AP1000 核電站CA01結構模塊的環氧涂層缺陷

梁現偉,胡 贏(國核工程有限公司海陽SPMO，海陽 265116)

AP1000 核電站CA01結構模塊的環氧涂層缺陷

梁現偉,胡 贏
(國核工程有限公司海陽SPMO，海陽 265116)

根據海陽AP1000施工現場CA01模塊環氧涂層的缺陷情況，系統介紹和分析了CA01結構模塊在施工和涂層保護過程中對涂層的要求和涂層耐候性。

核電站；CA01；結構模塊；環氧涂層； 缺陷；耐候性分析

AP1000是美國西屋公司開發的第三代壓水堆核電技術，AP1000最大的特點是采用非能動系統和模塊化施工的設計理念[1]。建造優點是可以在保證施工質量的同時，減少現場的施工量從而縮短核電站的建設工期。其中，CA01結構模塊位于核島安全殼內，且核島主設備壓力容器、蒸汽發生器、穩壓器、一回路主管道及波動管均安裝在CA01結構模塊中，因此CA01結構模塊涂層的質量將直接影響結構體的安全性能和主設備的工作環境[2]。本工作結合CA01結構模塊的施工過程及周圍環境，系統分析了CA01結構模塊涂層的缺陷情況和可能產生缺陷的原因，并從理論和實際相結合的角度提出預防和保護措施。

1 CA01結構模塊簡介

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

1.1 CA01結構模塊的施工

CA01結構模塊整個施工過程共有四個主要施工階段[3]，具體施工流程如下：

首先,CA01結構模塊車間預制，該階段工作主要在設備廠車間內完成，并在預制時完成CA01結構模塊大部分表面油漆涂裝工作;預制工作完成后需將CA01預制組件運至核電站現場，在CA拼裝場地完成CA01結構模塊的拼裝，并在拼裝后完成CA01結構模塊組隊焊縫的表面處理及補漆工作。上述工作完成后，根據施工進度安排進行CA01結構模塊的吊裝就位;最后,再對CA01結構模塊墻體進行自密實混凝土(以下簡稱SCC)澆筑工作。CA01結構模塊在預制車間油漆涂裝完成,現場安裝就位后完成SCC澆筑，最終頂封頭CVTH吊裝就位，其間CA01結構模塊需露天存放數年。

1.2 CA01結構模塊的涂層

根據AP1000設計要求，AP1000核電站CA01結構模塊選用Carboguard890N(K)涂層，該涂層是一種環氧樹脂漆，符合美國核管會發布的RG.1.54《關于核電廠Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ服役級涂層》[4]和美國材料協會ASTM D5144的要求。Carboguard890N(K)涂層為CSL(Coating Service Level)FI-Ⅱ級涂層，具有較強的耐火性和耐化學腐蝕性，同時具有一定的防輻照和防污功能，其施工技術參數如下：噴砂等級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(內部黑色部分)(標高.100′-0″&107′-2″)

(b) 模塊框架示意圖1 CA01結構模塊Fig. 1 Layout chart (a) and framework sketch (b) of CA01 structural module

2 CA01結構模塊涂層缺陷情況

2.1 涂層缺陷形貌

由于海陽核電站建設在黃海邊，海洋大氣的濕度很大，加之海洋大氣環境中的鹽霧含量和鹽霧沉降量都很大，使得模塊更容易發生腐蝕,涂層更容易出現老化現象。CA01結構模塊涂層表面主要存在漆膜龜裂、剝落，污染缺陷，對模塊龜裂部位進行漆膜剝離檢查，未發現基材生銹跡象；采用膠帶或拉拔儀對表面涂層進行附著力測試，發現CA01結構模塊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結構模塊缺陷形貌Fig. 2 Defect morphology of CA01 structural module: (a) alligatoring of film; (b) desquamation of film

2.2 涂層缺陷分布

經現場排查發現，CA01結構模塊涂層缺陷主要集中在模塊中部和底部，如：W-SG房間(內墻)和E-SG房間(內墻)的漆膜龜裂均主要出現在模塊中部和底部，其中底部較為嚴重，出現漆膜大面積剝落現象。CA01結構模塊外墻區域41.148 m以上部分，漆膜外觀基本完好，未出現漆膜剝落缺陷，但表面污染嚴重。根據CA01結構模塊圖層缺陷分布情況，涂層缺陷嚴重部位主要集中在潮濕或表面長期結露的模塊底部。

3 涂層缺陷原因及耐候性分析

3.1 不合適的表面處理

CA01結構模塊在預制施工期間，產生的粉塵是造成涂層剝落、龜裂不能忽視的因素。通常塵土會通過濕沉降的方式沉積在處于沿海地區的鋼結構表面，為金屬表面吸附水膜和電化學腐蝕創造了條件，也阻礙了環氧樹脂中的醚鍵和羥基與金屬表面產生物理和化學作用力。在油漆噴涂前，若未能及時除去塵土和水膜，或基材表面粗糙度不滿足設計要求，可能會降低漆膜的附著力，影響漆膜成型質量，從而可能引起后續漆膜的脫落，或由于附著力的喪失使大氣水分進入漆膜與基體間，導致模塊從基材開始銹蝕。

3.2 不合適的噴涂及養護環境

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

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

3.3 交叉作業，缺少防護

CA01結構模塊吊裝就位后，模塊本體后續存在大量的OLP板、支架及貫穿件安裝焊接，且安裝時由于施工人員缺乏對漆膜成品保護的意識，會造成安裝物項周圍漆膜的破壞，且安裝焊縫和臨時附件拆除區未能及時補漆，造成模塊局部銹蝕嚴重，遇雨后銹水污染漆膜。CA01結構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，且交叉作業施工時未對模塊表面的漆膜采取合適有效的保護措施，造成漆膜的燒傷、劃傷，從而遇雨、水即會出現返銹和漆膜污染，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

蒸汽發生器和穩壓器就位前，在對CA01結構模塊漆膜表面污染及附著物進行整體清理時，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)，且清理后未能及時對模塊表面進行涂漆，由于砂紙打磨過程中極易劃透漆膜，致使劃傷的漆膜對空氣、水汽的隔離作用大幅降低，水汽透過劃傷的漆膜進入基材表面，很容易造成基材銹蝕，引起的表觀現象就是起泡，剝開鼓包底部基材已嚴重銹蝕,這是加重CA01結構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結構模塊安裝就位后，需對模塊鋼板墻內進行SCC分層澆筑，在進行SCC澆筑時，下料或振搗會對模塊表面鋼板產生一定的振動和變形，這可能會影響漆膜的整體性。且在SCC施工后，混凝土在凝固時由于水化熱將釋放一定的熱量，使模塊鋼板發生微量的熱脹冷縮，而油漆面由于長期受到污染以及環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,可能導致模塊漆膜受拉伸出現龜裂缺陷。

3.6 模塊涂層的耐候性

CA01結構模塊使用Carboguard890N (K)油漆，這是一種環脂肪族胺固化型環氧樹脂漆，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環氧氯丙烷共聚物的環氧基團發生交聯反應，從而發生固化成漆膜。該環氧樹脂分子結構中所含有大量的醚鍵(-O-)和羥基(-OH)，其中包括環氧樹脂與胺類固化劑固化后所生成的醚鍵和羥基都是強極性基團，這些基團可以使環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作用力，產生非常強的附著力和黏結力。但Carboguard890N (K)油漆中少量的苯環造成漆膜在長期紫外線的照射下，也會引起輕微黃變，致使脆性變大。根據CA01結構模塊涂層的分子結構所反應的性能，Carboguard890N (K)油漆作為核級涂層是最佳的選擇，但該涂層自身性能不耐紫外線照射，不合適長期露天存放。

AP1000核電站具有開頂化施工的特點，在CA01結構模塊就位至CVTH就位間隔數年，在此期間CA01結構模塊長期處于露天環境，周圍區域一直處于多專業多層面的交叉作業狀態，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境中，施工現場雨天多、降雨量大、空氣濕度大，且水氣中含有一定的鹽分，同時，由于核電站現場CA01結構模塊，無任何防雨措施和保護措施，雨水及凝結的露水直接沉積在未封閉的房間內，造成CA01結構模塊底部的積水現象。同時，由于地理位置的原因，年平均溫度較低，加之CA01結構模塊30.48 m以下無陽光照射，溫度更低，模塊表面長期結露。環氧涂層長期受雨水和表面露水的浸泡導致涂層溶脹，溫度偏低導致涂層的脆化，降低涂層對鋼材表面的附著力。這就致使模塊底部漆膜極易產生漆膜缺陷，且漆膜一旦產生缺陷或不致密就會導致水汽進入漆膜內，引起銹蝕。這也是CA01結構模塊環氧類涂層不具有耐候性的主要原因。

4 結論

CA01結構模塊表面所采用的環氧涂層，從分子結構及涂層自身特性分析，該涂層具有較強的耐腐蝕性能，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期照射下，該涂層會輕微黃變，脆性變大，結合其自身特點，該涂層作為核級涂層可以用于安全殼內。但該涂層在設計時未充分考慮AP1000核電站開頂化施工建造的特點，即CA01結構模塊從車間預制，到最終核電站投入運行，需要露天存放數年，并在存放過程中長期遭受紫外線照射，且長期飽受沿海高鹽分雨水、霧氣及露水對模塊表面的沖刷及影響，造成涂層本身性能大幅降低。再加上在后續物項的安裝及交叉作業時，未對涂層表面進行有效防護，造成了涂層被破壞和污染，加快了基材的銹蝕，尤其是在主設備吊裝前，采用不合適的清理方式對涂層表面污染進行清理，更是直接破壞了漆膜的完整性，最終導致CA01結構模塊涂層出現大面積失效缺陷。

[1] 林誠格，郁祖盛. 非能動安全先進壓水堆核電技術[M]. 北京：原子能出版社，2010.

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

[3] 林金平，黃娜. AP1000核電站鋼制安全殼涂裝質量控制[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：復旦大學出版社，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

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

10.11973/fsyfh-201707002

TG174.4

B

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