台山核电站EPR廊道腐蚀分析与防治

经验交流Experience Exchange台山核电站EPR廊道腐蚀分析与防治黄 皓1　杨毅博1　应 红2　李鑫明2　孙兆斌2(1.台山核电合营有限公司，广东 台山 529220；2. 苏州院寿命中心腐蚀防护所，江苏 苏州 215000)摘 要：鉴于国内运行核电站廊道腐蚀的经验反馈，本文识别了台山EPR三代核电廊道潜在的腐蚀风险，并提出了相应的治理措施与管理建议，避免影响核电安全运行。关键词：核电　EPR　廊道　腐蚀中图分类号：TG174 文献标识码：A DOI：10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.10.041.06Taishan EPR Nuclear Power Station Gallery Corrosion Analysis And PreventionHUANG Hao1, YANG Yi-bo1, YING Hong2, LI Xin-ming2, SUN Zhao-bin2(1.Taishan Nuclear Power Joint Venture Co., Ltd., Taishan 529220, China;2. Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd., Suzhou 215000, China)Abstract: According to nuclear power plant gallery corrosion experience feedback, analyses TNPJVC Gallery potential corrosion risks and give some corresponding measures and suggestions of management, protect nuclear power groups safety.Key words: nuclear power station; EPR; gallery; corrosion0 引言台山核电厂为第三代EPR机组(1/2# 2×1750MW)，廊道数量众多，这些廊道主要包括综合廊道、重要厂用水廊道、消防廊道、废液廊道、电气廊道、循环水廊道和取排水涵洞等。作为一座滨海在建核电站，廊道受到多种因素影响而受侵蚀，本文对台山廊道的腐蚀风险进行概要分析，并提出了几种防治措施。图1 SEN出口廊道腐蚀全图技术1 核电经验反馈国内某核电站SEN出口钢筋混凝土廊道腐蚀严重，大面积出现腐蚀产物，钢筋已严重锈蚀，廊道整体锈蚀和局部锈蚀状态如图1和图2所示。2011年某电站运行人员巡检时发现11UQA99211房间地面出现多处不规则裂缝渗水现象，裂缝最大宽度达到3mm，24小时渗水量在沿裂缝宽度方向渗出宽约50mm的积水；21UMA95110混凝土墙壁析出如图3所示的大量白色结晶物。图2 SEN出口廊道局部腐蚀图作者简介：黄皓 (1982－) ，男，吉林人，工程师，学士，主要从事核电土建及设备防腐管理工作。全面腐蚀控制第28卷第10期2014年10月41经验交流Experience Exchange速度就会突然猛增。出现临界相对湿度，标志着金属表面上产生了一层吸附的电解液膜，这层液膜的存在使金属从化学腐蚀转为电化学腐蚀，由于腐蚀性质发生了突变，因而腐蚀大大增强。温度更主要的影响表现在当温度大大降低时引起金属表面凝露，导致加速腐蚀。如昼夜温差大，室内外温差大都会使凝露发生。如周期地发生凝露，生锈最为严重。一般空气中都含有一定量的腐蚀性气体，如二图3 排水通道墙壁腐蚀结晶氧化硫、二氧化碳、氯化氢等。廊道内的电气设备多为橡胶或塑料等有机物，发生老化时会释放出HCl气体， 如果有任何水蒸气存在就形成盐酸。在高温高湿环境下，易形成腐蚀性水雾附着在混凝土及金属构件表面，对其发生腐蚀行为，影响涂层和混凝土性能。根据经验反馈，核电站的廊道腐蚀问题不容忽视，为保持廊道全寿期服役，则需要对廊道的腐蚀风险进行分析，并做好防治工作。2 廊道腐蚀风险分析核电站钢筋混凝土结构在电站运行过程中起着基础支持、支撑、通道、屏障、保护、包容的作用，而钢筋混凝土结构物易受到侵蚀而发生腐蚀破坏，其服役状态直接决定了核电站是否能够持续、安全运行。台山核电为滨海电站，现场环境较为恶劣，故应引起足够重视。2.3 廊道内介质2.3.1 强腐蚀性液体强酸性物质能与水合的水泥砂浆结合形成易溶解的材料，从而从混凝土中渗出，增加其疏松度和渗透性。决定酸性侵蚀的主要因素并不是酸的侵蚀性，而是形成钙盐的松解性。如果这种侵蚀性的化学溶解物是流动的，将会加速混凝土的老化速率。强碱性物质对混凝土材料影响：一、当混凝土渗透性大，并处于干湿循环环境时。潮湿时，强碱溶液渗透进入混凝土孔隙；干燥时，强碱或盐失水在混凝土孔隙中结晶，产生膨胀，可能导致混凝土表面剥落。二、实际上，潮湿环境下来自强碱的钾、钠离子，也能够渗透进入混凝土与混凝土中的活性骨料反应，发生破坏性膨胀。2.3.2 高温蒸汽温度的升高和热梯度对混凝土的强度(负载能力)和刚度(结构变形和约束载荷)有一定影响，长期作用下，混凝土中的水泥砂浆与集料之间结合力的逐渐减小，将导致混凝土结构的机械性能的下降。在水泥砂浆和集料的热膨胀系数明显不同的部分这种现象会更明显。热循环，即使在一个相对低的温度(<65℃)，也能严重影响到混凝土的机械性能(如：压缩、伸长、结合性能、弹性模量)。高温热循环可能导致混凝土产生大规模的损伤，损伤程度取决于集技术2.1 外部环境台山核电厂一期地处亚热带气候环境，雨量充沛，植被繁茂，三面环山，腰古盆地地形平坦开阔，分布有厚度较大的冲积、海积砂层，为地下水的赋存和补给提供了良好的自然条件。区内地下水以潜水型为主，局部存在上层滞水，埋藏深度随地表升高而加深，接受大气降水补给，往地形低洼处渗透排泄，近岸边处地下水与海水有一定的水力联系。根据《岩土工程勘察规范》相关规定，台山核电场地下水和海水腐蚀性评价如下：地下水水质类型为HCO3-Na 和 Cl-Ca，对混凝土结构具有微腐蚀性，腐蚀介质为侵蚀性CO2；在长期浸水及干湿交替条件下对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。2.2 廊道内部环境高温环境会对混凝土及金属构筑物等有一定的腐蚀性。在温度波动和大气尘埃中的吸湿性杂质容易引起水分冷凝，在含有不同数量污染物的大气中，金属有临界相对湿度，超过这一临界值，腐蚀42TOTAL CORROSION CONTROLVOL.28 No.10 OCT. 2014经验交流Experience Exchange料的类型和集料与水泥之间结合力。2.3.3 海水介质海水中常见的硫酸镁、硫酸钠、硫酸钾和硫酸钙，会与一些水泥水化产物发生反应，生成物体积逐渐膨胀、增大，一般会造成混凝土自身的破坏，当达到一定程度时，混凝土就会开裂、剥落，造成硫酸盐侵蚀破坏。另外，海水中氯离子含量高，会渗透混凝土保护层到达钢筋表面，穿透或活化氧化物钝化膜，导致钢筋各部位的电极电位不同而形成局部电池，发生电化学反应并腐蚀钢筋，从而造成混凝土的耐久性降低。海水对混凝土结构具中等腐蚀性，腐蚀介质为SO42-，化学反应式为：3CaO•Al2O3 +3CaSO4•2H2O+26H2O → 3CaO•Al2O3 •3CaSO4 •32H2O；对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性：在长期浸水环境具弱腐蚀性，在干湿交替环境具强腐蚀性，腐蚀介质为Cl。2.3.4 核岛废液中子或伽马射线辐射与混凝土的中子发生反应，将能量引入到混凝土中，从而导致混凝土温度升高。伽马射线使得水泥砂浆中的水分辐射分解，引起混凝土的蠕变和干缩行为。混凝土长时间暴露于辐射环境会导致强度和弹性模量的下降。-蚀的机理主要分为两种，即混凝土发生如图4所示的碳化和氯离子侵入过程。钢筋混凝土发生腐蚀分为未腐蚀、腐蚀初始、腐蚀中期、腐蚀后期四个阶段，钢筋各阶段的腐蚀形态如图5所示。 钢筋未发生腐蚀的状态 钢筋腐蚀，但还未生锈胀力 混凝土内部发个生微裂纹 混凝土裂纹由内扩展到外部图5 钢筋混凝土各阶段腐蚀形态3.1 CO2侵入腐蚀CO2侵入会造成混凝土的碳化，化学表达式如下：Ca(OH)2 +H2O+CO2 → CaCO3 +2H2O混凝土结构的碳酸盐化是一个缓慢的过程，其速率取决于二氧化碳穿透混凝土的渗透速率，渗透速率很大程度上取决于混凝土的空隙率和渗透性。调查资料表明：密实度好的混凝土碳化深度仅局限在表面；而密实度差的混凝土，则碳化深度就大。理论分析和实验分析表明，在大气环境下，混技术3 腐蚀机理钢筋混凝土发生腐蚀可分为两类，即混凝土的老化和钢筋锈蚀而引起的混凝土开裂。二氧化碳和氯离子是导致混凝土中钢筋钝化膜破坏最重要和最常见的环境介质，混凝土中钢筋锈图4 钢筋混凝土腐蚀机理示意图全面腐蚀控制第28卷第10期2014年10月43经验交流Experience Exchange凝土的碳化深度与时间的关系为[1]：Х＝(2C·DK·b-1·t)1/2=K(t)1/2 式中，Х—碳化深度；Dk—CO2的扩散系数；C—混凝土表面CO2的浓度；B—单位体积混凝土碳化所需的CO2的量；K—混凝土碳化系数，与结构所处的自然环境和使用环境、水泥品种、结构混凝土质量及混凝土早期养护条件有关；T—混凝土暴露时间(年)。经相关实验分析，保持钢筋钝化最低pH=9.5，碳化结果可使pH<9，使混凝土中性化，致使钢筋锈蚀不可避免。4 腐蚀防治措施混凝土中钢筋锈蚀会使构件的承载力下降，使结构的性能劣化。针对此原理，介绍两种对钢筋混凝土结构加以治理保护的方法，即隔绝腐蚀物侵入和阴极保护的方式，下面分别对两种方法的工作原理和实践应用给予介绍。4.1 表面硅烷浸渍硅烷浸渍属于实施表面涂层的一种。硅烷是一种性能优异的渗透型浸渍剂，具有小分子结构，深层渗透混凝土毛细孔壁与水化的水泥发生反应形成聚硅氧烷互穿网络结构，通过牢固的化学键合反应，赋予混凝土表面的微观结构。其具有长期的憎水性，具有防Cl-、抗紫外线的性能并保持呼吸透气功能，确保了混凝土结构免受腐蚀。碱性环境如浇注不久的混凝土，会刺激该反应并加速斥水层的形成。其作用机理如图6所示。 技术3.2 氯离子侵入腐蚀CI-的侵蚀作用属于化学作用，分为两个阶段[2]，分段化学反应表达如下：Ⅰ：Fe－2e- → Fe2+ Fe2++2C1-+4H2O → FeC12·4H2O FeC12·4H2O → Fe(OH)2 +2C1-+2H++2H2OⅡ：4Fe(OH)2+O2+2H2O → 4Fe(OH)3Cl-通过混凝土中的气孔，随水进入混凝土的内部，最终会接触钢筋并开始积累。当氯离子达到临界浓度后，在足够的氧气和水分条件下引起腐蚀的发生(氯离子的临界浓度与力筋周围混凝土的碱度有关，碱度愈高，氯离子临界浓度值愈大，通常用氯离子和氢氧根离子的浓度比值来表示氯离子临界浓度，当混凝土含有氯离子Cl-/OH-大于0.6时，钝化膜成为可渗透性的和不稳定的，即使pH值仍然大于11.5，钝化膜也被破坏了)。能引发钢筋腐蚀的Cl-含量相当低，研究表明，对于受氯离子污染的已建结构在氯离子浓度达到0.026％时就足以破坏钝化膜而引起钢筋的破坏。图6 硅烷作用机理示意某核电燃料厂房及核辅助厂房发生如图7所示的混凝土脱落等腐蚀，经查是由于表面水渍浸入促使钢筋发生腐蚀膨胀所致。在修补完腐蚀开裂的混凝土前，将整个裸漏的钢筋锈蚀产物清理干净，再将44TOTAL CORROSION CONTROLVOL.28 No.10 OCT. 2014经验交流Experience Exchange墙体打磨干净，清除墙体上的灰尘、油污、霉菌等异物，然后在整个墙体喷涂硅烷，使整个墙体与水隔离，阻止墙体内的钢筋再次发生腐蚀，从而有效地保护了混凝土。图8为该核电厂完成了燃料厂房和核辅助厂房等外墙混凝土硅烷防腐施工后的整体状态，目前反馈保护效果良好。 4.3 牺牲阳极法牺牲阳极法即是将电位更负的金属与被保护金属连接，并处于同一电解质中，使该金属上的电子转移到被保护金属上去，使整个被保护金属处于一个较负的相同的电位下，本法属于一种电化学方法，该法的作用机理如图9所示。图9 牺牲阳极作用机理某核电泵站粗格栅区域墙壁、水闸门储存间、图7 钢筋锈蚀导致混凝土坑孔加氯框等区域、GA廊道局部区域混凝土表面等均发生了钢筋腐蚀致使混凝土墙壁开裂、膨胀现象，腐蚀外貌如图10所示。由于该部分区域均属海工工程部分，受海水中CI-侵蚀较为严重，故为避免钢筋混凝土发生二次腐蚀开裂，在修补混凝土的同时埋设了牺牲阳极块，如图11所示方法安装可有效地保护混凝土的完整性。 技术图8 喷涂硅烷后外貌综上所述，硅烷浸渍法是一种简单、有效、经济的方式将水与混凝土隔离，使它具有其他防水材料无与比拟的施工价值。在台山核电的廊道腐蚀防治方面可借鉴应用。4.2 阴极保阴极保护是对被保护金属结构通以阴极电流，使之阴极极化，从而消除电化学腐蚀的一种方法。 阴极保护是公认的对于海水、土壤、钢筋混凝土等环境下钢结构电化学腐蚀的最有效的治理措施之一，也是目前应用最广、最成熟的技术。阴极保可分为外加电流阴极保和牺牲阳极保。阴极保护已经成功应用于核电厂的海水环境下的钢结构保护(如CFI海水过滤系统、SEC重要厂用水管道、二次滤网、凝汽器)和钢筋混凝土构筑物(如PX泵房、取水涵道、码头、安全壳等)。图11 牺牲阳极安装图10 泵站粗格栅区域混凝土裂纹全面腐蚀控制第28卷第10期2014年10月45经验交流Experience Exchange牺牲阳极保的应用需要选择适当合金作为的牺牲阳极块，目前应用较广的是镁合金和锌合金，牺牲阳极的选取主要根据所测土壤电阻率ρ，参见表1[3]。表1 牺牲阳极选取阳极类型镁合金牺牲阳极锌合金牺牲阳极土壤电阻率Ω•m15-150<15注明：对于高电阻率环境一般不采用牺牲阳极而采用外加电流保护，此应用条件需要在混凝土防护实践中给予再鉴定。该方式简便易行，不需要外加电源，很少产生腐蚀干扰，广泛应用于保护小型(电流一般小于1安培)或处于低土壤电阻率环境下(土壤电阻率小于100欧姆.米)的金属结构。图12 外加电流原理(2) 采用高性能混凝土；(3) 应用钢筋阻锈剂；(4) 采用环氧涂层钢筋等。4.4 外加电流法外加电流保是电化学保护的一种方法，这种方法通过外加直流电源以及辅助阳极，迫使电流从土壤流向被保护金属，使被保护金属结构(成为电5 管理建议台山核电受滨海环境和工作环境影响，腐蚀问题显现得非常突出，归口管理部门需给予充分的重视，加强管理措施和技术投入。(1) 建立土建防腐大纲：将廊道纳入防腐大纲，根据廊道的功能性及腐蚀风险级别确定各廊道的检查频率；(2) 建立反馈机制：实现反馈跟踪，与土建实现专业互补性沟通，进行综合性检测、分析与治理；(3) 加强技术检测：加强腐蚀检监测技术应用，获取钢筋混凝土结构内部的腐蚀信息，评估检测部位的腐蚀程度，有效解决混凝土腐蚀问题，降低混凝土腐蚀风险，为电站安全运行提供保障；(4) 综合治理策略：在某些情况下，考虑综合治理方法，取长补短，同时采用多种方法进行联合保护，发挥各自优势。参考文献[1] 刘志前等. 浅谈混凝土结构中钢筋的腐蚀与防护. 重庆: 盐城工学院学报, 2008. 02.[2] 赵国藩. 金伟良. 贡金鑫等. 结构可靠度理论[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2000. 12: 132-133.[3] 中华人民共和国国家标准. GB/T21448-2008. 埋地钢质管道阴极保护技术规范.技术化学反应的阴极)电位低于周围环境来进行保护。保护原理如图12所示。某核电泵站1号机B列杂物耙区域混凝土发生了腐蚀开裂，经评估决定采用外加电流阴极措施对破损墙体实施保护，如图13所示安装了辅助阳极，恢复形貌的墙壁如图14所示。此次实施为该核电的示范工程，目前反馈运行状况良好，并计划在其它区域进行应用。 图13 杂物耙区域混凝土 图14 杂物耙区恢复外貌4.5 其他方法除以上方法还可以采取以下防治方案，实现对钢筋混凝土的腐蚀防护与治理。(1) 提高钢筋外混凝土的厚度；46TOTAL CORROSION CONTROLVOL.28 No.10 OCT. 2014