核电站水工构筑物结构保护优化与耐久性监测探讨.pdf

全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月1专 论Monograph技术核电站水工构筑物结构保护优化与耐久性监测探讨叶志权1曹 航2马志伟1高倩钰2（1.中广核苍南核电有限公司，温州 苍南 325800；2.中冶检测认证有限公司，北京 100088）摘 要：核电站PX泵房长期处于半海水且加药的环境下，盐雾浓度大，服役环境严苛，易产生钢筋锈蚀从而造成钢筋混凝土结构的劣化。为此，本文全方面阐述了核电站水工构筑物常见的腐蚀类型、结构保护优化的措施及相关的耐久性监测手段，为后续类似核电工程的建设提供一些理论参考。关键词：核电站PX泵房水工构筑物结构保护优化耐久性监测中图分类号：TG174 文献标识码：A DOI：10.13726/ki.11-2706/tq.2023.07.001.07PX Pump House Reinforced Concrete Structure Protection Optimization and Durability MonitoringYE Zhi-quan1,CAO Hang2,MA Zhi-wei1,Gao Qian-yu2(1.CGN Cang Nan Nuclear Power Co.,Ltd.CGN,Cangnan 325800,China;2.Inspection and Certification Co.,Ltd.MCC,Beijing 100088,China)Abstract:The PX pump room of nuclear power plant has been in the environment of semi-seawater and dosing for a long time,with large salt spray concentration and harsh service environment,which is easy to produce steel corrosion and cause deterioration of reinforced concrete structure.Therefore,this paper comprehensively expounds the common corrosion types,structural protection optimization measures and related durability monitoring methods of hydrotechnical structures of nuclear power plants,and provides some theoretical references for the subsequent construction of similar nuclear power projects.Key words:nuclear power plant;PX pump room;hydraulic structures;structural protection optimization;durability monitoring作者简介：叶志权(1990)，男，福建寿宁人，工程师，本科，主要从事核级水工构筑物防腐和放射性固体废物处理研究工作。0 引言目前，核电站所涉及的水工建筑物包括取水构筑物、取水隧道、联合泵房、重要厂用水进水廊道、重要厂用水排水廊道、循环冷却水进水管道、循环冷却水排水管道、排水虹吸井以及排水隧道等。海水为核电机组最终热阱，冷却水供应通道是否完好，直接涉及堆芯冷却相关系统。循环冷却水系统则涉及常规岛等各个系统的冷却，直接关系到汽轮机与发电机是否正常运行。而类似堆型，针对福岛改进项设置的机械通风冷却塔等应急冷却水工TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.20232专 论Monograph技术构筑物，也与核电站重要功能或日常运营直接相关。由此可知，水工构筑物对核电站的正常运行与应急冷却非常重要，其运行状态是否良好直接关系到电厂安全与发电运行效益。水工构筑物耐久性修补耗时费力，监控预警及时发现耐久性侵蚀破坏，并及时修补，将大大节省修补费用，也是目前最先进的全寿期设计和成本测算理念。由于目前核电水工构筑物如PX泵房和取水廊道所处环境复杂，不仅处于涨退潮的干湿交替处、同时也是高盐雾、高加药环境下，PX泵房等密闭的腔室中，人工无法获得混凝土内部钢筋服役的相关情况，更无法得知氯离子渗透深度。故本文对水工构筑物现有常见的结构保护方法及耐久性监测技术进行了探讨，为新建核电站钢筋混凝土结构的腐蚀防护提供一些理论参考。1 核电站水工构筑物的腐蚀类型及对结构的影响1.1 核电站水工构筑物的腐蚀类型核电站水工构筑物常见的腐蚀类型包括混凝土碳化、氯离子侵蚀和海生物侵蚀等，腐蚀对结构耐久性产生不同程度的影响。核电站PX泵房可见的腐蚀失效如图1图4所示，钢筋腐蚀导致混凝土开裂示意图如图5所示。图1 PX泵房横梁 图2 PX泵房墙面 图3 混凝土开裂 图4 混凝土脱落 （a）（b）（c）图5 钢筋腐蚀导致混凝土开裂示意图1.1.1 混凝土碳化空气中的CO2可以通过混凝土的毛细孔道，与其中的Ca（OH）2发生中和反应，从而改变混凝土的性质：Ca（OH）2+CO2CaCO3+H2O即所谓的混凝土碳化，它使孔隙液的pH下降到8左右。由于钢筋表面的钝化膜在pH小于1l.5时就不稳定，因此当混凝土碳化深度达到钢筋表面时，钝化膜就会遭到破坏。在混凝土孔隙液中含有大量Ca（OH）2，它能够在发生碳化作用的时候维持孔隙液的pH在1213的水平。然而，当CO2持续与溶液中的Ca（OH）2反应，最终消耗掉所有的Ca（OH）2，并产生CaCO3沉淀，就会使溶液的pH下降并引发钢筋腐蚀。另外，随着环境污染的日益加重，水体受污染而酸性化、空气中越来越多的SO2、H2S以及由其所形成的酸雨，也逐渐成为降低混凝土碱度的污染源。在实际的核电站检测中，由于碳化过程的存在，钢筋锈蚀的情况相对较少，但是，碳化和氯全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月3专 论Monograph技术盐侵蚀之间的耦合作用却是一个重要的因素，其影响机制十分复杂，而且锈蚀的发生也是极其不确定的。针对混凝土碳化，一般采用提高混凝土密实度和增加保护层厚度作为防护措施。1.1.2 氯离子侵蚀根据国内外标准，如ACI201.2R-20161、GB/T 50476-20192、JTJ 275-20003等的相关规定，核电站海工构筑物所处氯化物环境作用等级被划为-D级以上，氯盐侵蚀严峻。对结构进行防腐蚀耐久性设计时，通过“内增外防”加强核电站建设的设计选材和前期防腐措施，以保证在设计使用年限内结构的安全和正常使用。规范对核电站海工构筑物的防腐设计和措施规定较为完善，但实际防护的有效性难以把握4-7。我国的核电站主要在沿海布局，氯盐腐蚀在上述三种腐蚀类型中最为严重也最难控制，如果疏于防控，其导致的钢筋锈蚀，混凝土开裂、分层和剥落，将对结构的安全性和耐久性造成威胁，影响核电站设计使用期内的正常使用，造成严重的经济 损失7。混凝土氯离子侵蚀是指氯离子通过混凝土孔隙进入混凝土内部，与混凝土中的钙离子反应形成可溶性的氯化物，导致混凝土内部的腐蚀现象。混凝土氯离子侵蚀会导致混凝土结构的强度降低、龟裂和剥落等问题，严重影响混凝土结构的使用寿命和安全性。混凝土氯离子侵蚀的原因主要包括以下三个 方面：（1）环境因素：如海洋环境、盐碱地区、工业污染地区等；（2）氯离子源头：一些混凝土材料本身含有氯离子，例如粉煤灰、河砂等；（3）设计不当：如水泥用量过少、混凝土覆盖层厚度不够等。为了防止混凝土氯离子侵蚀，可以采取以下 措施：（1）控制环境因素：在设计和建造混凝土结构时，应考虑周围环境因素的影响，选择合适的建筑材料和施工方式；（2）使用高效的防水剂：通过表面喷涂或渗透处理等方式，提高混凝土表面的密封性和耐久性，减少氯离子的侵蚀；（3）增加混凝土覆盖层厚度：增大混凝土覆盖层的厚度，可以有效地减少氯离子的侵蚀；（4）采用高性能混凝土：使用抗氯离子渗透的高性能混凝土，也是一种有效的防治混凝土氯离子侵蚀的方法；（5）加强养护管理：在混凝土结构施工完成后，应加强对其进行养护管理，保证混凝土的质量和性能，防止氯离子侵蚀；（6）定期检测和维护：定期检测混凝土结构的氯离子渗透深度和钢筋锈蚀情况，并采取相应的维护措施，如喷涂防腐涂层、补补漏等方法，及时修缮问题；（7）选择合适的水泥：不同类型和品牌的水泥中，抵御氯离子渗透性能存在较大差别，建议选择一些抗硫酸盐、抗氯离子侵蚀等特殊功能的水泥进行混凝土搅拌。总之，防止混凝土氯离子侵蚀需要从多个方面入手，包括材料的选择、设计和施工等环节，同时也需要注意养护和维修管理。在实际应用中，可以根据具体情况采取相应的措施，以确保混凝土结构的耐久性和安全性。1.1.3 海生物侵蚀海生物侵蚀是核电站水工构筑物面临的较为严重和特殊的腐蚀，海生物侵蚀造成的危害主要体 现在：（1）某些海生物的繁衍和新陈代谢产生大量酸，侵蚀混凝土表面，导致混凝土保护层厚度降低，并为海水中的氯离子、硫酸盐等进入混凝土内TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.20234专 论Monograph技术部形成通道，造成钢筋锈蚀，破坏混凝土结构；（2）海生物死亡脱落后，很有可能被吸入冷却水管道，造成管道的堵塞或造成设备损坏；（3）海生物还可能引起混凝土表面防腐蚀层的老化和破坏，降低使用寿命。目前核电站水工构筑物常用涂层防护作为其防护措施，但效果一般。1.2 钢筋腐蚀对结构的影响钢筋腐蚀会对水工构筑物结构产生严重的负面影响，主要表现在以下四个方面：（1）减少钢筋的承载能力：钢筋在腐蚀后，其截面积会减小，抗拉、抗弯等承载能力都会下降；（2）影响钢筋与混凝土的黏结性能：腐蚀后的钢筋表面会形成锈层，锈层与混凝土的附着力较差，这会导致结构受力不均匀，进而引发开裂和 破坏；（3）加剧混凝土的龟裂和剥落：当钢筋腐蚀时，锈层体积会比钢筋本身大数倍，这会导致周围混凝土的应力增加，从而诱发混凝土的龟裂和 剥落；（4）降低结构的稳定性：钢筋腐蚀后，整个结构的刚度和稳定性都会受到影响，可能会引起结构的失稳和倒塌。因此，对于存在钢筋腐蚀的结构，必须采取及时有效的修复和保养措施，以确保结构的安全 可靠9。2 核电站水工构筑物的结构保护优化2.1 结构保护优化的常见方法目前，为保证核电站钢筋混凝土结构的安全稳定性能，水工构筑物常用的结构保护方式有高性能混凝土、阻锈剂、硅烷浸渍剂、镀层钢筋和涂层钢筋和阴极保护。除上述之外，还应保证混凝土工作性能良好，密实度好；混凝土施工过程良好，振捣到位；混凝土养护措施和时间符合相关规定等。2.2 高性能混凝土针对核安全级水工构筑物结构，提高混凝土保护层本身的防护性能是提高耐久性的基本防护措施，其基本内容是通过精心设计和施工，最大限度地提高混凝土的抗渗性，以延缓二氧化碳、氯离子等达到钢筋表面的时间。采用充分湿养护的低水胶比双掺（高效减水剂和适量矿物掺合料）高性能混凝土，可显著提高抗氯盐渗透性，同时也可以使用掺合料、外加剂等措施提高混凝土本身的防护性能。2.3 阻锈剂混凝土阻锈剂是一种添加在混凝土中的化学物质，可以保护混凝土中的钢筋免受氧气、水分和其他腐蚀介质的侵蚀。常见的混凝土阻锈剂包括有机胺、磷酸盐、硅酸盐等。使用混凝土阻锈剂可以延长混凝土结构的使用寿命，减少维护和修缮成本。混凝土阻锈剂的作用机理一般分为两种类型，一种是通过形成一层保护膜隔绝钢筋与周围环境的直接接触，如有机物类阻锈剂；另一种是直接与金属表面发生化学反应，使其表面形成一层保护性氧化物层，如磷酸盐、硅酸盐等。具体选择何种混凝土阻锈剂需要考虑钢筋材质、混凝土使用环境等因素，并进行相应的试验和评估。混凝土阻锈剂的应用方法一般有两种，一种是在混凝土浇筑时掺入阻锈剂，称为内加防护；另一种是在混凝土表面涂刷阻锈剂，称为表面涂层防护。内加阻锈剂的优点是可以实现钢筋的全面防护，但需要注意与其他混凝土添加剂的相容性和使用剂量的控制；表面涂层防护则更为灵活，适用于后期维修和加固工程，但需要注意涂层质量和施工技术。无论哪种方式，混凝土阻锈剂的选择、设计及施工都需要遵循相关标准和规范，并进行必要的试验验证。此外，混凝土阻锈剂的性能受到多种因素的影响，例如混凝土配合比、水胶比、环境温度和湿度等。为了保证混凝土阻锈剂的有效性，需要在实际全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月5专 论Monograph技术工程中对其效果进行监测和评估。同时，在使用过程中也要注意防止阻锈剂与其他化学物质的相互作用，避免出现不良反应。最后需要强调的是，虽然混凝土阻锈剂可以延长混凝土结构的使用寿命，但并不能完全替代日常维护和检修，仍需定期进行养护和检查。2.4 硅烷浸渍剂混凝土硅烷浸渍剂是一种用于混凝土表面处理的化学材料，可以渗透到混凝土内部并与其反应形成化学键。这种处理可以提高混凝土的密实性、强度、抗风化性和耐久性，并且可以降低混凝土表面的吸水性和渗透性。它可以用于新建筑物和修复老化混凝土结构的表面处理，如墙体、地面、桥梁和隧道等，也可用于旧混凝土建筑的加固维修，使用混凝土硅烷浸渍剂不会改变混凝土的颜色和质感，并且具有良好的环保性能。混凝土硅烷浸渍剂尤其适用于受到海水腐蚀、盐雾腐蚀、融雪剂腐蚀和冻融破坏的各种水工构筑物保护，故针对PX泵房环境的特殊性，喷涂硅烷浸渍剂对结构的耐久性有着很大的提高。宁德核电站一期工程3、4号机组排水暗涵采用了此种方法，目前保护效果良好10。2.5 镀层钢筋和涂层钢筋对于新建水工构筑物，设计时可采用此种方法。镀层钢筋和涂层钢筋都是为了提高钢筋的耐腐蚀性能，从而延长混凝土结构的使用寿命。镀层钢筋是指在钢筋表面通过热浸镀、电镀等方式覆盖一层金属保护层（如锌、铬等），以防止钢筋的氧化和腐蚀。镀层钢筋的优点是具有良好的耐腐蚀性能、施工方便、使用效果稳定。缺点是镀层层厚较难控制，容易出现气泡、皱纹等缺陷，导致钢筋表面不平整，影响混凝土与钢筋间的黏结 强度。涂层钢筋是在钢筋表面喷涂或滚涂一层具有防腐功能的油漆或涂层材料。涂层钢筋的优点是成本低、施工灵活、可控性强，且可以根据需要选择不同种类的涂层材料。缺点是涂层与钢筋之间的附着力较弱，容易出现表面剥落、龟裂等情况；此外，涂层的厚度也较难控制，可能会出现厚薄不均的问题。2.6 阴极保护及优化阴极保护技术是应用电化学原理，通过给被保护钢筋施加负向电流，使它的电极电位负移，即使钢筋表面氯离子已达到或超过使钢筋脱钝的临界值，由于阴极保护的存在，有效抑制了钢筋腐蚀的发生。水工构筑物阴极保护的方法有牺牲阳极保护和外加电流保护两种：（1）牺牲阳极保护钢筋混凝土（RC）牺牲阳极保护是一种用于防止RC结构中钢筋腐蚀的技术。该技术通过在RC结构中添加或嵌入一些带电的金属阳极，如铝、锌或镁等，使其成为系统的一部分，并将它们与待保护的钢筋连接起来。当RC结构处于潮湿环境中时，阳极会发生电化学反应而被腐蚀，从而提供了对钢筋腐蚀的保护。这种技术可以延长RC结构的使用寿命，减少维护和修复成本。它施工简便，不需要外部直流电源，不必经常维护管理，但由于提供的保护电流有限，一般不适用于暴露于大气中的钢筋混凝土结构；（2）外加电流阴极保护钢筋混凝土外加电流保护技术需要在结构周围或内部放置阴极，将它们与待保护的钢筋连接起来，并施加外加电流，使钢筋成为负极，从而减少钢筋的电位，从而避免腐蚀。这种方法可以通过控制电流和使用耐腐蚀材料来确保结构的安全性和可靠性，该技术在欧、美等国家已经用于环境恶劣的重要工程上，在我国大型工程的应用也逐渐增多。数十年来，阴极保护成功的用于桥梁、码头、隧道、核电站等大型结构的保护；TOTAL CORROSION CONTROLVOL.37 No.07 JUL.20236专 论Monograph技术（3）BEASY对于新建构筑物，在设计期可以结合并利用基于边界元法算法开发的BEASY软件对新建构筑物阴极保护进行建模模拟计算，得出最优化的结构保护方案，使阴极保护效果最大化。BEASY软件中的阴极保护模块广泛用于对各种金属结构的阴极保护技术的验证和优化，已经成为一种在阴保辅助设计中有着广阔前景的数值模拟软件。3 水工构筑物耐久性监测核电站水工构筑物处于海水环境，是结构混凝土耐久性破坏的重灾区，很多时候无法到达并及时发现耐久性破坏，如要彻底检查，只能系统停运，严重影响机组可用率和发电效益。对核电站水工构筑物增加耐久性监测系统，可以更直观的反映目前建构筑物的耐久性状态，对核电站的运维具有很强的指导性。目前，国内外应用较普遍的传感器为德国S+R Sensortec公司生产的阳极梯系统，该传感器可以根据监测不同深度下阳极的腐蚀电位和腐蚀电流，判断钢筋开始腐蚀时间和腐蚀深度。阳极梯系统已经非常成熟，但由于体型较大，现场安装和调试过程不便，费时费力，且较大的体型难以保证在施工过程中由于工程现场作业中的误碰导致传感器损坏和失灵。另外，FORCE公司生产的Corrowatch传感器和Corrorisk传感器也应有较广，这两种均为后装式腐蚀监测传感器，两者原理上与阳极梯类似，采用埋置不同深度的阳极以监测其腐蚀电位和腐蚀电流，由此判断混凝土结构的侵蚀深度。这两种传感器较为经济，适用性广，但由于需要外部钻孔，导致传感器埋入封装砂浆后，存在外部离子纵向渗透干扰的风险。而美国Virginia公司开发出的ECI传感器，可进行钢筋腐蚀电位、腐蚀电流、pH、混凝土电阻率、氯离子浓度等腐蚀参数测量，但由于工作电极体型较小，受混凝土环境中的局部因素影响较大，以致于监测得到的数据稳定性较差，且产品依赖于进口，价格昂贵11。为更好的对PX泵房进行全面的耐久性监测，目前研发了新型耐久性监测传感器如图6所示，该耐久性监测系统综合了市场现有产品的各项优良性能与一体，而且对监测传感器进行了优化提升，具有高精度、抗干扰能力强、监测参数多、安装方便等优点。该耐久性监测传感器将被测量钢筋、ER电阻探针、pH电极、氯离子选择电极、电阻率电极和温湿度监测传感器集成在一起，并将隔离采集电路、MCU中央处理单元、数据通讯单元等集成在该传感器内，实现了数据的就地采集与处理，并具备长距离、低数据失真率远传功能。该耐久性监测系统不仅能现场无损地同时监测混凝土中半电池电位、电阻率、pH值和Cl-浓度等参数，并且可检测混凝土中钢筋状态和腐蚀速度，可以成预示钢筋混凝土结构耐久性、安全性及服役寿命的有力工具，尤其是对安全性有较高要求的核电站具有很强的可实施性。图6 自主研发耐久性监测传感器意图为了核电站水工构筑物特别是PX泵房钢筋混凝土结构受到全面保护，计划采取以下措施：（1）扩大硅烷施工区域，明确PX鼓网间区域大气区参考水位变动区，及水下区增加钢筋砼附加防腐方案；（2）鼓型滤网区域、循环水进水流道、重要全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月7专 论Monograph技术厂用水进水C流道区域砼内掺阻锈剂作为附加防腐 措施；（3）对混凝土内部钢筋进行耐久性监测，可以对核安全水工构筑物正常服役起到巨大作用，同时对腐蚀参数及阴保参数实时获取，发现问题可以及时进行纠正，对核安全级水工构筑物的安全运行有着里程碑式的意义。经过全方位分析，核电站PX泵房钢筋混凝土结构保护优化与腐蚀监测前后效果对比（如表1 所示）。工程上的创新应用：（1）核电领域半水下加药环境下PX泵房混凝土结构保护应用PX泵房所处半海水且加药环境下，盐雾浓度大，服役环境严苛，易产生钢筋锈蚀从而造成混凝土钢筋结构的劣化，核电站水工构筑物结构保护优化与耐久性监测实现了对核电站PX泵房有效保护及提前干预；（2）耐久性监测（包含环境参数、阴保参数、腐蚀速率参数监测）将被测量钢筋、腐蚀速率电极、pH电极、氯离子电极和电阻率电极集成在一起，并将隔离采集电路、中央处理单元、数据通讯单元等集成在传感器内，从而实现数据的就地采集与处理，并具备长距离远传功能。多功能钢筋混凝土腐蚀传感器，不仅能现场无损地同时监测混凝土参数，并且可检测混凝土中钢筋阴极保护状态和腐蚀速度，是核安全级水工构筑物的长久安全服役的有力管理工具。4 结语水工构筑物处于海水环境，是结构混凝土耐久性破坏的重灾区，很多时候无法到达并及时发现耐久性破坏，如要彻底检查，只能系统停运，严重影响机组可用率和发电效益。为更好的提高核电站水工构筑物的耐久性能，可结合使用高性能混凝土、硅烷浸渍剂、阻锈剂、阴极保护技术，达到保护效果好、经济效益最佳、安全稳定可靠的结果。对钢筋混凝土结构进行耐久性监测，可以对核安全水工构筑物正常服役起到巨大作用，同时对腐蚀参数及表1 PX泵房保护优化及耐久性监测前后效果对比对比项目优化及监测之前优化及监测之后保护优化BPX属于核安全相关构筑物，鼓网转动运行后产生的重度盐雾的潮湿封闭环境，直接导致对钢筋砼结构的化学腐蚀环境作用等级高。在机组投入运行后出现缺陷时，维修作业的直接影响是：风险高、维修工期长、时间窗口紧、维修难度大、经济代价高、维修效果差，且直接影响结构耐久性。设计阶段将主要腐蚀因素考虑进去，通过扩大硅烷施工区域，明确PX鼓网间区域大气区参考水位变动区，及水下区增加相应措施；鼓型滤网区域、循环水进水流道、重要厂用水进水C流道区域砼内掺阻锈剂，同时辅以智能监测技术，保证PX钢筋砼结构保护效果持续有效，变被动防腐为主动防腐。钢筋混凝土结构耐久性监测混凝土钢筋一旦发生腐蚀，腐蚀情况深埋混凝土内、未知，无法及时处理，最终会导致混凝土的开裂，进一步带来结构的破坏，带来不可估量的核安全事故。通过耐久性监测，可实时掌握混凝土内钢筋是否发生腐蚀以及腐蚀的程度，同时多参数监测，有助于分析腐蚀发生的原因，对症下药，避免腐蚀带来的结构损坏。（下转第41页）全面腐蚀控制第37卷第07期 2023年07月41经验交流Experience Exchange技术老化严重。橡胶材料的另一机械性能指标压缩永久变形，永久变形的大小主要由其弹性所决定，橡胶分子间的作用力、网络结构的变化或破坏、分子间的位移等因素均会影响材料的压缩永久变形。本文的失效件压缩永久变形为3%、4%，相同测试条件下新备件为9%，失效件的指标下降较为严重，进一步说明了材料老化这一结论5-7。结合上述测试结果可知橡胶材料的老化过程最先出现的拉伸性能的下降，之后才是硬度指标的变化，所以现场单靠硬度来判断橡胶材料是否出现老化这一做法是不严谨的。3 结语综上所述分析，海水蝶阀关闭是依靠挤压橡胶密封圈形成阀门的密封，密封圈橡胶材料经过长时间的服役其本体已经老化，各项力学性能指标已下降，最终导致密封圈出现开裂失效。参考文献1 GB/T 3512-2014,硫化橡胶或热塑性橡胶热空气加速老化和耐热试验S.2 GB/T 20028-2005,硫化橡胶或热塑性橡胶应用阿累尼乌斯图推算寿命和最高使用温度S.3 张晓东,周权,张毅等.橡胶硬度和动环斜度对单金属密封性能的影响J.润滑与密封,2015,40(8):5.4 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