CN116288327A - 一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层的制备方法，属于核燃料技术领域，其中，核电蒸汽发生器包括传热管以及支撑固定所述传热管的支撑板，上述制备方法包括：以镍基粉末为原料，在支撑板表面熔覆所述防腐减污涂层。本发明提供的制备方法能够有效避免核电蒸汽发生器中的电偶腐蚀，最终提升核电站二回路运行的安全性和持久稳定性。

Description

一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层的制备方法

技术领域

本发明涉及核燃料技术领域，尤其是涉及一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层的制备方法。

背景技术

核能作为一种清洁能源，在降低煤炭消费、有效减少温室气体排放、缓解能源输送压力等方面具有独特的优势和发展潜力，但是核能的应用也面临着一些问题，例如核电运行的安全性一直是民众担心的问题之一。

核电站主要分为一回路和二回路，其中一回路中燃烧核燃料发热，二回路利用一回路中产生的热量进行发电。压水堆核电站中蒸汽发生器是一、二回路的边界，具有至关重要的作用。

在蒸汽发生器中，存在数量极多的传热管，传热管细长且壁薄，并且经受回路水的冲刷，为提升安全性和运行的稳定性，需要用管支撑板加以固定。在核电站的长期运行中，蒸汽发生器内部具有高温高压的环境，传热管以及支撑板构件会发生腐蚀，腐蚀产物随着二回路流体转移并沉积，在传热管表面发生结垢现象，影响换热效率，甚至造成核电站的安全问题。

电偶腐蚀是指由于腐蚀电位不同，异种金属处于同一介质中，彼此接触或通过其他导体连通，造成异种金属接触部位的局部腐蚀。蒸汽发生器中支撑板和传热管之间的材质可能不相同，且两者之间存在不可避免的接触，这会产生严重的电偶腐蚀。并且受流致振动的影响，蒸汽发生器传热管与支撑板之间会发生微动磨损。这些最终都会影响蒸汽发生器运行安全。

传统的技术中，有研究者用涂层缓解上述腐蚀问题，但是考虑到核电站二回路的特殊环境，普通制备方法制得的涂层均不能发挥作用或者持久性非常差。

有鉴于此，确有必要提供一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层的制备方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层的制备方法，能够有效避免核电蒸汽发生器中的电偶腐蚀，最终提升核电站二回路运行的安全性和持久稳定性。

根据本发明第一方面的实施例，提供了一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层的制备方法，所述核电蒸汽发生器包括传热管以及支撑固定所述传热管的支撑板，所述制备方法包括：以镍基粉末为原料，在所述支撑板表面熔覆所述防腐减污涂层。

根据本发明实施例的制备方法，至少具有如下有益效果：

(1)现在运行的核电蒸汽发生器中，传热管的材质一般为镍基合金，例如Inconel690，而支撑板的材质通常和传热管的材质不同，例如可能是钢质结构。因此在传热管和支撑板的接触、震动过程中，容易发生电偶腐蚀以及磨损。

本发明采用镍基粉末为原料在支撑板表面熔覆防腐减污涂层，由此上述防腐减污涂层不仅能保护支撑板不被腐蚀，尽可能避免磨损；且传热管和支撑板的接触界面材质几乎相同(材质相同或相似)，由此可尽可能避免电偶腐蚀的发生，减少蒸汽发生器的污垢生成与沉积现象。最终提升核电蒸汽发生器的运行安全性和持久稳定性。

(2)本发明采用熔覆法，能实现熔覆的技术多样，自动化程度高，生产周期短，制备工艺简单，工艺可控性好。

本发明内采用熔覆法，支撑板和防腐减污涂层之间形成了冶金结合，具有较高的结合强度、较高的致密性，且表面显微硬度大。因此防腐减污涂层在使用过程中不容易被磨损脱落(耐磨性优异)，且耐腐蚀性能更优。

(3)本发明通过简单的制备方法提升了核电蒸汽发生器的服役寿命，降低了服役成本。且本发明采用的制备原料选择范围广、来源广，且价格低廉，由此可进一步降低核电站的服役成本。

(4)本发明提供的制备方法流程简单，操作方便，效率高，易于实现，可工业化生产。

根据本发明的一些实施例，所述镍基粉末中，水分的质量百分数≤3％。

如果在所述熔覆之前，所述镍基粉末中的水分含量不满足上述标准，需对所述镍基粉末进行干燥处理，以去除所述镍基粉末表面吸附的水。

根据本发明的一些实施例，所述镍基粉末的材质包括纯镍、Ni15、Ni17、Ni20、Ni25、Ni30A、Ni35、Ni45、Ni50、Ni55、Ni60、Incoloy合金、Inconel合金、Hastelloy合金和Monel合金中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述镍基粉末的粒径为20～350μm。例如具体可以是75～100μm、100～150μm、75～150μm或50～100μm。

根据本发明的一些实施例，所述镍基粉末的微观形貌包括不规则型、球形和类球形中的至少一种。也就是说，只要粒径(比表面积)满足，微观形貌并不做具体限定。

根据本发明的一些实施例，所述支撑板的材质包括钢，具体可以是碳钢、低合金钢和不锈钢中的至少一种。具体的钢的型号包括Q235碳钢、405不锈钢或410不锈钢。

根据本发明的一些实施例，所述制备方法还包括在所述熔覆之前对所述支撑板进行前处理。

根据本发明的一些实施例，所述支撑板的前处理包括依次进行的打磨和清洗。

根据本发明的一些实施例，所述打磨采用工具(例如砂纸)的最大目数为800目。由此可获得相对平整的表面，且可打磨去除所述支撑板表面的氧化物等杂质，以方便通过熔覆法获取质地更加均匀、结合强度更高的防腐减污涂层。

根据本发明的一些实施例，所述打磨采用的工具包括SiC砂纸。

根据本发明的一些实施例，所述支撑板的清洗包括采用有机溶剂清洗并进行干燥。

所述有机溶剂包括乙醇和丙酮中的至少一种。

所述干燥后，所述熔覆前，需将所述预处理后的支撑板进行无尘存放。以确保洁净表面，以及后续所得防腐减污涂层的结合强度。

根据本发明的一些实施例，所述熔覆的方法包括激光熔覆法、等离子熔覆法、磁控溅射法、多弧离子镀法、热喷涂法、冷喷涂法和原子层沉积技术中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述熔覆过程中，所述镍基粉末的的铺展轨道进行搭接。即镍基粉末呈条状铺展开，相邻两条的镍基粉末之间有部分重复。

所述搭接的搭接率为30～50％。例如具体可以为约40％。即后一条镍基粉末和前一条镍基粉末的之间有约40％的宽度是重合的。

当所述熔覆的方法为所述激光熔覆法时：

激光的功率为900～1100W，例如具体可以是约1000W；

激光的扫描速率为8～12mm/s，例如具体可以是约10mm/s。

镍基粉末的送粉方法为同轴送粉，送粉速率为0.5～5r/min，例如具体可以是约1r/min、1.5r/min、2.5r/min或3r/min。

当所述熔覆的方法为所述等离子体熔覆法时：

采用等离子体的激发电流为70～140A，例如具体可以是约80A、90A或100A。

镍基粉末的送粉方法为同步送粉，所述同步送粉是指等离子体气、镍基粉末、送粉气和保护气体同步输出。

输送镍基粉末的送粉喷头的移动速率为200～400mm/min，例如可以是约250mm/min或300mm/min。

载气的流速为0.5～5L/min，例如具体可以是约1L/min、1.5L/min或2L/min。

等离子体气的流速为0.5～2L/min，例如具体可以是约0.7L/min、0.8L/min或0.9L/min。

保护气体的流速为2～15L/min，例如具体可以是约8L/min、10L/min或15L/min。保护气体包括氦气和氩气中的至少一种。

送粉的转速为5～30r/min(送粉仪器的转速)，例如具体可以是约8r/min或10r/min。

根据本发明的一些实施例，所述熔覆在保护气氛中进行。所述保护气氛包括氩气和氦气中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，所述制备方法还包括在所述熔覆后进行冷却。所述冷却的方法包括自然降温(无外界干扰)，所述冷却后的温度为室温。

根据本发明的一些实施例，所述制备方法还包括在所述熔覆之后磨抛所述防腐减污涂层。

根据本发明的一些实施例，所述磨抛采用的工具包括角磨机和钢刷中的至少一种。由此可去除制备过程中，所述防腐减污涂层表面形成的氧化层，显示其金属光泽。

根据本发明的一些实施例，所述传热管表面也设有所述防腐减污涂层，由此所述传热管和所述支撑板接触位置的材质完全相同，可完全避免电偶腐蚀，进一步延长所述核电蒸汽发生器的服役年限。

根据本发明的一些实施例，所述防腐减污涂层的厚度为50～2000μm。例如具体可以是约400μm、1000μm、1200μm、1500μm或1600μm。

根据本发明的一些实施例，所述防腐减污涂层的抗剪强度为30～350MPa。例如具体可以是约92.3MPa、105.6MPa、116.5MPa、129.5MPa或138.2MPa。

上述防腐减污涂层的厚度对涂层的抗剪强度、耐腐蚀性能有一定的影响。一般来说防腐减污涂层的厚度越厚，则耐蚀性会有一定的上升。

若无特殊说明，本发明的“约”实际表示的含义是允许误差在±2％的范围内，例如约100实际是100±2％×100。

若无特殊说明，本发明中的“在……之间”包含本数，例如“在2～3之间”包括端点值2和3。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例1所得防腐减污涂层在实际使用中和其他部件之间的关系示意图。

图2是本发明实施例1所得防腐减污涂层未磨抛表面宏观形貌数码照片。

图3是本发明实施例1所得防腐减污涂层和支撑板界面处的金相组织照片。

图4是本发明实施例2所得防腐减污涂层未磨抛表面宏观形貌数码照片。

图5是本发明实施例1所得防腐减污涂层和对比例1的极化曲线测试。

图6是本发明实施例1至实施例5所得防腐减污涂层剪切强度。

附图标记：

传热管100、防腐减污涂层200、支撑板300。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。

如无特殊说明，具体实施方式中，关于防腐减污涂层厚度的测试，是指涂层的平均厚度，具体的可以是10次测量的平均值。

实施例1

本实施例制备了一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层，具体步骤为：

S1.前处理：

将粒径为75～100μm的球形纯镍粉末干燥处理，以使其中的水分含量＜3％；

将材质为Q235的钢质支撑板，利用SiC砂纸(最大目数为800目)进行打磨，磨抛后的支撑板表面具有金属光泽且没有肉眼可见的缺陷；利用无水乙醇对磨抛后支撑板进行清洗，清洗，并立即用电吹风吹干表面，之后进行无尘存放。

S2.熔覆：

以步骤S1所得纯镍粉末为覆材，利用激光熔覆技术，在步骤S1所得支撑板表面形成涂层；

其中激光熔覆技术的具体操作为：在氩气环境中，利用同轴送粉(边熔覆边送粉，而不是先铺展镍基粉末，之后熔覆)进行连续扫描支撑板表面，扫描轨道相互搭接且搭接率为40％，送粉速率为1.5r/min(送粉仪器运行时的转速)，激光功率为1000W，激光扫描速率为10mm/s。

本步骤所得防腐减污涂层的厚度约为400μm。

S3.后处理：

待步骤S2所得部件自然冷却至室温后，利用角磨机对防腐减污涂层的表面进行磨抛处理，以去除表面的氧化层。

本实施例所得防腐减污涂层的表面质量较好，涂层没有现肉眼可见的裂纹和缺陷，具体的，抛磨之前的外观如图2所示；且实施例所得防腐减污涂层和支撑板之间已经实现了冶金结合，两者间的结合强度高，且涂层中无裂纹。具体金相组织照片如图3所示。

本实施例所得的防腐减污涂层200设于支撑板300表面，在实际使用过程中，防腐减污涂层200和支撑板300的组合部件用于固定传热管100。上述各部件之间的组装示意图如图1所示。

实施例2

本实施例制备了一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层，具体和实施例1的区别在于：

(1)镍基粉末为100～150μm的类球形纯镍粉末；

(2)支撑板磨抛后依次采用乙醇和丙酮进行清洗。

(3)熔覆的方法为等离子体熔覆，具体操作为：采用同步送粉模式在氩气保护的环境中连续扫描支撑板表面，移动速度为300mm/min，电流为90A(激发电流)，送粉的转速为8r/min，送粉气的流速为1.5L/min，等离子体气的流速为0.8L/min，保护气体的流速为10L/min，

(4)本实施例熔覆得到的涂层的厚度为1500μm。

本实施例所得防腐减污涂层的表面质量良好，没有现肉眼可见的裂纹和缺陷。具体的抛磨之前的外观如图4所示。

实施例3

本实施例制备了一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层，具体和实施例1的区别在于：

(1)所用镍基粉末为75～150μm的球形NIi50粉末。

(2)支撑板的材质为405不锈钢。磨抛后依次采用乙醇和丙酮进行清洗。

(3)熔覆法采用等离子体熔覆法，具体步骤为：

采用同步送粉模式在氩气保护的环境中连续扫描支撑板表面，同步送粉的移动速度为300mm/min，电流为100A，转速为10r/min，送粉气流速为1.5L/min，等离子体气流速为0.8L/min，保护气体流速为10L/min。

(4)本实施例熔覆得到的涂层厚度约为1600μm。

本实施例所得防腐减污涂层的外观和实施例1～2相似。

实施例4

本实施例制备了一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层，具体和实施例1的区别在于：

(1)采用的镍基粉末为50～100μm的球形Inconel600合金粉末；

(2)支撑板的材质为405不锈钢。磨抛后依次采用乙醇和丙酮进行清洗。

(3)激光熔覆法中，轨道搭接率约为50％，送粉速率为2.5r/min。

(4)本实施例熔覆所得涂层的厚度约为1000μm。

本实施例所得防腐减污涂层的外观和实施例1～2相似。

实施例5

本实施例制备了一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层，具体和实施例1的区别在于：

(1)采用的镍基粉末为100～150μm的球形Incoloy800合金粉末。

(2)支撑板的材质为410不锈钢。磨抛后依次采用乙醇和丙酮进行清洗。

(3)激光熔覆法中，轨道搭接率约为50％，送粉速率为2.5r/min。

(4)本实施例中熔覆所得涂层的厚度为1200μm。

本实施例所得防腐减污涂层的外观和实施例1～2相似。

对比例1

本对比例提供了一种支撑板，具体的：

材质和实施例1所用支撑板的材质相同，该支撑板的前处理为：

利用SiC砂纸进行磨抛处理，SiC砂纸最大磨抛目数为800目，磨抛后的支撑板表面具有镜面光洁度且没有肉眼可见的缺陷，用于后续对比实验。

测试例

为了测试本发明中一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层各项性能进行如下实验：

1耐蚀性测试

采用电化学工作站在质量分数3.5wt.％的NaCl溶液中测试实施例1和对比例1所得防腐减污涂层的耐蚀性，测试结果显示实施例1制备的一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层具有良好的耐蚀性，耐蚀性明显优于对比例1的Q235钢板，说明本发明制备一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层能够起到很好的腐蚀防护作用。具体测试结果如图5所示。耐蚀性测试，实施例2～5显示出的性能和实施例1相似。

2.抗剪强度测试

利用万能试验机根据标准文件GB/T 6396-2008公开的《复合钢板力学及工艺性能试验方法》测量实施例1和实施例2所得防腐减污涂层的抗剪强度，结果显示，实施例1所得防腐减污涂层的抗剪强度为116.5MPa，实施例2中对应的抗剪强度为138.2MPa，实施例3中对应的抗剪强度为129.5MPa，实施例4中对应的抗剪强度为92.3MPa，实施例5中对应的抗剪强度为105.6MPa。部分结果如图6所示。

根据以上测试结果可知，本发明确实制备得到了外观效果良好的、耐蚀性良好的防腐减污涂层，因此该防腐减污涂层有望用于核电蒸汽发生器，并提升核电蒸汽发生器的服役期限，降低其服役成本。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (10)

1.一种核电蒸汽发生器用防腐减污涂层的制备方法，所述核电蒸汽发生器包括传热管以及支撑固定所述传热管的支撑板，其特征在于，所述制备方法包括：

以镍基粉末为原料，在所述支撑板表面熔覆所述防腐减污涂层。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镍基粉末的材质包括纯镍、Ni15、Ni17、Ni20、Ni25、Ni30A、Ni35、Ni45、Ni50、Ni55、Ni60、Incoloy合金、Inconel合金、Hastelloy合金和Monel合金中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镍基粉末的粒径为20～350μm。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔覆的方法包括激光熔覆法、等离子熔覆法、磁控溅射法、多弧离子镀法、热喷涂法、冷喷涂法和原子层沉积技术中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述防腐减污涂层的厚度为50～2000μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述防腐减污涂层的抗剪强度为30～350MPa。

7.根据权利要求1～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述镍基粉末中，水分的质量百分数≤3％。

8.根据权利要求1～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述熔覆之前对所述支撑板进行前处理。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述支撑板的前处理包括依次进行的打磨和清洗。

10.根据权利要求1～6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述熔覆之后磨抛所述防腐减污涂层。

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