核电厂海水系统不锈钢焊接处腐蚀与防护

（深圳瑞莱保核能技术发展有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

不锈钢不仅具有很强的化学稳定性，同时也有足够的强度和塑性，并且在一定的高温或低温条件下具有稳定的力学性能和耐腐蚀性能。由于不锈钢具有独特的性能，核电厂海水系统的设备和管道采用了大量的不锈钢材料，但不锈钢的焊结处往往是发生腐蚀失效的敏感部位，与海水介质直接接触的不锈钢管道焊接处往往服役不久就开始出现穿孔泄露现象，严重影响核电机组的正常运行。

1 海水系统不锈钢焊接处腐蚀机理

不锈钢焊接处的结构有三个不同的区域，即母材（BMZ）、焊缝区（WZ）和热影响区（HAZ），焊缝区是基体金属和填充金属的混合区域，焊缝区和基体金属之间是热影响区，每个区域有不同的力学和结构特性，每一部分具有本质上不同的化学和结构组成。不锈钢焊接处常见的腐蚀类型有点蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等，现根据不同的类型分别进行腐蚀机理阐述。

1.1 点腐蚀行为

点腐蚀是不锈钢焊接处常见的腐蚀破坏类型之一，它是在海水介质作用下，由于焊接处表面有一些欠缺，如夹杂物、贫铬区、晶界、位错在表面暴露出来，在海水Cl-的作用下很快形成坑点，由于闭塞电池的作用，坑外的Cl-向坑内迁移，而带正电荷的坑内金属离子将向坑外迁移，从外向内发展，从而遭到严重的阳极腐蚀。海水中耐点腐蚀最差的是热影响区（HAZ），焊缝区（WZ）和母材区（BMZ）耐蚀性较强，但焊缝区的耐点腐蚀能力比母材高。

1.2 晶间腐蚀行为

晶间腐蚀是不锈钢焊接处危害性很大的腐蚀破坏类型，这种类型的腐蚀发生以后，有时从外观上不易被察觉，但晶界区因腐蚀已遭到破坏，晶粒间的结合强度几乎完全丧失，受腐蚀严重的金属甚至成为粉末，从构件上脱落下来。焊缝区（WZ）晶间腐蚀一般有两种情况，一是在焊态已有铬的碳化物的沉淀，因而形成贫铬层，它容易出现在焊接线能量过大或多层焊的条件下；二是在焊态具有较好的耐蚀性，但如果焊后经受了敏化加热的条件，同样产生晶间腐蚀倾向。在不锈钢材料不含稳定化元素或碳含量较高时，经过焊接热循环的作用，母材区（BMZ）和热影响区（HAZ）都有可能产生敏化区晶间腐蚀，一般奥氏体不锈钢母材敏化区温度范围为450～850℃，热影响区的敏化区温度范围是600～1000℃。另外，在含有稳定化元素的奥氏体不锈钢的接头的过热区，并且紧邻焊缝区，有可能出现刀蚀，它是一种特殊形式的晶间腐蚀，也是和铬的碳化物（M23C6）的沉淀有密切关系。一般超低碳奥氏体不锈钢一般无刀蚀现象[1]。

1.3 应力腐蚀行为

应力腐蚀是不锈钢焊接处危害性极大的腐蚀破坏类型，是指焊接处在海水介质与拉应力的共同作用下，以裂纹扩展方式发生的与腐蚀有关的断裂，常在未发现的情况下发生断裂，而且是瞬间断裂，断口呈脆性断裂特征。热应力的存在是焊接处产生应力腐蚀开裂的必要条件之一，另外焊接接头过热，会形成粗大的奥氏体组织，降低抗裂性能，而接头碳化物的析出敏化，也会促进了应力腐蚀开裂（SCC）。

2 海水系统不锈钢焊接处腐蚀与防护

2.1 从焊接选材设计分析[2]

（1）选择耐蚀等级高的不锈钢母材及焊材，不锈钢母材在海水中随Cr、Ni、Mo元素含量的增加，抗点腐蚀和缝隙腐蚀性能增强，不锈钢的焊接材料应与母材的防腐性能相匹配；

（2）焊缝金属中碳含量对晶间腐蚀作用相当大，碳含量越高，晶间腐蚀倾向越大，因此为了防止晶间腐蚀，应选择超低碳的焊条或焊丝，或者选含有适量的钛、铌等稳定化元素的焊接材料；

（3）为防止产生刀蚀，通常选择有稳定化元素的不锈钢，碳含量小于0.06%，另外含较多铁素体焊条，能使焊缝形成双相组织，对防晶间腐蚀及刀口腐蚀有利；

（4）对防止晶间腐蚀为起点的SCC，应选用超低碳或稳定化的不锈钢及双相不锈钢；对防止点蚀与缝隙腐蚀为起点的SCC，应选用含Mo的高NiCr不锈钢或含Mo高Cr双相不锈钢；

（5）选用焊条焊丝应考虑会形成双相组织，可阻碍SCC转播，增加堆垛层错能高的元素Cu、Si等含量，以提高抗SCC性能；

（6）用低氢型焊条可以使焊缝晶粒细化，减少杂质偏析，提高抗裂性，但易使焊缝含C量增加，降低耐腐蚀性。

2.2 从焊接准备分析

（1）不锈钢母材及焊材的采购及验证严格遵守核电技术规范，保证其耐腐蚀性能满足设计要求；

（2）避免不锈钢母材及焊材用错的情况，严格控制母材和焊材的供货、保管和领用过程；

（3）不同牌号、规格和批号的母材、焊材应分开放置，尤其是不锈钢母材、焊材不得与碳钢材料接触，以避免对不锈钢母材、焊材造成铁素体污染；

（4）根据核电技术规范要求进行焊接工艺制定，从焊接工艺上，为防止晶间腐蚀，应尽量减少母材和热影响区处于敏化温度区间的时间；

（5）根据核电技术规范要求进行焊接工艺评定，对试样进行评价试验，如铁素体含量的测定、熔敷金属晶间试验等。如果碳含量≤0.035%，不要求做晶间腐蚀试验，否则必须做这一试验并得到满意的结果[3]。

2.3 从焊接实施过程分析

（1）焊前应进行表面清理干净，打磨用不锈钢或尼龙丝刷，铝基无铁砂轮，避免铁污染，擦洗宜采用丙酮或酒精进行擦洗，要求无污渍、无油脂、无氧化皮或其他影响焊接的物质，符合核电技术规范清洁度要求，若清洗不干净，这些有机物质会在高温作用下分解燃烧成气体，引起焊缝金属产生气孔和增碳，进而使焊接处耐腐蚀性降低，容易发生点腐蚀；

（2）焊条或焊剂在使用前应烘干，保护气体应干燥处理，以防焊缝产生气孔而导致后续发生点腐蚀，另外保护气体应纯粹，如氩气需达到99.999%，避免焊缝表面氧化而导致的晶间腐蚀加剧；

（3）严格执行焊接工艺规程，按规程要求选择焊接结构和焊接顺序，减少残余应力，如采用对接接头，避免十字交叉焊缝，适当减小坡口角度等；

（4）为了防止不锈钢晶间腐蚀，应尽量减少焊区在敏化温度区间的停留时间，可采用小的焊接线能量或强制冷却，以加快冷却速度，如为多层焊接，控制层间温度，后焊道要在前焊道冷却到60℃以下再进行焊接；

（5）焊接过程中注意避免出现飞溅、缩孔、弧坑、气孔、咬边等焊接缺陷，如飞溅、缩孔、弧坑均是SCC的裂源；

（6）单面对焊接时，应保证根部焊透，双面焊时正面焊完，在焊背面焊缝之前须将焊缝根部的焊瘤、熔渣和未焊透、未熔合等缺陷彻底清理，每道焊缝冷却应及时清理焊渣、飞溅等；

（7）不得在与海水接触面采用硬印标记，与海水接触面焊缝应最后施焊。

2.4 从焊接后处理分析

（1）可根据核电技术规范要求采用整体或局部消除应力的热处理，可改善合金元素的分布以及细化晶粒的目的，从而减少SCC和晶间腐蚀的发生，但对于奥氏体不锈钢只考虑固溶热处理或沉淀热处理；

（2）可通过对焊接处表面进行喷丸处理，使该区域产生压应力，可减少SCC的发生；

（3）可根据核电技术规范要求采用钝化膏或70%浓度的硝酸进行钝化处理，要求工厂焊缝和预制厂焊缝必须进行酸洗钝化处理，但现场施焊后与海水接触面焊缝难以进行酸洗钝化，主要依靠打磨后不锈钢自钝化，这种依靠自钝化性生成的钝化膜不如经过人工酸洗钝化处理的耐腐蚀性好；

（4）对焊缝热影响区域表面进行电镀或喷涂，可提高其耐腐蚀性能；

（5）可通过对不锈钢增加阴极保护，能有效阻止点腐蚀和SCC的裂纹扩展等。

3 结语

综上所述，从不锈钢焊接选材设计、焊接准备、焊接实施和焊后处理整个过程中影响焊接处耐蚀性能因素有很多，只有严格控制好每一个环节，做好腐蚀防护措施，海水系统的不锈钢焊接处的耐蚀性能才会得到根本性的提高，进而延长不锈钢设备和管道的使用寿命，保证核电机组海水系统的正常运行。