核電廠海水系統不銹鋼焊接處腐蝕與防護

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0 引言

不銹鋼不僅具有很強的化學穩定性，同時也有足夠的強度和塑性，并且在一定的高溫或低溫條件下具有穩定的力學性能和耐腐蝕性能。由于不銹鋼具有獨特的性能，核電廠海水系統的設備和管道采用了大量的不銹鋼材料，但不銹鋼的焊結處往往是發生腐蝕失效的敏感部位，與海水介質直接接觸的不銹鋼管道焊接處往往服役不久就開始出現穿孔泄露現象，嚴重影響核電機組的正常運行。

1 海水系統不銹鋼焊接處腐蝕機理

不銹鋼焊接處的結構有三個不同的區域，即母材（BMZ）、焊縫區（WZ）和熱影響區（HAZ），焊縫區是基體金屬和填充金屬的混合區域，焊縫區和基體金屬之間是熱影響區，每個區域有不同的力學和結構特性，每一部分具有本質上不同的化學和結構組成。不銹鋼焊接處常見的腐蝕類型有點蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕等，現根據不同的類型分別進行腐蝕機理闡述。

1.1 點腐蝕行為

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

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型，這種類型的腐蝕發生以后，有時從外觀上不易被察覺，但晶界區因腐蝕已遭到破壞，晶粒間的結合強度幾乎完全喪失，受腐蝕嚴重的金屬甚至成為粉末，從構件上脫落下來。焊縫區（WZ）晶間腐蝕一般有兩種情況，一是在焊態已有鉻的碳化物的沉淀，因而形成貧鉻層，它容易出現在焊接線能量過大或多層焊的條件下；二是在焊態具有較好的耐蝕性，但如果焊后經受了敏化加熱的條件，同樣產生晶間腐蝕傾向。在不銹鋼材料不含穩定化元素或碳含量較高時，經過焊接熱循環的作用，母材區（BMZ）和熱影響區（HAZ）都有可能產生敏化區晶間腐蝕，一般奧氏體不銹鋼母材敏化區溫度范圍為450～850℃，熱影響區的敏化區溫度范圍是600～1000℃。另外，在含有穩定化元素的奧氏體不銹鋼的接頭的過熱區，并且緊鄰焊縫區，有可能出現刀蝕，它是一種特殊形式的晶間腐蝕，也是和鉻的碳化物（M23C6）的沉淀有密切關系。一般超低碳奧氏體不銹鋼一般無刀蝕現象[1]。

1.3 應力腐蝕行為

應力腐蝕是不銹鋼焊接處危害性極大的腐蝕破壞類型，是指焊接處在海水介質與拉應力的共同作用下，以裂紋擴展方式發生的與腐蝕有關的斷裂，常在未發現的情況下發生斷裂，而且是瞬間斷裂，斷口呈脆性斷裂特征。熱應力的存在是焊接處產生應力腐蝕開裂的必要條件之一，另外焊接接頭過熱，會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，也會促進了應力腐蝕開裂（SCC）。

2 海水系統不銹鋼焊接處腐蝕與防護

2.1 從焊接選材設計分析[2]

（1）選擇耐蝕等級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，抗點腐蝕和縫隙腐蝕性能增強，不銹鋼的焊接材料應與母材的防腐性能相匹配；

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

（3）為防止產生刀蝕，通常選擇有穩定化元素的不銹鋼，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，對防晶間腐蝕及刀口腐蝕有利；

（4）對防止晶間腐蝕為起點的SCC，應選用超低碳或穩定化的不銹鋼及雙相不銹鋼；對防止點蝕與縫隙腐蝕為起點的SCC，應選用含Mo的高NiCr不銹鋼或含Mo高Cr雙相不銹鋼；

（5）選用焊條焊絲應考慮會形成雙相組織，可阻礙SCC轉播，增加堆垛層錯能高的元素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化，減少雜質偏析，提高抗裂性，但易使焊縫含C量增加，降低耐腐蝕性。

2.2 從焊接準備分析

（1）不銹鋼母材及焊材的采購及驗證嚴格遵守核電技術規范，保證其耐腐蝕性能滿足設計要求；

（2）避免不銹鋼母材及焊材用錯的情況，嚴格控制母材和焊材的供貨、保管和領用過程；

（3）不同牌號、規格和批號的母材、焊材應分開放置，尤其是不銹鋼母材、焊材不得與碳鋼材料接觸，以避免對不銹鋼母材、焊材造成鐵素體污染；

（4）根據核電技術規范要求進行焊接工藝制定，從焊接工藝上，為防止晶間腐蝕，應盡量減少母材和熱影響區處于敏化溫度區間的時間；

（5）根據核電技術規范要求進行焊接工藝評定，對試樣進行評價試驗，如鐵素體含量的測定、熔敷金屬晶間試驗等。如果碳含量≤0.035%，不要求做晶間腐蝕試驗，否則必須做這一試驗并得到滿意的結果[3]。

2.3 從焊接實施過程分析

（1）焊前應進行表面清理干凈，打磨用不銹鋼或尼龍絲刷，鋁基無鐵砂輪，避免鐵污染，擦洗宜采用丙酮或酒精進行擦洗，要求無污漬、無油脂、無氧化皮或其他影響焊接的物質，符合核電技術規范清潔度要求，若清洗不干凈，這些有機物質會在高溫作用下分解燃燒成氣體，引起焊縫金屬產生氣孔和增碳，進而使焊接處耐腐蝕性降低，容易發生點腐蝕；

（2）焊條或焊劑在使用前應烘干，保護氣體應干燥處理，以防焊縫產生氣孔而導致后續發生點腐蝕，另外保護氣體應純粹，如氬氣需達到99.999%，避免焊縫表面氧化而導致的晶間腐蝕加劇；

（3）嚴格執行焊接工藝規程，按規程要求選擇焊接結構和焊接順序，減少殘余應力，如采用對接接頭，避免十字交叉焊縫，適當減小坡口角度等；

（4）為了防止不銹鋼晶間腐蝕，應盡量減少焊區在敏化溫度區間的停留時間，可采用小的焊接線能量或強制冷卻，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℃以下再進行焊接；

（5）焊接過程中注意避免出現飛濺、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）單面對焊接時，應保證根部焊透，雙面焊時正面焊完，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，每道焊縫冷卻應及時清理焊渣、飛濺等；

（7）不得在與海水接觸面采用硬印標記，與海水接觸面焊縫應最后施焊。

2.4 從焊接后處理分析

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

（2）可通過對焊接處表面進行噴丸處理，使該區域產生壓應力，可減少SCC的發生；

（3）可根據核電技術規范要求采用鈍化膏或70%濃度的硝酸進行鈍化處理，要求工廠焊縫和預制廠焊縫必須進行酸洗鈍化處理，但現場施焊后與海水接觸面焊縫難以進行酸洗鈍化，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過人工酸洗鈍化處理的耐腐蝕性好；

（4）對焊縫熱影響區域表面進行電鍍或噴涂，可提高其耐腐蝕性能；

（5）可通過對不銹鋼增加陰極保護，能有效阻止點腐蝕和SCC的裂紋擴展等。

3 結語

綜上所述，從不銹鋼焊接選材設計、焊接準備、焊接實施和焊后處理整個過程中影響焊接處耐蝕性能因素有很多，只有嚴格控制好每一個環節，做好腐蝕防護措施，海水系統的不銹鋼焊接處的耐蝕性能才會得到根本性的提高，進而延長不銹鋼設備和管道的使用壽命，保證核電機組海水系統的正常運行。