高固態涂層襯里在秦三廠凝汽器水室內壁防腐的應用

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

秦山第三核電廠(以下簡稱“秦三廠”)是CANDU6型重水堆核電廠，建造有2臺發電功率720 MW的機組，2002年投入商業運營。每臺機組有2臺凝汽器，每臺凝汽器均分為A、B列，2臺機組共8列凝汽器，均采用管殼式冷卻結構。凝汽器冷卻水為杭州灣地區高含砂量的海水，設計總流量130 100 m3/h，流速36.14 m3/s，海水側水室內設計溫度32 ℃，運行時最高允許溫度44 ℃。凝汽器正常運行時海水入口側水室海水溫度18.8 ℃，至出口側時海水溫度上升9.0 ℃至27.8 ℃，水室內滿水狀態的設計壓力344.7 kPa(表壓力)。水室本體為碳鋼材質，碳鋼復合板與水室本體為法蘭螺栓連接，通過密封墊與水室完成密封。水室內壁采用厚度為5 mm的軟質氯丁橡膠襯里進行防腐保護，水室人孔法蘭及水室與鈦板連接法蘭處為厚度為3 mm的氯丁橡膠襯里進行防腐保護。

一般軟質橡膠襯里在使用15年左右即面臨老化失效的風險，需要更換新襯膠。考慮設備供貨和電廠機組建造、調試等消耗的壽命，秦三廠凝汽器水室襯膠在2015年左右即可能面臨明顯老化、失效的重大缺陷。而凝汽器體積龐大、現場施工條件有限，凝汽器設備不可能按照設備初始建造的工藝重新進行橡膠襯里防腐。

1 調研與試驗

1.1 國內核電廠與周邊火電廠凝汽器水室防腐情況調研

鑒于目前對于凝汽器等這種大型容器類海水系統設備內部防腐通常采用橡膠襯里和耐磨涂層襯里兩種方式，在開展大范圍重新襯膠或更換為涂層襯里施工前，必須經過充分調研比對和實踐驗證，保證施工方案的技術可行性和施工可行性。電廠于2009年對杭州灣區域具有相同或相近海水冷卻水質的核電廠和火電廠，及國內其他核電廠的凝汽器相關情況進行了廣泛調研。

調研發現杭州灣地區核電廠、火電廠的凝汽器水室基本都采用橡膠襯里的防腐保護方案，沿海地區個別電廠凝汽器海水水室為犧牲陽極保護的無防腐襯里水室，或環氧涂層配合犧牲陽極保護。而各電廠循環水冷卻介質中，杭州灣區域水質最差，其中秦三廠所在位置水質為杭州灣區域最差。具體表現為：鹽分是一般海水的1/3～1/2，黏性細顆粒粉砂含量為2.18～4.4 kg/m3，屬于高含砂量低鹽分海水；懸砂含有大量正常石和石英，硬度分別為HV930和HV1120，懸砂粒徑中值10～44 μm，且多為棱片狀[1-2]。相比于一般海水，杭州灣區域海水腐蝕性弱，但沖蝕性強[3]。

調研還發現，由歐洲進口的凝汽器水室防腐襯里保護原設計多采用耐磨涂層，國產和日本進口凝汽器水室原設計則多采用橡膠襯里防腐保護，日本進口設備(或監造)的橡膠襯里質量好于國產和其他地區進口設備；因施工條件限制，現場進行的重新橡膠襯里質量低于設備安裝前原廠橡膠襯里質量。因此，秦三廠凝汽器海水側水室橡膠襯里的替代方案，優先考慮耐磨涂層襯里防腐。

1.2 廠內海水管道及海水設備的防腐襯里試驗

為確保耐磨防腐涂層的可靠性，需對計劃選用的涂層方案進行實踐驗證。鑒于凝汽器海水側水室海水為高含砂量、流速較快、且出口相對入口有9 ℃的溫度升高，選擇的驗證環境必須有針對性，具備上述特征。為此，分別在電廠廠用原水系統海水管道、循環冷卻水系統熱交換器海水側水室內進行了涂層方案的可靠性驗證。

1.2.1 高流速海水管道內耐磨涂層襯里防腐試驗

電廠于2008年下半年開始選取2條直徑為72 in(1 in=2.54 cm)的廠用原水系統高流速海水管道進行高固態耐磨涂層防腐保護試驗。該部分管道上游布置4臺離心泵，每臺泵的設計轉速596 r/min，流量12 490 m3/h，揚程23.3 m[4]。試驗方案為：完全清除管道內表面原防腐層并噴砂除銹和表面粗化，噴砂等級Sa2.5，管壁表面腐蝕凹坑內和焊縫兩側填充高固態涂料Thortex Cerami-Tech EG進行平滑過渡。管壁分多道整體涂裝厚度約0.5 mm的高固態涂料Thortex Cerami-Tech FG，涂料固化后形成耐磨涂層襯里。至2020年的近12年檢查與維修工作中發現，這2條管道的涂層襯里整體狀態良好，襯里未出現大面積脫落、破損、磨損損耗等情況，各次大修均只進行局部的缺陷修復保護即可復役。

本試驗說明，以高固態涂料Thortex Cerami-Tech FG為主材的耐磨涂層，在厚度約0.5 mm時即可承受高流速的高含砂量海水的長期沖刷腐蝕，在出現局部缺陷時對缺陷處進行針對性涂裝修復即可復役。

1.2.2 循環冷卻水系統熱交換器海水側水室耐磨涂層襯里防腐試驗

2013年上半年，電廠以上述海水管道內耐磨防腐涂層方案為基礎，增加耐磨涂料Thortex Chemi-Tech EP制定方案，完成了1臺循環冷卻水熱交換器海水側水室橡膠襯里改為高固態涂料襯里的改造工作。該熱交換器海水側水室殼體為碳鋼材質，海水側流速為200 626 L/min，海水從入口側至出口側流通時，溫度從32.2 ℃升高至最大38.8 ℃。具體方案為：完全清除水室橡膠襯里并打磨、噴砂粗化，噴砂等級Sa2.5；對水室內焊縫及腐蝕坑部位使用高固態涂料Thortex Cerami-Tech EG進行填充和塑形平滑過渡，水室內壁分多道整體涂裝厚度約1 mm的高固態涂料Thortex Cerami-Tech FG。表干后再分多道整體涂裝厚度約0.5 mm的高固態涂料Thortex Chemi-Tech EP，以總厚度不低于1.5 mm為控制原則，涂料完全固化后形成約2 mm厚度的耐磨防腐涂層襯里[5]。該設備服役至今7年多，設備歷次開口檢修中，涂層襯里除發生一次機械砸傷和少量涂層細小鼓泡外，未出現明顯的涂層襯里龜裂、減薄、脫落和老化等情況。

本試驗說明，以高固態涂料Thortex Cerami-Tech FG + Thortex Chemi-Tech EP為主材的耐磨涂層結構體系，在厚度不低于1.5 mm時可替代海水系統熱交換器設備內壁的橡膠襯里，并承受高流速、高含砂量海水的長期沖刷腐蝕，在出現局部缺陷時對缺陷處進行針對性涂裝修復即可復役。本試驗方案經過一定的優化改進后完全可以替代原有橡膠襯里，用于凝汽器海水側水室內壁的防腐保護。

2 技術方案設計及應用

2.1 凝汽器海水側水室橡膠襯里缺陷現象

2015年上半年電廠1號機組第8次大修時，檢查發現有3列凝汽器海水側出口水室內壁橡膠襯里出現大量鼓泡，鼓泡直徑30～80 mm，鼓泡破損并有銹跡流出，總體情況見圖1，局部鼓泡見圖2。

圖1 襯膠鼓泡缺陷整體情況Fig.1 Overall situation of the rubber lining bubble

圖2 襯膠鼓泡缺陷局部情況Fig.2 Partial situation of the rubber lining bubble

在水室內壁橡膠襯里有鼓泡缺陷區域和無鼓泡缺陷區域，按500 mm×500 mm范圍進行了局部切割和取樣，共取樣4份。按照GB/T 18241.1《橡膠襯里 第1部分：設備防腐襯里》實施了橡膠襯里基本性能檢測，檢測結果見表1，均為檢測結果平均值。

表1 凝汽器水室內部襯膠性能檢測Table 1 Test data of rubber lining performancein condenser waterboxes

從檢測數據可見，橡膠襯里樣品的硬度偏大，抗拉強度和粘合強度明顯下降，拉斷伸長率已明顯低于標準下限，拉斷后出現不可恢復的永久變形。現場部分區域橡膠襯里用手即可扯下，但鼓泡橡膠襯里下金屬基體無腐蝕凹坑，表明凝汽器海水側水室橡膠襯里的老化程度已經較嚴重，但發生破損的時間不長。結合凝汽器水室內壁橡膠襯里在歷次大修中僅出現局部橡膠襯里龜裂、輕微鼓泡的情況，初步判斷水室橡膠襯里已接近整體失效的狀態，需盡快執行整體檢修。2016年上半年2號機組第8次大修時發現了同樣的情況，證明判斷基本正確。

2.2 凝汽器水室襯膠改造替代技術方案設計

考慮到電廠凝汽器水室的容積、海水流速、進出口側溫度上升幅度、日常運行期間能否停役檢修消缺等因素，在制定凝汽器海水側水室內壁涂層襯里防腐方案時，適當增加涂層的設計厚度。設計的涂層體系為：Thortex Cerami-Tech FG(厚度約1 mm)+ Thortex Chemi-Tech EP(厚度約1 mm)，以總厚度不低于2 mm為控制原則。

根據前期的試驗結果，厚度約1 mm的Thortex Cerami-Tech FG耐磨涂層基本上已滿足凝汽器水室耐磨防腐襯里安全使用一個大修周期的需求；提高面層Thortex Chemi-Tech EP厚度，主要考慮該類型涂料具有一定的韌性，也可以作為底層材料的犧牲保護層，同時也考慮了一定的施工成本的問題——Thortex Chemi-Tech EP相對Thortex Cerami-Tech FG存在明顯的成本優勢。因此，在Thortex Cerami-Tech FG涂層表面附加足夠厚度的Thortex Chemi-Tech EP既能提高涂層體系的可靠性，留有更大的磨損裕度，同時也使整個施工成本控制在相對較低的水平。

2.3 高固態涂層襯里方案的應用實施

2016年上半年開始，電廠開始采用前述設計方案，利用機組停機大修的窗口逐步實施凝汽器海水側水室橡膠襯里的整體更換改造。在機組停機前，完成了凝汽器水室起吊吊耳的焊接安裝、周邊吊裝空間的建立等工作。待機組正式停機冷卻后，按照事先制定的施工方案逐步完成法蘭螺栓拆卸、凝汽器水室吊離、現場人員安全保護和施工環境保護等準備工作。按照以下施工流程完成現場實施：施工用電及防塵布置準備→清除水室下半部分橡膠襯里→水室下半部分表面打磨→搭設水室上半部分工作腳手架;清除上半部分(含密封面)橡膠襯里→水室上半部分打磨、噴砂;質量檢查→水室上半部分防腐涂裝;質量檢查→拆除腳手架→水室下半部分噴砂;質量檢查→水室下半部分防腐涂裝;質量檢查→水室回裝→水室下法蘭面清除襯膠;打磨并防腐涂裝;質量檢查→移除保護設施、清理場地、移交設備。

2016年上半年第一次實施凝汽器海水側水室橡膠襯里改造，單臺工期用時19天，兩臺水室滾動交替施工用時22天。經過后續兩次大修的工藝和邏輯優化，至2019年執行后續凝汽器水室橡膠襯里改造施工時，每臺水室平均工期僅為17.5天，兩臺水室滾動交替施工用時19天。相比國內其他核電廠實施的現場水室由涂層襯里改為橡膠襯里的施工工期——3臺凝汽器的6臺水室改造用時2個月，按照本施工邏輯，6臺水室滾動交替施工全部完成僅需要27天，能節省約33天。

3 效果評價

從施工后防腐襯里質量而言，涂層襯里完工后表面光滑平整，無需后期的缺陷修正，整個涂層均勻一致，無明顯色差及凹凸不平的現象，施工質量遠遠優于現場實施的硫化橡膠襯里質量。2018、2019、2020年的上半年分別對改造完成的水室內部涂層襯里進行檢查，發現內部僅有零星的腐蝕銹點，打磨后涂層完好、銹點消失。可見銹點主要是海水中有部分含鐵的物質附著在涂層表面，停運后氧化形成，并非涂層質量缺陷導致的凝汽器水室金屬基體腐蝕。

大修期間凝汽器海水側水室內部檢查維護時，僅需要對發現的銹點處進行確認、打磨除銹、補涂，水室連接結構處如有裂紋則進行打磨重新涂裝后即可復役。一般涂層襯里修復時間僅用2天(含涂層固化時間)，比橡膠襯里缺陷常規修復的4天工期(含固化時間)縮短了一年，大大提高了檢修效率。尤其是，原橡膠襯里如有明顯的老化、鼓泡和破損等缺陷時，可能需要切割橡膠、打磨、現場橡膠襯里修補，修復工期則更久。

4 結論

沿海地區電廠凝汽器海水側水室內部使用的橡膠襯里防腐方案，需要考慮橡膠的老化壽命問題。根據檢修中的檢查情況進行綜合評價，提前規劃橡膠襯里壽期結束后的設備防腐保護措施。

實踐證明，在凝汽器海水側水室防腐保護中，使用高固態涂層襯里方案是完全可行的。且相比橡膠襯里方案，涂層襯里方案具有施工時間短、易修復、成本低的多方面優勢。

采用同類型的高固態涂料實施橡膠襯里的替代，具有明顯的示范效應。這類技術方案可以延伸至各類管道、容器的改造工作中，實現降低檢修難度，減少維修成本等目標，提升設備可靠性。