华龙一号防腐蚀施工及涂料损耗控制研究

摘 要

本文对“华龙一号”堆型核电站的建设过程中核岛碳钢设施防腐蚀施工的重要作用进行阐述，针对防腐蚀施工工艺流程及施工中存在的施工重点、难点问题进行介绍，分析了影响喷砂处理后粗糙度、油漆涂装中涂层厚度以及涂料损耗控制的因素，并针对当前存在的问题，通过模拟试验测试提出喷射处理粗糙度控制的最佳施工参数，根据防腐蚀施工工艺生产需要进行施工方法改进，提出技术解决措施，控制涂层厚度和外观，提升防腐蚀施工一次合格率，降低涂料损耗。 关键词：碳钢设施，防腐蚀施工，试验测试，解决措施

前言

研究背景

“华龙一号”是我国在30余年核电科研、设计、制造、建设和运行经验的基础上，汲取世界先进设计理念和最新技术标准，满足国际原子能机构的安全要求，研发的具有独立自主知识产权的先进百万千瓦级压水堆核电技术。在“华龙一号”核电建设过程中，防腐蚀施工在“华龙一号”堆型核电站的建设过程中有着非常重要的地位，直接关系到碳钢设施的耐腐蚀性能和电站的运行寿命，是保障核电站正常运行可达到设计寿命60年的重要屏障。因此为进一步提高“华龙一号”碳钢设施防腐蚀施工的质量和施工效率，必须加强对碳钢设施防腐蚀施工工艺的研究、应用和探索。

研究的意义和内容

在“华龙一号”核电建设过程中，碳钢设施防腐贯穿于核岛安装工程的整个施工阶段，即从碳钢设施预制到现场安装就位及试压结束到核清洁，其作用主要是保护碳钢设施在一定时间内不被腐蚀而延长其使用寿命并降低运行维护成本，因此防腐涂层的质量对整体碳钢设施的腐蚀控制乃至核电站的运行寿命具有重大意义。 根据碳钢设施防腐蚀施工工艺流程特点及待防腐蚀施工的碳钢设施的复杂性、多变性，对表面处理、油漆涂装的施工方法进行模拟测试、技术研究和优化，使表面处理后粗糙度、油漆涂装中的涂层厚度和外观质量可有效控制，提升涂料的有效利用率，使防腐蚀施工更加规范化、合理化、效率化，并为在建及后续“华龙一号”项目碳钢设施防腐蚀施工提供借鉴经验。

防腐蚀施工概述

“华龙一号”核电核岛碳钢设施防腐蚀施工主要施工对象为反应堆厂房、燃料厂房、安全厂房、核辅助厂房、进出厂房内工艺管道、通风管道、支吊架、设备及其支撑、钢构件等，防腐总工程量约210000m2。防腐蚀施工主要采用喷射处理的方式，通过利用压缩空气给磨料一定的动能，将磨料高速喷射到金属表面，去除氧化皮、铁锈、涂层和外来杂质，得到具有均匀的金属色泽的表面，并使其具有一定的粗糙度；然后采用空气喷涂、高压无气喷涂的方式，利用增压泵将涂料增至高压状态或通过压缩空气将涂料雾化，再通过细小的喷孔将涂料喷出作用于金属表面，形成耐腐蚀涂层，从而达到对碳钢设施防腐的目的，或采用人工除锈、刷涂或滚涂的方式对碳钢设施进行防腐蚀施工。其施工工艺流程见图1。

图1 防腐蚀施工工艺流程

碳钢设施防腐蚀施工重点、难点问题

喷射处理后粗糙度范围较小，不易控制

碳钢设施防腐蚀施工时需要进行喷射处理除锈，但喷射处理后的粗糙度要求（30μm-70μm）较高。金属表面粗糙度主要受单位重量磨料撞击工件的覆盖面积影响，较大颗粒的磨料撞击金属表面的效果好，而单位重量内颗粒数有限，撞击覆盖率小，清理效率较低，且得到的表面粗糙度较高；较小颗粒的磨料撞击构件表面的效果较差，但单位重量内磨料颗粒数量多，因而撞击覆盖率高，能清理到细微之处，对于复杂形状物体的表面处理效果好，但表面粗糙度较低。 同时在喷射处理过程中，因喷射处理作业压力、喷枪和物体表面距离与角度、作业时长、磨料损耗、新磨料补充量和补充时间影响粗糙度大小的因数较多，极易导致喷射处理后的表面粗糙度不满足要求，同时喷射处理的质量决定涂层附着效果，若未能在合理的喷射处理时间内达到规定的粗糙度要求，将直接导致除锈等级不满足对应涂层要求，影响后续涂层附着力，最终致使脱层、掉落、返锈等严重质量问题发生。

图2 表面粗糙度影响分析

涂层厚度控制难度大

由于核岛厂房碳钢设施防腐涂层的性能要求主要与应用区域、场景以及环境相关，在设计阶段还考虑安全方面的要求，为防止涂层系统受基准事故、严重工况事故后的高温、高压及辐射环境影响而粉化后脱落量超过设计裕量，影响地坑滤网功能的执行，对涂层系统在制造、建设阶段存在最小干膜厚度和最大干膜厚度要求，因此对施工人员技能水平要求较高，若未能合理控制涂装作业操作姿势、喷漆角度、喷漆速度等，直接影响漆膜厚度能否满足要求，且受涂漆方式与涂漆设备、工机具选用，金属表面的粗糙度，金属结构表面大小及形状，涂料粘稠度等因素影响，极易出现防腐涂层不满足最小干膜厚度或超出最大干膜厚度要求的情况，造成不必要的返工。

图3 涂层厚度影响分析

涂料损耗较大

在采用涂料对碳钢设施进行防腐蚀施工时，由于涂料不是全部作用于金属表面，油漆涂装中实际用漆量会大于理论用漆量，待涂漆物项形状结构和表面大小直接影响了施工过程中单位体积涂料可涂覆的面积，即影响涂料的实际涂布率，实际涂布率越大，则油漆的消耗越大。 在涂料调配、施工作业时，涂料包装桶、搅拌器、涂漆设备和工机具上均会粘附、残留少量的涂料，直接导致存在不可避免的涂料损耗，同时施工人员技能水平、涂漆方式与涂漆设备、工机具的选用，金属构件粗糙度，施工环境气流大小，漆膜厚度等因素对涂料的损耗有直接影响，若未能进行有效控制，则有很大的程度导致涂料损耗过大，最终致使涂料损耗系数（实际涂布率与理论涂布率之间的比值）远超预算定额损耗系数（230%），造成较大的材料浪费。

图4 涂料损耗影响分析

碳钢设施防腐蚀施工及涂料损耗控制研究

喷射处理粗糙度控制研究

由于在喷射处理过程中，金属表面粗糙度和除锈等级主要受磨料的粒度大小、喷射处理作业压力、喷枪与物体表面距离、喷射处理作业时长、喷射处理角度、磨料补充量与补充时间影响，因此通过对多个规格为1000mm×1000mm×10mm的碳钢板进行喷射处理试验测试，测算适合喷射处理的最佳施工参数，从而控制粗糙度在30μm～70μm，达到提高、稳定喷射处理一次合格率的目的。

磨料的选择研究

由于防腐蚀施工物项材质主要为碳钢，为避免对金属表面产生其他污染，因此在喷射处理时采用高碳铸钢丸、钢砂最佳。 针对磨料大小对粗糙度的影响，采用涂料厂家、设备厂家推荐的粒度为0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、2.0mm的磨料为研究对象，通过在可施工最低工作压力0.50MPa、最低喷射处理角度15°、喷枪与物体间最长可施工距离1.2m的条件下进行测试试验，当金属表面除锈等级达到Sa3级时停止试验，消除作业压力、喷射处理角度、喷枪与物体表面距离、作业时长等因素对粗糙度的影响。 经试验后测量并查阅相关标准分析得出磨料粒度大小与表面粗糙度的关系，见表1，当磨料的粒度为0.6mm～1.2mm时，金属表面的粗糙度满足30μm～70μm的要求。

表1：磨料粒度大小与粗糙度（约值）的关系

磨料粒度mm 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 2.0 粗糙度μm 35 50 60 70 90 130

同时经试验，喷射处理过程中粒度小的磨料比粒度大的磨料磨损严重，在相同使用次数条件下，粒度小的磨料消耗量较为大，在确保粗糙度满足要求的前提下，为了减少磨料的消耗，最终应采用粒度为1.0mm和1.2mm的磨料，并按照常规比例1:1混合使用。

喷射处理作业压力研究

在试验前经论证分析，随着空气压力的增大，喷枪内部的空气流量会增加，经喷嘴喷出的磨料获得的动量越大，磨料的速度越大，对金属表面的冲击力也会增加，最终所获得的粗糙度越大。 采用粒度为1.0mm和1.2mm的磨料，控制喷射处理角度在最低可施工角度15°、喷枪与物体间可施工最长距离1.2m的条件进行测试试验，对比20min作业时间内不同工作压力条件下的金属表面粗糙度、清理效率、除锈等级和作业时间，见表2。

表2：不同工作压力条件下粗糙度、清理效率、除锈等级和工作时间对比

工作压力MPa 粗糙度μm 清理效率% 除锈等级 作业时间min 0.50 24～32 75 Sa2 20 0.55 29～36 85 Sa2 20 0.60 33～42 100 Sa2.5 20 0.65 35～51 100 Sa2.5 18 0.70 41～55 100 Sa3 15 0.75 47～61 100 Sa3 13 0.80 52～69 100 Sa3 13 0.85 56～82 100 Sa3 12

测试结果显示在采用粒度为1.0mm和1.2mm的磨料进行喷射处理时，随着压力的增加，表面粗糙度、除锈等级也会随之增加，同时清理效率也逐渐增加。当压力小于0.60MPa时，若需满足粗糙度和除锈等级要求，则需要更长的喷砂作业时间；当压力达到0.60MPa时，已能满足除PIC涂层外其他涂层所需的粗糙度、除锈等级要求，当压力达到0.70MPa时，除锈等级才会满足PIC涂层要求，且喷射处理的作业时间更短；当压力继续升高时，作业时间会缩短，但压力超过0.80MPa时，已存在粗糙度超出最高上限要求。因此在喷射处理时，可将粗糙度将工作压力调节在0.60MPa～0.80MPa之间，但根据试验测试的粗糙度、清理效率、除锈等级和作业时间分析及考虑作业时间的控制偏差，最佳工作压力应为0.75MPa。

喷枪与物体表面距离研究

在已研究分析得出的磨料粒度和工作压力基础上，控制喷射处理角度在最低可施工角度15°的条件下测试试验，当金属表面除锈等级达到Sa3级时停止试验，对比分析喷枪与物体间距、金属表面粗糙度、作业时间的结果，见表3。

表3：不同喷枪与物体间距、粗糙度、工作时间关系

喷枪与物体间距m 粗糙度μm 作业时间min 1.20 47～61 13 1.00 49～65 12 0.80 53～67 11 0.50 55～69 10 0.40 61～77 10 0.30 68～87 10

根据测试结果显示，喷射处理时随着喷枪与物体间距减小，磨料从喷枪喷嘴冲出后所散失的动能越小，对金属表面的冲击力增大，金属表面粗糙度增大，单位时间内作用与表面的磨料数量增加，作业时间缩短，但因物体面积原因，降低至一定距离后，无法继续改变作业时间，同当间距在0.50m时，粗糙度已达临近上限，因此在该间距时为最佳施工间距。

喷射处理作业时长研究

通过在已测试分析得出的磨料粒度、工作压力、作业间距基础上，对金属表面某一部位进行喷射处理，研究分析喷射处理工作时间对表面粗糙度的影响，试验结果见表4。 表4：工作时间对粗糙度影响

作业时间 min 10 15 20 25 30 35 40 45 粗糙度 μm 53～65 58～70 65～78 72～84 78～96 74～83 72～77 73～77

根据测试结果显示，随着喷射处理时间的延长，金属表面的粗糙度会逐渐升高，但喷射处理到某一时间后，所处理的金属表面粗糙度逐渐降低并趋于某一定范围值。因此喷射处理作业在满足金属构件所需的除锈等级后即可停止，若测量粗糙度不满足要求，可适当延长作业时间。

喷射处理角度控制研究

通过在已测试分析得出的磨料粒度、工作压力、作业间距的条件下进行试验测试，当金属表面除锈等级达到Sa3级时停止测试，研究分析喷射处理角度与表面粗糙度、作业时间的关系，见表4。

表4：喷射处理角度与物体间距、粗糙度、工作时间关系

喷射处理角度 粗糙度μm 作业时间min 15° 52～65 10 30° 54～68 9 45° 51～69 7 60° 57～74 7 75° 63～80 7 90° 62～87 7 测试结果表明随着喷射处理磨料入射角度的增大，磨粒对金属表面的正面冲击力会增大，使得喷射处理后形成的表面微坑变深，导致表面粗糙度变大，同时对单位面积内的金属表面除锈效率增加，作业时间也相对减少。当喷射处理角度为45°时，粗糙度满足要求且作业时间最短。

磨料补充量与补充时间控制

由于在喷射处理时磨料与金属表面产生撞击造成磨料损耗，因此应随时测量粗糙度，并根据实际粗糙度情况，进行补充的新磨料。 根据实际试验，当金属表面粗糙度不满足要求时，通过计量砂尘分离器不可回收而排放的废料重量，按照等重量进行补充新磨料后，粗糙度可满足要求，因此补充的新磨料量至少应等同于排放废料的重量，补充时间则应根据实际粗糙度、磨料消耗量进行控制。

图5 粗糙度控制前、控制后施工对比

涂层厚度与涂料损耗控制

对碳钢设施防腐涂装时，经常发生超过最大干膜总厚度的问题，需对涂层过厚的部位进行打磨、修补，耗费工时较大，且根据阶段内PIC/PID涂层配套涂料实际损耗系数计算，涂料的实际损耗系数已超出预算定额损耗系数230%，涂料消耗较大，存在严重损耗，见表5。

表5：阶段内PIC/PID涂层配套涂料实际损耗系数

涂料名称/牌号 环氧RXM底漆 环氧RXM底漆 环氧RXM面漆 环氧RXM面漆 环氧RXM面漆 规格 窗灰色/主剂 固化剂 浅灰/主剂 交通黑/主剂 固化剂 膜厚与道数 50μm×2 50μm×1 涂料配比 7:1 5:1 总理论涂布率kg/m2 11.68 9.76 涂料用量kg 9597 1371 2800 3115 1183 防腐工程量t 285.39 285.39 72.17 213.23 285.39 防腐工程量m2 10844.93 10844.93 2742.36 8102.57 10844.93 实际涂料用量 系数 446.93% 451.49% 972.40% 366.14% 519.44% 理论涂料使用 系数 100% 实际消耗系数 346.93% 351.49% 872.40% 266.14% 419.44%

计算公式：涂料实际损耗系数=实际油漆用量÷防腐工程量÷理论涂布率（=总理论涂布率÷配比总和×单组分配比）-理论涂料使用系数。

其中：防腐施工物项为支吊架、型钢等，工程量面积按38m2/t计取。

由于涂层厚度和涂料消耗受影响因素较多，且影响因数基本相同，为了提高涂层厚度一次合格率，控制涂料消耗在预算定额损耗系数之内，在材料采购成本方面得到有效的控制，采取措施如下：

• （1） 涂料调配时，根据工作量、理论涂布率计算涂料理论用量，按调配涂料，确保涂漆容器内油漆可使用完，避免油漆调配过多而无法在适用期内使用完毕，造成涂料浪费。
• （2） 调节涂料调配时稀释剂用量，按主固剂混合后重量的13%～14.5%添加，并用油灰刀、刮板等刮除掉油漆搅拌器、油漆桶内残留的油漆，控制涂料的粘稠度并减少油漆的浪费，降低损耗，经120目筛网过筛处理后再使用，避免涂漆时出现颜色不均、流挂等问题。
• （3） 采用空气喷涂作业，选用口径为2.5mm喷嘴进行喷漆，控制喷幅宽度和喷漆流量，并以垂直角度的喷漆方式，保证涂料有足够的流平性，按0.3～0.6m/s速度水平移动，保持涂层边缘的搭接宽度约为喷涂幅度的1/4，控制施工人员涂装作业方式、操作姿势和喷漆角度，以提高涂层厚度控制和油漆有效利用率。
• （4） 将喷枪与金属表面距离控制在200～300mm左右，避免距离太远出现涂层厚度不足并粗糙无光、喷涂太近出现涂层厚度超出要求并流挂的情况，减少涂层厚度不满足要求和外观质量不合格问题发生。
• （5） 采用湿膜卡测量涂层湿膜厚度，根据涂料理论固体含量预算干膜厚度范围，控制施工人员喷漆次数和作业时长，将干膜总厚度控制在180～240μm，允许偏差为25μm，避免涂层厚度不满足要求。
• （6） 合理摆放带涂漆物项，对于外形尺寸较小构件，应保持相同外形尺寸的物体在一起，控制物体之间距离，提升油漆有效利用率，避免摆放参差不齐造成喷涂困难而浪费油漆。
• （7） 涂装方法采用涂刷和滚涂时，涂漆方向应保持一致，搭接整齐，控制漆膜厚度，并按照勤沾、短刷的原则，防止刷子和滚筒带漆太多而流坠，造成油漆浪费。

表6：涂层厚度、涂料损耗控制后阶段内PIC/PID涂层配套涂料实际损耗系数

涂料名称/牌号 环氧RXM底漆 环氧RXM底漆 环氧RXM面漆 环氧RXM面漆 环氧RXM面漆 规格 窗灰色/主剂 固化剂 浅灰/主剂 交通黑/主剂 固化剂 膜厚与道数 50μm×2 50μm×1 涂料配比 7:1 5:1 总理论涂布率kg/m2 11.68 9.76 涂料用量kg 2205 315 332.5 805 227.5 防腐工程量t 125.56 125.56 28.73 96.83 125.56 防腐工程量m2 4771.46 4771.46 1091.77 3679.69 4771.46 实际涂料用量 系数 233.40% 235.78% 290.05% 208.35% 227.04% 理论涂料使用 系数 100% 实际损耗系数 133.40% 135.78% 190.05% 108.35% 127.04%

研究效果

本文通过对磨料粒度、作业压力、喷枪与物体表面距离、作业时长、喷射处理角度、磨料补充量与补充时间的试验研究与分析，测算出适合喷射处理的最佳工艺参数与施工可参考数据，保证了不同规格碳钢物项防腐蚀施工中喷射处理后表面粗糙度、除锈等级符合设计要求，规避了喷射处理所导致的质量隐患，最终使华龙一号项目碳钢物项防腐蚀施工可顺利开展，并提升喷射处理作业工效。 通过对油漆质量和使用量、涂漆方法、涂装作业操作要求、涂层湿膜厚度的控制以及对物项摆放的调整，保证了涂层厚度和外观质量的一次合格率，并有效的提升了油漆利用率，避免了涂层厚度过厚和散失到周围环境的油漆量过大而造成涂料损耗严重。

结论及展望

本文以华龙一号核岛碳钢设施防腐蚀施工为研究对象，通过对防腐蚀施工中的重点、难点问题以及施工过程中的影响因素进行全面分析，采用试验测试进行数据测算和优化、调整施工方法，给出了控制喷射处理后金属粗糙度最佳施工参数和控制漆膜总厚度、涂料损耗较为合理的技术解决措施，确保施工满足设计要求，提高了施工质量、工作效率并降低成本。同时，碳钢设施防腐蚀施工及涂料的损耗控制研究也对施工过程中施工参数、施工方法的监测和管理提出了更高的要求，需对喷射处理和油漆涂装施工规范化和细节化，确保施工满足设计要求，后续核电站碳钢设施防腐蚀施工提供借鉴和指导。

参考文献

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• [3]GB/T 18839.2-2002 ，涂覆涂料钢材表面处理 表面处理方法 磨料喷射清理
• [4]GB 50755-2012，钢结构工程施工规范
• [5]NB/T 20358.10-2018，核电厂建设工程预算定额 第10部分：核岛防腐、保温工程
• [6]JB/T 9188-1999，高压无气喷涂典型工艺