AP1000核电厂钢制安全壳外壁涂层混凝土污染的防治

李重阳*，冀建龙，尹清斌

（国核工程有限公司，上海 200223）

AP1000核电厂钢制安全壳外壁涂层混凝土污染的防治

李重阳*，冀建龙，尹清斌

（国核工程有限公司，上海 200223）

介绍了AP1000核电厂钢制安全壳涂层施工逻辑，指出屏蔽墙混凝土浇筑施工是钢制安全壳外壁污染的主要原因。提出采用涂刷临时防锈漆、覆盖保护膜及混凝土施工防护等防治措施，并从经济性、安全性等角度进行分析比较，确定屏蔽墙混凝土施工防护是最优化的措施。

核电厂；钢制安全壳；混凝土浇筑；污染；防治措施

AP1000是由美国西屋电气公司研发，由我国引进的第三代大型先进非能动压水堆，以先进的“非能动安全系统”的设计理念备受世界瞩目。钢制安全壳(Containment Vessel)是AP1000核电站中重要的核级模块，也是非能动功能实现的主要载体，其作为非能动安全壳冷却系统的传热面，用于在导致安全壳内温度和压力升高的设计基准事故(LOCA)或主蒸汽管道破裂等情况下，导出安全壳内的热量，使安全壳内的温度和压力不超过设计限值。因而，其表面的涂层不仅要保证碳钢在正常运行期间的良好耐蚀性，而且必须具有一定的导热性[1]。但由于施工工期长，海阳和三门1#、2#机组钢制安全壳在现场就位后受到交叉施工以及成品保护不力的影响，导致其外表面遭受大面积的混凝土污染及破坏，较严重地影响了其涂层防护和非能动安全性能。因此，本文简要分析了钢制安全壳外壁混凝土污染的主要原因，并提出相应的防治方法，为后续项目钢制安全壳涂层施工防护提供参考。

1 钢制安全壳外壁混凝土污染分析

1. 1 钢制安全壳外壁涂层施工逻辑

AP1000钢制安全壳是独立的带上下椭球封头的圆柱形钢制容器，按照ASME III NE分卷−MC级设备(金属安全壳材料)的要求设计制造，由6个主要结构模块(即底封头、第一环、第二环、第三环、第四环和顶封头)组装建造而成，每个模块都由预先成型的SA-738 Gr.B钢板拼接焊制而成[2]。安全壳结构如图1所示。

钢制安全壳外表面涂层选用卡宝拉因公司产品，其类型为无机锌涂层IOZ(Inorganic Zinc，无面漆)，产品型号为Carbozinc 11HSN，有效干膜厚度不超过0.152 4 mm(6 mil)。因其具备良好的耐蚀性、导热性以及润湿性能，因而对AP1000核电站的正常运行和设计基准事故后的事故处理都有着重要的安全功能，故其涂层均为安全相关涂层[3]。AP1000技术大量采用模块化施工技术，多专业平行施工，以节省建设工期。钢制安全壳也采用预制施工的方法进行制造，其主要制作流程依次为车间模块预制、现场拼装场地焊接成环以及最后吊装至核岛组装成整体，其外壁的涂层施工逻辑根据钢制安全壳制作流程也分为车间预制喷涂及现场组装后焊缝涂层修补两部分。由此可见，钢制安全壳内外壁涂层大部分均在车间预制时喷涂完成，一方面是因为车间施工条件佳、能够较好地保证涂层质量，另一方面是为了减少现场工作量，降低缺陷率，节约工期。

1. 2 钢制安全壳外壁混凝土污染原因分析

不同于通常压水堆的预应力混凝土钢内衬安全壳，AP1000的安全壳由两层组成，其内层为圆柱形钢制安全壳，外层为钢筋混凝土屏蔽墙，主要起辐射屏蔽和保护内部结构的作用，两者为相互独立存在的实体。外层钢筋混凝土屏蔽墙是随内层钢制安全壳在核岛分环就位后，依次分层现浇而成，其浇筑进度依据内层钢制安全壳的现场拼装进度而定。现场采用泵车浇筑方式，由于在浇筑前及浇筑过程中，施工及现场管理人员的成品保护意识不足，未充分考虑到现场浇筑混凝土墙对钢制安全壳的影响，同时混凝土屏蔽墙与安全壳之间间隙较小，施工空间不充裕，加之其影响面积广，防护措施施工较困难等原因，导致混凝土在下料及下料管提升过程中溅射至钢制安全壳外壁，造成钢制安全壳外壁涂层大面积被混凝土污染，其表面分布着大量的混凝土结块、砂浆流淌(如图2所示)，污染面积甚至超过总表面积的一半有余。

图1 AP1000钢制安全壳结构示意图Figure1 Structural diagram showing the structure of containment vessel shell

图2 AP1000钢制安全壳外壁混凝土污染典型照片Figure2 Photos of concrete contamination outside containment vessel shell

1. 3 混凝土污染对钢制安全壳涂层性能的影响

AP1000钢制安全壳作为非能动安全壳冷却系统的主要传热界面，其表面涂层必须满足传热相关性能要求。根据AP1000的设计要求，在事故后，安全壳承担着将安全壳内大气热量传递给安全壳外大气的功能。为保证事故工况下安全壳内大气热量的顺利导出，钢制安全壳外壁涂层需满足热传导率≥0.6 W/(m·K)的要求[4]。另外，在非能动安全壳冷却系统触发时，在额定的水流量下，钢制安全壳表面要能形成稳定的冷却水水膜，通过水分的蒸发来吸收从安全壳内部排出的热量，以增强涂层的热传导性能。因此设计中为满足钢制安全壳外壁涂层的润湿性要求，规定水滴在涂膜表面的浸润角不大于35°[4]。

由于钢制安全壳外壁涂层在屏蔽墙混凝土施工过程中遭受大量混凝土渣及水泥浆的污染，这些污染将直接导致涂层质量不符合设计要求，同时大块的混凝土渣及水泥砂浆附着在涂层表面将对安全壳的热传递造成不利影响，降低其热传递效率。更为严重的是，大面积的水泥混凝土污染将会影响事故工况下非能动安全壳冷却系统冷却水水膜的形成，导致安全壳外壁表面形成的水膜不均匀，使得安全壳外表面的浸润面积及浸润角不符合润湿性要求，这将直接影响非能动安全壳冷却系统功能的正常运行，严重时将危及整个核电站的安全。

2 钢制安全壳外壁防止混凝土污染的措施及建议

基于钢制安全壳外壁混凝土污染的严重性及其带来的不利影响，通过对施工工艺、施工环境、施工过程等因素进行详细分析，提出了防止安全壳外壁涂层混凝土污染的相关措施和建议，并从技术、经济及安全角度进行对比。

2. 1 措施一──优化涂层施工逻辑

由于钢制安全壳外壁混凝土污染是在安全壳安装就位后，现场浇筑混凝土屏蔽墙过程中产生的，其先就位后混凝土施工的施工顺序不可改变，因此为防止安全壳外壁涂层被混凝土污染，可以对钢制安全壳外壁涂层的施工逻辑进行优化，即钢制安全壳在车间预制时只涂刷一层厚度适宜的临时防锈漆，以保护碳钢板免受腐蚀，保证质量性能要求，待运输至现场拼装场地拼接成环后，对焊缝仍只涂刷临时防锈漆以防止锈蚀，最后待屏蔽墙施工完成后，钢制安全壳相关系统整体移交前，去除钢制安全壳外壁全部的临时防锈漆，然后按照技术文件要求整体涂刷正式油漆。该方式可避免钢制安全壳外壁在涂刷正式油漆后再次被混凝土污染，同时能较好地保证涂层施工质量。

2. 2 措施二──增加防护措施，防止混凝土墙施工的影响

钢制安全壳外壁混凝土污染的最直接原因是屏蔽墙混凝土施工时的溅射，归根到底是在进行混凝土施工时采取的成品保护措施不当。因此，可以在进行混凝土施工前，结合现场实际情况，做好充分的防护措施后再进行混凝土施工，防止施工过程中混凝土泥浆溅射至安全壳外壁，污染涂层。具体措施为增加屏蔽墙内模板高度，其高度至少能覆盖浇筑过程中溅射影响区，同时在混凝土屏蔽墙内侧与钢制安全壳筒体之间搭设的脚手架上使用三防布进行遮挡，进一步降低混凝土浇筑过程中溅射到筒体外壁的可能性。

2. 3 措施三──采取保护膜措施

由于在浇筑屏蔽墙过程中混凝土溅射至钢制安全壳外壁后凝结成块，去除非常困难，只能采取连同涂层和污染物全部去除后再次重新喷涂涂层的方式进行处理，成本较高，因此提出在安全壳外壁涂覆保护膜的方式对其外壁涂层进行保护的措施。具体方法为：钢制安全壳在车间预制完成并喷涂正式油漆后，及时在其表层覆盖一层防护性能好的保护膜，待安全壳在现场整体拼装完毕，混凝土屏蔽墙施工完成后，在钢制安全壳相关系统移交前，再对其整体外壁保护膜进行清除。该方式能有效地隔离涂层与混凝土污染物，避免了两者直接接触，最终能较好地保证涂层免遭混凝土泥浆的污染。

2. 4 三种防护措施的比较分析

以上三种措施建议都能较好地避免屏蔽墙混凝土浇筑时污染钢制安全壳外壁涂层，但都有各自的优势和劣势。以下分别从技术可行性、经济性及安全性的角度对三种措施进行全面分析比较，以优选出最佳的防护措施。

采取优化涂层施工逻辑的方法，其优点在于车间预制时临时防锈漆涂层施工简单，前期人材机消耗少，移交前无需采取相关的成品保护措施，后期涂刷正式涂层能获得较好的涂层质量及外观。但缺点在于临时防锈漆仍需达到设计要求的相关技术要求，会增加较高的额外成本，而且后续核岛现场施工作业空间有限，涂层质量可能不及预制车间时的涂层质量。另外，现场拼装完成后会存在不易处理的区域(如凹槽部分)，临时油漆难以去除，从而影响后续正式涂层施工质量。还有，由于在现场进行处理，可能会影响施工总工期。

采取增加防护措施防止混凝土墙施工影响的方式，其优点在于防护成本较低，易于现场控制，不会影响现场施工进度；缺点则在于防护效果可能不理想，仍会存在一些遗漏区域，这些位置可能也会受到混凝土泥浆的污染。

采取覆盖保护膜措施的方法，优点在于操作简单，防护效果好，但也存在严重的缺陷。钢制安全壳模块从预制到现场拼装完成，再到最后移交前，需历经几年的时间，在经过长达几年的覆盖之后，保护膜层的溶胶已渗透进入钢制安全壳表面涂层内(无机锌涂层表层为疏松多孔结构)，去除极为不易，严重时将影响涂层的安全性能。同时，保护膜层覆盖时间较久后也较易脱落，最后导致无法形成良好的防护功能。另外，施工现场为了安全保障，要求所有的防护材料必须具备防火性能要求，故保护膜材料选择面较窄，不易采购。

综上所述，涂刷临时防锈漆及采取保护膜措施的方法在经济性及安全性方面均存在较大缺陷，不利于现场实际操作，而增加屏蔽墙混凝土施工防护措施的方法可行性较大，防护效果较好，同时成本较为低廉，是最优化的防护措施。

[1] 谭功理, 王晰. AP1000核电站钢制安全壳防护涂层的设计[J]. 电镀与涂饰, 2012, 31 (9): 66-70.

[2] 林诚格. 非能动安全先进核电厂AP1000 [M]. 北京: 原子能出版社, 2008.

[3] 林金平, 黄娜. AP1000核电站钢制安全壳涂装质量控制[J]. 电镀与精饰, 2013, 35 (11): 20-23.

[4] 熊壮. AP1000核电站钢制安全壳保护性涂层探讨[J]. 中国涂料, 2012, 27 (5): 58-62.

[ 编辑：温靖邦 ]

《电镀与涂饰》持续被Inspec数据库收录

英国工程技术学会IET（The Institution of Engineering and Technology）的网站（www.theiet.org）公布了截至2016年12月Inspec（Information Service in Physics, Electro-Technology, Computer and Control）数据库的索引期刊目录，《电镀与涂饰》（Electroplating & Finishing, ISSN 1004–227X）位列其中。

Inspec的纸本是“科学文摘”（Science Abstract，简称SA，始于1898年），由IET（前身IEE，1871年成立）出版，是理工学科最重要、使用最为频繁的数据库之一，也是全球在理工科领域最权威的二次文献数据库之一。Inspec中的每一种期刊都是通过客观评价，且按照高标准的要求而选择出来的，有效地杜绝了混乱和繁杂的信息，可确保提供准确、有意义和及时的数据。Inspec的专业面覆盖物理、电子与电气工程、计算机与控制工程、信息技术、生产和制造工程等领域，并覆盖材料科学、海洋学、核工程、天文地理、生物医学工程、生物物理学等领域的内容，为物理学学家、工程师、信息专家、研究人与科学家提供了不可或缺的信息服务。

据统计，目前Inspec总共收录4 215种期刊，其中中国大陆期刊260种（约占6.2%），《电镀与涂饰》是国内表面处理及涂料涂装领域唯一被收录的专业性期刊。

Prevention of containment vessel from concrete contamination caused by shield building construction in

AP1000 nuclear power plant

LI Chong-yang*, JI Jian-long, YIN Qing-bin

The procedure of coating construction on containment vessel shell in AP1000 nuclear power plant was introduced. It is pointed out that the construction of concrete shielding wall is the main cause of contamination to the outer walls of the containment vessel. Some preventive measures were presented, such as application of temporary anticorrosive coating, use of protective films and shielding during concrete placement, and comparatively analyzed in respect to economy and safety. Adopting protection during concrete placement is determined to be the best solution.

nuclear power plant; containment vessel shell; concrete placement; contamination; preventive measure

TQ639.2; TU764.14

B

1004 – 227X (2017) 06 – 0320 – 04

10.19289/j.1004-227x.2017.06.011

2017–01–01

2017–02–20

李重阳（1988–），男，湖北枝江人，硕士，工程师，现就职于国核工程有限公司AP1000 NI海阳SPMO施工管理部，从事防腐油漆施工管理工作。

作者联系方式：(E-mail) lichongyang007@163.com。

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