核電廠(chǎng)小尺寸閥門(mén)內(nèi)壁新型沖蝕減緩技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用

邊春華，張維，劉洪群，馬若群

（1.中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；3.生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082）

核電機(jī)組二回路中存在著大量的疏水閥閥門(mén)，它們是介質(zhì)輸送的控制設(shè)備，連接核電站的眾多系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)、截止、導(dǎo)流、穩(wěn)壓、防逆流、溢流泄壓或分流等功能，是機(jī)組必不可少的組成部分。閥門(mén)閥體沖刷腐蝕穿孔導(dǎo)致介質(zhì)泄露，是閥門(mén)失效的常見(jiàn)問(wèn)題之一，每年閥門(mén)所花費(fèi)的維修費(fèi)用占總維修費(fèi)用的50%以上。圖1為國(guó)內(nèi)某核電廠(chǎng)規(guī)格為DN100的疏水閥沖蝕失效實(shí)例，可見(jiàn)閥體內(nèi)壁已發(fā)生嚴(yán)重沖蝕，若不及時(shí)治理，將對(duì)核電的安全穩(wěn)定運(yùn)行埋下隱患。目前，解決材料沖蝕問(wèn)題的途徑主要有兩種[1]：一是優(yōu)化材質(zhì)或整體更換，二是采用先進(jìn)的表面噴涂技術(shù)。材質(zhì)優(yōu)化需要較長(zhǎng)的研發(fā)周期，整體更換則大大提高了運(yùn)營(yíng)成本，表面噴涂技術(shù)[2]由于具有經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注和得到廣泛應(yīng)用。

圖1 DN100疏水閥的沖蝕失效情況Figure 1 Erosion failure of DN100 drain valve

制備抗沖蝕磨損涂層的技術(shù)有熱噴涂、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等，其中熱噴涂的應(yīng)用最為廣泛。熱噴涂又可分為火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、超音速火焰噴涂、冷噴涂等類(lèi)型，其中超音速火焰噴涂(HVOF)是一種氧氣助燃的高速?lài)娡考夹g(shù)，所制備的涂層具有優(yōu)異的綜合性能，在國(guó)內(nèi)外均已得到廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用[3-4]。

通常，HVOF技術(shù)多應(yīng)用于較大設(shè)備的外部噴涂防護(hù)。針對(duì)工件內(nèi)部也需噴涂的實(shí)際需求，目前國(guó)外開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的內(nèi)孔噴槍?zhuān)绲聡?guó)GTV、美國(guó)Uniquecoat等公司都有這類(lèi)噴槍?zhuān)@些內(nèi)孔噴槍僅僅適用于較短的規(guī)則部件的噴涂[5-7]，以管道內(nèi)壁為例，可噴涂長(zhǎng)度通常不超過(guò)2 m，直徑不小于120 mm，無(wú)法應(yīng)用于復(fù)雜流道空間內(nèi)部的噴涂，且仍不具有便攜性、安裝靈活性和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及時(shí)性，無(wú)法應(yīng)用于核電廠(chǎng)小尺寸閥門(mén)內(nèi)壁的噴涂防護(hù)中。國(guó)內(nèi)也開(kāi)發(fā)出了內(nèi)孔噴槍設(shè)備，噴涂最小內(nèi)徑可達(dá)60 mm，具有體積小、靈活性高等特點(diǎn)，應(yīng)可用于更小規(guī)格部件的噴涂，但其工程應(yīng)用仍缺少可行性研究與實(shí)踐反饋。

為有效解決核電廠(chǎng)小尺寸閥門(mén)的沖蝕問(wèn)題，在保證質(zhì)量可行性與經(jīng)濟(jì)性的前提下，有必要開(kāi)展關(guān)于該類(lèi)閥門(mén)內(nèi)壁新型噴涂技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用研發(fā)工作。本文主要研究了采用國(guó)內(nèi)內(nèi)孔噴涂設(shè)備制備的涂層的綜合性能，并評(píng)估其實(shí)際工程應(yīng)用的可行性，為該類(lèi)技術(shù)的應(yīng)用和推廣提供指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

噴涂材料為Ni60粉末，粒徑20 ~ 50 μm，其化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，后同)為：C 0.6% ~ 1.0%，Cr 14% ~ 17%，B 2.5% ~ 4.5%，Mo≤3.0%，Si 3.0% ~ 4.5%，W 3.5%，F(xiàn)e≤15%，余量為Ni。

對(duì)比材料為用于制備閥門(mén)的WCB鋼，其化學(xué)成分為：C 0.25%，Si 0.30%，Mn 0.78%，P 0.035%，S 0.041%，Cu 0.27%，Ni 0.32%，Cr 0.12%，Mo 0.11%，V 0.02%，余量為Fe。WCB鋼的金相組織為鐵素體加珠光體，如圖2所示。

圖2 WCB鋼的金相組織Figure 2 Microstructure of WCB steel

1.2 預(yù)處理

1.2.1 粉末烘焙

粉末首先經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)粒度分布、流動(dòng)性、松比、微觀形貌(顯微鏡下與標(biāo)樣對(duì)比)四大指標(biāo)合格后，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)?，F(xiàn)場(chǎng)使用前將粉末置于專(zhuān)用容器內(nèi)里搖動(dòng)10 min，直至不同密度粉末均勻混合，然后放入烘箱，120 °C保溫1.5 ~ 2.0 h。用200目精細(xì)篩過(guò)濾掉雜物后，將粉末加入送粉器。

1.2.2 工件檢驗(yàn)與清洗

根據(jù)工件表面積垢的不同，選用煤油、堿液清洗，最后用丙酮清洗，直至表面無(wú)可見(jiàn)油垢。

1.2.3 噴砂毛化處理

借助壓力式噴砂裝置對(duì)閥體表面實(shí)施清潔及粗化處理。選擇優(yōu)質(zhì)的16目金剛砂，壓縮空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾以達(dá)到無(wú)水無(wú)油的要求，對(duì)部件表面進(jìn)行仔細(xì)的清理和毛化處理，從而提高噴涂的結(jié)合強(qiáng)度。使用壓力式噴砂法對(duì)部件噴涂區(qū)域進(jìn)行粗糙、活化處理，使基體表面粗糙度Rz達(dá)到40 ~ 80 μm，徹底清除閥體表面的氧化物、油脂、污物等附著物，均勻粗化并露出金屬光澤。噴砂完成后30 min內(nèi)進(jìn)行涂層噴涂。

1.3 涂層的制備

采用自主研發(fā)的小型HVOF設(shè)備在WCB基體上或?qū)嶋H小尺寸閥門(mén)的內(nèi)壁表面噴涂Ni60涂層，流程如圖3所示，制備參數(shù)為：氧氣壓力9 psi(相當(dāng)于62.0 kPa)，氧氣流量47 L/min，丙烷壓力8.5 psi(相當(dāng)于58.6 kPa)，丙烷流量16 L/min，噴涂距離235 mm，噴槍移動(dòng)速率350 mm/s。噴涂完成后自然冷卻，所制涂層厚度不低于0.5 mm。

圖3 小尺寸閥門(mén)內(nèi)壁噴涂的工藝流程Figure 3 Process flow for spraying inner walls of small-sized valve

噴涂設(shè)備按照?qǐng)?zhí)行規(guī)范安裝，調(diào)試合格后方可進(jìn)行噴涂作業(yè)。噴涂前按照工藝操作規(guī)范對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，清除表面水汽。所有準(zhǔn)備工作就緒后，在正式噴涂工件前進(jìn)行折彎試片噴涂，現(xiàn)場(chǎng)折彎后涂層沒(méi)有脫落現(xiàn)象，才可對(duì)工件噴涂。噴涂范圍和噴砂范圍一致，噴涂工藝嚴(yán)格按照評(píng)定合格的工藝進(jìn)行，通過(guò)控制噴涂速率和噴涂時(shí)間來(lái)進(jìn)行厚度控制，通過(guò)噴涂時(shí)間、噴涂速度、送粉量等工藝參數(shù)的控制，并在閥體流道不同部位布置掛片試樣，監(jiān)測(cè)噴涂厚度，噴涂完成后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初步厚度測(cè)量。如果涂層厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)厚度，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)噴。對(duì)磨蝕嚴(yán)重的部位進(jìn)行加厚噴涂。

閥門(mén)噴涂完成以后，對(duì)涂層質(zhì)量進(jìn)行檢查，然后對(duì)密封面機(jī)械加工后進(jìn)行藍(lán)油試驗(yàn)[8]，綜合分析該噴涂工藝的實(shí)際可行性。

1.4 表征與性能測(cè)試

利用JSM-6390A掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層的組織形貌、結(jié)構(gòu)和孔隙率，并用其自帶的能譜儀(EDS)分析涂層的元素成分。

利用HVS-1000顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層與基體的顯微硬度，測(cè)試載荷為300 g，保壓時(shí)間為30 s。

利用MTS C64.305萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，拉伸速率為0.5 mm/min，測(cè)試4個(gè)平行試樣。

利用磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)、沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)等對(duì)比分析涂層與基體的耐磨粒磨損性能和耐沖蝕性能。磨料均采用棕剛玉。磨粒磨損試驗(yàn)參數(shù)為：磨料60目，磨粒流量27 g/min，磨損載荷44.6 N，磨痕處平均壓強(qiáng)0.156 MPa，橡膠輪轉(zhuǎn)速45 r/min，橡膠輪直徑220 mm。在磨粒磨損試驗(yàn)中，同一試樣共進(jìn)行8次試驗(yàn)，每次均需對(duì)試樣進(jìn)行稱(chēng)量，時(shí)長(zhǎng)10 min，且確保每次磨損位置均相同。沖蝕試驗(yàn)中，試驗(yàn)參數(shù)為：磨料100目，沖蝕時(shí)間15 s，沖蝕角度15°、30°和90°，磨料質(zhì)量100 g，氣源壓力0.4 MPa，噴嘴長(zhǎng)度22 mm，噴嘴內(nèi)徑3.6 mm，沖蝕距離100 mm。同一試樣進(jìn)行10次試驗(yàn)，每次均需對(duì)試樣進(jìn)行稱(chēng)量，時(shí)長(zhǎng)為15 s(即15 s內(nèi)100 g的棕剛玉完全沖擊到涂層表面)，且確保每次沖蝕位置均相同。稱(chēng)重采用OHAUS AX324ZH分析天平，精度為0.1 mg。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的基本性能

由圖4知，涂層主要由灰白色致密組織、灰白色塊狀組織和黑色塊狀組織組成，塊狀組織彌散分布在致密組織內(nèi)；涂層的均勻性和致密性良好，僅存在少量氣孔。經(jīng)對(duì)橫截面涂層內(nèi)孔隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到涂層的孔隙率僅為0.27% ± 0.04%。由表1可知，灰白色致密組織主要富含Ni、Fe元素，其應(yīng)為Ni的固溶體基體相；灰白色塊狀組織為富含Cr、W、Si、Mo等元素的金屬硬質(zhì)相；黑色塊狀組織主要富含Cr、Fe、Ni、C等元素，應(yīng)為 Ni與其他金屬的化合物及碳化物。以上結(jié)果表明，HVOF噴涂工藝所制備的Ni60涂層主要是Ni基固溶體，其中彌散分布著碳化物等硬質(zhì)相。

圖4 Ni60涂層的表面(a)與截面(b)形貌Figure 4 Surface (a) and section (b) morphologies of Ni60 coating

表1 圖4a中不同區(qū)域的能譜分析結(jié)果Table 1 Energy-dispersive spectroscopic analysis results of different areas marked in Figure 4a

從表2可知，涂層的結(jié)合強(qiáng)度較高均超過(guò)了190 MPa，平均值超過(guò)了200 MPa。從圖5可見(jiàn)，斷裂位置均在涂層內(nèi)部，表明涂層與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度高于涂層的內(nèi)聚強(qiáng)度。

表2 涂層的結(jié)合強(qiáng)度Table 2 Bonding strength of coating

圖5 涂層結(jié)合強(qiáng)度測(cè)試后的斷面形貌Figure 5 Sectional morphology after bonding strength test

2.2 硬度分析

由表3可知，涂層的平均顯微硬度為843 HV，而WCB基體的平均顯微硬度只有260 HV。這預(yù)示涂層可能具有更好的耐磨損性能。

表3 涂層與基體的顯微硬度Table 3 Microhardness of coating and substrate

2.3 耐磨粒磨損性能

由圖6可知，在整個(gè)磨粒磨損過(guò)程中，基體的磨損速率較為穩(wěn)定，平均磨損速率約為47.04 mg/min；而Ni60涂層的磨損速率在0 ~ 40 min之間穩(wěn)定性較差，40 min之后才趨于穩(wěn)定。涂層的沉積是一顆顆熔融液滴累加的過(guò)程，其典型的微觀結(jié)構(gòu)為層狀，存在孔隙。沖蝕過(guò)程對(duì)涂層會(huì)有個(gè)不斷夯實(shí)的過(guò)程。因此隨著沖蝕的延長(zhǎng)，后期損耗會(huì)趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定階段涂層的磨損速率約為17.81 mg/min?？梢?jiàn)，該涂層的耐磨粒磨損性能比基體材料提升了約2倍。

圖6 涂層與基體磨粒磨損速率的對(duì)比Figure 6 Comparison of abrasive wear rate between coating and substrate

隨著磨損時(shí)間延長(zhǎng)，基體和涂層表面磨損區(qū)域的面積均增大，但磨損區(qū)域的磨痕形貌基本未發(fā)生變化，至80 min時(shí)，其表面形貌和截面形貌如圖7所示。圖7a所示的磨坑主要是涂層的孔隙在磨損過(guò)程中被砂粒沖擊增大所導(dǎo)致的。由圖7b和7d可知，試樣磨痕為典型的磨粒磨損形貌，即犁溝加塑性變形。

圖7 磨粒磨損80 min時(shí)，基體與涂層的形貌Figure 7 Morphologies of substrate and coating after being worn with abrasive particles for 80 minutes

2.4 耐沖蝕磨損性能

如圖 8所示，在攻角分別為15°、30°、90°的情況下，涂層與基體在沖蝕后的質(zhì)量損失(Δm)與沖蝕磨料用量之間的變化規(guī)律均相同，即基體、涂層的質(zhì)量損失均隨沖蝕磨料用量的增大而幾乎線(xiàn)性增加；在攻角和磨料用量均相同的情況下，基體的質(zhì)量損失都比涂層高。由此可見(jiàn)，攻角對(duì)基體和涂層的耐沖蝕性能也有一定影響。對(duì)于基體材料，在沖蝕初期，15°與30°攻角對(duì)基體的影響差異不大，沖蝕70 s后，30°攻角的情況下基體的沖蝕磨損加??；而在90°攻角的情況下，在不同沖蝕階段對(duì)基體的影響程度均比15°和30°攻角時(shí)大。對(duì)于涂層材料，90°攻角時(shí)質(zhì)量損失的規(guī)律與基體相似，在不同沖蝕階段的質(zhì)量損失都比15°和30°攻角時(shí)更嚴(yán)重；而15°和30°攻角下，在整個(gè)沖蝕階段中，涂層質(zhì)量損失隨沖蝕磨料用量的變化差異較小。

圖8 不同攻角時(shí)，涂層與基體沖蝕磨損后的質(zhì)量損失Figure 8 Mass losses of coating and substrate after erosion wear at different angles of attack

2.5 實(shí)際可行性分析

由圖9可知，閥體涂層表面致密、均勻，無(wú)鼓包、起皮、塊狀脫落等缺陷存在，外觀質(zhì)量檢查合格。另外，閥體配合面經(jīng)機(jī)加工后，藍(lán)油試驗(yàn)表明閥體與閥座之間的配合性滿(mǎn)足裝配技術(shù)要求，因此噴涂工藝在實(shí)際工程應(yīng)用中可行。

圖9 小尺寸閥門(mén)內(nèi)壁噴涂Ni60涂層的照片F(xiàn)igure 9 Photos of Ni60 coating sprayed on inner wall of a small-sized valve

3 結(jié)論

采用國(guó)產(chǎn)化小型HVOF噴涂設(shè)備噴涂Ni60合金，可獲得孔隙率為0.27% ± 0.04%、平均顯微硬度為843 HV、界面結(jié)合強(qiáng)度高達(dá)200 MPa以上的涂層。該涂層主要由彌散分布有碳化物等硬質(zhì)相的Ni基固溶體組成，具有明顯比 WCB基體材料更優(yōu)良的耐磨粒磨損和耐沖蝕性能，其沖蝕失效形式主要為犁溝加塑形變形。小尺寸閥門(mén)內(nèi)壁實(shí)際噴涂后，閥體表面涂層均勻致密，未發(fā)現(xiàn)起皮、鼓包、塊狀脫落等缺陷，而且閥體配合部位涂層經(jīng)機(jī)加工后與閥座配合良好，符合裝配技術(shù)要求。該噴涂技術(shù)具有可廣泛推廣應(yīng)用的可行性。