AP1000 核電站CA01結(jié)構(gòu)模塊的環(huán)氧涂層缺陷

梁現(xiàn)偉,胡 贏(國(guó)核工程有限公司海陽(yáng)SPMO，海陽(yáng) 265116)

AP1000 核電站CA01結(jié)構(gòu)模塊的環(huán)氧涂層缺陷

梁現(xiàn)偉,胡 贏
(國(guó)核工程有限公司海陽(yáng)SPMO，海陽(yáng) 265116)

根據(jù)海陽(yáng)AP1000施工現(xiàn)場(chǎng)CA01模塊環(huán)氧涂層的缺陷情況，系統(tǒng)介紹和分析了CA01結(jié)構(gòu)模塊在施工和涂層保護(hù)過程中對(duì)涂層的要求和涂層耐候性。

核電站；CA01；結(jié)構(gòu)模塊；環(huán)氧涂層； 缺陷；耐候性分析

AP1000是美國(guó)西屋公司開發(fā)的第三代壓水堆核電技術(shù)，AP1000最大的特點(diǎn)是采用非能動(dòng)系統(tǒng)和模塊化施工的設(shè)計(jì)理念[1]。建造優(yōu)點(diǎn)是可以在保證施工質(zhì)量的同時(shí)，減少現(xiàn)場(chǎng)的施工量從而縮短核電站的建設(shè)工期。其中，CA01結(jié)構(gòu)模塊位于核島安全殼內(nèi)，且核島主設(shè)備壓力容器、蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、一回路主管道及波動(dòng)管均安裝在CA01結(jié)構(gòu)模塊中，因此CA01結(jié)構(gòu)模塊涂層的質(zhì)量將直接影響結(jié)構(gòu)體的安全性能和主設(shè)備的工作環(huán)境[2]。本工作結(jié)合CA01結(jié)構(gòu)模塊的施工過程及周圍環(huán)境，系統(tǒng)分析了CA01結(jié)構(gòu)模塊涂層的缺陷情況和可能產(chǎn)生缺陷的原因，并從理論和實(shí)際相結(jié)合的角度提出預(yù)防和保護(hù)措施。

1 CA01結(jié)構(gòu)模塊簡(jiǎn)介

AP1000核電站CA01結(jié)構(gòu)模塊，如圖1所示，總體結(jié)構(gòu)尺寸為25 m×29 m×26 m，相當(dāng)于1座7層高的樓房，由47個(gè)子模塊組成，整體模塊的質(zhì)量達(dá)450 t。這個(gè)T字形結(jié)構(gòu)模塊分為換料水池、兩個(gè)蒸汽發(fā)生器腔室和壓力容器腔室，模塊基材主要有不銹鋼和碳鋼，其中結(jié)構(gòu)模塊需涂刷油漆的碳鋼外表面積約為2 058 m2，內(nèi)表面積約為1 946 m2，模塊在整體施工過程中油漆涂裝量非常大,這對(duì)CA01結(jié)構(gòu)模塊油漆涂裝施工和過程質(zhì)量控制都是挑戰(zhàn)。

1.1 CA01結(jié)構(gòu)模塊的施工

CA01結(jié)構(gòu)模塊整個(gè)施工過程共有四個(gè)主要施工階段[3]，具體施工流程如下：

首先,CA01結(jié)構(gòu)模塊車間預(yù)制，該階段工作主要在設(shè)備廠車間內(nèi)完成，并在預(yù)制時(shí)完成CA01結(jié)構(gòu)模塊大部分表面油漆涂裝工作;預(yù)制工作完成后需將CA01預(yù)制組件運(yùn)至核電站現(xiàn)場(chǎng)，在CA拼裝場(chǎng)地完成CA01結(jié)構(gòu)模塊的拼裝，并在拼裝后完成CA01結(jié)構(gòu)模塊組隊(duì)焊縫的表面處理及補(bǔ)漆工作。上述工作完成后，根據(jù)施工進(jìn)度安排進(jìn)行CA01結(jié)構(gòu)模塊的吊裝就位;最后,再對(duì)CA01結(jié)構(gòu)模塊墻體進(jìn)行自密實(shí)混凝土(以下簡(jiǎn)稱SCC)澆筑工作。CA01結(jié)構(gòu)模塊在預(yù)制車間油漆涂裝完成,現(xiàn)場(chǎng)安裝就位后完成SCC澆筑，最終頂封頭CVTH吊裝就位，其間CA01結(jié)構(gòu)模塊需露天存放數(shù)年。

1.2 CA01結(jié)構(gòu)模塊的涂層

根據(jù)AP1000設(shè)計(jì)要求，AP1000核電站CA01結(jié)構(gòu)模塊選用Carboguard890N(K)涂層，該涂層是一種環(huán)氧樹脂漆，符合美國(guó)核管會(huì)發(fā)布的RG.1.54《關(guān)于核電廠Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ服役級(jí)涂層》[4]和美國(guó)材料協(xié)會(huì)ASTM D5144的要求。Carboguard890N(K)涂層為CSL(Coating Service Level)FI-Ⅱ級(jí)涂層，具有較強(qiáng)的耐火性和耐化學(xué)腐蝕性，同時(shí)具有一定的防輻照和防污功能，其施工技術(shù)參數(shù)如下：噴砂等級(jí)SSPC-SP5，基材表面粗糙度40～75 μm，漆膜厚度100～200 μm。

(a) 模塊平面布置(內(nèi)部黑色部分)(標(biāo)高.100′-0″&107′-2″)

(b) 模塊框架示意圖1 CA01結(jié)構(gòu)模塊Fig. 1 Layout chart (a) and framework sketch (b) of CA01 structural module

2 CA01結(jié)構(gòu)模塊涂層缺陷情況

2.1 涂層缺陷形貌

由于海陽(yáng)核電站建設(shè)在黃海邊，海洋大氣的濕度很大，加之海洋大氣環(huán)境中的鹽霧含量和鹽霧沉降量都很大，使得模塊更容易發(fā)生腐蝕,涂層更容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象。CA01結(jié)構(gòu)模塊涂層表面主要存在漆膜龜裂、剝落，污染缺陷，對(duì)模塊龜裂部位進(jìn)行漆膜剝離檢查，未發(fā)現(xiàn)基材生銹跡象；采用膠帶或拉拔儀對(duì)表面涂層進(jìn)行附著力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)CA01結(jié)構(gòu)模塊30.48 m以下涂層與基材表面基本喪失附著力，缺陷詳見圖2。

(a) 漆膜龜裂

(b) 漆膜剝落圖2 CA01結(jié)構(gòu)模塊缺陷形貌Fig. 2 Defect morphology of CA01 structural module: (a) alligatoring of film; (b) desquamation of film

2.2 涂層缺陷分布

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查發(fā)現(xiàn)，CA01結(jié)構(gòu)模塊涂層缺陷主要集中在模塊中部和底部，如：W-SG房間(內(nèi)墻)和E-SG房間(內(nèi)墻)的漆膜龜裂均主要出現(xiàn)在模塊中部和底部，其中底部較為嚴(yán)重，出現(xiàn)漆膜大面積剝落現(xiàn)象。CA01結(jié)構(gòu)模塊外墻區(qū)域41.148 m以上部分，漆膜外觀基本完好，未出現(xiàn)漆膜剝落缺陷，但表面污染嚴(yán)重。根據(jù)CA01結(jié)構(gòu)模塊圖層缺陷分布情況，涂層缺陷嚴(yán)重部位主要集中在潮濕或表面長(zhǎng)期結(jié)露的模塊底部。

3 涂層缺陷原因及耐候性分析

3.1 不合適的表面處理

CA01結(jié)構(gòu)模塊在預(yù)制施工期間，產(chǎn)生的粉塵是造成涂層剝落、龜裂不能忽視的因素。通常塵土?xí)ㄟ^濕沉降的方式沉積在處于沿海地區(qū)的鋼結(jié)構(gòu)表面，為金屬表面吸附水膜和電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造了條件，也阻礙了環(huán)氧樹脂中的醚鍵和羥基與金屬表面產(chǎn)生物理和化學(xué)作用力。在油漆噴涂前，若未能及時(shí)除去塵土和水膜，或基材表面粗糙度不滿足設(shè)計(jì)要求，可能會(huì)降低漆膜的附著力，影響漆膜成型質(zhì)量，從而可能引起后續(xù)漆膜的脫落，或由于附著力的喪失使大氣水分進(jìn)入漆膜與基體間，導(dǎo)致模塊從基材開始銹蝕。

3.2 不合適的噴涂及養(yǎng)護(hù)環(huán)境

噴涂過程及養(yǎng)護(hù)環(huán)境是影響涂層質(zhì)量最直接的因素，也是使油漆施工質(zhì)量得到保證的重要環(huán)節(jié)，一般情況下，環(huán)境溫度需大于10 ℃，濕度不高于80%，基材表面的溫度比周圍空氣的露點(diǎn)至少高于5℉(約3 ℃)，且風(fēng)速不宜過大,詳見表1。因此，需對(duì)作業(yè)環(huán)境中任一因素進(jìn)行有效的質(zhì)量控制，才能保證涂層質(zhì)量，否則將導(dǎo)致漆膜存在一定的缺陷風(fēng)險(xiǎn)，從而降低漆膜的耐久性。

表1 Carboguard890N (K)油漆涂裝環(huán)境Tab. 1 Coating environment of carboguard890N (K) coating

3.3 交叉作業(yè)，缺少防護(hù)

CA01結(jié)構(gòu)模塊吊裝就位后，模塊本體后續(xù)存在大量的OLP板、支架及貫穿件安裝焊接，且安裝時(shí)由于施工人員缺乏對(duì)漆膜成品保護(hù)的意識(shí)，會(huì)造成安裝物項(xiàng)周圍漆膜的破壞，且安裝焊縫和臨時(shí)附件拆除區(qū)未能及時(shí)補(bǔ)漆，造成模塊局部銹蝕嚴(yán)重，遇雨后銹水污染漆膜。CA01結(jié)構(gòu)模塊周邊存在大量的安裝、打磨、焊接及腳手架施工等施工作業(yè)，且交叉作業(yè)施工時(shí)未對(duì)模塊表面的漆膜采取合適有效的保護(hù)措施，造成漆膜的燒傷、劃傷，從而遇雨、水即會(huì)出現(xiàn)返銹和漆膜污染，這是影響漆膜表面污染的主要因素之一。

3.4 不合適的清理措施

蒸汽發(fā)生器和穩(wěn)壓器就位前，在對(duì)CA01結(jié)構(gòu)模塊漆膜表面污染及附著物進(jìn)行整體清理時(shí)，采用白布蘸水擦洗，然后用40目的砂紙打磨清理附著物(40目的砂紙砂粒的粒徑超過200 μm)，且清理后未能及時(shí)對(duì)模塊表面進(jìn)行涂漆，由于砂紙打磨過程中極易劃透漆膜，致使劃傷的漆膜對(duì)空氣、水汽的隔離作用大幅降低，水汽透過劃傷的漆膜進(jìn)入基材表面，很容易造成基材銹蝕，引起的表觀現(xiàn)象就是起泡，剝開鼓包底部基材已嚴(yán)重銹蝕,這是加重CA01結(jié)構(gòu)模塊涂層失效的主要因素之一。

3.5 模塊SCC及溫度的影響

CA01結(jié)構(gòu)模塊安裝就位后，需對(duì)模塊鋼板墻內(nèi)進(jìn)行SCC分層澆筑，在進(jìn)行SCC澆筑時(shí)，下料或振搗會(huì)對(duì)模塊表面鋼板產(chǎn)生一定的振動(dòng)和變形，這可能會(huì)影響漆膜的整體性。且在SCC施工后，混凝土在凝固時(shí)由于水化熱將釋放一定的熱量，使模塊鋼板發(fā)生微量的熱脹冷縮，而油漆面由于長(zhǎng)期受到污染以及環(huán)境溫度的影響其表面張力減小，從而鋼板的熱脹冷縮與漆膜的變形一致。因此,可能導(dǎo)致模塊漆膜受拉伸出現(xiàn)龜裂缺陷。

3.6 模塊涂層的耐候性

CA01結(jié)構(gòu)模塊使用Carboguard890N (K)油漆，這是一種環(huán)脂肪族胺固化型環(huán)氧樹脂漆，通過聚醚胺、異佛爾酮二胺中的胺基與縮水甘油封端雙酚A環(huán)氧氯丙烷共聚物的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，從而發(fā)生固化成漆膜。該環(huán)氧樹脂分子結(jié)構(gòu)中所含有大量的醚鍵(-O-)和羥基(-OH)，其中包括環(huán)氧樹脂與胺類固化劑固化后所生成的醚鍵和羥基都是強(qiáng)極性基團(tuán)，這些基團(tuán)可以使環(huán)氧樹脂分子與基材表面，特別是與金屬表面，通過物理作用力和羥基與金屬表面形成的化學(xué)作用力，產(chǎn)生非常強(qiáng)的附著力和黏結(jié)力。但Carboguard890N (K)油漆中少量的苯環(huán)造成漆膜在長(zhǎng)期紫外線的照射下，也會(huì)引起輕微黃變，致使脆性變大。根據(jù)CA01結(jié)構(gòu)模塊涂層的分子結(jié)構(gòu)所反應(yīng)的性能，Carboguard890N (K)油漆作為核級(jí)涂層是最佳的選擇，但該涂層自身性能不耐紫外線照射，不合適長(zhǎng)期露天存放。

AP1000核電站具有開頂化施工的特點(diǎn)，在CA01結(jié)構(gòu)模塊就位至CVTH就位間隔數(shù)年，在此期間CA01結(jié)構(gòu)模塊長(zhǎng)期處于露天環(huán)境，周圍區(qū)域一直處于多專業(yè)多層面的交叉作業(yè)狀態(tài)，灰塵較大，這將引起模塊漆膜污染、泛黃等表觀缺陷。AP1000核電站地處海洋性氣候環(huán)境中，施工現(xiàn)場(chǎng)雨天多、降雨量大、空氣濕度大，且水氣中含有一定的鹽分，同時(shí)，由于核電站現(xiàn)場(chǎng)CA01結(jié)構(gòu)模塊，無任何防雨措施和保護(hù)措施，雨水及凝結(jié)的露水直接沉積在未封閉的房間內(nèi)，造成CA01結(jié)構(gòu)模塊底部的積水現(xiàn)象。同時(shí)，由于地理位置的原因，年平均溫度較低，加之CA01結(jié)構(gòu)模塊30.48 m以下無陽(yáng)光照射，溫度更低，模塊表面長(zhǎng)期結(jié)露。環(huán)氧涂層長(zhǎng)期受雨水和表面露水的浸泡導(dǎo)致涂層溶脹，溫度偏低導(dǎo)致涂層的脆化，降低涂層對(duì)鋼材表面的附著力。這就致使模塊底部漆膜極易產(chǎn)生漆膜缺陷，且漆膜一旦產(chǎn)生缺陷或不致密就會(huì)導(dǎo)致水汽進(jìn)入漆膜內(nèi)，引起銹蝕。這也是CA01結(jié)構(gòu)模塊環(huán)氧類涂層不具有耐候性的主要原因。

4 結(jié)論

CA01結(jié)構(gòu)模塊表面所采用的環(huán)氧涂層，從分子結(jié)構(gòu)及涂層自身特性分析，該涂層具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，具備核電廠LOCA事故工況情況下的耐輻照和耐鹽霧腐蝕的性能，并具有一定的防污功能。但該涂層在紫外線長(zhǎng)期照射下，該涂層會(huì)輕微黃變，脆性變大，結(jié)合其自身特點(diǎn)，該涂層作為核級(jí)涂層可以用于安全殼內(nèi)。但該涂層在設(shè)計(jì)時(shí)未充分考慮AP1000核電站開頂化施工建造的特點(diǎn)，即CA01結(jié)構(gòu)模塊從車間預(yù)制，到最終核電站投入運(yùn)行，需要露天存放數(shù)年，并在存放過程中長(zhǎng)期遭受紫外線照射，且長(zhǎng)期飽受沿海高鹽分雨水、霧氣及露水對(duì)模塊表面的沖刷及影響，造成涂層本身性能大幅降低。再加上在后續(xù)物項(xiàng)的安裝及交叉作業(yè)時(shí)，未對(duì)涂層表面進(jìn)行有效防護(hù)，造成了涂層被破壞和污染，加快了基材的銹蝕，尤其是在主設(shè)備吊裝前，采用不合適的清理方式對(duì)涂層表面污染進(jìn)行清理，更是直接破壞了漆膜的完整性，最終導(dǎo)致CA01結(jié)構(gòu)模塊涂層出現(xiàn)大面積失效缺陷。

[1] 林誠(chéng)格，郁祖盛. 非能動(dòng)安全先進(jìn)壓水堆核電技術(shù)[M]. 北京：原子能出版社，2010.

[2] 孫漢虹. 第三代核電技術(shù)AP1000[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2010.

[3] 林金平，黃娜. AP1000核電站鋼制安全殼涂裝質(zhì)量控制[J]. 電鍍與精飾，2013,3(11):20-23.

[4] 何曼君，張紅東，陳維孝，等. 高分子物理[M]. 上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2007.

Epoxy Coating Defects of CA01 Structural Module in AP1000 Nuclear Power Plant

LIANG Xianwei, HU Ying
(State Nuclear Power Engineering Company Haiyang SPMO, Shandong 265116, China)

Based on the defects of epoxy coating on CA01 structure module surface at Haiyang AP1000 construction site, this article introduces and analyzes the coating requirement and weatherability of CA01 structure module during the process of construction and coating protection.

nuclear power station; CA01; structural module; epoxy coating; defect; weatherability analysis

2015-10-20

梁現(xiàn)偉(1983-),工程師,本科,從事土建施工技術(shù)、防腐、保溫施工技術(shù)工作

10.11973/fsyfh-201707002

TG174.4

B

1005-748X(2017)07-0496-03