核电站施工阶段涂层劣化的解决方案

2018-03-01王晰蔡敏陈超

电镀与涂饰 2018年2期

王晰*，蔡敏，陈超

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

核电作为清洁能源，具有无温室气体排放、装机容量大、高效稳定、经济成本低、投资回报高等诸多优点，已经成为世界上主要工业国家能源结构的重要组成部分[1]。从目前核电占发电量比例来看，我国与其他国家相比还存在巨大差距，在能源需求和环保排放的双重压力下，发展核电是能源结构调整的必然趋势。在核电站中，各种涂层被广泛地用来对金属部件和混凝土结构表面进行防护：首先，保护设备或设施的表面状况在正常或事故条件下不恶化；其次，对于核辐射控制区，防护涂层能够降低设备或设施的表面被放射性物质污染的可能性，并提高去除放射性沾污的能力[2]。然而，核电站固有的放射性导致了建设过程的复杂性，其施工周期较长。特别是在某些堆型的施工中，由于大量采用开顶法，防护涂层长时间暴露在室外环境下，很可能在施工阶段就已经发生较为严重的劣化，无法在服役期间提供有效防护。本文根据核电站防护涂层的设计特点，通过分析核电防护涂层在施工阶段发生劣化的主要原因，给出相应的解决方案。

1 核电站防护涂层的设计原则

一般以环境条件和功能要求为依据来设计工业防护涂层，核电站的涂层设计也不例外。相比于一般工业环境，核电站是一个相对复杂的场所，其防护涂层一般按照区域、基底和环境条件进行划分。

核电站内区域大体上可划分为室内核区、室内非核区和室外区域3类。

基底可分为金属(以碳钢为主)和混凝土2类。

防护涂层接触的环境条件分为室内放射性大气、室内正常大气和露天海洋性大气3类。

另外还有与液体介质接触的涂层，其一般用于储罐类设备内表面或地沟、集水坑等设施，这类涂层的施工一般在良好的室内环境下进行，并且不会面临长期曝晒的室外环境，因此不在本文的讨论范围内。

涂层的环境条件和功能要求见表 1，其中还列出了目前核电站中各种环境条件下常用的涂料类型。可见室内区域大量使用环氧类涂层，这是由于这类涂层具有优异的耐γ射线辐照性能，并且其表面平滑致密，易于去除放射性沾污，这些特性很好地符合了室内核区的环境条件和功能要求[3]。

表1 核电站不同区域用防护涂层的功能要求及常用涂料类型Table 1 Functional requirements for the protective coatings used in different part of unclear power plant and coating type in common use

对于室内非核区域，虽然没有耐辐照和去污要求，一般使用醇酸类或丙烯酸聚氨酯类涂料即可满足设计要求，但在实际施工过程中，为了消除涂料种类的多样性和复杂性，简化施工，常采取以高代低的方式，也就是用环氧类涂料代替醇酸类或丙烯酸聚氨酯类涂料。

对于室外区域，钢结构一般采用“富锌底漆+聚氨酯面漆”的涂层配套进行防护，其中富锌底漆利用牺牲阳极的电化学方式对金属进行保护，聚氨酯面漆则提供物理隔绝，阻止造成腐蚀的氧气和水分与基底接触。聚氨酯涂层本身对日光、雨水等环境具有良好的耐受能力，在保护基底的同时也能较长时间保持自身的完整性和稳定性。室外混凝土结构由于其材料固有的耐候性，一般不需要涂层防护。

2 核电站施工阶段的涂层劣化现象及原因分析

核电站的防护涂层是依据环境条件和功能要求设计的，而且用于核区的涂层配套均通过了严格的试验鉴定，在正常情况下不可能出现严重的劣化现象。然而在施工过程中，涂层的劣化现象常有发生。以下从涂装的施工条件和涂料的固有特性两方面来进行分析。

2.1 涂装施工条件

涂层的质量受涂装施工条件的影响较为明显。根据施工场地，涂装可分为室内涂装和室外涂装。

室内涂装的环境条件较易控制，因此在一般情况下，在室内施工的涂层很少发生劣化现象。在个别施工现场曾反馈过金属表面涂层脱落、混凝土表面涂层起泡等劣化问题。后经证实，其原因分别为金属基底的喷砂不彻底，导致涂层附着不牢固，以及混凝土养护时间不足，内部含水率过高，水分蒸发导致涂层起泡。这类劣化是未按照要求施工造成的，本文不予讨论。

在一些情况下，涂装施工不可避免地需要在室外进行。室外的环境条件受天气、场地等因素影响极大。以金属表面的涂装为例，在阴雨天气，喷砂后的金属表面会很快返锈，如不及时喷涂油漆，则需重新进行表面处理。这样的环境条件对于很多涂料的喷涂而言均不适合。现场通常采用搭建遮雨棚辅以强制通风的措施来改善环境条件，但与车间内的涂装环境仍有很大差距，因此室外涂装质量存在先天不足。

2.2 涂料固有特性

排除施工条件导致的劣化，涂料的固有特性也是其劣化的重要原因。环氧涂层由于其固有的优异性能而被广泛使用在核电站的室内区域。然而根据现场的施工反馈，出现最多劣化问题的正是环氧涂层。

某核电站施工过程中的涂层劣化问题曾一度困扰着现场施工单位及项目管理人员。首先，涂层是经过试验鉴定并确认合格的；其次，施工条件也是严格控制的。究竟是何原因导致部分涂层劣化？通过排查发现，出现劣化问题的涂层主要为环氧涂层，无机富锌或聚氨酯类涂层的不良反馈则较少。从涂料的固有特性来考虑，问题的源头很可能是阳光。环氧类涂层在γ辐照条件下的确表现出优异的性能，但对阳光中的紫外线十分敏感，其微观结构中的分子键因紫外线的照射而发生断裂，宏观上则表现出失光、变色、粉化等劣化现象。

后经核实，实际情况的确如此。尽管环氧涂层在施工过程中对环境和工艺条件都进行了很好的把控，但由于某些原因，施工后的涂层长期暴露在室外环境中，当阳光曝晒、盐雾及雨露耦合作用积累到一定程度时，环氧涂层就出现了劣化现象。

3 涂层劣化的解决方案

根据上述分析，提出以下有针对性的解决方案：首先，严格控制涂装施工的环境条件；其次，避免施工完毕的涂层直接暴露在室外环境下。因此要合理规划施工方案并采取临时保护措施。

3.1 合理规划施工方案

无论是在涂装施工阶段还是在后期养护阶段，环境条件都对涂层的质量具有很大的影响，因此，合理地规划施工方案对于保证涂层的质量而言具有十分积极的意义。

涂装施工应尽量安排在室内进行，当非在室外进行不可时应做好临时防护，确保环境条件和基底的表面状态满足要求。在涂装的施工时机存在弹性且不影响其他工种施工的前提下，有可能临时暴露在室外的室内用涂层应尽可能延后其施工，以减少在室外环境中的暴露时间，从而降低其劣化的概率和程度。

3.2 采取临时保护措施

在某些情况下，室内用涂层必须提前预涂，而且不可避免地长期暴露在室外环境下。这里所说的“长期”在很大程度上与核电站的施工进度相关，少则数月，多则数年。对于环氧涂层，如果在室外环境暴露一年以上，其变色、粉化情况将极为严重，很难再满足服役阶段的设计要求。为了避免这种情况的发生，需要采取临时保护措施。按照在室外环境暴露时间从长到短的顺序，在此推荐3种方法。

方法1——使用临时油漆保护。即：使用能够耐受室外环境的临时油漆对基底进行防护，当核电站的施工进行到可以对防护对象形成封闭的空间防护后，去除临时油漆，涂装正式油漆。

方法2——使用可剥离漆保护。即：在原设计涂层的基础上增加一层能够耐受室外环境的可剥离涂层，核电站施工期间给原有涂层提供防护，待环境适宜后将其剥离[4]。

方法3——预留劣化部分裕量。即：事先预留出因劣化损失的涂层厚度，也就是设计较厚的涂层，用表层来保护里层，当涂层不再处于曝晒的环境后，清除粉化层，剩余的涂层继续服役或进行修补后服役。

以金属基底的防护涂层为例，以上3种方法的对比见表2。