韓留紅 張周林 林澤泉

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001)

核電站鼓形濾網(wǎng)臨時(shí)陰極保護(hù)措施的應(yīng)用

韓留紅1 張周林2 林澤泉1

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001)

本文主要闡述了核電站循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)調(diào)試期間鼓形濾網(wǎng)腐蝕的機(jī)理，同時(shí)根據(jù)腐蝕機(jī)理提供了臨時(shí)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的方案。通過(guò)臨時(shí)犧牲陽(yáng)極的實(shí)施，有效防止鼓形濾網(wǎng)在循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)調(diào)試期間的迅速腐蝕，起到臨時(shí)防腐的作用。

循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng) 鼓形濾網(wǎng) 陰極保護(hù) 犧牲陽(yáng)極 防腐

0 引言

核電站循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)(CFI)的功能是將取自泵站前池的海水進(jìn)行過(guò)濾，以保障所有進(jìn)入核島、常規(guī)島及BOP島冷卻水水源均符合要求，保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備不會(huì)發(fā)生堵塞和生物污損。而循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)主要是由粗格柵、加氯框、細(xì)格柵、清污機(jī)和鼓形濾網(wǎng)等設(shè)備組成。其中，粗格柵、加氯框和細(xì)格柵的材質(zhì)均為不銹鋼，而鼓形濾網(wǎng)，其網(wǎng)片采用不銹鋼，支撐濾網(wǎng)片的框架、輻條、帶動(dòng)鼓網(wǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪圈固定槽為碳鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)合表面涂層進(jìn)行防腐，但由于安裝期間碰撞、摩擦等導(dǎo)致部分涂層破損，再加上海水的復(fù)雜工況環(huán)境，在含有高濃度的氯離子等侵蝕性陰離子環(huán)境中，極易使鼓形濾網(wǎng)發(fā)生局部腐蝕，具體表現(xiàn)形態(tài)有點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕等。其中點(diǎn)腐蝕因?yàn)殡[蔽性大、破壞性大、極易造成設(shè)備的腐蝕穿孔而導(dǎo)致突發(fā)性事故的發(fā)生，引發(fā)一連串核安全事故。為了保證核電站的循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)有效使用壽命，節(jié)省維修和管理費(fèi)用，對(duì)循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)一般實(shí)施涂層與外加電流陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)措施。但是在陰極保護(hù)系統(tǒng)調(diào)試期間使用臨時(shí)電源，會(huì)出現(xiàn)間歇性停電，此時(shí)循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)中鼓形濾網(wǎng)內(nèi)部已經(jīng)通入海水，陰極保護(hù)系統(tǒng)的停電加上涂層本身存在的一些缺陷，將會(huì)使鼓形濾網(wǎng)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備設(shè)計(jì)允許的腐蝕余量，陰極保護(hù)系統(tǒng)年累計(jì)停電時(shí)間不應(yīng)大于72小時(shí)，故在機(jī)組整個(gè)調(diào)試階段，需要對(duì)核電站循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)鼓形濾網(wǎng)進(jìn)行腐蝕防護(hù)。本文詳細(xì)介紹了臨時(shí)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)措施，并對(duì)其腐蝕防護(hù)效果進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。

1 腐蝕分析

核電站循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)中鼓形濾網(wǎng)在正式商運(yùn)前，陰極保護(hù)系統(tǒng)存在斷電風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)鼓形濾網(wǎng)其本身存在的某些缺陷及安裝過(guò)程中的碰撞摩擦導(dǎo)致的損壞，在含有多種鹽類(lèi)的電解質(zhì)溶液中特別氯離子的作用下將導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。其腐蝕主要為局部腐蝕，表現(xiàn)形式如下：

(1)點(diǎn)蝕：它是指腐蝕集中于金屬表面的很小范圍內(nèi)，并深入到金屬內(nèi)部的腐蝕形態(tài)。其產(chǎn)生過(guò)程是由于海水中含有大量的氯離子，由于離子半徑小，穿透能力強(qiáng)，即金屬對(duì)其阻滯作用比較小，使之很容易到達(dá)金屬表面，并優(yōu)先吸附，破壞金屬表面的氧化物，將氧原子擠掉，然后形成可溶性氯化物，氯化物水解使周?chē)芤簆H值下降，變成酸性溶液，進(jìn)一步加劇氧化物的溶解，為了平衡溶液中的氫離子，不斷從外部補(bǔ)充進(jìn)來(lái)氯離子，平衡腐蝕坑中的電中性，新進(jìn)來(lái)的氯離子會(huì)繼續(xù)水解，如此惡性循環(huán)，使腐蝕繼續(xù)向縱深方向發(fā)展，引起點(diǎn)蝕形貌。圖1為鼓形濾網(wǎng)不銹鋼網(wǎng)片的腐蝕情況。

圖1 鼓形濾網(wǎng)不銹鋼網(wǎng)片的腐蝕

(2)縫隙腐蝕：指的是一些金屬構(gòu)件通過(guò)螺釘、鉚、焊等方式連接時(shí)，在這些連接件或焊接接頭缺陷處將出現(xiàn)狹窄的縫隙，其縫寬(一般在0.025～0.1 mm)時(shí)，足以使電解質(zhì)溶液進(jìn)入，使縫內(nèi)金屬與縫外金屬構(gòu)成短路原電池，并且在縫內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈的腐蝕，這種局部腐蝕就被稱(chēng)為縫隙腐蝕，其形成條件包括：a)連接的缺陷部位產(chǎn)生縫隙，縫隙寬度需要在0.025～0.1 mm之間；b)有腐蝕介質(zhì)滯留在縫隙中。循環(huán)水系統(tǒng)中其鼓形濾網(wǎng)不銹鋼網(wǎng)片采用螺栓與支架進(jìn)行連接，中間齒輪處通過(guò)焊接連接，此些部位均易發(fā)生縫隙腐蝕。

(3)電偶腐蝕：是指兩種不同金屬于溶液中直接接觸，因其電極電位不同構(gòu)成腐蝕電池，致使電極電位較負(fù)的金屬發(fā)生溶解腐蝕，其形成的條件為：a)兩種不同金屬于溶液中直接接觸；b)兩種金屬有電極電位差；c)兩種不同金屬有電偶間的空間布置。而循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)鼓形濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)由不銹鋼和碳鋼組成，其中碳鋼面積相比較不銹鋼面積要小許多，并且碳鋼有涂層進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)涂層破損后，形成小陽(yáng)極大陰極的不利局面，導(dǎo)致破損部位自身腐蝕和電偶腐蝕的急劇發(fā)生，其中碳鋼做陽(yáng)極，加速腐蝕，而不銹鋼作為陰極得到保護(hù)。故為了防止電偶腐蝕發(fā)生，針對(duì)碳鋼材質(zhì)的鼓網(wǎng)軸承等支撐物不僅要用涂料進(jìn)行保護(hù)，還需要陰極保護(hù)，二者巧妙結(jié)合、聯(lián)合進(jìn)行腐蝕防護(hù)。

2 臨時(shí)陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

為滿足調(diào)試期間的腐蝕防護(hù)，建議采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、拆卸方便的臨時(shí)犧牲陽(yáng)極進(jìn)行陰極保護(hù)，其設(shè)計(jì)過(guò)程一般包括：a)保護(hù)面積計(jì)算；b)保護(hù)電流密度選取；c)保護(hù)電流計(jì)算；d)犧牲陽(yáng)極選型及保護(hù)時(shí)間內(nèi)總重量計(jì)算；e)陽(yáng)極布置設(shè)計(jì)；f)保護(hù)檢測(cè)評(píng)估。

現(xiàn)針對(duì)循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)鼓形濾網(wǎng)臨時(shí)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方案簡(jiǎn)述如下：

(1)確定需要保護(hù)的金屬構(gòu)筑物，分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算鼓形濾網(wǎng)的不銹鋼面積和碳鋼面積。

(2)確定保護(hù)電流密度。在確定保護(hù)電流密度時(shí)，要充分考慮不銹鋼和碳鋼二者的區(qū)別、表面涂層狀況、海水流速及水質(zhì)狀況，針對(duì)不同狀況選擇不同的保護(hù)電流密度，此參數(shù)在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中具有重要的作用，將直接影響到陰極保護(hù)效果。從臨時(shí)犧牲陽(yáng)極來(lái)說(shuō)，保護(hù)電流密度過(guò)小將導(dǎo)致陰極保護(hù)效果不好，過(guò)高則將增加犧牲陽(yáng)極數(shù)量，導(dǎo)致投入成本增加。目前在核電站一般不銹鋼(無(wú)涂層)保護(hù)電流密度取150～200mA/m2，而碳鋼部分(有涂層)電流密度取20～50 mA/m2[1]。

(3)保護(hù)電流計(jì)算。依據(jù)(1)公式計(jì)算出鼓形濾網(wǎng)所需的保護(hù)電流。

式中：I — 所需保護(hù)電流，A

S — 被保護(hù)物件的浸水面積，m2

I — 保護(hù)電流密度，mA/m2

(4)犧牲陽(yáng)極選型與重量計(jì)算。由于鼓形濾網(wǎng)在調(diào)試期間，經(jīng)常發(fā)生斷電狀況，此時(shí)外加陰極保護(hù)系統(tǒng)將無(wú)法起到防腐作用，故需要增加臨時(shí)犧牲陽(yáng)極進(jìn)行彌補(bǔ)此空擋缺陷。針對(duì)鼓形濾網(wǎng)臨時(shí)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)選用鋁-鋅-銦-鎂-鈦高效鋁合金犧牲陽(yáng)極，尺寸大小為51.4 mm×1000mm，使用壽命1年左右。

(5)陽(yáng)極布置設(shè)計(jì)。該犧牲陽(yáng)極包括芯鋼棒、鋁合金犧牲陽(yáng)極本體、電纜；電纜需要焊接在芯鋼棒的某一端頭處并做好相應(yīng)的密封處理，同時(shí)芯鋼棒側(cè)面兩端均焊有焊接片，不銹鋼膨脹螺栓通過(guò)此焊接片將犧牲陽(yáng)極固定在鼓形濾網(wǎng)腔室的側(cè)墻上，安裝時(shí)每側(cè)只需安裝6只犧牲陽(yáng)極，對(duì)稱(chēng)分布，電纜通過(guò)IP67接線箱、防水電纜接頭匯流到鼓形濾網(wǎng)主軸上，形成閉環(huán)回路。

(6)保護(hù)檢測(cè)評(píng)估。為了檢測(cè)陰極保護(hù)效果，不需要額外安裝高純鋅參比電極，可以直接借用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中參比電極進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。

3 保護(hù)效果評(píng)估

(1)保護(hù)電位是陰極保護(hù)系統(tǒng)中最重要的一個(gè)控制參數(shù)，用于衡量陰極保護(hù)的效果。在臨時(shí)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)投運(yùn)前，首先用便攜式高純鋅參比電極和高內(nèi)阻萬(wàn)用表測(cè)量被保護(hù)金屬構(gòu)筑物的自然腐蝕電位。測(cè)量需要在海水處于低潮時(shí)，在鼓網(wǎng)左右主軸平臺(tái)處進(jìn)行，測(cè)量時(shí)用數(shù)字萬(wàn)用表直流mV(或2V左右量程)電壓檔，黑表筆接參比電極電纜，紅表筆接鼓網(wǎng)主軸(需去掉漆皮)，鼓網(wǎng)左側(cè)和右側(cè)分別選擇五個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)按照離水面0m、-1m、-2 m、-3m測(cè)試數(shù)據(jù)并記錄。待犧牲陽(yáng)極臨時(shí)陰極保護(hù)運(yùn)行24h后，再按照上述方法進(jìn)行保護(hù)電位測(cè)量并記錄。以某核電廠鼓形濾網(wǎng)左右側(cè)為例,采用便攜式高純鋅參比電極進(jìn)行測(cè)量記錄，自然電位測(cè)量值見(jiàn)表1，保護(hù)電位測(cè)量值見(jiàn)表2。

(2)從表1自然電位測(cè)量值和表2保護(hù)電位測(cè)量值可以看出，鼓形濾網(wǎng)金屬構(gòu)筑物的自然腐蝕電位較不均勻，臨時(shí)陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極投運(yùn)后，陰極保護(hù)電位趨于均勻，處于500～600mV之間，且相比自然腐蝕電位，其陰極極化值大于100mV。根據(jù)陰極保護(hù)工程手冊(cè)[2]，對(duì)于有涂層的鋼結(jié)構(gòu)，陰極極化電位達(dá)到100mV以上可以起到良好的陰極保護(hù)效果。

表1 自然電位測(cè)量值(相對(duì)于高純參比電極) 單位：mV

表2 保護(hù)電位測(cè)量值(相對(duì)于高純鋅參比電極)單位：mV

4 結(jié)論

循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)鼓形濾網(wǎng)在調(diào)試期間，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)會(huì)因?yàn)殚g歇性停電而無(wú)法達(dá)到完善的腐蝕防護(hù)效果。臨時(shí)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)在循環(huán)水過(guò)濾系統(tǒng)調(diào)試期間的應(yīng)用，可有效解決了鼓形濾網(wǎng)在調(diào)試期間腐蝕的難題，確保鼓形濾網(wǎng)的安全和設(shè)計(jì)使用壽命。

[1] 國(guó)家能源局, NB/T 25008-2011 核電廠海水冷卻系統(tǒng)腐蝕控制與電解海水防污[S]. 2011.

[2] 胡士信. 陰極保護(hù)工程手冊(cè)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,1999: 58.

The Application of Temporary Cathodic Protection for Drum Strainer in Nuclear Power Plant

HAN Liu-hong1, ZHANG Zhou-lin2, LIN Ze-quan1
(1. Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd, Suzhou 215004, China；2. Guangxi Fangchenggang Nuclear Power Co., Ltd, Fangchenggang 538001, China)

The corrosion mechanism of drum strainer during the debugging period of condenser cooling water filter system is described. Furthermore, the scheme of temporary sacrificial anode cathodic protection is designed base on the corrosion mechanism. According to the application of temporary sacrificial anode, the rapid corrosion of drum strainer is prevented effectively.

condenser cooling water filter system; drum strainer; cathodic protection; sacrificial anode; anticorrosion

TG174.41

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.042.03

韓留紅 (1983－) ，男，河南項(xiàng)城人，工程師，本科，主要研究方向?yàn)榻饘俑g與防護(hù)。