核電廠混凝土次氯酸鈉儲罐腐蝕分析與緩解對策

江 鋒 陳 森 解東海 劉永剛

（1. 中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

國內某濱海核電廠配置有三座NaClO儲罐，一座內部尺寸為：長5m、寬4m、高2.5m，兩座內部尺寸為：長5m、寬4m、高5m，罐體的主體為設計壁厚為300mm的鋼筋混凝土墻，內部均采用玻璃纖維增強乙烯基酯樹脂襯里玻璃鋼防腐層進行防腐保護，盛放濃度為10%的NaClO溶液。檢查發現儲罐罐體外表面暴露出鋼筋且發生嚴重銹蝕，罐體混凝土材料發生部分開裂和脫落。

為了定量評估儲罐腐蝕嚴重程度，為儲罐的后續檢查和維護工作提供指導，需對儲罐進行全面的腐蝕監測與分析，找出發生腐蝕的機理，針對性地給出緩解措施。

1 儲罐檢測

1.1 外觀狀況檢查

經目視檢查，儲罐外部混凝土整體狀況良好，但在基礎附近的潮濕部位發生了鋼筋銹蝕和混凝土漲裂等現象。儲罐南面墻體基礎附近發現兩處銹脹開裂，尺寸分別為0.5×0.5m和0.3×0.5m，如圖1（a）和1（b）所示；儲罐的東南墻體轉角附近發現銹脹開裂和露筋現象，銹脹區域約2.5×0.4m，露筋區域約0.5×0.1m，如圖1（c）和1（d）所示。

圖1 儲罐表面缺陷

1.2 鋼筋銹蝕電位測量

采用半電池電位法測量鋼筋銹蝕電位，根據混凝土中鋼筋表面各點的電位評定鋼筋的銹蝕狀態。選擇鋼筋銹蝕較為嚴重的區域進行鋼筋銹蝕電位的測量，測量位置如圖2所示。鋼筋銹蝕電位的測量共設置13×15（195）個測點，測點間隔100mm，電位測量儀器采用丹麥Germann公司的Canin+型鋼筋銹蝕檢測儀。測得鋼筋電位分布云圖如圖3所示。

圖2 鋼筋銹蝕電位測量位置

圖3 鋼筋銹蝕電位等勢圖

對比鋼筋銹蝕電位等勢圖與現場情況可以發現，靠近基礎附近的鋼筋銹蝕電位更負，表明基礎附近的鋼筋銹蝕較為劇烈，現場情況也可以發現基礎附近的鋼筋已發生了嚴重銹蝕，距離基礎0.5m以上的鋼筋銹蝕電位較正，表明此處的鋼筋處于未銹蝕狀態或銹蝕概率較低，現場情況也可以發現此處的混凝土外觀良好，未發現明顯的裂縫。

GB/T 50344-2004《建筑結構檢測技術標準》中規定的依據半電池法測得的鋼筋銹蝕電位的判斷準則如表1所示。

1.3 氯離子濃度測試

采用被鋼筋漲裂的混凝土塊作為樣品，氯離子濃度測試方法采用RCT法。首先使用RCT-500型氯離子含量測試儀測量濃度為0.005%、0.02%、0.05%、0.5%的標準溶液的電位，并記錄在專用坐標系中，得出電位與濃度的對應關系。再測量1.5g混凝土樣品的提取液中的電位，根據上一步得出的對應關系即可得到樣品中的氯離子濃度為0.54%。

CECS220：2007《混凝土結構耐久性評定標準》中建議的鋼筋開始銹蝕時間的估算公式為[2]：

式中：ti為鋼筋開始銹蝕時間（a）；c為混凝土保護層厚度（mm）；K為氯鹽侵蝕系數，按規范取用；D為氯離子擴散系數（m2/a），按規范推薦確定；erf為誤差函數；Mcr為鋼筋銹蝕臨界氯離子濃度（kg/m3）；Ms為混凝土表面氯離子濃度（kg/m3）。

儲罐混凝土材料設計強度為C30，抗滲等級為S6，氯鹽侵蝕系數K按照CECS220：2007《混凝土結構耐久性評定標準》中表6.0.4取值為2.19，將保護層設計厚度c=20mm代入上式可得鋼筋開始銹蝕的時間ti=0.83年。由計算結果可知，該儲罐所處的環境中氯離子含量較高，導致鋼筋開始銹蝕的時間 較短。

以氣候條件為南方，混凝土強度等級為C30，構件類型為墻，保護層厚度為20mm的條件查詢CECS220：2007《混凝土結構耐久性評定標準》中表6.0.10和章節6.0.11，可知鋼筋開始銹蝕至保護層銹脹開裂的時間ti=2.09年。

綜合上述計算過程可以推測，該儲罐混凝土墻體的銹脹開裂時間大約發生在建成后的0.83+2.09=2.92年。

1.4 鋼筋保護層厚度檢測

儲罐的鋼筋保護層厚度設計值為20mm，但現場勘查發現在兩個儲罐的基礎附近的鋼筋保護層厚度小于設計值，在氯離子的侵蝕下鋼筋已嚴重銹蝕。對地面以上0～1.4m范圍內的鋼筋保護層厚度進行了測量，測量區域與鋼筋銹蝕電位測量區域相同。測量結果如圖4所示。

表1 鋼筋電位與鋼筋狀態判別[1]

圖4 鋼筋保護層厚度分布

該區域共測得有效數據1 8 1 個，平均值為14.5mm，其中大于20mm的測點共有55個，分析保護層厚度測量結果可以發現：（1）測量區域內的縱筋保護層厚度分布不均勻，最小值達到了1mm，最大值達到了37mm；（2）距離基礎0.5m以下的區域，鋼筋保護層厚度明顯低于設計值20mm，導致此處的鋼筋銹蝕嚴重；（3）測量區域靠近角柱的位置，鋼筋保護層也較小，現場勘查結果也印證此處出現了明顯的露筋現象。

1.5 混凝土碳化深度測試

選擇儲罐的兩個部位進行了碳化深度測量，測區1位于圖2的鋼筋銹蝕電位測量區域，測區2位于儲罐的北面墻體。正常狀態下的混凝土呈高堿性狀態，無色的酚酞試劑會在其表面顯紅色，碳化后的混凝土呈中性或酸性，無法使酚酞變紅。測量時首先在混凝土表面避開混凝土內部的鋼筋呈“品”字型鉆3個測試孔，鉆孔后清除孔內的殘余粉末，噴灑酚酞溶液。待酚酞變色后，測量變色區域的深度即為碳化深度，測試現場如圖5所示。

測區1的平均碳化深度為24.5mm，測區2的平均碳化深度為11mm。測區1的碳化深度已超過現場實際的保護層厚度，表明此處的混凝土已喪失對鋼筋的鈍化保護作用。

圖5 混凝土碳化深度測量結果

2 原因分析與緩解對策

2.1 原因分析

綜合上述資料調查與現場檢測結果可知，NaClO儲罐發生的老化現象為鋼筋銹蝕導致的表面混凝土開裂、剝落。通過對墻體表面混凝土中氯離子含量的檢測，結合混凝土表面破壞外觀狀況檢查可知導致這一破壞現象的直接原因是高氯和高濕環境下氯離子引起的鋼筋銹蝕，生成的鐵銹體積會產生膨脹大于原有體積，致使混凝土保護層由于壓力作用脹裂，最后破壞[3]。

合理的保護層厚度對鋼筋具有良好的保護作用，該次氯酸鈉儲罐鋼筋保護層厚度的設計值為20mm，但對現場銹脹區域進行的測量結果表明該區域的保護層厚度嚴重低于設計值，該因素為導致罐體快速產生銹脹現象的根本原因。

2.2 緩解對策

混凝土構筑物的氯離子侵蝕防護措施主要有施加防護涂層、布置陰極保護系統等手段，鑒于NaClO儲罐鋼筋外漏銹蝕較為嚴重，只在混凝土表面涂刷涂層難以阻止外界氯離子的侵入和已經進入混凝土內部的氯離子對鋼筋的腐蝕作用。對于混凝土表面已經發生銹脹的區域（地表以上1m內）需將銹脹的混凝土剔除，重新覆蓋一層厚度20mm以上的混凝土，保證鋼筋的保護層厚度達到設計值。同時還應檢查儲罐內部的防腐襯里層完整性并及時修復發現的襯里缺陷，避免氯離子從內部滲入混凝土 結構。

現場勘查結果表明，該儲罐所處的環境氯離子含量較高，為進一步阻止氯離子向混凝土結構內部侵蝕，需將整個儲罐用環氧涂層覆蓋隔絕空氣。從罐體外漏鋼筋的銹蝕嚴重程度來判斷，鋼筋銹蝕的現象發生已有較長時間，但電廠的巡檢制度并未及時發現罐體的銹脹現象，故應增加巡檢頻率至不低于1次/年，及時發現和消除缺陷。

3 結論

（1）濱海核電廠混凝土NaClO儲罐的腐蝕機理主要是海洋空氣中高濃度的氯離子侵蝕，滲入混凝土中腐蝕鋼筋，鋼筋銹蝕產生的銹蝕物膨脹，造成混凝土膨脹開裂和脫落；

（2）儲罐施工時實際的鋼筋保護層厚度遠遠低于設計值，促進了氯離子侵蝕，使鋼筋腐蝕加速；

（3）混凝土平均碳化深度超過實際的保護層厚度，失去了對鋼筋的防腐保護，也促進了鋼筋 銹蝕；

（4）核電廠需從儲罐的內部襯里完整性檢測、腐蝕嚴重區加固防護、儲罐整體涂裝保護、提高巡檢頻率等角度緩解儲罐的腐蝕問題，延長儲罐的 壽命。