基于數(shù)值模擬的核電海水管道電位監(jiān)測(cè)優(yōu)化研究

黃 亮 費(fèi)克勛 潘姚凡 秦鐵男 薛 飛 林 斌

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

近二十年核能作為一種新的清潔能源得到了快速發(fā)展，核電廠就是利用原子核裂變反應(yīng)釋放的能量加熱水產(chǎn)生蒸汽帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的發(fā)電廠。我國海域遼闊、海水資源豐富，利用海水作為冷源來冷卻核島與常規(guī)島的熱量并將之帶入大海，可以節(jié)約淡水資源，同時(shí)也可以降低發(fā)電成本。眾所周知，海水是含鹽濃度極高的電解質(zhì)溶質(zhì)，腐蝕性強(qiáng)，同時(shí)海水還含有泥沙，對(duì)海水系統(tǒng)管道帶來了極大的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)核電廠海水管道因腐蝕而發(fā)生穿孔的事件也時(shí)有發(fā)生，影響了電廠的正常發(fā)電。核電站海水系統(tǒng)管道的腐蝕與防護(hù)正日益引起大家的關(guān)注。

目前，核電站海水系統(tǒng)碳鋼管道的防腐主要采用涂層和陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)防腐。然而傳統(tǒng)的陰極保護(hù)防腐設(shè)計(jì)方法大多基于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，確認(rèn)需要的輔助陽極和參比電極的數(shù)量及其布置方案，且設(shè)計(jì)時(shí)缺乏精細(xì)化的設(shè)計(jì)手段，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)而言，設(shè)計(jì)保護(hù)效果往往達(dá)不到理想狀態(tài)。核電廠海水系統(tǒng)的碳鋼結(jié)構(gòu)相比油氣管線短而復(fù)雜，依然采用傳統(tǒng)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)。因此，核電廠亟需引入海水系統(tǒng)管道的腐蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)和評(píng)估技術(shù)。

1 數(shù)值模擬技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)開始應(yīng)用于各個(gè)工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。上世紀(jì)七十年代末，美國學(xué)者首先將數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于海洋石油平臺(tái)的電流分布預(yù)測(cè)和陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。Carlo[1]基于有限元方法，利用開發(fā)的計(jì)算電流密度程序計(jì)算了平臺(tái)復(fù)雜構(gòu)件的腐蝕狀態(tài)，并給出了陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。國內(nèi)數(shù)值模擬技術(shù)在陰極保護(hù)系統(tǒng)中應(yīng)用的研究起步較晚。曹圣山[2]等對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。經(jīng)過多年的研究發(fā)展，電化學(xué)腐蝕模擬的算法主要有三種，包括有限差分法、有限元法和邊界元法。而針對(duì)海洋環(huán)境防腐系統(tǒng)的數(shù)值模擬問題，有限差分法和有限元法因其固有缺陷，無法實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用，而邊界元法降低了空間維數(shù)，大大降低了數(shù)值計(jì)算量[3]，顯示出最強(qiáng)的適應(yīng)性。

蘭志剛等[4]綜述了數(shù)值模擬技術(shù)在陰極保護(hù)和腐蝕預(yù)測(cè)問題中的應(yīng)用，同時(shí)基于邊界元方法，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。杜艷霞[5]針對(duì)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)，建立了陰極保護(hù)電位分布的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算結(jié)果通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。大連理工大學(xué)的研究人員針對(duì)船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)數(shù)值模擬技術(shù)開展了大量的研究工作，取得了一系列高水平的研究成果。隨著國內(nèi)外基于邊界元數(shù)值模擬的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)在油氣管道和儲(chǔ)罐中的成熟應(yīng)用，適用性越來越廣泛，對(duì)核電廠海水管道的陰極保護(hù)優(yōu)化有重大意義。核電廠復(fù)雜海水管道在進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面可以利用數(shù)值模擬技術(shù)，優(yōu)化輔助陽極或吸收陽極的布置，確保陰極保護(hù)電位；另一方面，對(duì)于陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)點(diǎn)可以優(yōu)化布置，確保每個(gè)保護(hù)較差區(qū)域可以及時(shí)監(jiān)控并反饋。本文將結(jié)合某核電廠循環(huán)水管道犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行電位監(jiān)測(cè)方案的優(yōu)化。

2 循環(huán)水管道內(nèi)壁犧牲陽極保護(hù)

某核電廠循環(huán)水系統(tǒng)中包含4列管道，每臺(tái)機(jī)組分為A、B兩列，海水通過兩列循環(huán)水進(jìn)口母管進(jìn)入汽輪機(jī)廠房，之后分為6列支管分別與6臺(tái)凝汽器水室相連。海水經(jīng)過凝汽器換熱后由6列支管匯流到2列循環(huán)水出口母管內(nèi)，最后排入虹吸井，其中母管的內(nèi)徑為DN4100，支管內(nèi)徑為DN2700。管道采用Q235A鋼板卷制焊接而成，設(shè)計(jì)壁厚34mm，管線總長約1244.4m，內(nèi)部介質(zhì)為海水。管道內(nèi)表面采用涂料和犧牲陽極聯(lián)合保護(hù)，涂料為佐敦公司的通用環(huán)氧耐磨漆/乙烯環(huán)氧漆/無錫自拋光防污漆涂層，犧牲陽極采用支架式Al-Zn-In-Mg-Ti合金犧牲陽極。

2.1 犧牲陽極規(guī)格

犧牲陽極的規(guī)格尺寸和質(zhì)量應(yīng)能滿足陽極初期發(fā)生電流、末期發(fā)生電流和使用年限的要求。在本工程中陰極保護(hù)犧牲陽極均采用Al-Zn-In-Mg-Ti合金犧牲陽極，其陽極規(guī)格為犧牲陽極規(guī)格尺寸：（990+1010）×（140+180）×160mm，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。鐵芯為Ф40×5mm鍍鋅無縫鋼管；鐵腳為長度140mm的14#B型槽鋼（鍍鋅）；鋼管鐵芯與槽鋼鐵腳滿焊，焊縫連續(xù)、飽滿。

2.2 犧牲陽極安裝與布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工要求設(shè)計(jì)犧牲陽極的安裝。本系統(tǒng)中犧牲陽極采用支架式犧牲陽極安裝方法。為了能夠較為均勻分布陰極保護(hù)電流，犧牲陽極的安裝方式采用“八字形”安裝，其安裝圖如圖2所示。

圖1 犧牲陽極外形結(jié)構(gòu)圖

圖2 犧牲陽極安裝方式圖

犧牲陽極在進(jìn)行布置時(shí)需要考慮循環(huán)水管道內(nèi)壁巡檢裝置的沖突影響，在安裝位置選擇時(shí)需要進(jìn)行一定的偏移。該偏移角度需盡量小，將犧牲陽極電流分布影響降至最小。偏移角度如圖3所示。

圖3 犧牲陽極安裝角度圖

3 數(shù)值模擬電位監(jiān)測(cè)優(yōu)化技術(shù)

為了獲得數(shù)值模擬技術(shù)中電化學(xué)參數(shù)的輸入條件，需要設(shè)計(jì)海水管道接近實(shí)際運(yùn)行工況下的電化學(xué)試驗(yàn)。本工程中設(shè)計(jì)的電化學(xué)試驗(yàn)條件是在某核電廠循環(huán)水實(shí)際取水樣的基礎(chǔ)上，控制溫度、加氯量以及涂層破損率進(jìn)行的。其中溫度控制在33℃，加氯量控制為1mg/L，涂層破損率為與實(shí)際同樣工藝刷涂涂料的基礎(chǔ)上進(jìn)行人工破壞控制，選取末期破損率40%。工作電極從現(xiàn)場(chǎng)取樣，并預(yù)制為10×10×5mm的電化學(xué)試樣。根據(jù)以上條件進(jìn)行極化曲線測(cè)試。其中極化曲線掃描速率為0.5mV/s，掃描范圍為±300mV（vs.自然腐蝕電位）。經(jīng)測(cè)試，其極化曲線如圖4所示。

圖4 海水管道模擬環(huán)境試驗(yàn)極化曲線

獲取數(shù)值模擬仿真的輸入條件后，根據(jù)核電廠提供的三維制作圖建立數(shù)值模擬仿真的物理模型。建模時(shí)，為了能夠節(jié)省計(jì)算量，將刷涂涂層的犧牲陽極支架進(jìn)行一定簡化，其他犧牲陽極本體規(guī)格大小以及安裝位置完全按照實(shí)際布置建模。海水管道及犧牲陽極整體物理模型如圖5所示。

結(jié)合電化學(xué)試驗(yàn)獲取的極化曲線及建立的物理模型，進(jìn)行數(shù)值模擬，并將結(jié)果輸出為管道內(nèi)壁表面的電位分布，如圖6所示。由圖中可以看出，犧牲陽極的整體保護(hù)效果較好，最低電位為-0.82V（vs.Ag/AgCl），處于陰極保護(hù)良好保護(hù)范圍區(qū)間內(nèi)。從圖中還可以看出，犧牲陽極保護(hù)區(qū)間主要分為四類：（1）4.1m母管直管部分；（2）2.7m支管直管部分；（3）4.1～2.7m之間的三段變徑管；（4）4.1m母管彎管部分。

圖5 循環(huán)水管道數(shù)值模擬仿真物理模型

圖6 循環(huán)水管道數(shù)值模擬仿真電位分布

陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)是評(píng)估被保護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)度的重要手段。一般為了能夠反映整個(gè)結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)效果，電位監(jiān)測(cè)傳感器的布置需要考慮典型區(qū)域及一些薄弱區(qū)域。對(duì)于犧牲陽極陰極保護(hù)而言，主要考慮管道存在欠保護(hù)的可能性。因此，本工程電位監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，電位監(jiān)測(cè)傳感器至少包含4支，且在每個(gè)犧牲陽極保護(hù)電位區(qū)間各布置1支，如圖6所示。其余備用電位監(jiān)測(cè)傳感器可根據(jù)實(shí)際要求考慮新增。

4 結(jié)論與展望

碳鋼海水管道在濱海電廠中的冷源保障系統(tǒng)中應(yīng)用比較多，且其陰極保護(hù)設(shè)計(jì)大部分采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。而采用數(shù)值模擬技術(shù)優(yōu)化陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的應(yīng)用來看，該技術(shù)對(duì)核電廠海水管道陰極保護(hù)電位監(jiān)測(cè)等方面的優(yōu)化具有重要指導(dǎo)意義。