海水不锈钢管道焊接工艺抗腐蚀性能的工程实践

2021-10-27石志超

现代制造技术与装备 2021年9期

石志超

（中广核核电运营有限公司，深圳 518116）

316L不锈钢具备良好的耐腐蚀性能，广泛应用于海水介质中使用的管材和泵材。海水中大量的Cl－是不锈钢受海水腐蚀的主要因素。由于Cl-与M+（金属键）的结合键较强，Cl-容易侵入钝化膜破坏钝化膜而发生腐蚀[1]。在焊缝及其附近区域，由于焊接热的影响，金属组织变化很大，容易产生腐蚀。工程实践中，可以通过焊接控制和钝化处理提高材料的耐腐蚀性能。

1 腐蚀机理

1.1 不锈钢的点蚀

金属管壁内部形成孔状的腐蚀，简称点蚀。点蚀属于电化学腐蚀中的局部腐蚀，其腐蚀机理为聚集在管壁粗糙位置的氯离子为取代氧原子，和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，从而破坏不锈钢钝化膜，并以小蚀孔为中心形成局部微电池，腐蚀至穿孔。

1.2 不锈钢的晶间腐蚀

晶间腐蚀是晶粒之间产生的一种局部腐蚀现象，破坏了晶粒的结合，降低了金属的机械强度。晶间腐蚀的机理是在500～800 ℃的焊接温度内，316L不锈钢中过饱和的C向晶界扩散的速度快于Cr的扩散速度，析出的C和Cr会形成碳铬化合物，从而造成晶界附近区域Cr不足的现象。若Cr的含量过低，则会加速该区域的腐蚀。车俊铁等[2]研究316L不锈钢材料的焊接接头在海水中的腐蚀行为，认为晶间腐蚀产生自微电池的腐蚀反应。

1.3 不锈钢的缝隙腐蚀

法兰密封面缝隙中的海水处于静止状态，会导致缝内密封面发生缝隙腐蚀。金属表面存在缝隙，且缝内外难以交换介质，因此缝内氧将由于无法补充而耗尽，促使氯离子等活性离子与铬离子结合而破坏钝化膜，使pH值降低，并在缝隙内产生局部电化学腐蚀。

1.4 不锈钢的应力腐蚀断裂

应力腐蚀断裂是指金属本体在残余应力和海水腐蚀的共同作用下产生的断裂。在海水环境中，由于很多工程用不锈钢通过焊接组装，焊接处存在焊接应力，同时伴随着Cl－浓度的增大，会使应力腐蚀的敏感性增强[3]，造成应力腐蚀断裂。

2 工程试件

试验母材为316L奥氏体不锈钢无缝钢管，涉及管道对接焊（管外径为Φ60.30 mm、壁厚为5.54 mm），其化学成分如表1所示。

表1 316L不锈钢的化学成分

3 作业过程

3.1 焊接工艺控制

焊接316L等奥氏体不锈钢管道时，应采用低电流、细焊丝、多段焊和加速冷却的焊接工艺，使得焊缝金相组织均匀，晶粒度细化，有效减少了热影响区的宽度，改善了热影响区的合金成分[4]，从而提高了耐晶间腐蚀的能力。

焊丝选用E385，焊接方法是氩弧焊。E385焊丝是904L超级不锈钢（20Cr-24Ni-4.3Mo-1.5Cu），和母材（316L）同为奥氏体结构，成形性好。它的碳含量很低，在一般焊接的情况下不会析出碳化物，降低了焊接后出现晶间腐蚀的可能性。另外，它的镍含量高，降低了氯离子含量较高的环境中不锈钢对应力腐蚀的敏感性。

表2 焊接工艺参数

采用对接焊的方法施焊前，应预先在管道内壁加工堆焊槽，并进行打底焊。堆焊层宽度为30 mm，厚度为3 mm，如图1所示。对接焊的第一层使用脉冲电流，焊接时要控制层间温度，防止过热。焊接完第二层焊缝后，使用连弧焊填充。

图1 对接焊

3.2 电化学钝化处理

经电化学钝化处理的不锈钢表面将生成致密、完整的钝化膜，能有效提升其耐蚀性[5]。根据处理前后所测量的管道内外壁电位，评估钝化效果。

内壁防腐蚀处理过程：测试自然腐蚀电位→酸洗钝化除去管道内壁氧化膜→电化学钝化处理10 min→电化学钝化处理12 h后测试电位。内壁灌液钝化的示意图如图2所示。

图2 内壁灌液钝化

采用灌液处理工艺钝化管道内壁时，先将钝化液静置10 min，然后用流动清水冲洗表面，再用5%的Na2CO3溶液灌入管内中和残余的酸性处理液，中和时间为30 s，最后用清水冲洗。钝化处理前后采用万用表分别测量管道电化学钝化处理前的电位E1及处理后5 s内的电位E2。E2比E1提高200 mV以上视为处理合格，否则需再次处理10 min，重新与E1进行对比。管道处理前后电位曲线图，如图3所示。处理前管道的自然腐蚀电位在-0.150～0.000 V，处理后电位明显提高，处于-0.050～0.100 V，耐蚀性能改善明显。