核電設備電解拋光表面處理技術綜述

余紀成　劉威　魯佳　田雅婧　胡彧　吳舸　袁宏　蘇桐

【摘 要】隨著我國核電事業快速發展，人們對降低核電站設備表面輻射殘留含量愈發重視。電解拋光技術作為精密表面處理技術，可明顯降低核電設備內表面輻射殘留物含量，并且具有效率高、處理試樣表面光滑、能夠保持材料原有性能等特點，近些年逐漸受到國內外核電領域重視。針對電解拋光原理、特點、拋光液組成、研究進展和國內外核電應用現狀進行了詳細綜述介紹，最后指出電解拋光技術將在核電工程領域發揮更大作用，具有很好的行業發展趨勢和廣闊的應用前景。

【關鍵詞】電解拋光;蒸汽發生器;核電設備;輻射殘留物

中圖分類號： TG175;TL353.13;TM623 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）27-0001-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.001

【Abstract】With the rapid development of nuclear power industry in China， people pay more and more attention to reducing the radiation residue content on the surface of nuclear power plant equipment.As a precision surface treatment technology，electropolishing technology can significantly reduce the content of radiation residues on the inner surface of nuclear power equipment，and has the characteristics of high efficiency，smooth surface of treated samples，and ability to maintain the original properties of materials.In recent years，electropolishing technology has gradually attracted more attention in the field of nuclear power.In this paper，the principle， characteristics，composition of polishing liquid， research progress and current status of nuclear power application are reviewed in detail.Finally，it is pointed out that electropolishing technology will play a greater role in the field of nuclear power engineering，and has a good industry development trend and broad application prospects.

【Key words】Electropolishing;Steam Generator;Nuclear power equipment;Radiation residue

0 引言

近些年，隨著我國核電技術不斷發展，人們對降低核電廠員工輻照含量關注度日益增加。在核電領域，ALARA（As low As Reasonably Achievable）原則在核電廠實際的輻射保護中占有重要地位，其定義是指在綜合考慮各種因素后，將輻照控制在合理、可行、盡量低的水平，以減少人員的輻照劑量，又稱合理可行盡量低原則[1]。目前，很多國內外核電廠都將ALARA原則作為商業慣例并將降低廠內輻射作為工作重中之重，因此，如何降低核電廠輻照含量成為人們非常關心和重視的問題。

蒸汽發生器（Steam Generator，SG）是壓水堆核電廠中重要的設備，是一回路和二回路的分界。由于蒸汽發生器一次側水室封頭內表面及U型換熱管內表面長期直接與一次側含有放射性微粒雜質的冷卻劑接觸，運行一段時間后在SG粗糙表面凹痕處易積聚很多放射性微粒，造成輻射微粒殘留，不僅延緩人員進入封頭維修的時間，還會帶來高輻照危險。SG一次側高放射殘留問題很早就引起了人們關注，早在20世紀80年代初，美國電力研究所（EPRI）已經針對SG下封頭開展降低輻射研究工作。研究結果顯示，在SG下封頭一次側內表面具有高殘留放射物，其中半球形封頭內表面和分隔板表面所積累的放射性雜質占總劑量率可達50%以上[2]。據相關資料顯示，嶺澳核電站在機組停堆8d后打開SG一次側人孔，發現此時水室封頭內接觸劑量率為35mSv/h左右，場所劑量率為22～25mSv/h，這對于那些在封頭內從事設備定期檢查、維護和更換的工人來說非常不利，將會對工人身體造成較高的職業輻照[3]。因此，在SG的設計和運行過程中，要盡可能降低SG一次側的輻照劑量水平，減少人員所接受的輻照劑量、縮短停堆時間，以此提高核電廠運行的經濟性[4]。

目前，基于SG一次側表面放射性來源，人們提出的降低輻射殘留含量措施大致可分為兩類：1）降低冷卻劑中放射性微粒雜質;2）使一次側表面光滑，減少放射性雜質積聚。完全消除冷卻劑中放射性雜質微粒是不可能的，而且這些措施較為被動，在實際應用上局限性較大，結果并不能令人滿意[5]。因此，很多學者考慮采用專門的表面預處理技術，使SG一次側表面更加光滑，減少表面凹痕處，從而達到降低放射性雜質在表面積聚的目的。

目前，表面預處理技術主要有機械拋光、化學拋光、電解拋光和等離子納米拋光。其中成本較低、處理效果較好且應用領域較廣的技術為電解拋光。機械拋光和化學拋光雖然成本不高，但表面處理后取得的效果并不好。等離子納米拋光是最近發展起來的新技術，由于成本較高、操作復雜，在核電領域技術應用尚不成熟，還未得到推廣應用。據資料顯示，在核電領域，電解拋光技術首先應用在美國沸水堆再循環主管道內表面上并在實際工程應用中取得了很好的效果。相關數據顯示，當電解拋光技術應用得當時，將極大地減少再循環管道內放射物積聚的表面積，同時不影響材料性能，該工藝至少能減少再循環系統管道的放射物積聚達2～3倍[3]。受沸水堆使用經驗和一些現象的調查結果的啟發，20世紀80年代初，法國人開始研究把電解拋光等表面預處理技術應用到壓水堆SG上，以降低SG內的殘留放射性[6]。與此同時，美國也開展了這項研究，已獲得成功，并已經將該項技術應用于壓水堆SG上。

1 電解拋光原理、分類及特點

1.1 電解拋光原理

電解拋光是20世紀八十年代國外發展起來的一種重要的電化學表面處理技術，是以被拋光工件作為陽極，不溶性金屬（或惰性導體）作為陰極，兩電極同時浸入至特定的電解液中通以直流電而產生有選擇性的陽極溶解，達到整平金屬表面并使之產生金屬光澤的加工過程[7]。

1.2 電解拋光設備分類

電解拋光設備一般可分為槽式和摩擦式兩類。其中槽式適用于體積較小的被拋光物體，摩擦式電解拋光裝置可適用于體積尺寸較大的被拋光物體[8]。對于如蒸汽發生器、反應堆壓力容器等這類體積尺寸較大核電設備，國內很多機構對此開展了相關電解拋光設備的開發研究，在實際應用中取得了很好效果。

文獻[9]提出一種電解刷式拋光設備，該裝置是在槽內電解拋光基礎上發展起來的槽外式電解拋光，可適用于大型攪拌設備、非標的化工設備以及大型核電設備的金屬表面電解拋光操作，包括筒體、封頭內表面以及內部零部件外表面。與槽內電解拋光相比，電解刷式拋光有如下優點：消耗電解液少，用電少，拋光成本低幾十倍，而拋光效率高20倍;陰極的制作也十分方便，電解液常溫即可操作，操作靈活，使用方便，1～2人便可操作，特別適用于如核電蒸汽發生器這類大型工件。

專利[10]提供了一種對大型壓力容器，尤其是核電設備內表面的電解拋光的涂刷式電解拋光設備。在對大型壓力容器內表面，尤其是核電設備不僅體積大而且要求在設備總裝之后對其內表面進行局部電解拋光，無法將其放入電解槽中進行電解拋光的難題，該發明提出了一種新型涂刷式電解拋光裝置。該裝置根據核電設備的結構特點研制，可進入設備內部操作，設備待拋光表面作為陽極，通過涂刷式陰極在待拋光表面往復移動，并通過陰極專用設計口實現電解液的陰陽極連接并可自動循環使用，最終實現電解拋光。

專利[11]提出了一種針對核電焊接檢測試件用的電解拋光設備。由于在核電焊接試件微觀組織檢驗中所需試樣比較特殊，需要經過拋光處理之后才能檢測。針對上述存在的問題，該發明提出一種在不破壞核電焊接檢測試件的情況下，能夠實現整個試件拋光的核電焊接檢測試件用的電解拋光設備。該設備可在不破壞檢測試樣的情況下，完成整個核電焊接檢測試件的拋光過程，并且可以根據不同試樣設置不同的拋光條件，具有適應性廣、結構簡單、實用等特點。

1.3 電解拋光技術特點

與機械拋光和化學拋光相比，電解拋光具有以下特點：1）比機械拋光、化學拋光具有更光滑的微觀表面和反光率，使設備不粘壁、不掛料、易清洗，能徹底清除工件表面污垢和油脂[12];2）電解拋光不受工件尺寸和形狀的限制，對于不易進行機械拋光的產品可使用電解拋光，內外色澤一致，光澤持久，難以用機械拋光的硬質材料、軟質材料以及薄壁、形狀復雜、細小的零件和制品都能加工;3）拋光時間短，而且可以多件同時拋光，生產效率高，成本低廉;4）增加工件表面抗腐蝕性，可以使表面元素選擇性溶出并在表面生成一層致密堅固的富鉻固體透明膜，并形成等電勢表面，從而消除和減輕微電池腐蝕，使表面具有更好的耐腐蝕性，可應用于腐蝕性較高的場合;5）電解拋光對母材不產生副作用，拋光的表面不會產生變質層，無附加應力，并可去除或減小原有的應力層[13];6）電解拋光工藝穩定，易操作，污染比化學拋光少，防污染性好。對于批量生產的產品，輔以適當的電極工裝，可大量降低生產成本，提高生產效率[14]。

1.4 電解拋光工藝研究

電解拋光工藝對電解拋光效果具有很大影響，國內外很多學者對電解拋光工藝開展了一些列研究，取得成果如下。

文獻[15]針對不銹鋼標準橢圓封頭電解拋光時，電場分布不均勻的特性，提出采用適合的電解液電解拋光工藝參數及采用像形輔助陰極的方法，使電場電力線分布均勻，達到了封頭曲面均勻一致的拋光效果"，該技術成果可推廣到大型聚合釜及其他石化設備用封頭的電解拋光生產。目前，該技術成果已推廣使用，效果良好。

文獻[16]對電解拋光技術在核電設備鎳基合金上應用的工藝參數進行了探索研究。該文獻對涂刷式電解拋光技術中最佳工藝參數（電解液溫度、電解拋光時間和電流密度）進行了試驗研究，結果表明：對于核電鎳基合金材料 SB-168 UNS N06690電解拋光最佳工藝參數為電解液溫度50±5℃，電解拋光時間160±20s，電流密度60±2A/dm2。

1.5 電解拋光化學液的組成

電解拋光劑的作用是顯著提高被拋光物件表面的光亮度及整平性、去除表面毛刺和增大表面光澤度，電解拋光化學劑的組成是影響電解拋光表面效果的重要因素。一般而言，電解拋光劑應選擇相對粘性的電解質，此外，對電解拋光劑的選擇要求還主要包含以下內容：拋光效率高，拋光深度強，拋光后光澤保持長久不變，拋光劑穩定，污染小，容易維護，耗能低，成本低，使用范圍廣等[14]。目前，電解拋光所用的電解液主要可分為H3P04、H2SO4混合液體系和H2CrO4、HN03混合液體系等，其中使用較多的是H3PO4、H2SO4混合體系[17]。電解拋光液中，H3PO4和H2SO4發揮不同的作用，且配方比例對拋光效果可產生重要影響，磷酸是保證電化學拋光正常進行的主要成分，其體積分數過高時，黏度提高，減緩整平速率;其體積分數過低時，活化傾向大，鈍化傾向小，導致不銹鋼表面出現不均勻腐蝕。硫酸是活化劑，其體積分數過高時，不銹鋼表面出現過腐蝕;其體積分數過低時，不銹鋼表面出現嚴重的不均勻腐蝕[17]。

但在早期電解拋光工程應用中，人們并未考慮用硫酸作為電解拋光液添加物，而是以H2CrO4、HNO3混合液體系為主。這是因為人們考慮到若采用含硫酸的電解拋光液進行電解拋光，電解拋光液中含有的硫元素會進入到SG鋼材中，對鋼材耐蝕性能造成不利影響。然而，實際工程經驗表明采用鉻酸作為電解拋光液同樣存在一些弊端，如在電解拋光后，拋光液中會產生大量的Cr3+和Cr6+，這些含鉻離子的拋光液很難處理，一般情況下這些離子幾乎全部隨廢水排放到環境中，對周圍環境造成嚴重污染，不僅廢液處理設備投資大，而且處理后的效益也差。

因此，研究人員開始考慮研發無鉻酸環保型電解拋光液，并對此進行了大量研究。EPRI提出可以采用硫酸代替鉻酸作為電解液添加物。對于殘留電解液中硫元素進入鋼材并對鋼材性能造成不利影響問題，EPRI進行了論證試驗，采用硫酸-磷酸作為電解拋光液，對電解拋光后的表面、沖洗水成分進行X-射線分析和化學分析，檢測結果表明：電解拋光操作后殘留在表面的電解液很少，完全可以忽略不計進入到鋼材內硫元素，硫酸作為電解拋光添加物可以發揮和鉻酸同樣的效果。因此，在核電設備中，人們開始采用硫酸來代替鉻酸作為電解拋光液進行表面處理。

2 電解拋光技術在核電工程應用

2.1 國外電解拋光工程應用實例

20世紀80年，電解拋光技術首先應用在美國沸水堆（BWR）再循環系統管道上，主要用于降低管道內輻射殘留物含量。此后幾年，法國人受BWR電解拋光使用經驗和一些調查結果的啟發，開始研究把電解拋光等表面預處理技術應用到壓水堆（PWR）蒸汽發生器上，以降低蒸汽發生器內部殘留放射性。幾乎與此同時，美國也開展了該項研究，并取得不錯效果和大范圍的推廣應用。

20世紀80年代至90年代，美國電力研究院（EPRI）對PWR電解拋光處理效果進行了研究并對蒸汽發生器一次側表面進行了電解拋光工藝評定試驗，此外還對核電設備常用材質Inconel600、Inconel690、IN-182、304和316等材質進行電解拋光試驗，結果均表明：電解拋光后，金屬表面更平滑，表面凹痕、劃痕和磨損得到消除，金屬橫切面也未出現晶間腐蝕現象，可顯著降低金屬表面輻射物殘留含量。因此。美國東北事業公司對Millstone核電廠2號機組替換的蒸汽發生器下封頭進行了電解拋光操作，拋光區域為除一次側管板和焊縫以外的下封頭內表面。首先采用Al2O3砂輪對表面進行機械拋光打磨，然后再進行電解拋光操作。對拋光后物件進行SEM、粗糙度檢測和金相檢查后，得出以下結論：1）與機械拋光相比，電解拋光后表面擦傷、劃痕、磨損、毛刺、銳邊和皺褶得到消除，表面粗糙度得到降低，表面狀況得到改善;2）電解拋光會造成堆焊層表面δ相鐵素體減少，但是只會侵蝕表面幾微米鐵素體且降低量很少，基本不會影響堆焊層耐蝕性能，同時電解拋光對鋼材金相組織造成的不利影響很小，不會在鋼材內部出現晶間腐蝕情況;3）電解拋光時間長短對電解拋光鐵素體消除量影響不大。4）使用不含鉻酸的電解液成本更低，因為鉻酸使用后會污染環境，難以處理，因此成本費較高，可以采用硫酸代替鉻酸，硫酸是一種非常高效且經濟的磷酸添加劑。

此外，20世紀90年代，電解拋光技術受到美國很多核電站極大關注和重視并將該技術應用到實際工程中，具體情況如表1所示[18]。

EPRI對電解拋光在核電廠工程的早期應用進行了經驗總結，在其NP-6618號報告文件中指出：核電廠使用經驗表明，采用電解拋光處理可使聚集在PWR蒸汽發生器一次側封頭上的放射性減少1/2～4/5。”EPRI的6616號報告也指出：蒸汽發生器表面經過電解拋光處理后，在持續運行三個滿功率周期后，其表面上累積的放射性減少了4/5。

受美國影響，法國也積極開展了電解拋光應用研究。法國在希農B-1堆的3臺蒸汽發生器上對10塊1：1的304不銹鋼人孔密封板進行了電解拋光前后對比試驗。在實際運行條件下，對10塊密封板進行燃料周期試驗，然后再檢測密封板上放射性比活度以及被處理表面相對于接收狀態表面的比活度減少率。結果顯示，與機械拋光、未拋光的密封板相比，電解拋光或機械拋光+電解拋光預處理的人孔密封板有效地減少蒸汽發生器一次側的殘留放射性，減少率平均值可高達80%;電解拋光+RCT鈍化，能使放射性比活度進一步降低約26%，其降低殘留輻射效果最好[18-19]。

1987年，法馬通和STMI公司處理了諾讓-l（Nogent 1）堆的一臺SG一次側冷側封頭內表面。在該堆第一個燃料周期結束后，法馬通和法國原子能委員會（CEA）在現場實測了殘留放射性，檢測結果非常令人滿意。于是法國電力公司要求法馬通對所有新制造的SG（包括用于更換的新SG）進行電解拋光預處理[6]。表2為早期法國采用電解拋光技術處理的蒸汽發生器。

目前，隨著電解拋光技術的不斷成熟和發展以及人們對降低核電站殘留輻射要求不斷提高，在美國三代PWR核電AP1000系統和法國三代PWR核電EPR系統中，電解拋光都得到了更為廣泛的應用，而且也取得了非常好的效果。

2.2 國內電解拋光工程應用實況

在我國，電解拋光技術在汽車制造、過濾機械、石油化工、醫療衛生及建筑裝飾等領域技術較為成熟且已經得到廣泛應用，但電解拋光技術在我國核電工程中應用時間較晚，尚處于起步階段，在我國三代核電以前幾乎沒有使用電解拋光技術。由于電解拋光對金屬表面處理性能遠優于機械拋光和化學拋光，同時，國外研究和工程實例也表明電解拋光技術可明顯降低設備內輻射殘留含量，因此，近些年電解拋光在核電領域愈發受到人們重視，目前很多核電研發設計單位和制造廠家相繼對此開展了一系列評定工藝研究，并已經成功將電解拋光技術投入到實際核電工程應用中。

文獻[20]將機械拋光和電解拋光結合使用，先對表面進行機械拋光，再對表面進行電解拋光。通過研究工藝試驗結果證明，電解機械復合拋光的效率高于純機械拋光和純電解拋光，而且可以獲得更低的表面粗糙度值。

文獻[21]對AP1000壓水堆核電站壓力容器上封頭控制棒驅動管座用焊接鎳基合金進行了電解拋光研究，探討了電解拋光對其表面粗糙度和應力的改善作用，結果表明：1）電解拋光對焊接鎳基合金的不同粗糙度表面均有明顯的改善作用，可使原始表面粗糙度降低1-2級，并且預打磨顆粒越細，電解拋光的效果越明顯;2）焊接鎳基合金的拋光電流密度應控制在0.3～0.5A/cm2之間，拋光時間宜為2～5min;3）電解拋光對焊接鎳基合金表面不僅具有改善作用，還可以使表面拉應力大幅度減少，甚至產生壓應力，這可抑制焊接鎳基合金應力腐蝕開裂的發生。

文獻[3]針對AP1000蒸汽發生器材料、焊接及結構特點，研究了電解拋光對降低其粗糙度、消除表面毛刺和凸起及表面形貌的影響。結果表明：電解拋光能改善AP1000蒸汽發生器表面狀態。電解拋光對AP1000蒸汽發生器一次側308L堆焊層和690鎳基合金表面能顯著降低粗糙度、消除表面毛刺和凸起，同時不會影響表面的組織形貌。

現階段，我國自主設計并具有知識產權的三代PWR核電“華龍一號”已將電解拋光技術應用到蒸汽發生等設備表面處理上。

3 總結與展望

電解拋光技術是近幾十年發展起來的一種表面處理技術，與其他表面精加工技術相比，具有無可比擬的高效率、高精度、無加工硬化層、處理表面平滑和耐蝕耐磨等一系列優點。國外核電工程經驗表明，采用電解拋光技術可明顯降低設備一次側表面殘留放射性。目前，我國對電解拋光技術也開展了深入研究并已將該技術應用至三代核電蒸汽發生器表面處理上。展望未來，推廣電解拋光技術應用將成為核電行業發展的必然趨勢，電解拋光技術更會憑借其無可比擬的優勢在核電設備金屬表面精加工行業中發揮更大作用。與此同時，我們也應該引起重視和反思，電解拋光技術應用不應當僅局限于蒸汽發生器一次側表面處理，我們仍需繼續開展研究，將該技術進一步推廣應用到其它核電設備。

【參考文獻】

[1]10 CFR 20.1003. Definitions[S].

[2]EPRI.Electropolishing Qualification Program for PWR Steam Channel Heads.NP-6617.1990.

[3]和廣慶，李翠翠.AP1000蒸汽發生器電解拋光技術研究[J].熱加工工藝，2017，46（12）：138-140.

[4]Kimberly Barr，徐志琴.電解拋光減少核蒸汽發生器的放射物積聚[J].鍋爐技術，1991（11）：20-23.

[5]張富源，甘建衡.蒸汽發生器一次側表面預處理技術[J]. 核動力工程，1994，15（3）：282-288.

[6]Saurin P，Weber C.法國用電解拋光減少積累在PWR SG上的放射性[J].國外核動力，1991（2）：16～18.

[7]狄瑞坤，等.機械制造工程[M].杭州：浙江大學出版社，2004：85.

[8]謝關榮，張京欽，梁國柱，袁國偉，李寧.鋼鐵材料電解拋光技術[J].電鍍與涂飾，2001（03）：24-30.

[9]郭志英，趙世超，才文臣，王哲.不銹鋼電解刷式拋光工藝研究[J].化工裝備技術，2013，34（05）：54-55.

[10]曾憲鈞，王伏仁，等.涂刷式電解拋光設備[P].上海：CN203429278U，2014-02-12.

[11]劉宏偉，路書永，等.一種核電焊接檢測試件用電解拋光設備[P].南京：CN203487276U，2014-03-19.

[12]于艷輝.不銹鋼表面拋光技術研究概述[J].科技經濟市場，2017（12）：20-21.

[13]翁慧燕，李振華.拋光的幾種工藝對比[J].機械工程師， 2010（6）：28-29.

[14]唐昌松，徐懇.電解拋光在不銹鋼表面處理中的工程應用[J].機械制造，2008（11）：57-58.

[15]郭志英，楊連紅，趙世超.不銹鋼橢圓封頭電解拋光技術研究[J].化工裝備技術，2013，34（04）：65-66.

[16]王楠，曾憲鈞.核電設備用鎳基合金材料電解拋光工藝研究[J].科技風，2017（11）：177+185.

[17]王玥，滿瑞林，梁永煌，胡俊利，肖琴.不銹鋼表面拋光技術的研究進展[J].電鍍與環保，2012，32（02）：1-4.

[18]EPRI.Plant Test of Surface Preconditioning for Steam Generator.NP-6616，1990.

[19]EPRI.Effect of Surface Treatment on Radiation Buildup in Steam Generator.TR-10059s，1991.

[20]馮志清，李福援，候文惠，鄒紅亮.電解機械復合拋光試驗及其過程分析[J].新技術新工藝，2009（03）：75-78.

[21]黃軍波，何毅，殷福星.電解拋光工藝對AP1000管座焊接表面的改善作用[J].表面技術，2013，42（5）：70-73.