(中國廣東核電集團(tuán)蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

核電站海水管道陰極保護(hù)狀態(tài)下的腐蝕監(jiān)測

張 磊 林 斌 高玉柱 劉 爽 林澤泉 韓留紅

(中國廣東核電集團(tuán)蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

海水腐蝕引起管道設(shè)備失效已成為核電站海水系統(tǒng)的主要問題，管道腐蝕狀態(tài)的判定及腐蝕速率的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)為核電站海水系統(tǒng)管道的安全、有效運(yùn)營提供重要評判依據(jù)。本文介紹了一種基于電化學(xué)方法的核電站管道多功能腐蝕傳感器，主要包括管道的腐蝕狀態(tài)、腐蝕速率及管道保護(hù)度的腐蝕監(jiān)檢測裝置、原理和實(shí)施方法。

核電站 海水 管道腐蝕 傳感器

0 引言

濱海核電站通常使用海水作為核島和常規(guī)島的最終冷源，將各種設(shè)備和構(gòu)筑物產(chǎn)生的熱量最終帶入大海。但是由于海水的鹽分及氯離子含量高，導(dǎo)致海水的腐蝕性很強(qiáng)。海水中的氯離子及空氣中的氯離子一直都在侵蝕著各類管道，其腐蝕問題給管道輸送帶來了極大的安全隱患，但是從我國已經(jīng)運(yùn)行的核電站來看，管道的腐蝕管理基本是通過防腐工作人員在大、小修期間對管道進(jìn)行目視巡檢、問題記錄等，屬現(xiàn)場表觀檢查法[1,2]。人工巡檢能夠準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)宏觀腐蝕現(xiàn)象，但肉眼所觀察到的腐蝕現(xiàn)象已屬嚴(yán)重腐蝕，甚至有的腐蝕是等到管道穿孔漏液才能被發(fā)現(xiàn)。因此，管道的腐蝕狀態(tài)及腐蝕速度的在線監(jiān)檢測是勢在必行，該技術(shù)通過監(jiān)測腐蝕狀態(tài)及腐蝕速度預(yù)測評估管道壽命，并從電化學(xué)防腐角度提出適用的防腐措施，進(jìn)而減少由于管道腐蝕造成機(jī)組停機(jī)等經(jīng)濟(jì)損失。

目前，對于管道腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測方法主要包括物理方法與電化學(xué)方法。物理方法主要通過測定銹蝕引起材料的電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等物理性質(zhì)的變化來反映情況。主要包括：電阻法、渦流法、射線法、紅外熱像法、聲發(fā)射法、超聲波、沖擊-回聲法和磁場等[3,4]。由于管道腐蝕的本質(zhì)是電化學(xué)過程，所以電化學(xué)方法除了可以探測管道腐蝕的位置、程度、以及速率之外，也有可能得到反映腐蝕過程機(jī)理的信息，特別適合用于腐蝕狀態(tài)的評價。近年來電化學(xué)方法日益受到重視，已經(jīng)成為金屬腐蝕的無損檢測的常規(guī)手段，主要包括：電位、電化學(xué)阻抗譜(交流阻抗譜)、極化電阻、恒電量法、電化學(xué)噪聲、諧波法等[5-8]。但是，管道腐蝕的現(xiàn)場檢測方式較為單一，主要都是采用電位監(jiān)測技術(shù)，然而，由于管道周圍的環(huán)境狀況較為復(fù)雜，采用單一的檢測技術(shù)并不能真實(shí)的體現(xiàn)管道的腐蝕狀態(tài)。

本文將介紹一種監(jiān)測輸水管道內(nèi)壁腐蝕的多功能監(jiān)測探頭，采用腐蝕狀態(tài)測試、電化學(xué)阻抗譜(交流阻抗譜)、極化電阻、恒電量法、電化學(xué)噪聲等多種不同電化學(xué)測試技術(shù)，監(jiān)測管道的腐蝕狀態(tài)，此外，當(dāng)管道施加外加電流陰極保護(hù)方法時，可監(jiān)測管道的自腐蝕電位及陰極保護(hù)保護(hù)度。同時從多個角度對輸水管道腐蝕與防護(hù)設(shè)計(jì)體系進(jìn)行分析，其中包括腐蝕原因分析，腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)，在線監(jiān)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并針對輸水管道腐蝕與防護(hù)設(shè)計(jì)體系給出適用的建議。

圖1 多功能腐蝕傳感器外形結(jié)構(gòu)

1 多功能腐蝕傳感器

輸水管道內(nèi)壁腐蝕多功能監(jiān)測傳感器作為一種監(jiān)測管道腐蝕狀態(tài)的新型技術(shù)，不僅可監(jiān)測通電狀況下管道的腐蝕特性，還可檢測自然狀態(tài)下的腐蝕特性，可獲得陰極保護(hù)狀態(tài)下的保護(hù)度；同時通過不同腐蝕檢測技術(shù)的電化學(xué)阻抗譜(交流阻抗譜)、極化電阻、電化學(xué)噪聲等，可以監(jiān)測管道的自然腐蝕狀態(tài)及腐蝕速率。

1.1 多功能腐蝕傳感器外形結(jié)構(gòu)

圖1為多功能腐蝕傳感器的外形結(jié)構(gòu)圖，主要包括高純鋅參比電極1支、研究電極2支，輔助電極1支。

1.2 電化學(xué)腐蝕與防護(hù)機(jī)理

1.2.1 管道腐蝕因素

管道在腐蝕性水介質(zhì)中的腐蝕是由于其組織成分的不穩(wěn)定性和電化學(xué)不均勻性造成的。從外觀看，金屬的材質(zhì)是均一的，但是，當(dāng)它浸入海水中，用于金屬材料本身組織結(jié)構(gòu)及表面物理狀態(tài)的不均勻性，在金屬表面形成許多宏觀或微觀的陽極區(qū)和陰極區(qū)，陰極和陽極之間通過海水產(chǎn)生微電流，電子從陽極區(qū)向陰極區(qū)移動，陽極區(qū)部分金屬失去電子成為離子，溶解于海水中，使得陽極區(qū)金屬受到腐蝕。對于整個管道來講，這些微電流迭加起來可能達(dá)到相當(dāng)大的數(shù)值。

1.2.2 管道腐蝕與防護(hù)

管道為延長使用壽命，一般采用防腐涂料、陰極保護(hù)或兩者聯(lián)合防護(hù)措施對腐蝕狀況進(jìn)行控制。

陰極保護(hù)是對于被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)施加陰極保護(hù)電流，使之陰極極化，從而消除電化學(xué)腐蝕的一種方法。在海水中金屬的腐蝕是由電化學(xué)反應(yīng)引起的，如能阻止這一電化學(xué)反應(yīng)，即可抑制金屬的電化學(xué)腐蝕。當(dāng)對金屬進(jìn)行陰極極化時，通過金屬表面的電子，大部分優(yōu)先流到陽極區(qū)，從而降低其電位，使之陰極極化，隨著電流的增大，金屬表面陰極區(qū)的負(fù)極化也增大，當(dāng)極化到陰極區(qū)和陽極區(qū)的電位差為零時，腐蝕電流消失，從而抑制了腐蝕過程，達(dá)到了保護(hù)的目的。

陰極保護(hù)是防止以上腐蝕的最有效措施，通過施加陰極保護(hù)電流，使上述金屬結(jié)構(gòu)件的電位極化50mV～250mV時，金屬材料在海水中就會停止腐蝕。

1.3 電化學(xué)腐蝕監(jiān)測技術(shù)

海水管道內(nèi)壁腐蝕多功能監(jiān)測探頭作為一種監(jiān)測管道腐蝕狀況的新型技術(shù)，采用多種不同檢測技術(shù)，腐蝕狀態(tài)測試、電化學(xué)阻抗譜(交流阻抗譜)、極化電阻、恒電量法、電化學(xué)噪聲等，監(jiān)測管道的腐蝕狀態(tài)及陰極保護(hù)度測試。

1.3.1 腐蝕狀態(tài)測試

金屬或合金的腐蝕電位與他們的腐蝕狀態(tài)之間存在對應(yīng)關(guān)系。通過檢測參比電極與工作電極之間的電位差，可獲得未施加陰極保護(hù)工作電極的自然腐蝕電位及施加陰極保護(hù)工作電極保護(hù)電位。由電位-pH圖可獲得電位檢測結(jié)果所對應(yīng)的材料的腐蝕狀態(tài)。

1.3.2 保護(hù)度測試

(1)線性極化法測量自然腐蝕電流

采用三電極體系(參比電極、輔助電極與工作電極)，在工作電極的腐蝕電位附近進(jìn)行極化，利用腐蝕電流與極化曲線在腐蝕電位附近的斜率成反比的關(guān)系求腐蝕速率。線性極化技術(shù)對腐蝕情況變化的響應(yīng)快，可以快速靈敏地實(shí)時測定金屬的瞬時全面腐蝕速度，也可以及時連續(xù)地跟蹤設(shè)備腐蝕速度及變化。此外，還可以根據(jù)在相同的陰陽極極化條件下的響應(yīng)電流的不對稱性，來提供設(shè)備發(fā)生孔蝕或其它局部腐蝕的信息。

(2)電化學(xué)阻抗譜法測量陰極保護(hù)狀態(tài)下的腐蝕電流

用理想元件(如電阻和電容等)來表示體系的法拉第過程、空間電荷以及電子和離子的傳導(dǎo)過程，說明非均態(tài)物質(zhì)的微觀性質(zhì)分布。對處于穩(wěn)態(tài)的電化學(xué)三電極體系施加一個無限小的正弦波擾動，可獲得施加陰極保護(hù)的工作電極的腐蝕電流。

(3)保護(hù)度

保護(hù)度由①、②測得的數(shù)據(jù)按照公式(1)計(jì)算：

式中：

η— 保護(hù)度；

icorr— 自然腐蝕電流；

icp— 陰極保護(hù)狀態(tài)下的腐蝕電流。

1.3.3 涂層狀況測試

涂層隨管道運(yùn)行時間的延長，會表現(xiàn)出老化和破損的趨勢，與系統(tǒng)電化學(xué)參數(shù)密切相關(guān)，電化學(xué)阻抗譜能夠通過直觀的譜圖，準(zhǔn)確診斷涂層的各種變化狀態(tài)。

1.4 多功能腐蝕傳感器在核電站的應(yīng)用

目前，該多功能傳感器已經(jīng)成功應(yīng)用于核電站重要廠用水SEC管道。SEC管道正常采用涂料結(jié)合外加電流陰極保護(hù)雙重防護(hù)技術(shù)，多功能傳感器不僅能夠監(jiān)測管道的腐蝕狀態(tài)與腐蝕速率，還可以監(jiān)測在施加外加電流陰極保護(hù)技術(shù)的條件下，測試管道的保護(hù)度。作為一個獨(dú)立的監(jiān)測體系，多功能傳感器同時監(jiān)測了管道及陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

2 結(jié)語

海水管道的在線監(jiān)檢測具有重要意義，與人工肉眼觀測相比具有明顯的優(yōu)勢?，F(xiàn)有技術(shù)單一檢測探頭，并不能夠真實(shí)、全面的反應(yīng)管道的腐蝕狀態(tài)，多功能監(jiān)測探頭可進(jìn)行定期的多方位信息測量和監(jiān)測，從而綜合評價自然狀態(tài)下管道的腐蝕特性、施加陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道的腐蝕特性以及管道內(nèi)壁涂層的老化和破損狀況，以確保管道在整個使用壽命中得到有效監(jiān)測。采用多功能腐蝕探頭不僅能實(shí)現(xiàn)對管道的腐蝕監(jiān)檢測，提供相對獨(dú)立的系統(tǒng)診斷信息，同時可確保管道陰極保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)效(可靠)性，并提供管道多方面腐蝕信息。

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Corrosion Monitoring State of Seawater Pipeline Cathodic Protection of Nuclear Power Plant

ZHANG Lei, LIN Bin, GAO Yu-zhu, LIU Shuang, LIN Ze-quan, HAN Liu-hong
(Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

Pipeline failure caused by corrosion in seawater has become the major problem in seawater system of nuclear power plants. Monitoring corrosion state and rate of pipeline can provide important and effective basis for safety assessment of pipeline in nuclear power plants. In this work, a multifunctional electrochemical corrosion sensor of pipeline was reviewed, including the monitoring principle, device and implementation of the corrosion state, corrosion rate and protection extent of pipeline.

nuclear power plant; seawater; pipeline corrosion; sensor

TG174.41

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.045.03

張磊 (1985－) ，男，江蘇連云港人，助理工程師，大專，主要研究方向?yàn)榻饘俑g與防護(hù)。