對核電廠緊固件表面處理措施的討論

蔡敏　王晰　高揚

【摘 要】經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國部分核電站的緊固件發(fā)生了較為嚴重的腐蝕情況，因此，應(yīng)采取適當?shù)谋砻嫣幚泶胧o固件進行保護。文中簡要介紹了目前國內(nèi)緊固件主要采用的表面處理措施（包括氧化、磷化、鍍鎘、鍍鋅及涂漆）的特性，優(yōu)缺點及使用經(jīng)驗。通過對比討論，本人給出了對核電廠緊固件所用的表面處理措施的建議。

【關(guān)鍵詞】核電站；緊固件；腐蝕；表面處理

1 背景

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展對能源需求的迅速增長，能源供需矛盾日趨尖銳，核能作為清潔、安全的能源方式，是我國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護生態(tài)環(huán)境、滿足經(jīng)濟社會發(fā)展對能源需求的有效選擇。其中核電安全則是重中之重，大到整體設(shè)計，小到每個緊固件，決不能有絲毫疏漏。

經(jīng)調(diào)研[1-2]發(fā)現(xiàn)，部分核電站的緊固件發(fā)生了較為嚴重的腐蝕情況，少量緊固件甚至出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，影響了核電站的正常運行。因此，應(yīng)采取適當?shù)谋砻嫣幚泶胧┘訌妼o固件的保護。

2 緊固件的表面處理措施

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)緊固件所采用的表面處理措施主要包括氧化，磷化，鍍鎘，鍍鋅及涂漆等，其中，鍍鋅還分為電鍍鋅和熱浸鍍鋅。下面對這幾種表面處理措施及其工程經(jīng)驗進行簡要的介紹。

2.1 氧化

氧化處理機理是在緊固件表面進行一種氧化和具有自動催化又連續(xù)沉積的還原反應(yīng)，即當緊固件浸入工作液中時，表面不斷被氧化，同時溶液中的黑色金屬組分被還原和沉積在表面形成一種黑色無機酸鹽膜層[3]。氧化處理后的緊固件表面呈藍色或黑色，因此氧化處理通常也被稱為發(fā)黑或發(fā)藍。

緊固件氧化處理的優(yōu)點主要是耗能較低，生產(chǎn)效率相對較高，所用設(shè)備簡單，生產(chǎn)成本較低；缺點是產(chǎn)生的氧化膜非常薄，耐腐性較差。所以，氧化處理后的緊固件通常只適用于腐蝕性不強的大氣環(huán)境中，而不適用于在較嚴酷的腐蝕環(huán)境中使用。

另外，發(fā)藍或發(fā)黑處理根據(jù)所使用的發(fā)黑劑或發(fā)藍劑的不同，得到的防腐效果也不盡相同，最高可達到30天濕熱試驗后不銹[4]。并且，氧化處理后通常需進行涂油，以提高防銹效果，無油后生銹速度加快。

2.2 磷化

將工件浸入磷化液（某些酸式磷酸鹽為主的溶液），在表面沉積形成一層不溶于水的結(jié)晶型磷酸鹽轉(zhuǎn)換膜的過程，稱之為磷化。磷化的主要目的是給基體金屬提供保護，在一定程度上防止金屬被腐蝕[5]。

磷化設(shè)備簡單，操作方便，生產(chǎn)效率較高；磷化處理后的緊固件耐腐蝕效果較氧化處理稍有提高，根據(jù)壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則[6]描述，磷化處理的顯著優(yōu)點在于其可改善摩擦系數(shù)以及避免卡死現(xiàn)象，因此經(jīng)常用于緊固件的表面處理中。但是，僅進行磷化處理，容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，后續(xù)需要進行涂油或涂覆涂層以提高耐腐蝕性。

2.3 鍍鎘

鍍鎘層的耐腐蝕性能較好，特別是在海洋性大氣環(huán)境下，其耐腐蝕效果較其他表面處理較好，但鍍鎘處理易產(chǎn)生環(huán)境污染，因此加工過程中的廢液處理費用大，成本高。所以在一般行業(yè)中不使用，僅用于一些特定環(huán)境，如用于石油鉆井平臺和航天飛機用的緊固件等。

2.4 鍍鋅

鍍鋅處理對鋼鐵表面的防護除了物理保護外，還包括了電化學保護，其機理一般解釋為：在大氣腐蝕條件下，鋅層表面有ZnO、Zn（OH）2及堿式碳酸鋅保護膜，一定程度上減緩鋅的腐蝕，這層保護膜受到破壞又會形成新的膜層。當鋅層破壞嚴重，危及到鐵基體時，鋅對基體產(chǎn)生電化學保護，鋅的標準電位-0.76 V，鐵的標準電位-0.44 V，鋅與鐵形成微電池時，鋅作為陽極被溶解，鐵作為陰極受到保護[7]。

鍍鋅處理的防腐效果隨鋅層厚度增加會有所增強，但鍍鋅過程中所產(chǎn)生的原子態(tài)氫很容易被基體金屬吸附，進入金屬內(nèi)部，當受到應(yīng)力作用時，會產(chǎn)生氫脆，使基體金屬發(fā)生延遲脆性失效或氫應(yīng)力斷裂[8]。所以鍍鋅后的去氫處理是必不可少的，因而增加了成本。

鍍鋅處理主要分為電鍍鋅和熱浸鍍鋅，兩種方法各有利弊，下面分別進行簡要的介紹。

2.4.1 熱浸鍍鋅

熱浸鍍鋅是將工件浸入熔融的鋅液中，使工件表面獲得鋅鍍層的一種方法。該方法對于鋅鍍層的厚度不好控制，表面厚度不均勻，有可能在螺紋處形成的鍍層較厚，不太利于小型緊固件的配合，但較厚的鍍層可相應(yīng)增強防銹防腐效果，經(jīng)調(diào)研，當熱浸鍍鋅層厚度應(yīng)達到90μm左右，緊固件的使用壽命可達到20至30年（在海洋地區(qū)）[7]。并且熱浸鍍鋅方法簡單，適合大批量生產(chǎn)。

2.4.2 電鍍鋅

電鍍鋅是指在含有欲鍍鋅離子的溶液中，以被鍍工件為陰極，通過電解作用，即可在工件的表面獲得鋅鍍層[8]。通過控制電流的大小，可有效的控制工件上鍍層的厚度。但是通過電鍍鋅形成的鍍層厚度較熱浸鍍鋅會薄很多，因而耐腐蝕年限也會下降很多。電鍍方法也較為復(fù)雜，不適于大批量生產(chǎn)，且電解過程中，會生成大量氫原子，極容易出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，如去氫處理不徹底，會使高強緊固件功能喪失，后果非常嚴重。

2.5 涂漆

涂漆為核電廠中最常用的表面處理措施之一，在制造廠中可大批量實施，在現(xiàn)場如發(fā)生漆膜破損也易于修補。并且，為增加防銹防腐效果，涂漆有時需要在上述表面處理后的工件上實施。涂漆后的表面耐蝕性能較好，一般可達到10年以上。

2.6 對比分析

綜上所述，僅對于防腐效果而言，鍍鋅和鍍鎘處理相對較好，涂漆次之，氧化及磷化處理措施在與涂油配合使用時，有一定防腐效果，但也相對較差。并且在保證表面處理后形成的保護層與金屬基底結(jié)合足夠好時，其防腐效果隨保護層厚度的增加，會有所增強。對于生產(chǎn)成本而言，氧化及磷化處理相對較低，熱浸鍍鋅和涂漆次之，電鍍鋅和鍍鎘的生產(chǎn)成本較高。另外，磷化處理具有改善表面摩擦系數(shù)的功能，應(yīng)用于緊固件，可避免卡死。

3 建議

核電廠中緊固件的表面處理措施的應(yīng)用，應(yīng)根據(jù)該緊固件的尺寸，數(shù)量，具體使用的位置，承受載荷的大小等多種因素，綜合考慮。下面給出建議：

1.處于室內(nèi)環(huán)境的緊固件，建議采用磷化處理的方法，磷化后需要進行涂油，增強其耐腐蝕性能；在現(xiàn)場安裝使用后，應(yīng)定期進行檢查，如發(fā)現(xiàn)銹蝕等現(xiàn)象，應(yīng)及時更換。

2.處于室外環(huán)境的緊固件，也建議采用磷化處理的方法，磷化后需要進行涂油；并且，由于核電廠多建于鄰近海洋地區(qū)，氣候特點為空氣濕度大，鹽霧氣氛嚴重，甚至部分設(shè)備或管道暴露在海水飛濺的條件下，導(dǎo)致室外緊固件表面的腐蝕速率較快，因此應(yīng)在制造廠或現(xiàn)場，對磷化的緊固件后涂覆油漆，該油漆的涂層配套中應(yīng)含有富鋅底漆（其耐腐蝕原理與鍍鋅層的陰極保護原理類似）。

3.處于液體環(huán)境中或位于室外不易達到位置的緊固件，建議采用采用鍍鋅處理的方法。并且，需精準控制螺紋處的鍍層厚度時，建議采用電鍍鋅的方法。

綜上，緊固件的表面處理的主要目的就是使其耐腐蝕性能增強，但受到成本，生產(chǎn)效率，環(huán)境友好性等因素的制約，不同種類，用于不同位置的緊固件的表面處理措施可基本定型。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，一些功能更加強大的表面處理措施應(yīng)運而生，例如粉末滲鋅，熱噴涂技術(shù)，氟碳化合物涂層等等，這些方法在國外可能已應(yīng)用于某些行業(yè)中，但要廣泛應(yīng)用于我國核電廠建設(shè)中，還需進行一定時間的研究與探討。

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[責任編輯：楊玉潔]