从那以后已在75个以上的水处理厂推广应用。图2是一个典型的水处理厂的中喘控制和过滤装置，制造商报告说，所安装的75个以上的不锈钢控制装置立柱性能良好，至今没有进行更换或大修的需要。

3 不锈钢节约成本

已经有30多个饮用水处理厂采用不锈钢管道代替了球墨铸铁管道，主要的原因是节约了成本。马萨诸塞州Taunton水处理厂由于采用了不锈钢管道，比采用球墨铁节省费用估计约为5万美元。

4 腐蚀很少成为问题

不锈钢在空气、水或其它含氧介质中几乎能立即形成一层铬氧化物薄膜，从而使不锈钢具有耐蚀性。酸洗除去了保护膜和上面的所有缺陷，当不锈钢从酸洗液中移出时，保护膜重

新形成。影响不锈钢腐蚀行为的主要是水中的

溶解氧，这种影响是很有利的。对碳钢、铸铁

和球墨铸铁很不利的因素如水的搅动、涡流和

高流速，而对不锈钢的寿命和性能却很有利。

清洁的不锈钢在干净、透气、含氯化物低的水

中，其寿命没有。

造成缝隙腐蚀的操作因素是清洁度和氯

化物含量。若氯化物含量足够高，含泥沙的水

和缝隙（如那些由于环形焊缝没有完全融合形

成的）的在某些条件下会导致局部点状腐蚀。

氯化物含量在200毫克/升以下时，304不锈钢

在天然水中很少发生缝隙腐蚀，氯化物含量在

1000毫克/升以下，316不锈钢同样很少发生

缝隙腐蚀。然而，在氯化物含量低的水中如果

水垢及沉积或人为的缝隙能吸留和浓缩了水

中的氯化物也可能发生缝隙腐蚀。

虽然不锈钢不会发生损坏，但可能有一个例外，据报道，在一些地方处理厂过量地用氯消毒，使不锈钢设施造成损坏，这种潜伏危险是存在的，必须加以认识。中东的水淡化厂由于严重地用氯消毒，不锈钢淡水管线已发生过一些损坏。

表3给出了氯气对碳钢、铸铁和不锈钢影响的有关数据。这些先前从未发表过的数据是国际镍公司根据安放在安大略湖的三个位置和一处井水的试验架得出的。每一种情形都与未用氯处理的水中的基础数据作了对比。

当氯含量在1~2毫克/升的正常范围时，碳钢和铸铁的一般腐蚀速度增加了一倍，当残留氯含量达到3~5毫克/升时，碳钢的腐蚀速度是其在未经氯化处理的原水中腐蚀速度的7.6倍。

若不锈钢发生任何可测量出的金属损失，其金属损失也仅限于局部。因此，必须对坑的深度而不是腐蚀速度进行比较。对敏化试样进行了试验以确定焊缝热影响区是否比基体金属耐腐蚀性差。表3的数据表明，在通常所遇到的残留氯含量为1~2毫克/升的饮用水中，必须使用低碳不锈钢304L和316L，以避免焊缝热影响区的腐蚀。

表3 1010碳钢、铸铁和304、316不锈钢在四种采用氯气消毒，

具有不同残留氯含量的淡水中的行为

腐蚀速度(密耳/年) 最大腐蚀深度－基板(密耳) 最大腐蚀深度－缝隙(密耳)

残留氯

含量敏化处理敏化处理

碳钢铸铁304 306 304 316

316

304

（毫克/升） 304

316

0 <1

0 0

1.4

1.7 0 0

0 <1

<1

0 0

0.8-1.0 2.5

3.0 0 0

1

0 0

0 35

2

3.4

3.4 0 0 30

3 – 5 10.7 NT* <1 0 NT NT

4 ~14 1 ~

5 NT NT

* NT—未试验

这此数据说明，在某些水处理厂，残氯含量为3~5毫克时，304/304L基体已开始出现点蚀（<1密耳），缝隙腐蚀（4~14密耳）已明显发生。316/316L基体可耐受的残氯含量最高为5毫克/升。

这些数据和作者的经验表明，为了更好地抵御一些水处理厂某些部位所遇到的高浓度残留氯的腐蚀，与304L相比，316L是更加谨慎的选择。这些数据也说明，加氯消毒应当注意保证氯气和水混合良好，避免高残留氯。

有两个水厂报道了不锈钢管道发生了多处点蚀，这主要归结于潮湿氯气在管内聚集。在其中的一例中，不用的回洗水管打开放置，结果氯蒸气进入并在管道中集聚。另一例由于水流量过低，水在水管内仅充满一半，使溶解在水中的氯聚集在管道上半部的空间。含有潮湿氯气的封闭气氛对304L和316L不锈钢管道都有很强的腐蚀性。

尽管饮用水进行标准的氯化处理能有效地防止细菌引起微生物腐蚀，但似乎仍然有这样的腐蚀发生。

水处理厂的管道系统常常用当地的

水进行水压试验。如果用于水压试验的水

没有及时、安全地排净而留在了待用管道

里，就成为细菌生长和繁殖的理想环境。

由于水压试验的水滞留在管内，已经有两

个水处理厂的304L不锈钢管道焊缝处受

到微生物引起的腐蚀。

一些净水管线和配水管线存在着死

端或封闭的部分，水在那里可能滞留一个月甚至更长时间。据报道在一个净水管线中，有一段用来存留过期水的不锈钢管道发生了微生物腐蚀。据认为管道滞留水中的氧和残氯被自然的过程所消耗，如生物或化学耗氧，使得细菌再生并导致微生物腐蚀。

在某些含有较高浓度锰的淡水冷却系统中存在发生微生物腐蚀的情形。Tver-berg等人提供的资料证明，由于向含锰较高的水中加入氯气，冷却系统管道上覆盖了一层黑色含锰的沉积物，结果管道和热交换器发生了微生物腐蚀。如果不存在能够将锰离子氧化成锰的氧化细菌，并且不加氯气的话，沉积物本身通常危害不大。当氯添加到含锰的水中，并且存在诸如盖氏铁柄杆菌这样的氧化细菌，自生的腐蚀反应便开始了，导致不锈钢发生严重的点蚀。尽管这种类型的腐蚀在饮用水厂还未见报道，但当生水中含有大量的锰时，这种腐蚀是有可能发生的，应当予以考虑。

作者调查了这样一个案例，在不存在氧化细菌的条件下，锰沉积物导致了环形焊缝的热影响区的缝隙腐蚀。点蚀发生在热影响区，而不发生在同样覆盖了黑色锰沉积物的基体或焊接金属。通过注入氯而形成的黑色锰沉积物附着力很强，是很好的缝隙形成物。在含有或不含有氧化细菌的含锰水中，如果在水厂的出口而不是进口注入氯，就可以避免所发生的腐蚀。

对东京土壤中进行的长达十多年的广泛试验使日本公用事业部门的人员确信，316L不锈钢管道无需外加保护就能埋藏在土壤中。不锈钢管道自从10年前开始广泛采用以来，至今未见发生损坏的报道。其它的测试和经验表明，不锈钢在排水良好、回填土清洁的土壤中性能良好。但在排水不良的土壤如河底交叉处以及劣质回填土的存在下，就有可能发生底层沉积物和微生物所引起的腐蚀。最好像处理碳钢那样对埋藏的不锈钢管进行包覆或阴极保护。

当两种不同的金属在有电解质存在的情况下联接在一起时，与它们不联接在一起时各自的腐蚀速度相比，其中一种金属的腐蚀速度增加，另一种金属的腐蚀速度减小。Schole 和Rowland给出了海水中相同面积的碳钢与316不锈钢相联接时的加速系数为3（即未联接时碳钢的腐蚀速度被提高了3倍）。Schole和Rowland给出，未联接的钢在没有用氯处理过的水中，其腐蚀速度为大约2密耳/年，在残氯含量为2毫克/升的水中，其腐蚀速度为3.5密耳/年。连接在一起的钢在上述两种水质中的腐蚀速度分别为6密耳/年和10.5密耳/年。尽管没有像研究海水那样研究过淡水，但相信在淡水中的加速系数也是同样的。与在海水中相比，在淡水中碳钢增加的腐蚀往往发生在离两种金属的接合处更近的部位。在日本，街道之下的不锈钢管道接头与球墨铸铁辅助干线相绝缘，住宅的不锈钢管道接头与测量仪表绝缘。不锈钢管河底交叉处也在两端进行绝缘以避免电蚀。水处理厂的不锈钢管道上采用铸铁和球墨铸铁阀门，没有发现不利的影响。电蚀在管道系统中不常见，通常不是一个重要的问题。

由于制作过程中铁屑嵌入不锈钢管（与钢辊和工作平台接触引起的）和搬运（钢丝吊钩）及焊接缝热影响区的生锈（碳钢钢丝刷）所造成的外表面锈斑是人们常常抱怨的。在质量保证书中包含最终喷水检验的要求，将有助于消除嵌入铁屑，几乎没有水管制造商会为一个简单的、证明没有嵌入铁鳞沾污表面的水检验而收取额外费用。检验很简单，弄湿表面，第二天检查生锈点。也可以要求最终清洗之后将管端紧紧塞住，并要求承包商在管道安装之前一直将塞子塞好，甚至在现场储存时也这样要求。

美国自来水厂协会C220 3.8节要求钢管没有氧化皮（焊缝热影响区的回火色是氧化皮）和沾污表面的铁鳞。这是一个严格的要求，应当毫无例外地坚持。

美国自来水厂协会C220 3.2.1节规定了环形对缝焊接的标准。这一节应当被严格执行，因为许多钢管制造商感到，为了保持产品的竞争力，他们被迫按照商用质量交货（而不是美国自来水厂协会的新规范所要求的完全焊透的焊接）。美国材料与试验学会技术条件中没有包含在钢管制造车间进行的环形对缝焊接方面的内容，这意味着每个用户必须制定和执行内部规范，否则就会经常发生商用质量要求的环形对缝焊接不合使用要求的情况。大多数的标准要求焊缝必须完全焊透，而商用质量标准没有这种要求。

人们早就知道焊缝周围的回火色会增加高纯净水的渗漏和使高纯净水的水质变坏。对微生物腐蚀所作的研究也清楚地表明，通过酸洗或电解抛光除去回火色，能够提高耐缝隙腐蚀和微生物腐蚀的能力。当制定环形焊接规范时，用户应当考虑防止或去除环形焊接的回火色。通过防止或去除回火色，恢复不锈钢全部固有的耐腐蚀性能。

5 结论

自从六十年代中期不锈钢用于饮用水配水和水处理厂的某些重要区段以来，这种应用在逐渐扩大。如果用户能更好地了解不锈钢的腐蚀行为以及本报告所论述的需要克服的不足，就能避免已经发生的为数不多的故障。

饮用水配水系统清洁、加氯的水环境特性对于不锈钢的应用是很理想的。对于系统中那些难于安装或更换以及要求最长寿命的区段，不锈钢是强有力的候选材料。但不锈钢不大可能全面地代替钢筋混凝土管、球墨铸铁或铸铁。

水处理厂应当考虑采用316L不锈钢而不是304L不锈钢，因为水处理厂比配水厂的水环境更复杂，特别是在残留氯气和氯化物方面。

要想在原水和饮用水中成功地使用不锈钢管道，必须仔细注意下列因素：

・获得能够保证焊缝安全焊透的焊接技术规范的检验方法；

・立即而彻底地排干水压试验的用水；

・处理含锰水的水处理厂注入氯的位置应在出口处而不是进口处；

・为了防止高浓度的氯作用于水管壁，加氯方法要保证氯与水完全混合；

・对配管系统进行设计以保证潮湿氯蒸气与不锈钢管道内外壁接触机会最少；

・在原水输送管道中，不锈钢的应用应当在那些可以用水定期冲刷而不会有沉积物聚集并导致沉积物腐蚀的管线；

・在水滞留的区段以及由于水流速过低而管道未满的管线中，不锈钢的使用受到；

・当要求管道具有最大的耐微生物腐蚀或缝隙腐蚀性能或两者都需要时，应当防止或去除环形焊接的回火色。

鸣谢

作者感谢R.E.Avery、Brian Todd、Brian Weldon、Noel Herbst 和 George Moller，在提供事例的历史经验方面给予的帮助，也感谢镍发展协会的支持。