防腐橡胶衬里在核电设备中的应用研究*

姚建明，刘馨元，孙 迪，彭高桥，杨正龙

(1上海双浦橡胶防腐衬里有限公司，上海 201704；2 同济大学材料科学与工程学院，上海 201804)

当今世界，温室效应不断加剧，对人类的生产生活以及地球上的生态环境产生巨大影响。为了遏制环境的进一步恶化，共同拯救地球家园，节能减排、低碳生活逐渐成为当今世界的主流。核电是地球上的一种高效的清洁能源，少量核反应产生的电能就可以等同于大量燃料产生的电量，且不会对空气等造成污染。此外，与水力发电、风力发电等相比，核电不受地理位置或者天气情况的影响，这可以很好地缓解电力输送的压力[1]。因此，核电发展核电有利于我们更好地应对气候变化，同时响应国家低碳发展的号召。虽然核电产电量巨大，并且具有燃料费用低、运行稳定等优点，但目前我国核电发电量占总发电量的比例较低，核电发展规模不如发达国家，大多还是依赖于风力、水力等来发电，在2017年，核电的发电量仅占全国发电总量的3.94%。这主要是由于核电具有不安全因素，如2011年的日本发生的福岛核事故，该事故对当地生态环境产生了巨大的影响，这导致核电让科学家望而却步。

保障核电设备的安全是维护核电设备稳定运行的基础[2]，这其中就包括了核电设备的防腐设计。核电设备防腐性能的提高可大大延长核电设备的使用寿命，增加其运转稳定性与安全性，而防腐橡胶衬里可广泛应用于海水淡化、核电、水电、废水处理、烟气脱硫、食品、化工和选矿设备等领域。因此，考虑到橡胶防腐衬里技术具有可靠性、经济性、安全、寿命等优点，可将核电技术与橡胶防腐衬里技术相结合，使得核电设备可以更为安全、稳定地发电。

1 核电设备防腐蚀

核电设备若出现腐蚀或者损伤之类的问题，可能无法保证核电厂的正常稳定运行，甚至引发环保问题。比如，在核电设备中，核电站的重要冷却系统——SEC(重要厂用水)系统是非常重要的。但它的工作环境之一是在海水中，海水中含有许多的电解质离子比如钠离子、氯离子等，这使得海水对设备具有腐蚀性，从而导致SEC系统在运行期间可能长期遭受海水的腐蚀。因此，耐蚀性材料的选择以及系统的防护等对核电设备长期安全有效运行非常重要[2]。从材料上分析，核电设备被腐蚀可能归因于核电材料本身的纯净度、制造过程中的杂质以及周围环境因素的影响[3]。所以，要求核电防腐设备具有选材得当、材料化学成分控制严格、纯净度高以及对合金的组织和相结构要求明确等特点。针对核电设备遭受的海水中氯离子腐蚀等，除了提高对核电设备材料本身的要求外，也可采用表面涂层如树脂、不锈钢油漆等来增强对材料的防护[4]。

在海水淡化设备中[5]，橡胶除了具有弹性以及低渗透性等特点外，它的特殊分子结构使其可以包覆在核电设备外层来增加核电设备的耐腐蚀性能。目前，防腐橡胶取代了涂层和砂浆，用作设备的保护衬里，使设备可以长时间内维持稳定运行而免受海水腐蚀性的干扰。因此，使用防腐橡胶衬里可一定程度上延长设备的使用年限，增大机组的安全运行率与可靠率。

具有防腐功能的橡胶主要有氯丁橡胶、丁基橡胶、天然橡胶、乙丙橡胶以及氟橡胶等。针对使用环境以及设备材料的不同，可选择符合要求的橡胶品种。此外，不同的核电设备对防腐橡胶的力学性能、粘合性等具有一定的要求，因此需要对防腐橡胶进行一定的改性。比如，石墨烯具有优异的化学稳定性，在防腐橡胶中添加适量的石墨烯可以制备出一种新型的防腐橡胶，它不仅具有原橡胶中的阴极保护作用，且它的耐水性及硬度等也更高，因此总体防腐性能得到了提高[6]。此外，对橡胶制备工艺进行一系列改进与创新，也可一定程度上提高橡胶的性能。

2 防腐橡胶衬里在核电设备中的应用

防腐橡胶衬里有很多优点，如弹性好、化学稳定性较高等，这些优点使得防腐橡胶衬里在核电设备中具有广阔的应用前景。张庆虎[7]发明了一种具有良好的耐油、耐硝酸以及防辐射功能的橡胶衬里，可用于核电站地面排水和服务排水等放射性物质含量低的废水处理装置。在该发明中，橡胶的选择是非常重要的。由于氯磺化聚乙烯橡胶和三元乙丙橡胶是饱和性橡胶，其分子主链上没有不饱和的双键，因此它们具有较好的环境稳定性。此外，这两种橡胶还具有良好的粘合性、耐油性及加工工艺性，是制备橡胶基体材料的理想选择。再通过制备预混填料、胶料混炼以及胶板挤出等环节，成功制备了拉伸强度在10 MPa以上、断裂伸长率大于510%的耐油耐硝酸橡胶衬里。

氯丁橡胶等硫化橡胶指橡胶经硫化过后，它的聚合物分子链间形成了交联网状结构，这种网状的结构使其具有优良的弹性、耐热性、耐腐蚀性和抗渗透性以及在有机溶剂中不溶解性等。因此，可用作防腐橡胶衬里，这其中包括了低温常压硫化防腐衬里、预硫化橡胶防腐衬里以及室温自然硫化防腐衬里。低温常压硫化橡胶防腐衬里的制备方法有热水硫化法以及蒸汽硫化法，它可用于解决大型化工设备衬里的现场施工。预硫化橡胶防腐衬里则是对橡胶板实施预先热硫化再衬贴的方法。通过这种操作，橡胶衬里在短期内则可达到一定的粘接强度。这种防腐衬里的具有较大的灵活性，可在现场施工和修补，解决了大尺寸设备，不能运输或不能移动的设备的衬胶施工难题。但对于复杂容器，它的粘贴施工难度较大，粘结强度可能会因施工环境温度和湿度而有所波动，这会一定程度上限制该衬里的使用范围。类似的，室温自然硫化防腐技术也是将预成型好的防腐材料直接衬贴到容器内壁上，虽然它所需要的停放时间更长，但是它适合于粘贴较复杂的设备，粘结强度好，在未来可实现广泛的应用[8]。不过自硫化橡胶衬里材料因为能够室温自硫化，橡胶生产过程(炼胶和挤出压延胶板)工艺控制要求很高，否则容易焦烧，导致材料报废。另外生产好的自硫化橡胶衬里材料通常需要冷藏(≤15 ℃)。总之，几种胶板各有优缺点，都有进一步研究和改进的潜力。

上海双浦橡胶防腐衬里有限公司拥有先进的防腐橡胶制备系统，包括自动配料系统、自动炼胶系统、数控胶板挤出压延生产系统以及亚洲最大的硫化罐。本公司通过和同济大学合作，和跨国公司合作，优选橡胶衬里主辅材料，经过理化分析试验和生产试验改进，开发了耐老化性能优良的NR、CR防腐橡胶衬里。先后开发了加热硫化、水煮硫化、低温低压硫化、预硫化、自硫化等多种优质防腐橡胶衬里材料，解决了超大尺寸设备衬胶硫化难题以及衬胶设备现场连接和修补难题。本公司橡胶衬里广泛应用于电力设备防腐，其中国内核电冷凝器水室衬胶市场占有率超80%，且衬胶产品出口印尼、巴基斯坦等国家。

图1 自动配料系统照片Fig.1 Photo of automatic batching system

图2 亚洲最大硫化罐照片Fig.2 Photo of Asia’s largest sulphur tank

图3 核电冷凝器水室衬胶Fig.3 Water chamber lining for nuclear power condenser

图4 核电冷却连接管Fig.4 Nuclear power cooling connecting pipe

本公司还在秦山核电现场对水处理中和槽等设备进行了防腐衬胶，本公司研制的橡胶膨胀节在秦山核电现场安装到设备上并低温硫化，成功替换了该电厂原先从法国进口的膨胀节，不仅为电厂节省费用，更重要的是保证了电厂维修的及时性，该产品还推广到其它电厂使用，效果良好。图1～图4是上海双浦橡胶防腐衬里有限公司的主要制造设备和应用实例。

3 结 语

推进核电技术装备的国产化，让核电“走出去”是国家战略，同时，发展核电也是改善我国能源结构的必然选择。但是目前，防腐橡胶衬里的种类仍较少，且大多数防腐橡胶衬里的制备都主要是从改变工艺方面入手的，这会在一定程度上限制核电设备在防腐橡胶衬里上的选择范围，从而影响核电的应用。因此，研究新型的防腐橡胶衬里在未来是非常必要的，这有待科研工作者的不断探索与创新。