核电机组零部件防腐抗生物污染镀层开发及实验

李 墨 黄 宇 刘秉政 王博文 吕昌旗

（1.中核检修有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000；2.东北电力大学，吉林 吉林 132012）

0 引言

随着我国核电工业快速发展，零部件的海洋生物污染[1]、海水腐蚀[2]等问题逐渐突出。在涂层防垢、防腐蚀方面，Cheng等[3]研究表明Ni-P复合镀层中添加PTFE会抑制污垢的形成。Ratale Matjie等[4]揭示了具有最优表面能的镀层极大地减少了硅酸铝沉积物，并用扩展DLVO理论解释了防污机理。Zhao和muller-Steinhagen[5]利用扩展的DLVO理论推导出了最优表面能公式，通过颗粒与介质的表面能计算出表面在防垢效果最优时应具有的表面能。Zhao等[6]研究表明通过扩展DLVO理论解释了大部分低表面能表面上细菌黏附较少的原因，并发现CQ比与细菌黏附有强相关性。Liu等[5]研究表明细菌黏附与DLVO理论中的两个表面能分量参数的比值有相关性。国内普遍采用电镀涂层进行表面防腐处理以达到性能提升的目的[7]，对核电机组零部件，电镀存在严重的不足：（1）电镀技术无法抗海洋生物滋生；（2）电镀层对海水中的氯离子腐蚀防治效果差[8]；（3）电镀生产对环境污染极大[9]。对此，该研究开发一种新型化学镀层，满足核电工业领域高端零部件防腐、耐磨、抗污染技术指标。

1 镀层样片制备

Ni-P镀层及Ni-P掺杂镀层一般采用镍盐加次磷酸钠还原剂在固体表面进行化学镀，生成Ni-P镀层，其中添加一些缓冲剂、加速剂、稳定剂、掺杂粒子等，让镀液均匀可控的发生自催化反应。

样片基体首先经过预处理，去除表面杂质，然后进行碱洗将表面氧化膜去除，除盐水冲洗掉表面残余碱液后放入硝酸溶液中，对样片表面进行活化，再次用除盐水冲洗之后即可与镀液发生反应，放入镀液中进行施镀，数小时后完成镀层过程，除盐水冲洗干净表面镀液后放入烘干箱中进行烘干，去除表面水分，释放镀层内部应力，加强镀层与基体结合力。

1.1 预处理

1.1.1 超声波清洗

由于基体表面杂质较多，需要对其进行预处理。用毛刷在水流下清洗，去除表面浮灰，之后放入超声波清洗仪器中进行深度清洗，超声波频率为40kHz，功率为360W。将样片靠近震子放置，清洗时间30分钟以上，直至样片表面无明显杂质且水不再继续浑浊。此时样片表面残余的灰尘和污垢都已被清洗干净，使用除盐水适当冲洗表面，即完成预处理。

1.1.2 碱洗

钢材表面有油脂、锈渍及氧化膜，这些都会影响镀层的过程和品质，所以需要对样片基体进行碱洗，去除油脂、锈渍和氧化膜。碱洗液中发生的化学反应如下。

具体流程为按照表1所示配置碱洗液，并用恒温水浴锅加热至70℃，将待镀样片竖直放入碱洗液，碱洗过程中持续搅拌碱洗液，使碱洗液均匀，碱洗2分钟后，放入70℃除盐水中反复漂洗表面残留液体，完成碱洗。

表1 碱洗处理过程

1.1.3 酸洗

碱洗处理之后，表面会残留一层杂质黑膜，需进行酸洗处理，去除表面黑膜并对表面进行活化。将65%～68%浓硝酸与除盐水配比为10∶3，配置50%浓度硝酸溶液。

在稀释浓硝酸时，烧杯中应先加入蒸馏水，然后用玻璃棒一端紧贴杯壁，倾斜玻璃棒，将浓硝酸沿着玻璃棒缓缓倒入蒸馏水中，每当倒入一部分浓硝酸时，应停止继续倒入，将杯中溶液搅拌均匀，适当散热后继续倒入，重复多次后完成酸洗液配置。将待镀样片放入酸洗液中5s～15s，若氧化膜过多，可适当延长酸洗时间，直至表面无黑色杂质，酸洗后用常温除盐水清洗表面残留酸液，此时样片表面活性增强，即可进行施镀。

1.2 镀层施镀

该研究分别在基体表面进行4种镀层的施镀：Ni-P镀层、Ni-P-Cu镀层、Ni-P-PTFE镀层、Ni-P-Cu-PTFE镀层。其中PTFE的掺杂分别为5%、15%、25%三种浓度。Ni-P镀液成分及制备条件如表2所示。Ni-P-Cu镀液成分及制备条件如表3所示，Ni-P-PTFE镀液成分及制备条件如表4所示。

表2 Ni-P镀层成分及制备条件

表3 Ni-P-Cu镀层成分及制备条件

表4 Ni-P-PTFE 镀层成分及制备条件

将药品配置完成后，在磁力搅拌器上进行搅拌混合，待无明显药品颗粒后取下。用氨水调节pH为4.8左右，完成镀液配置。将镀液放入恒温水浴锅预热，温度为83℃。镀液到达83℃后，放入样片进行底层施镀。其中PTFE为50nm～200nm、60%固含量的乳液，其具有优良的物理化学特性，防静电耐酸碱，不易腐蚀，掺杂PTFE的镀层表面光滑，疏水性好，表面能低。

所用PTFE乳液中PTFE固含量为60%，pH约为9.5，粒径为50μm～200μm，内部含有非离子表面活性剂使PTFE颗粒均匀分散在溶液中，由于其特殊的化学性质，需在20℃左右的室温下保存，并每隔一星期左右轻轻搅拌防止聚沉，避免强光直晒，在0℃会结冰丧失活性。

1.3 样片后处理

将完成化学镀的样片放在流动的水流下冲洗5分钟，去除表面残留镀液，此时镀层内部残余应力未释放，容易在运行工况中起皮或者脱落，寿命大大降低，所以需要在150℃的干燥箱中对样片进行烘干。

选取功率1kW的干燥箱，干燥温度设定为150℃，时间设定为1小时，释放样片表面应力，使镀层与基体结合力更强，不易脱落，延长使用寿命。

2 镀层样片的现场实际实验与结果讨论

为测试新型镀层的抗海洋生物污染、防海水腐蚀的效果，将制备完成的碳钢、不锈钢基底的Ni-P、Ni-P-PTFE、Ni-Cu-P-PTFE镀层样片，置于深圳大亚湾海洋环境中对镀层样片、钛板、铜板、碳钢进行抗海洋生物污染、防海水腐蚀性能测试。

2.1 实验条件与样片参数

实验在深圳市大亚湾海域进行，实验测定大亚湾水质参数如下表5所示。

表5 大亚湾海域水质参数表

将制备的镀层样片依次黏贴在亚克力板上，放入海洋环境中。实验样板如图1所示。

图1 碳钢、不锈钢基底化学镀层样件

2.2 实验结果分析

样片置于海洋环境两个月后取出，观察各个样片的海洋生物滋生及腐蚀情况。海洋生物滋生情况如图2所示，整体腐蚀情况如图3所示。

图2 样片表面生物滋生情况

图3 样片表面腐蚀情况

2.2.1 海洋生物滋生情况分析

由图2可明显得出，铜板样片的生物滋生最少，这是由于电解的微量铜离子具有杀菌的作用，组织了微生物的生长，进而减少了以微生物为食的其他海洋生物滋生；Ni-P-Cu镀层样片同样基于铜元素的杀菌作用减少了生物的滋生；有以上分析可得出结论：含有Cu元素的镀层可减少生物滋生，降低因生物滋生造成的换热、卡涩、径流量损失。

2.2.2 海洋环境下抗腐蚀情况分析

由图3可知，总体而言，Ni-P/Ni-P-Cu镀层样片抗腐蚀效果十分优秀，基本与钛板样片相同，无腐蚀点。如图4所示。

图4 Ni-P镀层与Ni-P-Cu镀层样片腐蚀情况

掺杂PTFE的Ni-P/Ni-P-Cu镀层样片防腐蚀效果好于碳钢与铜样片，但仍出现了腐蚀、脱落现象，抗腐蚀性能不足，如图5，图6所示。

图5 碳钢与铜样片腐蚀情况

图6 Ni-P-Cu-PTFE（15%）与 Ni-P-Cu-PTFE（25%）样片腐蚀情况

有以上分析可得出结论：Ni-P/Ni-P-Cu镀层抗腐蚀能力优秀，强于一般使用的不锈钢材料；掺杂PTFE材料对镀层的抗腐蚀能力有负面影响。

3 结论

该研究以解决核电机组零部件的海水腐蚀、海洋生物滋生为目标，制备了不同镀层工艺的镀层，并进行了现场实验，探索了不同工艺镀层的防海水腐蚀、抗海洋生物滋生的性能。实验结果表明，含Cu元素镀层能有效减少海洋生物的滋生，Ni-P/Ni-P-Cu镀层具有优秀的抗腐蚀能力，可用于提高核电机组零部件的防海水腐蚀、抗海洋生物滋生性能。