钢缝焊镀锌冷水管过早腐蚀失效的金相研究
钢缝焊镀锌冷水管过早腐蚀失效的金相研究
Bogdan Pawłowski . Dorota Tyrala . Monika Pilch
Submitted: 30 December 2019
© The Author(s) 2020
摘要报道了一起缝焊镀锌冷水管在使用18-24个月后发生过早腐蚀失效的案例。本工作的目的是通过金相调查来研究管子过早腐蚀的原因。这项工作包括化学分析，管道内部表面的视觉检查和腐蚀穿孔区域(点蚀腐蚀区域)的显微结构检查，使用光学和扫描电子显微镜与能量色散x射线分析。调查显示，故障是由于安装错误造成的——管道安装了黄黄铜球阀。当镀锌钢与黄黄铜混合时，当与有色金属(如铜和黄铜)结合时，会触发脱锌作用并导致电解作用。
关键词：镀锌钢管
过早腐蚀失效：配水系统
钢铁管道已经被用于供水系统超过五个世纪[1]。在20世纪的大部分时间里，镀锌钢是主要的管材，直到今天仍被安装在建筑物中。从经济上讲，现代镀锌钢管价格低廉，而且可回收利用。这种材料寿命长，非常吸引人。锌镀层通过为底层钢提供物理屏障和阴极保护来保护钢材。在这个过程中，锌作为一种更不活泼的金属，充当牺牲阳极，而钢(作为阴极)不被攻击。然而，镀锌水管在使用几个月或几年之后，由于腐蚀而失效的报道很多[2,3]。加速腐蚀发生在一定条件下的流动水化学。钢管内墙暴露在含水环境(流水)中，通常比暴露在室内条件下[4]的外墙腐蚀更严重(称为内腐蚀)。许多配水系统开始出现由管道内表面点蚀引起的销孔泄漏。流水锌腐蚀是一个复杂的过程，主要受水化学和温度的控制。在水化学中，相对较小的差异可以在腐蚀产物和速率方面产生相对实质性的变化。镀锌管有一层镀锌层保护，但当腐蚀发生时，它会在自来水中沉积大量的锌和铁。镀锌管上的锌镀层可能含有铅、铜、镉、铬、铝、钡和其他杂质。由于这些杂质的存在，镀锌管的腐蚀可能导致微量金属浓度的释放[5-11]。镀锌管只适用于天然水的pH值约为7或中等碱性(在8 - 12之间)[7]。
根据欧洲标准[12,13]，镀锌钢管存在腐蚀破坏的情况。影响镀锌管腐蚀的主要因素之一是水的组成。氯离子、硝酸盐离子和硫酸盐离子对点蚀的影响取决于所谓的浓度比S1，即氯离子、硝酸盐离子和硫酸盐离子浓度之和除以碳酸氢离子浓度。根据这些标准，当S1小于0.5时，镀锌钢管极不可能发生点蚀，而当S1大于3时，则极有可能发生点蚀。
许多国家的现行法规甚至鼓励在饮用水系统中使用镀锌钢管，而不建议在热水回路中使用镀锌钢管。如今，丹麦几乎所有的设备都是用不锈钢和高分子材料制成的管道。在欧洲许多国家，铜管仍被广泛使用，热镀锌钢管的使用正在减少。在包括波兰在内的一些国家，镀锌钢管仍然很流行，本文对冷水镀锌钢管过早失效进行了研究。据报道，缝焊镀锌钢制冷水管在服役18-24个月后就发生了腐蚀失效，根据装置提供的信息，长期测量确定的S1值低于0.5。
但是，本文介绍了一个不同寻常的情况，同一内部供水系统中只有冷水镀锌钢管发生了腐蚀，而同一内部供水系统中只有冷水镀锌钢管没有发生腐蚀。
试验
检测直径为60.3 mm和76.1 mm的镀锌(S195T)钢管失效。化学分析采用了Foundry-Master (WAS)光谱仪，如表1所示，其中也报告了相关标准。拍摄了两根管子内表面的照片。利用蔡司Axiovert 200光显微镜和配备能谱仪(EDS)的扫描电子显微镜FEI INSPECT S50研究了管材的微观结构和微观成分，特别是管材的内表面。
结果
表1所示母钢的化学成分符合S195T钢的标准要求。图1和图2显示了从两个穿孔镀锌钢上切下的样品的典型宏观图片。图2中红色区域距离螺纹连接管阀较近。
管材母材的微观组织如图3所示，是合适的，是此类钢级的典型(靠近点蚀区域的截面)。对横向和纵向试样的金相检验(此处未报告)未发现任何金相缺陷或组织中的其他不规则现象。
镀锌钢管内表面样品(点蚀区)干净，几乎没有腐蚀产物(氧化物)。图4显示了图2b所示样品的扫描电子显微图，并显示在管道的这一段中，靠近黄色黄铜阀门，在腐蚀性坑附近和其他检查区域观察到点蚀和发亮的银灰色区域。这证明了腐蚀穿孔在研究管段形成的纯电偶性(所谓接触腐蚀)。
Fig. 3 基材显微组织:(a) 60.3-mm管材，(b) 76.1-mm管材
用EDS x射线微分析证实了腐蚀电位形成的电偶性;结果如图5、6、7、8所示。在点蚀区域(图6)，分析显示钢中含有锌元素，几乎不含锌。同样地，在矿坑附近地区，也只显示出微量的锌。显微图(图7)右下角可见的薄层是原始镀锌层(铁-锌)的残留物，而在更远处(显微图右侧)有一般腐蚀产物(铁的氧化物，图8)。
Fig. 4 图2b点蚀区表面形态:(a)点蚀，(b)邻近区域
讨论
其他作者[14]也观察到镀锌钢管内表面的凹坑附近(图1,2)出现明亮的银灰色区域，但显然没有进行彻底的检查。在[14]中，只显示这些区域的宏观图像。
Fig. 5 能谱仪分析区域
如图2所示，在检测的冷水镀锌钢管中，只有在接近螺杆连接管阀处才会出现点蚀。根据从安装用户处获得的信息，检测的冷水管道安装为黄色，而热水镀锌钢管安装的镀镍黄铜球阀则为黄色。
采用黄黄铜阀门与镀锌钢管直接电接触是一个重大的安装错误，是冷水镀锌钢管过早腐蚀失效的原因。当两种不同的金属相互连接(在这种情况下，是镀锌钢和黄黄铜)并接触电解液(流动的水)时，就会发生所谓的接触腐蚀(双金属腐蚀)。这导致两种金属相对于电解质的电极电位不同。贱金属(钢上的锌层)转化为阳极，这导致了该金属的加速腐蚀，并抑制了其他更贵重的金属(黄黄铜)的腐蚀，后者转化为阴极。这就是失灵的供水系统中冷水镀锌钢管的情况。镀锌钢与黄铜混合时，会引发脱锌现象，并导致电解作用[9,10]。
Fig. 6 小坑处用能谱仪分析的结果 Fig. 7 对锌层渣中的EDS进行了微量分析
结论
摘要对两根刚使用18-24个月的镀锌冷水管缝焊腐蚀失效进行了调查。根据安装用户，在长期测量中确定的S1值低于0.5(这里没有报告结果)，
这证明了镀锌钢管在该供水系统中的应用是合理的。微观和微观分析检查表明，冷水管道故障与使用黄黄铜阀门与镀锌钢管直接电接触有关。在使用镀镍球阀的热水装置中，同样的镀锌钢管没有腐蚀迹象，这也支持了这一结论。
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