CAP1400核電站屏蔽廠房結(jié)構(gòu)特性與老化管理研究

呂 陽 張永良 方奇術(shù) 修振野

（1. 國核示范電站有限責(zé)任公司，山東 榮成 264300；2. 國家電投集團(tuán)電站運(yùn)營技術(shù)（北京）有限公司，北京 112209）

0 引言

CAP1400機(jī)組通過對西屋引進(jìn)的AP1000的設(shè)計與實(shí)施基礎(chǔ)上，全面系統(tǒng)進(jìn)行自主化概念設(shè)計，相關(guān)分析結(jié)果表明CAP1400的安全性不低于AP1000，電廠經(jīng)濟(jì)性估算表明經(jīng)濟(jì)性也更為優(yōu)異。作為CAP1400核電廠核心廠房反應(yīng)堆廠房，由安全殼廠房和屏蔽廠房組成。安全殼廠房包括鋼制安全殼容器和其內(nèi)的所有結(jié)構(gòu)。屏蔽廠房是圍繞在安全殼容器周圍的建筑結(jié)構(gòu)。兩者共同為安全殼內(nèi)的RCS和其它放射性的核設(shè)備提供必要的屏蔽，屏蔽廠房為安全殼廠房提供對外部事件如龍卷風(fēng)及其產(chǎn)生的飛射物的保護(hù)。屏蔽廠房的底板和結(jié)構(gòu)墻與輔助廠房結(jié)構(gòu)性相連。屏蔽廠房被輔助廠房包圍保護(hù)的部分為厚度1100mm的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高于輔助廠房部分為墻體為1100mm的厚鋼板混凝土結(jié)構(gòu)。屏蔽廠房結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 屏蔽廠房結(jié)構(gòu)圖示

為了研究大尺寸鋼板混凝土結(jié)構(gòu)特性，2016年北京工業(yè)大學(xué)開展了CAP1400核電廠雙鋼板混凝土組合墻體面內(nèi)抗震性能試驗研究，并采用1:5縮尺模型進(jìn)行試驗驗證，對高剪跨比雙鋼板混凝土組合墻體進(jìn)行面內(nèi)低周反復(fù)荷載試驗，試驗設(shè)計參數(shù)為不同的栓釘間距和不同抗剪連接件，分析其對雙鋼板混凝土組合墻的抗震性能的影響。試驗研究表明雙鋼板混凝土組合墻具有良好的承載力、抗側(cè)剛度、延性、耗能能力及抗震性能[1,2]。2018年我國頒布了“核電站鋼板混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”國家標(biāo)準(zhǔn)[3]，但對于核工程大尺寸雙鋼板混凝土剪力墻的研究還處于初級階段，需要進(jìn)一步研究受力機(jī)制以及破壞機(jī)理等。使用鋼板混凝土與鋼筋混凝土為主要構(gòu)成的屏蔽廠房作為核電站不可更換構(gòu)件，隨著使用年限的增加，在外部載荷和環(huán)境作用下，老化降質(zhì)問題不可避免，如果老化不能被緩解，將會降低設(shè)計提供的安全裕度，從而增加對公眾健康和安全的風(fēng)險。

通過對屏蔽廠房結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行分析，總結(jié)老化降質(zhì)機(jī)理，探討老化檢測方法，提出屏蔽廠房老化管理建議，掌握屏蔽廠房的老化現(xiàn)狀和壽命狀態(tài)評估，對CAP1400核電廠安全運(yùn)行具有重要意義。

1 屏蔽廠房結(jié)構(gòu)特性

屏蔽廠房包圍在鋼制安全殼容器，與輔助廠房、安全殼容器共用一個基礎(chǔ)底板，有屏蔽射線和抵御外部事件（颶風(fēng)、外來飛射物等）的功能，同時，屏蔽廠房屋頂非能動安全殼冷卻水箱及分配系統(tǒng)，在事故工況下為鋼制安全殼提供冷卻水源。屏蔽廠房作為抗震類構(gòu)筑物，屏蔽廠房內(nèi)直徑45.77m，地上標(biāo)高75.65m，整體厚度1100mm（局部厚度為1500mm）其結(jié)構(gòu)，鋼板混凝土鋼板材料為Q345、栓釘為A108和混凝土為C55自密實(shí)混凝土。

典型的鋼板混凝土結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要由兩側(cè)鋼面板組成，鋼板表面焊有栓釘。鋼板之間通過鋼桁架連接，桁架作為結(jié)構(gòu)模塊的骨架，使鋼面板之間保持距離，在運(yùn)輸和建造過程中對結(jié)構(gòu)模塊起支撐作用，在混凝土澆筑時作為鋼面板模板的拉桿作用，加勁肋能夠有效提高墻體整體剛度、承載能力和延展性。

圖2 鋼板混凝土鋼構(gòu)件示意圖

2 屏蔽廠房老化機(jī)理認(rèn)知

CAP1400核電廠屏蔽廠房分為鋼板混凝土、鋼筋混凝土、屋頂水箱鋼平臺以及CB20屋頂水箱組成，由于與M310堆型的預(yù)應(yīng)力混凝土安全殼和鋼內(nèi)襯的結(jié)構(gòu)和材料不同，因而其老化機(jī)理也不同。

2.1 屏蔽廠房鋼板混凝土的老化機(jī)理

金屬材料由于周圍介質(zhì)的化學(xué)作用或電化學(xué)作用引起的腐蝕是主要老化機(jī)理，金屬腐蝕按環(huán)境不同分為大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、細(xì)菌腐蝕等，其中大氣腐蝕最為普遍，鋼板等構(gòu)件在加工、運(yùn)輸、儲存保管和使用過程中都與大氣接觸，形成產(chǎn)生大氣腐蝕的條件。

鋼板混凝土內(nèi)外層為低合金高強(qiáng)鋼鋼板，影響鋼板混凝土的因素主要有為大氣環(huán)境腐蝕，濱海核電站海風(fēng)或雨水中氯離子含量高、空氣常年濕潤等導(dǎo)致較強(qiáng)的環(huán)境腐蝕；當(dāng)鋼制安全殼的保護(hù)涂層失效，失效部位金屬基體直接與大氣接觸，引起加速腐蝕。在鋼制安全殼的焊接處、臨近混凝土部位及與不同構(gòu)件交接臨近處，不同材料間自然電位差導(dǎo)致的電化學(xué)腐蝕也是其老化機(jī)理之一。從經(jīng)驗反饋來看，鋼制安全殼常見的老化現(xiàn)象主要為均勻腐蝕、局部腐蝕及涂層降質(zhì)三種情況，其中尤以均勻腐蝕最為常見。

2.2 鋼板混凝土鋼構(gòu)件均勻腐蝕

均勻腐蝕是指與環(huán)境接觸的整個金屬表面以幾乎相同的速度發(fā)生腐蝕，鋼板混凝土鋼構(gòu)件的老化失效以均勻腐蝕為主，均勻腐蝕減薄速率與鋼制安全殼的成分和所處環(huán)境有關(guān)。對于Q345和Q420C低合金鋼材料，在空氣或潮濕環(huán)境中生成的腐蝕膜是疏松的，無法提供有效的防護(hù)，腐蝕是勻速的，但當(dāng)材料處于極端惡劣的環(huán)境中時，有可能出現(xiàn)加速腐蝕的現(xiàn)象。均勻腐蝕并不改變材料的化學(xué)成分以及晶體結(jié)構(gòu)，只是均勻地減小構(gòu)件的厚度，導(dǎo)致其承載力下降，甚至發(fā)生泄漏。美國的Nine Mile Point核電廠1號機(jī)組的鋼制安全殼曾經(jīng)發(fā)生過這類案例，該機(jī)組的安全殼水線以下的環(huán)形鋼板由于未覆蓋涂層而發(fā)生了均勻腐蝕，超聲檢測結(jié)果顯示部分區(qū)域的厚度甚至已經(jīng)接近最小要求厚度。美國的 McGuire核電廠2號機(jī)組則由硼酸泄漏而導(dǎo)致安全殼靠近混凝土地面的外表面發(fā)生均勻腐蝕，壁厚減薄了將近10%。

2.3 局部腐蝕

鋼板混凝土局部涂層破損、水汽聚積或積水部位、異種鋼搭接形成電偶差、形成細(xì)小縫隙部位等等都可能引起局部腐蝕，局部腐蝕的發(fā)生可能導(dǎo)致鋼板局部腐蝕速率加快。經(jīng)驗反饋表明鋼板混凝土與鋼筋混凝土搭接部位易積水，如果防潮或排水構(gòu)造失效，則更容易促進(jìn)腐蝕的發(fā)生。

2.4 鋼板混凝土混凝土老化降質(zhì)

鋼板混凝土結(jié)構(gòu)墻體內(nèi)采用自密實(shí)混凝土填充，但在混凝土澆筑過程中，對于比較復(fù)雜的部位，尤其是鋼板混凝土結(jié)構(gòu)模塊形式復(fù)雜的部分，如墻體上的洞口、墻體內(nèi)的隔板，混凝土容易在門洞口下方形成空鼓，對于鋼板混凝土結(jié)構(gòu)模塊構(gòu)造形式上比較復(fù)雜的部位，混凝土容易形成空鼓，并且由于外層鋼板的遮擋，難以通過常規(guī)檢查發(fā)現(xiàn)這些缺陷。除了混凝土自身原因產(chǎn)生。如水泥選擇不當(dāng)、混凝土配合比設(shè)計不合理等，也會使鋼板混凝土內(nèi)部出現(xiàn)空洞，鋼板混凝土混凝土內(nèi)部質(zhì)量缺陷，也直接影響著結(jié)構(gòu)的安全性。

2.5 涂層老化機(jī)理

表面涂層老化機(jī)理主要分為兩類：一類是涂層材料自身的老化；另一類是外部環(huán)境因素對涂層的直接破壞作用。涂層材料在服役期間有可能受到高溫、氧化、輻照等因素的影響，導(dǎo)致其性能逐漸老化劣化；空氣、水及其他化學(xué)物質(zhì)對涂層的侵蝕以及機(jī)械摩擦或碰撞可能對涂層造成直接損害。這兩類原因都會導(dǎo)致涂層產(chǎn)生剝落、分層或者開裂等老化現(xiàn)象，從而失去對基材材料的保護(hù)作用。

3 屏蔽廠房老化監(jiān)檢測與評估

老化監(jiān)檢測與評估是針對已經(jīng)確定的老化機(jī)理，使用儀器設(shè)備對容易發(fā)生老化的薄弱部位進(jìn)行在線監(jiān)檢測或提取樣本后進(jìn)行實(shí)驗分析，在分析CAP1400核電廠屏蔽廠房老化機(jī)理的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)階段的老化程度進(jìn)行狀態(tài)評估，研究適用于CAP1400核電廠屏蔽廠房的老化監(jiān)檢測的主要方法和評價標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 鋼板混凝土老化檢測

鋼板混凝土在核電工程建設(shè)中，尤其是AP系列核電站中被用于安全殼廠房內(nèi)部結(jié)構(gòu)模塊和其他核安全相關(guān)結(jié)構(gòu)模塊中，雙鋼板混凝土組合墻中的雙鋼板不僅可以作為混凝土澆筑的模板，而且在使用階段可以防止混凝土外露，混凝土能夠增強(qiáng)鋼板的穩(wěn)定性。根據(jù)核安全法規(guī)的要求，需要對鋼板混凝土的安全性和可靠性進(jìn)行定期評估。

3.2 鋼板混凝土鋼板腐蝕檢測

鋼板混凝土中鋼板可達(dá)部位采用目視進(jìn)行檢查評價，鋼板腐蝕減薄情況可以超聲進(jìn)行測厚，不可達(dá)部位鋼板厚度采用超聲導(dǎo)波探頭做表面掃查。

3.3 鋼板混凝土內(nèi)部脫空腐蝕檢測

鋼板混凝土中鋼、混凝土二者間的粘接質(zhì)量以及核心混凝土的內(nèi)部密實(shí)程度直接關(guān)系到建鋼板混凝土構(gòu)筑物的使用安全性能。因此，需要對鋼板混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測。

（1）超聲法檢測鋼板混凝土內(nèi)部脫空

超聲法系統(tǒng)采用帶波形顯示功能的超聲波檢測儀，測量超聲脈沖在混凝土中傳播速率、首波幅度和接收信號主頻率等聲學(xué)參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)及相對變化，判定混凝土內(nèi)部的缺陷情況。通過聲波縱波速度，檢查其質(zhì)性，評價混凝土質(zhì)量。當(dāng)鋼板厚度很大時，超聲波在鋼板內(nèi)的衰減會更大。不同材料的屬性參數(shù)如表1所示。

表1 不同材料的屬性參數(shù)

鋼-混凝土界面粘接質(zhì)量良好時為鋼-混凝土界面，粘接質(zhì)量不理想時為鋼-氣界面或者鋼-水界面。由于鋼和混凝土聲阻抗接近，其界面反射率低，聲壓衰減較快，底波衰減系數(shù)a較大，而鋼和水或空氣阻抗相差懸殊，則界面反射率大，聲壓衰減相對較慢，底波衰減系數(shù)a較小。因此，底波衰減系數(shù)a可以反映界面粘接質(zhì)量；

（2）沖擊-回波法檢測鋼板混凝土內(nèi)部缺陷

參考SL 713-2015 《水工混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測技術(shù)規(guī)程》的沖擊-回波內(nèi)部缺陷測定方法。通過與基準(zhǔn)對比，測出存在局部疏松或不密實(shí)區(qū)域。測判定標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)設(shè)備使用經(jīng)驗進(jìn)行判定，超出基準(zhǔn)點(diǎn)平均脫空指數(shù)20%以上可判定局部疏松或不密實(shí)區(qū)域。根據(jù)GB/T 51340-2018《核電站鋼板混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求抗壓強(qiáng)度檢測不滿足設(shè)計要求或芯樣抗壓強(qiáng)度不滿足設(shè)計要求時，則應(yīng)破壞鋼板進(jìn)行鉆芯取樣，并參考中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)鉆芯法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程（CECS 03-2007）進(jìn)行強(qiáng)度檢驗；

（3）鋼板混凝土在線監(jiān)測技術(shù)

埋入式混凝土鋼筋銹蝕監(jiān)測儀采用交流阻抗和高輸入阻抗放大器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多路高阻信號的同步精密測量；配合多功能混凝土監(jiān)測探頭，可以監(jiān)測混凝土電阻率、Cl-濃度、pH值、半電池電位和鋼筋銹蝕速率等參數(shù)。廣泛用于建筑、公路和橋梁隧道結(jié)構(gòu)中混凝土內(nèi)鋼筋混凝土腐蝕速率的在線監(jiān)測。

3.4 涂層老化

目視檢查宏觀觀察涂層存在的缺陷或疑似缺陷區(qū)域，可高效的發(fā)現(xiàn)涂層起泡、開裂等宏觀缺陷，評估涂層完整性、附著力測驗和漏涂試驗。可以采用對于大面積鋼結(jié)構(gòu)涂層采用紅外熱成像進(jìn)行宏觀觀察，紅外成像技術(shù)可準(zhǔn)確檢測出肉眼可見涂裝缺陷的形式和位置，無缺陷區(qū)域不誤判，并可檢測出目視不可見借助放大鏡等可發(fā)現(xiàn)的缺陷。

4 結(jié)論與建議

日本電氣協(xié)會在相關(guān)研究和試驗的基礎(chǔ)上建立了鋼板混凝土設(shè)計導(dǎo)則和規(guī)范，分別在2005年和2009年發(fā)布實(shí)施了JEAG 4618-2005《SC結(jié)構(gòu)設(shè)計導(dǎo)則》和JEAC 4618-2009《SC結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，設(shè)計導(dǎo)則和規(guī)范發(fā)布后，鋼板混凝土結(jié)構(gòu)就具備了普遍應(yīng)用于工程的條件。我國單側(cè)鋼板混凝土、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在橋梁工程廣泛上。但對于大體積大尺寸鋼板混凝土老化管理研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。我國目前正在大力開展核電機(jī)組的建設(shè)，CAP1400機(jī)組的設(shè)計服役壽命為60年，如果在此基礎(chǔ)上實(shí)施執(zhí)照更新計劃，那么屏蔽廠房為安全殼廠房提供對外部事件如龍卷風(fēng)及其產(chǎn)生的飛射物的保護(hù)，其服役壽命可能需要超過80年甚至100年。構(gòu)筑物老化降質(zhì)是自然規(guī)律，老化管理的工作就是尋找老化的自然規(guī)律并采取相應(yīng)的評價方法和緩解措施，確保核電廠安全可靠運(yùn)行。針對屏蔽廠房特殊的鋼板混凝土結(jié)構(gòu)的老化管理建議關(guān)注以下幾點(diǎn)[4,5]：

（1）在設(shè)計和建造階段的老化管理，重點(diǎn)做好收集設(shè)計和施工的相關(guān)數(shù)據(jù)和檔案材料，識別潛在老化機(jī)理并結(jié)合經(jīng)驗反饋采取相應(yīng)的工改措施，選材上使用耐老化材料，建造時盡可能配備在線老化監(jiān)測手段，在安全分析報告應(yīng)述及老化問題及其對策；

（2）構(gòu)筑物老化管理大綱的建立，以保證及時發(fā)現(xiàn)和緩解任何可能影響其安全功能的性能劣化，該措施是保證最有效和高效率進(jìn)行老化管理的系統(tǒng)的、全面的和完整的方法。國家核安全局頒布的HAFJ0068《核電廠安全重要設(shè)備老化控制的方法》中提出了有關(guān)核電廠設(shè)備老化控制研究步驟的劃分，對所選核電設(shè)備編制的老化控制大綱應(yīng)涉及下列三個基本要素對老化劣化過程的了解，對老化行為進(jìn)行監(jiān)測以便能在設(shè)備失效前探測到設(shè)備劣化，對老化及其影響的及時緩解（可通過維修、替換和改變運(yùn)行條件等手段實(shí)現(xiàn)）以保證維持所要求的安全裕度。