陰極保護在核電廠鋼筋混凝土結構中的應用

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構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筑物會過早發(fā)生氯鹽侵蝕、大氣碳化，進而誘發(fā)鋼筋腐蝕，導致混凝土結構生命周期提前結束[5]。國內(nèi)某核電廠聯(lián)合泵站廠房的鋼筋混凝土結構由于長期受到海洋潮氣影響，部分混凝土構件發(fā)生鋼筋銹蝕，混凝土保護層開裂現(xiàn)象。對混凝土開裂部分進行了補修，但有些補修處再次發(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，對混凝土結構進行了外加電流陰極保護。

1 鋼筋混凝土陰極保護原理

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，當氯離子達一定含量時，會破壞鋼筋表面鈍化膜，使得鋼筋失去保護從而發(fā)生腐蝕[6]，其氧化還原反應如下：

(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。

陰極保護原理是將鋼筋表面電位變負，減緩氧化反應，加速還原反應。在混凝土中，當鋼筋電位為-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)到達鋼筋表面[7]。陽極表面主要會發(fā)生以下反應：

(3)

(4)

如果混凝土中含有Cl-，陽極還會發(fā)生以下反應：

(5)

鋼筋混凝土在外加電流陰極保護下的陰極反應一般如式(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：

(6)

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

2 技術路線

2.1 保護對象

保護對象為某核電廠聯(lián)合泵站2號機組B列的2個進水口和1個鼓形濾網(wǎng)房，包括粗格柵、細格柵、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)陰極保護系統(tǒng)相互影響，對于鼓形濾網(wǎng)房內(nèi)的混凝土結構，本陰極保護系統(tǒng)只考慮天文潮最高潮位1.26 m以上的混凝土結構，即最低標高為-5.24 m(-6.5+1.26)，結構立面圖見圖1。

圖1 進水口部位結構立面圖

2.2 保護分區(qū)

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

2.2.1 海平面高低潮位的影響

由圖1可見，本設計的保護對象為進水口處混凝土結構，包括粗格柵、細格柵、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，導致其腐蝕特點有較大區(qū)別。因此，將混凝土構筑物所在腐蝕環(huán)境劃分成潮差區(qū)、潮濕區(qū)、大氣區(qū)。潮差區(qū)腐蝕最為嚴重，潮濕區(qū)腐蝕較弱，大氣區(qū)腐蝕最弱。加氯框與細格柵的周圍環(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號機組B列鋼筋混凝土結構進行陰極保護分區(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，保護范圍及詳細分區(qū)見表1。

表1 保護范圍及分區(qū)

圖3 保護對象及分區(qū)示意

2.3 保護電流計算

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

I=i×S

(7)

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

經(jīng)計算獲得各陰極保護區(qū)域的保護電流，詳見表2。

表2 各分區(qū)保護電流

3 系統(tǒng)組成

由于保護對象所處環(huán)境及腐蝕特點的差異，對混凝土構筑物施加外加電流陰極保護時，將保護對象分為11個區(qū)。陰極保護系統(tǒng)主要組件包括陰極保護電源裝置、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系統(tǒng)保護的鋼筋混凝土結構中鋼筋應保持較好的電連接性，否則當陰極保護系統(tǒng)運行時，電連接性不好的鋼筋會受雜散電流影響，導致其加快腐蝕。因此，在安裝前需分別對11個區(qū)的鋼筋進行電連接性測試，每個區(qū)取8個鋼筋點進行交叉測試，測試結果為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系統(tǒng)整個項目的關鍵環(huán)節(jié)，它在一定程度上決定了陰極保護系統(tǒng)的成功與否。通過現(xiàn)場施工可以對設計方案進行論證和改進，現(xiàn)場安裝施工的主要內(nèi)容及流程如圖4所示。

圖4 陰極保護工程現(xiàn)場施工流程圖

開陽極埋設槽是現(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度的一個瓶頸。開槽時，先采用切割機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。開槽結束后，還需對所有的槽進行檢查，確保沒有鋼筋露頭或細小扎絲存在，以防后期埋設陽極時與陰極接觸，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方式，如圖5所示，參比電極垂直于墻面埋設，埋設深度比電極長度長20 mm左右。

圖5 參比電極埋孔及陽極埋設槽

陽極鋪設時，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，陰極和測量接地和陽極接頭的焊接后，用專用修復砂漿填實墻面凹槽。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、測量接地間進行測試，測試結果為：

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。

測試結果均符合要求。

5 調(diào)試及保護效果

水泥基覆蓋層通常需要在20 ℃下養(yǎng)護14 d，待所有水泥基覆蓋層充分養(yǎng)護及所有導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。將歐洲標準BS EN 12696:2000《混凝土中鋼筋的陰極保護》中斷電24 h內(nèi)電位衰減不低于100 mV作為陰極保護系統(tǒng)是否合格的判斷標準。

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標準的相關規(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準試驗方法》可知，當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-擴散進此區(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 結束語

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

鋼筋混凝土結構的腐蝕防護技術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技術對核電廠鋼筋混凝結構進行保護，從調(diào)試結果可以看出外加電流陰極保護系統(tǒng)對混凝土中鋼筋的腐蝕保護初見效果，有效抑制了腐蝕的發(fā)生，此工程為以后大規(guī)模的推廣應用提供了參照。