核電站施工階段涂層劣化的解決方案

王晰*，蔡敏，陳超

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

核電作為清潔能源，具有無溫室氣體排放、裝機容量大、高效穩(wěn)定、經(jīng)濟成本低、投資回報高等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為世界上主要工業(yè)國家能源結構的重要組成部分[1]。從目前核電占發(fā)電量比例來看，我國與其他國家相比還存在巨大差距，在能源需求和環(huán)保排放的雙重壓力下，發(fā)展核電是能源結構調(diào)整的必然趨勢。在核電站中，各種涂層被廣泛地用來對金屬部件和混凝土結構表面進行防護：首先，保護設備或設施的表面狀況在正常或事故條件下不惡化；其次，對于核輻射控制區(qū)，防護涂層能夠降低設備或設施的表面被放射性物質(zhì)污染的可能性，并提高去除放射性沾污的能力[2]。然而，核電站固有的放射性導致了建設過程的復雜性，其施工周期較長。特別是在某些堆型的施工中，由于大量采用開頂法，防護涂層長時間暴露在室外環(huán)境下，很可能在施工階段就已經(jīng)發(fā)生較為嚴重的劣化，無法在服役期間提供有效防護。本文根據(jù)核電站防護涂層的設計特點，通過分析核電防護涂層在施工階段發(fā)生劣化的主要原因，給出相應的解決方案。

1 核電站防護涂層的設計原則

一般以環(huán)境條件和功能要求為依據(jù)來設計工業(yè)防護涂層，核電站的涂層設計也不例外。相比于一般工業(yè)環(huán)境，核電站是一個相對復雜的場所，其防護涂層一般按照區(qū)域、基底和環(huán)境條件進行劃分。

核電站內(nèi)區(qū)域大體上可劃分為室內(nèi)核區(qū)、室內(nèi)非核區(qū)和室外區(qū)域3類。

基底可分為金屬(以碳鋼為主)和混凝土2類。

防護涂層接觸的環(huán)境條件分為室內(nèi)放射性大氣、室內(nèi)正常大氣和露天海洋性大氣3類。

另外還有與液體介質(zhì)接觸的涂層，其一般用于儲罐類設備內(nèi)表面或地溝、集水坑等設施，這類涂層的施工一般在良好的室內(nèi)環(huán)境下進行，并且不會面臨長期曝曬的室外環(huán)境，因此不在本文的討論范圍內(nèi)。

涂層的環(huán)境條件和功能要求見表 1，其中還列出了目前核電站中各種環(huán)境條件下常用的涂料類型?？梢娛覂?nèi)區(qū)域大量使用環(huán)氧類涂層，這是由于這類涂層具有優(yōu)異的耐γ射線輻照性能，并且其表面平滑致密，易于去除放射性沾污，這些特性很好地符合了室內(nèi)核區(qū)的環(huán)境條件和功能要求[3]。

表1 核電站不同區(qū)域用防護涂層的功能要求及常用涂料類型Table 1 Functional requirements for the protective coatings used in different part of unclear power plant and coating type in common use

對于室內(nèi)非核區(qū)域，雖然沒有耐輻照和去污要求，一般使用醇酸類或丙烯酸聚氨酯類涂料即可滿足設計要求，但在實際施工過程中，為了消除涂料種類的多樣性和復雜性，簡化施工，常采取以高代低的方式，也就是用環(huán)氧類涂料代替醇酸類或丙烯酸聚氨酯類涂料。

對于室外區(qū)域，鋼結構一般采用“富鋅底漆+聚氨酯面漆”的涂層配套進行防護，其中富鋅底漆利用犧牲陽極的電化學方式對金屬進行保護，聚氨酯面漆則提供物理隔絕，阻止造成腐蝕的氧氣和水分與基底接觸。聚氨酯涂層本身對日光、雨水等環(huán)境具有良好的耐受能力，在保護基底的同時也能較長時間保持自身的完整性和穩(wěn)定性。室外混凝土結構由于其材料固有的耐候性，一般不需要涂層防護。

2 核電站施工階段的涂層劣化現(xiàn)象及原因分析

核電站的防護涂層是依據(jù)環(huán)境條件和功能要求設計的，而且用于核區(qū)的涂層配套均通過了嚴格的試驗鑒定，在正常情況下不可能出現(xiàn)嚴重的劣化現(xiàn)象。然而在施工過程中，涂層的劣化現(xiàn)象常有發(fā)生。以下從涂裝的施工條件和涂料的固有特性兩方面來進行分析。

2.1 涂裝施工條件

涂層的質(zhì)量受涂裝施工條件的影響較為明顯。根據(jù)施工場地，涂裝可分為室內(nèi)涂裝和室外涂裝。

室內(nèi)涂裝的環(huán)境條件較易控制，因此在一般情況下，在室內(nèi)施工的涂層很少發(fā)生劣化現(xiàn)象。在個別施工現(xiàn)場曾反饋過金屬表面涂層脫落、混凝土表面涂層起泡等劣化問題。后經(jīng)證實，其原因分別為金屬基底的噴砂不徹底，導致涂層附著不牢固，以及混凝土養(yǎng)護時間不足，內(nèi)部含水率過高，水分蒸發(fā)導致涂層起泡。這類劣化是未按照要求施工造成的，本文不予討論。

在一些情況下，涂裝施工不可避免地需要在室外進行。室外的環(huán)境條件受天氣、場地等因素影響極大。以金屬表面的涂裝為例，在陰雨天氣，噴砂后的金屬表面會很快返銹，如不及時噴涂油漆，則需重新進行表面處理。這樣的環(huán)境條件對于很多涂料的噴涂而言均不適合?，F(xiàn)場通常采用搭建遮雨棚輔以強制通風的措施來改善環(huán)境條件，但與車間內(nèi)的涂裝環(huán)境仍有很大差距，因此室外涂裝質(zhì)量存在先天不足。

2.2 涂料固有特性

排除施工條件導致的劣化，涂料的固有特性也是其劣化的重要原因。環(huán)氧涂層由于其固有的優(yōu)異性能而被廣泛使用在核電站的室內(nèi)區(qū)域。然而根據(jù)現(xiàn)場的施工反饋，出現(xiàn)最多劣化問題的正是環(huán)氧涂層。

某核電站施工過程中的涂層劣化問題曾一度困擾著現(xiàn)場施工單位及項目管理人員。首先，涂層是經(jīng)過試驗鑒定并確認合格的；其次，施工條件也是嚴格控制的。究竟是何原因?qū)е虏糠滞繉恿踊?？通過排查發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)劣化問題的涂層主要為環(huán)氧涂層，無機富鋅或聚氨酯類涂層的不良反饋則較少。從涂料的固有特性來考慮，問題的源頭很可能是陽光。環(huán)氧類涂層在γ輻照條件下的確表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，但對陽光中的紫外線十分敏感，其微觀結構中的分子鍵因紫外線的照射而發(fā)生斷裂，宏觀上則表現(xiàn)出失光、變色、粉化等劣化現(xiàn)象。

后經(jīng)核實，實際情況的確如此。盡管環(huán)氧涂層在施工過程中對環(huán)境和工藝條件都進行了很好的把控，但由于某些原因，施工后的涂層長期暴露在室外環(huán)境中，當陽光曝曬、鹽霧及雨露耦合作用積累到一定程度時，環(huán)氧涂層就出現(xiàn)了劣化現(xiàn)象。

3 涂層劣化的解決方案

根據(jù)上述分析，提出以下有針對性的解決方案：首先，嚴格控制涂裝施工的環(huán)境條件；其次，避免施工完畢的涂層直接暴露在室外環(huán)境下。因此要合理規(guī)劃施工方案并采取臨時保護措施。

3.1 合理規(guī)劃施工方案

無論是在涂裝施工階段還是在后期養(yǎng)護階段，環(huán)境條件都對涂層的質(zhì)量具有很大的影響，因此，合理地規(guī)劃施工方案對于保證涂層的質(zhì)量而言具有十分積極的意義。

涂裝施工應盡量安排在室內(nèi)進行，當非在室外進行不可時應做好臨時防護，確保環(huán)境條件和基底的表面狀態(tài)滿足要求。在涂裝的施工時機存在彈性且不影響其他工種施工的前提下，有可能臨時暴露在室外的室內(nèi)用涂層應盡可能延后其施工，以減少在室外環(huán)境中的暴露時間，從而降低其劣化的概率和程度。

3.2 采取臨時保護措施

在某些情況下，室內(nèi)用涂層必須提前預涂，而且不可避免地長期暴露在室外環(huán)境下。這里所說的“長期”在很大程度上與核電站的施工進度相關，少則數(shù)月，多則數(shù)年。對于環(huán)氧涂層，如果在室外環(huán)境暴露一年以上，其變色、粉化情況將極為嚴重，很難再滿足服役階段的設計要求。為了避免這種情況的發(fā)生，需要采取臨時保護措施。按照在室外環(huán)境暴露時間從長到短的順序，在此推薦3種方法。

方法1——使用臨時油漆保護。即：使用能夠耐受室外環(huán)境的臨時油漆對基底進行防護，當核電站的施工進行到可以對防護對象形成封閉的空間防護后，去除臨時油漆，涂裝正式油漆。

方法2——使用可剝離漆保護。即：在原設計涂層的基礎上增加一層能夠耐受室外環(huán)境的可剝離涂層，核電站施工期間給原有涂層提供防護，待環(huán)境適宜后將其剝離[4]。

方法3——預留劣化部分裕量。即：事先預留出因劣化損失的涂層厚度，也就是設計較厚的涂層，用表層來保護里層，當涂層不再處于曝曬的環(huán)境后，清除粉化層，剩余的涂層繼續(xù)服役或進行修補后服役。

以金屬基底的防護涂層為例，以上3種方法的對比見表2。

表2 3種臨時保護措施的對比Table 2 Comparison among the 3 temporary protection methods

方法1的優(yōu)點是適用于較長時間的室外暴露，而且正式涂層不會面對室外環(huán)境。其缺點是需要兩次徹底的表面處理，施工成本較高，而且第二次表面處理和涂裝施工是在現(xiàn)場進行，施工質(zhì)量不易控制。

方法2由于表面處理和涂裝過程均可以在工廠的制造車間內(nèi)完成，不必現(xiàn)場施工，可以保證良好的施工質(zhì)量，因此其顯著的優(yōu)點是施工成本較低。但相對于方法1使用的臨時漆，可剝離漆的價格較高，因此該方法的缺點是涂料成本較高，而且可剝離漆的保護時間有限，預計不超過2年，如面臨長期的室外暴露環(huán)境，該方法不具優(yōu)勢。

方法3存在不確定性，即清除粉化層后的涂層是否還需進行修補或二次涂裝，在很大程度上取決于涂層的固有性能和室外暴露時間。如果涂料固有的耐候性相對較好或室外暴露時間較短，去除粉化層后仍可滿足設計要求，則方法3在涂料成本上具有一定的優(yōu)勢，否則無論是從施工成本還是從涂料成本來考慮，方法3都不是十分經(jīng)濟。

綜合考慮整個核電站的建設周期及目前廣泛使用的保護涂層的性能，建議如下：

(1) 暴露時間超過2年的涂層推薦使用方法1。

(2) 暴露時間在1 ～ 2年的涂層推薦使用方法2。

(3) 暴露時間不到1年的涂層推薦使用方法3。

4 結語

核電站的整體施工是一個極其復雜的過程，其中的涂裝施工受到各種條件的限制，即使是規(guī)劃地十分合理的涂裝施工方案也可能會因為各種因素而臨時調(diào)整。因此，涂層的劣化很難避免。在滿足適當?shù)那疤釛l件下，采取臨時保護措施是一種積極有效的方法。

本文雖然根據(jù)核電站的建設周期和涂層性能推薦了針對不同年限的防護措施，但防護涂層實際面臨的環(huán)境條件千差萬別，不同涂料的固有性能也存在較大差異，涂層的劣化問題仍需設計者和施工人員根據(jù)實際情況有針對性地加以解決。

[1] 李雪珍.中國核電發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇, 2013, 12 (16)∶ 132-133.

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

[3] 陳哲, 韋悅周.反應堆環(huán)氧樹脂防腐涂層熱老化分析[J].腐蝕科學與防護技術, 2013, 25 (6)∶ 499-503.

[4] 孟江燕, 王云英, 林翠.可剝性臨時保護涂料的制備和性能研究[J].南京航空大學學報(自然科學版), 2008, 22 (2)∶ 73-75.