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(jī)容量大、高效穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)成本低、投資回報(bào)高等諸多優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為世界上主要工業(yè)國家能源結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)調(diào)整的必然趨勢(shì)。在核電站中，各種涂層被廣泛地用來對(duì)金屬部件和混凝土結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行防護(hù)：首先，保護(hù)設(shè)備或設(shè)施的表面狀況在正?；蚴鹿蕳l件下不惡化；其次，對(duì)于核輻射控制區(qū)，防護(hù)涂層能夠降低設(shè)備或設(shè)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(dǎo)致了建設(shè)過程的復(fù)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(hù)涂層長時(shí)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(yán)重的劣化，無法在服役期間提供有效防護(hù)。本文根據(jù)核電站防護(hù)涂層的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，通過分析核電防護(hù)涂層在施工階段發(fā)生劣化的主要原因，給出相應(yīng)的解決方案。

1 核電站防護(hù)涂層的設(shè)計(jì)原則

一般以環(huán)境條件和功能要求為依據(jù)來設(shè)計(jì)工業(yè)防護(hù)涂層，核電站的涂層設(shè)計(jì)也不例外。相比于一般工業(yè)環(huán)境，核電站是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的場(chǎng)所，其防護(hù)涂層一般按照區(qū)域、基底和環(huán)境條件進(jìn)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(hù)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(chǔ)罐類設(shè)備內(nèi)表面或地溝、集水坑等設(shè)施，這類涂層的施工一般在良好的室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行，并且不會(huì)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。可見室內(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(hù)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(duì)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(shè)計(jì)要求，但在實(shí)際施工過程中，為了消除涂料種類的多樣性和復(fù)雜性，簡(jiǎn)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(duì)于室外區(qū)域，鋼結(jié)構(gòu)一般采用“富鋅底漆+聚氨酯面漆”的涂層配套進(jìn)行防護(hù)，其中富鋅底漆利用犧牲陽極的電化學(xué)方式對(duì)金屬進(jìn)行保護(hù)，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(duì)日光、雨水等環(huán)境具有良好的耐受能力，在保護(hù)基底的同時(shí)也能較長時(shí)間保持自身的完整性和穩(wěn)定性。室外混凝土結(jié)構(gòu)由于其材料固有的耐候性，一般不需要涂層防護(hù)。

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(hù)涂層是依據(jù)環(huán)境條件和功能要求設(shè)計(jì)的，而且用于核區(qū)的涂層配套均通過了嚴(yán)格的試驗(yàn)鑒定，在正常情況下不可能出現(xiàn)嚴(yán)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(jìn)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(chǎng)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(gè)別施工現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，其原因分別為金屬基底的噴砂不徹底，導(dǎo)致涂層附著不牢固，以及混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不足，內(nèi)部含水率過高，水分蒸發(fā)導(dǎo)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(jìn)行。室外的環(huán)境條件受天氣、場(chǎng)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(huì)很快返銹，如不及時(shí)噴涂油漆，則需重新進(jìn)行表面處理。這樣的環(huán)境條件對(duì)于很多涂料的噴涂而言均不適合?，F(xiàn)場(chǎng)通常采用搭建遮雨棚輔以強(qiáng)制通風(fēng)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(dǎo)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(chǎng)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(chǎng)施工單位及項(xiàng)目管理人員。首先，涂層是經(jīng)過試驗(yàn)鑒定并確認(rèn)合格的；其次，施工條件也是嚴(yán)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(jī)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(duì)陽光中的紫外線十分敏感，其微觀結(jié)構(gòu)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(shí)，實(shí)際情況的確如此。盡管環(huán)氧涂層在施工過程中對(duì)環(huán)境和工藝條件都進(jìn)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(dāng)陽光曝曬、鹽霧及雨露耦合作用積累到一定程度時(shí)，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(duì)性的解決方案：首先，嚴(yán)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(shí)保護(hù)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(hù)階段，環(huán)境條件都對(duì)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(duì)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(yīng)盡量安排在室內(nèi)進(jìn)行，當(dāng)非在室外進(jìn)行不可時(shí)應(yīng)做好臨時(shí)防護(hù)，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(shí)機(jī)存在彈性且不影響其他工種施工的前提下，有可能臨時(shí)暴露在室外的室內(nèi)用涂層應(yīng)盡可能延后其施工，以減少在室外環(huán)境中的暴露時(shí)間，從而降低其劣化的概率和程度。

3.2 采取臨時(shí)保護(hù)措施

在某些情況下，室內(nèi)用涂層必須提前預(yù)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(jìn)度相關(guān)，少則數(shù)月，多則數(shù)年。對(duì)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(yán)重，很難再滿足服役階段的設(shè)計(jì)要求。為了避免這種情況的發(fā)生，需要采取臨時(shí)保護(hù)措施。按照在室外環(huán)境暴露時(shí)間從長到短的順序，在此推薦3種方法。

方法1——使用臨時(shí)油漆保護(hù)。即：使用能夠耐受室外環(huán)境的臨時(shí)油漆對(duì)基底進(jìn)行防護(hù)，當(dāng)核電站的施工進(jìn)行到可以對(duì)防護(hù)對(duì)象形成封閉的空間防護(hù)后，去除臨時(shí)油漆，涂裝正式油漆。

方法2——使用可剝離漆保護(hù)。即：在原設(shè)計(jì)涂層的基礎(chǔ)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(hù)，待環(huán)境適宜后將其剝離[4]。

方法3——預(yù)留劣化部分裕量。即：事先預(yù)留出因劣化損失的涂層厚度，也就是設(shè)計(jì)較厚的涂層，用表層來保護(hù)里層，當(dāng)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(jìn)行修補(bǔ)后服役。

以金屬基底的防護(hù)涂層為例，以上3種方法的對(duì)比見表2。

表2 3種臨時(shí)保護(hù)措施的對(duì)比Table 2 Comparison among the 3 temporary protection methods

方法1的優(yōu)點(diǎn)是適用于較長時(shí)間的室外暴露，而且正式涂層不會(huì)面對(duì)室外環(huán)境。其缺點(diǎn)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(chǎng)進(jìn)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(chǎng)施工，可以保證良好的施工質(zhì)量，因此其顯著的優(yōu)點(diǎn)是施工成本較低。但相對(duì)于方法1使用的臨時(shí)漆，可剝離漆的價(jià)格較高，因此該方法的缺點(diǎn)是涂料成本較高，而且可剝離漆的保護(hù)時(shí)間有限，預(yù)計(jì)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(shì)。

方法3存在不確定性，即清除粉化層后的涂層是否還需進(jìn)行修補(bǔ)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(shí)間。如果涂料固有的耐候性相對(duì)較好或室外暴露時(shí)間較短，去除粉化層后仍可滿足設(shè)計(jì)要求，則方法3在涂料成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)，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(jì)。

綜合考慮整個(gè)核電站的建設(shè)周期及目前廣泛使用的保護(hù)涂層的性能，建議如下：

(1) 暴露時(shí)間超過2年的涂層推薦使用方法1。

(2) 暴露時(shí)間在1 ～ 2年的涂層推薦使用方法2。

(3) 暴露時(shí)間不到1年的涂層推薦使用方法3。

4 結(jié)語

核電站的整體施工是一個(gè)極其復(fù)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(huì)因?yàn)楦鞣N因素而臨時(shí)調(diào)整。因此，涂層的劣化很難避免。在滿足適當(dāng)?shù)那疤釛l件下，采取臨時(shí)保護(hù)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(shè)周期和涂層性能推薦了針對(duì)不同年限的防護(hù)措施，但防護(hù)涂層實(shí)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(shè)計(jì)者和施工人員根據(jù)實(shí)際情況有針對(duì)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(yīng)用分析[J].電鍍與涂飾, 2008, 27 (7)∶ 57-60.

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

[4] 孟江燕, 王云英, 林翠.可剝性臨時(shí)保護(hù)涂料的制備和性能研究[J].南京航空大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 22 (2)∶ 73-75.