姚建明，劉馨元，孫 迪，彭高橋，楊正龍

(1上海雙浦橡膠防腐襯里有限公司，上海 201704；2 同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804)

當(dāng)今世界，溫室效應(yīng)不斷加劇，對人類的生產(chǎn)生活以及地球上的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生巨大影響。為了遏制環(huán)境的進(jìn)一步惡化，共同拯救地球家園，節(jié)能減排、低碳生活逐漸成為當(dāng)今世界的主流。核電是地球上的一種高效的清潔能源，少量核反應(yīng)產(chǎn)生的電能就可以等同于大量燃料產(chǎn)生的電量，且不會對空氣等造成污染。此外，與水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等相比，核電不受地理位置或者天氣情況的影響，這可以很好地緩解電力輸送的壓力[1]。因此，核電發(fā)展核電有利于我們更好地應(yīng)對氣候變化，同時(shí)響應(yīng)國家低碳發(fā)展的號召。雖然核電產(chǎn)電量巨大，并且具有燃料費(fèi)用低、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但目前我國核電發(fā)電量占總發(fā)電量的比例較低，核電發(fā)展規(guī)模不如發(fā)達(dá)國家，大多還是依賴于風(fēng)力、水力等來發(fā)電，在2017年，核電的發(fā)電量僅占全國發(fā)電總量的3.94%。這主要是由于核電具有不安全因素，如2011年的日本發(fā)生的福島核事故，該事故對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響，這導(dǎo)致核電讓科學(xué)家望而卻步。

保障核電設(shè)備的安全是維護(hù)核電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)[2]，這其中就包括了核電設(shè)備的防腐設(shè)計(jì)。核電設(shè)備防腐性能的提高可大大延長核電設(shè)備的使用壽命，增加其運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與安全性，而防腐橡膠襯里可廣泛應(yīng)用于海水淡化、核電、水電、廢水處理、煙氣脫硫、食品、化工和選礦設(shè)備等領(lǐng)域。因此，考慮到橡膠防腐襯里技術(shù)具有可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全、壽命等優(yōu)點(diǎn)，可將核電技術(shù)與橡膠防腐襯里技術(shù)相結(jié)合，使得核電設(shè)備可以更為安全、穩(wěn)定地發(fā)電。

1 核電設(shè)備防腐蝕

核電設(shè)備若出現(xiàn)腐蝕或者損傷之類的問題，可能無法保證核電廠的正常穩(wěn)定運(yùn)行，甚至引發(fā)環(huán)保問題。比如，在核電設(shè)備中，核電站的重要冷卻系統(tǒng)——SEC(重要廠用水)系統(tǒng)是非常重要的。但它的工作環(huán)境之一是在海水中，海水中含有許多的電解質(zhì)離子比如鈉離子、氯離子等，這使得海水對設(shè)備具有腐蝕性，從而導(dǎo)致SEC系統(tǒng)在運(yùn)行期間可能長期遭受海水的腐蝕。因此，耐蝕性材料的選擇以及系統(tǒng)的防護(hù)等對核電設(shè)備長期安全有效運(yùn)行非常重要[2]。從材料上分析，核電設(shè)備被腐蝕可能歸因于核電材料本身的純凈度、制造過程中的雜質(zhì)以及周圍環(huán)境因素的影響[3]。所以，要求核電防腐設(shè)備具有選材得當(dāng)、材料化學(xué)成分控制嚴(yán)格、純凈度高以及對合金的組織和相結(jié)構(gòu)要求明確等特點(diǎn)。針對核電設(shè)備遭受的海水中氯離子腐蝕等，除了提高對核電設(shè)備材料本身的要求外，也可采用表面涂層如樹脂、不銹鋼油漆等來增強(qiáng)對材料的防護(hù)[4]。

在海水淡化設(shè)備中[5]，橡膠除了具有彈性以及低滲透性等特點(diǎn)外，它的特殊分子結(jié)構(gòu)使其可以包覆在核電設(shè)備外層來增加核電設(shè)備的耐腐蝕性能。目前，防腐橡膠取代了涂層和砂漿，用作設(shè)備的保護(hù)襯里，使設(shè)備可以長時(shí)間內(nèi)維持穩(wěn)定運(yùn)行而免受海水腐蝕性的干擾。因此，使用防腐橡膠襯里可一定程度上延長設(shè)備的使用年限，增大機(jī)組的安全運(yùn)行率與可靠率。

具有防腐功能的橡膠主要有氯丁橡膠、丁基橡膠、天然橡膠、乙丙橡膠以及氟橡膠等。針對使用環(huán)境以及設(shè)備材料的不同，可選擇符合要求的橡膠品種。此外，不同的核電設(shè)備對防腐橡膠的力學(xué)性能、粘合性等具有一定的要求，因此需要對防腐橡膠進(jìn)行一定的改性。比如，石墨烯具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，在防腐橡膠中添加適量的石墨烯可以制備出一種新型的防腐橡膠，它不僅具有原橡膠中的陰極保護(hù)作用，且它的耐水性及硬度等也更高，因此總體防腐性能得到了提高[6]。此外，對橡膠制備工藝進(jìn)行一系列改進(jìn)與創(chuàng)新，也可一定程度上提高橡膠的性能。

2 防腐橡膠襯里在核電設(shè)備中的應(yīng)用

防腐橡膠襯里有很多優(yōu)點(diǎn)，如彈性好、化學(xué)穩(wěn)定性較高等，這些優(yōu)點(diǎn)使得防腐橡膠襯里在核電設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。張慶虎[7]發(fā)明了一種具有良好的耐油、耐硝酸以及防輻射功能的橡膠襯里，可用于核電站地面排水和服務(wù)排水等放射性物質(zhì)含量低的廢水處理裝置。在該發(fā)明中，橡膠的選擇是非常重要的。由于氯磺化聚乙烯橡膠和三元乙丙橡膠是飽和性橡膠，其分子主鏈上沒有不飽和的雙鍵，因此它們具有較好的環(huán)境穩(wěn)定性。此外，這兩種橡膠還具有良好的粘合性、耐油性及加工工藝性，是制備橡膠基體材料的理想選擇。再通過制備預(yù)混填料、膠料混煉以及膠板擠出等環(huán)節(jié)，成功制備了拉伸強(qiáng)度在10 MPa以上、斷裂伸長率大于510%的耐油耐硝酸橡膠襯里。

氯丁橡膠等硫化橡膠指橡膠經(jīng)硫化過后，它的聚合物分子鏈間形成了交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)良的彈性、耐熱性、耐腐蝕性和抗?jié)B透性以及在有機(jī)溶劑中不溶解性等。因此，可用作防腐橡膠襯里，這其中包括了低溫常壓硫化防腐襯里、預(yù)硫化橡膠防腐襯里以及室溫自然硫化防腐襯里。低溫常壓硫化橡膠防腐襯里的制備方法有熱水硫化法以及蒸汽硫化法，它可用于解決大型化工設(shè)備襯里的現(xiàn)場施工。預(yù)硫化橡膠防腐襯里則是對橡膠板實(shí)施預(yù)先熱硫化再襯貼的方法。通過這種操作，橡膠襯里在短期內(nèi)則可達(dá)到一定的粘接強(qiáng)度。這種防腐襯里的具有較大的靈活性，可在現(xiàn)場施工和修補(bǔ)，解決了大尺寸設(shè)備，不能運(yùn)輸或不能移動(dòng)的設(shè)備的襯膠施工難題。但對于復(fù)雜容器，它的粘貼施工難度較大，粘結(jié)強(qiáng)度可能會因施工環(huán)境溫度和濕度而有所波動(dòng)，這會一定程度上限制該襯里的使用范圍。類似的，室溫自然硫化防腐技術(shù)也是將預(yù)成型好的防腐材料直接襯貼到容器內(nèi)壁上，雖然它所需要的停放時(shí)間更長，但是它適合于粘貼較復(fù)雜的設(shè)備，粘結(jié)強(qiáng)度好，在未來可實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用[8]。不過自硫化橡膠襯里材料因?yàn)槟軌蚴覝刈粤蚧?，橡膠生產(chǎn)過程(煉膠和擠出壓延膠板)工藝控制要求很高，否則容易焦燒，導(dǎo)致材料報(bào)廢。另外生產(chǎn)好的自硫化橡膠襯里材料通常需要冷藏(≤15 ℃)?？傊?，幾種膠板各有優(yōu)缺點(diǎn)，都有進(jìn)一步研究和改進(jìn)的潛力。

上海雙浦橡膠防腐襯里有限公司擁有先進(jìn)的防腐橡膠制備系統(tǒng)，包括自動(dòng)配料系統(tǒng)、自動(dòng)煉膠系統(tǒng)、數(shù)控膠板擠出壓延生產(chǎn)系統(tǒng)以及亞洲最大的硫化罐。本公司通過和同濟(jì)大學(xué)合作，和跨國公司合作，優(yōu)選橡膠襯里主輔材料，經(jīng)過理化分析試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)改進(jìn)，開發(fā)了耐老化性能優(yōu)良的NR、CR防腐橡膠襯里。先后開發(fā)了加熱硫化、水煮硫化、低溫低壓硫化、預(yù)硫化、自硫化等多種優(yōu)質(zhì)防腐橡膠襯里材料，解決了超大尺寸設(shè)備襯膠硫化難題以及襯膠設(shè)備現(xiàn)場連接和修補(bǔ)難題。本公司橡膠襯里廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備防腐，其中國內(nèi)核電冷凝器水室襯膠市場占有率超80%，且襯膠產(chǎn)品出口印尼、巴基斯坦等國家。

圖1 自動(dòng)配料系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.1 Photo of automatic batching system

圖2 亞洲最大硫化罐照片F(xiàn)ig.2 Photo of Asia’s largest sulphur tank

圖3 核電冷凝器水室襯膠Fig.3 Water chamber lining for nuclear power condenser

圖4 核電冷卻連接管Fig.4 Nuclear power cooling connecting pipe

本公司還在秦山核電現(xiàn)場對水處理中和槽等設(shè)備進(jìn)行了防腐襯膠，本公司研制的橡膠膨脹節(jié)在秦山核電現(xiàn)場安裝到設(shè)備上并低溫硫化，成功替換了該電廠原先從法國進(jìn)口的膨脹節(jié)，不僅為電廠節(jié)省費(fèi)用，更重要的是保證了電廠維修的及時(shí)性，該產(chǎn)品還推廣到其它電廠使用，效果良好。圖1～圖4是上海雙浦橡膠防腐襯里有限公司的主要制造設(shè)備和應(yīng)用實(shí)例。

3 結(jié) 語

推進(jìn)核電技術(shù)裝備的國產(chǎn)化，讓核電“走出去”是國家戰(zhàn)略，同時(shí)，發(fā)展核電也是改善我國能源結(jié)構(gòu)的必然選擇。但是目前，防腐橡膠襯里的種類仍較少，且大多數(shù)防腐橡膠襯里的制備都主要是從改變工藝方面入手的，這會在一定程度上限制核電設(shè)備在防腐橡膠襯里上的選擇范圍，從而影響核電的應(yīng)用。因此，研究新型的防腐橡膠襯里在未來是非常必要的，這有待科研工作者的不斷探索與創(chuàng)新。