CAP1400核电站屏蔽厂房结构特性与老化管理研究

吕 阳 张永良 方奇术 修振野

（1. 国核示范电站有限责任公司，山东 荣成 264300；2. 国家电投集团电站运营技术（北京）有限公司，北京 112209）

0 引言

CAP1400机组通过对西屋引进的AP1000的设计与实施基础上，全面系统进行自主化概念设计，相关分析结果表明CAP1400的安全性不低于AP1000，电厂经济性估算表明经济性也更为优异。作为CAP1400核电厂核心厂房反应堆厂房，由安全壳厂房和屏蔽厂房组成。安全壳厂房包括钢制安全壳容器和其内的所有结构。屏蔽厂房是围绕在安全壳容器周围的建筑结构。两者共同为安全壳内的RCS和其它放射性的核设备提供必要的屏蔽，屏蔽厂房为安全壳厂房提供对外部事件如龙卷风及其产生的飞射物的保护。屏蔽厂房的底板和结构墙与辅助厂房结构性相连。屏蔽厂房被辅助厂房包围保护的部分为厚度1100mm的钢筋混凝土结构，高于辅助厂房部分为墙体为1100mm的厚钢板混凝土结构。屏蔽厂房结构示意图如图1所示。

图1 屏蔽厂房结构图示

为了研究大尺寸钢板混凝土结构特性，2016年北京工业大学开展了CAP1400核电厂双钢板混凝土组合墙体面内抗震性能试验研究，并采用1:5缩尺模型进行试验验证，对高剪跨比双钢板混凝土组合墙体进行面内低周反复荷载试验，试验设计参数为不同的栓钉间距和不同抗剪连接件，分析其对双钢板混凝土组合墙的抗震性能的影响。试验研究表明双钢板混凝土组合墙具有良好的承载力、抗侧刚度、延性、耗能能力及抗震性能[1,2]。2018年我国颁布了“核电站钢板混凝土结构技术标准”国家标准[3]，但对于核工程大尺寸双钢板混凝土剪力墙的研究还处于初级阶段，需要进一步研究受力机制以及破坏机理等。使用钢板混凝土与钢筋混凝土为主要构成的屏蔽厂房作为核电站不可更换构件，随着使用年限的增加，在外部载荷和环境作用下，老化降质问题不可避免，如果老化不能被缓解，将会降低设计提供的安全裕度，从而增加对公众健康和安全的风险。

通过对屏蔽厂房结构材料进行分析，总结老化降质机理，探讨老化检测方法，提出屏蔽厂房老化管理建议，掌握屏蔽厂房的老化现状和寿命状态评估，对CAP1400核电厂安全运行具有重要意义。

1 屏蔽厂房结构特性

屏蔽厂房包围在钢制安全壳容器，与辅助厂房、安全壳容器共用一个基础底板，有屏蔽射线和抵御外部事件（飓风、外来飞射物等）的功能，同时，屏蔽厂房屋顶非能动安全壳冷却水箱及分配系统，在事故工况下为钢制安全壳提供冷却水源。屏蔽厂房作为抗震类构筑物，屏蔽厂房内直径45.77m，地上标高75.65m，整体厚度1100mm（局部厚度为1500mm）其结构，钢板混凝土钢板材料为Q345、栓钉为A108和混凝土为C55自密实混凝土。

典型的钢板混凝土结构如图2所示，其主要由两侧钢面板组成，钢板表面焊有栓钉。钢板之间通过钢桁架连接，桁架作为结构模块的骨架，使钢面板之间保持距离，在运输和建造过程中对结构模块起支撑作用，在混凝土浇筑时作为钢面板模板的拉杆作用，加劲肋能够有效提高墙体整体刚度、承载能力和延展性。

图2 钢板混凝土钢构件示意图

2 屏蔽厂房老化机理认知

CAP1400核电厂屏蔽厂房分为钢板混凝土、钢筋混凝土、屋顶水箱钢平台以及CB20屋顶水箱组成，由于与M310堆型的预应力混凝土安全壳和钢内衬的结构和材料不同，因而其老化机理也不同。

2.1 屏蔽厂房钢板混凝土的老化机理

金属材料由于周围介质的化学作用或电化学作用引起的腐蚀是主要老化机理，金属腐蚀按环境不同分为大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、细菌腐蚀等，其中大气腐蚀最为普遍，钢板等构件在加工、运输、储存保管和使用过程中都与大气接触，形成产生大气腐蚀的条件。

钢板混凝土内外层为低合金高强钢钢板，影响钢板混凝土的因素主要有为大气环境腐蚀，滨海核电站海风或雨水中氯离子含量高、空气常年湿润等导致较强的环境腐蚀；当钢制安全壳的保护涂层失效，失效部位金属基体直接与大气接触，引起加速腐蚀。在钢制安全壳的焊接处、临近混凝土部位及与不同构件交接临近处，不同材料间自然电位差导致的电化学腐蚀也是其老化机理之一。从经验反馈来看，钢制安全壳常见的老化现象主要为均匀腐蚀、局部腐蚀及涂层降质三种情况，其中尤以均匀腐蚀最为常见。

2.2 钢板混凝土钢构件均匀腐蚀

均匀腐蚀是指与环境接触的整个金属表面以几乎相同的速度发生腐蚀，钢板混凝土钢构件的老化失效以均匀腐蚀为主，均匀腐蚀减薄速率与钢制安全壳的成分和所处环境有关。对于Q345和Q420C低合金钢材料，在空气或潮湿环境中生成的腐蚀膜是疏松的，无法提供有效的防护，腐蚀是匀速的，但当材料处于极端恶劣的环境中时，有可能出现加速腐蚀的现象。均匀腐蚀并不改变材料的化学成分以及晶体结构，只是均匀地减小构件的厚度，导致其承载力下降，甚至发生泄漏。美国的Nine Mile Point核电厂1号机组的钢制安全壳曾经发生过这类案例，该机组的安全壳水线以下的环形钢板由于未覆盖涂层而发生了均匀腐蚀，超声检测结果显示部分区域的厚度甚至已经接近最小要求厚度。美国的 McGuire核电厂2号机组则由硼酸泄漏而导致安全壳靠近混凝土地面的外表面发生均匀腐蚀，壁厚减薄了将近10%。

2.3 局部腐蚀

钢板混凝土局部涂层破损、水汽聚积或积水部位、异种钢搭接形成电偶差、形成细小缝隙部位等等都可能引起局部腐蚀，局部腐蚀的发生可能导致钢板局部腐蚀速率加快。经验反馈表明钢板混凝土与钢筋混凝土搭接部位易积水，如果防潮或排水构造失效，则更容易促进腐蚀的发生。

2.4 钢板混凝土混凝土老化降质

钢板混凝土结构墙体内采用自密实混凝土填充，但在混凝土浇筑过程中，对于比较复杂的部位，尤其是钢板混凝土结构模块形式复杂的部分，如墙体上的洞口、墙体内的隔板，混凝土容易在门洞口下方形成空鼓，对于钢板混凝土结构模块构造形式上比较复杂的部位，混凝土容易形成空鼓，并且由于外层钢板的遮挡，难以通过常规检查发现这些缺陷。除了混凝土自身原因产生。如水泥选择不当、混凝土配合比设计不合理等，也会使钢板混凝土内部出现空洞，钢板混凝土混凝土内部质量缺陷，也直接影响着结构的安全性。

2.5 涂层老化机理

表面涂层老化机理主要分为两类：一类是涂层材料自身的老化；另一类是外部环境因素对涂层的直接破坏作用。涂层材料在服役期间有可能受到高温、氧化、辐照等因素的影响，导致其性能逐渐老化劣化；空气、水及其他化学物质对涂层的侵蚀以及机械摩擦或碰撞可能对涂层造成直接损害。这两类原因都会导致涂层产生剥落、分层或者开裂等老化现象，从而失去对基材材料的保护作用。

3 屏蔽厂房老化监检测与评估

老化监检测与评估是针对已经确定的老化机理，使用仪器设备对容易发生老化的薄弱部位进行在线监检测或提取样本后进行实验分析，在分析CAP1400核电厂屏蔽厂房老化机理的基础上，对现阶段的老化程度进行状态评估，研究适用于CAP1400核电厂屏蔽厂房的老化监检测的主要方法和评价标准。

3.1 钢板混凝土老化检测

钢板混凝土在核电工程建设中，尤其是AP系列核电站中被用于安全壳厂房内部结构模块和其他核安全相关结构模块中，双钢板混凝土组合墙中的双钢板不仅可以作为混凝土浇筑的模板，而且在使用阶段可以防止混凝土外露，混凝土能够增强钢板的稳定性。根据核安全法规的要求，需要对钢板混凝土的安全性和可靠性进行定期评估。

3.2 钢板混凝土钢板腐蚀检测

钢板混凝土中钢板可达部位采用目视进行检查评价，钢板腐蚀减薄情况可以超声进行测厚，不可达部位钢板厚度采用超声导波探头做表面扫查。

3.3 钢板混凝土内部脱空腐蚀检测

钢板混凝土中钢、混凝土二者间的粘接质量以及核心混凝土的内部密实程度直接关系到建钢板混凝土构筑物的使用安全性能。因此，需要对钢板混凝土结构的内部缺陷进行检测。

（1）超声法检测钢板混凝土内部脱空

超声法系统采用带波形显示功能的超声波检测仪，测量超声脉冲在混凝土中传播速率、首波幅度和接收信号主频率等声学参数，并根据这些参数及相对变化，判定混凝土内部的缺陷情况。通过声波纵波速度，检查其质性，评价混凝土质量。当钢板厚度很大时，超声波在钢板内的衰减会更大。不同材料的属性参数如表1所示。

表1 不同材料的属性参数

钢-混凝土界面粘接质量良好时为钢-混凝土界面，粘接质量不理想时为钢-气界面或者钢-水界面。由于钢和混凝土声阻抗接近，其界面反射率低，声压衰减较快，底波衰减系数a较大，而钢和水或空气阻抗相差悬殊，则界面反射率大，声压衰减相对较慢，底波衰减系数a较小。因此，底波衰减系数a可以反映界面粘接质量；

（2）冲击-回波法检测钢板混凝土内部缺陷

参考SL 713-2015 《水工混凝土结构缺陷检测技术规程》的冲击-回波内部缺陷测定方法。通过与基准对比，测出存在局部疏松或不密实区域。测判定标准依据设备使用经验进行判定，超出基准点平均脱空指数20%以上可判定局部疏松或不密实区域。根据GB/T 51340-2018《核电站钢板混凝土结构技术标准》要求抗压强度检测不满足设计要求或芯样抗压强度不满足设计要求时，则应破坏钢板进行钻芯取样，并参考中国工程建设标准化协会标准钻芯法检测混凝土强度技术规程（CECS 03-2007）进行强度检验；

（3）钢板混凝土在线监测技术

埋入式混凝土钢筋锈蚀监测仪采用交流阻抗和高输入阻抗放大器技术，实现了多路高阻信号的同步精密测量；配合多功能混凝土监测探头，可以监测混凝土电阻率、Cl-浓度、pH值、半电池电位和钢筋锈蚀速率等参数。广泛用于建筑、公路和桥梁隧道结构中混凝土内钢筋混凝土腐蚀速率的在线监测。

3.4 涂层老化

目视检查宏观观察涂层存在的缺陷或疑似缺陷区域，可高效的发现涂层起泡、开裂等宏观缺陷，评估涂层完整性、附着力测验和漏涂试验。可以采用对于大面积钢结构涂层采用红外热成像进行宏观观察，红外成像技术可准确检测出肉眼可见涂装缺陷的形式和位置，无缺陷区域不误判，并可检测出目视不可见借助放大镜等可发现的缺陷。

4 结论与建议

日本电气协会在相关研究和试验的基础上建立了钢板混凝土设计导则和规范，分别在2005年和2009年发布实施了JEAG 4618-2005《SC结构设计导则》和JEAC 4618-2009《SC结构设计规范》，设计导则和规范发布后，钢板混凝土结构就具备了普遍应用于工程的条件。我国单侧钢板混凝土、钢管混凝土结构在桥梁工程广泛上。但对于大体积大尺寸钢板混凝土老化管理研究还有待进一步加强。我国目前正在大力开展核电机组的建设，CAP1400机组的设计服役寿命为60年，如果在此基础上实施执照更新计划，那么屏蔽厂房为安全壳厂房提供对外部事件如龙卷风及其产生的飞射物的保护，其服役寿命可能需要超过80年甚至100年。构筑物老化降质是自然规律，老化管理的工作就是寻找老化的自然规律并采取相应的评价方法和缓解措施，确保核电厂安全可靠运行。针对屏蔽厂房特殊的钢板混凝土结构的老化管理建议关注以下几点[4,5]：

（1）在设计和建造阶段的老化管理，重点做好收集设计和施工的相关数据和档案材料，识别潜在老化机理并结合经验反馈采取相应的工改措施，选材上使用耐老化材料，建造时尽可能配备在线老化监测手段，在安全分析报告应述及老化问题及其对策；

（2）构筑物老化管理大纲的建立，以保证及时发现和缓解任何可能影响其安全功能的性能劣化，该措施是保证最有效和高效率进行老化管理的系统的、全面的和完整的方法。国家核安全局颁布的HAFJ0068《核电厂安全重要设备老化控制的方法》中提出了有关核电厂设备老化控制研究步骤的划分，对所选核电设备编制的老化控制大纲应涉及下列三个基本要素对老化劣化过程的了解，对老化行为进行监测以便能在设备失效前探测到设备劣化，对老化及其影响的及时缓解（可通过维修、替换和改变运行条件等手段实现）以保证维持所要求的安全裕度。