用于就地电镀与金属管内壁结合的金属结构层的方法和装置.pdf

用于就地电镀一与金属管内壁结合 的金属结构层的方法和装置
    本发明是一种用于通过就地电沉积以在结构上加强一管子的方法和装置。这种方法对于修理由于如局部和整个地腐蚀、应力或疲劳裂纹的情况下而已损坏的热交换器管特别有用。这种方法特别可应用于维护保养和维修使用在电力发生设备例如核电厂中的高温高压的热交换器上。

    虽然熟悉技术的人可以认识到本发明具有广泛的工业实用性并应用于各种金属容器维修场合，但本发明的方法将具体参照热交换器管予以说明的。在这方面，热交换器的结构完整的维护存在面临的工业问题。热交换器管壁必须坚强并耐腐蚀同时还要尽可能的薄以提供穿过管壁的有效的热传递。在一定的环境条件下，热交换器管子会损坏，但这种损坏可能并不是均匀地发生。更确切地说，微裂缝或其它的缺陷提供了管子局部损坏的部位，而如果该损坏部位被修理好则可以大大延长整个管子的寿命。

    当修理已坏管子的一段时，基本要求是要使管壁恢复到其原始设计的机械性能指标，例如，爆裂压力(周向强度)、弯曲强度、耐疲劳度和允许腐蚀度。目前，用于管子维修的普通做法包括将具有合适尺寸和机械性能的一个管套插进待修理的管段内，并通过摩擦结合、焊接或铜焊的方法将该套固定于管段两端上。

    这种装套技术具有多种缺点。需要修理的已坏管段由于其位置或几何尺寸的关系可能并不适用于装管套。装套后的管段由于双壁的影响和流过装有套的管部分的截面的流量的减少，不能达到原始的热传递的性能指标。例如，套贴合在管子上的面积相当小并且在管套和管子之间存在缝隙因而减少了热传递。在结合部位所产生的严重的金属不连续性引起管子在该位置上的机械性能和耐腐蚀性的下降。

    尽管薄的耐腐蚀金属层的就地电沉积已为大家知道一段时间，例如美国专利第4,624,750号所揭示的，然而本发明提供了一种改进的方法，这种方法能够电沉积一与金属管的一损坏段的内壁结合的金属结构层。这种电沉积的条件产生一具有一种超细颗粒显微结构的金属层，所述细微结构还具有大量的在金属颗粒之间的孪晶的晶格(即“特殊”的晶粒边界)，由此给予电沉积层高强度和高耐腐蚀性而又保持良好的延展性。

    因此，本发明提供一种将一结合的金属结构层电沉积到一金属管损坏段的内壁上的方法，这种方法包括下列步骤：

    a)用机械的方法清洁该管段的内管壁面；

    b)将一电极头插进金属管，并使其移动以便电极头跨过该损坏的管段，所述电极头有一基本上沿其长度延伸的电极，在电极头的一端或两端设有用于将流体容纳在该管段内的密封装置和用于使流体流进和流出管段的环流装置；以及

    c)通过使含有至少一种用金属盐的电解液流经管段并在电极和金属管之间施加一10至1000赫芝的频率而负载循环率在10％至60％范围的脉冲直流电流以便将一金属结构层电沉积到管壁上，从而电积一0.1至2毫米厚地金属层。

    本发明还包括一种用于实与本发明的方法的电极头。本发明的电极头可以插进待维修的金属管中。较理想是，该金属管具有一个至少5毫米的内径。该电极头包括有一密封装置，它位于电极头一端或两端上以便将电极头固定于管子的一段上，由此形成一电化室以及电化室用于使流体的流动包括在该管段内。一个电极，例如由铂丝制成的一种柔性管状结构基本是延伸电极头的长度。一多孔的非导电，最好为塑料的管状套，较理想是沿其整个长度围绕该电极。该电极头具有一流体循环装置，它提供在电化室和一外部的流体容器之间的流体连通。

    附图的简要说明

    图1是一用于插入一管子中的电极头的剖视图，所述电极头具有在每一端上的密封装置，流体循环装置和一个电极。

    图2是用于实现本发明方法的一个替代的电极头的剖视图。

    图3是一具有一个热膨胀O型圈密封装置的电极头上部的剖视图，其中电极头是密封在一管子中。

    图4是用于压紧图3的电极头的O型密封件的一个夹紧装置的立体视图。

    图5是带有图4的一夹紧装置的电极头的立体视图。

    图6是图3的电极头部分的剖视图，其中电极头正在被移离管子。

    图7是本发明另一实施例的一电极头的剖视图。

    图8是在图7的8-8线方向上的一个俯视图。

    图9是本发明的一电极头另一实施例的剖视图。

    图10是显示根据本发明所产生的一镍电沉积层的光学显微放大(100X)照片剖视图。

    图11是一传真电子显微放大(15000X)照片，它显示由本发明产生的超细颗粒结构和大量的用于镍层的孪晶。

    本发明将有关就地修理由任何市售的铁、铜和镍基的合金制成的金属管，例如热交换器管来予以说明。按本发明电积的电沉积金属层可以包括任何市售的铁、镍、铜或铜的轴承合金。被修理的管子的内径至少是5毫米，但常是在10毫米至50毫米的范围内；被维修的管段的长度可以短到5毫米，而通常是在100毫米至900毫米之间。下面的说明是就将镍淀积到管子内壁上为例具体说明本发明的方法。技术人员可认识到本发明具有比在此具体说明的更为广泛的应用。

    请看图1，将一电极头10插入一金属管12，例如一种镍/铜合金的热交换器管中并被将其控制到需要修理的管子12的一段13上。该管段13具有一内壁14。电极头10在各端上具有最好是可膨胀的密封件15，以将电极头隔离在管段13内，并将电解液和其它工作流体容纳在该段13内。该密封件15通过一根毛细管的空气管17连接到最好在10至40磅/英寸²范围内的一个增压空气源而得以膨胀的。所述密封件15最好为圆柱体形状且设置在端部附近的底座20和头部21上。一种可以为塑料织物例如聚丙烯的外管状多孔塑料套23在所述底座20和头部21之间延伸并容纳一电极25，该电极在管壁14上的电沉积条件下为阳板并且最好是在该电极头10的底座20和头部21之间延伸的用编织的钢丝制成的一个柔性多孔管状件。柔性套23提供在阳极和阴极，即电极25和管子13之间的一个分界面；这样就可防止在电沉积过程中的短路。该柔性套还阻止可能由在电沉积过程中所产生的气体或渣粒对在管壁14上的金属淀积的干扰作用。流体通过分别在底座20和头部21上形成的一个馈给进口装置28和一出口装置29循环通过该管段13。导管31和32通过一容器34和相送的泵装置35与该进口装置28和出口装置29相连接。最好穿过底座20设有一热电偶36以在电沉积过程中监控温度。该阳极25和管段13(阴极)借助于合适的导线连接到一直流电源38。

    空气管17、导管32、管状阳极25和管状塑料套23都是柔性的以允许电极头可蜿蜒地通过具有弯曲或弯头的金属管12。当电极头10被定位在管子12中所需的位置上时，通过空气管17提供增压空气由此使密封件15胀开。最好密封件15是可加肋的环形橡胶件以提供搁靠在内管壁14的较牢固夹紧。熟悉技术的人可认识到还可用其它的密封结构，例如可热膨胀的O型圈以起到如同本实施例的可膨胀密封件15的同样作用。另外，不同型式的密封可以用在该电极头10的每一端上。在一些应用中，在底座20上有一可膨胀密封15而在电极头10的另一端上的密封由一分离的可移动的塞(未图示)作用的这种结构可能是有用的。

    流体可以通过联接有导管31和32的进口装置28和出口装置29输送到和循环地流经已安置好的电极头10。导管31和32根据应用可以是相当长(例如，长到500英尺)。尽管在图1中只显示出一个流体容器34，显然，可以使用带有合适阀开关的多个流体容器以将工作流体供给于和循环地通过电极头10。熟悉技术的人可理解到一个用于电极头10的较为理想的流体供给系统可包括泵、阀和程序控制和监视装置以便在精确的流速、压力和温度条件下提供流经电极头10的流体。

    最好该电源38是一种具有400A/20Y峰值输出的市售的直流脉冲电沉积装置。显然，可以使用一与插入多根管子12中的多个电极头10连接的汇流排(未图示)。

    在一些情况下，可能仅仅需要处理一直管段，例如靠近一热交换器的管板附近的管段。因而可以用一个具有刚性较大的电极的电极头。用在核发电厂中的热交换器管通常具有10毫米至25毫米的直径。较理想是，该电极头10的电极25的直径为1毫米至12.5毫米，较理想是2毫米至10毫米，而最理想是3毫米至10毫米。按已有技术的标准技术制作的一刚性电极25，例如一种硬的铂电极缺乏用在狭窄管道环境中的足够的尺寸稳定性。一用于本发明上的合适的刚性电极25具有由结构金属内层和铂的外层组成的组合结构。

    无论电极25的尺寸大小，该内部结构金属层必须具有高强度和高延展性。此外，该金属必须不有害于电沉积过程并必须耐腐蚀以便无论流经电极头10的电解溶液都可保持其结构的完整性。较理想是，该内金属层是钛或铌。制成电极25的钛和铂最好经冷处理以便保持其强度。因此，钛和铂都是完全硬的。该铂可以通过首先制备内钛层后被复盖在钛上，并将铂挤压到钛上。

    该内金属层的厚度较理想是100微米至2毫米，更为理想的是250微米至1毫米，而最理想是250微米至500微米。外铂层的厚度较理想是50微米至250微米，更理想是75微米至250微米，而最理想是100微米至200微米。

    在图2中示出一替代的电极头50。除了管状多孔套53和阳极55的尺寸和位置能使钝金属例如(Ni)57的小粒的内含物被容纳在管状阳极55内这点之外，电极50的结构与电极头10(图1)的结构基本相同。在电沉积情况下，金属小粒57氧化而金属离子在阴极表面上减少，这样引起反应朝着在阴极(管壁14)上的金属淀积层的反应。由于通常有一些淤渣伴随金属小粒57的电化电离而形成，所以在阳极55内的进口61和出口62上设置过滤器59。

    如上所述，可热膨胀O型圈密封可以用于如图3至6所示的本发明的一个电极头40上。图3示出由可热膨胀O形圈70密封的一个管段13。该O形密封圈70座落在一电极头端65的环槽72上。该电极头端65最好用一种尺寸稳定、化学性能惰性可机加工的塑料，例如杜邦公司以商标TORLON出售的那种塑料制成。该环槽72具有一下支靠环形面74和一上支靠环形面76。该O形圈70从环槽72朝外延伸到管段13的内壁14上，由此密封电极头40的一端。一般，O型圈在松驰状态时的横截面形状是圆形的。所述表面74和76当电极头40被插入管子12中及在电沉积过程中为沿着电极头端65外表面的O形圈提供移动阻力。具有可热膨胀O形圈70的一个电极头40具有在一电极25的任一端上的两端65和66(未图示)。电极25最好是通过，例如螺纹连接装置被固定在所述两端65和66上的所述一种刚性的组合电极。除了端65具有越出环槽72朝向电极头40的一端形成的一个槽90和支靠面92，及端66有越出环槽72向电极头40的电极25形成的槽90和支靠面之外，电极头一端66的结构与另一端65的结构基本相同。采用这种结构的理由可以从下面说明中清楚看出。

    现参照图4和5具体说明将O形圈70插入管子12中的方法。为准备插入电极头40，O形圈70定位在电极头端65的环槽72上。为了将电极头插入管子12中，必须使O形圈70变形以便与该环槽72相对的O形圈70的表面可以在将电极头插入管12中时不接触管壁14。采用一个如图4所示的夹紧装置80，挤压O形圈70以使其外径减小到足以使电极头40能插进管段13中。

    该夹紧装置包括一底板120、一第一夹紧机构122、一第二夹紧机构124和一手柄126。该第一和第二夹紧机构122和124设置在底板120的上表面128上和定位在该底板120的两相对端上。该夹紧装置120适用于一个在其任一端上都有一O形圈70的电极头40。因此，第一和第二夹紧机构122和124设置得隔开一足够的距离以便包括有一O形圈70在内的电极头各端被容纳在夹紧机构内。

    各夹紧机构122和124包括借助一个在一打开位置(见图4)和一闭合位置(见图5)之间的铰链134枢转地连接的一个下部130和一个上部132。该下部130具有一设有一凹槽138上表面136。同样，该上部具有一设有一凹槽142的内表面140。当夹紧装置122闭合时，槽138和142便形成可以容纳具有O形圈的电极头一端65的一个空腔。该空腔的周长是足够小以便当闭合夹紧机构122时使O形圈70变形(即按电极头40的轴向方向迫使O形圈横向变形)。该空腔的周长选择得可将带有变形的O型圈70的电极头40插进待处理的管子12中。

    下部的上表面136具有一个向上延伸的凸缘件144。该上部132设有一配对凹槽146以使当该夹紧机构闭合时该凸缘144可容纳在凹槽146内。上部132和凸缘144设有当夹紧机构闭合时对准的横向延伸的穿孔148。

    在使用时，一电极头沿着底板120轴向地设置以便使在该电极头40的各端上的O形圈70得以容纳在凹槽138内。然后使各夹紧机构122和124的上部132闭合到如图5所示的位置。该夹紧机构122和124可通过施加压力使上部132向下枢转以使下部的上表面136接触上部的内表面140而得以闭合。然后将一杆150插进对准的穿孔148。

    然后，使O形圈70足够地冷却以便当电极头40移离夹紧装置80时，它们可暂时保持变形。需要冷却的程度将根据各种因素的需要，包括O形圈70的成份及将电极头定位在管段13内所需要的时间多少。O形圈70最好通过使温度下降到低于-90℃，较理想是低于-120℃，而更理想是到-170℃至-190℃之间来予以冷冻。O形圈70可以通过将它浸入液氮(-196℃)中予以冷冻。通过手柄126，升起夹紧装置80可以完成沉浸工作。如果是用液氮，则冷却非常迅速并且夹紧装置80只要浸入在液氮中约5分钟就可以达到所需的温度。然后将夹紧装置80移离液氮，取下杆150，打开夹紧机构122和124以及将电极头40移离夹紧装置80。然后准备将电极头插入管子12中。由于夹紧装置80能承受的温度极限，因此夹紧装置采用一种可以经受迅速的温度变化而无结构失效的材料，例如碳钢制成。

    一旦O形圈在液氮中冷冻后，而电极头被插进管段13中时，该O形圈70就可以保持约5分钟的变形状态，一旦当电极头被适当地定位好时，O形圈70就升温并膨胀到其与管壁14接触的原来形状并提供给电极头40可靠的密封。一旦定位后，该密封可以经受高达100磅/英寸²的压力而根本无任何泄漏发生。相比较，关于图1中说明的可膨胀密封15通常可承受约20磅/英寸²的压力。

    当电沉积过程完成时，只要将电极头40拉出管子12就可以取出电极头40。如图6中所示，通过以箭头A的方向移动电极头40，可使在任一端65和66上的O形圈70在支靠面76上滚动而进入槽90中，在槽90中O形圈通过支靠面92保持在适当的位置上。所述槽要足够地凹进以便当O形圈处在松驰状态电极头在槽内移动时O形圈不接触管壁14。

    该O形圈70可以用任何的能变形并在变形位置中可加以冷冻的弹性材料。这种弹性材料可以是一种天然或合成的橡胶。此外，这种弹性材料必须抵抗由于在电沉积过程中所用化学物质所引起的化学性能下降。较理想是，O形圈70是由一种多氟烃，例如以商标VI-TON出售的那种材料制备的。

    在一替换的实施例中，如图7和8所示，电极头10的一端可有一密封件和其另一端仅需由电解液或其它工作流体予以复盖。例如，如果管子是直立地设置，则电极头10的下端(例如底座20)可以用一种可膨胀的密封件15或O形圈70予以密封。头部21可不设有密封件。另外，管子12可以用与电极头10的插入的端的相对的一端来的空气予以增压以使工作流体包含在电极25的周围，并保证在任何时候电极25都由电解液或其它工作流体所复盖。根据此实施例，一设置在头部21附近的隔离件100用于将电极头10定位在管段13的中央并在电沉积过程中使电极头10保持在该位置上。该隔离件100具有一上圆形部分162和一下圆形部分104。该圆形部分102和104通过已有技术中所知的任何合适结构固定于电极头10上。一上臂106从圆形部102向下延伸到管段13的内壁上。一下壁108从下圆形部104向上延伸到管段13的内壁14上。两壁106和108会合在管壁上。如图8中所示，臂106和108基本上是遍布管子12的横截面上。开口110设置在臂106和108之间以使电解液或其它流体得以流经开口。在管子12中的空气压力可以根据在由电极头10和管壁14所构成的电化室中的流体流速而变化。该空气压力要大于在该电化室内的流体压力。

    如上所述，导管31和32可以相当长，例如长达500英尺。由于这些导管的细小(狭窄)尺寸，当电解液通过导管31流向电极头10和通过导管32流回容器时要遭受相当大的摩擦损失。为了减少导管31和32的纠缠，回流导管32通常是同轴线地设置在导管31内。

    根据本发明，在由电极头10和管段13形成的电化室中的压力通过将馈给导管31设置在回流导管32内并在底座20上设置一流动反向装置(见图9)而被大大地降低。

    现请看图9，新电解液通过导管31被抽送到同轴线导管33中，同轴线导管33从容器34延伸到电极头10的底座20。这包括了电解液导管的长度的大部分。在底座20上，一内部的同轴线的导管31从外部的同轴线导管32分出。导管31延伸到馈给进口装置28，而馈给出口装置29中的流体则流入导管32中。回流电解液流经导管32的环形部分的横截面积大于(新电解液流过的)导管31的横截面积。因此，在同轴线导管33中，流经内导管31的新鲜电解液所受到摩擦损失比流经导管32的回流电解液受到的摩擦损失要大。因此，进入电化室的新鲜电解液流中的压力大大夺下降。在该电化室中被降低的压力减小了在电极头的头部21的密封件15泄漏的危险。另外，这还允许通过电化室的电解液具有较高的流速，由此可提高电沉积的速度。

    现就有关将镍电镀到管子12的壁14上来予以说明一较理想的方法。熟悉技术的人可认识到，在必要的电化条件下使用合适的金属或金属盐可以将不同的金属或合金电沉积到管壁14上。这样电沉积的化学原理已为大家熟知。通常，例如用于电力发电设备中的热交换器管是用一种镍/铜合金制成，因此电沉积一镍层以维修这样一种热交换器管的损坏的管段13，在大多数情况下可能都是比较理想的。

    本发明的这种较理想的方法包括：管段13的内壁14的初始表面处理，金属过渡膜电沉积或触击(大电流快速)电沉积以及维修管段13的结构金属层的电沉积。

    通过，例如刷光或水枪冲洗的机械方法清洁损坏管段13的内表面14以去掉任何疏松或半粘性的沉积物。然后将电极头10插进管子12中并操作跨越该损坏段13的电极头。通过上述膨胀密封件15以将电极头10固定在管子12中的正确位置上。被固定的电极头10和管段13构成一电化室。

    通过使一种含5％的氢氧化钠的水溶液以100至400毫升/分，较理想为500-400毫升/分的流速循环通过电极头10来去除管段13的油渍。如上所述，流体是通过导管31和32流过电极头10的。在阳极25和阴极(管段13)之间施加一10-100mA/cm²电流密度5-10分钟以在内管壁面14上产生强裂的氢气，由此去除所有的来自管子表面14的剩留污物和颗粒。在此去除油渍的步骤之后是使去电离的水流经该管段5分钟的冲洗步骤。

    将一种强无机酸的稀释水溶液，例如5％至20％的HCl以100-400毫升/公，较理想是300-400毫升/分的流速循环通过该管段135分钟以容解在内壁14上的表面薄膜并激活该内壁面14以准备电镀。

    然后可以电淀积一过渡金属膜层或触发电弧层。当供进行电沉积的金属是一种惰态金属或合金，例如含镍的不锈钢或含镍合金的铬通常就需要一触发电弧层。然而，如果该金属主要含有一种活泼或稀有金属或合金，例如铁或铜，则就可不需要一触发电弧层。为沉淀一触发电弧层，将一种在水中作为缓冲剂的60℃的NiCl₂(200至400克/升)和硼酸(30至45克/升)的溶液以100至400毫升/分，较理想为300至400毫升/分的流速循环地通过该管段13。两电极将50mM/cm²至300mA/cm²的电流密度施加到两电极2至15分钟，以便将一触发电弧薄镍层电沉积到内管壁14上。一脉冲直流电用于此步骤较理想，并且是用下列参数施加平均电流密度为50-300mA/cm²，较理想为50-150mA/cm²，频率为10-1000HZ，较理想为100至1000HZ，而工作时间率或负载循环率为10％-60％，较理想为10-40％。

    在电解液中的氯化物起侵蚀壁面14的作用，由此帮助在壁14和触发电弧层之间形成一牢固的结合并引起(加速)在壁14和触发电弧层之间的连续金属界面。该触发电弧层应是足够厚以保证被处理的管壁14的那部分不含有任何暴露的缺陷。最好，该触发电弧层的厚度为2至50μm，较理想为2至20μm，最理想为10至15μm。

    管段13最好用流速为100-1000毫升/分、60℃的去电离水冲洗5至20分钟以去掉带来的氯化物。

    然而通过将一种电解液循环流过该管段13和如下所述施加一脉冲电流将一细颗粒状镍的结构层电镀到触发电弧层上，这种电解液含有一种NiSO₄(300至450克/升)和硼酸(30至45克/升)的水溶液，较理想的是含有低浓度的添加剂，例如十二烷基硫酸钠(表面活性剂)，氧杂萘邻酮(香豆素)(匀平剂)和糖精(增亮剂)，其每一种添加剂的浓度不超过1克/升，最好为60毫克/升。通过添加碳酸镍(NiCO₃)的阳离子补充进电解液中。为维修热交换器管，电解液最好含有一种如下所述的如磷酸那样的闭合(阻塞)剂。

    如熟悉技术的人将会认识到那样，这些添加剂在大多数预期的电沉积条件下可提供一种较好质量的电沉积层。这样，十二烷基硫酸钠起减少电解液的表面张力的作用，因此减少或去除在电沉积层表面上的凹痕(锈斑)。氧杂萘邻桐(香豆素)起匀平剂作用以帮助充填在电沉积层上的微裂纹。糖精在电沉积过程中起弄本金属层表面的作用并减小在电沉积层上的应力。

    采用一种在温度在25-90℃时的电沉积溶液循环以加强反应的动力性能以及将一种50-300mA/cm²的脉冲平均直流密度施加到两电极25和23之间。当采用硫酸镍(NiSO₄)进行电沉积时，平均直流电流密度较理想是50-150mA/cm²。电流的脉冲以10-1000HZ，较理想为100-1000HZ的频率进行，其工作时间率或负载循环率为10-60％，较理想为10-40％。在许多情况下，提供对被施加电流的极性间歇的反向是有利的。这种间歇的极性反向用于瞬间地使电沉积过程反向。这种反向在电沉积层的高缺陷和较厚的区域上优先发生，由此促进一均匀厚度层产生。另外，使极性反向再激活金属表面由此使它可再易于接受进一步电沉积。这种周期性的极性反向是以比用于电沉积的电流密度小的电流密度下进行的。极性反向所占时间值最佳是不超过约总负载循环时间的10％。电沉积进行足够的时间以使具有所需厚度(一般0.1至2毫米)的镍结构层形成。

    作为最后一步骤，该管段13最好用流速为100-400毫升/分，温度约60℃的去电离的水予以冲洗5-20分钟，以去掉所有电沉积过程的剩留化学物质。在电沉积过程完成时，使密封件瘪下去(缩小)以及将电极头移去。

    根据上述的电沉积过程条件，在约1至10小时内，一镍结构层可以被电沉积到管段1 3的内壁14上。采用所述的铂电极的电沉积加工效率一般为70-100％，而可以在90-100％的范围内。该效率一般根据所用的金属盐和所施加的平均电流密度(即，较高的电流密度将降低效率)可以在上述范围内变化。通过使用图2所示及上述的电极头50可以使加工效率基本上提高到100％。

    根据本发明所产生的电沉积层具有一超细的颗粒显微结构，其中颗粒尺寸范围是20至500nm，较理想是20至1000nm，更理想是100至250nm，而最理想是该电沉积层具有100-200nm之间的一个平均颗粒尺寸。通常，在加工设备中的颗粒尺寸约从20微米至40微米之间变化。因此，本发明的方法可允许约至少小于电沉积的金属微米之间变化。因此，本发明的方法可允许约至少小于电沉积的金属基层的一个数量级而事实上可以小于或3个数量级的晶粒形成。因此，这样电沉积的一结构层在该被处理的金属表面上形成基本均匀的沉积层以维修腐蚀或别的损坏情况的管段。

    一种金属的物理性能及其对环境恶化的灵敏度，例如与其颗粒尺寸、显微结构和化学性质有关的晶间应力腐蚀裂纹、晶间侵蚀、氢蚀致脆及腐蚀疲劳。这样，一种金属的小颗粒尺寸与较高的金属强度和高的延展性相关联(作为回顾，请见Fougere等人，Scripta Metal-l.et Mater，26，1879(1992))。

    本发明使产生一具有含均匀化学成份的一种细颗粒结构的电沉积层成为可能。本发明的经电沉积的衬套具有提高的强度而保持良好的延伸性。此外，本发明的电沉积后的金属具有良好的耐腐蚀性。

    经过电沉积的结构层可以具有0.1至2毫米的厚度。该结构厚度可以根据相对于初始设计标准所需要的机械性能和衬套材料的耐腐蚀性而定。例如，如果是维修一种热交换器管，则该结构层应足够薄以不干扰流体流过管子或通过管子的热传导。一般，晶粒的平均颗粒尺寸越小，则结构层越坚强。因此，颗粒尺寸越小，则结构层所需厚度越小。

    另外，这种方法可提供大量的在颗粒间形成孪晶晶格。本发明可以产生一具有大于10％的孪晶面边界，较理想大于30％的孪晶面边界，最理想为50％至70％的孪晶面边界的电沉积层。与数量级为30％的大量的孪晶或“特殊”的晶粒边界(例如孪晶面边界)与设有这种特殊的晶粒边界的金属相比具有较高的耐晶粒边界裂纹机理，例如晶粒边界应力腐蚀裂纹(见Palumbo等人，Scripta Metall.etMater，251775(1991))。

    图10示出显示按本发明的方法在一管子上产生的镍电沉积层的光学显微放大照片(100X)的横剖面。这种镍沉积层的均匀的细颗粒状的结构在这个图中看得很清楚。图11为15000X放大倍数的显微放大照片示出由本发明方法形成的在镍结构层中的大部分的“特殊”晶粒边界的大量的孪晶从图中可看得很清楚。

    由本发明方法形成的一镍层的细晶粒状高度孪晶的微晶结构提供下列的最小的机械性能：维氏硬度≥200；屈服强度≥80,000磅/平方英寸；拉伸强度≥100,000磅/英寸²；以及弯曲失效伸长率≥10％；而较理想的是维氏硬度≥250；屈服强度≥100,000磅/英寸²；伸长强度≥150,000磅/英寸²；以及弯曲失效伸长率≥10％。

    热交换器管，例如核蒸汽发生器管通常在约300℃的温度时使用。在这样的温度下，在电沉积金属中的颗粒趋向于长大。颗粒尺寸的长大使结构层的强度随时间推移而降低。为了保持电沉积层的机械性能，较理想是阻止在电沉积层中的颗粒的长大。为减少或消除这个颗粒长大的问题，通过添加一种晶粒边界闭合剂来使电沉积的颗粒尺寸稳定。较理想是，闭合(稳定)剂是磷或钼。通过一种可释放磷的化学物质，例如磷酸或亚磷酸或其两者添加到电解液中就可将磷加进电沉积层中。较理想是，该电解液含有至少0.1克/升，更理想是从0.1至5克/升的闭合剂，最理想是0.15克/升的稳定剂。对于大多数应用，包含400至4000ppm重量的磷组成的一种电沉积金属可实现所要求的颗粒尺寸稳定。

    可将耐腐蚀剂和增强剂添加到电解液中以提高电沉积金属的强度或抗腐蚀性或其两者。耐腐蚀剂的例子是硫酸锰、钼酸钠和铬盐例如氯化铬。加强剂的例子包括硫酸锰、钨酸钠和硫酸钴。各种高达约50克/升的这些剂都可添加到电解液中。这种添加剂产生含有少于这些剂的每种组分金属的5％重量的电积金属。

    通过使用本发明的方法，就可能产生一种具有两层或更多层的电沉积材料，其中紧靠层各具有一不同组分。例如，为增强一水蒸汽发生器管，首先将一厚镍层电沉积到待处理的区域上。接着可电沉积一制造蒸汽发生器管的薄层材料。由于高电沉积速度成为可能，用镍电成型的衬套厚度的大部分(例如，约90％)是有利的。另外，镍的电沉积需要相当少量的监控。电沉积具有类似于蒸汽发生器成份的一种成份的外层有助于保证在使用环境时的电化学相容性。