鋼制安全殼防護(hù)涂層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高 鑫，吳晨暉，雷亞紅（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430000）

鋼制安全殼防護(hù)涂層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

高 鑫，吳晨暉，雷亞紅（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北武漢 430000）

鋼制安全殼防護(hù)涂層在核電站中起著重要作用，防護(hù)涂層的失效會(huì)影響相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)的功能，甚至造成不可估量的后果。通過對(duì)核電站鋼制安全殼防護(hù)涂層性能的闡述，為鋼制安全殼防護(hù)涂層的設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)提供參考。

鋼制安全殼；涂層；性能

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)對(duì)電力能源的需求呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)。傳統(tǒng)的火力發(fā)電需要消耗大量的煤和石油，不僅導(dǎo)致不可再生資源的大量消耗，而且對(duì)自然環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此越來越多的國(guó)家開始著手發(fā)展清潔能源。核電作為一種清潔能源，其發(fā)電效率高、環(huán)境污染小，對(duì)優(yōu)化我國(guó)能源結(jié)構(gòu)，保護(hù)能源安全，積極應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義［1］。

防護(hù)涂層作為核電站設(shè)施設(shè)備表面的防護(hù)方式被廣泛使用，幾乎涉及到核電站的各個(gè)設(shè)備和系統(tǒng)［2］。防護(hù)涂層，尤其是安全殼以及安全殼內(nèi)部涂層的失效，在一定程度上會(huì)影響核電站設(shè)施的安全運(yùn)行［3］。為了保證核電站在服役期內(nèi)正常安全運(yùn)行，核電站設(shè)施設(shè)備上均需使用專用的防護(hù)涂層，涂層一方面提供基本的防腐蝕功能，另一方面需要滿足耐輻照等特殊系統(tǒng)的功能要求［4］。下面主要介紹鋼制安全殼用防護(hù)涂層必須要滿足的性能要求，以及我國(guó)核電行業(yè)使用的標(biāo)準(zhǔn)，為鋼制安全殼防護(hù)涂層的設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)提供必要的參考。

1 核電站鋼制安全殼涂層系統(tǒng)的性能要求

安全殼作為核電站的中心部位，鋼制安全殼防護(hù)涂料除了應(yīng)滿足一般涂料的常規(guī)性能外，還必須具有特殊的性能。涂裝在安全殼上的防護(hù)涂層在經(jīng)受輻照之后不能有剝落、起殼和粉化等現(xiàn)象，否則，大量的殘余物進(jìn)入堆內(nèi)總應(yīng)急冷卻液中，會(huì)導(dǎo)致管線和泵的堵塞，降低安全系統(tǒng)的功能，甚至?xí)砀鼮閲?yán)重的后果［5］。因此，安全殼防護(hù)涂料必須經(jīng)受下列試驗(yàn)的檢驗(yàn)。

1.1 模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBA）試驗(yàn)

壓水堆核電廠發(fā)生設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故（DBA）時(shí)，安全殼內(nèi)表面用涂層失效脫落可能會(huì)影響安全殼底坑再循環(huán)冷卻水過濾網(wǎng)的正常運(yùn)行，從而影響到堆芯循環(huán)冷卻水的再循環(huán)，不利于安全停堆；而安全殼外表面涂層失效脫落不僅會(huì)影響鋼制安全殼的傳熱性能，還會(huì)喪失對(duì)安全殼外表面的防腐作用，對(duì)核安全不利，故對(duì)于安全殼表面涂層，應(yīng)對(duì)其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故條件下的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試［6］。

安全殼涂層模擬DBA評(píng)價(jià)試驗(yàn)嚴(yán)格按照NB/T 20133.2—2012《壓水堆核電廠設(shè)施設(shè)備防護(hù)涂層規(guī)范 第2部分：涂層系統(tǒng)在模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故條件下的評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行。經(jīng)過DBA試驗(yàn)后，試樣涂層不應(yīng)出現(xiàn)龜裂、脫落、剝離、分層、粉化等現(xiàn)象，允許有輕微的失光或變色。

1.2 耐輻照試驗(yàn)

壓水堆核電廠安全殼表面用涂層在核電廠正常運(yùn)行或發(fā)生事故時(shí)，會(huì)遭受一定的輻照，主要以γ射線輻照為主。放射性輻照會(huì)加速涂層中高分子聚合物和樹脂的老化開裂，過量的放射性輻射會(huì)引起聚合物中化學(xué)鍵的斷裂，損傷涂層組織使其失效，而涂層的失效會(huì)增加核電廠的輻射污染物，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)妨礙事故時(shí)安全設(shè)施的正常運(yùn)行［7］。因此對(duì)于核電廠安全殼表面涂層，需要對(duì)其承受γ射線輻照的能力進(jìn)行評(píng)估。

安全殼涂層耐輻照試驗(yàn)嚴(yán)格按照NB/T 20133.3—2012《壓水堆核電廠設(shè)施設(shè)備防護(hù)涂層規(guī)范 第3部分：涂層系統(tǒng)受γ射線輻照影響的試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行。使用γ射線（60Co輻射源等）作為輻射源，有效測(cè)試面涂層受到的輻照劑量率應(yīng)不低于2.80 Gy/s，累計(jì)劑量為1×107Gy。在每個(gè)輻照階段后及試驗(yàn)結(jié)束后的2 h內(nèi)分別對(duì)有效測(cè)試面涂層進(jìn)行檢查，輻照后試樣涂層不允許有粉化、起泡、開裂和生銹等現(xiàn)象。

1.3 去污性試驗(yàn)

核電廠燃料元件、堆內(nèi)構(gòu)件等在發(fā)生事故的情況下，有時(shí)會(huì)發(fā)生泄漏而造成放射性物質(zhì)對(duì)有關(guān)設(shè)備設(shè)施的污染。燃料元件在輻照后檢驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)備污染也很重要，如，放射性塵埃、裂變氣體在設(shè)備表面的吸附等，都會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工件造成放射性輻射。欲深入現(xiàn)場(chǎng)排除故障，首先應(yīng)進(jìn)行去污，使放射性計(jì)量水平降低至允許值。因此，防護(hù)涂層必須能耐去污劑的侵蝕，同時(shí)涂膜表面的放射性污染物容易被消除或減少到相當(dāng)?shù)偷某潭取?/p>

安全殼涂層去污性試驗(yàn)嚴(yán)格按照NB/T 20133.4—2012《壓水堆核電廠設(shè)施設(shè)備防護(hù)涂層規(guī)范 第4部分：涂層系統(tǒng)可去污性的測(cè)定》的要求進(jìn)行。使用含有8 kBq/mL137Cs加8 kBq/mL（90Sr+90Y）混合物的0.1 mol/L硝酸溶液的污染液進(jìn)行試驗(yàn)，必要時(shí)增加含有16 kBq/mL239Pu的0.1 mol/L硝酸溶液的污染液進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。去污劑使用去離子水或者含有10%清潔劑的水溶液，該清潔劑為含有7%（體積比）聚氧乙烯化烷基苯酚類（乙氧基鏈為7、5、3）的溶液或等效溶液。考察涂層去污性能的指標(biāo)為放射性核素污染去污率P，按下式計(jì)算：

式中：C0——被污染表面的放射性活度值；C2——去除放射性污染并干燥后，試樣表面的放射性活度值。一般要求P≥85%。

1.4 耐化學(xué)介質(zhì)試驗(yàn)

核電廠常用的化學(xué)藥品有硼酸、硼酸鈉、聯(lián)氨、硫酸、氫氧化鈉、過氧化氫、磷酸鈉等（表1），安全殼防護(hù)涂層需要能耐這些化學(xué)藥品的長(zhǎng)期浸泡。

表1 壓水堆核電廠常用化學(xué)介質(zhì)Table 1 Common chemical medium in pressurized water reactor nuclear power plant

安全殼涂層耐化學(xué)介質(zhì)試驗(yàn)嚴(yán)格按照NB/T 20133.5—2012《壓水堆核電廠設(shè)施設(shè)備防護(hù)涂層規(guī)范 第5部分：涂層系統(tǒng)耐化學(xué)介質(zhì)的測(cè)定》的要求進(jìn)行。試樣在規(guī)定的浸泡試驗(yàn)液中浸泡時(shí)間為5 d，浸泡結(jié)束時(shí)，對(duì)試樣進(jìn)行清洗，在試樣取出后30 min內(nèi)進(jìn)行檢查。試樣涂層不允許出現(xiàn)龜裂、脫落、剝離、分層、粉化等現(xiàn)象，允許有輕微的失光或變色。

1.5 附著力試驗(yàn)

核電廠用涂層必須與基材有優(yōu)異的附著力，在使用過程中，尤其是在事故工況條件下，涂層不能脫離。安全殼涂層附著力試驗(yàn)應(yīng)嚴(yán)格按照GB/T 5210—2006《色漆和清漆 拉開法附著力試驗(yàn)》的要求進(jìn)行，一般要求涂層與基材的附著力σ≥5 MPa。

1.6 耐鹽霧試驗(yàn)

核電廠大多建在海濱或者直接是海上核電站，處于嚴(yán)重的鹽霧環(huán)境中。因此核電廠涂層必須能夠經(jīng)受鹽霧試驗(yàn)的考驗(yàn)。安全殼涂層耐鹽霧試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 1771—2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測(cè)定》的要求進(jìn)行。鹽霧試驗(yàn)溶液使用質(zhì)量濃度為（50±5）g/L的NaCl溶液，安全殼涂層耐鹽霧時(shí)間t≥1 440 h。

1.7 耐候性試驗(yàn)

核電廠涂料的耐候性試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 1865—2009《色漆和清漆 人工氣候老化和人工輻射曝露 濾過的氙弧輻射》的要求進(jìn)行。

1.8 耐磨性試驗(yàn)

核電廠涂料的耐磨性試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 1768—2006《色漆和清漆 耐磨性的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》的要求進(jìn)行。在規(guī)定的條件下，用固定在磨耗試驗(yàn)儀上的橡膠砂輪磨擦色漆或清漆的干漆膜，試驗(yàn)時(shí)要在橡膠砂輪上加上規(guī)定的砝碼，以經(jīng)過規(guī)定次數(shù)的摩擦循環(huán)后漆膜的質(zhì)量損耗或者以磨去該道涂層或底材所需要的循環(huán)次數(shù)來表示其耐磨性。

1.9 耐熱性試驗(yàn)

核電廠涂料的耐熱性試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 1735—2009《色漆和清漆 耐熱性的測(cè)定》的要求進(jìn)行。選用符合GB/T 9271—2008《色漆和清漆 標(biāo)準(zhǔn)試板》要求的鋼板，處理之后涂覆受試產(chǎn)品或體系，在規(guī)定條件下干燥并養(yǎng)護(hù)規(guī)定的時(shí)間后，在規(guī)定溫度下，將試板置于鼓風(fēng)烘箱或高溫爐中一定的時(shí)間。取出后冷卻至室溫，檢查試板，并與在同樣條件下制備的未經(jīng)加熱的試板進(jìn)行比較，考察漆膜的顏色是否有變化或漆膜是否有其他破壞現(xiàn)象。

1.10 火焰?zhèn)鞑ヌ匦栽囼?yàn)

核電廠涂料的耐燃性試驗(yàn)嚴(yán)格按照GB/T 12441—2005《防火試驗(yàn)機(jī)》附錄B隧道燃燒法測(cè)定。在試驗(yàn)條件下以小型試驗(yàn)爐測(cè)試涂覆于可燃基材表面的飾面型防火涂料的火焰?zhèn)鞑ヌ匦浴?/p>

試板的火焰?zhèn)鞑ケ戎蛋凑障率竭M(jìn)行計(jì)算：

FSR=K（Ls-La）

式中：FSR——試板的火焰?zhèn)鞑ケ戎担?/p>

K——隧道爐的校正常數(shù)，cm-1；

Ls——試板的火焰?zhèn)鞑ブ?，cm；

La——石棉標(biāo)準(zhǔn)板的火焰?zhèn)鞑ブ?，cm。

2 安全殼防護(hù)涂層配套

安全殼防護(hù)涂層除了滿足常規(guī)涂層的性能要求之外，還必須滿足核級(jí)涂層的標(biāo)準(zhǔn)要求［7］。開發(fā)一種適用于安全殼的新型核級(jí)涂料難度大、成本高。為滿足項(xiàng)目實(shí)際需求，現(xiàn)已著手研發(fā)這種新型核級(jí)涂料，研發(fā)技術(shù)路線如圖1所示。根據(jù)此路線圖擬研制出19堆A涂料和19堆B涂料，其需滿足的試驗(yàn)技術(shù)要求如表2所示。安全殼擬采用的涂料配套如表3所示。

圖1 鋼制安全殼涂層技術(shù)路線Figure 1 Technology route of steel containment vessel coating

表3 鋼制安全殼涂層配套體系Table 3 Coating system for steel containment vessel

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)的核電事業(yè)正處于快速發(fā)展的階段，同時(shí)也為核電涂料行業(yè)帶來了巨大的發(fā)展動(dòng)力［8］。核電站防護(hù)涂層除了防腐蝕和美觀的要求外，主要作用是保障核電站的安全運(yùn)行。核電站鋼制安全殼是核島關(guān)鍵設(shè)備［9］，其涂層在正常運(yùn)行條件下不但應(yīng)具有傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)涂層的防腐功能，而且在事故工況下起著熱傳導(dǎo)的作用，故其涂層設(shè)計(jì)影響到事故條件下核電站的安全停堆。

核電涂料的安全性要求越來越高，必將加快催生涂料領(lǐng)域的變革與創(chuàng)新，對(duì)于涂料行業(yè)也是新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，相應(yīng)地，相關(guān)的要求和標(biāo)準(zhǔn)也將會(huì)不斷地趨于規(guī)范和嚴(yán)格，同時(shí)也有助于形成國(guó)產(chǎn)核級(jí)涂料品牌［10］。以上綜述了目前鋼制安全殼防護(hù)涂層必須要滿足的性能要求，為鋼制安全殼防護(hù)涂層的設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)提供必要的參考。

1 周濤，李精精，候周森.中國(guó)核電發(fā)展的安全性研究［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版），2011（2）：1-6.

2 張耀.核電專用涂層應(yīng)用分析［J］.電鍍與涂飾，2008，27（7）：57-60.

3 劉新，曹偉，孫玉鳳，等.核電站防護(hù)涂層的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代涂料與涂裝，2009，12（11）：10-12，23.

4 趙琪慧.核電涂料性能及其涂裝［J］.上海涂料，2010，48（9）：38-40.

5 熊壯. AP1000核電站鋼制安全殼防護(hù)涂層的設(shè)計(jì)［J］. 電鍍與涂飾，2012，31（9）：66-70.

6 許莉莉.核電站安全殼內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)涂料的性能與應(yīng)用［J］.上海涂料，2001（2）：29-30.

7 譚功理，王晰. AP1000核電站鋼制安全殼防護(hù)涂層的設(shè)計(jì)［J］.電鍍與涂飾，2012，31（9）：66-70.

8 王曉，梁斌，候佩民，等.我國(guó)核電涂料發(fā)展?fàn)顩r［J］.上海涂料，2014，52（5）：30-34.

9 林金平，黃娜. AP1000核電站鋼制安全殼涂裝質(zhì)量控制［J］.電鍍與精飾，2013，35（11）：20-23.

10 張娟，梁劍鋒，王玉杰，等.核電廠用涂料檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)亟待完善［C］.中國(guó)國(guó)防工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化論壇，2007.

Design Essentials of Protective Coating for Steel Containment Vessel

Gao Xin，Wu Chenhui，Lei Yahong
（Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan Hubei，430000，China）

Protective coating for steel containment vessel has an important role in nuclear power plant，once it lose effectiveness，it will affect the function of relative equipment and system，even causing immeasurable consequences.This paper expounded the performance of the protective coating for steel containment vessel，which would provide the necessary reference for the design and inspection of protective coating for steel containment vessel.

steel containment vessel；coating；performance

TQ 630.7

A

1009-1696（2017）06-0051-04

2017-05-04

高鑫（1989—），男，主要從事腐蝕與防護(hù)研究工作。