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AP1000核電站施工期間防護(hù)涂層失效的原因及對(duì)策

2015-03-26 18:26李炳穎林金平朱瑞峰
電鍍與涂飾 2015年6期
關(guān)鍵詞:面漆油漆環(huán)氧

李炳穎*,林金平,朱瑞峰

(國核工程有限公司,上海 200233)

AP1000核電站施工期間防護(hù)涂層失效的原因及對(duì)策

李炳穎*,林金平,朱瑞峰

(國核工程有限公司,上海 200233)

基于山東海陽核電項(xiàng)目,對(duì)AP1000核電站獨(dú)特的模塊化建造施工工藝帶來的防護(hù)涂層破壞問題進(jìn)行了分析:“開頂法”施工使涂層遭受光照和雨水侵蝕,潮濕的環(huán)境有利于霉菌生長并加速對(duì)涂層的浸蝕,運(yùn)輸、組裝、吊裝、焊接等施工過程造成涂層損傷,涂層體系選擇不當(dāng),等等。提出了相應(yīng)的解決措施:合理安排施工進(jìn)度,加蓋臨時(shí)覆蓋物,加強(qiáng)排水通風(fēng),將用于混凝土墻面的內(nèi)墻涂料Dry Fall改為耐輻射、防潮防污、耐老化性能好的Macropoxy646涂料,采用“無機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合涂層體系代替環(huán)氧單層漆用于結(jié)構(gòu)模塊和鋼結(jié)構(gòu)件等。

核電站;模塊化施工;防腐;涂層;失效

First-author's address: State Nuclear Power Engineering Company, Shanghai 200233, China

AP1000核電機(jī)組作為當(dāng)今世界上最先進(jìn)、最安全的第三代核電技術(shù),目前正在浙江三門和山東海陽如火如荼地開展。其創(chuàng)新性的模塊化建造方式,創(chuàng)造了土建與安裝平行施工的先例,減少了計(jì)劃主線上的實(shí)體工作量,大大縮短整個(gè)核電建造工期[1]。但這一建造模式也帶來了一些負(fù)面作用,模塊化建造必須采用“開頂法”施工:廠房需要所有的土建施工和模塊設(shè)備安裝完成之后才能進(jìn)行封頂,致使防護(hù)涂層長期處于異于核電站建設(shè)完畢后的外界環(huán)境中,再加上土建與安裝并行的交叉施工模式,最終導(dǎo)致防護(hù)涂層出現(xiàn)大面積的污染、變色、霉斑、鼓泡、脫落等質(zhì)量問題,需要多次返工返修,造成工程進(jìn)度延長和費(fèi)用增加。

本文結(jié)合AP1000核電站的施工特點(diǎn),研究了防護(hù)涂層的產(chǎn)品性能,分析了涂層破壞的原因,為有效緩解防護(hù)涂層在施工期間失效的問題,提出有針對(duì)性的改進(jìn)措施,為AP1000核電站及其后續(xù)國產(chǎn)化項(xiàng)目提供借鑒。

1 AP1000核電模塊化建造對(duì)防護(hù)涂層的影響

傳統(tǒng)的核電建設(shè)模式一般是先土建后安裝,即先將土建廠房建設(shè)起來,再將設(shè)備通過龍門吊、設(shè)備閘門等運(yùn)入廠房內(nèi)。而AP1000核電機(jī)組采用模塊化建造,現(xiàn)場(chǎng)土建與安裝并行,主體結(jié)構(gòu)和部件在工廠模塊化預(yù)制和拼裝,平行于核島現(xiàn)場(chǎng)主體工程建設(shè),從而大大減少計(jì)劃主線上的實(shí)體工作量,起到優(yōu)化施工工藝、合理壓縮工期的目的。但這一建設(shè)模式的開頂法施工、模塊化預(yù)制、運(yùn)輸?shù)跹b及交叉施工等直接影響到防護(hù)涂層的使用壽命。

1. 1 “開頂法”施工導(dǎo)致雨水侵蝕和潮濕環(huán)境問題

與模塊化建造相輔相成的是開頂法施工,它使大型模塊和構(gòu)件提前進(jìn)入,再進(jìn)行廠房封頂。這種建設(shè)雖然可以有效減少現(xiàn)場(chǎng)絕對(duì)工期,但也帶來一個(gè)實(shí)際問題:廠房在封頂或房間封閉之前就要移交供模塊設(shè)備安裝就位的空間。房間移交時(shí),要先完成墻面和地面的油漆涂層,但在廠房上部還未封頂時(shí),排水系統(tǒng)并未發(fā)揮作用,雨季雨水可自然下流至標(biāo)高的較低位置。而雨水流過后,會(huì)給墻面涂層尤其是水性油漆帶來破壞性的影響。而標(biāo)高位置較低的房間雖然未直接受到雨水侵蝕,但長時(shí)間的水氣下沉、房間封閉且通風(fēng)不暢,使空氣濕度增大。在夏季施工時(shí),晝夜冷熱交替會(huì)在墻壁和地面上形成結(jié)露。防護(hù)涂層長期處于這種潮濕的環(huán)境下,逐漸被侵蝕而發(fā)生鼓泡,甚至有脫落現(xiàn)象。同時(shí),這種潮濕的環(huán)境也給霉菌提供了有利的生長條件[2],如各種灰塵、工人汗跡以及水性涂料環(huán)境,給無處不在的微生物提供了豐富的營養(yǎng)物質(zhì),在經(jīng)歷夏天適宜的生長溫度后,微生物便開始生長繁殖,最終在涂層表面形成霉斑。

1. 2模塊化預(yù)制導(dǎo)致的光照輻射影響

鋼結(jié)構(gòu)和模塊一般在車間進(jìn)行防護(hù)涂層施工,特別是結(jié)構(gòu)模塊干面(碳鋼 A36),需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝,其順序?yàn)椋很囬g制作─涂漆─現(xiàn)場(chǎng)組裝─吊裝就位─設(shè)備、大宗物項(xiàng)安裝─封頂。

在拼裝、運(yùn)輸、吊裝、一直到廠房封頂之前,內(nèi)部模塊和鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層會(huì)長時(shí)間暴露在露天環(huán)境中,受陽光照射,而光照輻射是導(dǎo)致涂層破壞的一個(gè)重要因素。原因是涂料中的高聚物經(jīng)光照引起高分子結(jié)構(gòu)發(fā)生物理化學(xué)變化,宏觀表現(xiàn)為涂層表面失光、變色、粉化、變脆、開裂等。實(shí)際上,在涂層沒有發(fā)生開裂、粉化前,其抗?jié)B性能已經(jīng)下降,并喪失了保護(hù)性能[3]。與此同時(shí),涂層經(jīng)光照輻射,其吸水率明顯增加,吸入的水將引起涂層表面出現(xiàn)起泡、剝離現(xiàn)象,加速氧和電解質(zhì)的擴(kuò)散,從而加速涂層下金屬的腐蝕,導(dǎo)致涂層失效[4]。

1. 3運(yùn)輸?shù)跹b及交叉施工的影響

AP1000核電機(jī)組的許多構(gòu)件或設(shè)施在涂層施工完畢后,會(huì)在相當(dāng)長的時(shí)間里經(jīng)歷各種施工條件和施工環(huán)境,涂層不可避免地遭受破壞。以CA01結(jié)構(gòu)模塊為例,在第一罐混凝土澆注(FCD)之前,CA01子模塊便開始在工廠預(yù)制并進(jìn)行涂裝施工,然后運(yùn)抵拼裝場(chǎng)地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)組裝。組裝過程中,子模塊會(huì)經(jīng)受多次吊裝、焊接熱應(yīng)力和焊渣迸濺等因素的影響;組裝完成后,CA01再進(jìn)行整體運(yùn)輸?shù)跹b就位。CA01從安裝就位到CV頂封頂,歷時(shí)近3 a的時(shí)間,除了一直暴露于大氣環(huán)境中,還要經(jīng)歷反應(yīng)堆廠房內(nèi)部107’平臺(tái)、118’鋼結(jié)構(gòu)和135’平臺(tái)這三大平臺(tái)以及反應(yīng)堆壓力容器(RV)、蒸發(fā)器、主管道等設(shè)備的安裝等各種工況的交叉施工影響,如果缺乏必要的保護(hù)措施,防護(hù)涂層將遭到破壞。

1. 4涂層產(chǎn)品性能對(duì)防護(hù)涂層的影響

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析發(fā)現(xiàn),施工期間防護(hù)涂層破壞最為嚴(yán)重的分別為混凝土面上的水溶性 Dry Fall涂料(Waterborne Acrylic Dry Fall)和鋼表面上單涂層自打底高固態(tài)環(huán)氧漆(Caboline890N),而與這兩種油漆處于類似環(huán)境的溶劑型油漆(Macropoxy646)和“無機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合系統(tǒng)卻未出現(xiàn)明顯的質(zhì)量問題。可見,涂層系統(tǒng)自身的性能也是導(dǎo)致施工期間出現(xiàn)防護(hù)涂層質(zhì)量問題的一個(gè)重要因素。

1. 4. 1混凝土面DRYFALL水性涂料與Macropoxy646溶劑型涂料應(yīng)用對(duì)比

根據(jù)設(shè)計(jì),島外非輻射控制區(qū)室內(nèi)墻裙以上部位要求使用 Dry Fall涂料,是山東海陽項(xiàng)目選用宣偉(SHERWIN WILLIAMS)公司生產(chǎn)的白色內(nèi)墻專用涂料;墻裙部位面漆要求自打底高固態(tài)環(huán)氧漆(SPHSE),選用的是宣偉“Macropoxy646 Fast Cure Epoxy”環(huán)氧涂料。這兩種涂料在性能上有很大差異:Dry Fall是一種水性丙烯酸快干型內(nèi)墻涂料,僅適用于室內(nèi)環(huán)境,最低施工溫度為10 °C,涂層附著力只有408 psi(1 psi = 0.006 895 MPa);Macropoxy646為聚酰胺型環(huán)氧涂料,屬于溶劑型環(huán)氧涂料,較Dry Fall油漆有更好的耐鹽霧、耐輻射、防潮防污和耐老化性能,1.7 °C時(shí)即可施工,涂層附著力可達(dá)1 037 psi。

海陽項(xiàng)目中輔助廠房的多數(shù)房間內(nèi)墻均選用Dry Fall內(nèi)墻專用涂料,對(duì)于先完成結(jié)構(gòu)封頂再進(jìn)行油漆施工的程序,涂層質(zhì)量無問題。但在AP1000“模塊化”施工中,這些墻面涂層均長時(shí)間暴露于外界環(huán)境中,盡管施工過程采取了相應(yīng)的防護(hù)措施,但現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜,工作面大,并受模塊、設(shè)備及管線安裝的影響,致使墻面涂層防護(hù)難度加大,給涂層造成的破壞更為嚴(yán)重。

將這兩種涂料使用于同一區(qū)域,經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)比對(duì),在經(jīng)歷同樣的雨水侵蝕和潮濕環(huán)境后,其破壞形態(tài)有較大差異:Dry Fall油漆發(fā)生鼓泡、霉變等質(zhì)量問題,而Macropoxy646油漆僅因表面污染出現(xiàn)輕微變色,未造成較大面積破壞,擦拭處理后,仍能較好地恢復(fù)到原來的顏色。

1. 4. 2自打底高固態(tài)環(huán)氧單涂層漆與“無機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合涂層體系對(duì)比

自打底高固態(tài)環(huán)氧涂層漆為典型的有機(jī)涂層,大量應(yīng)用于結(jié)構(gòu)模塊、鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。其在施工過程中常常出現(xiàn)失光、褪色、泛黃、鼓泡、剝落、開裂甚至脫落等現(xiàn)象。而采用“無機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合系統(tǒng)的CV安全殼內(nèi)壁107’ ~ 142’、CA20等模塊則未見上述現(xiàn)象。原因之一是無機(jī)富鋅涂層作為自底漆高固態(tài)環(huán)氧涂層的底漆,其只有在環(huán)氧涂層失效后才受影響;另一個(gè)原因則是無機(jī)鋅涂層對(duì)各種失效因素具有較強(qiáng)的抵抗力[5]。

2 AP1000核電站施工期間防護(hù)涂層的防護(hù)與改進(jìn)

AP1000核電站施工期間發(fā)生防護(hù)涂層質(zhì)量問題,主要是由以上多種因素造成的。針對(duì)這些影響因素,可以考慮采取如下防護(hù)措施來緩解或避免防護(hù)涂層在施工期間被破壞。

2. 1有效降低自然因素對(duì)涂層的影響

2. 1. 1合理安排施工進(jìn)度

設(shè)計(jì)、施工中,綜合考慮各專業(yè)施工進(jìn)度,盡可能平行施工,減少間歇期,使得施工環(huán)節(jié)緊湊,有效減少模塊或鋼結(jié)構(gòu)露天放置的時(shí)間。例如,模塊在預(yù)定房間就位后,該房間上部的樓板就要及時(shí)施工到位;在綁扎完鋼筋,放置好預(yù)埋件,并完成接地線鋪設(shè)后,要及時(shí)澆筑混凝土,以減少局部腐蝕的發(fā)生[6]。

2. 1. 2合理加蓋臨時(shí)覆蓋物

當(dāng)房間內(nèi)設(shè)備安裝的施工物項(xiàng)較多,同時(shí)房間封閉前需要經(jīng)歷較長的施工時(shí)間時(shí),可采取增設(shè)臨時(shí)覆蓋物(如三防布)的方式來保護(hù)房間內(nèi)墻面涂料及模塊、設(shè)備涂層。例如,對(duì)于反應(yīng)堆廠房內(nèi)部,從CA01就位到CV頂封頭安裝,要經(jīng)歷兩年多的工期,在此期間,CV內(nèi)部已經(jīng)安裝了大量的模塊、設(shè)備。為了讓提前安裝到位的這些構(gòu)件不遭受陽光曝曬和雨水的侵蝕,在不影響施工的前提下,采取加設(shè)臨時(shí)頂蓋的方式,將內(nèi)部結(jié)構(gòu)與自然環(huán)境隔離。目前,這種方式已在三門1、2號(hào)和海陽2號(hào)核島中使用。

2. 1. 3做好排水通風(fēng)措施

海陽地處煙臺(tái)地區(qū),最大降雨量達(dá)313 mm/13 h,即24 mm/h,大暴雨級(jí)的降水量為70 ~ 140 mm/12 h,即5.8 ~ 11.6 mm/h,所以在AP1000核電站房封頂前,雨水會(huì)直接進(jìn)入廠房內(nèi)部。因此,所有設(shè)備均需采取防雨措施,同時(shí)采取將雨水集中引導(dǎo)收集,使其匯集于臨時(shí)積水點(diǎn),然后通過水泵將積水集中排走的措施[7]。

在降低廠房濕度方面,可采取在封閉房間內(nèi)增加除濕機(jī)的方法;在半封閉房間采取增設(shè)通風(fēng)裝置,增加空氣流通,帶走濕氣的方法。

2. 2優(yōu)化設(shè)計(jì),改進(jìn)涂層工藝

2. 2. 1選擇適宜產(chǎn)品

涂料選擇應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地理位置、氣候條件、施工邏輯等情況,全方位多角度考慮,在滿足化學(xué)成分、最小干膜密度、熱傳導(dǎo)率、防火性能、鹽霧耐蝕性、耐γ輻照試驗(yàn)和模擬設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故(DBA)試驗(yàn)等要求之外,盡可能選擇耐候性好的產(chǎn)品。在容易受到雨水或潮濕環(huán)境侵蝕的部位,應(yīng)選擇固化快、涂層結(jié)構(gòu)致密、耐水性好的涂料。在AP1000國產(chǎn)化后續(xù)項(xiàng)目中,可以考慮將混凝土墻面上的“Dry Fall”水性涂料改為“Macropoxy646”或與其性能相近的溶劑型涂料。長時(shí)間暴露在外界環(huán)境中,應(yīng)選用耐老化的涂層系統(tǒng),如在結(jié)構(gòu)模塊金屬表面采用“無機(jī)富鋅 + 環(huán)氧面漆”復(fù)合涂層體系。

2. 2. 2涂層工藝改進(jìn)

根據(jù)AP1000核電依托項(xiàng)目的建設(shè)經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)油漆體系在最后移交前,基本都要重新涂刷,有些位置甚至需要多次涂刷。為避免面漆在運(yùn)輸、存放以及施工過程中發(fā)生再次破壞,可考慮在現(xiàn)場(chǎng)涂刷最后一道面漆的辦法。目前,在后續(xù)國產(chǎn)化AP1000項(xiàng)目中的鋼制安全殼(CV)和結(jié)構(gòu)模塊(CA)涂層已經(jīng)開始考慮改進(jìn)施工工藝。

2. 2. 2. 1鋼制安全殼(CV)油漆涂裝

AP1000鋼制安全殼油漆選用的是無機(jī)富鋅底漆 + 環(huán)氧面漆的涂層體系,后續(xù)國產(chǎn)化 AP1000項(xiàng)目,可考慮增加臨時(shí)防銹漆,并將最后一道環(huán)氧面漆在最后階段涂裝,各階段施工工藝流程如下:

(1) 車間制造階段:鋼制安全殼制造─噴砂除銹、涂裝臨時(shí)防銹漆。

(2) 現(xiàn)場(chǎng)組裝區(qū)域階段:組裝、焊接、熱處理─焊縫無損檢測(cè)─噴砂除去臨時(shí)防銹漆─涂裝無機(jī)富鋅底漆,修補(bǔ)預(yù)留焊接接口及熱影響區(qū)的臨時(shí)防銹漆。

(3) 核島區(qū)域階段:運(yùn)輸、吊裝─依次就位(環(huán)焊縫對(duì)接焊、無損檢測(cè))─焊接及熱影響區(qū)底漆涂裝,其他區(qū)域底漆修補(bǔ)─涂裝環(huán)氧面漆。

此方案增加了臨時(shí)防銹漆,在現(xiàn)場(chǎng)組裝區(qū)域涂裝無機(jī)富鋅底漆,并保持環(huán)氧面漆在最后階段涂裝,可以滿足防護(hù)要求,保證永久油漆的施工質(zhì)量,并消除最終外觀色差問題。

2. 2. 2. 2結(jié)構(gòu)模塊(CA)油漆涂裝

結(jié)構(gòu)模塊涂層選用的是自打底高固態(tài)環(huán)氧單層漆,后續(xù)國產(chǎn)化AP1000項(xiàng)目選用的油漆產(chǎn)品允許復(fù)涂,因此可分為兩道涂裝。第1道涂裝在車間完成,涂裝膜厚80 ~ 150 μm;第2道在安裝現(xiàn)場(chǎng)完成,涂膜厚60 ~ 100 μm。最終保證70 ~ 200 μm的漆膜厚度。

該漆在車間完成第 1道涂裝后,漆膜的常規(guī)性能應(yīng)符合要求。由于核電站安裝現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣,工件露天放置時(shí)間較長,還有其他不確定的因素都對(duì)第1道漆膜產(chǎn)生較大的影響;因此,在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行第2道涂裝時(shí),必須對(duì)第 1道漆膜進(jìn)行去油,清除鹽分和其他雜質(zhì),然后除去損壞的涂層,打磨除去粉化的漆膜,對(duì)堅(jiān)固涂層表面打磨拉毛、清除灰塵后,再涂裝第2道環(huán)氧面漆。若第1道漆膜有較大局部缺陷,如開裂或脫落等,應(yīng)進(jìn)行局部噴砂,重新涂裝高固態(tài)環(huán)氧涂料。

上述防護(hù)涂層改進(jìn)方案在一定程度上可以避免施工期間因涂層失效對(duì)CA模塊的影響,以確保防護(hù)涂層的最終質(zhì)量。但長期放置在室外環(huán)境,受到光照等影響導(dǎo)致的油漆變色問題仍無法避免。

2. 2. 3控制涂層施工質(zhì)量

保證施工質(zhì)量是避免防護(hù)涂層失效的關(guān)鍵因素之一,對(duì)涂裝前、涂裝中和涂裝后控制環(huán)節(jié)應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)。涂裝前,應(yīng)確保將要進(jìn)行施工的涂料符合設(shè)計(jì)要求,做好涂料的進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收,杜絕不合格涂層產(chǎn)品流入施工階段,并制定好嚴(yán)格的施工程序,在涂層施工前做好表面清理工作;涂裝中,要嚴(yán)格遵照涂層廠商的說明書進(jìn)行施工,控制好單道涂層厚度及施工溫度;涂裝后,要做好涂層的養(yǎng)護(hù)工作,養(yǎng)護(hù)工作完成之前嚴(yán)禁執(zhí)行后續(xù)操作。

3 結(jié)語

模塊化建造技術(shù)有著其他常規(guī)核電站建造方法不可比擬的工期優(yōu)勢(shì),是AP1000核電站的重要特點(diǎn),需要進(jìn)一步鞏固和發(fā)展。但這種土建與安裝并行的模塊化建造模式,會(huì)導(dǎo)致已施工完成的防護(hù)涂層長期暴露在陰暗潮濕或日曬雨淋的復(fù)雜施工環(huán)境中,成為致使涂層出現(xiàn)嚴(yán)重破壞的主要因素。為減小這一建造模式對(duì)防護(hù)涂層造成的負(fù)面影響,可以采取多方面措施,改進(jìn)施工環(huán)境,優(yōu)化施工邏輯,選擇合適的油漆體系并控制好施工過程等方法,來達(dá)到保護(hù)防護(hù)涂層,減少返修、返工,最終降低工程造價(jià)的目的。

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[ 編輯:韋鳳仙 ]

Cause and countermeasure of protective coating failure for AP1000 nuclear power station during construction

// LI Bing-ying*, LIN Jin-ping, ZHU Rui-feng

Based on the Shandong Haiyang Nuclear Power Plant project, the problem of protection coating failure during the special modularization construction of AP1000 nuclear power plant was analyzed as follows: open-top construction leads to coating suffering of sun light irradiation and rain water erosion; wet environment benefits the mildew growth and accelerates coating erosion; coating is easily damaged during transportation, assembly, lifting, setting, soldering, and other construction procedures; and improper coating system is selected. Some countermeasures were presented: reasonably arrange construction schedule; add temporary covering; enhance water discharge and airing; replace the Dry Fall interior wall coating for concrete wall by Macropoxy646 coating which has good resistance to irradiation, moisture, fouling, and aging; and use a composite coating system composed of inorganic zinc-rich primer plus epoxy topcoat in place of the monolayer epoxy paint for structural modules and steel structure parts.

nuclear power station; modularization construction; corrosion protection; coating; failure

TQ639

A

1004 - 227X (2015) 06 - 0331 - 04

2014-11-06

2014-12-03

李炳穎(1983-),男,山東成武人,碩士研究生,工程師,主要從事AP1000核電站設(shè)計(jì)管理。

作者聯(lián)系方式:(E-mail) libingying@snpec.com.cn。

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