AP1000 核电站CA01结构模块的环氧涂层缺陷

梁现伟,胡 赢(国核工程有限公司海阳SPMO，海阳 265116)

AP1000 核电站CA01结构模块的环氧涂层缺陷

梁现伟,胡 赢
(国核工程有限公司海阳SPMO，海阳 265116)

根据海阳AP1000施工现场CA01模块环氧涂层的缺陷情况，系统介绍和分析了CA01结构模块在施工和涂层保护过程中对涂层的要求和涂层耐候性。

核电站；CA01；结构模块；环氧涂层； 缺陷；耐候性分析

AP1000是美国西屋公司开发的第三代压水堆核电技术，AP1000最大的特点是采用非能动系统和模块化施工的设计理念[1]。建造优点是可以在保证施工质量的同时，减少现场的施工量从而缩短核电站的建设工期。其中，CA01结构模块位于核岛安全壳内，且核岛主设备压力容器、蒸汽发生器、稳压器、一回路主管道及波动管均安装在CA01结构模块中，因此CA01结构模块涂层的质量将直接影响结构体的安全性能和主设备的工作环境[2]。本工作结合CA01结构模块的施工过程及周围环境，系统分析了CA01结构模块涂层的缺陷情况和可能产生缺陷的原因，并从理论和实际相结合的角度提出预防和保护措施。

1 CA01结构模块简介

AP1000核电站CA01结构模块，如图1所示，总体结构尺寸为25 m×29 m×26 m，相当于1座7层高的楼房，由47个子模块组成，整体模块的质量达450 t。这个T字形结构模块分为换料水池、两个蒸汽发生器腔室和压力容器腔室，模块基材主要有不锈钢和碳钢，其中结构模块需涂刷油漆的碳钢外表面积约为2 058 m2，内表面积约为1 946 m2，模块在整体施工过程中油漆涂装量非常大,这对CA01结构模块油漆涂装施工和过程质量控制都是挑战。

1.1 CA01结构模块的施工

CA01结构模块整个施工过程共有四个主要施工阶段[3]，具体施工流程如下：

首先,CA01结构模块车间预制，该阶段工作主要在设备厂车间内完成，并在预制时完成CA01结构模块大部分表面油漆涂装工作;预制工作完成后需将CA01预制组件运至核电站现场，在CA拼装场地完成CA01结构模块的拼装，并在拼装后完成CA01结构模块组队焊缝的表面处理及补漆工作。上述工作完成后，根据施工进度安排进行CA01结构模块的吊装就位;最后,再对CA01结构模块墙体进行自密实混凝土(以下简称SCC)浇筑工作。CA01结构模块在预制车间油漆涂装完成,现场安装就位后完成SCC浇筑，最终顶封头CVTH吊装就位，其间CA01结构模块需露天存放数年。

1.2 CA01结构模块的涂层

根据AP1000设计要求，AP1000核电站CA01结构模块选用Carboguard890N(K)涂层，该涂层是一种环氧树脂漆，符合美国核管会发布的RG.1.54《关于核电厂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ服役级涂层》[4]和美国材料协会ASTM D5144的要求。Carboguard890N(K)涂层为CSL(Coating Service Level)FI-Ⅱ级涂层，具有较强的耐火性和耐化学腐蚀性，同时具有一定的防辐照和防污功能，其施工技术参数如下：喷砂等级SSPC-SP5，基材表面粗糙度40～75 μm，漆膜厚度100～200 μm。

(a) 模块平面布置(内部黑色部分)(标高.100′-0″&107′-2″)

(b) 模块框架示意图1 CA01结构模块Fig. 1 Layout chart (a) and framework sketch (b) of CA01 structural module

2 CA01结构模块涂层缺陷情况

2.1 涂层缺陷形貌

由于海阳核电站建设在黄海边，海洋大气的湿度很大，加之海洋大气环境中的盐雾含量和盐雾沉降量都很大，使得模块更容易发生腐蚀,涂层更容易出现老化现象。CA01结构模块涂层表面主要存在漆膜龟裂、剥落，污染缺陷，对模块龟裂部位进行漆膜剥离检查，未发现基材生锈迹象；采用胶带或拉拔仪对表面涂层进行附着力测试，发现CA01结构模块30.48 m以下涂层与基材表面基本丧失附着力，缺陷详见图2。

(a) 漆膜龟裂

(b) 漆膜剥落图2 CA01结构模块缺陷形貌Fig. 2 Defect morphology of CA01 structural module: (a) alligatoring of film; (b) desquamation of film

2.2 涂层缺陷分布

经现场排查发现，CA01结构模块涂层缺陷主要集中在模块中部和底部，如：W-SG房间(内墙)和E-SG房间(内墙)的漆膜龟裂均主要出现在模块中部和底部，其中底部较为严重，出现漆膜大面积剥落现象。CA01结构模块外墙区域41.148 m以上部分，漆膜外观基本完好，未出现漆膜剥落缺陷，但表面污染严重。根据CA01结构模块图层缺陷分布情况，涂层缺陷严重部位主要集中在潮湿或表面长期结露的模块底部。

3 涂层缺陷原因及耐候性分析

3.1 不合适的表面处理

CA01结构模块在预制施工期间，产生的粉尘是造成涂层剥落、龟裂不能忽视的因素。通常尘土会通过湿沉降的方式沉积在处于沿海地区的钢结构表面，为金属表面吸附水膜和电化学腐蚀创造了条件，也阻碍了环氧树脂中的醚键和羟基与金属表面产生物理和化学作用力。在油漆喷涂前，若未能及时除去尘土和水膜，或基材表面粗糙度不满足设计要求，可能会降低漆膜的附着力，影响漆膜成型质量，从而可能引起后续漆膜的脱落，或由于附着力的丧失使大气水分进入漆膜与基体间，导致模块从基材开始锈蚀。

3.2 不合适的喷涂及养护环境

喷涂过程及养护环境是影响涂层质量最直接的因素，也是使油漆施工质量得到保证的重要环节，一般情况下，环境温度需大于10 ℃，湿度不高于80%，基材表面的温度比周围空气的露点至少高于5℉(约3 ℃)，且风速不宜过大,详见表1。因此，需对作业环境中任一因素进行有效的质量控制，才能保证涂层质量，否则将导致漆膜存在一定的缺陷风险，从而降低漆膜的耐久性。

表1 Carboguard890N (K)油漆涂装环境Tab. 1 Coating environment of carboguard890N (K) coating

3.3 交叉作业，缺少防护

CA01结构模块吊装就位后，模块本体后续存在大量的OLP板、支架及贯穿件安装焊接，且安装时由于施工人员缺乏对漆膜成品保护的意识，会造成安装物项周围漆膜的破坏，且安装焊缝和临时附件拆除区未能及时补漆，造成模块局部锈蚀严重，遇雨后锈水污染漆膜。CA01结构模块周边存在大量的安装、打磨、焊接及脚手架施工等施工作业，且交叉作业施工时未对模块表面的漆膜采取合适有效的保护措施，造成漆膜的烧伤、划伤，从而遇雨、水即会出现返锈和漆膜污染，这是影响漆膜表面污染的主要因素之一。

3.4 不合适的清理措施

蒸汽发生器和稳压器就位前，在对CA01结构模块漆膜表面污染及附着物进行整体清理时，采用白布蘸水擦洗，然后用40目的砂纸打磨清理附着物(40目的砂纸砂粒的粒径超过200 μm)，且清理后未能及时对模块表面进行涂漆，由于砂纸打磨过程中极易划透漆膜，致使划伤的漆膜对空气、水汽的隔离作用大幅降低，水汽透过划伤的漆膜进入基材表面，很容易造成基材锈蚀，引起的表观现象就是起泡，剥开鼓包底部基材已严重锈蚀,这是加重CA01结构模块涂层失效的主要因素之一。

3.5 模块SCC及温度的影响

CA01结构模块安装就位后，需对模块钢板墙内进行SCC分层浇筑，在进行SCC浇筑时，下料或振捣会对模块表面钢板产生一定的振动和变形，这可能会影响漆膜的整体性。且在SCC施工后，混凝土在凝固时由于水化热将释放一定的热量，使模块钢板发生微量的热胀冷缩，而油漆面由于长期受到污染以及环境温度的影响其表面张力减小，从而钢板的热胀冷缩与漆膜的变形一致。因此,可能导致模块漆膜受拉伸出现龟裂缺陷。

3.6 模块涂层的耐候性

CA01结构模块使用Carboguard890N (K)油漆，这是一种环脂肪族胺固化型环氧树脂漆，通过聚醚胺、异佛尔酮二胺中的胺基与缩水甘油封端双酚A环氧氯丙烷共聚物的环氧基团发生交联反应，从而发生固化成漆膜。该环氧树脂分子结构中所含有大量的醚键(-O-)和羟基(-OH)，其中包括环氧树脂与胺类固化剂固化后所生成的醚键和羟基都是强极性基团，这些基团可以使环氧树脂分子与基材表面，特别是与金属表面，通过物理作用力和羟基与金属表面形成的化学作用力，产生非常强的附着力和黏结力。但Carboguard890N (K)油漆中少量的苯环造成漆膜在长期紫外线的照射下，也会引起轻微黄变，致使脆性变大。根据CA01结构模块涂层的分子结构所反应的性能，Carboguard890N (K)油漆作为核级涂层是最佳的选择，但该涂层自身性能不耐紫外线照射，不合适长期露天存放。

AP1000核电站具有开顶化施工的特点，在CA01结构模块就位至CVTH就位间隔数年，在此期间CA01结构模块长期处于露天环境，周围区域一直处于多专业多层面的交叉作业状态，灰尘较大，这将引起模块漆膜污染、泛黄等表观缺陷。AP1000核电站地处海洋性气候环境中，施工现场雨天多、降雨量大、空气湿度大，且水气中含有一定的盐分，同时，由于核电站现场CA01结构模块，无任何防雨措施和保护措施，雨水及凝结的露水直接沉积在未封闭的房间内，造成CA01结构模块底部的积水现象。同时，由于地理位置的原因，年平均温度较低，加之CA01结构模块30.48 m以下无阳光照射，温度更低，模块表面长期结露。环氧涂层长期受雨水和表面露水的浸泡导致涂层溶胀，温度偏低导致涂层的脆化，降低涂层对钢材表面的附着力。这就致使模块底部漆膜极易产生漆膜缺陷，且漆膜一旦产生缺陷或不致密就会导致水汽进入漆膜内，引起锈蚀。这也是CA01结构模块环氧类涂层不具有耐候性的主要原因。

4 结论

CA01结构模块表面所采用的环氧涂层，从分子结构及涂层自身特性分析，该涂层具有较强的耐腐蚀性能，具备核电厂LOCA事故工况情况下的耐辐照和耐盐雾腐蚀的性能，并具有一定的防污功能。但该涂层在紫外线长期照射下，该涂层会轻微黄变，脆性变大，结合其自身特点，该涂层作为核级涂层可以用于安全壳内。但该涂层在设计时未充分考虑AP1000核电站开顶化施工建造的特点，即CA01结构模块从车间预制，到最终核电站投入运行，需要露天存放数年，并在存放过程中长期遭受紫外线照射，且长期饱受沿海高盐分雨水、雾气及露水对模块表面的冲刷及影响，造成涂层本身性能大幅降低。再加上在后续物项的安装及交叉作业时，未对涂层表面进行有效防护，造成了涂层被破坏和污染，加快了基材的锈蚀，尤其是在主设备吊装前，采用不合适的清理方式对涂层表面污染进行清理，更是直接破坏了漆膜的完整性，最终导致CA01结构模块涂层出现大面积失效缺陷。

[1] 林诚格，郁祖盛. 非能动安全先进压水堆核电技术[M]. 北京：原子能出版社，2010.

[2] 孙汉虹. 第三代核电技术AP1000[M]. 北京：中国电力出版社，2010.

[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，2013,3(11):20-23.

[4] 何曼君，张红东，陈维孝，等. 高分子物理[M]. 上海：复旦大学出版社，2007.

Epoxy Coating Defects of CA01 Structural Module in AP1000 Nuclear Power Plant

LIANG Xianwei, HU Ying
(State Nuclear Power Engineering Company Haiyang SPMO, Shandong 265116, China)

Based on the defects of epoxy coating on CA01 structure module surface at Haiyang AP1000 construction site, this article introduces and analyzes the coating requirement and weatherability of CA01 structure module during the process of construction and coating protection.

nuclear power station; CA01; structural module; epoxy coating; defect; weatherability analysis

2015-10-20

梁现伟(1983-),工程师,本科,从事土建施工技术、防腐、保温施工技术工作

10.11973/fsyfh-201707002

TG174.4

B

1005-748X(2017)07-0496-03