CN110455857A - 用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法 - Google Patents

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刘洪群
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Abstract

本发明公开了一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，包括如下步骤：试样制备：选取与安全壳完全相同的材料作为试样基材，在所述试样基材上涂装涂料并加工成试样，控制试样上涂层的参数与安全壳表面涂层的参数一致；初始数据采集：测试试样的初始导热性能；环境加速试验：对完成初始数据采集的试样依次进行盐雾试验、辐照试验以及设计基本事故模拟试验，并对试验过程中和结束后的试样进行导热性能的测试；涂层老化对导热性能的影响分析：将环境加速试验后的涂层导热性能的测定值与瞬态分析时的安全取值进行比较。本发明的用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，可对反应堆厂房内涂层老化对导热性能的影响进行量化评估。

Description

用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法
技术领域
本发明具体涉及一种适用于安全壳表面涂层老化后对导热性能影响的评估方法。
背景技术
AP1000机组是第三代百万千瓦级先进压水堆，钢制安全壳是AP1000堆型非能动冷却体系中特有的设备，作为事故工况下最终热量传递的热交换面，钢制安全壳表面的涂层具有核安全相关属性，与传统压水堆机组比较，AP1000机组安全相关涂层最大的差异是要求涂层具有导热性能和润湿性能。
AP1000安全壳瞬态分析时，安全壳模拟为内外表面均有无机锌涂层的热阱，操作平台以下的安全壳内壁涂有无机锌涂层和环氧涂层。根据安全壳瞬态分析结果，要求无机锌涂层热传导率≥0.302BTU/hr-ft-℉、比热≥0.11BTU/lbm-℉、干发射率≥0.6、润湿角≤90°，以上即为安全壳瞬态分析时的安全取值。在评价AP1000机组安全相关涂层状态时，除了要考虑涂层的老化程度，还需要考虑涂层老化后在导热性能上的变化。
目前针对AP1000机组安全壳涂层老化对导热性能的影响，仅有模拟分析数据，无试验评价数据，这不足以说明老化后的涂层导热性能满足安全要求，因此需要建立一种安全壳涂层老化对导热性能影响的评估方法，通过具体试验来论证涂层辐照老化和热老化对安全壳涂层导热性能的影响。
发明内容
有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其结果更加准确和可靠。
为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：
一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，包括如下步骤：
(1)试样制备：选取与安全壳完全相同的材料作为试样基材，在所述试样基材上涂装涂料并加工成试样，控制试样上涂层的参数与安全壳表面涂层的参数一致；
(2)初始数据采集：测试试样的初始导热性能；
(3)环境加速试验：对完成初始数据采集的试样依次进行盐雾试验、辐照试验以及DBA(Design Basis Accident，设计基本事故)试验即模拟压水堆核电厂设计基准事故条件下稳定性的试验，并对试验过程中和结束后的试样进行导热性能的测试；
(4)涂层老化对导热性能的影响分析：将环境加速试验后的涂层导热性能的测定值与瞬态分析时的安全取值进行比较；若测定值大于等于安全取值，则说明涂层老化后的导热性能仍满足安全要求；若测定值小于安全取值，则采用敏感性分析的方式对涂层老化对导热性能的影响进行评估，绘制导热性能随盐雾老化、辐照老化、涂层厚度因素的变化曲线，判断导热性能的趋势。针对AP1000安全壳，其瞬态分析时的安全取值为热传导率≥0.302BTU/hr-ft-℉、比热≥0.11BTU/lbm-℉、干发射率≥0.6、润湿角≤90°。
优选地，步骤(1)中所述参数包括涂层类型如整体喷涂或局部修补、漆膜厚度、基材表面的处理方式如喷砂或打磨、涂装工艺如喷涂或刷涂。
优选地，步骤(2)和步骤(3)中的导热性能的测试包括涂层的热传导率、比热、发射率及润湿角的测试。
优选地，步骤(3)中盐雾试验包括如下步骤：将试样放入盐雾腐蚀试验箱中，进行3500h的中性盐雾试验，试验温度为25℃-40℃，优选为35℃，试验溶液为3％-7％优选5％的NaCl溶液。试样放在试验箱内，让盐雾自由沉降在被试面上，被试面不能受到盐雾的直接喷射，平板试样的被试面与竖直方向成15°～30°，优选为20°。试样不能接触箱体，也不能相互接触。试样之间的距离应不影响盐雾自由降落在被试面上，试样上的液滴不得落在其他试样上。试样支架用玻璃、塑料等材料制造。在规定的试验周期内，喷雾不得中断。只有当需短暂观察试样时，才能打开盐雾箱。开箱检查试样的时间，应尽可能短。
试验期间，每天观察样品的形貌，并拍照记录。每1000h以及盐雾试验结束后对试样进行导热性能测试。由于盐雾试验的目的是模拟环境加速老化，并非检验涂层的耐蚀性能，因此不在试样表面进行划线。
优选地，步骤(3)中辐照试验包括如下步骤：将试样放入γ辐照装置中进行辐照试验，以γ源为辐射源，剂量率不低于2.8Gy/s，辐照剂量大于或等于涂层60年服役寿命下的累计剂量。
优选地，步骤(3)中DBA模拟试验(模拟压水堆核电厂设计基准事故条件下稳定性的试验)包括如下步骤：放入LOCA试验平台，采用满足三代核电站核安全涂层评定的需求试验参数进行试验，试验结束后对试样进行导热性能测试。
具体的，将盐雾、辐照试验后的试样，放入LOCA(Loss of coolant accident；失水事故)实验平台中，按照ASTM D3911-2008设计基本事故(DBA)的模拟条件下评价轻水核电站用涂层的标准试验方法进行DBA模拟试验。DBA模拟试验结束后，对试样进行导热性能测试，并对每块试样进行拍照记录，并对指定试样进行无机锌微观形貌观察。
优选地，步骤(4)中的安全取值为安全壳瞬态分析时的安全取值；AP1000安全壳瞬态分析时的安全取值为热传导率≥0.302BTU/hr-ft-℉、比热≥0.11BTU/lbm-℉、干发射率≥0.6、润湿角≤90°。
优选地，步骤(2)和步骤(3)中测试导热性能的时候需从试样上进行切割并加工成适应于检测设备的尺寸。在一些实施例中，具体的，步骤(1)中加工后的试样尺寸大于等于200mm*100mm*3mm，在步骤(2)和步骤(3)中进行导热性能检测时，需将试样切割成合适的尺寸以满足检测设备的要求，具体尺寸如下：热传导率检测样25.4*25.4mm、比热检测样12.5*12.5mm、发射率检测样30*30mm。
与现有技术相比，本发明的有益之处在于：本发明的用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，可对反应堆厂房内涂层老化对导热性能的影响进行量化评估，为实现核安全相关涂层与核安全风险可计算的关系模型提供科学依据和精确的计算路径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例中用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法的流程图；
图2为本发明优选实施例中用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法中试样的尺寸示意图；
图3为本发明优选实施例中DBA模拟试验时的试验曲线参考图；
图4为图3中0-500s的放大图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
以AP1000安全壳为例，本实施例通过环境加速老化试验包括盐雾试验、辐照试验和DBA模拟试验，来模拟安全壳涂层60年后的老化状态。环境加速老化试验前后，对试样初始及老化后的导热性能包括热传导率、比热、发射率及润湿角进行测定，并将测定值与安全壳瞬态分析时的安全取值进行比较，从而验证60年后安全壳涂层导热性能是否仍满足安全要求。
参照附图1中的流程图，本实施例的用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，具体包括如下步骤：
(1)试样制备
选取与AP1000钢制安全壳完全相同的材料钢板制成试样基材，涂料也采用AP1000安全壳机组选用的涂料。除了基材和涂料，还需考虑不同的涂层类型(整体喷涂、局部修补)、不同漆膜厚度、不同表面处理方式(喷砂、打磨)、不同的涂装工艺(喷涂、刷涂)等对涂层导热性能的影响，控制这些参数一致，使得制备的试样能够充分反映现场的实际情况。
为了配合后续的试验，本实施例中将基材钢板切割成200mm*100mm*3mm的裸钢样块后进行试样的制备。
(2)初始数据采集
在步骤(2)和后续的步骤(3)中进行导热性能检测时，需将试样切割成合适的尺寸以满足检测设备的要求，具体尺寸如下：热传导率检测样25.4*25.4mm、比热检测样12.5*12.5mm、发射率检测样30*30mm，如图2所示。
选取涂装完成且还没有进行环境加速试验的试样测定涂层导热性能的初始数据，导热性能包括热传导率、比热、发射率及润湿角。即按照热传导率、比热、发射率及润湿角试验要求，将步骤(1)中制备的试样二次加工成满足试验要求的尺寸，进行相应检测。
其中：热传导率的测定方法如下：切割试样尺寸为25.4mm*25.4mm，厚度小于5mm，放入热传导率检测设备中，在37℃和127℃温度下，分别对未涂装的基材和涂装的试样进行检测，测量所得值为热阻。用整体热阻值减去试样基材的热阻，得到涂层的热阻，再用涂层的热阻计算出无机锌涂层的热传导率。
测试原理简述如下：将样品插入于两个平板间，设置一定的温度梯度，使用校正过的热流传感器测量样品的热阻。测量样品厚度、温度梯度与样品的热阻便可计算热传导率。
比热的测定方法如下：采用激光热导仪作为比热检测设备，样品尺寸为12.5mm*12.5mm，厚度小于5mm，测试温度为93℃。
测量基本原理简述如下：使用一个与样品几何尺寸相近、热物性相近、表面结构相同且比热值已知的参比样品，与样品同时进行表面涂覆(确保与样品具有相同的表面激光能量吸收比与红外发射率)，并同时进行测量，通过比较样品与参比样的温升信号大小求得。测比热时，能同时测得热传导率，记录下检测值，与并上一种测量方法进行比较。
发射率的测定方法如下：采用红外发射率/反射率测试仪作为发射率检测设备，要求样品尺寸为30m*30mm，厚度小于5mm。使用发射率测试仪直接测量样品表面，测量原理基于测量宽频带下目标的反射振幅调制的热辐射。
润湿角的测定方法如下：采用接触角测量仪作为接触角检测设备，该设备测量范围为0°～180°，测量精度为±0.1°，测量分辨率为0.001°。检测时采用量角法，检测原理基于光学影像分析法，将液滴形貌采用CMOS摄像头和可连续变焦镜头捕捉后，通过专用软件进行分析、计算润湿角。
以上热传导率、比热、发射率及润湿角均为本领域技术人员能够得知的常规测试手段。
(3)环境加速试验
对完成初始数据采集的试样依次进行盐雾试验、辐照试验以及DBA(Design BasisAccident)试验，并对试验过程中和结束后的试样进行导热性能的测试。具体如下：
盐雾试验：将试样放入盐雾腐蚀试验箱中，进行3500h的中性盐雾试验，试验温度为35℃，试验溶液为5％的NaCl溶液。试样放在试验箱内，让盐雾自由沉降在被试面上，被试面不能受到盐雾的直接喷射，平板试样的被试面与竖直方向成15°～30°，并优选为20°。试样不能接触箱体，也不能相互接触。试样之间的距离应不影响盐雾自由降落在被试面上，试样上的液滴不得落在其他试样上。试样支架用玻璃、塑料等材料制造。在规定的试验周期内，喷雾不得中断。只有当需短暂观察试样时，才能打开盐雾箱。开箱检查试样的时间，应尽可能短。
试验期间，每天观察样品的形貌，并拍照记录。每1000h以及盐雾试验结束后对试样进行传热性能测试。由于盐雾试验的目的是模拟环境加速老化，并非检验涂层的耐蚀性能，因此不在试样表面进行划线。
辐照试验：盐雾试验后的试样，放入γ辐照装置中，进行辐照试验，以γ源(如60Co源)为辐射源，剂量率不低于2.8Gy/s，辐照剂量等于涂层60年服役寿命下的累计剂量(约1×109rads)。辐照试验结束后对试样进行导热性能测试，并对每块试样进行拍照记录，并对试样进行无机锌微观形貌观察。
DBA模拟试验：辐照试验后的试样，放入LOCA试验平台，采用满足三代核电站核安全涂层评定的需求试验参数进行试验，试验结束后对试样进行导热性能测试，并对每块试样进行拍照记录，并对指定试样进行无机锌微观形貌观察。
具体的，将盐雾、辐照试验后的试样，放入LOCA实验平台中，按照ASTM D3911-2008设计基本事故(DBA)的模拟条件下评价轻水核电站用涂层的标准试验方法进行DBA模拟试验，试验曲线参考图3-4，试验参数参考表1。DBA模拟试验结束后，对每块试样进行拍照记录，并对指定试样进行无机锌微观形貌观察。
步骤(3)环境加速试验中观察微观形貌为比较老化对涂层产生的影响。
表1 DBA模拟试验参数
时间(s) 压力(psig) 温度(F)
0.0 0 120
10.0-150.0 65.0 312
150.1-6500.0 60.0 295
6500.1-10000.0 42.3 275
10000.1-70000.0 32.3 260
70000.1-604800.0 25.3 235
(4)涂层老化对导热性能的影响分析
针对AP 1000安全壳瞬态分析时的安全取值为：热传导率≥0.302BTU/hr-ft-℉、比热≥0.11BTU/lbm-℉、干发射率≥0.6、润湿角≤90°。
将老化后的涂层导热性能测定值与瞬态分析时的安全取值进行比较，若测定值大于等于安全取值，则说明涂层老化后的导热性能仍满足安全要求；若测定值小于安全取值，则采用敏感性分析的方式对涂层老化对导热性能的影响进行评估，绘制导热性能随盐雾老化、辐照老化、涂层厚度等因素的变化曲线，判断导热性能的趋势。通过趋势分析，可以指导后边的维修策略，根据趋势，可以预计在出现LOCA事故的情况前，需要对涂层进行修复。
本发明的用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，可对反应堆厂房内涂层老化对导热性能的影响进行量化评估，为实现核安全相关涂层与核安全风险可计算的关系模型提供科学依据和精确的计算路径。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)试样制备：选取与安全壳完全相同的材料作为试样基材，在所述试样基材上涂装涂料并加工成试样，控制试样上涂层的参数与安全壳表面涂层的参数一致；
(2)初始数据采集：测试试样的初始导热性能；
(3)环境加速试验：对完成初始数据采集的试样依次进行盐雾试验、辐照试验以及设计基本事故模拟试验，并对试验过程中和结束后的试样进行导热性能的测试；
(4)涂层老化对导热性能的影响分析：将环境加速试验后的涂层导热性能的测定值与安全取值进行比较；若测定值大于等于安全取值，说明涂层老化后的导热性能仍满足安全要求；若测定值小于安全取值，绘制导热性能随盐雾老化、辐照老化的变化曲线，判断导热性能的趋势。
2.根据权利要求1所述的一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其特征在于：步骤(1)中所述参数包括涂层类型、漆膜厚度、基材表面的处理方式以及涂装工艺。
3.根据权利要求1所述的一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(3)中的导热性能的测试包括热传导率、比热、发射率及润湿角的测试。
4.根据权利要求1所述的一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其特征在于：步骤(3)中盐雾试验包括如下步骤：将试样放入试验箱内进行盐雾试验，让盐雾自由沉降在试样的被试面上，所述试样的被试面不能受到盐雾的直接喷射，所述试样不能接触试验箱的箱体，也不能相互接触，试样上的液滴不得落在其他试样上，在设定的时间间隔以及盐雾试验结束后对试样进行导热性能测试。
5.根据权利要求4所述的一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其特征在于：步骤(3)中盐雾试验时的试验温度为25～40℃，试验溶液为质量百分浓度3％-7％的NaCl溶液。
6.根据权利要求4所述的一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其特征在于：步骤(3)中盐雾试验时试样的被试面与竖直方向成15°～30°。
7.根据权利要求1所述的一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其特征在于：步骤(3)中辐照试验包括如下步骤：将试样放入γ辐照装置中进行辐照试验，以γ源为辐射源，剂量率不低于2.8 Gy/s，辐照剂量大于或等于涂层60年服役寿命下的累计剂量。
8.根据权利要求3所述的一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其特征在于：步骤(3)中设计基本事故模拟试验包括如下步骤：将试样放入失水事故试验平台，设定满足核电站核安全涂层评定的需求试验参数进行试验，试验结束后对试样进行导热性能测试。
9.根据权利要求1所述的一种适用于安全壳表面涂层导热性能的评估方法，其特征在于：步骤(4)中的安全取值为安全壳瞬态分析时的安全取值；AP1000安全壳瞬态分析时的安全取值为热传导率≥0.302BTU/hr-ft-℉、比热≥0.11BTU/lbm-℉、干发射率≥0.6、润湿角≤90°。
10.根据权利要求1-8任意一项所述的一种用于评估安全壳表面涂层老化对导热性能影响的方法，其特征在于：步骤(2)和步骤(3)中测试导热性能的时候需从试样上进行切割并加工成适应于检测设备的尺寸。
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