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(tǒng)將向著多元、清潔方向發(fā)展。核能作為典型的低碳能源,可通過規(guī)?；娲茉粗δ茉聪到y(tǒng)轉型,核安全是國家安全的重要組成部分,是核能行業(yè)發(fā)展的前提和生命線[1-2]。而材料在核電站環(huán)境中的失效是導致核電設備發(fā)生事故從而引發(fā)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(fā)展的重要環(huán)節(jié)。當前,我國核電已經(jīng)進入規(guī)模化、批量化發(fā)展的新階段,核電工業(yè)的發(fā)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(tǒng)及冷源保障,海水系統(tǒng)主要分為海水過濾系統(tǒng)、海水循環(huán)冷卻系統(tǒng)以及重要廠用水系統(tǒng)。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(tǒng)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(zhàn)進行梳理,根據(jù)實際運行工況開發(fā)陰極保護及腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng),兼具數(shù)據(jù)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(tài)以及存在的問題,對故障進行分析,確保陰極保護持續(xù)有效運行。

1 核電冷源設備陰極保護系統(tǒng)特點

核電站設備多采用防腐(蝕)層和陰極保護聯(lián)合保護方式,防腐層不可能將金屬本體與外界腐蝕環(huán)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(tǒng)分為外加電流系統(tǒng)與犧牲陽極系統(tǒng)兩種。犧牲陽極系統(tǒng)的保護范圍有限,且輸出電流不可調,一般犧牲陽極系統(tǒng)用于保護核電站中保護面積較小的結構物。外加電流系統(tǒng)輸出穩(wěn)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(jù)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(shù)據(jù)。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(shù)的準確采集,但目前現(xiàn)有犧牲陽極保護系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)無法被及時準確測量;人工檢測難度大,難以確保數(shù)據(jù)的質量和連續(xù)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(tǒng)無法正常運行。這些不利因素都給陰保管理帶來了挑戰(zhàn)。

旋轉鼓形濾網(wǎng)處于混凝土泵房內,即便采用外加電流陰極保護系統(tǒng),通過恒電位儀也僅能監(jiān)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(wǎng)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(chǎn)生很大的影響,有必要在多個位置安裝監(jiān)測傳感器,實現(xiàn)陰極保護效果的監(jiān)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(wǎng)、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(tǒng)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(qū)。

2 陰極保護與腐蝕智能監(jiān)測

鑒于核電冷源設備陰極保護系統(tǒng)存在的特點和管理難點,陰極保護智能監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)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(shù)的功能;鼓形旋轉濾網(wǎng)處于轉動狀態(tài),監(jiān)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(xiàn)場安裝與檢修;監(jiān)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(jiān)測功能;具有內部集成環(huán)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(shù)據(jù)的采集;設備采用短距離無線通訊方式。

監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測模塊、通訊模塊、數(shù)據(jù)管理平臺組成,如圖1所示。監(jiān)測模塊內部集成數(shù)據(jù)采集單元/數(shù)據(jù)存儲單元/交互通訊單元/環(huán)境感應單元/電池供電單元等,通過短距離無線傳輸將數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通訊單元,可實現(xiàn)與設備監(jiān)測模塊的組網(wǎng)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(shù)據(jù)通訊端口等。數(shù)據(jù)管理平臺具備數(shù)據(jù)存儲、展示、統(tǒng)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(jiān)測系統(tǒng)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(wǎng)的監(jiān)測實例

鼓形旋轉濾網(wǎng)是核電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的主要過濾設備,骨架由槽鋼組成,監(jiān)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(lián)合保護,監(jiān)測裝置安裝示意見圖2。鼓形濾網(wǎng)在運行期間,只有下半部分處于全浸區(qū),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(jiān)測裝置安裝示意Fig.2 Installation diagram of monitoring device

3.1 數(shù)據(jù)分析與管理

目前,鼓形濾網(wǎng)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(tǒng)結構的完整性,而人工檢測鼓形濾網(wǎng)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(tǒng),可以對恒電位儀所得數(shù)據(jù)進行陰極保護輸出參數(shù)異常情況分析[7],但恒電位儀測得保護電位為單點數(shù)據(jù),且參比電極距離鼓網(wǎng)表面較遠,存在IR降誤差,鼓形濾網(wǎng)結構復雜,保護電位分布不均,非監(jiān)測位置的保護情況未知。本案例對兩處位置進行監(jiān)測,所得參數(shù)見圖3～6。

圖3 位置1處的陰保參數(shù)監(jiān)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(shù)監(jiān)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(tài)

由圖3和4可見:兩處監(jiān)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(wěn)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(tǒng)處于停運狀態(tài),投產(chǎn)后試片處于極化狀態(tài),所需陰保電流較大,極化過程中,所需電流逐漸減小,極化穩(wěn)定后電流也趨于穩(wěn)定。

3.3 陰極保護輸出參數(shù)變化

陰極保護輸出參數(shù)發(fā)生變化,恒電位運行模式下現(xiàn)場測得保護電位發(fā)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(jiān)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(jīng)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(jīng)試片的電流值變小。本案例中兩處監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jīng)試片電流變大,說明陰極保護電流輸出變大。

3.4 腐蝕環(huán)境變化

鼓形濾網(wǎng)處于轉動狀態(tài),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(huán)境影響較大,以本案例中檢測數(shù)據(jù)為例,在2021年11月1日后以及11月12日前后,兩處位置均監(jiān)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(tǒng)帶有腐蝕速率監(jiān)測功能,可以通過監(jiān)測試片壁厚的變化定量計算腐蝕速率。本案例中由于監(jiān)測時間較短,試片壁厚未見明顯減薄。鼓形濾網(wǎng)處于半浸泡狀態(tài),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(jiān)測結果能夠判斷鼓形濾網(wǎng)處于大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)的腐蝕程度,對于預防性腐蝕管理可以提供必要的數(shù)據(jù)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(fā)展,陰極保護對保障海水循環(huán)系統(tǒng)等關鍵設備的安全運行至關重用,核電陰極保護系統(tǒng)相對復雜,適用于核電站的陰極保護及腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)需要針對性地開發(fā),搭建多參數(shù)采集、穩(wěn)定傳輸、智能預警等多功能一體化平臺。

(2) 通過對多項監(jiān)測數(shù)據(jù)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(tǒng)結構性故障、輸出參數(shù)主動或被動的變化、環(huán)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(tǒng)的智能管理和故障排查具有重要意義。

(3) 腐蝕速率監(jiān)測數(shù)據(jù)可定量判斷設備的腐蝕狀態(tài)和防護效果,掃除了鼓形濾網(wǎng)在陰極保護欠保護或完全無法起到作用時腐蝕狀態(tài)的管理盲區(qū)。

(4) 核電關鍵設備陰極保護及腐蝕智能監(jiān)測系統(tǒng)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(shù)據(jù)的積累,通過多維度的大數(shù)據(jù)分析,可以實現(xiàn)風險的及時感知、早期預警及高效處置。