我国核电涂料的发展现状及趋势

2010-11-22 12:59:33 1001

 

 随着煤、石油、天然气成本不断攀升,越来越多的国家开始把目光转向核电,核能利用技术进入了一个快速发展时期,核电站很多地方存在核辐射,辐射会加速材料老化,多孔的混凝土表面也容易吸附放射性灰尘形成永久性放射源,从而对运行和维修人员造成永久性损伤,因此,在建筑和设备表面涂刷涂料是核电站最常用的防护手段。由于核辐射会使涂料粉化、开裂,破坏涂料的防护作用,只有具备了耐辐射性能的涂料才能在核辐射场所使用。耐辐射性能的涂料,一方面需提供涂层的基本保护作用,另一方面需提供致密、易于清洗以除去放射性污染物的表面。从2005年到现在,我国每年都有新开工建设的核电站。作为一种技术成熟、可大规模生产的安全、经济、清洁的能源,核电在中国的远景规划中有着很大的发展空间。涂料是核电建设的重要材料,每一个新建机组对涂料的需求量都相当大,这对当前我国涂料工业来说,无疑是个极好的商机。经文献查阅表明,对核电涂料的研究开发已成为近几年涂料行业相关企业与科研院所的研究热点。本文以文献1-12为参考,对我国核电涂料这一时期的研究活动加以总结分析,以期为该领域在今后的研究提供一定参考与借鉴。

    1.我国核电站发展现状及趋势

    目前,我国已投产的核电站有6座,11台核电发电机组,总装机容量为885万kW,仅占全国总装机容量的1.1%,2008年核电发电量684亿kW,仅占总发电量的1.99%,我国核电发展相比世界水平还有很大差距。目前世界核电的装机容量平均水平是17%,其中超过20%的有16个国家,法国发展最为成熟,达到了77%,而且,国外的核电成本普遍低于煤电成本。根据2006年3月国务院通过的《核电中长期发展规划(2005-2020年)》,到2010年,在运行核电装机容量达到1200万kW;到2020年,在运行核电装机容量达到4000万kW,在建核电装机容量达到1800万kW。而2020年的目标有望调整为7000万kW,在建3000万kW。分析人士认为,调整后的目标比此前业界预期的6000kW更高,这将直接带来我国核电设备市场的大发展。事实上,地方对发展核电的积极性使得全国核电的发展速度远远超出预期。在政策的鼓励下,我国核电开发迎来“春天”,核电站建设也逐渐从沿海地区向内陆地区延伸。2009年,我国引进美国西屋AP1000技术建设的浙江三门一期2台125万kW核电机组、山东海阳一期2台125万kW核电机组;引进欧洲EPR技术建设的广东台山2台170万kW核电机组,以及海南核电一期2台65万kW核电机组等项目将相继开工,装机容量超过1000万kW,2010年,中国内陆江西、湖南和湖北3个核电项目可望开工。当前有10座核电站已经开始动工,共24台核电发电机组,已核准的装机容量为2430万kW。若考虑二期、三期工程,则最高可达5030万kW,核电装备将迎来4000亿元人民币的市场份额。

 2.核电站环境适用涂层选择

    我国现有核电机组均为压水堆,核电站设备可分为核岛、常规岛和辅助系统3部分。核电站涂层防护可分为抗大气腐蚀涂层和抗液体、埋地环境涂层。商业运行的核电站机组一般均为大功率、连续运行,核电站涂层的施工时机一般选择机组换料大修期间。基于核电站运行的经济性和设备的可靠性,核电站涂层必须选择已成熟运用的可靠产品,并且至少能够满足所在设备一个或几个大修周期的防护要求。核电站涂层设计寿命一般在10a以上。核岛适用涂层的选择需满足以下要求:

    (1)耐120℃、400℃温度试验,200h以上。(2)达到EJ/T1086—1998中规定的涂层在模拟设计基准条件下的附着力要求。(3)达到EJtr1111—2000、EJ/TI111-2000中γ射线辐照、去污性的要求。(4)涂料中的各种成分应尽可能降低卤族元素、硫元素的含量。(5)为避免对金属材料析氢过程的影响,涂膜应不含铝粉,尽量不使用含金属锌的涂料。

    常规岛适用涂层的选择:保温层下管道涂层除具有一定的耐温性外还应有一定的耐酸性。对于去离子水环境下的涂层,涂料中各种成分应尽可能降低卤族元素、硫元素的含量。辅助系统适用涂层的选择除满足涂层所处环境的耐蚀条件以外,还应重点考虑满足要求施工条件下的全面防护。这部分涂层量大面广,根据涂料的特性和电站管理方便,要求户外设备禁止使用环氧面漆。

    3.核电涂料种类

    根据核电站厂房功能和分布区域,压水堆核电站划分为核岛、常规岛、辅助系统3部分,其中常规岛和辅助系统统称为常规岛。与此对应,核电站涂料也可分为核电专用涂料和核电常规涂料。核电常规涂料适用于核电站非辐射控制区,即除核安全设备内、外表面涂层以外的全部设备及构筑物,其技术要求与其他工业领域同等环境条件下涂层的技术指标相同。核电专用涂层是满足核电站所特有的环境条件、技术要求的涂层体系。根据分布区域的不同,核电站专用涂料可分为3种类型:(1)安全壳内涂层即安全壳内全部设备及构筑物表面的涂层;(2)辐射控制区涂层(不包含安全壳的辐射控制区内全部设备及构筑物表面的涂层);(3)安全设备涂层,即非辐射控制区内主要核安全相关设备、构筑物表面的涂层,包括一回路海水冷却系统设备,强制通风和通水管道或沟槽,核级储水罐内部涂层,高架烟囱或设施,气机主油箱及应急柴油机油箱内部涂层。在核电站辐射强度非常大的区域,辐照足以使涂层失效。因此,在核电站辐射强度大的区域应使用表面无涂层的耐辐射材料。试验证明,1×105Gy辐射剂量条件下,一般涂层会出现变黄、发黏,甚至涂层破坏的情况;而核电站专用涂层要求耐1×107Gy的辐射剂量。耐辐射性能较好的涂料类型有聚苯基硅氧烷、环氧、聚乙烯、聚酯及含氟树脂涂料等。去污性在很大程度上取决于涂层的表面性质和表面状态,如表面均匀、平滑、致密和坚硬的涂层不易吸附放射性污染物,吸收后用去污剂易洗涤。研究表明,环氧树脂涂料、含氟聚合物涂料和聚乙烯涂料(涂层)的抗污染性能最好,也最容易清洗,尤其以胺固化的环氧树脂涂料为最好,而高氯化的乙烯树脂涂料、有机硅涂料和聚氨酯涂料稍次。表1给出美国核电专用涂料的主要类型。

4.我国核电涂料研究发展现状

    涂料是核电站用量最大的非金属材料,涂料广泛应用于核电站核岛、常规岛的钢结构、混凝土、设备管道等部位,是核电站腐蚀防护的重要手段之一。自我国首座核电站——秦山核电站起,国内各涂料研究单位、供应商做了大量研究开发工作,如:兰州应通特种材料研究所开发的耐高温涂料、上海开林造漆厂开发的核岛内环氧涂料、常州涂料化工研究院开发的NC系列涂料,这些工作对于推动我国核电涂料产业自主化起了重要铺垫作用。目前秦山、大亚湾核电站已经运行10a以上,秦山二期、三期、岭澳、田湾核电站也相继建成,这些核电站在涂料的运用方面获得了许多宝贵经验。

    5.核电涂料主要生产企业

    我国核电涂料主要生产企业为上海开林造漆厂、中海油常州涂料化工研究院、兰州应通特种材料研究所等几个单位,另外,广东秀珀等一批民营企业也开始研究生产核电涂料。国外核电专用涂层主要供应商有CarbolineCo.,AmeronInc.和PPG(Keeler&LongInc.)等,其中中远关西、PPG等公司已在国内生产厂生产供应核电涂料。

    6.我国核电涂料采用标准及典型技术指标

    我国核电涂层标准以秦山一期、秦山二期涂层技术的成功应用为前提,提出了核电专用涂层的EJ标准。这些标准的编写分别参照了ASTM、NF对应标准的内容和技术要求。一般来说,有关30万kW核电厂的标准参照ASTM标准编写,其余标准参照NF标准编写。中国原子能科学研究院、核工业二院工程实验室等单位为我国核电涂料权威检测机构。表2给出了应用于不同核电站专用涂层的EJ标准。表3给出了广州秀珀化工股份有限公司生产的核电专用涂料的典型技术指标。

  7.我国核电涂料工程应用实例

    秦山一期核电专用涂料由我国自主化生产,主要供应商有上海开林造漆厂和常州涂料化工研究院。其专用涂料主要类型如表4所示。大亚湾核电专用涂料由国外涂料供应商生产,主要有式玛涂料和Carloline涂料,目前已在国内设立涂料工厂。所用涂料的主要类型见表5。

8.我国核电专用涂层的发展要求及趋势

    我国大亚湾、秦山一期核电站均已应用15a,这期间,国内涂料商的研发能力大大提高,已将有关产品成功应用于秦山二期、岭澳二期以及田湾核电站。国外主要核电专用涂料生产商也在国内设立工厂。这种局面对于我国核电站建设无疑是有效和积极的。但是,必须清醒地认识到,我国核电涂层事业仅仅处于起步阶段,与我国核电建设自主化的目标尚有差距。以下是当前核电专用涂料值得关注的问题:

    8.1核电专业涂层的应用要求

    目前,国内涂料商的核电专业涂料已经达到核电站应用要求,但主要颜、填料及助剂仍依赖进口。短期内,如果没有一定的资金投入,并以充分的试验数据为保障,国内涂料商的这种发展局面将很难改变。另外,核电专业涂料的试验技术条件是制约我国核电专业涂料发展的“瓶颈”。核电专业涂料试验主要包括辐照试验、去污试验和LOCA试验。这些试验技术有别于涂料工业中的其他专业技术,国内相应的试验装置较少,涂料生产商的产品鉴定费用较大,因而形成了核电专业涂料发展的“门槛”。

    8.2国内核电专业涂层的标准化建设

    以秦山一期、秦山二期为契机所开展的我国核电专业涂层EJ标准编制,对我国核电涂层的发展提供了支持。从已有EJ标准内容及相互关系看,国内核电专业涂层标准需加强以下几方面工作:标准体系建设,包括法规条款的细化,及适合国内核电专用涂层质

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