阴极保护在核电厂钢筋混凝土结构中的应用

2022-07-21颜永贵王亚东卢前勇秦铁男林泽泉

腐蚀与防护 2022年5期

颜永贵，林斌，周波，王亚东，卢前勇，秦铁男，林泽泉

(1.大亚湾核电运营管理有限责任公司，深圳 518000；2.苏州热工研究有限公司，苏州 215004)

钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构过早失效的主要原因[1]。大量研究表明，钢筋混凝土腐蚀主要由氯离子侵蚀和混凝土碳化引起的pH下降共同作用引起[2-4]。

核电厂多处于沿海地区，受到海洋环境影响，核电厂钢筋混凝土构筑物会过早发生氯盐侵蚀、大气碳化，进而诱发钢筋腐蚀，导致混凝土结构生命周期提前结束[5]。国内某核电厂联合泵站厂房的钢筋混凝土结构由于长期受到海洋潮气影响，部分混凝土构件发生钢筋锈蚀，混凝土保护层开裂现象。对混凝土开裂部分进行了补修，但有些补修处再次发生开裂，以前未出现破损的地方也发生钢筋锈蚀、混凝土保护层开裂的现象。这些问题威胁到核电厂的正常运行，为了保证其有效使用寿命，节省维修和管理费用，对混凝土结构进行了外加电流阴极保护。

1 钢筋混凝土阴极保护原理

混凝土孔隙液中主要含饱和Ca(OH)2，并含有少量NaOH、KOH等，其pH约为13，在该环境中钢筋通常为钝化状态，基本不发生腐蚀。但海洋大气环境中含有氯离子，当氯离子达一定含量时，会破坏钢筋表面钝化膜，使得钢筋失去保护从而发生腐蚀[6]，其氧化还原反应如下：

(1)

(2)

随着氯离子的侵蚀和点蚀的发展，阳极区电位将下降几百毫伏，pH将下降2～3。阴极区电位仍保持在较正的区域，此时阳极区与阴极区形成了较大的电位梯度。

阴极保护原理是将钢筋表面电位变负，减缓氧化反应，加速还原反应。在混凝土中，当钢筋电位为-100 mV时，钢筋的腐蚀速率可以降低到很小。这是因为阴极反应产生OH-，从而使得钢筋/混凝土界面处的pH上升，同时钢筋作为阴极，对混凝土中的负离子Cl-有排斥作用，从而降低钢筋周围Cl-的含量。外加电流阴极保护是将钢筋与直流电源的阴极相连，辅助阳极与直流电源的阳极相连，电流从辅助阳极发散，通过混凝土介质到达钢筋表面[7]。阳极表面主要会发生以下反应：

(3)

(4)

如果混凝土中含有Cl-，阳极还会发生以下反应：

(5)

钢筋混凝土在外加电流阴极保护下的阴极反应一般如式(2)所示，但是如果阴极(钢筋)表面电流密度过大，会发生以下副反应：

(6)

表面析氢会使得预应力钢筋产生氢脆，但此反应只有当阴极表面电位过负时才会发生，因此可以通过监测钢筋表面电位预防钢筋表面析氢。

2 技术路线

2.1 保护对象

保护对象为某核电厂联合泵站2号机组B列的2个进水口和1个鼓形滤网房，包括粗格栅、细格栅、杂物耙及旋转滤网周围的墙体，为避免与旋转滤网阴极保护系统相互影响，对于鼓形滤网房内的混凝土结构，本阴极保护系统只考虑天文潮最高潮位1.26 m以上的混凝土结构，即最低标高为-5.24 m(-6.5+1.26)，结构立面图见图1。

图1 进水口部位结构立面图

2.2 保护分区

由于保护对象所处环境及腐蚀特点存在差异，在设计混凝土构筑物的阴极保护时，需要根据影响因素对保护对象的表面进行分区。

2.2.1 海平面高低潮位的影响

由图1可见，本设计的保护对象为进水口处混凝土结构，包括粗格栅、细格栅、杂物耙及旋转滤网周围的墙体，由于受到海平面的高低潮位变化影响，不同区域的混凝土电阻率及氯离子侵蚀存在差异，导致其腐蚀特点有较大区别。因此，将混凝土构筑物所在腐蚀环境划分成潮差区、潮湿区、大气区。潮差区腐蚀最为严重，潮湿区腐蚀较弱，大气区腐蚀最弱。加氯框与细格栅的周围环境相似，因此将两者的潮湿区分为一个区域，潮差区分为一个区域。

2.2.2 泵站环境的影响

混凝土碳化及氯离子侵蚀是影响钢筋腐蚀两个重要因素。该电厂联合泵站钢筋腐蚀最为严重的地方为氯离子侵蚀与混凝土碳化共同作用的区域，根据工程前期的检测，可知杂物耙附近区域的钢筋腐蚀状态较为严重，详见图2。

图2 杂物耙附近区域电位云图

综合考虑以上分区原则，对该电厂联合泵站2号机组B列钢筋混凝土结构进行阴极保护分区，东西两侧的粗格栅作为整体划为1个区，而两侧的加氯框与细格栅根据环境与工况分为3个区，鼓网间内部四面墙分为4个区，鼓网间与增压泵房外墙分为3个区，具体分区见图3，保护范围及详细分区见表1。

表1 保护范围及分区

图3 保护对象及分区示意

2.3 保护电流计算

钢筋混凝土的阴极保护电流密度与混凝土质量和环境腐蚀性有关，环境中的氯离子含量越高，需要的保护电流密度越大。本工程中保护电流密度取20 mA/m2，所需总保护电流按式(7)计算。

I=i×S

(7)

式中：I为总保护电流，A；i为保护电流密度，20 mA/m2；S为被保护表层钢筋表面积，m2。

经计算获得各阴极保护区域的保护电流，详见表2。

表2 各分区保护电流

3 系统组成

由于保护对象所处环境及腐蚀特点的差异，对混凝土构筑物施加外加电流阴极保护时，将保护对象分为11个区。阴极保护系统主要组件包括阴极保护电源装置、辅助阳极、参比电极(ERE-20 MnO2)、电缆(阳极电缆、阴极电缆、参比电极电缆、测量电缆)、接线箱、阳极焊接片、阴极接地、测量接地。

4 现场安装施工

4.1 安装前检测

受外加电流阴极保护系统保护的钢筋混凝土结构中钢筋应保持较好的电连接性，否则当阴极保护系统运行时，电连接性不好的钢筋会受杂散电流影响，导致其加快腐蚀。因此，在安装前需分别对11个区的钢筋进行电连接性测试，每个区取8个钢筋点进行交叉测试，测试结果为11个区钢筋间连接电阻均小于1.0 Ω。

4.2 安装施工

现场安装是钢筋混凝土外加电流阴极保护系统整个项目的关键环节，它在一定程度上决定了阴极保护系统的成功与否。通过现场施工可以对设计方案进行论证和改进，现场安装施工的主要内容及流程如图4所示。

图4 阴极保护工程现场施工流程图

开阳极埋设槽是现场施工最主要的工作之一，开槽速度也成为制约整个工程进度的一个瓶颈。开槽时，先采用切割机割出两条相距一定宽度的沟线，再用电锤将中间部分的混凝土敲去，阳极埋设槽如图5所示。该开槽方法最大优势为槽宽一致，槽两侧平整，对混凝土的破坏较小，但效率较低。开槽结束后，还需对所有的槽进行检查，确保没有钢筋露头或细小扎丝存在，以防后期埋设阳极时与阴极接触，造成短路。参比电极和腐蚀监检测探头主要采用凿孔埋设方式，如图5所示，参比电极垂直于墙面埋设，埋设深度比电极长度长20 mm左右。

图5 参比电极埋孔及阳极埋设槽

阳极铺设时，需先用塑料铆钉将其全部固定在墙体阳极槽内，阳极上的开孔尽量小，直径在3 mm左右。采用氩弧焊焊接钛条与阳极，使阳极之间通过钛条实现电连接。焊接及塑料铆钉固定后的阳极如图6所示。用1 mm厚不锈钢条焊接出墙体作为阴极和测量接地，见图7。

图6 焊接及塑料铆钉固定后的阳极

图7 阴极和测量接地

在完成阳极、参比电极埋设，阴极和测量接地和阳极接头的焊接后，用专用修复砂浆填实墙面凹槽。阳极回填一定要保证填实，因为间隙会使阳极的接触电阻增大，导致通电后输出电压过大等问题。由于回填水泥较湿，回填时回路电阻会随着回填量的增加而逐渐减小，最低可能降至几欧姆，但只要确认无钢筋或扎丝与阳极短路，即可继续施工。待混凝土完全干燥后，用万用表测阴阳极之间的回路电阻，确保阴阳极之间未短路。参比电极的尾线通过出墙管引至墙外，出墙管可以保护尾线不受损坏，见图8。

图8 参比电极尾线引出及阳极回填

接线盒安装需先打好定位安装孔。然后，将胀管装入孔中，用十字螺栓将接线盒固定在墙上，见图9。

图9 接线盒安装图

4.3 安装效果测试

安装完成后对11个分区辅助阳极、阴极(钢筋)、参比电极、测量接地间进行测试，测试结果为：

a)辅助阳极连接电阻小于1.0 Ω;

b)阴极(钢筋)间连接电阻小于1.0 Ω；

c)辅助阳极与阴极间未短路；

d)参比电极与阴极间未短路。

测试结果均符合要求。

5 调试及保护效果

水泥基覆盖层通常需要在20 ℃下养护14 d，待所有水泥基覆盖层充分养护及所有导电涂层的溶剂充分挥发后，才能通电。系统调试时采用MnO2参比电极，所测电位均相对于参比电极。将欧洲标准BS EN 12696:2000《混凝土中钢筋的阴极保护》中断电24 h内电位衰减不低于100 mV作为阴极保护系统是否合格的判断标准。

系统运行一段时间后测量了11个分区在24 h内的电位衰减，结果见表3。从表3中可以看出：1～8、11区24 h内电位衰减均大于100 mV，满足BS EN 12696:2000标准的相关规定(断电24 h内去极化值大于100 mV)。9、10区电位衰减小于100 mV，因为9、10区电位较正。根据ASTM C-876:2015《混凝土中无涂层钢筋的腐蚀电位的标准试验方法》可知，当混凝土中钢筋电位正于-200 mV(相对于铜硫酸铜电极)时，钢筋腐蚀的概率小于10%。9、10区位于大气区，外墙刷漆，环境干燥，有效阻止了Cl-扩散进此区域的混凝土中，减少了Cl-对钢筋钝化膜的破坏，从而缓解钢筋的腐蚀。从电位判断9、10区钢筋应处于钝化状态，如果通过加大电流让此区域电位极化至100 mV以上，可能会使此区域钢筋过钝化而进入活化状态，反而会破坏钢筋表面钝化膜。