高固態(tài)涂層襯里在秦三廠凝汽器水室內(nèi)壁防腐的應(yīng)用

(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(以下簡稱“秦三廠”)是CANDU6型重水堆核電廠，建造有2臺發(fā)電功率720 MW的機(jī)組，2002年投入商業(yè)運(yùn)營。每臺機(jī)組有2臺凝汽器，每臺凝汽器均分為A、B列，2臺機(jī)組共8列凝汽器，均采用管殼式冷卻結(jié)構(gòu)。凝汽器冷卻水為杭州灣地區(qū)高含砂量的海水，設(shè)計總流量130 100 m3/h，流速36.14 m3/s，海水側(cè)水室內(nèi)設(shè)計溫度32 ℃，運(yùn)行時最高允許溫度44 ℃。凝汽器正常運(yùn)行時海水入口側(cè)水室海水溫度18.8 ℃，至出口側(cè)時海水溫度上升9.0 ℃至27.8 ℃，水室內(nèi)滿水狀態(tài)的設(shè)計壓力344.7 kPa(表壓力)。水室本體為碳鋼材質(zhì)，碳鋼復(fù)合板與水室本體為法蘭螺栓連接，通過密封墊與水室完成密封。水室內(nèi)壁采用厚度為5 mm的軟質(zhì)氯丁橡膠襯里進(jìn)行防腐保護(hù)，水室人孔法蘭及水室與鈦板連接法蘭處為厚度為3 mm的氯丁橡膠襯里進(jìn)行防腐保護(hù)。

一般軟質(zhì)橡膠襯里在使用15年左右即面臨老化失效的風(fēng)險，需要更換新襯膠?？紤]設(shè)備供貨和電廠機(jī)組建造、調(diào)試等消耗的壽命，秦三廠凝汽器水室襯膠在2015年左右即可能面臨明顯老化、失效的重大缺陷。而凝汽器體積龐大、現(xiàn)場施工條件有限，凝汽器設(shè)備不可能按照設(shè)備初始建造的工藝重新進(jìn)行橡膠襯里防腐。

1 調(diào)研與試驗

1.1 國內(nèi)核電廠與周邊火電廠凝汽器水室防腐情況調(diào)研

鑒于目前對于凝汽器等這種大型容器類海水系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部防腐通常采用橡膠襯里和耐磨涂層襯里兩種方式，在開展大范圍重新襯膠或更換為涂層襯里施工前，必須經(jīng)過充分調(diào)研比對和實踐驗證，保證施工方案的技術(shù)可行性和施工可行性。電廠于2009年對杭州灣區(qū)域具有相同或相近海水冷卻水質(zhì)的核電廠和火電廠，及國內(nèi)其他核電廠的凝汽器相關(guān)情況進(jìn)行了廣泛調(diào)研。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)杭州灣地區(qū)核電廠、火電廠的凝汽器水室基本都采用橡膠襯里的防腐保護(hù)方案，沿海地區(qū)個別電廠凝汽器海水水室為犧牲陽極保護(hù)的無防腐襯里水室，或環(huán)氧涂層配合犧牲陽極保護(hù)。而各電廠循環(huán)水冷卻介質(zhì)中，杭州灣區(qū)域水質(zhì)最差，其中秦三廠所在位置水質(zhì)為杭州灣區(qū)域最差。具體表現(xiàn)為：鹽分是一般海水的1/3～1/2，黏性細(xì)顆粒粉砂含量為2.18～4.4 kg/m3，屬于高含砂量低鹽分海水；懸砂含有大量正常石和石英，硬度分別為HV930和HV1120，懸砂粒徑中值10～44 μm，且多為棱片狀[1-2]。相比于一般海水，杭州灣區(qū)域海水腐蝕性弱，但沖蝕性強(qiáng)[3]。

調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，由歐洲進(jìn)口的凝汽器水室防腐襯里保護(hù)原設(shè)計多采用耐磨涂層，國產(chǎn)和日本進(jìn)口凝汽器水室原設(shè)計則多采用橡膠襯里防腐保護(hù)，日本進(jìn)口設(shè)備(或監(jiān)造)的橡膠襯里質(zhì)量好于國產(chǎn)和其他地區(qū)進(jìn)口設(shè)備；因施工條件限制，現(xiàn)場進(jìn)行的重新橡膠襯里質(zhì)量低于設(shè)備安裝前原廠橡膠襯里質(zhì)量。因此，秦三廠凝汽器海水側(cè)水室橡膠襯里的替代方案，優(yōu)先考慮耐磨涂層襯里防腐。

1.2 廠內(nèi)海水管道及海水設(shè)備的防腐襯里試驗

為確保耐磨防腐涂層的可靠性，需對計劃選用的涂層方案進(jìn)行實踐驗證。鑒于凝汽器海水側(cè)水室海水為高含砂量、流速較快、且出口相對入口有9 ℃的溫度升高，選擇的驗證環(huán)境必須有針對性，具備上述特征。為此，分別在電廠廠用原水系統(tǒng)海水管道、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器海水側(cè)水室內(nèi)進(jìn)行了涂層方案的可靠性驗證。

1.2.1 高流速海水管道內(nèi)耐磨涂層襯里防腐試驗

電廠于2008年下半年開始選取2條直徑為72 in(1 in=2.54 cm)的廠用原水系統(tǒng)高流速海水管道進(jìn)行高固態(tài)耐磨涂層防腐保護(hù)試驗。該部分管道上游布置4臺離心泵，每臺泵的設(shè)計轉(zhuǎn)速596 r/min，流量12 490 m3/h，揚(yáng)程23.3 m[4]。試驗方案為：完全清除管道內(nèi)表面原防腐層并噴砂除銹和表面粗化，噴砂等級Sa2.5，管壁表面腐蝕凹坑內(nèi)和焊縫兩側(cè)填充高固態(tài)涂料Thortex Cerami-Tech EG進(jìn)行平滑過渡。管壁分多道整體涂裝厚度約0.5 mm的高固態(tài)涂料Thortex Cerami-Tech FG，涂料固化后形成耐磨涂層襯里。至2020年的近12年檢查與維修工作中發(fā)現(xiàn)，這2條管道的涂層襯里整體狀態(tài)良好，襯里未出現(xiàn)大面積脫落、破損、磨損損耗等情況，各次大修均只進(jìn)行局部的缺陷修復(fù)保護(hù)即可復(fù)役。

本試驗說明，以高固態(tài)涂料Thortex Cerami-Tech FG為主材的耐磨涂層，在厚度約0.5 mm時即可承受高流速的高含砂量海水的長期沖刷腐蝕，在出現(xiàn)局部缺陷時對缺陷處進(jìn)行針對性涂裝修復(fù)即可復(fù)役。

1.2.2 循環(huán)冷卻水系統(tǒng)熱交換器海水側(cè)水室耐磨涂層襯里防腐試驗

2013年上半年，電廠以上述海水管道內(nèi)耐磨防腐涂層方案為基礎(chǔ)，增加耐磨涂料Thortex Chemi-Tech EP制定方案，完成了1臺循環(huán)冷卻水熱交換器海水側(cè)水室橡膠襯里改為高固態(tài)涂料襯里的改造工作。該熱交換器海水側(cè)水室殼體為碳鋼材質(zhì)，海水側(cè)流速為200 626 L/min，海水從入口側(cè)至出口側(cè)流通時，溫度從32.2 ℃升高至最大38.8 ℃。具體方案為：完全清除水室橡膠襯里并打磨、噴砂粗化，噴砂等級Sa2.5；對水室內(nèi)焊縫及腐蝕坑部位使用高固態(tài)涂料Thortex Cerami-Tech EG進(jìn)行填充和塑形平滑過渡，水室內(nèi)壁分多道整體涂裝厚度約1 mm的高固態(tài)涂料Thortex Cerami-Tech FG。表干后再分多道整體涂裝厚度約0.5 mm的高固態(tài)涂料Thortex Chemi-Tech EP，以總厚度不低于1.5 mm為控制原則，涂料完全固化后形成約2 mm厚度的耐磨防腐涂層襯里[5]。該設(shè)備服役至今7年多，設(shè)備歷次開口檢修中，涂層襯里除發(fā)生一次機(jī)械砸傷和少量涂層細(xì)小鼓泡外，未出現(xiàn)明顯的涂層襯里龜裂、減薄、脫落和老化等情況。

本試驗說明，以高固態(tài)涂料Thortex Cerami-Tech FG + Thortex Chemi-Tech EP為主材的耐磨涂層結(jié)構(gòu)體系，在厚度不低于1.5 mm時可替代海水系統(tǒng)熱交換器設(shè)備內(nèi)壁的橡膠襯里，并承受高流速、高含砂量海水的長期沖刷腐蝕，在出現(xiàn)局部缺陷時對缺陷處進(jìn)行針對性涂裝修復(fù)即可復(fù)役。本試驗方案經(jīng)過一定的優(yōu)化改進(jìn)后完全可以替代原有橡膠襯里，用于凝汽器海水側(cè)水室內(nèi)壁的防腐保護(hù)。

2 技術(shù)方案設(shè)計及應(yīng)用

2.1 凝汽器海水側(cè)水室橡膠襯里缺陷現(xiàn)象

2015年上半年電廠1號機(jī)組第8次大修時，檢查發(fā)現(xiàn)有3列凝汽器海水側(cè)出口水室內(nèi)壁橡膠襯里出現(xiàn)大量鼓泡，鼓泡直徑30～80 mm，鼓泡破損并有銹跡流出，總體情況見圖1，局部鼓泡見圖2。

圖1 襯膠鼓泡缺陷整體情況Fig.1 Overall situation of the rubber lining bubble

圖2 襯膠鼓泡缺陷局部情況Fig.2 Partial situation of the rubber lining bubble

在水室內(nèi)壁橡膠襯里有鼓泡缺陷區(qū)域和無鼓泡缺陷區(qū)域，按500 mm×500 mm范圍進(jìn)行了局部切割和取樣，共取樣4份。按照GB/T 18241.1《橡膠襯里 第1部分：設(shè)備防腐襯里》實施了橡膠襯里基本性能檢測，檢測結(jié)果見表1，均為檢測結(jié)果平均值。

表1 凝汽器水室內(nèi)部襯膠性能檢測Table 1 Test data of rubber lining performancein condenser waterboxes

從檢測數(shù)據(jù)可見，橡膠襯里樣品的硬度偏大，抗拉強(qiáng)度和粘合強(qiáng)度明顯下降，拉斷伸長率已明顯低于標(biāo)準(zhǔn)下限，拉斷后出現(xiàn)不可恢復(fù)的永久變形?，F(xiàn)場部分區(qū)域橡膠襯里用手即可扯下，但鼓泡橡膠襯里下金屬基體無腐蝕凹坑，表明凝汽器海水側(cè)水室橡膠襯里的老化程度已經(jīng)較嚴(yán)重，但發(fā)生破損的時間不長。結(jié)合凝汽器水室內(nèi)壁橡膠襯里在歷次大修中僅出現(xiàn)局部橡膠襯里龜裂、輕微鼓泡的情況，初步判斷水室橡膠襯里已接近整體失效的狀態(tài)，需盡快執(zhí)行整體檢修。2016年上半年2號機(jī)組第8次大修時發(fā)現(xiàn)了同樣的情況，證明判斷基本正確。

2.2 凝汽器水室襯膠改造替代技術(shù)方案設(shè)計

考慮到電廠凝汽器水室的容積、海水流速、進(jìn)出口側(cè)溫度上升幅度、日常運(yùn)行期間能否停役檢修消缺等因素，在制定凝汽器海水側(cè)水室內(nèi)壁涂層襯里防腐方案時，適當(dāng)增加涂層的設(shè)計厚度。設(shè)計的涂層體系為：Thortex Cerami-Tech FG(厚度約1 mm)+ Thortex Chemi-Tech EP(厚度約1 mm)，以總厚度不低于2 mm為控制原則。

根據(jù)前期的試驗結(jié)果，厚度約1 mm的Thortex Cerami-Tech FG耐磨涂層基本上已滿足凝汽器水室耐磨防腐襯里安全使用一個大修周期的需求；提高面層Thortex Chemi-Tech EP厚度，主要考慮該類型涂料具有一定的韌性，也可以作為底層材料的犧牲保護(hù)層，同時也考慮了一定的施工成本的問題——Thortex Chemi-Tech EP相對Thortex Cerami-Tech FG存在明顯的成本優(yōu)勢。因此，在Thortex Cerami-Tech FG涂層表面附加足夠厚度的Thortex Chemi-Tech EP既能提高涂層體系的可靠性，留有更大的磨損裕度，同時也使整個施工成本控制在相對較低的水平。

2.3 高固態(tài)涂層襯里方案的應(yīng)用實施

2016年上半年開始，電廠開始采用前述設(shè)計方案，利用機(jī)組停機(jī)大修的窗口逐步實施凝汽器海水側(cè)水室橡膠襯里的整體更換改造。在機(jī)組停機(jī)前，完成了凝汽器水室起吊吊耳的焊接安裝、周邊吊裝空間的建立等工作。待機(jī)組正式停機(jī)冷卻后，按照事先制定的施工方案逐步完成法蘭螺栓拆卸、凝汽器水室吊離、現(xiàn)場人員安全保護(hù)和施工環(huán)境保護(hù)等準(zhǔn)備工作。按照以下施工流程完成現(xiàn)場實施：施工用電及防塵布置準(zhǔn)備→清除水室下半部分橡膠襯里→水室下半部分表面打磨→搭設(shè)水室上半部分工作腳手架;清除上半部分(含密封面)橡膠襯里→水室上半部分打磨、噴砂;質(zhì)量檢查→水室上半部分防腐涂裝;質(zhì)量檢查→拆除腳手架→水室下半部分噴砂;質(zhì)量檢查→水室下半部分防腐涂裝;質(zhì)量檢查→水室回裝→水室下法蘭面清除襯膠;打磨并防腐涂裝;質(zhì)量檢查→移除保護(hù)設(shè)施、清理場地、移交設(shè)備。

2016年上半年第一次實施凝汽器海水側(cè)水室橡膠襯里改造，單臺工期用時19天，兩臺水室滾動交替施工用時22天。經(jīng)過后續(xù)兩次大修的工藝和邏輯優(yōu)化，至2019年執(zhí)行后續(xù)凝汽器水室橡膠襯里改造施工時，每臺水室平均工期僅為17.5天，兩臺水室滾動交替施工用時19天。相比國內(nèi)其他核電廠實施的現(xiàn)場水室由涂層襯里改為橡膠襯里的施工工期——3臺凝汽器的6臺水室改造用時2個月，按照本施工邏輯，6臺水室滾動交替施工全部完成僅需要27天，能節(jié)省約33天。

3 效果評價

從施工后防腐襯里質(zhì)量而言，涂層襯里完工后表面光滑平整，無需后期的缺陷修正，整個涂層均勻一致，無明顯色差及凹凸不平的現(xiàn)象，施工質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)場實施的硫化橡膠襯里質(zhì)量。2018、2019、2020年的上半年分別對改造完成的水室內(nèi)部涂層襯里進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部僅有零星的腐蝕銹點(diǎn)，打磨后涂層完好、銹點(diǎn)消失。可見銹點(diǎn)主要是海水中有部分含鐵的物質(zhì)附著在涂層表面，停運(yùn)后氧化形成，并非涂層質(zhì)量缺陷導(dǎo)致的凝汽器水室金屬基體腐蝕。

大修期間凝汽器海水側(cè)水室內(nèi)部檢查維護(hù)時，僅需要對發(fā)現(xiàn)的銹點(diǎn)處進(jìn)行確認(rèn)、打磨除銹、補(bǔ)涂，水室連接結(jié)構(gòu)處如有裂紋則進(jìn)行打磨重新涂裝后即可復(fù)役。一般涂層襯里修復(fù)時間僅用2天(含涂層固化時間)，比橡膠襯里缺陷常規(guī)修復(fù)的4天工期(含固化時間)縮短了一年，大大提高了檢修效率。尤其是，原橡膠襯里如有明顯的老化、鼓泡和破損等缺陷時，可能需要切割橡膠、打磨、現(xiàn)場橡膠襯里修補(bǔ)，修復(fù)工期則更久。

4 結(jié)論

沿海地區(qū)電廠凝汽器海水側(cè)水室內(nèi)部使用的橡膠襯里防腐方案，需要考慮橡膠的老化壽命問題。根據(jù)檢修中的檢查情況進(jìn)行綜合評價，提前規(guī)劃橡膠襯里壽期結(jié)束后的設(shè)備防腐保護(hù)措施。

實踐證明，在凝汽器海水側(cè)水室防腐保護(hù)中，使用高固態(tài)涂層襯里方案是完全可行的。且相比橡膠襯里方案，涂層襯里方案具有施工時間短、易修復(fù)、成本低的多方面優(yōu)勢。

采用同類型的高固態(tài)涂料實施橡膠襯里的替代，具有明顯的示范效應(yīng)。這類技術(shù)方案可以延伸至各類管道、容器的改造工作中，實現(xiàn)降低檢修難度，減少維修成本等目標(biāo)，提升設(shè)備可靠性。