核電站RSW吸水管外加電流陰極保護評價與改進策略

龔代濤,江 鋒

(中核核電運行管理有限公司，海鹽 314300)

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核電站RSW吸水管外加電流陰極保護評價與改進策略

龔代濤,江 鋒

(中核核電運行管理有限公司，海鹽 314300)

秦山第三核電站重要廠用水RSW系統(tǒng)吸水管采用防腐蝕層與外加電流陰極保護系統(tǒng)雙重保護，在實際運行中發(fā)現(xiàn)管道外表面防腐蝕層存在大量鼓泡、基體發(fā)生腐蝕。分析了陰極保護系統(tǒng)的設計和運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)吸水管通電電位嚴重偏離設計值、保護回路電流受多重因素影響明顯、輔助陽極電纜長期斷裂等問題，針對上述問題提出了相應的解決方案。

核電站；海水管道；陰極保護

秦山第三核電廠位于杭州灣北岸，于2004年投入商業(yè)運行。電站安全廠用海水系統(tǒng)(RSW系統(tǒng))是電站核安全相關系統(tǒng)，每臺機組各布置4根碳鋼材質RSW吸水管，吸水管內表面采用砂漿襯里和防腐蝕涂層聯(lián)合保護，外表面采用耐磨、防污涂層體系防護，配合外加電流陰極保護系統(tǒng)進行保護。設計中要求外加電流陰極保護系統(tǒng)在電廠40 a的在役壽期內都能對被保護對象實施有效的保護，但日常運行維護中發(fā)現(xiàn)陰極保護系統(tǒng)反復出現(xiàn)缺陷和故障，無法達到預期的防腐蝕要求。為使RSW吸水管能按照設計要求服役，本工作分析其陰極保護系統(tǒng)存在的問題，并有針對性地提出解決方案。

1　RSW吸水管腐蝕問題及陰極保護系統(tǒng)布置情況

RSW吸水管在核電站運行期間長期完全浸沒在海水中，外形結構見圖1。管道外徑為1372mm，壁厚16mm，彎管中心半徑2057mm。管道外表面總面積約12.6 m2。吸水管所在豎井頂部和底部黃海標高分別為8 m和-11 m，吸水管頂部的黃海標高為-6.5 m。

在歷次大修腐蝕檢查中，吸水管內表面防護層狀況良好，僅部分因海水沖刷造成表面涂層磨損；外表面防腐蝕層可見多處鼓泡，見圖2。個別吸水管外表面涂層破損，基體腐蝕，去除防腐蝕層可見管道表面有較多的凹坑，見圖3。

4個RSW吸水管由1臺MATCOR MASYTH 12-58L型整流器同時供電，整流器額定輸出電壓12 V(交流電,下同)，額定輸出電流58 A，RSW吸水管額定輸入電流15 A。該區(qū)域陰極保護系統(tǒng)僅保護豎井內的吸水管，其他管段嵌入有防水保護的混凝土中，并由橡膠膨脹節(jié)與泵房內管道隔斷絕緣。各吸水管周圍布置3個管狀金屬氧化物輔助陽極，匯集后串聯(lián)一只1 mΩ的電阻片(R)，日?？赏ㄟ^測量兩個測試點間的通電電壓換算成各吸水管支路的回路電流，即3個輔助陽極的總電流。輔助陽極直徑16 mm，長1 000 mm，額定電流5 A。系統(tǒng)布置見圖4，無測試樁和永久參比電極。

2　陰極保護系統(tǒng)缺陷及影響因素

2.1陰極保護系統(tǒng)存在的缺陷

電站設計和調試文件中規(guī)定,RSW吸水管的通電電位為-1 000～-1 300 mV(CSE,下同)，最大保護電位是-1 300 mV。

由圖5可見，RSW吸水管的通電電位僅1個測量值滿足設計要求，這表明吸水管的通電電位嚴重偏離設計要求，長期處于過保護狀態(tài)，金屬基體中析出的氫氣聚集在涂層與基體之間無法排出，極有可能是造成吸水管外表面涂層鼓泡的原因之一。另外，涂層施工質量控制、固化時間等若不滿足施工要求，也可能造成涂層鼓泡。

查閱了2014年1月～2015年3月期間4個吸水管的輔助陽極電流記錄值，發(fā)現(xiàn)1號和3號吸水管輔助陽極電流值長期為0，這表明該段時間內這兩個吸水口的3個輔助陽極長期處于斷線狀態(tài)。輔助陽極長期斷線造成RSW吸水管未受到陰保系統(tǒng)的保護，海水從外表面涂層的微小缺陷滲入涂層以下接觸的金屬基體，聚集在金屬表面，損壞涂層，也可能造成涂層鼓泡，同時形成腐蝕坑。2015年4月秦三廠1號機組大修，實施了該區(qū)域陰保系統(tǒng)接線檢查和線纜維修工作后，1號和3號吸水管記錄到輔助陽極電流值，說明斷線的缺陷得到處理。

他的眼睛望著對面閃耀的酒店霓虹，心里回味著剛才這句話。他想到了什么似的，笑了一聲。很短暫的一瞬。那手在他手里驚詫了一下，好像在問你笑什么？果然，他側目看見了一雙疑惑的眼神。很美的一雙眼睛。就這么打動他的一雙眼睛。

2.2潮位對保護電流密度的影響

對1號機組選取1個RSW泵停運的吸水管進行電流實時記錄，按RSW吸水管外表面涂層破損率10%折算出被保護表面積，再計算出保護電流密度，見圖6。

由圖6可見，保護電流密度及潮位均隨時間成近似余弦曲線周期性變動，且兩條曲線的波峰和波谷一一對應，說明潮位的變化造成保護電流密度發(fā)生變化，且變化趨勢一致。

將輔助陽極與吸水管之間的海水看作一個截面可變的可變電阻，在海水鹽度不變、吸水管被保護面積不變的情況下，當潮位升高時，可變電阻的截面變大，則電阻變小，總回路的電阻也變小,回路總電流變大，表現(xiàn)為保護電流密度變大；同理，當潮位降低時，總回路的電阻變大,回路總電流變小，表現(xiàn)為保護電流密度變小。根據(jù)歐姆定律，電壓不變時，回路的電流與電阻成反比。故保護電流密度與潮位值呈正相關的關系，與記錄的情況一致，也說明潮位變化是保護電流密度變化的影響因素之一。從回路總電流的角度，因被保護面積不變，故回路中總電流也與潮位值呈正相關的關系。

2.3海水潮汐變化、區(qū)域排污對取水口海水pH的影響

秦三廠電站位于杭州灣錢塘江口岸，受天文潮汐現(xiàn)象影響明顯，每日潮位變化較大，總體上屬于淺海非正規(guī)半日潮海區(qū)。由于逕流影響相對小些,杭州灣內基本鹽度的變化則主要受潮汐影響[1]。由于杭州灣水質特有的低鹽度特性，在漲潮落潮時，容易受到鄰近區(qū)域高鹽度海水侵入和消退的影響，使取水口區(qū)域的海水鹽度發(fā)生交替變化，進而使吸水管獲得的陰極保護電流發(fā)生交替變化，造成過保護和欠保護的反復。

3　解決方案

秦三廠RSW吸水管外表面防腐蝕涂層反復發(fā)生涂層鼓泡、破損,造成金屬基體腐蝕，與該處的外加電流陰極保護系統(tǒng)的有效性存在密切的關系。一方面，系統(tǒng)在設計時未充分考慮杭州灣區(qū)域海水環(huán)境的特性，主要是海水平均含鹽度低、潮位變化明顯、海水電化學特性受杭州灣區(qū)域工業(yè)、生活排水影響等。另一方面，系統(tǒng)在投運后暴露出的通電電位嚴重偏離設計電位、部分輔助陽極接線斷裂等明顯的問題未能及時消除，造成系統(tǒng)的保護效果嚴重偏離設計需求。根據(jù)上述統(tǒng)計和分析情況，可以從如下角度解決陰極保護系統(tǒng)存在的問題。

(1) 改變電源類型，使用恒電位儀控制系統(tǒng)參數(shù)。杭州灣區(qū)域海水中存在潮位變化、潮汐現(xiàn)象，陰極保護系統(tǒng)回路的總電阻波動明顯，而當前系統(tǒng)使用的是恒電壓輸出的整流器，無法自動調節(jié)，造成過保護、欠保護交替，長期導致涂層缺陷，進而造成管道基體腐蝕。因此，恒電壓輸出的整流器不適用于杭州灣海水環(huán)境，屬于設計失誤。而恒電位儀具有根據(jù)實際運行參數(shù)自動反饋和調節(jié)的功能，能以被保護物的保護電位為控制參數(shù)自動調節(jié)電源輸出，使被保護物一直處于被保護狀態(tài)，減少涂層損壞幾率。海水潮位變化、潮汐現(xiàn)象、城區(qū)閘口排水等外界因素對系統(tǒng)的影響也可忽略。

(2) 為各吸水管設置獨立永久參比電極及電位檢測線。當前陰極保護系統(tǒng)并未設置永久參比電極和電位檢測線，每次檢測均使用便攜式參比電極從豎井口放入井底，在陰極線匯集處測量吸水管的通電電位。因人員操作的差異，參比電極放置的具體位置和深度也會存在差異，測量的數(shù)據(jù)必然受到人為因素的影響。設置永久參比電極，固定在吸水管附近，可減少人為因素的影響。

(3) 設計夾具對陰極線纜和輔助陽極線纜進行固定，減少線纜被海水沖刷造成的擾動、磨損而斷裂。前述數(shù)據(jù)分析和檢修實踐均發(fā)現(xiàn)輔助陽極線纜存在斷裂問題，而系統(tǒng)在建造安裝期間使用的線纜固定設施耐蝕性差，固定過早失效，線纜在海水沖刷作用下反復擾動磨損是導致其斷裂的主要原因，并直接導致了部分輔助陽極未發(fā)揮作用。因此，必須設計耐海水腐蝕的專用夾具將陰極線和陽極線固定，減少斷線風險。

4　結論

(1) RSW吸水管外加電流陰極保護系統(tǒng)在設計和設備安裝方面的缺陷是造成系統(tǒng)無法按照設計要求對起到管道保護作用、造成管道表面涂層損壞和基體腐蝕的原因之一。

(2) 潮位變化、潮汐現(xiàn)象、工業(yè)和生活排污等因素對杭州灣內海水電學性能的影響，在系統(tǒng)設計時均應作為系統(tǒng)保護效果的影響因素納入考慮。

(3) 恒電壓的整流器并不適合于杭州灣這類海水特性變化明顯的海水區(qū)域使用?？墒褂米詣涌刂频暮汶娢粌x作為系統(tǒng)的控制電源，為各支RSW吸水管分別設置一臺恒電位儀。同時消除系統(tǒng)中現(xiàn)有的檢測、安裝等缺陷，完善該系統(tǒng)，使其真正起到設計的效果，配合良好的管道涂層施工質量控制，保護RSW吸水管的可靠性。

[1]倪勇強，耿兆銓，朱軍政. 杭州灣水動力特性研討[J]. 水動力學研究與進展，2003,18(4)：439-445.

[2]陳國華，紀紅，謝式南,等. 杭州灣海水密度研究[J]. 青島海洋大學學報增刊，1999,10:8-16.

[3]俞光耀，孫英蘭，趙可勝,等. 海灣物理自凈能力分析及水質預測實例[J]. 山東海洋學院學報，1998，18(2)：57-59,117-137.

[4]李福榮,陳國華,陳景. 杭州灣海水堿度研究[J]. 青島海洋大學學報，1999(S1)：55-62.

Evaluation and Improvement Strategy for Impressed Current Cathodic Protection of Nuclear Power Plant (NPP) Raw Service Water (RSW) Suction Pipeline

GONG Dai-tao, JIANG Feng

(CNNP Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., Haiyan 314300, China)

The raw service water (RSW) suction pipe of TQNPP was protected by both coating and impressed current cathodic protection system. Lots of bubbling were found on the outside coating, and metal base of pipe corroded in the actual operation. Design and operation of the cathodic protection system were analyzed, it was found that the energizing potential of the pipe deviated from the design value seriously, the protection circuit current was affected significantly by multiple factors, the anode cable was broken for long-term etc. Some corresponding solutions were put forward.

nuclear power plant; seawater pipeline; cathodic protection

10.11973/fsyfh-201609011

2016-05-06

龔代濤(1978-)，高級工程師，碩士，從事核電站設備防腐技術研究,18967330752,gongdt@cnnp.com.cn

TG172

B

1005-748X(2016)09-0739-04