核電冷源設備的陰極保護及腐蝕智能監測

張曉虎,董洪全,高倩鈺,李 克

(1.中冶檢測認證有限公司,北京 100088;2.中冶建筑研究總院有限公司,北京 100088;3.陽江核電有限公司,陽江 529941)

在“雙碳”目標下,中國能源系統將向著多元、清潔方向發展。核能作為典型的低碳能源,可通過規?；娲茉粗δ茉聪到y轉型,核安全是國家安全的重要組成部分,是核能行業發展的前提和生命線[1-2]。而材料在核電站環境中的失效是導致核電設備發生事故從而引發核安全問題的重要因素之一,材料腐蝕與防護研究是核電安全高效發展的重要環節。當前,我國核電已經進入規?；?、批量化發展的新階段,核電工業的發展對材料腐蝕科學和防護技術提出了更高、更新的要求[3-5]。我國核電站多沿海而建,作為核電站重要的輔助系統及冷源保障,海水系統主要分為海水過濾系統、海水循環冷卻系統以及重要廠用水系統。陰極保護是核電冷源設備腐蝕控制的手段之一,但陰極保護設計不當會導致陰極保護系統運行故障,進而會加速腐蝕[6-10]。筆者對核電冷源設備陰極保護特點和管理上存在的挑戰進行梳理,根據實際運行工況開發陰極保護及腐蝕智能監測系統,兼具數據采集、存儲、遠程傳輸、遠程控制、故障預警等功能于一體,及時掌握陰極保護的運行狀態以及存在的問題,對故障進行分析,確保陰極保護持續有效運行。

1 核電冷源設備陰極保護系統特點

核電站設備多采用防腐(蝕)層和陰極保護聯合保護方式,防腐層不可能將金屬本體與外界腐蝕環境完全絕緣,陰極保護能夠很好地保護防腐層破損處的金屬本體。核電站的陰極保護系統分為外加電流系統與犧牲陽極系統兩種。犧牲陽極系統的保護范圍有限,且輸出電流不可調,一般犧牲陽極系統用于保護核電站中保護面積較小的結構物。外加電流系統輸出穩定,且輸出電流可調,可以有效保護較大面積的鋼質結構物。根據目前國家頒布的相關標準,金屬結構物的陰極保護通電電位、極化電位是其日常管理中必須檢測的數據。且要求陰極保護極化電位要處于標準范圍內,低于標準要求限值會導致“欠保護”,高于標準要求限值會導致“過保護”。

陰極保護作為預防性腐蝕管理的主要方式之一,只有保證其運行質量才能起到預期的防護目的。陰極保護有效性的評價及管理依賴于陰極保護參數的準確采集,但目前現有犧牲陽極保護系統無法準確掌握其保護效果,即使外加電流陰保方式,也只知其參比電位及輸出電流,但參比電位與保護電位在實際工況中有著一定差距?，F場條件的限制以及極化電位本身較難讀取等原因最終導致相關陰保參數無法被及時準確測量;人工檢測難度大,難以確保數據的質量和連續性,而大修期間雖具備檢測空間,但此時海水已全部排空,陰極保護系統無法正常運行。這些不利因素都給陰保管理帶來了挑戰。

旋轉鼓形濾網處于混凝土泵房內,即便采用外加電流陰極保護系統,通過恒電位儀也僅能監測預設位置附近的通電電位,與真實的保護電位存在誤差,其余大部分位置的保護效果未知,不銹鋼網片對陰極保護電流有屏蔽作用,海水介質和潮位的變化都會對陰極保護效果產生很大的影響,有必要在多個位置安裝監測傳感器,實現陰極保護效果的監測以及差異化的分析。

其余設備如攔污柵及導槽、閘門、二次濾網、凝汽器一般采用犧牲陽極保護,犧牲陽極的保護電位測量需要使用專用探頭,人工操作難度高、誤差大,大修期間只能檢修犧牲陽極系統的物理完整性,而犧牲陽極的工作電位、輸出電流則無測試條件,陰保管理存在盲區。

2 陰極保護與腐蝕智能監測

鑒于核電冷源設備陰極保護系統存在的特點和管理難點,陰極保護智能監測系統應運而生,其主要集成以下功能:通電電位、極化電位、交流干擾電壓、交流電流密度、交流電流密度、腐蝕速率等參數的自動采集、存儲與遠傳功能;非大修期間,具備遠程修改參數的功能;鼓形旋轉濾網處于轉動狀態,監測設備宜采用一體化結構設計,盡量避免外接線纜或接頭,方便現場安裝與檢修;監測器應采用防水結構設計,可滿足水下長時間應用的要求,同時耐海水腐蝕;采用內部電池供電,可滿足35 a免維護應用要求,并具備電池功耗監測功能;具有內部集成環境感應測量功能,保證設備所處位置只有受到陰極保護,才進行陰極保護數據的采集;設備采用短距離無線通訊方式。

監測系統主要由監測模塊、通訊模塊、數據管理平臺組成,如圖1所示。監測模塊內部集成數據采集單元/數據存儲單元/交互通訊單元/環境感應單元/電池供電單元等,通過短距離無線傳輸將數據傳到智能自控通訊模塊,同時支持與移動客戶端進行藍牙通訊。智能通訊模塊內部集成了供電單元、短距離無線通訊單元、多種數據通訊單元,可實現與設備監測模塊的組網通訊,支持電池和220 V交流電兩種通電方式,支持藍牙通訊和有線遠傳數據通訊端口等。數據管理平臺具備數據存儲、展示、統計分析、人機交互等功能,支持與電站已有平臺進行融合。

圖1 核電冷源設備陰極保護及腐蝕智能監測系統示意Fig.1 Schematic of cathodic protection and corrosion intelligent monitoring system for nuclear power plant cold source equipment

3 鼓形濾網的監測實例

鼓形旋轉濾網是核電廠循環冷卻水系統的主要過濾設備,骨架由槽鋼組成,監測設備可安裝于槽鋼內部,以減少海水和海生物對設備的沖擊。其組成材料包含碳鋼和不銹鋼,采用陰極保護與防腐蝕涂料聯合保護,監測裝置安裝示意見圖2。鼓形濾網在運行期間,只有下半部分處于全浸區,且實時轉動,僅浸入海水的部分受到陰極保護。不均一的材質組成,海水中溶解氧、氯離子、藥劑(如殺生劑低濃度次氯酸鈉)等的作用,以及海水的沖刷、海生物的附著等均會影響陰極保護的效果。

圖2 監測裝置安裝示意Fig.2 Installation diagram of monitoring device

3.1 數據分析與管理

目前,鼓形濾網陰極保護既有犧牲陽極保護也有外加電流保護。針對犧牲陽極保護,僅大修期間可以檢查犧牲陽極系統結構的完整性,而人工檢測鼓形濾網真實的保護電位不僅難度很大,精度也不高。針對外加電流系統,可以對恒電位儀所得數據進行陰極保護輸出參數異常情況分析[7],但恒電位儀測得保護電位為單點數據,且參比電極距離鼓網表面較遠,存在IR降誤差,鼓形濾網結構復雜,保護電位分布不均,非監測位置的保護情況未知。本案例對兩處位置進行監測,所得參數見圖3～6。

圖3 位置1處的陰保參數監測結果Fig.3 Monitoring results of cathodic protection parameters at position No.1

圖4 位置2處的陰保參數監測結果Fig.4 Monitoring results of cathodic protection parameters at position No.2

圖5 位置1處腐蝕檢查片的剩余壁厚Fig.5 Remaining wall thickness of corrosion inspection piece at position No.1

圖6 位置2處腐蝕檢查片的剩余壁厚Fig.6 Remaining wall thickness of corrosion inspection piece at position No.2

3.2 陰極保護運行狀態

由圖3和4可見:兩處監測點位置的電流變化基本一致,分為兩個階段,先逐漸減小后趨于穩定(電流絕對值),這主要因為設備安裝時處于大修期,陰極保護系統處于停運狀態,投產后試片處于極化狀態,所需陰保電流較大,極化過程中,所需電流逐漸減小,極化穩定后電流也趨于穩定。

3.3 陰極保護輸出參數變化

陰極保護輸出參數發生變化,恒電位運行模式下現場測得保護電位發生變化或人工調整預置電位值及恒電流模式下人工調整,都會導致輸出電流的變化,監測到的通電電位和斷電電位也會同步變化,具體為:電位負向偏移時伴隨著流經試片的電流值變大,通電電位和斷電電位同步正向偏移而流經試片的電流值變小。本案例中兩處監測數據顯示:2021年11月56日均有一段通電電位和斷電電位負向偏移,流經試片電流變大,說明陰極保護電流輸出變大。

3.4 腐蝕環境變化

鼓形濾網處于轉動狀態,轉速有時會有調整,同時為避免海生物附著會添加海生物殺生劑,一般采用次氯酸鈉。其作為去極化劑,加入后會導致電位正向偏移,但輸出電流未見減少甚至增大,建議輔以自腐蝕電位進行判斷。自腐蝕電位的變化受環境影響較大,以本案例中檢測數據為例,在2021年11月1日后以及11月12日前后,兩處位置均監測到通電電位、斷電電位、自腐蝕電位同步正向偏移,應該是海生物殺生劑的添加使得次氯酸鈉濃度增加,去極化作用導致電位正向偏移。

3.5 腐蝕速率

本系統帶有腐蝕速率監測功能,可以通過監測試片壁厚的變化定量計算腐蝕速率。本案例中由于監測時間較短,試片壁厚未見明顯減薄。鼓形濾網處于半浸泡狀態,運行期間干濕交替,處于液面之上時的部分陰極保護無法起到有效的保護作用,此時主要依靠防腐涂層和材料自身的耐蝕性以及設計腐蝕裕量進行防護。腐蝕速率的監測結果能夠判斷鼓形濾網處于大氣區、浪花飛濺區、潮差區的腐蝕程度,對于預防性腐蝕管理可以提供必要的數據支撐。

4 結論與展望

(1) 核能作為清潔能源將在雙碳目標下大力發展,陰極保護對保障海水循環系統等關鍵設備的安全運行至關重用,核電陰極保護系統相對復雜,適用于核電站的陰極保護及腐蝕智能監測系統需要針對性地開發,搭建多參數采集、穩定傳輸、智能預警等多功能一體化平臺。

(2) 通過對多項監測數據進行綜合分析,可掌握結構物整體的陰極保護效果,同時對陰保系統結構性故障、輸出參數主動或被動的變化、環境變化等各種因素導致的陰極保護電位偏移進行精準分析,對于陰極保護系統的智能管理和故障排查具有重要意義。

(3) 腐蝕速率監測數據可定量判斷設備的腐蝕狀態和防護效果,掃除了鼓形濾網在陰極保護欠保護或完全無法起到作用時腐蝕狀態的管理盲區。

(4) 核電關鍵設備陰極保護及腐蝕智能監測系統研究與應用目前還處于起步階段,前期只能基于陰極保護電位進行有效性的預警,隨著大量數據的積累,通過多維度的大數據分析,可以實現風險的及時感知、早期預警及高效處置。