AP1000安全壳涂层老化对其传热性能的影响分析

熊壮

中核集团三门核电有限公司，浙江杭州 317112

1 概述

涂料广泛应用于核电机组的核岛、常规岛和BOP区域，是电站腐蚀防护的重要手段之一。按照涂层使用区域和功能要求的不同，核电站用涂层分为核级涂层和非核级涂层。非核级涂料主要用于普通场所，如常规岛钢结构、设备和管道等。而核级涂料主要用于存在核辐射的场所和结构，如钢制安全壳、核岛钢结构、混凝土结构等。

AP1000机组安全壳为钢制安全壳，承担了事故后安全壳内热量导出的功能，是非能动安全壳冷却系统最重要的一环，为了保证事故后安全壳内热量的顺利导出，安全壳所用涂层除了具备良好的耐腐蚀性能外还需要具备较好的热传导性能。根据美国AP600模型堆的设计经验，AP1000在设计上选用了无机富锌涂层作为安全壳主要传热界面的防腐涂层。

2 传热性能要求

根据AP1000的设计要求，钢制安全壳用无机锌涂层的传热性能主要包括以下两个方面的要求：

2.1 传热性能

根据AP1000的设计要求，在事故后，安全壳承担将安全壳内大气热量传递给安全壳外大气的功能。而安全壳表面的涂层会影响DBA后的热量传输，并进而影响安全壳的设计计算。为了保证安全壳内热量的正常导出，并正确计算DBA条件下安全壳的温度/压力响应，安全壳无机锌涂层的最小热传导率需不低于0.302BTU/hr-ft-℉

2.2 润湿性

AP1000钢制安全壳内、外表面的涂层在非能动安全壳冷却系统触发时应能保证足够的润湿性。润湿性合格的情况下，非能动安全壳冷却系统触发时，在额定的流量下，钢制安全壳表面能形成稳定的水膜，通过蒸发传热的方式实现PCS的冷却功能。

3 无机富锌涂料成膜机理

AP1000钢制安全壳内外壁的主要传热界面在设计上采用无机富锌涂层，以硅酸乙酯的水解产物物作为成膜物质，锌粉作为填料，通过硅酸乙酯与空气中的水蒸气发生反应而固化成膜。硅酸乙酯的水解与缩合是一个非常复杂的过程，这一过程可以概括为以下3种反应类型：

-Si-OR+H2O→-Si-OH+ROH（1）

-Si-OR+HO-Si→Si-O-Si+ROH（2）

-Si-OH+HO-Si→Si-O-Si+H2O（3）

式（1）为水解生成硅醇（-Si-OH）的反应，式（2）为缩合生成醇的反应，式（3）为缩合生成水的反应。部分水解的硅酸乙酯水解预聚体在钢材表面进一步吸收空气中的水蒸气而缩合交联，加上涂层的成膜反应，最终形成无机锌涂层。

离散的锌粉颗粒与成膜物质发生反应，形成致密的网状聚合物。成膜物质的结构由Si-O键构成（如图5-1所示），区别与传统有机涂层的结构由C-C键构成，Si-O键的键能更高，而且Si-O为致密坚固的氧化态，更为稳定，从结构上保证了无机锌涂层不易受到外界环境的影响。

4 传热分析

4.1 导热性能

按照AP1000涂料供应厂家提供的数据，钢制安全壳无机锌涂层主要由以下几类物质构成：锌粉（46%）、硅酸乙酯（17%）、云母（1%）、空隙（26%）、TiO2（2%）等。关于传热分析，国外已开展大量的研究工作，并建立了各种各样的分析模型，目前业内较为成熟，认可度较高且更适用于无机锌涂层的热传导率模型为克里斯彻（Krisicher）模型。

Z=经验公式的权重因子。

根据以上模型保守计算得出无机锌涂层老化后的最小热传导率约为0.53Btu/hr-ft-F。高于技术规格书中要求的最小热传导率0.302Btu/hr-ft-F。

4.2 润湿性能

无机锌涂层的润湿性能与表面的接触角以及表面微观组织状态（孔隙、颗粒尺寸和数量等）有密切关系。涂层微观结构如下图所示，可以看出，无机锌涂层颗粒在3-10μm，被粘结剂所包覆，形成致密的保护结构。通过降低表面张力可以提高润湿性，表面的极性直接影响着表面张力，由于氧化锌为极性分子，其有利于提高表面和液滴之间的分子力，进而有利于润湿性的提高，更能保证PCS水膜覆盖的均匀性。

新涂层形貌

老化后涂层形貌

4.3 锌粉氧化对传热性能的影响

随着无机锌涂层在大气环境中的服役，单质锌粉将逐渐氧化形成锌的氧化物，由于锌的氧化物密度低于单质锌，因此在理论上，随着锌粉的逐渐氧化，涂层的体积将会逐渐变大，涂层体积变大将会导致其厚度增加进而影响其传热性能。

查阅材料手册可得，锌的密度为7.14g/cm3，而氧化锌的密度为5.61g/cm3，通过换算可得，锌的氧化过程，其体积将会增加约27%，根据前文涂料供应商的数据，如果涂层中的锌粉全部发生氧化，其体积将从46%增大到58%，但由于原涂层中尚有26%为空隙，锌粉氧化后的体积增大不足以填充所有空隙，因此随着锌粉的不断氧化，涂层厚度并不会有显著变化，进而可以得出结论，锌粉氧化后对涂层的传热性能不会产生显著影响。

国内某AP1000电厂曾开展过安全壳无机锌涂层老化对其传热性能的影响研究工作，通过对无机锌涂层进行加速老化试验（盐雾、辐照、LOCA的叠加试验）后测得其热传导率、润湿性及涂层厚度均无显著变化，进一步验证了以上理论分析的合理性。

5 结语

核电站的防护涂层，并不单单是为了防腐目的，更多的是为了核电站的安全运行。AP1000核电站安全壳涂层最主要的特点在于其对传热性能的要求，通过理论分析和试验验证可以得出结论，随着无机锌涂层的老化，其传热性能不会产生显著变化，仍然能保证事故后安全壳内热量的正常导出。