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        核電機組零部件防腐抗生物污染鍍層開發(fā)及實驗

        2021-12-15 11:30:14劉秉政王博文呂昌旗
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年19期
        關(guān)鍵詞:抗腐蝕樣片鍍液

        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(xué),吉林 吉林 132012)

        0 引言

        隨著我國核電工業(yè)快速發(fā)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(fù)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(yōu)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(dǎo)出了最優(yōu)表面能公式,通過顆粒與介質(zhì)的表面能計算出表面在防垢效果最優(yōu)時應(yīng)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(fā)現(xiàn)CQ比與細菌黏附有強相關(guān)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(shù)的比值有相關(guān)性。國內(nèi)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(shù)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(chǎn)對環(huán)境污染極大[9]。對此,該研究開發(fā)一種新型化學(xué)鍍層,滿足核電工業(yè)領(lǐng)域高端零部件防腐、耐磨、抗污染技術(shù)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(xué)鍍,生成Ni-P鍍層,其中添加一些緩沖劑、加速劑、穩(wěn)定劑、摻雜粒子等,讓鍍液均勻可控的發(fā)生自催化反應(yīng)。

        樣片基體首先經(jīng)過預(yù)處理,去除表面雜質(zhì),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(fā)生反應(yīng),放入鍍液中進行施鍍,數(shù)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(nèi)部應(yīng)力,加強鍍層與基體結(jié)合力。

        1.1 預(yù)處理

        1.1.1 超聲波清洗

        由于基體表面雜質(zhì)較多,需要對其進行預(yù)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(zhì)且水不再繼續(xù)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(yù)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(zhì),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(fā)生的化學(xué)反應(yīng)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(xù)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(fù)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(zhì)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(yīng)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?shù)谷胍徊糠譂庀跛釙r,應(yīng)停止繼續(xù)倒入,將杯中溶液攪拌均勻,適當散熱后繼續(xù)倒入,重復(fù)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(zhì),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(diào)節(jié)pH為4.8左右,完成鍍液配置。將鍍液放入恒溫水浴鍋預(yù)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(yōu)良的物理化學(xué)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(nèi)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(xué)性質(zhì),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(jié)冰喪失活性。

        1.3 樣片后處理

        將完成化學(xué)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(nèi)部殘余應(yīng)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(shè)定為150℃,時間設(shè)定為1小時,釋放樣片表面應(yīng)力,使鍍層與基體結(jié)合力更強,不易脫落,延長使用壽命。

        2 鍍層樣片的現(xiàn)場實際實驗與結(jié)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(huán)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(shù)

        實驗在深圳市大亞灣海域進行,實驗測定大亞灣水質(zhì)參數(shù)如下表5所示。

        表5 大亞灣海域水質(zhì)參數(shù)表

        將制備的鍍層樣片依次黏貼在亞克力板上,放入海洋環(huán)境中。實驗樣板如圖1所示。

        圖1 碳鋼、不銹鋼基底化學(xué)鍍層樣件

        2.2 實驗結(jié)果分析

        樣片置于海洋環(huán)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(jié)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(huán)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(yōu)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(xiàn)了腐蝕、脫落現(xiàn)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(jié)論:Ni-P/Ni-P-Cu鍍層抗腐蝕能力優(yōu)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(jié)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(xiàn)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(jié)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(yōu)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。

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