核電廠海水系統(tǒng)不銹鋼焊接處腐蝕與防護(hù)

（深圳瑞萊保核能技術(shù)發(fā)展有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

不銹鋼不僅具有很強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)也有足夠的強(qiáng)度和塑性，并且在一定的高溫或低溫條件下具有穩(wěn)定的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。由于不銹鋼具有獨(dú)特的性能，核電廠海水系統(tǒng)的設(shè)備和管道采用了大量的不銹鋼材料，但不銹鋼的焊結(jié)處往往是發(fā)生腐蝕失效的敏感部位，與海水介質(zhì)直接接觸的不銹鋼管道焊接處往往服役不久就開(kāi)始出現(xiàn)穿孔泄露現(xiàn)象，嚴(yán)重影響核電機(jī)組的正常運(yùn)行。

1 海水系統(tǒng)不銹鋼焊接處腐蝕機(jī)理

不銹鋼焊接處的結(jié)構(gòu)有三個(gè)不同的區(qū)域，即母材（BMZ）、焊縫區(qū)（WZ）和熱影響區(qū)（HAZ），焊縫區(qū)是基體金屬和填充金屬的混合區(qū)域，焊縫區(qū)和基體金屬之間是熱影響區(qū)，每個(gè)區(qū)域有不同的力學(xué)和結(jié)構(gòu)特性，每一部分具有本質(zhì)上不同的化學(xué)和結(jié)構(gòu)組成。不銹鋼焊接處常見(jiàn)的腐蝕類(lèi)型有點(diǎn)蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕等，現(xiàn)根據(jù)不同的類(lèi)型分別進(jìn)行腐蝕機(jī)理闡述。

1.1 點(diǎn)腐蝕行為

點(diǎn)腐蝕是不銹鋼焊接處常見(jiàn)的腐蝕破壞類(lèi)型之一，它是在海水介質(zhì)作用下，由于焊接處表面有一些欠缺，如夾雜物、貧鉻區(qū)、晶界、位錯(cuò)在表面暴露出來(lái)，在海水Cl-的作用下很快形成坑點(diǎn)，由于閉塞電池的作用，坑外的Cl-向坑內(nèi)遷移，而帶正電荷的坑內(nèi)金屬離子將向坑外遷移，從外向內(nèi)發(fā)展，從而遭到嚴(yán)重的陽(yáng)極腐蝕。海水中耐點(diǎn)腐蝕最差的是熱影響區(qū)（HAZ），焊縫區(qū)（WZ）和母材區(qū)（BMZ）耐蝕性較強(qiáng)，但焊縫區(qū)的耐點(diǎn)腐蝕能力比母材高。

1.2 晶間腐蝕行為

晶間腐蝕是不銹鋼焊接處危害性很大的腐蝕破壞類(lèi)型，這種類(lèi)型的腐蝕發(fā)生以后，有時(shí)從外觀上不易被察覺(jué)，但晶界區(qū)因腐蝕已遭到破壞，晶粒間的結(jié)合強(qiáng)度幾乎完全喪失，受腐蝕嚴(yán)重的金屬甚至成為粉末，從構(gòu)件上脫落下來(lái)。焊縫區(qū)（WZ）晶間腐蝕一般有兩種情況，一是在焊態(tài)已有鉻的碳化物的沉淀，因而形成貧鉻層，它容易出現(xiàn)在焊接線(xiàn)能量過(guò)大或多層焊的條件下；二是在焊態(tài)具有較好的耐蝕性，但如果焊后經(jīng)受了敏化加熱的條件，同樣產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。在不銹鋼材料不含穩(wěn)定化元素或碳含量較高時(shí)，經(jīng)過(guò)焊接熱循環(huán)的作用，母材區(qū)（BMZ）和熱影響區(qū)（HAZ）都有可能產(chǎn)生敏化區(qū)晶間腐蝕，一般奧氏體不銹鋼母材敏化區(qū)溫度范圍為450～850℃，熱影響區(qū)的敏化區(qū)溫度范圍是600～1000℃。另外，在含有穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼的接頭的過(guò)熱區(qū)，并且緊鄰焊縫區(qū)，有可能出現(xiàn)刀蝕，它是一種特殊形式的晶間腐蝕，也是和鉻的碳化物（M23C6）的沉淀有密切關(guān)系。一般超低碳奧氏體不銹鋼一般無(wú)刀蝕現(xiàn)象[1]。

1.3 應(yīng)力腐蝕行為

應(yīng)力腐蝕是不銹鋼焊接處危害性極大的腐蝕破壞類(lèi)型，是指焊接處在海水介質(zhì)與拉應(yīng)力的共同作用下，以裂紋擴(kuò)展方式發(fā)生的與腐蝕有關(guān)的斷裂，常在未發(fā)現(xiàn)的情況下發(fā)生斷裂，而且是瞬間斷裂，斷口呈脆性斷裂特征。熱應(yīng)力的存在是焊接處產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的必要條件之一，另外焊接接頭過(guò)熱，會(huì)形成粗大的奧氏體組織，降低抗裂性能，而接頭碳化物的析出敏化，也會(huì)促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）。

2 海水系統(tǒng)不銹鋼焊接處腐蝕與防護(hù)

2.1 從焊接選材設(shè)計(jì)分析[2]

（1）選擇耐蝕等級(jí)高的不銹鋼母材及焊材，不銹鋼母材在海水中隨Cr、Ni、Mo元素含量的增加，抗點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕性能增強(qiáng)，不銹鋼的焊接材料應(yīng)與母材的防腐性能相匹配；

（2）焊縫金屬中碳含量對(duì)晶間腐蝕作用相當(dāng)大，碳含量越高，晶間腐蝕傾向越大，因此為了防止晶間腐蝕，應(yīng)選擇超低碳的焊條或焊絲，或者選含有適量的鈦、鈮等穩(wěn)定化元素的焊接材料；

（3）為防止產(chǎn)生刀蝕，通常選擇有穩(wěn)定化元素的不銹鋼，碳含量小于0.06%，另外含較多鐵素體焊條，能使焊縫形成雙相組織，對(duì)防晶間腐蝕及刀口腐蝕有利；

（4）對(duì)防止晶間腐蝕為起點(diǎn)的SCC，應(yīng)選用超低碳或穩(wěn)定化的不銹鋼及雙相不銹鋼；對(duì)防止點(diǎn)蝕與縫隙腐蝕為起點(diǎn)的SCC，應(yīng)選用含Mo的高NiCr不銹鋼或含Mo高Cr雙相不銹鋼；

（5）選用焊條焊絲應(yīng)考慮會(huì)形成雙相組織，可阻礙SCC轉(zhuǎn)播，增加堆垛層錯(cuò)能高的元素Cu、Si等含量，以提高抗SCC性能；

（6）用低氫型焊條可以使焊縫晶粒細(xì)化，減少雜質(zhì)偏析，提高抗裂性，但易使焊縫含C量增加，降低耐腐蝕性。

2.2 從焊接準(zhǔn)備分析

（1）不銹鋼母材及焊材的采購(gòu)及驗(yàn)證嚴(yán)格遵守核電技術(shù)規(guī)范，保證其耐腐蝕性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；

（2）避免不銹鋼母材及焊材用錯(cuò)的情況，嚴(yán)格控制母材和焊材的供貨、保管和領(lǐng)用過(guò)程；

（3）不同牌號(hào)、規(guī)格和批號(hào)的母材、焊材應(yīng)分開(kāi)放置，尤其是不銹鋼母材、焊材不得與碳鋼材料接觸，以避免對(duì)不銹鋼母材、焊材造成鐵素體污染；

（4）根據(jù)核電技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行焊接工藝制定，從焊接工藝上，為防止晶間腐蝕，應(yīng)盡量減少母材和熱影響區(qū)處于敏化溫度區(qū)間的時(shí)間；

（5）根據(jù)核電技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，對(duì)試樣進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn)，如鐵素體含量的測(cè)定、熔敷金屬晶間試驗(yàn)等。如果碳含量≤0.035%，不要求做晶間腐蝕試驗(yàn)，否則必須做這一試驗(yàn)并得到滿(mǎn)意的結(jié)果[3]。

2.3 從焊接實(shí)施過(guò)程分析

（1）焊前應(yīng)進(jìn)行表面清理干凈，打磨用不銹鋼或尼龍絲刷，鋁基無(wú)鐵砂輪，避免鐵污染，擦洗宜采用丙酮或酒精進(jìn)行擦洗，要求無(wú)污漬、無(wú)油脂、無(wú)氧化皮或其他影響焊接的物質(zhì)，符合核電技術(shù)規(guī)范清潔度要求，若清洗不干凈，這些有機(jī)物質(zhì)會(huì)在高溫作用下分解燃燒成氣體，引起焊縫金屬產(chǎn)生氣孔和增碳，進(jìn)而使焊接處耐腐蝕性降低，容易發(fā)生點(diǎn)腐蝕；

（2）焊條或焊劑在使用前應(yīng)烘干，保護(hù)氣體應(yīng)干燥處理，以防焊縫產(chǎn)生氣孔而導(dǎo)致后續(xù)發(fā)生點(diǎn)腐蝕，另外保護(hù)氣體應(yīng)純粹，如氬氣需達(dá)到99.999%，避免焊縫表面氧化而導(dǎo)致的晶間腐蝕加?。?/p>

（3）嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，按規(guī)程要求選擇焊接結(jié)構(gòu)和焊接順序，減少殘余應(yīng)力，如采用對(duì)接接頭，避免十字交叉焊縫，適當(dāng)減小坡口角度等；

（4）為了防止不銹鋼晶間腐蝕，應(yīng)盡量減少焊區(qū)在敏化溫度區(qū)間的停留時(shí)間，可采用小的焊接線(xiàn)能量或強(qiáng)制冷卻，以加快冷卻速度，如為多層焊接，控制層間溫度，后焊道要在前焊道冷卻到60℃以下再進(jìn)行焊接；

（5）焊接過(guò)程中注意避免出現(xiàn)飛濺、縮孔、弧坑、氣孔、咬邊等焊接缺陷，如飛濺、縮孔、弧坑均是SCC的裂源；

（6）單面對(duì)焊接時(shí)，應(yīng)保證根部焊透，雙面焊時(shí)正面焊完，在焊背面焊縫之前須將焊縫根部的焊瘤、熔渣和未焊透、未熔合等缺陷徹底清理，每道焊縫冷卻應(yīng)及時(shí)清理焊渣、飛濺等；

（7）不得在與海水接觸面采用硬印標(biāo)記，與海水接觸面焊縫應(yīng)最后施焊。

2.4 從焊接后處理分析

（1）可根據(jù)核電技術(shù)規(guī)范要求采用整體或局部消除應(yīng)力的熱處理，可改善合金元素的分布以及細(xì)化晶粒的目的，從而減少SCC和晶間腐蝕的發(fā)生，但對(duì)于奧氏體不銹鋼只考慮固溶熱處理或沉淀熱處理；

（2）可通過(guò)對(duì)焊接處表面進(jìn)行噴丸處理，使該區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力，可減少SCC的發(fā)生；

（3）可根據(jù)核電技術(shù)規(guī)范要求采用鈍化膏或70%濃度的硝酸進(jìn)行鈍化處理，要求工廠焊縫和預(yù)制廠焊縫必須進(jìn)行酸洗鈍化處理，但現(xiàn)場(chǎng)施焊后與海水接觸面焊縫難以進(jìn)行酸洗鈍化，主要依靠打磨后不銹鋼自鈍化，這種依靠自鈍化性生成的鈍化膜不如經(jīng)過(guò)人工酸洗鈍化處理的耐腐蝕性好；

（4）對(duì)焊縫熱影響區(qū)域表面進(jìn)行電鍍或噴涂，可提高其耐腐蝕性能；

（5）可通過(guò)對(duì)不銹鋼增加陰極保護(hù)，能有效阻止點(diǎn)腐蝕和SCC的裂紋擴(kuò)展等。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，從不銹鋼焊接選材設(shè)計(jì)、焊接準(zhǔn)備、焊接實(shí)施和焊后處理整個(gè)過(guò)程中影響焊接處耐蝕性能因素有很多，只有嚴(yán)格控制好每一個(gè)環(huán)節(jié)，做好腐蝕防護(hù)措施，海水系統(tǒng)的不銹鋼焊接處的耐蝕性能才會(huì)得到根本性的提高，進(jìn)而延長(zhǎng)不銹鋼設(shè)備和管道的使用壽命，保證核電機(jī)組海水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。