核電機組零部件防腐抗生物污染鍍層開發及實驗

李 墨 黃 宇 劉秉政 王博文 呂昌旗

（1.中核檢修有限公司深圳分公司，廣東 深圳 518000；2.東北電力大學，吉林 吉林 132012）

0 引言

隨著我國核電工業快速發展，零部件的海洋生物污染[1]、海水腐蝕[2]等問題逐漸突出。在涂層防垢、防腐蝕方面，Cheng等[3]研究表明Ni-P復合鍍層中添加PTFE會抑制污垢的形成。Ratale Matjie等[4]揭示了具有最優表面能的鍍層極大地減少了硅酸鋁沉積物，并用擴展DLVO理論解釋了防污機理。Zhao和muller-Steinhagen[5]利用擴展的DLVO理論推導出了最優表面能公式，通過顆粒與介質的表面能計算出表面在防垢效果最優時應具有的表面能。Zhao等[6]研究表明通過擴展DLVO理論解釋了大部分低表面能表面上細菌黏附較少的原因，并發現CQ比與細菌黏附有強相關性。Liu等[5]研究表明細菌黏附與DLVO理論中的兩個表面能分量參數的比值有相關性。國內普遍采用電鍍涂層進行表面防腐處理以達到性能提升的目的[7]，對核電機組零部件，電鍍存在嚴重的不足：（1）電鍍技術無法抗海洋生物滋生；（2）電鍍層對海水中的氯離子腐蝕防治效果差[8]；（3）電鍍生產對環境污染極大[9]。對此，該研究開發一種新型化學鍍層，滿足核電工業領域高端零部件防腐、耐磨、抗污染技術指標。

1 鍍層樣片制備

Ni-P鍍層及Ni-P摻雜鍍層一般采用鎳鹽加次磷酸鈉還原劑在固體表面進行化學鍍，生成Ni-P鍍層，其中添加一些緩沖劑、加速劑、穩定劑、摻雜粒子等，讓鍍液均勻可控的發生自催化反應。

樣片基體首先經過預處理，去除表面雜質，然后進行堿洗將表面氧化膜去除，除鹽水沖洗掉表面殘余堿液后放入硝酸溶液中，對樣片表面進行活化，再次用除鹽水沖洗之后即可與鍍液發生反應，放入鍍液中進行施鍍，數小時后完成鍍層過程，除鹽水沖洗干凈表面鍍液后放入烘干箱中進行烘干，去除表面水分，釋放鍍層內部應力，加強鍍層與基體結合力。

1.1 預處理

1.1.1 超聲波清洗

由于基體表面雜質較多，需要對其進行預處理。用毛刷在水流下清洗，去除表面浮灰，之后放入超聲波清洗儀器中進行深度清洗，超聲波頻率為40kHz，功率為360W。將樣片靠近震子放置，清洗時間30分鐘以上，直至樣片表面無明顯雜質且水不再繼續渾濁。此時樣片表面殘余的灰塵和污垢都已被清洗干凈，使用除鹽水適當沖洗表面，即完成預處理。

1.1.2 堿洗

鋼材表面有油脂、銹漬及氧化膜，這些都會影響鍍層的過程和品質，所以需要對樣片基體進行堿洗，去除油脂、銹漬和氧化膜。堿洗液中發生的化學反應如下。

具體流程為按照表1所示配置堿洗液，并用恒溫水浴鍋加熱至70℃，將待鍍樣片豎直放入堿洗液，堿洗過程中持續攪拌堿洗液，使堿洗液均勻，堿洗2分鐘后，放入70℃除鹽水中反復漂洗表面殘留液體，完成堿洗。

表1 堿洗處理過程

1.1.3 酸洗

堿洗處理之后，表面會殘留一層雜質黑膜，需進行酸洗處理，去除表面黑膜并對表面進行活化。將65%～68%濃硝酸與除鹽水配比為10∶3，配置50%濃度硝酸溶液。

在稀釋濃硝酸時，燒杯中應先加入蒸餾水，然后用玻璃棒一端緊貼杯壁，傾斜玻璃棒，將濃硝酸沿著玻璃棒緩緩倒入蒸餾水中，每當倒入一部分濃硝酸時，應停止繼續倒入，將杯中溶液攪拌均勻，適當散熱后繼續倒入，重復多次后完成酸洗液配置。將待鍍樣片放入酸洗液中5s～15s，若氧化膜過多，可適當延長酸洗時間，直至表面無黑色雜質，酸洗后用常溫除鹽水清洗表面殘留酸液，此時樣片表面活性增強，即可進行施鍍。

1.2 鍍層施鍍

該研究分別在基體表面進行4種鍍層的施鍍：Ni-P鍍層、Ni-P-Cu鍍層、Ni-P-PTFE鍍層、Ni-P-Cu-PTFE鍍層。其中PTFE的摻雜分別為5%、15%、25%三種濃度。Ni-P鍍液成分及制備條件如表2所示。Ni-P-Cu鍍液成分及制備條件如表3所示，Ni-P-PTFE鍍液成分及制備條件如表4所示。

表2 Ni-P鍍層成分及制備條件

表3 Ni-P-Cu鍍層成分及制備條件

表4 Ni-P-PTFE 鍍層成分及制備條件

將藥品配置完成后，在磁力攪拌器上進行攪拌混合，待無明顯藥品顆粒后取下。用氨水調節pH為4.8左右，完成鍍液配置。將鍍液放入恒溫水浴鍋預熱，溫度為83℃。鍍液到達83℃后，放入樣片進行底層施鍍。其中PTFE為50nm～200nm、60%固含量的乳液，其具有優良的物理化學特性，防靜電耐酸堿，不易腐蝕，摻雜PTFE的鍍層表面光滑，疏水性好，表面能低。

所用PTFE乳液中PTFE固含量為60%，pH約為9.5，粒徑為50μm～200μm，內部含有非離子表面活性劑使PTFE顆粒均勻分散在溶液中，由于其特殊的化學性質，需在20℃左右的室溫下保存，并每隔一星期左右輕輕攪拌防止聚沉，避免強光直曬，在0℃會結冰喪失活性。

1.3 樣片后處理

將完成化學鍍的樣片放在流動的水流下沖洗5分鐘，去除表面殘留鍍液，此時鍍層內部殘余應力未釋放，容易在運行工況中起皮或者脫落，壽命大大降低，所以需要在150℃的干燥箱中對樣片進行烘干。

選取功率1kW的干燥箱，干燥溫度設定為150℃，時間設定為1小時，釋放樣片表面應力，使鍍層與基體結合力更強，不易脫落，延長使用壽命。

2 鍍層樣片的現場實際實驗與結果討論

為測試新型鍍層的抗海洋生物污染、防海水腐蝕的效果，將制備完成的碳鋼、不銹鋼基底的Ni-P、Ni-P-PTFE、Ni-Cu-P-PTFE鍍層樣片，置于深圳大亞灣海洋環境中對鍍層樣片、鈦板、銅板、碳鋼進行抗海洋生物污染、防海水腐蝕性能測試。

2.1 實驗條件與樣片參數

實驗在深圳市大亞灣海域進行，實驗測定大亞灣水質參數如下表5所示。

表5 大亞灣海域水質參數表

將制備的鍍層樣片依次黏貼在亞克力板上，放入海洋環境中。實驗樣板如圖1所示。

圖1 碳鋼、不銹鋼基底化學鍍層樣件

2.2 實驗結果分析

樣片置于海洋環境兩個月后取出，觀察各個樣片的海洋生物滋生及腐蝕情況。海洋生物滋生情況如圖2所示，整體腐蝕情況如圖3所示。

圖2 樣片表面生物滋生情況

圖3 樣片表面腐蝕情況

2.2.1 海洋生物滋生情況分析

由圖2可明顯得出，銅板樣片的生物滋生最少，這是由于電解的微量銅離子具有殺菌的作用，組織了微生物的生長，進而減少了以微生物為食的其他海洋生物滋生；Ni-P-Cu鍍層樣片同樣基于銅元素的殺菌作用減少了生物的滋生；有以上分析可得出結論：含有Cu元素的鍍層可減少生物滋生，降低因生物滋生造成的換熱、卡澀、徑流量損失。

2.2.2 海洋環境下抗腐蝕情況分析

由圖3可知，總體而言，Ni-P/Ni-P-Cu鍍層樣片抗腐蝕效果十分優秀，基本與鈦板樣片相同，無腐蝕點。如圖4所示。

圖4 Ni-P鍍層與Ni-P-Cu鍍層樣片腐蝕情況

摻雜PTFE的Ni-P/Ni-P-Cu鍍層樣片防腐蝕效果好于碳鋼與銅樣片，但仍出現了腐蝕、脫落現象，抗腐蝕性能不足，如圖5，圖6所示。

圖5 碳鋼與銅樣片腐蝕情況

圖6 Ni-P-Cu-PTFE（15%）與 Ni-P-Cu-PTFE（25%）樣片腐蝕情況

有以上分析可得出結論：Ni-P/Ni-P-Cu鍍層抗腐蝕能力優秀，強于一般使用的不銹鋼材料；摻雜PTFE材料對鍍層的抗腐蝕能力有負面影響。

3 結論

該研究以解決核電機組零部件的海水腐蝕、海洋生物滋生為目標，制備了不同鍍層工藝的鍍層，并進行了現場實驗，探索了不同工藝鍍層的防海水腐蝕、抗海洋生物滋生的性能。實驗結果表明，含Cu元素鍍層能有效減少海洋生物的滋生，Ni-P/Ni-P-Cu鍍層具有優秀的抗腐蝕能力，可用于提高核電機組零部件的防海水腐蝕、抗海洋生物滋生性能。