海水不銹鋼管道焊接工藝抗腐蝕性能的工程實踐

石志超

（中廣核核電運營有限公司，深圳 518116）

316L不銹鋼具備良好的耐腐蝕性能，廣泛應用于海水介質中使用的管材和泵材。海水中大量的Cl－是不銹鋼受海水腐蝕的主要因素。由于Cl-與M+（金屬鍵）的結合鍵較強，Cl-容易侵入鈍化膜破壞鈍化膜而發生腐蝕[1]。在焊縫及其附近區域，由于焊接熱的影響，金屬組織變化很大，容易產生腐蝕。工程實踐中，可以通過焊接控制和鈍化處理提高材料的耐腐蝕性能。

1 腐蝕機理

1.1 不銹鋼的點蝕

金屬管壁內部形成孔狀的腐蝕，簡稱點蝕。點蝕屬于電化學腐蝕中的局部腐蝕，其腐蝕機理為聚集在管壁粗糙位置的氯離子為取代氧原子，和鈍化膜中的陽離子結合成可溶性氯化物，從而破壞不銹鋼鈍化膜，并以小蝕孔為中心形成局部微電池，腐蝕至穿孔。

1.2 不銹鋼的晶間腐蝕

晶間腐蝕是晶粒之間產生的一種局部腐蝕現象，破壞了晶粒的結合，降低了金屬的機械強度。晶間腐蝕的機理是在500～800 ℃的焊接溫度內，316L不銹鋼中過飽和的C向晶界擴散的速度快于Cr的擴散速度，析出的C和Cr會形成碳鉻化合物，從而造成晶界附近區域Cr不足的現象。若Cr的含量過低，則會加速該區域的腐蝕。車俊鐵等[2]研究316L不銹鋼材料的焊接接頭在海水中的腐蝕行為，認為晶間腐蝕產生自微電池的腐蝕反應。

1.3 不銹鋼的縫隙腐蝕

法蘭密封面縫隙中的海水處于靜止狀態，會導致縫內密封面發生縫隙腐蝕。金屬表面存在縫隙，且縫內外難以交換介質，因此縫內氧將由于無法補充而耗盡，促使氯離子等活性離子與鉻離子結合而破壞鈍化膜，使pH值降低，并在縫隙內產生局部電化學腐蝕。

1.4 不銹鋼的應力腐蝕斷裂

應力腐蝕斷裂是指金屬本體在殘余應力和海水腐蝕的共同作用下產生的斷裂。在海水環境中，由于很多工程用不銹鋼通過焊接組裝，焊接處存在焊接應力，同時伴隨著Cl－濃度的增大，會使應力腐蝕的敏感性增強[3]，造成應力腐蝕斷裂。

2 工程試件

試驗母材為316L奧氏體不銹鋼無縫鋼管，涉及管道對接焊（管外徑為Φ60.30 mm、壁厚為5.54 mm），其化學成分如表1所示。

表1 316L不銹鋼的化學成分

3 作業過程

3.1 焊接工藝控制

焊接316L等奧氏體不銹鋼管道時，應采用低電流、細焊絲、多段焊和加速冷卻的焊接工藝，使得焊縫金相組織均勻，晶粒度細化，有效減少了熱影響區的寬度，改善了熱影響區的合金成分[4]，從而提高了耐晶間腐蝕的能力。

焊絲選用E385，焊接方法是氬弧焊。E385焊絲是904L超級不銹鋼（20Cr-24Ni-4.3Mo-1.5Cu），和母材（316L）同為奧氏體結構，成形性好。它的碳含量很低，在一般焊接的情況下不會析出碳化物，降低了焊接后出現晶間腐蝕的可能性。另外，它的鎳含量高，降低了氯離子含量較高的環境中不銹鋼對應力腐蝕的敏感性。

表2 焊接工藝參數

采用對接焊的方法施焊前，應預先在管道內壁加工堆焊槽，并進行打底焊。堆焊層寬度為30 mm，厚度為3 mm，如圖1所示。對接焊的第一層使用脈沖電流，焊接時要控制層間溫度，防止過熱。焊接完第二層焊縫后，使用連弧焊填充。

圖1 對接焊

3.2 電化學鈍化處理

經電化學鈍化處理的不銹鋼表面將生成致密、完整的鈍化膜，能有效提升其耐蝕性[5]。根據處理前后所測量的管道內外壁電位，評估鈍化效果。

內壁防腐蝕處理過程：測試自然腐蝕電位→酸洗鈍化除去管道內壁氧化膜→電化學鈍化處理10 min→電化學鈍化處理12 h后測試電位。內壁灌液鈍化的示意圖如圖2所示。

圖2 內壁灌液鈍化

采用灌液處理工藝鈍化管道內壁時，先將鈍化液靜置10 min，然后用流動清水沖洗表面，再用5%的Na2CO3溶液灌入管內中和殘余的酸性處理液，中和時間為30 s，最后用清水沖洗。鈍化處理前后采用萬用表分別測量管道電化學鈍化處理前的電位E1及處理后5 s內的電位E2。E2比E1提高200 mV以上視為處理合格，否則需再次處理10 min，重新與E1進行對比。管道處理前后電位曲線圖，如圖3所示。處理前管道的自然腐蝕電位在-0.150～0.000 V，處理后電位明顯提高，處于-0.050～0.100 V，耐蝕性能改善明顯。

圖3 管道內壁處理前后電位曲線圖

4 結論

（1）焊接316L等奧氏體不銹鋼管道時，為防止焊接熱影響區析出碳化物而產生敏化和晶間腐蝕，應嚴格控制層間溫度，并加快焊后風冷速度，同時降低焊接輸入能量和優化焊接順序，采取對接焊、分段焊和跳焊的方式消除應力腐蝕。

（2）為防止金屬表面的局部坑點和法蘭密封面之間的縫隙形成氯聚集而破壞鈍化膜，可以采用電化學酸洗鈍化的方法，使金屬表面形成穩定的成相膜，升高不銹鋼表面的電位，以提升耐蝕性能。