核電廠小尺寸閥門內壁新型沖蝕減緩技術的研發應用

邊春華，張維，劉洪群，馬若群

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

核電機組二回路中存在著大量的疏水閥閥門，它們是介質輸送的控制設備，連接核電站的眾多系統，具有調節、截止、導流、穩壓、防逆流、溢流泄壓或分流等功能，是機組必不可少的組成部分。閥門閥體沖刷腐蝕穿孔導致介質泄露，是閥門失效的常見問題之一，每年閥門所花費的維修費用占總維修費用的50%以上。圖1為國內某核電廠規格為DN100的疏水閥沖蝕失效實例，可見閥體內壁已發生嚴重沖蝕，若不及時治理，將對核電的安全穩定運行埋下隱患。目前，解決材料沖蝕問題的途徑主要有兩種[1]：一是優化材質或整體更換，二是采用先進的表面噴涂技術。材質優化需要較長的研發周期，整體更換則大大提高了運營成本，表面噴涂技術[2]由于具有經濟、高效等優點而備受關注和得到廣泛應用。

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有熱噴涂、物理氣相沉積、化學氣相沉積等，其中熱噴涂的應用最為廣泛。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、冷噴涂等類型，其中超音速火焰噴涂(HVOF)是一種氧氣助燃的高速噴涂技術，所制備的涂層具有優異的綜合性能，在國內外均已得到廣泛的認可與應用[3-4]。

通常，HVOF技術多應用于較大設備的外部噴涂防護。針對工件內部也需噴涂的實際需求，目前國外開發了相應的內孔噴槍，如德國GTV、美國Uniquecoat等公司都有這類噴槍，但這些內孔噴槍僅僅適用于較短的規則部件的噴涂[5-7]，以管道內壁為例，可噴涂長度通常不超過2 m，直徑不小于120 mm，無法應用于復雜流道空間內部的噴涂，且仍不具有便攜性、安裝靈活性和現場應用及時性，無法應用于核電廠小尺寸閥門內壁的噴涂防護中。國內也開發出了內孔噴槍設備，噴涂最小內徑可達60 mm，具有體積小、靈活性高等特點，應可用于更小規格部件的噴涂，但其工程應用仍缺少可行性研究與實踐反饋。

為有效解決核電廠小尺寸閥門的沖蝕問題，在保證質量可行性與經濟性的前提下，有必要開展關于該類閥門內壁新型噴涂技術的實際應用研發工作。本文主要研究了采用國內內孔噴涂設備制備的涂層的綜合性能，并評估其實際工程應用的可行性，為該類技術的應用和推廣提供指導。

1 實驗

1.1 材料

噴涂材料為Ni60粉末，粒徑20 ~ 50 μm，其化學成分(以質量分數計，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%，Fe≤15%，余量為Ni。

對比材料為用于制備閥門的WCB鋼，其化學成分為：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 預處理

1.2.1 粉末烘焙

粉末首先經實驗室檢測粒度分布、流動性、松比、微觀形貌(顯微鏡下與標樣對比)四大指標合格后，運輸至現場準備現場作業。現場使用前將粉末置于專用容器內里搖動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目精細篩過濾掉雜物后，將粉末加入送粉器。

1.2.2 工件檢驗與清洗

根據工件表面積垢的不同，選用煤油、堿液清洗，最后用丙酮清洗，直至表面無可見油垢。

1.2.3 噴砂毛化處理

借助壓力式噴砂裝置對閥體表面實施清潔及粗化處理。選擇優質的16目金剛砂，壓縮空氣經過過濾以達到無水無油的要求，對部件表面進行仔細的清理和毛化處理，從而提高噴涂的結合強度。使用壓力式噴砂法對部件噴涂區域進行粗糙、活化處理，使基體表面粗糙度Rz達到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內進行涂層噴涂。

1.3 涂層的制備

采用自主研發的小型HVOF設備在WCB基體上或實際小尺寸閥門的內壁表面噴涂Ni60涂層，流程如圖3所示，制備參數為：氧氣壓力9 psi(相當于62.0 kPa)，氧氣流量47 L/min，丙烷壓力8.5 psi(相當于58.6 kPa)，丙烷流量16 L/min，噴涂距離235 mm，噴槍移動速率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 小尺寸閥門內壁噴涂的工藝流程Figure 3 Process flow for spraying inner walls of small-sized valve

噴涂設備按照執行規范安裝，調試合格后方可進行噴涂作業。噴涂前按照工藝操作規范對工件進行預熱，清除表面水汽。所有準備工作就緒后，在正式噴涂工件前進行折彎試片噴涂，現場折彎后涂層沒有脫落現象，才可對工件噴涂。噴涂范圍和噴砂范圍一致，噴涂工藝嚴格按照評定合格的工藝進行，通過控制噴涂速率和噴涂時間來進行厚度控制，通過噴涂時間、噴涂速度、送粉量等工藝參數的控制，并在閥體流道不同部位布置掛片試樣，監測噴涂厚度，噴涂完成后在現場進行初步厚度測量。如果涂層厚度未達到設計厚度，應及時補噴。對磨蝕嚴重的部位進行加厚噴涂。

閥門噴涂完成以后，對涂層質量進行檢查，然后對密封面機械加工后進行藍油試驗[8]，綜合分析該噴涂工藝的實際可行性。

1.4 表征與性能測試

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

利用HVS-1000顯微硬度計測量涂層與基體的顯微硬度，測試載荷為300 g，保壓時間為30 s。

利用MTS C64.305萬能拉伸試驗機測試涂層與基體的結合強度，拉伸速率為0.5 mm/min，測試4個平行試樣。

利用磨粒磨損試驗機、沖蝕磨損試驗機等對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。磨粒磨損試驗參數為：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0.156 MPa，橡膠輪轉速45 r/min，橡膠輪直徑220 mm。在磨粒磨損試驗中，同一試樣共進行8次試驗，每次均需對試樣進行稱量，時長10 min，且確保每次磨損位置均相同。沖蝕試驗中，試驗參數為：磨料100目，沖蝕時間15 s，沖蝕角度15°、30°和90°，磨料質量100 g，氣源壓力0.4 MPa，噴嘴長度22 mm，噴嘴內徑3.6 mm，沖蝕距離100 mm。同一試樣進行10次試驗，每次均需對試樣進行稱量，時長為15 s(即15 s內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。稱重采用OHAUS AX324ZH分析天平，精度為0.1 mg。

2 結果與討論

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；涂層的均勻性和致密性良好，僅存在少量氣孔。經對橫截面涂層內孔隙進行統計，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等元素的金屬硬質相；黑色塊狀組織主要富含Cr、Fe、Ni、C等元素，應為 Ni與其他金屬的化合物及碳化物。以上結果表明，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中不同區域的能譜分析結果Table 1 Energy-dispersive spectroscopic analysis results of different areas marked in Figure 4a

從表2可知，涂層的結合強度較高均超過了190 MPa，平均值超過了200 MPa。從圖5可見，斷裂位置均在涂層內部，表明涂層與基體的界面結合強度高于涂層的內聚強度。

表2 涂層的結合強度Table 2 Bonding strength of coating

圖5 涂層結合強度測試后的斷面形貌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，在整個磨粒磨損過程中，基體的磨損速率較為穩定，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之間穩定性較差，40 min之后才趨于穩定。涂層的沉積是一顆顆熔融液滴累加的過程，其典型的微觀結構為層狀，存在孔隙。沖蝕過程對涂層會有個不斷夯實的過程。因此隨著沖蝕的延長，后期損耗會趨于穩定。穩定階段涂層的磨損速率約為17.81 mg/min。可見，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比Figure 6 Comparison of abrasive wear rate between coating and substrate

隨著磨損時間延長，基體和涂層表面磨損區域的面積均增大，但磨損區域的磨痕形貌基本未發生變化，至80 min時，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程中被砂粒沖擊增大所導致的。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，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量損失(Δm)與沖蝕磨料用量之間的變化規律均相同，即基體、涂層的質量損失均隨沖蝕磨料用量的增大而幾乎線性增加；在攻角和磨料用量均相同的情況下，基體的質量損失都比涂層高。由此可見，攻角對基體和涂層的耐沖蝕性能也有一定影響。對于基體材料，在沖蝕初期，15°與30°攻角對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劇；而在90°攻角的情況下，在不同沖蝕階段對基體的影響程度均比15°和30°攻角時大。對于涂層材料，90°攻角時質量損失的規律與基體相似，在不同沖蝕階段的質量損失都比15°和30°攻角時更嚴重；而15°和30°攻角下，在整個沖蝕階段中，涂層質量損失隨沖蝕磨料用量的變化差異較小。

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

2.5 實際可行性分析

由圖9可知，閥體涂層表面致密、均勻，無鼓包、起皮、塊狀脫落等缺陷存在，外觀質量檢查合格。另外，閥體配合面經機加工后，藍油試驗表明閥體與閥座之間的配合性滿足裝配技術要求，因此噴涂工藝在實際工程應用中可行。

圖9 小尺寸閥門內壁噴涂Ni60涂層的照片Figure 9 Photos of Ni60 coating sprayed on inner wall of a small-sized valve

3 結論

采用國產化小型HVOF噴涂設備噴涂Ni60合金，可獲得孔隙率為0.27% ± 0.04%、平均顯微硬度為843 HV、界面結合強度高達200 MPa以上的涂層。該涂層主要由彌散分布有碳化物等硬質相的Ni基固溶體組成，具有明顯比 WCB基體材料更優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。小尺寸閥門內壁實際噴涂后，閥體表面涂層均勻致密，未發現起皮、鼓包、塊狀脫落等缺陷，而且閥體配合部位涂層經機加工后與閥座配合良好，符合裝配技術要求。該噴涂技術具有可廣泛推廣應用的可行性。