表面处理技术增强核电阀门抗腐蚀性能的研究

引言

表面处理技术指的是通过物理、化学、机械手段等对材料进行表面处理，改变材料表面成分、结构、性能等，进而起到防腐蚀、耐磨损、耐高温等作用的科学技术。在核电阀门上使用表面处理技术，能够实现阀门的表面改性，在不改变阀门性能的情况下提升材料防腐等性能，延长阀门的表面寿命，进而降低核电站阀门的维护成本和安全运行风险。

一、常见腐蚀机理分析

1. 电化学腐蚀

电化学腐蚀是核电阀门中最常见的一种腐蚀。由于阀门在电解液溶液 ( 有溶解氧的水溶液 ) 中存在着材质本身的微观电极电位差，形成无数微小的腐蚀电池，电位低的部分成为阳极，发生氧化反应，失去电子的金属原子变成金属离子进入溶液，电位高的部位成为阴极，发生还原反应，中性或弱酸性溶液中，阴极反应主要为氧还原反应，而较强的溶液中，则主要为氢离子的还原反应。电化学腐蚀时，阳极部分的金属不断被腐蚀溶解，造成阀门破坏。

2. 点蚀

点蚀又称小孔腐蚀，它是发生在金属表面极小区域的腐蚀现象。点蚀现象在核电阀门中通常发生在含有氯离子等活性阴离子介质的金属表面上，破坏了金属表面上的钝化膜，局部形成较小的阳极区，大块钝化膜区则成为阴极区，从而形成了微小的腐蚀电池。阳极面积比阴极面积小得多，阳极电流密度大，故阳极溶解很快，形成小孔。其具有隐蔽性大、发展迅速、容易穿孔泄漏而造成严重后果等缺点。

3. 缝隙腐蚀

缝隙腐蚀是指在金属与金属或金属与非金属之间缝隙内介质滞流条件下引起的局部腐蚀。核电阀门中垫片和阀体，阀杆和填料函等地方易形成缝隙，当缝隙的宽度为 ，介质就滞留在缝隙之中形成相对独立的腐蚀环境，在腐蚀过程中，缝隙环境中的介质组成发生变化，酸度增加，促进金属腐蚀。

4. 应力腐蚀开裂

应力腐蚀开裂是在拉应力作用下以及特定的腐蚀介质存在下引起的一种脆性破坏现象。核电阀门制造、安装和运行过程产生的残余应力，工作时的内压力、热应力等使得阀门材料处于一种拉应力状态，在特定的腐蚀介质（含氯化物的高温水、含硼酸的溶液等）存在下，容易发生应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂的发生，具有突发性和灾难性，会对核电阀门安全运行造成重大影响。

二、常见的表面处理技术及其在核电阀门抗腐蚀中的应用

1. 涂层技术

涂层法是指通过在核电阀门表面涂覆一层连续致密的防腐涂料或膜材料，使其与腐蚀性介质隔离，达到防腐的效果。常见的涂层材料包括：有机涂层、无机涂层、金属陶瓷涂层等，其中有机涂层如环氧树脂涂层、聚四氟乙烯涂层等具有耐化学腐蚀性、较好的柔韧性等特点，施工工艺简单，但耐高温性能差，耐磨性较差，在核电一回路系统的高压、高温作用下容易发生老化、开裂等问题，使用寿命短，主要用于核电站温度、压力较低的辅助系统阀门；无机涂层如陶瓷涂层、玻璃涂层等具有耐高温、耐磨、化学稳定性好等特点，可承受核电一回路系统的高压、高温作用，其中陶瓷涂层采用等离子喷涂、溶胶凝胶等技术制备而成，与基体具有较好的附着强度，防腐效果好。但无机涂料脆性大，在阀门启闭等外力作用下易出现涂层开裂降低保护作用。金属陶瓷涂料结合了金属韧性与陶瓷硬度高、耐腐蚀等特点的优异性能涂层材料。利用热喷涂等技术在核电阀门表面喷涂金属陶瓷涂层，具有防腐性能强、对腐蚀介质磨损小、抗冲击能力强等优点，在核电阀门抗腐蚀方面应用范围广。

2. 镀层技术

镀层技术是采用电解、化学沉积等方法将金属或合金镀层沉积到核电阀门表面，以起到耐腐蚀的作用。常用的镀层有：铬镀层、镍镀层、锌镀层、镍 -铬合金镀层、镍 - 磷合金镀层等。铬镀层硬度高、不易磨损，抗腐蚀能力好，在传统镀铬技术中有较多的应用。但是六价铬存在毒性高、对环境和人体伤害严重等问题，不利于环境保护。无铬镀层技术有较好的性能，比如三价铬与六价铬具有较高的一致性，使用无铬镀层技术，对环境没有污染，在核电阀门镀层技术中有应用。镍镀层耐腐蚀性能好、延伸性好，化学镍镀层厚度均匀，可以覆盖阀门的复杂结构，对结构复杂的核电阀门有较好的适应性。镍 - 磷合金镀层可以通过热处理提高硬度，增强耐腐蚀性，符合核电环境要求。锌镀层主要是牺牲阳极保护阀门基体，即让锌镀层腐蚀而保护基体，这种镀层类型适用于部分低碳钢材质的核电阀门。这种镀层耐高温性差，在高温环境下容易被腐蚀，这种镀层类型适用于核电阀门低温系统。

3. 表面改性技术

表面改性技术是指通过物理法、化学法等手段改变核电阀门表面的组分及组织，在不增加任何涂层、镀层的前提下提高阀门的耐腐蚀性能。常见的表面改性方法包括离子注入法、激光表面处理法、渗氮法等。离子注入法是将高能离子注入阀门表面，改变阀门的化学成分和组织结构，在阀门表面形成一层改性层，离子注入可以提高阀门的表面硬度、耐磨性、耐蚀性等，且改性层与基体结合牢固，不存在涂层、镀层剥落的情况。离子注入法适用于所有的金属材料，且对于一些精密的阀门，在保证型尺寸精度前提下改善阀门性能。激光表面处理法是用激光束加热阀门表面，使阀门表面熔化、结晶或相变，从而改变阀门的组织结构和性能。激光表面淬火可以使阀门表面具有高硬度和耐磨性，激光表面合金化可以使阀门表面形成具有极高耐腐蚀性能的合金层，从而提升阀门的耐腐蚀性能。该工艺的特点是处理时间短，热影响区小并且自动化简单可行。渗氮处理是将氮原子渗入阀门表面使其在表面形成氮化层，氮化层硬、耐磨、耐腐蚀等特点可以提高阀门在氮化腐蚀性介质中的抗腐蚀性。渗氮处理工艺成熟，处理成本低廉，在核电阀表面处理技术应用较为广泛。

结语

核电阀门抗腐蚀是核电站安全稳定运行的有力保障，而表面处理是提高核电阀门抗腐蚀的有效方法，涂层技术、镀层技术及表面改性技术等各有优势和特点，对于核电阀门抗腐蚀的作用也各不相同，相信随着表面处理技术的不断完善和发展，将为核电行业安全高效发展提供更加有力的技术保障。

参考文献：

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