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探讨核电站防腐的秘密
2024-01-03 16:27 易思正 1101

       其实我国自1994年4月1日秦山核电站一期开始商运,已经走过了23年的里程。中国作为核大国,更是将核电发展作为重要国家战略。截止到2021年4月29日,我国已商业运营核电总装机容量达到51027.16MWe。截止2020年1-12月我国运行核电机组共49台(不含台湾地区)


核电站为啥都建在海边?


       我国在役和拟建的核电站基本都在海边,至于原因并不像大家想象的那样,一旦出了事故方便排污,而是综合了冷却、排放、区域经济发展等一系列因素的考量。沿海高盐、高湿的恶劣环境,也给核电站防腐提出更高要求。


核电工业产业链上富有特色的腐蚀问题


       虽然核电工业里的金属材料的腐蚀形式与其它种种工业领域里的基本类似,有全面腐蚀和局部腐蚀,局部腐蚀有应力腐蚀、腐蚀疲劳、点腐蚀、缝隙腐蚀等,但是它涉及面宽,产业链长,除去涉及的大量通用设备的各种常见腐蚀问题外,具有核电工业特色的腐蚀问题也很繁多,比如:核燃料生产过程中产生的腐蚀问题:核工业主要采用的核燃料铀以及钚在矿石开采、化学处理、精制浓缩等过程中,需要使用大量的酸、碱、盐类化学物质,中间过程也产生某些活泼产物如六氟化铀,它们对所接触设备都有不同程度的腐蚀性。


       核燃料在使用和存放过程中产生的腐蚀问题:核燃料在核电站里使用的裂变过程中,要放出射线、射线、射线、中子流等射线,还有质子流等带电的重粒子流。这些射线可通过影响环境介质、周围材料和电极过程等促进周围材料的腐蚀。例如在射线作用下,纯水会发生辐照分解,比较稳定从而在实际工作中容易测量的产物主要是分子产物,如 H 2 O 2 和 O 2 ,它们可以明显提高金属材料在水中的电极电位,促进氧去极化的腐蚀。高能量中子辐照可导致材料产生空位、位错环和原子偏聚等缺陷,导致材料硬化、腐蚀破裂和肿胀等问题,工程上一个重要现象是堆内构件用不锈钢在中子辐照作用下发生晶界 Cr 贫化、Ni等元素集聚,导致沿晶应力腐蚀破裂,称为辐照促进应力腐蚀破裂。核燃料本身在使用和存放环境中也有腐蚀问题。


       使用后的乏燃料等放射性核废料产生的腐蚀问题:核燃料在核电系统的反应堆内经过运行使用后成为乏燃料,它以及核电产业链上产生的许多废物都有放射性,这些放射性核废料泄露会产生重大损失,因此对存放它们的容器提出非常高的要求,其腐蚀抗力尤为关键,美国为安全存放大量核废料数千年,一直计划在内华达州尤卡山建立一座永久性的核废料处置场,该计划耗资巨大,核废料容器的腐蚀与长期防护就是关键一项。

核电站堆芯部分关键结构材料接触特有的反应堆冷却介质如高温高压水、钠、铅、熔盐等环境而产生特有的腐蚀问题:比如目前核电工业中占绝大多数的是作为第二代和第三代的水堆,它们采用高温高压水为冷却剂将核反应产生的热带走发电;第四代正在研究开发的两种快堆分别采用钠和铅为冷却剂,钍燃料增殖反应堆(又称熔盐堆)采用熔融态的混合盐为冷却剂。


沿海服役环境,如何搞好防腐?


       利用核电的关键在于控制,如何控制能量均匀释放、如何控制服役材料的腐蚀等等,而腐蚀问题会严重影响核安全和经济运行。其腐蚀和防护一般经历材料研发、可靠性设计和水化学优化三个步骤,核电站涂料从材料研发、配方设计、涂层设计都需要专门开发,行业标准主要有三:美国ASTM标准、法国NF标准、中国EJ标准。


核电站的主要涂装部位有哪些?


       核岛内部钢结构、核岛内部混凝土结构、安全壳常规岛、BOP(电站配套设施)钢结构/混凝土结构等风道、管道、各类储罐埋地件、与液体介质接触部位等。


核电站涂层系统是如何分类的?


       核电站内部结构复杂,各部分对涂层的要求也不尽相同,所以在核电涂装中会将核电站的涂层系统进行分类。


       涂层系统一般根据以下几个方面分类:

       1、涂层所处的位置,如反应堆厂房、反应堆厂房外核区、非核区

       2、涂层所处的环境,如室内大气环境、沿海环境

       3、涂层所涂覆设备的运行条件,如温度、是否为保温材料4、基底材料的性质,如钢铁、镀锌根据不同的涂层系统分类,会有对应的涂层系统代号。


       涂层系统代号由三个英文字母、三个阿拉伯数字组成:三个英文字母代表涂层系统的系列代号,三个阿拉伯数字代表基底材料的性质和运行条件。


       以与大气系统接触的涂层系统代号为例:


       单一的涂层体系不能满足复杂的核电站服役环境,都是由几种不同类型的涂层组合而成。以金属机械部分为例,一般都是由“底-中-面”三层组成完整的涂层配套系统。


       底漆:主要为无机富锌底漆、富锌环氧底漆。要求对金属基底有良好的附着力,并有优异的防锈作用。

       中间漆:主要有高固体分环氧厚浆漆、云母氧化铁环氧漆。主要作用在于增加涂层厚度,以提高整个涂层系统的屏蔽性。

       面漆:主要有丙烯酸聚氨酯面漆。主要起遮蔽紫外辐照、阻挡雨水风雪的作用,同时兼具装饰作用。


       以大亚湾核电站为例,室内金属构件主要采用膦酸锌环氧聚酰胺底漆/聚酰胺环氧苯酚面漆或环氧云母氧化铁涂料/高固体分环氧涂料;室外金属构件主要采用含硅或环氧富锌底漆/聚酰胺环氧乙烯中间漆/脂肪族聚酯聚氨酯面漆或环氧富锌涂料,以及环氧云母氧化铁涂料。


核电涂层系统的检测也异常严格


       要经历附着力测试、耐盐雾试验、人工老化试验、耐温试验、耐液体性试验、去污试验、耐辐照试验、模拟DBA试验、修补性试验、耐磨试验、以及卤素、硫含量的测定。

核电站涂料系统以保护金属构件和混凝土构件为主,除要满足上述测试外,还要具有重防腐要求,特别是在非核区域的室外环境。


       去污、耐辐照和LOCA模拟试验反而不是最重要的测试要求,这时候的金属构件主要以防电化学腐蚀、附着力、耐久性、机械性能等为重点,混凝土构件的涂装则主要关注如何防止CO2的渗透,以防止其内部的碱性环境被打破。


       所以混凝土构件涂装方面,涂料多选用环氧涂料,因为环氧涂料中没有聚合物结构中常见的酯键,而酯键会在碱性环境中发生皂化反应,从而破坏碱性环境和涂层结构。


核电涂料种类有哪些?


       未来20年,平均每3个月中国就有一个核反应堆启动!涂料是核电站用量最大的非金属材料,在核电站建设中占据着重要一环。核电涂料企业以美国PPG、法国Peintures Maestria、美国Carboline Co、日本关西等为代表。