陰極保護(hù)在核電廠鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

顏永貴，林 斌，周 波，王亞東，盧前勇，秦鐵男，林澤泉

(1.大亞灣核電運營管理有限責(zé)任公司，深圳 518000；2.蘇州熱工研究有限公司，蘇州 215004)

鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)過早失效的主要原因[1]。大量研究表明，鋼筋混凝土腐蝕主要由氯離子侵蝕和混凝土碳化引起的pH下降共同作用引起[2-4]。

核電廠多處于沿海地區(qū)，受到海洋環(huán)境影響，核電廠鋼筋混凝土構(gòu)筑物會過早發(fā)生氯鹽侵蝕、大氣碳化，進(jìn)而誘發(fā)鋼筋腐蝕，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)生命周期提前結(jié)束[5]。國內(nèi)某核電廠聯(lián)合泵站廠房的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于長期受到海洋潮氣影響，部分混凝土構(gòu)件發(fā)生鋼筋銹蝕，混凝土保護(hù)層開裂現(xiàn)象。對混凝土開裂部分進(jìn)行了補(bǔ)修，但有些補(bǔ)修處再次發(fā)生開裂，以前未出現(xiàn)破損的地方也發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土保護(hù)層開裂的現(xiàn)象。這些問題威脅到核電廠的正常運行，為了保證其有效使用壽命，節(jié)省維修和管理費用，對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了外加電流陰極保護(hù)。

1 鋼筋混凝土陰極保護(hù)原理

混凝土孔隙液中主要含飽和Ca(OH)2，并含有少量NaOH、KOH等，其pH約為13，在該環(huán)境中鋼筋通常為鈍化狀態(tài)，基本不發(fā)生腐蝕。但海洋大氣環(huán)境中含有氯離子，當(dāng)氯離子達(dá)一定含量時，會破壞鋼筋表面鈍化膜，使得鋼筋失去保護(hù)從而發(fā)生腐蝕[6]，其氧化還原反應(yīng)如下：

(1)

(2)

隨著氯離子的侵蝕和點蝕的發(fā)展，陽極區(qū)電位將下降幾百毫伏，pH將下降2～3。陰極區(qū)電位仍保持在較正的區(qū)域，此時陽極區(qū)與陰極區(qū)形成了較大的電位梯度。

陰極保護(hù)原理是將鋼筋表面電位變負(fù)，減緩氧化反應(yīng)，加速還原反應(yīng)。在混凝土中，當(dāng)鋼筋電位為-100 mV時，鋼筋的腐蝕速率可以降低到很小。這是因為陰極反應(yīng)產(chǎn)生OH-，從而使得鋼筋/混凝土界面處的pH上升，同時鋼筋作為陰極，對混凝土中的負(fù)離子Cl-有排斥作用，從而降低鋼筋周圍Cl-的含量。外加電流陰極保護(hù)是將鋼筋與直流電源的陰極相連，輔助陽極與直流電源的陽極相連，電流從輔助陽極發(fā)散，通過混凝土介質(zhì)到達(dá)鋼筋表面[7]。陽極表面主要會發(fā)生以下反應(yīng)：

(3)

(4)

如果混凝土中含有Cl-，陽極還會發(fā)生以下反應(yīng)：

(5)

鋼筋混凝土在外加電流陰極保護(hù)下的陰極反應(yīng)一般如式(2)所示，但是如果陰極(鋼筋)表面電流密度過大，會發(fā)生以下副反應(yīng)：

(6)

表面析氫會使得預(yù)應(yīng)力鋼筋產(chǎn)生氫脆，但此反應(yīng)只有當(dāng)陰極表面電位過負(fù)時才會發(fā)生，因此可以通過監(jiān)測鋼筋表面電位預(yù)防鋼筋表面析氫。

2 技術(shù)路線

2.1 保護(hù)對象

保護(hù)對象為某核電廠聯(lián)合泵站2號機(jī)組B列的2個進(jìn)水口和1個鼓形濾網(wǎng)房，包括粗格柵、細(xì)格柵、雜物耙及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)周圍的墻體，為避免與旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)相互影響，對于鼓形濾網(wǎng)房內(nèi)的混凝土結(jié)構(gòu)，本陰極保護(hù)系統(tǒng)只考慮天文潮最高潮位1.26 m以上的混凝土結(jié)構(gòu)，即最低標(biāo)高為-5.24 m(-6.5+1.26)，結(jié)構(gòu)立面圖見圖1。

圖1 進(jìn)水口部位結(jié)構(gòu)立面圖

2.2 保護(hù)分區(qū)

由于保護(hù)對象所處環(huán)境及腐蝕特點存在差異，在設(shè)計混凝土構(gòu)筑物的陰極保護(hù)時，需要根據(jù)影響因素對保護(hù)對象的表面進(jìn)行分區(qū)。

2.2.1 海平面高低潮位的影響

由圖1可見，本設(shè)計的保護(hù)對象為進(jìn)水口處混凝土結(jié)構(gòu)，包括粗格柵、細(xì)格柵、雜物耙及旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)周圍的墻體，由于受到海平面的高低潮位變化影響，不同區(qū)域的混凝土電阻率及氯離子侵蝕存在差異，導(dǎo)致其腐蝕特點有較大區(qū)別。因此，將混凝土構(gòu)筑物所在腐蝕環(huán)境劃分成潮差區(qū)、潮濕區(qū)、大氣區(qū)。潮差區(qū)腐蝕最為嚴(yán)重，潮濕區(qū)腐蝕較弱，大氣區(qū)腐蝕最弱。加氯框與細(xì)格柵的周圍環(huán)境相似，因此將兩者的潮濕區(qū)分為一個區(qū)域，潮差區(qū)分為一個區(qū)域。

2.2.2 泵站環(huán)境的影響

混凝土碳化及氯離子侵蝕是影響鋼筋腐蝕兩個重要因素。該電廠聯(lián)合泵站鋼筋腐蝕最為嚴(yán)重的地方為氯離子侵蝕與混凝土碳化共同作用的區(qū)域，根據(jù)工程前期的檢測，可知雜物耙附近區(qū)域的鋼筋腐蝕狀態(tài)較為嚴(yán)重，詳見圖2。

圖2 雜物耙附近區(qū)域電位云圖

綜合考慮以上分區(qū)原則，對該電廠聯(lián)合泵站2號機(jī)組B列鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行陰極保護(hù)分區(qū)，東西兩側(cè)的粗格柵作為整體劃為1個區(qū)，而兩側(cè)的加氯框與細(xì)格柵根據(jù)環(huán)境與工況分為3個區(qū)，鼓網(wǎng)間內(nèi)部四面墻分為4個區(qū)，鼓網(wǎng)間與增壓泵房外墻分為3個區(qū)，具體分區(qū)見圖3，保護(hù)范圍及詳細(xì)分區(qū)見表1。

表1 保護(hù)范圍及分區(qū)

圖3 保護(hù)對象及分區(qū)示意

2.3 保護(hù)電流計算

鋼筋混凝土的陰極保護(hù)電流密度與混凝土質(zhì)量和環(huán)境腐蝕性有關(guān)，環(huán)境中的氯離子含量越高，需要的保護(hù)電流密度越大。本工程中保護(hù)電流密度取20 mA/m2，所需總保護(hù)電流按式(7)計算。

I=i×S

(7)

式中：I為總保護(hù)電流，A；i為保護(hù)電流密度，20 mA/m2；S為被保護(hù)表層鋼筋表面積，m2。

經(jīng)計算獲得各陰極保護(hù)區(qū)域的保護(hù)電流，詳見表2。

表2 各分區(qū)保護(hù)電流

3 系統(tǒng)組成

由于保護(hù)對象所處環(huán)境及腐蝕特點的差異，對混凝土構(gòu)筑物施加外加電流陰極保護(hù)時，將保護(hù)對象分為11個區(qū)。陰極保護(hù)系統(tǒng)主要組件包括陰極保護(hù)電源裝置、輔助陽極、參比電極(ERE-20 MnO2)、電纜(陽極電纜、陰極電纜、參比電極電纜、測量電纜)、接線箱、陽極焊接片、陰極接地、測量接地。

4 現(xiàn)場安裝施工

4.1 安裝前檢測

受外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋應(yīng)保持較好的電連接性，否則當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)運行時，電連接性不好的鋼筋會受雜散電流影響，導(dǎo)致其加快腐蝕。因此，在安裝前需分別對11個區(qū)的鋼筋進(jìn)行電連接性測試，每個區(qū)取8個鋼筋點進(jìn)行交叉測試，測試結(jié)果為11個區(qū)鋼筋間連接電阻均小于1.0 Ω。

4.2 安裝施工

現(xiàn)場安裝是鋼筋混凝土外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)整個項目的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它在一定程度上決定了陰極保護(hù)系統(tǒng)的成功與否。通過現(xiàn)場施工可以對設(shè)計方案進(jìn)行論證和改進(jìn)，現(xiàn)場安裝施工的主要內(nèi)容及流程如圖4所示。

圖4 陰極保護(hù)工程現(xiàn)場施工流程圖

開陽極埋設(shè)槽是現(xiàn)場施工最主要的工作之一，開槽速度也成為制約整個工程進(jìn)度的一個瓶頸。開槽時，先采用切割機(jī)割出兩條相距一定寬度的溝線，再用電錘將中間部分的混凝土敲去，陽極埋設(shè)槽如圖5所示。該開槽方法最大優(yōu)勢為槽寬一致，槽兩側(cè)平整，對混凝土的破壞較小，但效率較低。開槽結(jié)束后，還需對所有的槽進(jìn)行檢查，確保沒有鋼筋露頭或細(xì)小扎絲存在，以防后期埋設(shè)陽極時與陰極接觸，造成短路。參比電極和腐蝕監(jiān)檢測探頭主要采用鑿孔埋設(shè)方式，如圖5所示，參比電極垂直于墻面埋設(shè)，埋設(shè)深度比電極長度長20 mm左右。

圖5 參比電極埋孔及陽極埋設(shè)槽

陽極鋪設(shè)時，需先用塑料鉚釘將其全部固定在墻體陽極槽內(nèi)，陽極上的開孔盡量小，直徑在3 mm左右。采用氬弧焊焊接鈦條與陽極，使陽極之間通過鈦條實現(xiàn)電連接。焊接及塑料鉚釘固定后的陽極如圖6所示。用1 mm厚不銹鋼條焊接出墻體作為陰極和測量接地，見圖7。

圖6 焊接及塑料鉚釘固定后的陽極

圖7 陰極和測量接地

在完成陽極、參比電極埋設(shè)，陰極和測量接地和陽極接頭的焊接后，用專用修復(fù)砂漿填實墻面凹槽。陽極回填一定要保證填實，因為間隙會使陽極的接觸電阻增大，導(dǎo)致通電后輸出電壓過大等問題。由于回填水泥較濕，回填時回路電阻會隨著回填量的增加而逐漸減小，最低可能降至幾歐姆，但只要確認(rèn)無鋼筋或扎絲與陽極短路，即可繼續(xù)施工。待混凝土完全干燥后，用萬用表測陰陽極之間的回路電阻，確保陰陽極之間未短路。參比電極的尾線通過出墻管引至墻外，出墻管可以保護(hù)尾線不受損壞，見圖8。

圖8 參比電極尾線引出及陽極回填

接線盒安裝需先打好定位安裝孔。然后，將脹管裝入孔中，用十字螺栓將接線盒固定在墻上，見圖9。

圖9 接線盒安裝圖

4.3 安裝效果測試

安裝完成后對11個分區(qū)輔助陽極、陰極(鋼筋)、參比電極、測量接地間進(jìn)行測試，測試結(jié)果為：

a)輔助陽極連接電阻小于1.0 Ω;

b)陰極(鋼筋)間連接電阻小于1.0 Ω；

c)輔助陽極與陰極間未短路；

d)參比電極與陰極間未短路。

測試結(jié)果均符合要求。

5 調(diào)試及保護(hù)效果

水泥基覆蓋層通常需要在20 ℃下養(yǎng)護(hù)14 d，待所有水泥基覆蓋層充分養(yǎng)護(hù)及所有導(dǎo)電涂層的溶劑充分揮發(fā)后，才能通電。系統(tǒng)調(diào)試時采用MnO2參比電極，所測電位均相對于參比電極。將歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS EN 12696:2000《混凝土中鋼筋的陰極保護(hù)》中斷電24 h內(nèi)電位衰減不低于100 mV作為陰極保護(hù)系統(tǒng)是否合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)。

系統(tǒng)運行一段時間后測量了11個分區(qū)在24 h內(nèi)的電位衰減，結(jié)果見表3。從表3中可以看出：1～8、11區(qū)24 h內(nèi)電位衰減均大于100 mV，滿足BS EN 12696:2000標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定(斷電24 h內(nèi)去極化值大于100 mV)。9、10區(qū)電位衰減小于100 mV，因為9、10區(qū)電位較正。根據(jù)ASTM C-876:2015《混凝土中無涂層鋼筋的腐蝕電位的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》可知，當(dāng)混凝土中鋼筋電位正于-200 mV(相對于銅硫酸銅電極)時，鋼筋腐蝕的概率小于10%。9、10區(qū)位于大氣區(qū)，外墻刷漆，環(huán)境干燥，有效阻止了Cl-擴(kuò)散進(jìn)此區(qū)域的混凝土中，減少了Cl-對鋼筋鈍化膜的破壞，從而緩解鋼筋的腐蝕。從電位判斷9、10區(qū)鋼筋應(yīng)處于鈍化狀態(tài)，如果通過加大電流讓此區(qū)域電位極化至100 mV以上，可能會使此區(qū)域鋼筋過鈍化而進(jìn)入活化狀態(tài)，反而會破壞鋼筋表面鈍化膜。

表3 11個分區(qū)電位衰減值

6 結(jié)束語

濱海核電廠混凝土結(jié)構(gòu)長期受到海洋環(huán)境的影響，部分混凝土構(gòu)件發(fā)生鋼筋銹蝕、混凝土保護(hù)層開裂現(xiàn)象，影響到核電廠的正常運行，并且混凝土結(jié)構(gòu)在整個壽期內(nèi)基本不可更換，因此對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效防護(hù)，延長混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命具有重要的工程意義。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)技術(shù)在核電廠使用并不廣泛，本工程首次使用外加電流陰極保護(hù)技術(shù)對核電廠鋼筋混凝結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，從調(diào)試結(jié)果可以看出外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)對混凝土中鋼筋的腐蝕保護(hù)初見效果，有效抑制了腐蝕的發(fā)生，此工程為以后大規(guī)模的推廣應(yīng)用提供了參照。