秦山第三核電廠海水系統(tǒng)襯膠評估

，，

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦山第三核電廠是我國唯一的重水堆核電站，位于杭州灣北岸。海水系統(tǒng)(RSW系統(tǒng)和CCW系統(tǒng))是電站重要的組成部分，直接影響電站安全穩(wěn)定運(yùn)行和發(fā)電效益。

1 海水系統(tǒng)設(shè)備襯膠問題簡介

海水系統(tǒng)中凝汽器、熱交換器、各型海水閥門、凝汽器進(jìn)口濾網(wǎng)及出口收球網(wǎng)防腐襯里采用了襯膠，使用中發(fā)生的典型襯膠事件如下。

1)多臺RCW熱交換器(簡稱熱交換器)海水側(cè)水室襯膠采用氯丁橡膠(CR)，在使用3～5年后出現(xiàn)大面積條狀和薄片狀撕裂和脫落，膠條邊緣整齊光滑，見圖1(a)。膠條纏繞并附著在熱交換器管板表面，見圖1(b)，引起管板表面紊流和傳熱管不完全截流現(xiàn)象，直接導(dǎo)致管板大面積損害和傳熱管大量傳孔。

2)多臺海水蝶閥局部出現(xiàn)大量翹邊或片狀撕裂現(xiàn)象見圖1(c)，其中兩臺閥門襯膠出現(xiàn)嚴(yán)重的脫離。閥門襯膠損壞導(dǎo)致閥門金屬基體嚴(yán)重腐蝕，閥門密封受到影響，少數(shù)閥門還出現(xiàn)了閥座、閥瓣腐蝕穿孔海水泄露問題。

(a) (b) (c)圖1 襯膠損壞與影響Fig.1 The rubber lining damage and influence (a)熱交換器襯膠大面積脫落；(b)襯條對管板和傳熱管的影響；(c)閥門襯膠損壞和閥座腐蝕

熱交換器傳熱管和管板出現(xiàn)的嚴(yán)重?fù)p壞直接導(dǎo)致RSW系統(tǒng)可靠性嚴(yán)重降級。分析與整治海水系統(tǒng)襯膠問題是電廠近年防腐工作的重點(diǎn)工作。

2 原因分析及評價

2.1 襯膠防腐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題

經(jīng)過分析，海水系統(tǒng)襯膠蝶閥和熱交換器的存在大量不適合襯膠防腐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在這些結(jié)構(gòu)區(qū)域，存在襯膠施工難、粘接強(qiáng)度低、易損壞等問題。

2.1.1 蝶閥襯膠結(jié)構(gòu)

海水系統(tǒng)大量使用襯膠蝶閥，原設(shè)計(jì)基體采用灰鑄鐵ASTM A126 Class B；半數(shù)以上的襯膠閥門出現(xiàn)過襯膠開裂或脫落現(xiàn)象。

觀察發(fā)現(xiàn)，蝶閥的襯膠開裂或脫落區(qū)域主要集中在閥瓣開啟后迎水一側(cè)和閥門密封條附近。這兩處結(jié)構(gòu)均是襯膠結(jié)構(gòu)邊緣不進(jìn)行壓邊或翻邊設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)示意圖見圖2和圖3，使用中基體容易出現(xiàn)沿襯膠邊緣腐蝕和襯膠因水流沖擊導(dǎo)致的剝離。

圖2 閥門密封區(qū)結(jié)構(gòu)和襯膠示意圖Fig.2 Schematic diagram of the valve sealing area structure and rubber lining1—鑄鐵閥體；2—閥門密封條；3—膠板層；4—膠黏劑；5—閥瓣；6—燕尾槽防水環(huán)氧密封層

圖3 閥門閥瓣邊緣結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the valve edge structure 1—耐蝕鎳合金；2—鑄鐵閥瓣；3—襯膠

2.1.2 熱交換器襯膠結(jié)構(gòu)

熱交換器為管板式，殼側(cè)筒體和管側(cè)水室采用低碳結(jié)構(gòu)鋼ASTM A36，管板采用純鈦板(ASTM B338 Gr.2)—低碳結(jié)構(gòu)鋼(ASTM A36)的爆炸焊接復(fù)合板，傳熱管采用鈦管ASTM B338 Class B；傳熱管和管板采用脹接結(jié)構(gòu)，水室、管板、筒體均采用焊接結(jié)構(gòu)連接，示意圖見圖4，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在以下問題：

圖4 管板區(qū)域結(jié)構(gòu)和襯膠防腐示意圖Fig.4 Schematic diagram of the tube sheet area structure and lining1—?dú)?cè)筒體；2—焊縫；3—管側(cè)水室；4—膠漿層；5—膠板層；6—鈦管；7—碳鋼管板；8—鈦質(zhì)管板；9—類S形結(jié)構(gòu)區(qū)

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求襯膠翻邊至鈦板的表面，但鈦與膠板的粘接強(qiáng)度不高，使用中襯膠容易翹邊、剝離。

2)很小的區(qū)域內(nèi)，集中直角和類S形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)除不利膠板貼襯外，還會因?yàn)榱蚧^程的體積變化導(dǎo)致有效粘接面積降低、襯膠內(nèi)部應(yīng)力大等問題。這種結(jié)構(gòu)不適合在襯膠上使用，更不適合在不壓邊的結(jié)構(gòu)邊緣使用。

3)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制襯膠種類和硫化方案的選擇。氯丁橡膠可以采用常溫自然或高溫強(qiáng)制硫化。通常高溫強(qiáng)制硫化(特別是高溫加壓硫化)膠板的質(zhì)量和襯膠的粘接強(qiáng)度都遠(yuǎn)好于常溫自然硫化。熱交換器水室與傳熱管束采用焊接結(jié)構(gòu)，襯膠是設(shè)備制造的最后工序；熱交換器僅換熱管就長達(dá)15 m，如采用高溫硫化(包括硫化釜硫化、本體加溫硫化、水槽水煮硫化)，都可能會導(dǎo)致?lián)Q熱器嚴(yán)重?fù)p壞。因此，原廠熱交換器襯膠采用了常溫自然硫化方案，襯膠質(zhì)量因此受到很大限制。

2.2 襯膠加工質(zhì)量問題

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《橡膠襯膠 第一部分：設(shè)備防腐襯里》(GB 18241.1—2001)的內(nèi)容，對同一臺熱交換器使用5 a原廠自硫化氯丁襯膠(CR)和使用6 a的電廠自主完成的復(fù)合溴化丁基襯膠(BIIR)，進(jìn)行性能檢測，結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)表明原廠襯膠使用5 a后的性能非常差已不滿足使用要求。在沒有加速老化因素的影響下，3～5 a內(nèi)氯丁橡膠的理化性能下降緩慢，因此熱交換器襯膠在使用5 a后理化性能低劣的主要原因還是原廠襯膠的制造存在明顯的質(zhì)量問題。

表1 使用5～6年后的襯膠性能對比

2.3 老化現(xiàn)象

除襯膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量導(dǎo)致的脫落外，隨著使用年限的延長，襯膠防腐性能和粘接強(qiáng)度均會持續(xù)下降。

2.3.1 物理性能降低

橡膠使用過程中，橡膠分子鏈會因?yàn)榛瘜W(xué)鍵的穩(wěn)定性問題逐漸降解，且受到熱、光、機(jī)械沖擊、介質(zhì)滲透溶解等因素而加速，導(dǎo)致橡膠性能變壞，表現(xiàn)為橡膠表面龜裂和變硬，扯斷強(qiáng)度和扯斷伸長率明顯降低。物理性能的降低會使襯膠更容易受到機(jī)械性損壞，嚴(yán)重情況下會直接導(dǎo)致膠板撕裂；龜裂現(xiàn)象則導(dǎo)致海水緩慢滲入襯膠內(nèi)部，使金屬基體發(fā)生腐蝕，出現(xiàn)襯膠鼓泡等現(xiàn)象。橡膠性能隨使用時間下降是很難避免的正常化學(xué)變化過程，對這一現(xiàn)象只能加強(qiáng)定期的狀態(tài)監(jiān)督和評估。

2.3.2 粘接強(qiáng)度持續(xù)降低

襯膠與設(shè)備金屬基體的粘接強(qiáng)度，指粘接劑分別與金屬和膠板界面上分子間的結(jié)合力(范德瓦爾斯力)是襯膠性能的關(guān)鍵指標(biāo)。粘接強(qiáng)度大小除與膠黏劑的組成、黏料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)外，更與膠黏劑與金屬的有效接觸面積成正比。隨著使用時間的延長，熱循環(huán)、機(jī)械沖擊等引起的膠板拉伸和壓縮，會使膠黏劑分子與金屬基體的距離拉大，失去分子間結(jié)合力，使有效接觸面積發(fā)生呈不可逆轉(zhuǎn)的降低。因此隨使用周期的延長，襯膠不可避免地存在整體粘接強(qiáng)度持續(xù)下降并最終剝離的情況。

3 處理對策與實(shí)踐

3.1 定期監(jiān)督和評估狀態(tài)

通過編制檢查和評估計(jì)劃，定期對海水系統(tǒng)襯膠設(shè)備進(jìn)行目視檢查和表面硬度檢測，對襯膠進(jìn)行破壞性取樣測試襯膠的粘接強(qiáng)度和膠板的拉伸強(qiáng)度、扯斷伸長率等，根據(jù)檢查結(jié)果適時安排襯膠類設(shè)備的更換或重新襯膠。

3.2 優(yōu)化襯膠硫化方案

3.2.1 硫化釜加壓蒸汽硫化

方案具有襯膠固有質(zhì)量好、成本低的特點(diǎn)。能在專業(yè)的襯膠工廠內(nèi)，完成膠板加工、襯貼、硫化釜加壓蒸汽硫化等全部工序，很適合應(yīng)用在能拆卸的各型閥門，短小管道上。規(guī)定所有可拆卸并可外運(yùn)的中小型襯膠設(shè)備均采用硫化釜加壓蒸汽硫化工藝。

3.2.2 室溫自硫化溴化丁基膠和預(yù)硫化溴化丁基膠復(fù)合襯膠

熱交換器無法拆卸運(yùn)出廠房且工期很短，必須現(xiàn)場襯膠。根據(jù)實(shí)際情況，選擇了適合現(xiàn)場施工的室溫自硫化溴化丁基膠(S-BIIR)和預(yù)硫化溴化丁基膠(P-BIIR)同時使用的復(fù)合襯膠工藝。硫化方式采用利用海水系統(tǒng)自身壓力的室溫本體加壓硫化方案。

室溫自硫化溴化丁基膠板在硫化前可塑性高、初粘性好，能在自然條件下硫化，適合各種形狀和結(jié)構(gòu)的設(shè)備；但硫化過程需要30～60 d，硫化期內(nèi)機(jī)械強(qiáng)度偏低。預(yù)硫化溴化丁基膠板可塑性一般，施工要求和難度大，與金屬粘接強(qiáng)度低；但膠板初始強(qiáng)度高，與同質(zhì)膠板的粘接強(qiáng)度好，無需硫化即可滿足使用要求。襯膠工藝為雙層膠板，與金屬基體貼合的內(nèi)層采用自然硫化溴化丁基膠板，降低施工難度，可靠的獲得較高粘接強(qiáng)度；外層膠板使用預(yù)硫化溴化丁基膠板，保證粘接強(qiáng)度的同時能很好保護(hù)內(nèi)層膠板的早期粘接效果和硫化質(zhì)量。膠板襯貼后利用海水系統(tǒng)壓力的室溫本體加壓硫化方案，提高襯膠整體硫化質(zhì)量。

2006—2009年，采用本方案全面對RCW交換器進(jìn)行重新襯膠。使用6年后，重新襯膠的性能檢測數(shù)據(jù)見表1。數(shù)據(jù)表明，復(fù)合襯膠方案滿足安全可靠使用最低6年的要求。

3.3 減少襯膠使用范圍和使用量

通過材料優(yōu)化、高固態(tài)環(huán)氧涂層襯里替代襯膠來減少襯膠的使用范圍和使用量，逐步徹底襯膠對避免海水系統(tǒng)核心設(shè)備的潛在危害。

3.3.1 優(yōu)化閥門選材

核電廠海水系統(tǒng)大量采用灰鑄鐵(ASTM A126 Class B)襯膠蝶閥。通過材料典型的腐蝕性能對比[1-2]，考慮在保持灰鑄鐵襯膠蝶閥金屬基體結(jié)構(gòu)不變的情況下，將閥門材料改進(jìn)為高鎳奧氏體球墨鑄鐵，如ASTM A439 D2或D2B、D5B、D5S等(見表2)。高鎳球墨鑄鐵在海水中耐腐蝕特性好，均勻腐蝕速率峰值不超過0.1 mm/a，抗縫隙腐蝕和點(diǎn)蝕的能力好，具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能、鑄造性能、耐磨性、耐沖蝕性等，并具有一定的可焊性[3]，非常適合在秦山地區(qū)作為閥門的鑄件材料使用。核電廠海水水泵的泵體采用ASTM A439 D2鑄造，經(jīng)過15 a的使用驗(yàn)證，水泵在僅有300 μm環(huán)氧瀝青涂層的保護(hù)下也未發(fā)生明顯的均勻腐蝕、縫隙腐蝕和點(diǎn)腐蝕等現(xiàn)象。

表2 3種閥門選材的成分和力學(xué)性能Table 2 Main chemical components and mechanical properties of three material selection for valves

3.3.2 采用高固態(tài)環(huán)氧涂層襯里替代襯膠

高固態(tài)環(huán)氧涂料具有防腐蝕性能優(yōu)異、耐磨性優(yōu)異、粘接強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，涂料襯里施工難度低、維修方便、成本適中[4]，防腐層與金屬的粘接強(qiáng)度是襯膠與金屬粘接強(qiáng)度的數(shù)倍。

核電廠大量使用高固態(tài)環(huán)氧涂層對海水管道進(jìn)行重新襯里，對閥門襯里進(jìn)行修補(bǔ)。已經(jīng)將一臺熱交換器的進(jìn)口水室和一列凝汽器水室的襯膠改為高固態(tài)環(huán)氧涂層襯里。電廠的工程實(shí)踐表明涂層襯里施工難度明顯低于重新襯膠，且工期更短、更容易檢查和維護(hù)；與襯膠相比，涂層襯里的施工和維護(hù)成本降低了約30%。

4 結(jié) 論

通過對襯膠問題的分析和對策研究，得出如下結(jié)論：

1)海水系統(tǒng)部分設(shè)備的襯膠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷和出廠襯膠的加工質(zhì)量問題，是導(dǎo)致海水系統(tǒng)設(shè)備襯膠在短期內(nèi)脫離并引起設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞的直接原因，應(yīng)加強(qiáng)材料和防腐專業(yè)的審查和質(zhì)量監(jiān)督。

2)現(xiàn)用襯膠的物理性能、防腐性能、粘接強(qiáng)度，會隨著使用時間延長不斷降低，密切監(jiān)督襯膠狀態(tài)，及時評估老化程度，適時進(jìn)行重新襯膠工作，能避免因襯膠老化現(xiàn)象引起的嚴(yán)重脫落問題。

3)根據(jù)設(shè)備的實(shí)際情況，采用合適的重新襯膠方案、優(yōu)化設(shè)備基體材料、使用涂層新技術(shù)，是提高設(shè)備安全可靠性的重要途徑。

秦山第三核電廠海水系統(tǒng)襯膠問題的評估和處理，對提高整個海水系統(tǒng)設(shè)備可靠性有至關(guān)重要的作用。對后續(xù)核電廠海水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備的設(shè)計(jì)制造改造具有重要的參考意義。