核电设备电解抛光表面处理技术

张三俊

东方电气（广州）重型机器有限公司 511455

摘要：随着我国核电技术不断发展，人们对降低核电厂员工辐照含量关注度日益增加。在核电设备中应用电解抛光技术，可以极大的减少再循环管道内放射物积聚的表面积，同时不影响材料性能，该工艺至少能减少再循环系统管道的放射物积聚达2-3倍。因此本文对电解抛光技术进行了深入的探讨，以供参阅。

关键词：电解抛光技术；电解液；核电设备

1电解抛光技术

1.1电解抛光技术的原理

电解抛光技术是以被抛光工件作为阳极，不溶性金属(或惰性导体)作为阴极，两电极同时浸入至特定的电解液中通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，达到整平金属表面，并使之产生金属光泽的加工过程。

1.2电解抛光设备分类

通常情况下，电解抛光设备可分为槽式和摩擦式两类。其中槽式适用于体积较小的被抛光物体，摩擦式电解抛光装置可适用于体积尺寸较大的被抛光物体。对于如蒸汽发生器、反应堆压力容器等这类体积尺寸较大核电设备，国内很多机构对此开展了相关电解抛光设备的开发研究，并在实际应用中取得了很好效果。

1.3电解拋光技术特点

(1)比机械抛光、化学抛光具有更光滑的微观表面和反光率，使设备不粘壁、不挂料、易清洗，能彻底清除工件表面污垢和油脂.

(2)电解抛光不受工件尺寸和形状的限制，对于不易进行机械抛光的产品可使用电解抛光，内外色泽一致，光泽持久，难以用机械抛光的硬质材料、软质材料以及薄壁、形状复杂、细小的零件和制品都能加工.

(3)抛光时间短，而且可以多件同时抛光，生产效率高，成本低廉.

(4)增加工件表面抗腐蚀性，可以使表面元素选择性溶出并在表面生成--层致密坚固的富铬固体透明膜，并形成等电势表面，从而消除和减轻微电池腐蚀，使表面具有更好的耐腐蚀性，可应用于腐蚀性较高的场合.

(5)电解抛光对母材不产生副作用，抛光的表面不会产生变质层，无附加应力，并可去除或减小原有的应力层.

(6)电解抛光工艺稳定，易操作，污染比化学抛光少，防污染性好。对于批量生产的产品，辅以适当的电极工装，可大量降低生产成本，提高生产效率。

1.4电解抛光化学液的组成

电解抛光剂可以显著的提高被抛光物件表面的光亮度及整平性、去除表面毛刺和增大表面光泽度。一般而言，电解抛光剂应选择相对粘性的电解质，此外，对电解抛光剂的选择要求还主要包含以下内容:抛光效率高，抛光深度强，抛光后光泽保持长久不变，拋光剂稳定，污染小，容易维护，耗能低，成本低，使用范围广等。

目前，电解抛光所用的电解液主要可分为H₃P0₄、H₂SO₄混合液体系和H₂Cr0₄、HNO₃混合液体系等，其中使用较多的是H₃P0₄、H₂SO₄混合体系。电解抛光中，H₃P0₄、H₂SO₄发挥不同的作用，且配方比例对抛光效果可产生重要影响，磷酸是保证电化学抛光正常进行的主要成分，其体积分数过高时，黏度提高，减缓整平速率；其体积分数过低时，活化倾向大，钝化倾向小，导致不锈钢表面出现不均匀腐蚀。硫酸是活化剂，其体积分数过高时，不锈钢表面会出现过腐蚀；其体积分数过低时，不锈钢表面会出现严重的不均匀腐蚀。但在早期电解抛光工程应用中，人们并未考虑用硫酸作为电解拋光液添加物，而是以H₂Cr0₄、HNO₃混合液体系为主。这是因为人们考虑到若采用含硫酸的电解抛光液进行电解抛光，电解抛光液中含有的硫元素会进入到SG钢材中，对钢材耐蚀性能造成不利影响。然而，实际工程经验表明采用铬酸作为电解抛光液同样存在一些弊端，如在电解抛光后，抛光液中会产生大量的Cr³⁺和Cr⁶⁺，这些含铬离子的抛光液很难处理，一般情况下这些离子几乎全部随废水排放到环境中，对周围环境造成严重污染，不仅废液处理设备投资大，而且处理后的效益也差。因此，研究人员开始考虑研发无铬酸环保型电解抛光液，并对此进行了大量研究。EPRI提出可以采用硫酸代替铬酸作为电解液添加物。对于残留电解液中硫元素进入钢材并对钢材性能造成不利影响问题，EPRI进行了论证试验，采用硫酸-磷酸作为电解抛光液，对电解抛光后的表面、冲洗水成分进行x-射线分析和化学分析，检测结果表明:电解抛光操作后残留在表面的电解液很少，完全可以忽略不计进入到钢材内硫元素，硫酸作为电解抛光添加物可以发挥和铬酸同样的效果。因此，在核电设备中，人们开始采用硫酸来代替铬酸作为电解抛，光液进行表面处理。

2电解抛光技术在我国核电工程应用实况

目前在我国电解抛光技术在汽车制造、过滤机械、石油化工、医疗卫生及建筑装饰等领域技术较为成熟且已经得到广泛应用，但电解抛光技术在我国核电工程中应用时间较晚，尚处于起步阶段，在我国三代核电以前几乎没有使用电解抛光技术。由于电解抛光对金属表面处理性能远优于机械抛光和化学拋光，同时，电解抛光技术可明显降低设备内辐射残留含量，因此，近些年电解抛光在核电领域愈发受到人们重视，目前很多核电研发设计单位和制造厂家相继对此开展了一系列评定工艺研究，并已经成功将电解抛光技术投入到实际核电工程应用中。将机械抛光和电解拋光结合使用，先对表面进行机械抛光，再对表面进行电解抛光。通过研究工艺试验结果证明，电解机械复合抛光的效率高于纯机械抛光和纯电解抛光，而且可以获得更低的表面粗糙度值。黄军波等人对AP1000压水堆核电站压力容器上封头控制棒驱动管座用焊接镍基合金进行了电解抛光研究，探讨电解抛光对其表面粗糙度和应力的改善作用，结果表明:电解抛光对焊接镍基合金的不同粗糙度表面均有明显的改善作用，可使原始表面粗糙度降低1-2级，并且预打磨颗粒越细，电解抛光的效果越明显；焊接镍基合金的抛光电流密度应控制在0.3-0.5A/cm

²之间，抛光时间宜为2-5min；电解抛光对焊接镍基合金表面不仅具有改善作用，还可以使表面拉应力大幅度减少，甚至产生压应力，可抑制焊接镍基合金应力腐蚀开裂的发生。和广庆等人针对AP1000蒸汽发生器材料、焊接及结构特点，研究了电解抛光对降低其粗糙度、消除表面毛刺和凸起:及表面形貌的影响。结果表明:电解抛光能改善AP1000蒸汽发生器表面状态。电解抛光对AP1000蒸汽发生器一次侧308L堆焊层和690镍基合金表面能显著降低粗糙度、消除表面毛刺和凸起，同时不会影响表面的组织形貌。

现阶段，我国自主设计并具有知识产权的三代PWR核电“华龙一号”已将电解抛光技术应用到蒸汽发生等设备表面处理上。

3结束语

总之，相比与其他表面精加工技术，电解抛光技术具有无可比拟的高效率、高精度、无加工硬化层、处理表面平滑以及耐蚀耐磨等一系列优点。电解抛光技术可明显降低核电设备内表面辐射残留物含量，并且具有效率高、处理试样表面光滑、能够保持材料原有性能等特点，近些年逐渐受到国内外核电领域重视。因此对其进行探究具有十分重要的现实意义。

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