呂 陽 張永良 方奇術 修振野

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

0 引言

CAP1400機組通過對西屋引進的AP1000的設計與實施基礎上，全面系統(tǒng)進行自主化概念設計，相關分析結果表明CAP1400的安全性不低于AP1000，電廠經(jīng)濟性估算表明經(jīng)濟性也更為優(yōu)異。作為CAP1400核電廠核心廠房反應堆廠房，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的所有結構。屏蔽廠房是圍繞在安全殼容器周圍的建筑結構。兩者共同為安全殼內的RCS和其它放射性的核設備提供必要的屏蔽，屏蔽廠房為安全殼廠房提供對外部事件如龍卷風及其產(chǎn)生的飛射物的保護。屏蔽廠房的底板和結構墻與輔助廠房結構性相連。屏蔽廠房被輔助廠房包圍保護的部分為厚度1100mm的鋼筋混凝土結構，高于輔助廠房部分為墻體為1100mm的厚鋼板混凝土結構。屏蔽廠房結構示意圖如圖1所示。

圖1 屏蔽廠房結構圖示

為了研究大尺寸鋼板混凝土結構特性，2016年北京工業(yè)大學開展了CAP1400核電廠雙鋼板混凝土組合墻體面內抗震性能試驗研究，并采用1:5縮尺模型進行試驗驗證，對高剪跨比雙鋼板混凝土組合墻體進行面內低周反復荷載試驗，試驗設計參數(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構技術標準”國家標準[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，需要進一步研究受力機制以及破壞機理等。使用鋼板混凝土與鋼筋混凝土為主要構成的屏蔽廠房作為核電站不可更換構件，隨著使用年限的增加，在外部載荷和環(huán)境作用下，老化降質問題不可避免，如果老化不能被緩解，將會降低設計提供的安全裕度，從而增加對公眾健康和安全的風險。

通過對屏蔽廠房結構材料進行分析，總結老化降質機理，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核電廠安全運行具有重要意義。

1 屏蔽廠房結構特性

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底板，有屏蔽射線和抵御外部事件（颶風、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筑物，屏蔽廠房內直徑45.77m，地上標高75.65m，整體厚度1100mm（局部厚度為1500mm）其結構，鋼板混凝土鋼板材料為Q345、栓釘為A108和混凝土為C55自密實混凝土。

典型的鋼板混凝土結構如圖2所示，其主要由兩側鋼面板組成，鋼板表面焊有栓釘。鋼板之間通過鋼桁架連接，桁架作為結構模塊的骨架，使鋼面板之間保持距離，在運輸和建造過程中對結構模塊起支撐作用，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 鋼板混凝土鋼構件示意圖

2 屏蔽廠房老化機理認知

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堆型的預應力混凝土安全殼和鋼內襯的結構和材料不同，因而其老化機理也不同。

2.1 屏蔽廠房鋼板混凝土的老化機理

金屬材料由于周圍介質的化學作用或電化學作用引起的腐蝕是主要老化機理，金屬腐蝕按環(huán)境不同分為大氣腐蝕、土壤腐蝕、海水腐蝕、細菌腐蝕等，其中大氣腐蝕最為普遍，鋼板等構件在加工、運輸、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。

鋼板混凝土內外層為低合金高強鋼鋼板，影響鋼板混凝土的因素主要有為大氣環(huán)境腐蝕，濱海核電站海風或雨水中氯離子含量高、空氣常年濕潤等導致較強的環(huán)境腐蝕；當鋼制安全殼的保護涂層失效，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件交接臨近處，不同材料間自然電位差導致的電化學腐蝕也是其老化機理之一。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。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，腐蝕是勻速的，但當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成分以及晶體結構，只是均勻地減小構件的厚度，導致其承載力下降，甚至發(fā)生泄漏。美國的Nine Mile Point核電廠1號機組的鋼制安全殼曾經(jīng)發(fā)生過這類案例，該機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號機組則由硼酸泄漏而導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，如果防潮或排水構造失效，則更容易促進腐蝕的發(fā)生。

2.4 鋼板混凝土混凝土老化降質

鋼板混凝土結構墻體內采用自密實混凝土填充，但在混凝土澆筑過程中，對于比較復雜的部位，尤其是鋼板混凝土結構模塊形式復雜的部分，如墻體上的洞口、墻體內的隔板，混凝土容易在門洞口下方形成空鼓，對于鋼板混凝土結構模塊構造形式上比較復雜的部位，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、混凝土配合比設計不合理等，也會使鋼板混凝土內部出現(xiàn)空洞，鋼板混凝土混凝土內部質量缺陷，也直接影響著結構的安全性。

2.5 涂層老化機理

表面涂層老化機理主要分為兩類：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，導致其性能逐漸老化劣化；空氣、水及其他化學物質對涂層的侵蝕以及機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)確定的老化機理，使用儀器設備對容易發(fā)生老化的薄弱部位進行在線監(jiān)檢測或提取樣本后進行實驗分析，在分析CAP1400核電廠屏蔽廠房老化機理的基礎上，對現(xiàn)階段的老化程度進行狀態(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準。

3.1 鋼板混凝土老化檢測

鋼板混凝土在核電工程建設中，尤其是AP系列核電站中被用于安全殼廠房內部結構模塊和其他核安全相關結構模塊中，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部位采用目視進行檢查評價，鋼板腐蝕減薄情況可以超聲進行測厚，不可達部位鋼板厚度采用超聲導波探頭做表面掃查。

3.3 鋼板混凝土內部脫空腐蝕檢測

鋼板混凝土中鋼、混凝土二者間的粘接質量以及核心混凝土的內部密實程度直接關系到建鋼板混凝土構筑物的使用安全性能。因此，需要對鋼板混凝土結構的內部缺陷進行檢測。

（1）超聲法檢測鋼板混凝土內部脫空

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參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)及相對變化，判定混凝土內部的缺陷情況。通過聲波縱波速度，檢查其質性，評價混凝土質量。當鋼板厚度很大時，超聲波在鋼板內的衰減會更大。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-混凝土界面粘接質量良好時為鋼-混凝土界面，粘接質量不理想時為鋼-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量；

（2）沖擊-回波法檢測鋼板混凝土內部缺陷

參考SL 713-2015 《水工混凝土結構缺陷檢測技術規(guī)程》的沖擊-回波內部缺陷測定方法。通過與基準對比，測出存在局部疏松或不密實區(qū)域。測判定標準依據(jù)設備使用經(jīng)驗進行判定，超出基準點平均脫空指數(shù)20%以上可判定局部疏松或不密實區(qū)域。根據(jù)GB/T 51340-2018《核電站鋼板混凝土結構技術標準》要求抗壓強度檢測不滿足設計要求或芯樣抗壓強度不滿足設計要求時，則應破壞鋼板進行鉆芯取樣，并參考中國工程建設標準化協(xié)會標準鉆芯法檢測混凝土強度技術規(guī)程（CECS 03-2007）進行強度檢驗；

（3）鋼板混凝土在線監(jiān)測技術

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，實現(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、公路和橋梁隧道結構中混凝土內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?？梢圆捎脤τ诖竺娣e鋼結構涂層采用紅外熱成像進行宏觀觀察，紅外成像技術可準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 結論與建議

日本電氣協(xié)會在相關研究和試驗的基礎上建立了鋼板混凝土設計導則和規(guī)范，分別在2005年和2009年發(fā)布實施了JEAG 4618-2005《SC結構設計導則》和JEAC 4618-2009《SC結構設計規(guī)范》，設計導則和規(guī)范發(fā)布后，鋼板混凝土結構就具備了普遍應用于工程的條件。我國單側鋼板混凝土、鋼管混凝土結構在橋梁工程廣泛上。但對于大體積大尺寸鋼板混凝土老化管理研究還有待進一步加強。我國目前正在大力開展核電機組的建設，CAP1400機組的設計服役壽命為60年，如果在此基礎上實施執(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及其產(chǎn)生的飛射物的保護，其服役壽命可能需要超過80年甚至100年。構筑物老化降質是自然規(guī)律，老化管理的工作就是尋找老化的自然規(guī)律并采取相應的評價方法和緩解措施，確保核電廠安全可靠運行。針對屏蔽廠房特殊的鋼板混凝土結構的老化管理建議關注以下幾點[4,5]：

（1）在設計和建造階段的老化管理，重點做好收集設計和施工的相關數(shù)據(jù)和檔案材料，識別潛在老化機理并結合經(jīng)驗反饋采取相應的工改措施，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，在安全分析報告應述及老化問題及其對策；

（2）構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《核電廠安全重要設備老化控制的方法》中提出了有關核電廠設備老化控制研究步驟的劃分，對所選核電設備編制的老化控制大綱應涉及下列三個基本要素對老化劣化過程的了解，對老化行為進行監(jiān)測以便能在設備失效前探測到設備劣化，對老化及其影響的及時緩解（可通過維修、替換和改變運行條件等手段實現(xiàn)）以保證維持所要求的安全裕度。