核電設備用20 鋼電鍍鋅鐵合金及其性能

陳慧*，孫永亮

（蘇州熱工研究院壽命管理中心，江蘇 蘇州 215004）

鋅鍍層在核電設備上的應用較多，如排氣系統(tǒng)、管線、罐體等。但鋅鍍層在海洋大氣環(huán)境下的耐蝕性差，且成本較高。鋅鐵合金鍍層與鋅鍍層相似，但耐蝕性強于鋅鍍層，且鈍化處理后其耐蝕性得到大幅提高。本文通過模擬亞熱帶地區(qū)核電站氣候與工作環(huán)境，對比研究了目前核電設備用鍍鋅鋼板、鍍鋅螺栓和本工藝鍍鋅鐵合金鋼板的耐蝕性，以探索鋅鐵合金鍍層在核電設備上應用的可能性。

1 工藝介紹

基體材料為核電設備常用的20 鋼，尺寸為4.0 cm ×3.0 cm × 0.1 cm，采用無氰堿性鋅酸鹽體系對其進行電鍍鋅鐵合金。

1.1 工藝流程

磨光─化學除油─熱水洗─冷水洗─酸洗─活化─水洗─電鍍鋅鐵合金─水洗─出光─三價鉻鈍化─水洗─吹干[1]。

1.2 配方與工藝

1.2.1 化學除油

Na2SiO3黏度較大、吸附性強，容易在試片表面形成薄膜而影響清洗效果，需控制其用量，并加入一定量的表面活性劑。

1.2.2 酸洗

采用體積分數(shù)為9%的硝酸對鐵片進行酸洗，酸洗溫度為30°C，時間為30～60 min[2]。酸洗過程中，每隔5～8 min 要翻轉一次試片，保證試片表面得到充分處理。

1.2.3 活化

采用200 mL/L 的鹽酸，室溫，時間2～5 min?；罨^程中，每隔30～40 s 就要翻轉一次試片，使試片表面得到充分處理。

1.2.4 電鍍Zn–Fe 合金

應定期進行鍍液維護，尤其是夏天溫度較高，陽極鋅板溶解速率較快，鍍液中Zn2+含量較高。另外，鍍液中的Fe2+被氧化成Fe3+后會水解生成有害雜質Fe(OH)3，從而鍍液性能降低[3]。

1.2.5 出光

30～50 g/L 的硝酸[w(HNO3)=65%]，室溫，時間3～15 s。

1.2.6 三價鉻鈍化

每周應對鈍化液進行一次維護，使鈍化液各組分濃度維持在正常范圍內。

2 鋅鐵合金性能

2.1 鍍層厚度

采用德國尼克斯QuaNix1200 鍍層測厚儀測定鍍鋅鐵合金鋼板表面鍍層的厚度，隨機選取5 個不同點進行測定，結果見表1。

表1 鋅鐵合金鍍層的厚度Table 1 Thickness of zinc–iron alloy coating

GB/T 9799–2011《金屬及其他覆蓋層 鋼鐵上的鋅電鍍層》規(guī)定，在中等腐蝕、高溫環(huán)境下鋅鍍層的厚度應為8～10 μm。從表1 可知，鋅鐵合金鍍層的厚度滿足GB/T 9799–2011 的要求。

2.2 耐蝕性

亞熱帶地區(qū)年平均溫度為24.2°C，年平均相對濕度為84%，大氣中Cl?平均累計含量為0.084 mg/(100 cm2·d)，SO2平均累計含量為0.098 9 mg/(100 cm2·d)[4]。中性鹽霧(NSS)試驗箱內的相對濕度≥95%，大于核電站設備工作環(huán)境的相對濕度。因此根據(jù)亞熱帶地區(qū)的氣候和某核電站工作環(huán)境(高溫廠房溫度為28～35°C)，分別在30、32、35 與37°C 下對鍍鋅鐵合金鋼板進行中性鹽霧試驗，并與目前核電設備用鍍鋅鋼板和鍍鋅螺栓進行對比，結果如圖1 所示。

圖1 不同試樣在不同溫度下的NSS 試驗結果Figure 1 Results of NSS test for different samples at different temperatures

由圖1 可知，隨鹽霧試驗溫度升高，不同試樣出現(xiàn)白銹的時間均縮短；相同溫度下，經(jīng)鈍化處理的鋅鐵合金鍍層其NSS 試驗時間長于鍍鋅螺栓而低于鍍鋅板。鍍鋅板常用于罐體內壁、一回路等重要的敏感設備，以確保設備不被腐蝕；核電站的常規(guī)島和BOP(廠房輔助系統(tǒng))部分的鍍鋅鋼板耐蝕性要求相對較低，但應優(yōu)于螺栓部位。因此就耐蝕性而言，鍍鋅鐵合金鋼板可用于常規(guī)島和BOP 部分設備。

2.3 微觀形貌

采用日本電子株式會社生產(chǎn)的JSM-5610LV 型掃描電子顯微鏡觀察鈍化后鋅鐵合金的微觀形貌，結果見圖2。由圖2 可知，鋅鐵合金表面平整、致密而均勻。

圖2 鋅鐵合金鍍層的微觀結構Figure 2 Microstructure of zinc–iron alloy coating

2.4 機械性能

核電設備鍍層的機械性能檢測結果應滿足GB/T 2518–2008《連續(xù)熱鍍鋅鋼板及鋼帶》的相關規(guī)定，分別對鋅鐵合金鍍層進行180°彎曲試驗。結果表明，鍍層無脫落，無露鋼基裂紋。表2 為其抗拉伸強度和拉伸率測試結果。從表2 可知，鋅鐵合金的機械性能滿足GB/T 2518–2008 的要求。

表2 鋅鐵合金鍍層的機械性能Figure 2 Mechanical properties of zinc–iron alloy coating

3 結語

從耐蝕性方面考慮，鍍鋅鐵合金鋼板可用于常規(guī)島和BOP 部分設備。鋅鐵合金鍍層用于部分核電設備可降低成本并提高設備壽命，但鋅鐵合金鍍層無法滿足一回路等設備的特殊性和高耐蝕性要求，如何進一步提高鍍層耐蝕性和特殊環(huán)境的適應性是鋅鐵合金鍍層在核電設備應用上亟待解決的問題。

[1]張昭,舒余德,李曉梅.電鍍Zn–Fe 合金的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電鍍與環(huán)保,1998,18 (5):7-11.

[2]李香文,衣海濤,李乃軍,等.電鍍鋅–鐵合金的進一步研究[J].電鍍與環(huán)保,2001,21 (1):8-9.

[3]李峰,王建良.堿性鋅鐵合金電鍍[J].材料保護,2000,33 (4):10-11.

[4]陳孝渝,楊德模,凌勇,等.大亞灣核電站地區(qū)大氣腐蝕性污染物檢測與分析[J].核科學與工程,2005,25 (3):193-200.

[5]尚書定.鍍鋅層藍白鈍化工藝研究[J].電鍍與涂飾,2001,20 (5):21-24.