對核電廠緊固件表面處理措施的討論

蔡敏　王晰　高揚

【摘 要】經調研發現，我國部分核電站的緊固件發生了較為嚴重的腐蝕情況，因此，應采取適當的表面處理措施對緊固件進行保護。文中簡要介紹了目前國內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，優缺點及使用經驗。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。

【關鍵詞】核電站；緊固件；腐蝕；表面處理

1 背景

隨著我國經濟發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，是我國優化能源結構、保護生態環境、滿足經濟社會發展對能源需求的有效選擇。其中核電安全則是重中之重，大到整體設計，小到每個緊固件，決不能有絲毫疏漏。

經調研[1-2]發現，部分核電站的緊固件發生了較為嚴重的腐蝕情況，少量緊固件甚至出現了斷裂現象，影響了核電站的正常運行。因此，應采取適當的表面處理措施加強對緊固件的保護。

2 緊固件的表面處理措施

通過調研發現，目前國內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沉積的還原反應，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黑或發藍。

緊固件氧化處理的優點主要是耗能較低，生產效率相對較高，所用設備簡單，生產成本較低；缺點是產生的氧化膜非常薄，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境中，而不適用于在較嚴酷的腐蝕環境中使用。

另外，發藍或發黑處理根據所使用的發黑劑或發藍劑的不同，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晶型磷酸鹽轉換膜的過程，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]。

磷化設備簡單，操作方便，生產效率較高；磷化處理后的緊固件耐腐蝕效果較氧化處理稍有提高，根據壓水堆核島機械設備設計和建造規則[6]描述，磷化處理的顯著優點在于其可改善摩擦系數以及避免卡死現象，因此經常用于緊固件的表面處理中。但是，僅進行磷化處理，容易發生腐蝕現象，后續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境下，其耐腐蝕效果較其他表面處理較好，但鍍鎘處理易產生環境污染，因此加工過程中的廢液處理費用大，成本高。所以在一般行業中不使用，僅用于一些特定環境，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，但鍍鋅過程中所產生的原子態氫很容易被基體金屬吸附，進入金屬內部，當受到應力作用時，會產生氫脆，使基體金屬發生延遲脆性失效或氫應力斷裂[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增強防銹防腐效果，經調研，當熱浸鍍鋅層厚度應達到90μm左右，緊固件的使用壽命可達到20至30年（在海洋地區）[7]。并且熱浸鍍鋅方法簡單，適合大批量生產。

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。電鍍方法也較為復雜，不適于大批量生產，且電解過程中，會生成大量氫原子，極容易出現氫脆現象，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，在現場如發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成本較高。另外，磷化處理具有改善表面摩擦系數的功能，應用于緊固件，可避免卡死。

3 建議

核電廠中緊固件的表面處理措施的應用，應根據該緊固件的尺寸，數量，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.處于室內環境的緊固件，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；在現場安裝使用后，應定期進行檢查，如發現銹蝕等現象，應及時更換。

2.處于室外環境的緊固件，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，氣候特點為空氣濕度大，鹽霧氣氛嚴重，甚至部分設備或管道暴露在海水飛濺的條件下，導致室外緊固件表面的腐蝕速率較快，因此應在制造廠或現場，對磷化的緊固件后涂覆油漆，該油漆的涂層配套中應含有富鋅底漆（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，生產效率，環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。

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

【參考文獻】

[1]李成濤.海南核電主蒸汽管道防甩支架用螺栓斷裂分析方案[R].蘇州：蘇州熱工研究院有限公司，2015，3.

[2]梁清峰，焦少陽.嶺澳一期RP龍門架高強螺栓斷裂問題對核電站2015年度大修的影響評估[R].北京：中國核電工程有限公司，2015，3.

[3]何家盛.常溫表面發黑[R] 無錫：無錫自行車零件廠.

[4]鄭祖德.鋼鐵常溫發黑[J].機械工藝師，1985：7-8.

[5]李戈.核電旋轉電機管路磷化處理技術研究[J].華電技術，2015，37（2）：10.

[6]忻靜芬.壓水堆核島機械設備設計和建造規則[M].上海：上海學技術文獻出版社，2010.

[7]陳伯榮，俞慧忠.戶外GIS氣室外用緊固件的選用[J].電工電氣，2014（5）：45.

[8]孫美茹.表面處理對高強度緊固件機械性能的影響探討[J].使用·維修，2012（2）：59.

[責任編輯：楊玉潔]