对核电厂紧固件表面处理措施的讨论

学术论文 2018-06-08 14:11:40
  1 背景 
  随着我国经济发展对能源需求的迅速增长,能源供需矛盾日趋尖锐,核能作为清洁、安全的能源方式,是我国优化能源结构、保护生态环境、满足经济社会发展对能源需求的有效选择。其中核电安全则是重中之重,大到整体设计,小到每个紧固件,决不能有丝毫疏漏。 
  经调研[1-2]发现,部分核电站的紧固件发生了较为严重的腐蚀情况,少量紧固件甚至出现了断裂现象,影响了核电站的正常运行。因此,应采取适当的表面处理措施加强对紧固件的保护。 
  2 紧固件的表面处理措施 
  通过调研发现,目前国内紧固件所采用的表面处理措施主要包括氧化,磷化,镀镉,镀锌及涂漆等,其中,镀锌还分为电镀锌和热浸镀锌。下面对这几种表面处理措施及其工程经验进行简要的介绍。 
  2.1 氧化 
  氧化处理机理是在紧固件表面进行一种氧化和具有自动催化又连续沉积的还原反应,即当紧固件浸入工作液中时,表面不断被氧化,同时溶液中的黑色金属组分被还原和沉积在表面形成一种黑色无机酸盐膜层[3]。氧化处理后的紧固件表面呈蓝色或黑色,因此氧化处理通常也被称为发黑或发蓝。 
  紧固件氧化处理的优点主要是耗能较低,生产效率相对较高,所用设备简单,生产成本较低;缺点是产生的氧化膜非常薄,耐腐性较差。所以,氧化处理后的紧固件通常只适用于腐蚀性不强的大气环境中,而不适用于在较严酷的腐蚀环境中使用。 
  另外,发蓝或发黑处理根据所使用的发黑剂或发蓝剂的不同,得到的防腐效果也不尽相同,最高可达到30天湿热试验后不锈[4]。并且,氧化处理后通常需进行涂油,以提高防锈效果,无油后生锈速度加快。 
  2.2 磷化 
  将工件浸入磷化液(某些酸式磷酸盐为主的溶液),在表面沉积形成一层不溶于水的结晶型磷酸盐转换膜的过程,称之为磷化。磷化的主要目的是给基体金属提供保护,在一定程度上防止金属被腐蚀[5]。 
  磷化设备简单,操作方便,生产效率较高;磷化处理后的紧固件耐腐蚀效果较氧化处理稍有提高,根据压水堆核岛机械设备设计和建造规则[6]描述,磷化处理的显著优点在于其可改善摩擦系数以及避免卡死现象,因此经常用于紧固件的表面处理中。但是,仅进行磷化处理,容易发生腐蚀现象,后续需要进行涂油或涂覆涂层以提高耐腐蚀性。 
  2.3 镀镉 
  镀镉层的耐腐蚀性能较好,特别是在海洋性大气环境下,其耐腐蚀效果较其他表面处理较好,但镀镉处理易产生环境污染,因此加工过程中的废液处理费用大,成本高。所以在一般行业中不使用,仅用于一些特定环境,如用于石油钻井平台和航天飞机用的紧固件等。 
  2.4 镀锌 
  镀锌处理对钢铁表面的防护除了物理保护外,还包括了电化学保护,其机理一般解释为:在大气腐蚀条件下,锌层表面有ZnO、Zn(OH)2及碱式碳酸锌保护膜,一定程度上减缓锌的腐蚀,这层保护膜受到破坏又会形成新的膜层。当锌层破坏严重,危及到铁基体时,锌对基体产生电化学保护,锌的标准电位-0.76 V,铁的标准电位-0.44 V,锌与铁形成微电池时,锌作为阳极被溶解,铁作为阴极受到保护[7]。 
  镀锌处理的防腐效果随锌层厚度增加会有所增强,但镀锌过程中所产生的原子态氢很容易被基体金属吸附,进入金属内部,当受到应力作用时,会产生氢脆,使基体金属发生延迟脆性失效或氢应力断裂[8]。所以镀锌后的去氢处理是必不可少的,因而增加了成本。 
  镀锌处理主要分为电镀锌和热浸镀锌,两种方法各有利弊,下面分别进行简要的介绍。 
  2.4.1 热浸镀锌 
  热浸镀锌是将工件浸入熔融的锌液中,使工件表面获得锌镀层的一种方法。该方法对于锌镀层的厚度不好控制,表面厚度不均匀,有可能在螺纹处形成的镀层较厚,不太利于小型紧固件的配合,但较厚的镀层可相应增强防锈防腐效果,经调研,当热浸镀锌层厚度应达到90μm左右,紧固件的使用寿命可达到20至30年(在海洋地区)[7]。并且热浸镀锌方法简单,适合大批量生产。 
  2.4.2 电镀锌 
  电镀锌是指在含有欲镀锌离子的溶液中,以被镀工件为阴极,通过电解作用,即可在工件的表面获得锌镀层[8]。通过控制电流的大小,可有效的控制工件上镀层的厚度。但是通过电镀锌形成的镀层厚度较热浸镀锌会薄很多,因而耐腐蚀年限也会下降很多。电镀方法也较为复杂,不适于大批量生产,且电解过程中,会生成大量氢原子,极容易出现氢脆现象,如去氢处理不彻底,会使高强紧固件功能丧失,后果非常严重。 
  2.5 涂漆 
  涂漆为核电厂中最常用的表面处理措施之一,在制造厂中可大批量实施,在现场如发生漆膜破损也易于修补。并且,为增加防锈防腐效果,涂漆有时需要在上述表面处理后的工件上实施。涂漆后的表面耐蚀性能较好,一般可达到10年以上。 
  2.6 对比分析 
  综上所述,仅对于防腐效果而言,镀锌和镀镉处理相对较好,涂漆次之,氧化及磷化处理措施在与涂油配合使用时,有一定防腐效果,但也相对较差。并且在保证表面处理后形成的保护层与金属基底结合足够好时,其防腐效果随保护层厚度的增加,会有所增强。对于生产成本而言,氧化及磷化处理相对较低,热浸镀锌和涂漆次之,电镀锌和镀镉的生产成本较高。另外,磷化处理具有改善表面摩擦系数的功能,应用于紧固件,可避免卡死。 
  3 建议 
  核电厂中紧固件的表面处理措施的应用,应根据该紧固件的尺寸,数量,具体使用的位置,承受载荷的大小等多种因素,综合考虑。下面给出建议:   1.处于室内环境的紧固件,建议采用磷化处理的方法,磷化后需要进行涂油,增强其耐腐蚀性能;在现场安装使用后,应定期进行检查,如发现锈蚀等现象,应及时更换。 
  2.处于室外环境的紧固件,也建议采用磷化处理的方法,磷化后需要进行涂油;并且,由于核电厂多建于邻近海洋地区,气候特点为空气湿度大,盐雾气氛严重,甚至部分设备或管道暴露在海水飞溅的条件下,导致室外紧固件表面的腐蚀速率较快,因此应在制造厂或现场,对磷化的紧固件后涂覆油漆,该油漆的涂层配套中应含有富锌底漆(其耐腐蚀原理与镀锌层的阴极保护原理类似)。 
  3.处于液体环境中或位于室外不易达到位置的紧固件,建议采用采用镀锌处理的方法。并且,需精准控制螺纹处的镀层厚度时,建议采用电镀锌的方法。 
  综上,紧固件的表面处理的主要目的就是使其耐腐蚀性能增强,但受到成本,生产效率,环境友好性等因素的制约,不同种类,用于不同位置的紧固件的表面处理措施可基本定型。 
  随着科学技术的发展,一些功能更加强大的表面处理措施应运而生,例如粉末渗锌,热喷涂技术,氟碳化合物涂层等等,这些方法在国外可能已应用于某些行业中,但要广泛应用于我国核电厂建设中,还需进行一定时间的研究与探讨。
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