蔡敏　王晰　高揚(yáng)

【摘 要】經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，我國(guó)部分核電站的緊固件發(fā)生了較為嚴(yán)重的腐蝕情況，因此，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚泶胧?duì)緊固件進(jìn)行保護(hù)。文中簡(jiǎn)要介紹了目前國(guó)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(diǎn)及使用經(jīng)驗(yàn)。通過對(duì)比討論，本人給出了對(duì)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(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源需求的迅速增長(zhǎng)，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(guó)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展對(duì)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(jì)，小到每個(gè)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(yán)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(yùn)行。因此，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚泶胧┘訌?qiáng)對(duì)緊固件的保護(hù)。

2 緊固件的表面處理措施

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)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(duì)這幾種表面處理措施及其工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

2.1 氧化

氧化處理機(jī)理是在緊固件表面進(jìn)行一種氧化和具有自動(dòng)催化又連續(xù)沉積的還原反應(yīng)，即當(dāng)緊固件浸入工作液中時(shí)，表面不斷被氧化，同時(shí)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(wú)機(jī)酸鹽膜層[3]。氧化處理后的緊固件表面呈藍(lán)色或黑色，因此氧化處理通常也被稱為發(fā)黑或發(fā)藍(lán)。

緊固件氧化處理的優(yōu)點(diǎn)主要是耗能較低，生產(chǎn)效率相對(duì)較高，所用設(shè)備簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低；缺點(diǎn)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(qiáng)的大氣環(huán)境中，而不適用于在較嚴(yán)酷的腐蝕環(huán)境中使用。

另外，發(fā)藍(lán)或發(fā)黑處理根據(jù)所使用的發(fā)黑劑或發(fā)藍(lán)劑的不同，得到的防腐效果也不盡相同，最高可達(dá)到30天濕熱試驗(yàn)后不銹[4]。并且，氧化處理后通常需進(jìn)行涂油，以提高防銹效果，無(wú)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(hù)，在一定程度上防止金屬被腐蝕[5]。

磷化設(shè)備簡(jiǎn)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(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則[6]描述，磷化處理的顯著優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行磷化處理，容易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，后續(xù)需要進(jìn)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(fèi)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(tái)和航天飛機(jī)用的緊固件等。

2.4 鍍鋅

鍍鋅處理對(duì)鋼鐵表面的防護(hù)除了物理保護(hù)外，還包括了電化學(xué)保護(hù)，其機(jī)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(hù)膜，一定程度上減緩鋅的腐蝕，這層保護(hù)膜受到破壞又會(huì)形成新的膜層。當(dāng)鋅層破壞嚴(yán)重，危及到鐵基體時(shí)，鋅對(duì)基體產(chǎn)生電化學(xué)保護(hù)，鋅的標(biāo)準(zhǔn)電位-0.76 V，鐵的標(biāo)準(zhǔn)電位-0.44 V，鋅與鐵形成微電池時(shí)，鋅作為陽(yáng)極被溶解，鐵作為陰極受到保護(hù)[7]。

鍍鋅處理的防腐效果隨鋅層厚度增加會(huì)有所增強(qiáng)，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(jìn)入金屬內(nèi)部，當(dāng)受到應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)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(jìn)行簡(jiǎn)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(duì)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(qiáng)防銹防腐效果，經(jīng)調(diào)研，當(dāng)熱浸鍍鋅層厚度應(yīng)達(dá)到90μm左右，緊固件的使用壽命可達(dá)到20至30年（在海洋地區(qū)）[7]。并且熱浸鍍鋅方法簡(jiǎn)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(huì)薄很多，因而耐腐蝕年限也會(huì)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(huì)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(huì)使高強(qiáng)緊固件功能喪失，后果非常嚴(yán)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(shí)施，在現(xiàn)場(chǎng)如發(fā)生漆膜破損也易于修補(bǔ)。并且，為增加防銹防腐效果，涂漆有時(shí)需要在上述表面處理后的工件上實(shí)施。涂漆后的表面耐蝕性能較好，一般可達(dá)到10年以上。

2.6 對(duì)比分析

綜上所述，僅對(duì)于防腐效果而言，鍍鋅和鍍鎘處理相對(duì)較好，涂漆次之，氧化及磷化處理措施在與涂油配合使用時(shí)，有一定防腐效果，但也相對(duì)較差。并且在保證表面處理后形成的保護(hù)層與金屬基底結(jié)合足夠好時(shí)，其防腐效果隨保護(hù)層厚度的增加，會(huì)有所增強(qiáng)。對(duì)于生產(chǎn)成本而言，氧化及磷化處理相對(duì)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(jìn)行涂油，增強(qiáng)其耐腐蝕性能；在現(xiàn)場(chǎng)安裝使用后，應(yīng)定期進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)銹蝕等現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)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(jìn)行涂油；并且，由于核電廠多建于鄰近海洋地區(qū)，氣候特點(diǎn)為空氣濕度大，鹽霧氣氛嚴(yán)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(chǎng)，對(duì)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(hù)原理類似）。

3.處于液體環(huán)境中或位于室外不易達(dá)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(zhǔn)控制螺紋處的鍍層厚度時(shí)，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(qiáng)，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(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些功能更加強(qiáng)大的表面處理措施應(yīng)運(yùn)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(guó)外可能已應(yīng)用于某些行業(yè)中，但要廣泛應(yīng)用于我國(guó)核電廠建設(shè)中，還需進(jìn)行一定時(shí)間的研究與探討。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]