AP1000施工现场典型腐蚀问题探讨与预防

(国核工程有限公司，上海 200233)

AP1000施工现场典型腐蚀问题探讨与预防

魏小宝 张 琰

(国核工程有限公司，上海 200233)

本文根据AP1000施工现场的腐蚀现象，对典型的钢结构、焊缝和设备等腐蚀现象进行了总结，基于腐蚀的表现形式，分析了引起施工现场材料和设备腐蚀的主要原因，并对腐蚀现象的形成机理进行了分析，从理论和施工实践的角度给出了预防性措施。

AP1000 施工现场 海洋大气腐蚀 尘土腐蚀

0 引言

工业发展对能源的需求与日俱增，而日益严峻的环境状况又使得大力发展清洁能源成为各国共同的能源战略。作为稳定、经济、清洁、安全的新能源，核能正得到越来越广泛的应用。然而，核电厂在建设过程中，其材料和设备无时无刻不受到环境的腐蚀。缓解因腐蚀产生的设备腐蚀，对于减少资源浪费、防止设备破坏、保证设备性能，进而对于核电厂的安全运行均有着极其重要的作用。

自然状态下，大气由干洁空气、水汽和杂质等组成。除去水汽和杂质的空气称为干洁空气。干洁空气的主要成分为78.09%的氮气、20.94%的氧气、0.93%的氩气以及约0.03%的二氧化碳，这四种气体占干洁空气总体积的99.99%。近年来，由于人类活动(如化石燃料燃烧)的影响，大气中二氧化碳的含量呈逐年增长趋势。二氧化碳含量的升高，一定程度上加速了大气腐蚀。我国疆域辽阔，自然环境复杂，自南向北分布在7个气候带上，有7种典型的大气环境(农村、城市、工业、海洋、高原、沙漠、热带雨林)；材料暴露在大气环境中，会产生不同程度的腐蚀，同种材料在不同大气环境中的腐蚀速率可以相差数倍至几十倍。据统计，每年因腐蚀造成的经济损失高达国民生产总值的2%~4%，其中半数以上为大气腐蚀所致[1]。尤其是随着国民经济的增长，工业生产的日益频繁和居民生活排污的增加，导致大气中SO2、NO2、H2S等气体的增加，加速了大气腐蚀。在沿海地区，温湿度及盐分对大气腐蚀也有显著影响[2]。另外，大气中的尘土也是加速大气腐蚀的一个重要因素。

三门核电位于浙江省台州市三门县，濒临东海，属于亚热带季风气候，多年平均降水量1632毫米，年降水日数132~171天，夏季平均气温26.6℃~28.5℃，最热月平均相对湿度81%，冬季平均气温5.0℃~6.9℃，最冷月平均相对湿度78%。三门核电采用AP1000堆型，由于特殊的地理位置及AP1000堆型本身的设计特点，施工过程中出现的材料腐蚀现象也较为普遍。

1 AP1000施工现场腐蚀的表现形式

施工阶段，现场典型的腐蚀有以下几种表现形式：

1.1 钢筋腐蚀

AP1000机组同其他核电机组一样，大量采用了钢筋混凝土结构；在结构模块中，存在大量预制的钢筋标准件。受制于设计、预制、设备交货、施工进度以及多雨天气等因素，绑扎好的钢筋没有及时浇筑混凝土，暴露在大气环境中，产生腐蚀。据观察，现场钢筋腐蚀情况多发生在预制的钢结构模块和楼板模块上。

1.2 焊缝腐蚀

虽然AP1000机组在设计和建造期间大量运用了模块化策略，但限于模块体积、吊装运输等原因仍然存在大量接口需要在现场进行焊接，如管道支架的焊接、钢质结构模块上后置埋件的安装、子模块的拼装、管道模块间管道的组对焊接等等；多数焊口在焊接后需要进行无损检测，使得焊口的补漆工作不能及时跟进，造成焊缝腐蚀。焊缝腐蚀主要涉及结构模块的焊缝腐蚀、管道的焊缝腐蚀、支吊架的焊缝腐蚀、埋件板的焊缝腐蚀等。由于现场存在大量的焊缝，此类腐蚀较为普遍。

1.3 钢板、管道及设备腐蚀

AP1000采用了模块化施工，施工现场存在结构、管道、机械设备等各种模块。其中结构模块多采用碳钢板制作，尺寸大、结构复杂，一般是模块外部喷涂油漆、内部浇筑自密实混凝土。在较长的施工周期内，模块内部产生腐蚀现象。

1.4 防腐过的钢板返锈

经过防腐处理的钢板在个别位置发生返锈的情况多出现在大型的结构模块上。现场油漆涂装操作困难或个别操作工人责任心不强，致使涂装工艺达不到设计要求，在一段时间后，钢板会出现返锈现象。管道上也有类似现象发生，虽是个例，但应引起重视。

1.5 不同金属的接触腐蚀

在AP1000设计中，采用了铜质绞线作为接地线，使得大量接地线与钢筋或钢制结构件直接接触，从而导致局部腐蚀现象发生。

2 腐蚀机理分析

按腐蚀环境分类，腐蚀可以分为大气腐蚀、土壤腐蚀、海水腐蚀、高温气体腐蚀和化工介质腐蚀[3]。在现实环境下，腐蚀一般为多种形式共存、同时发生，且随着金属表面附着物的变化，各种腐蚀形式会相互转化。腐蚀既有全面腐蚀，也有局部腐蚀；既有表面腐蚀，也有深度的晶间腐蚀。

海洋大气不同于大陆大气的最大特点在于，海洋大气环境的氯离子浓度高于陆地环境[4~6]。空气中盐雾含量、盐雾沉降量与海岸的距离有直接关系[7]。距离海洋越近，盐雾沉降量越大。海盐粒子被风携带并沉降到物体表面，由于盐分具有很强的吸湿性，且极易溶于水膜形成强腐蚀性介质，从而加速了腐蚀过程。暴露于近海大气中的金属材料，特别是在距离海岸200m以内的区域，强烈地受到海洋大气的影响。研究结果表明，距海岸24m处钢的腐蚀速率比240m处快12倍。海洋大气的影响范围一般为20Km左右，金属材料的腐蚀速率在距海岸线15Km到25Km之间具有明显变化[8]。世界范围内，大多数核电站建设在沿海地区。目前，我国已建成或在建的核电站均位于沿海。这些核电站直接暴露于海洋大气环境中，海盐粒子污染成为造成核电站材料和设备高腐蚀性的根本原因[9]。核电站由于腐蚀造成的经济损失较大，且会影响核电站的建设过程及安全运行。

如引言所述，三门核电的地理位置决定了其受到海洋大气环境的影响。由于雨天多、空气湿度大，现场的大气腐蚀属于潮大气腐蚀和湿大气腐蚀[10]。潮大气腐蚀、湿大气腐蚀属于电化学腐蚀，其腐蚀速率会随金属表面液膜的厚度变化。金属暴露在潮湿环境中，表面会形成一层液膜，其中含有少量的氢离子与氢氧根离子、氧气等，从而形成电解质溶液。金属表面成分不均匀、氧化膜厚度不均匀或局部表面缺陷等，使得金属表面形成阳极区和阴极区，构成腐蚀原电池，致使电位低的金属作为阳极被腐蚀。阴阳极基本反应原理[11]是：

阴极：O2+ 2H2O – 4e → 4OH-(中性或碱性介质中)或 O2+ 4H++ 4e → 2H2O(酸性介质中)

阳极：M + xH2O→Mn+·xH2O + ne-

其中，M代表金属，Mn+为n价金属离子，Mn+·xH2O为金属离子化水合物。

水膜中溶解的腐蚀性物质除氧气和盐类化合物(如NaCl)外，还有CO2、SOx(主要是SO2)等。当CO2溶解在水中时，会促进钢铁的电化学腐蚀。当O2与CO2共存于水中时，会引起严重的腐蚀，大大提高钢铁的腐蚀速率[12]。大量研究结果显示，温度是CO2腐蚀的重要参数；且很多的研究结果表明，在60℃附近CO2腐蚀在动力学上有质的变化[13]。当水膜温度低于60℃时，CO2对碳钢发生全面腐蚀，其反应机理为：

关于SO2促进金属大气腐蚀的机理，目前有两种看法：一种认为一部分SO2在高空中能够直接氧化成SO3，溶于水中生成H2SO4；另一种认为一部分SO2吸附在金属表面，与铁作用形成FeSO4，FeSO4进一步氧化并由于强烈的水解作用生成硫酸，硫酸又与铁作用，整个过程有自催化作用的特性[14]。

同时，海洋大气同含有的NaCl等氯化物沉积到钢铁表面后会促进腐蚀的发生，其中Cl-是严重影响海洋大气腐蚀的因素之一。在海洋大气中常含有钙和镁的氯化物，其吸湿性增加了金属表面形成液膜的趋势，这在夜间或气温达到露点时表现得更为突出[8]，如湿度较高的冬季。

建设期间，施工现场产生的扬尘也是造成腐蚀不能忽视的因素。尘土一般会通过湿沉降、干沉降等途径落下，覆盖在钢结构模块、管道、设备等物体的金属表面上，为金属表面吸附水膜创造了条件。氧气和水分的渗透以及尘土中夹杂的各种盐类化合物，导致金属产生电化学腐蚀。尘土腐蚀对电气元器件的影响尤其突出[15]。

电化学腐蚀的另一种情况是发生在不同金属材料的接触部位，是由于不同种类金属的电位不同而产生的腐蚀。

3 预防措施

钢铁海洋大气腐蚀是大气环境中诸多因素在其表面综合作用的结果。研究表明，气候因子、大气成分、湿度和温度都会影响大气腐蚀的速率。对于大气腐蚀有较大影响的大气成分是氧气、水蒸气和二氧化碳；污染物和海岸附近大气中的NaCl颗粒对大气腐蚀有强烈的促进作用。研究认为，钢大气腐蚀的主要环境影响因素为：温度在零摄氏度以上时湿度超过临界相对湿度的时间、二氧化硫含量、盐粒子的含量[10]。盐雾的沉降量与邻近海域海水的含盐量，温度，气团特性与厚度，风向风速，降水，空气湿度，沿海地形，森林覆盖情况等有关[7,8,11]，有关监测结果[4,6]也验证了这一点。因此，在预防现场腐蚀现象发生时，应充分考虑此类环境因素的影响。现场可以采取以下防护措施：

3.1 减少设备直接暴露在空气中的时间

3.1.1 加盖临时保护覆层

AP1000设计中采用了模块化施工、开顶法施工等工艺，大量的结构模块需要长时间露天放置，如多数机械设备模块是在房间的楼顶板没有就位前就吊装就位的。由于设计变更以及交叉施工等因素的影响，也增加了设备露天暴露的时间。在无正式楼板遮挡的情况下，在设备上覆盖如三防布、聚乙烯薄膜等覆层，可以大大减少设备露天存放的时间，以减少水汽在设备或结构表面的附着，并能阻止盐粒子以及尘土在设备表面的沉积，从而降低金属初期腐蚀速率。现场大量实例充分证明了这一点。

3.1.2 设计保护涂层

研究表明，在大气腐蚀条件下，氧通过液膜到达金属表面的速度很快，并得到不断补充；液膜越薄，扩散速度越快，阴极上氧去极化的过程越有效。但当液膜未形成时，氧的阴极去极化过程就会受到阻滞。因此，设计过程中在充分考虑运行环境，如辐射、温度、压力等因素的情况下，可以为不同的钢制设备或结构选择合适的涂层。如大多数工业设备一样，AP1000现场的多数设备或管道，包括钢制结构模块都喷涂了正式涂层，以延长设备和结构的使用寿命。同时，在上道工序完成后，及时对相关钢结构按设计要求进行涂装也是防止腐蚀的重要措施。

对有些管道或设备采用酸洗钝化的处理方法，使金属表面产生致密的保护膜，从而阻止腐蚀现象的发生，这是现场实践中防止腐蚀发生的很有效的方法。

3.1.3 合理安排施工进度

设计、施工中，综合考虑各专业施工进度，尽可能平行施工，减少不同专业间的施工间歇期，使得施工环节紧凑，以较少设备或钢结构露天放置的时间，也可以有效降低腐蚀发生的几率。例如，设备模块在预定房间就位后，该房间上部的楼板能够及时就位。又如，接地线(铜质绞线)敷设后，钢筋或钢制结构件及时进行混凝土浇筑，对减少局部腐蚀的发生将是十分有益的。

3.2 控制环境湿度

试验结果表明，钢铁在相对湿度大于70%时腐蚀严重[16]。施工现场雨天多、降雨量大、空气湿度大，因此降低空气的相对湿度就十分必要。AP1000核岛侧采用开顶法施工工艺，下雨时，雨水直接落入未封闭的房间，甚至流入底层房间内，应及时清理各房间或地坑内的积水，以降低房间内的空气湿度、改善局部环境。例如，在钢质安全壳第四环就位后，安装临时顶封头，能有效减少雨水直接落入安全壳内，对现场防腐蚀工作十分有益。又如，现场在反应堆压力容器腔室上部搭设防护棚、在室内布置了循环风机、除湿机以降低该房间内湿度，此措施实施后效果明显。

3.3 控制现场扬尘

施工现场多为裸露的沙石地面，植被覆盖较少，同时，由于施工车辆来回频繁，使得施工现场扬尘较其他区域偏多，在现场天气持续晴好后扬尘尤其明显。针对此特点，晴好天气时，应在容易产生扬尘的区域进行人工洒水，降低扬尘出现的概率，以减少设备表面的尘土沉积，从源头上减少尘土腐蚀发生的可能性。并在日常的维护中，经常对裸露的设备进行清扫除尘。

3.4 提高涂装质量

加强现场施工管理，优化设计、提高工人意识。设备表面应喷砂处理并清洗；施工时，控制好周围环境条件，如湿度、温度等；涂料的选择也应合理。设计允许的情况下，核电站常规涂料在不具备一般施工要求时，可选择湿固化涂料和低表面处理涂料[17]。涂装过程中，应对涂料验证、质量关键点进行严格控制，以提高涂装质量，从而减少涂装后返锈情况的发生。

4 结束语

AP1000是我国通过对多个堆型进行比较的情况下引进的第三代核电技术，属于国家重大项目。对目前在建的AP1000机组在施工过程中所采用的防腐技术进行经验反馈，并对存在的疑难问题进行讨论，给出可能的解决途径，是保障核电站安全、经济运行的基础，也必将对后续AP1000项目的建设带来有益的启示。

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Prevention and Discussion for Typical Corrosion Problems at the AP1000 Construction Site

WEI Xiao-bao, ZHANG Yan
(State Nuclear Power Engineering Company, Shanghai 200233, China)

On the basis of corrosion phenomena appeared on the AP1000 construction site, this article summarized the typical corrosion phenomena on the steel structure, weld joints and equipments. The main causes that lead to materials and equipments corrosion on site have been analysed based on the corrosion patterns, so as the formation mechanism of the corrosion. Anti-corrosion measures have also been proposed from theoretical and construction practical point of view.

AP1000; construction site; sea atmosphere corrosion; dust corrosion

TG174

A

魏小宝 (1980－) ，男，河南开封人，工程师，在读工程硕士，主要从事核电厂机械设备安装技术管理工作。