AP1000施工現場典型腐蝕問題探討與預防

(國核工程有限公司，上海 200233)

AP1000施工現場典型腐蝕問題探討與預防

魏小寶 張 琰

(國核工程有限公司，上海 200233)

本文根據AP1000施工現場的腐蝕現象，對典型的鋼結構、焊縫和設備等腐蝕現象進行了總結，基于腐蝕的表現形式，分析了引起施工現場材料和設備腐蝕的主要原因，并對腐蝕現象的形成機理進行了分析，從理論和施工實踐的角度給出了預防性措施。

AP1000 施工現場 海洋大氣腐蝕 塵土腐蝕

0 引言

工業發展對能源的需求與日俱增，而日益嚴峻的環境狀況又使得大力發展清潔能源成為各國共同的能源戰略。作為穩定、經濟、清潔、安全的新能源，核能正得到越來越廣泛的應用。然而，核電廠在建設過程中，其材料和設備無時無刻不受到環境的腐蝕。緩解因腐蝕產生的設備腐蝕，對于減少資源浪費、防止設備破壞、保證設備性能，進而對于核電廠的安全運行均有著極其重要的作用。

自然狀態下，大氣由干潔空氣、水汽和雜質等組成。除去水汽和雜質的空氣稱為干潔空氣。干潔空氣的主要成分為78.09%的氮氣、20.94%的氧氣、0.93%的氬氣以及約0.03%的二氧化碳，這四種氣體占干潔空氣總體積的99.99%。近年來，由于人類活動(如化石燃料燃燒)的影響，大氣中二氧化碳的含量呈逐年增長趨勢。二氧化碳含量的升高，一定程度上加速了大氣腐蝕。我國疆域遼闊，自然環境復雜，自南向北分布在7個氣候帶上，有7種典型的大氣環境(農村、城市、工業、海洋、高原、沙漠、熱帶雨林)；材料暴露在大氣環境中，會產生不同程度的腐蝕，同種材料在不同大氣環境中的腐蝕速率可以相差數倍至幾十倍。據統計，每年因腐蝕造成的經濟損失高達國民生產總值的2%~4%，其中半數以上為大氣腐蝕所致[1]。尤其是隨著國民經濟的增長，工業生產的日益頻繁和居民生活排污的增加，導致大氣中SO2、NO2、H2S等氣體的增加，加速了大氣腐蝕。在沿海地區，溫濕度及鹽分對大氣腐蝕也有顯著影響[2]。另外，大氣中的塵土也是加速大氣腐蝕的一個重要因素。

三門核電位于浙江省臺州市三門縣，瀕臨東海，屬于亞熱帶季風氣候，多年平均降水量1632毫米，年降水日數132~171天，夏季平均氣溫26.6℃~28.5℃，最熱月平均相對濕度81%，冬季平均氣溫5.0℃~6.9℃，最冷月平均相對濕度78%。三門核電采用AP1000堆型，由于特殊的地理位置及AP1000堆型本身的設計特點，施工過程中出現的材料腐蝕現象也較為普遍。

1 AP1000施工現場腐蝕的表現形式

施工階段，現場典型的腐蝕有以下幾種表現形式：

1.1 鋼筋腐蝕

AP1000機組同其他核電機組一樣，大量采用了鋼筋混凝土結構；在結構模塊中，存在大量預制的鋼筋標準件。受制于設計、預制、設備交貨、施工進度以及多雨天氣等因素，綁扎好的鋼筋沒有及時澆筑混凝土，暴露在大氣環境中，產生腐蝕。據觀察，現場鋼筋腐蝕情況多發生在預制的鋼結構模塊和樓板模塊上。

1.2 焊縫腐蝕

雖然AP1000機組在設計和建造期間大量運用了模塊化策略，但限于模塊體積、吊裝運輸等原因仍然存在大量接口需要在現場進行焊接，如管道支架的焊接、鋼質結構模塊上后置埋件的安裝、子模塊的拼裝、管道模塊間管道的組對焊接等等；多數焊口在焊接后需要進行無損檢測，使得焊口的補漆工作不能及時跟進，造成焊縫腐蝕。焊縫腐蝕主要涉及結構模塊的焊縫腐蝕、管道的焊縫腐蝕、支吊架的焊縫腐蝕、埋件板的焊縫腐蝕等。由于現場存在大量的焊縫，此類腐蝕較為普遍。

1.3 鋼板、管道及設備腐蝕

AP1000采用了模塊化施工，施工現場存在結構、管道、機械設備等各種模塊。其中結構模塊多采用碳鋼板制作，尺寸大、結構復雜，一般是模塊外部噴涂油漆、內部澆筑自密實混凝土。在較長的施工周期內，模塊內部產生腐蝕現象。

1.4 防腐過的鋼板返銹

經過防腐處理的鋼板在個別位置發生返銹的情況多出現在大型的結構模塊上。現場油漆涂裝操作困難或個別操作工人責任心不強，致使涂裝工藝達不到設計要求，在一段時間后，鋼板會出現返銹現象。管道上也有類似現象發生，雖是個例，但應引起重視。

1.5 不同金屬的接觸腐蝕

在AP1000設計中，采用了銅質絞線作為接地線，使得大量接地線與鋼筋或鋼制結構件直接接觸，從而導致局部腐蝕現象發生。

2 腐蝕機理分析

按腐蝕環境分類，腐蝕可以分為大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、高溫氣體腐蝕和化工介質腐蝕[3]。在現實環境下，腐蝕一般為多種形式共存、同時發生，且隨著金屬表面附著物的變化，各種腐蝕形式會相互轉化。腐蝕既有全面腐蝕，也有局部腐蝕；既有表面腐蝕，也有深度的晶間腐蝕。

海洋大氣不同于大陸大氣的最大特點在于，海洋大氣環境的氯離子濃度高于陸地環境[4~6]。空氣中鹽霧含量、鹽霧沉降量與海岸的距離有直接關系[7]。距離海洋越近，鹽霧沉降量越大。海鹽粒子被風攜帶并沉降到物體表面，由于鹽分具有很強的吸濕性，且極易溶于水膜形成強腐蝕性介質，從而加速了腐蝕過程。暴露于近海大氣中的金屬材料，特別是在距離海岸200m以內的區域，強烈地受到海洋大氣的影響。研究結果表明，距海岸24m處鋼的腐蝕速率比240m處快12倍。海洋大氣的影響范圍一般為20Km左右，金屬材料的腐蝕速率在距海岸線15Km到25Km之間具有明顯變化[8]。世界范圍內，大多數核電站建設在沿海地區。目前，我國已建成或在建的核電站均位于沿海。這些核電站直接暴露于海洋大氣環境中，海鹽粒子污染成為造成核電站材料和設備高腐蝕性的根本原因[9]。核電站由于腐蝕造成的經濟損失較大，且會影響核電站的建設過程及安全運行。

如引言所述，三門核電的地理位置決定了其受到海洋大氣環境的影響。由于雨天多、空氣濕度大，現場的大氣腐蝕屬于潮大氣腐蝕和濕大氣腐蝕[10]。潮大氣腐蝕、濕大氣腐蝕屬于電化學腐蝕，其腐蝕速率會隨金屬表面液膜的厚度變化。金屬暴露在潮濕環境中，表面會形成一層液膜，其中含有少量的氫離子與氫氧根離子、氧氣等，從而形成電解質溶液。金屬表面成分不均勻、氧化膜厚度不均勻或局部表面缺陷等，使得金屬表面形成陽極區和陰極區，構成腐蝕原電池，致使電位低的金屬作為陽極被腐蝕。陰陽極基本反應原理[11]是：

陰極：O2+ 2H2O – 4e → 4OH-(中性或堿性介質中)或 O2+ 4H++ 4e → 2H2O(酸性介質中)

陽極：M + xH2O→Mn+·xH2O + ne-

其中，M代表金屬，Mn+為n價金屬離子，Mn+·xH2O為金屬離子化水合物。

水膜中溶解的腐蝕性物質除氧氣和鹽類化合物(如NaCl)外，還有CO2、SOx(主要是SO2)等。當CO2溶解在水中時，會促進鋼鐵的電化學腐蝕。當O2與CO2共存于水中時，會引起嚴重的腐蝕，大大提高鋼鐵的腐蝕速率[12]。大量研究結果顯示，溫度是CO2腐蝕的重要參數；且很多的研究結果表明，在60℃附近CO2腐蝕在動力學上有質的變化[13]。當水膜溫度低于60℃時，CO2對碳鋼發生全面腐蝕，其反應機理為：

關于SO2促進金屬大氣腐蝕的機理，目前有兩種看法：一種認為一部分SO2在高空中能夠直接氧化成SO3，溶于水中生成H2SO4；另一種認為一部分SO2吸附在金屬表面，與鐵作用形成FeSO4，FeSO4進一步氧化并由于強烈的水解作用生成硫酸，硫酸又與鐵作用，整個過程有自催化作用的特性[14]。

同時，海洋大氣同含有的NaCl等氯化物沉積到鋼鐵表面后會促進腐蝕的發生，其中Cl-是嚴重影響海洋大氣腐蝕的因素之一。在海洋大氣中常含有鈣和鎂的氯化物，其吸濕性增加了金屬表面形成液膜的趨勢，這在夜間或氣溫達到露點時表現得更為突出[8]，如濕度較高的冬季。

建設期間，施工現場產生的揚塵也是造成腐蝕不能忽視的因素。塵土一般會通過濕沉降、干沉降等途徑落下，覆蓋在鋼結構模塊、管道、設備等物體的金屬表面上，為金屬表面吸附水膜創造了條件。氧氣和水分的滲透以及塵土中夾雜的各種鹽類化合物，導致金屬產生電化學腐蝕。塵土腐蝕對電氣元器件的影響尤其突出[15]。

電化學腐蝕的另一種情況是發生在不同金屬材料的接觸部位，是由于不同種類金屬的電位不同而產生的腐蝕。

3 預防措施

鋼鐵海洋大氣腐蝕是大氣環境中諸多因素在其表面綜合作用的結果。研究表明，氣候因子、大氣成分、濕度和溫度都會影響大氣腐蝕的速率。對于大氣腐蝕有較大影響的大氣成分是氧氣、水蒸氣和二氧化碳；污染物和海岸附近大氣中的NaCl顆粒對大氣腐蝕有強烈的促進作用。研究認為，鋼大氣腐蝕的主要環境影響因素為：溫度在零攝氏度以上時濕度超過臨界相對濕度的時間、二氧化硫含量、鹽粒子的含量[10]。鹽霧的沉降量與鄰近海域海水的含鹽量，溫度，氣團特性與厚度，風向風速，降水，空氣濕度，沿海地形，森林覆蓋情況等有關[7,8,11]，有關監測結果[4,6]也驗證了這一點。因此，在預防現場腐蝕現象發生時，應充分考慮此類環境因素的影響。現場可以采取以下防護措施：

3.1 減少設備直接暴露在空氣中的時間

3.1.1 加蓋臨時保護覆層

AP1000設計中采用了模塊化施工、開頂法施工等工藝，大量的結構模塊需要長時間露天放置，如多數機械設備模塊是在房間的樓頂板沒有就位前就吊裝就位的。由于設計變更以及交叉施工等因素的影響，也增加了設備露天暴露的時間。在無正式樓板遮擋的情況下，在設備上覆蓋如三防布、聚乙烯薄膜等覆層，可以大大減少設備露天存放的時間，以減少水汽在設備或結構表面的附著，并能阻止鹽粒子以及塵土在設備表面的沉積，從而降低金屬初期腐蝕速率。現場大量實例充分證明了這一點。

3.1.2 設計保護涂層

研究表明，在大氣腐蝕條件下，氧通過液膜到達金屬表面的速度很快，并得到不斷補充；液膜越薄，擴散速度越快，陰極上氧去極化的過程越有效。但當液膜未形成時，氧的陰極去極化過程就會受到阻滯。因此，設計過程中在充分考慮運行環境，如輻射、溫度、壓力等因素的情況下，可以為不同的鋼制設備或結構選擇合適的涂層。如大多數工業設備一樣，AP1000現場的多數設備或管道，包括鋼制結構模塊都噴涂了正式涂層，以延長設備和結構的使用壽命。同時，在上道工序完成后，及時對相關鋼結構按設計要求進行涂裝也是防止腐蝕的重要措施。

對有些管道或設備采用酸洗鈍化的處理方法，使金屬表面產生致密的保護膜，從而阻止腐蝕現象的發生，這是現場實踐中防止腐蝕發生的很有效的方法。

3.1.3 合理安排施工進度

設計、施工中，綜合考慮各專業施工進度，盡可能平行施工，減少不同專業間的施工間歇期，使得施工環節緊湊，以較少設備或鋼結構露天放置的時間，也可以有效降低腐蝕發生的幾率。例如，設備模塊在預定房間就位后，該房間上部的樓板能夠及時就位。又如，接地線(銅質絞線)敷設后，鋼筋或鋼制結構件及時進行混凝土澆筑，對減少局部腐蝕的發生將是十分有益的。

3.2 控制環境濕度

試驗結果表明，鋼鐵在相對濕度大于70%時腐蝕嚴重[16]。施工現場雨天多、降雨量大、空氣濕度大，因此降低空氣的相對濕度就十分必要。AP1000核島側采用開頂法施工工藝，下雨時，雨水直接落入未封閉的房間，甚至流入底層房間內，應及時清理各房間或地坑內的積水，以降低房間內的空氣濕度、改善局部環境。例如，在鋼質安全殼第四環就位后，安裝臨時頂封頭，能有效減少雨水直接落入安全殼內，對現場防腐蝕工作十分有益。又如，現場在反應堆壓力容器腔室上部搭設防護棚、在室內布置了循環風機、除濕機以降低該房間內濕度，此措施實施后效果明顯。

3.3 控制現場揚塵

施工現場多為裸露的沙石地面，植被覆蓋較少，同時，由于施工車輛來回頻繁，使得施工現場揚塵較其他區域偏多，在現場天氣持續晴好后揚塵尤其明顯。針對此特點，晴好天氣時，應在容易產生揚塵的區域進行人工灑水，降低揚塵出現的概率，以減少設備表面的塵土沉積，從源頭上減少塵土腐蝕發生的可能性。并在日常的維護中，經常對裸露的設備進行清掃除塵。

3.4 提高涂裝質量

加強現場施工管理，優化設計、提高工人意識。設備表面應噴砂處理并清洗；施工時，控制好周圍環境條件，如濕度、溫度等；涂料的選擇也應合理。設計允許的情況下，核電站常規涂料在不具備一般施工要求時，可選擇濕固化涂料和低表面處理涂料[17]。涂裝過程中，應對涂料驗證、質量關鍵點進行嚴格控制，以提高涂裝質量，從而減少涂裝后返銹情況的發生。

4 結束語

AP1000是我國通過對多個堆型進行比較的情況下引進的第三代核電技術，屬于國家重大項目。對目前在建的AP1000機組在施工過程中所采用的防腐技術進行經驗反饋，并對存在的疑難問題進行討論，給出可能的解決途徑，是保障核電站安全、經濟運行的基礎，也必將對后續AP1000項目的建設帶來有益的啟示。

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Prevention and Discussion for Typical Corrosion Problems at the AP1000 Construction Site

WEI Xiao-bao, ZHANG Yan
(State Nuclear Power Engineering Company, Shanghai 200233, China)

On the basis of corrosion phenomena appeared on the AP1000 construction site, this article summarized the typical corrosion phenomena on the steel structure, weld joints and equipments. The main causes that lead to materials and equipments corrosion on site have been analysed based on the corrosion patterns, so as the formation mechanism of the corrosion. Anti-corrosion measures have also been proposed from theoretical and construction practical point of view.

AP1000; construction site; sea atmosphere corrosion; dust corrosion

TG174

A

魏小寶 (1980－) ，男，河南開封人，工程師，在讀工程碩士，主要從事核電廠機械設備安裝技術管理工作。