楊樹凱,尤 濤,林 斌,秦鐵男

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源需求日趨增長，核能已成為國家能源和電力發(fā)展必不可少的一部分，截至2018年底，核能約占我國累計(jì)發(fā)電量的4.2%[1-4]。我國核電站大部分分布于沿海地區(qū)，采用海水作為電站機(jī)組的冷卻水。海水作為一種天然的強(qiáng)電解質(zhì)溶液，含有較多氯離子，腐蝕性強(qiáng)[5]，會(huì)對(duì)核電站中與海水相關(guān)的設(shè)備、管道造成較大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，影響核電站系統(tǒng)的正常運(yùn)行。陰極保護(hù)技術(shù)是較為成熟的腐蝕控制方法，已在國內(nèi)核電站廣泛運(yùn)用[6-7]。

在國內(nèi)核電站中，陰極保護(hù)系統(tǒng)主要保護(hù)與冷源相關(guān)的海水系統(tǒng)，如：循環(huán)水過濾系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、重要廠用水系統(tǒng)等，涉及的設(shè)備或部件有鼓型濾網(wǎng)、格柵、閘門、導(dǎo)軌、管道、凝汽器水室等，因此陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行直接影響冷源及核電站安全。陰極保護(hù)系統(tǒng)預(yù)防性檢查和維修通常在核電站換料大修期間進(jìn)行。檢修中發(fā)現(xiàn)的故障缺陷如犧牲陽極消耗異常、參比電極破損、陽極電纜斷線等也僅能在大修期間維修，因此在大修期間對(duì)陰極保護(hù)設(shè)備維護(hù)至關(guān)重要[8-9]。

本工作對(duì)核電站數(shù)次大修期間發(fā)現(xiàn)的典型故障缺陷進(jìn)行梳理與分析，并結(jié)合核電站預(yù)防性維修管理大綱與運(yùn)維程序，提出了大修期間陰極保護(hù)系統(tǒng)的維護(hù)策略，為核電站大修期間陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)工作提供經(jīng)驗(yàn)與參考，保護(hù)設(shè)備不發(fā)生腐蝕，減少停機(jī)時(shí)間，降低維修率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

1 核電站陰極保護(hù)系統(tǒng)分類

陰極保護(hù)是電化學(xué)防腐蝕方法之一：當(dāng)金屬達(dá)到平衡電位后，再施加陰極電流，金屬的電極電位從平衡電位向負(fù)方向偏移，使金屬進(jìn)入鈍化區(qū)，實(shí)現(xiàn)腐蝕防護(hù)[10]。核電站陰極保護(hù)系統(tǒng)主要分為犧牲陽極保護(hù)法與外加電流保護(hù)法兩種。根據(jù)被保護(hù)設(shè)備表面覆層狀況、海水環(huán)境狀況、是否有合適電源、經(jīng)濟(jì)性等，決定所采用的具體措施。

1.1 犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)

犧牲陽極保護(hù)法是指采用一種比被保護(hù)金屬電位更負(fù)的金屬或者合金與被保護(hù)金屬連接，兩種金屬在電解液中形成電偶對(duì)，陽極比較活潑因而優(yōu)先溶解，釋放出的電流使被保護(hù)金屬發(fā)生陰極極化，達(dá)到保護(hù)效果[10]。采用犧牲陽極系統(tǒng)的核電站設(shè)備，其主要材料為不銹鋼與碳鋼，電解液均為海水，因此常選擇鐵基、鋁基、鋅基作為陽極材料。核電站常用的犧牲陽極見表1。

表1 核電站常用的犧牲陽極系統(tǒng)Tab. 1 Common sacrificial anode system of nuclear power plant

1.2 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)

外加電流保護(hù)法是指通過恒電位儀等外部直流設(shè)備向被保護(hù)金屬施加陰極電流，使之陰極極化，達(dá)到陰極保護(hù)效果。外加電流系統(tǒng)主要由電源裝置、輔助陽極、參比電極、電纜等附屬設(shè)備組成[10]。核電站常用的外加電流系統(tǒng)見表2。

表2 核電廠常用外加電流系統(tǒng)Tab. 2 Common impressed current system of nuclear power plant

2 典型故障分析

2.1 犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)

犧牲陽極的故障主要發(fā)生在凝汽器系統(tǒng)，包括陽極消耗過快不能滿足設(shè)計(jì)保護(hù)時(shí)間要求、陽極不消耗或者消耗不均勻、陽極脫落、陽極消耗后骨架脫落造成異物等，如圖1～4所示。

圖1 犧牲陽極消耗后骨架斷裂Fig. 1 Fracture of sacrificial anode skeleton after consumption

圖2 犧牲陽極消耗不均勻Fig. 2 Uneven consumption of sacrificial anode

圖3 犧牲陽極不消耗Fig. 3 No consumption of sacrificial anode

圖4 犧牲陽極全部消耗Fig. 4 Full consumption of sacrificial anode

凝汽器系統(tǒng)水室材料為碳鋼，內(nèi)襯材料為橡膠，水室為凝汽器水側(cè)進(jìn)出口，是凝汽器海水的通道，設(shè)計(jì)犧牲陽極是為了避免襯膠破損導(dǎo)致基體腐蝕。由于水室與換熱鈦管臨近，犧牲陽極設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮其對(duì)鈦管的影響。不同核電站水室內(nèi)犧牲陽極的結(jié)構(gòu)有所差別，主要為圓餅狀與條狀，采用螺栓將犧牲陽極與本體連接。產(chǎn)生上述故障的主要原因有以下幾種：選擇鋁合金作為犧牲陽極材料且陽極設(shè)計(jì)尺寸不滿足消耗，導(dǎo)致犧牲陽極壽命不足一個(gè)大修周期；犧牲陽極骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與焊接質(zhì)量問題導(dǎo)致犧牲陽極消耗后骨架在根部發(fā)生斷裂；犧牲陽極成分不均勻?qū)е孪牟痪?，出現(xiàn)整體脫落的問題；犧牲陽極安裝后電連接性不合格導(dǎo)致犧牲陽極不消耗失去保護(hù)作用。

2.2 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)

在大修期間會(huì)停機(jī)對(duì)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)防性檢修，包括對(duì)電源機(jī)柜、電纜、陽極、電極等進(jìn)行全方位檢查。主要故障包括：參比電極及輔助陽極表面污染與破損、陰極回流電纜斷裂、管道陽極接線盒滲水、陽極法蘭面腐蝕、恒電位儀停機(jī)期間顯示板饋電等，如圖5～8所示。

圖5 參比電極表面污染Fig. 5 Surface contamination of reference electrode

圖6 輔助陽極表面污染Fig. 6 Surface contamination of auxiliary anode

圖7 陰極回流電纜斷裂Fig. 7 Fracture of cathode return cable

圖8 管道參比電極滲水Fig. 8 Seepage of reference electrode in pipeline

核電站外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生故障主要有以下原因：

(1) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，例如：SEC管道末端陽極電纜浸泡在海水中，但陽極電纜與接頭未進(jìn)行密封，陽極電纜長期浸泡導(dǎo)致其接頭腐蝕斷裂；SEC管道節(jié)流孔板下游輔助陽極未考慮水流沖擊影響，設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足導(dǎo)致陽極斷裂。

(2) 工程施工期間安裝質(zhì)量不合格，例如：參比電極安裝不到位，導(dǎo)致接線盒內(nèi)部滲水；防水密封安裝不合格，導(dǎo)致電纜接頭內(nèi)部腐蝕斷裂；安裝過程未固定電纜卡箍或卡箍腐蝕脫落，導(dǎo)致電纜松動(dòng)被其他設(shè)備或外力因素扯斷等。

(3) 運(yùn)行期間電極與陽極被海生物附著或污損，運(yùn)行期間海水中添加了次氯酸鈉以消殺海生物，但是在潮差區(qū)、護(hù)管等位置的電極和陽極均有不同程度海生物附著和污損，嚴(yán)重時(shí)則有部分參比電極破損，在大修期間需進(jìn)行清理和更換。

(4) 長期浸泡在海水中及吊裝受力等原因?qū)е码娎|接頭或電纜本體破損，恒電位儀在大修期間會(huì)停機(jī)，停機(jī)過程也可能造成顯示板電池饋電等。

3 維護(hù)策略

3.1 預(yù)防性管理

根據(jù)核電站設(shè)備管理大綱進(jìn)行預(yù)防性管理，犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)采用機(jī)械設(shè)備預(yù)防性維修管理大綱，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)采用電氣管理大綱或防腐管理大綱。在預(yù)防維修管理大綱基礎(chǔ)上編制相應(yīng)程序或規(guī)程指導(dǎo)大綱執(zhí)行。

由于犧牲陽極均布置在設(shè)備內(nèi)部或海水內(nèi)，日常運(yùn)行時(shí)均無法檢查，因此犧牲陽極預(yù)防性檢查與處理僅能在換料大修期間進(jìn)行。參考國標(biāo)GB/T 16166-2013《濱海電廠海水冷卻水系統(tǒng)犧牲陽極陰極保護(hù)》以及運(yùn)維手冊(cè)要求對(duì)犧牲陽極進(jìn)行檢查，主要包括但不限于以下幾點(diǎn)：(1) 檢查陽極表面狀態(tài)和溶解情況，清除陽極表面腐蝕產(chǎn)物；(2) 檢查剩余陽極大小，對(duì)不滿足運(yùn)維要求(剩余陽極量不能滿足下一個(gè)運(yùn)行周期、陽極鐵芯明顯外露，短期內(nèi)會(huì)造成陽極脫落[11])的陽極進(jìn)行更換；(3) 檢查電連接性，更換后的陽極需通過萬用表進(jìn)行電連接檢查，連接性接觸電阻應(yīng)不大于0.01 Ω。

在大修期間，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的電源裝置需停機(jī)，并對(duì)電源裝置及附屬設(shè)備進(jìn)行整體檢查。檢查工作主要包括：(1) 對(duì)電源控制柜內(nèi)部，進(jìn)線三相電纜、陽極電纜等進(jìn)行絕緣性檢查，要求絕緣電阻不低于1 MΩ，檢查內(nèi)部接線端子、恒電位，清理機(jī)柜內(nèi)部等；(2) 檢查接線盒內(nèi)部、電纜接頭及電纜是否正常；(3) 檢查輔助陽極、參比電極、護(hù)管是否正常；(4) 檢查軸接地裝置的接觸電阻是否滿足要求。

在對(duì)犧牲陽極和外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)本身進(jìn)行預(yù)防性檢查的同時(shí)，還需要對(duì)被保護(hù)設(shè)備、管道、部件等進(jìn)行檢查，重點(diǎn)檢查其腐蝕狀況。根據(jù)腐蝕狀況全面評(píng)估陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)效果。

3.2 糾正性維修

糾正性維修是指在大修期間對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)存在的缺陷進(jìn)行維修，確保系統(tǒng)可用。受制于工期、計(jì)劃、人力等因素，大修期間陰極保護(hù)系統(tǒng)的糾正性維修尤為重要，主要內(nèi)容包括預(yù)防性檢查發(fā)現(xiàn)的缺陷和日常運(yùn)行期間無法處理的缺陷，如表3所示。

表3 大修期間陰極保護(hù)系統(tǒng)的糾正性維修Tab. 3 Corrective maintenance of cathodic protection system during overhaul

大修期間預(yù)防性與糾正性工作時(shí)間比較緊張，需提前對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)等各環(huán)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)備，提前預(yù)測(cè)預(yù)防性檢查工作可能存在的問題，做好維修預(yù)案和備件準(zhǔn)備，確保在大修期間完成各項(xiàng)檢查與維修工作。同時(shí)陰極保護(hù)系統(tǒng)主要涉及管道及容器內(nèi)部，作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較高，應(yīng)做好高風(fēng)險(xiǎn)管控措施并在實(shí)施期間逐項(xiàng)落實(shí)，使得檢修工作安全開展。

大修結(jié)束后，系統(tǒng)在斷電后需完成調(diào)試工作，注意應(yīng)在設(shè)備進(jìn)水后第一時(shí)間開始調(diào)試工作，嚴(yán)格按照運(yùn)維手冊(cè)要求執(zhí)行，并逐一確認(rèn)缺陷是否恢復(fù)，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4 結(jié)論與建議

濱海核電站陰極保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是避免被保護(hù)設(shè)備發(fā)生腐蝕的關(guān)鍵，也是維護(hù)冷源與核安全的有力保障，因此大修期間陰極保護(hù)系統(tǒng)的檢查維護(hù)工作尤為重要。

針對(duì)大修期間陰極保護(hù)系統(tǒng)的典型故障應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下問題并予以解決：(1) 犧牲陽極消耗過快或者不消耗、更換之后驗(yàn)證電連接性；(2) 外加電流系統(tǒng)水下部分電纜及防水接頭損壞，參比電極與輔助陽極故障,軸接地電連接及回路絕緣不滿足要求；(3) 大修期間長時(shí)間停機(jī)導(dǎo)致恒電位儀顯示板電池饋電與環(huán)境控制。

大修期間陰極保護(hù)系統(tǒng)的維護(hù)策略建議：

(1) 應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)與運(yùn)維手冊(cè)要求編制預(yù)防性管理大綱與檢查程序，大修期間預(yù)防性管理應(yīng)嚴(yán)格按照程序檢查與記錄，對(duì)預(yù)防性檢查缺陷及時(shí)處理，并根據(jù)檢查情況對(duì)大綱及程序進(jìn)行適應(yīng)優(yōu)化，確保大綱的有效性和可執(zhí)行性。

(2) 陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)按照程序進(jìn)行日常的運(yùn)行和維護(hù)工作，針對(duì)僅能在大修期間處理的缺陷和其他糾正性維修需提前制定預(yù)案，確保在大修期間順利完成檢修。

(3) 陰極保護(hù)系統(tǒng)的問題涉及電氣、機(jī)械等專業(yè)，針對(duì)具體問題應(yīng)及時(shí)分析與處理，提高大修期間缺陷處理效率，并形成經(jīng)驗(yàn)反饋，避免問題重發(fā)，保障系統(tǒng)有效運(yùn)行時(shí)間。