核電關(guān)鍵設(shè)備陰極保護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)管理分析

王亞東 秦鐵男 黃 亮 林 斌

（蘇州熱工研究有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 概述

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)，是核電站重要的輔助系統(tǒng)及冷源保障。其長期服役于海水環(huán)境中，一旦發(fā)生腐蝕不僅維修難度高、工期長，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)威脅機(jī)組安全運(yùn)行[1]。外加電流陰極保護(hù)是海水系統(tǒng)腐蝕防護(hù)的主要方法之一，但核電站工況復(fù)雜，電氣設(shè)備較多，會(huì)對陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，降低其對海水系統(tǒng)的保護(hù)效果，因此及時(shí)有效的對陰極保護(hù)進(jìn)行監(jiān)測尤為重要。早期，核電站海水陰極保護(hù)系統(tǒng)中采用的基本為可控硅整流器，無數(shù)據(jù)記錄功能，現(xiàn)場運(yùn)維依靠人員定期記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量過少，當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)并不能準(zhǔn)確地反饋實(shí)際問題，給原因分析及故障處理造成諸多不便。因此，部分核電站已將原有的可控硅整流恒電位儀替換成最新的智能數(shù)字式恒電位儀，采用自動(dòng)化控制技術(shù)、人機(jī)交互友好并具有數(shù)據(jù)采集、查詢、存儲功能及遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測等功能。上述軟、硬件功能的提升，為陰極保護(hù)系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了先決條件。本文列舉了幾個(gè)核電站海水相關(guān)設(shè)備陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行異常的案例，通過對陰極保護(hù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析查明了原因，并建立了失效故障數(shù)據(jù)庫，對后續(xù)同類故障的分析、預(yù)防及系統(tǒng)健康狀況評估具有重要的意義[2]。

1 系統(tǒng)簡介

1.1 鼓形旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)

鼓形濾網(wǎng)是核電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的主要過濾設(shè)備，鼓形濾網(wǎng)由主軸、軸承、鼓網(wǎng)骨架、不銹鋼網(wǎng)片、密封裝置、反沖洗裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、控制系統(tǒng)、壓差監(jiān)測系統(tǒng)及陰極保護(hù)及監(jiān)測系統(tǒng)等組成。其主要選用的材料為碳鋼和不銹鋼，其防腐措施主要采用陰極保護(hù)與防腐涂料聯(lián)合保護(hù)的方法。鼓形濾網(wǎng)處于半浸泡環(huán)境中，運(yùn)行期間干濕交替，當(dāng)鼓網(wǎng)位于大氣區(qū)、浪濺區(qū)及水位變動(dòng)區(qū)時(shí)，陰極保護(hù)系統(tǒng)無法提供有效的保護(hù)，此時(shí)主要通過防腐涂層和材料自身的耐蝕性及腐蝕裕量抵御海水腐蝕[3]。

1.2 重要廠用水系統(tǒng)（SEC）

重要廠用水系統(tǒng)（SEC）其主要功能是將由設(shè)備冷卻水（RRI）收集到的熱負(fù)荷輸送到最終熱井海水中。SEC管道從鼓型濾網(wǎng)過濾水池取水。輸送海水的管道主要為碳鋼襯膠管道、內(nèi)外部涂刷防腐涂料及外加電流陰極保護(hù)管道。

2 案例分析

2.1 電解制氯加藥對鼓網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的影響

某核電站在大修期間，某列鼓網(wǎng)檢修工作完成后，其陰極保護(hù)系統(tǒng)也完成調(diào)試后以恒電位模式運(yùn)行，保護(hù)電位穩(wěn)定在150mV（相對于高純鋅參比，下同）左右，運(yùn)行一段時(shí)間后，現(xiàn)場巡視人員發(fā)現(xiàn)鼓網(wǎng)保護(hù)電位在150～500mV之間波動(dòng)，3d后波動(dòng)消失，鼓網(wǎng)保護(hù)電位重新穩(wěn)定在150mV左右。

將鼓網(wǎng)保護(hù)電位異常期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)拷出作圖，如圖1所示。從圖1中可以看出，電位從節(jié)點(diǎn)1開始上升。節(jié)點(diǎn)2處電位突然下降，節(jié)點(diǎn)3處電位又開始上升，節(jié)點(diǎn)4處電位開始下降至保護(hù)范圍內(nèi)。節(jié)點(diǎn)5之后鼓網(wǎng)保護(hù)電位逐漸下降，重新穩(wěn)定在150mV左右。圖1中節(jié)點(diǎn)5保護(hù)電位上升是因?yàn)槿斯じ缮?，為了使得鼓網(wǎng)3個(gè)區(qū)保護(hù)電位平衡，將預(yù)置電位設(shè)定值設(shè)定為230mV產(chǎn)生的。

鼓網(wǎng)保護(hù)電位異常期間，對參比電極、輔助陽極以及電纜進(jìn)行了檢查，均未發(fā)現(xiàn)問題，并且使用便攜式參比電極在鼓網(wǎng)主軸平臺測量了鼓網(wǎng)水下電位，測量結(jié)果與恒電位顯示一致，排除了陰極保護(hù)系統(tǒng)本身的問題。異常期間保護(hù)電位出現(xiàn)幾次大幅度變化，考慮有可能外界因素對鼓網(wǎng)陰極保護(hù)的影響。查看相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況后發(fā)現(xiàn)：

（1）節(jié)點(diǎn)1處此列鼓網(wǎng)的循環(huán)水泵停止運(yùn)行；

（2）節(jié)點(diǎn)2處此列鼓網(wǎng)加藥裝置進(jìn)行檢修，停止加藥；

（3）節(jié)點(diǎn)3處此列鼓網(wǎng)加藥裝置檢修結(jié)束，重新開始加藥；

（4）節(jié)點(diǎn)4處此列鼓網(wǎng)的循環(huán)水泵開始運(yùn)行。

圖1 鼓網(wǎng)保護(hù)電位曲線

濱海電廠以海水作為冷源，但為了防止海水中的海生物在系統(tǒng)管道內(nèi)滋生導(dǎo)致堵塞，通常在海水取水口處加入由電解制氯系統(tǒng)制備的低濃度次氯酸鈉，以其作為殺生劑防止海生物滋生。結(jié)合圖1曲線及相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況，節(jié)點(diǎn)1處循環(huán)水泵停止運(yùn)行，但此時(shí)電解制氯裝置并未停運(yùn)，導(dǎo)致鼓網(wǎng)水室內(nèi)海水中次氯酸鈉濃度持續(xù)增大，由于次氯酸鈉是一種去極化劑，當(dāng)海水中次氯酸鈉濃度過高時(shí)，使得鼓網(wǎng)難以極化，導(dǎo)致鼓網(wǎng)保護(hù)電位上升；節(jié)點(diǎn)2處此列鼓網(wǎng)加藥裝置進(jìn)行檢修，停止加藥，海水中次氯酸鈉濃度下降，鼓網(wǎng)保護(hù)電位下降；節(jié)點(diǎn)3處此列鼓網(wǎng)加藥裝置檢修結(jié)束，重新開始加藥，海水中次氯酸鈉濃度再度上升，鼓網(wǎng)保護(hù)電位隨之上升；節(jié)點(diǎn)4處此列鼓網(wǎng)的循環(huán)水泵開始運(yùn)行，以40m3/s的速度抽取海水，鼓網(wǎng)間海水中次氯酸鈉濃度很快下降至正常水平，鼓網(wǎng)保護(hù)電位下降，恢復(fù)至0～250mV的保護(hù)范圍內(nèi)。

2.2 鼓網(wǎng)停運(yùn)對陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響

某核電站小修期間，主控反饋某列鼓網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警，經(jīng)運(yùn)維人員現(xiàn)場核實(shí)，發(fā)現(xiàn)此列鼓網(wǎng)兩側(cè)保護(hù)區(qū)在恒電位模式運(yùn)行下輸出電流滿載，觸發(fā)了過流報(bào)警，將該列鼓網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)作圖，如圖2所示。通過分析系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)，并查看相關(guān)設(shè)備運(yùn)行情況后確定以下幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)：

（1）節(jié)點(diǎn)1：該列鼓網(wǎng)的循環(huán)水泵停止運(yùn)行，但電解制氯加藥未停運(yùn)，導(dǎo)致輸出電流開始上升，當(dāng)電流滿載后，電位開始上升；

（2）節(jié)點(diǎn)2：該列鼓網(wǎng)停止加藥，電位開始下降至正常范圍內(nèi)，輸出電流也隨之下降，鼓網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)恢復(fù)至正常運(yùn)行狀態(tài)；

（3）節(jié)點(diǎn)3：該列鼓網(wǎng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此后陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流先減小后增大，當(dāng)輸出電流滿載后，鼓網(wǎng)保護(hù)電位開始上升；

（4）節(jié)點(diǎn)4：該類鼓網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流達(dá)到滿載，觸發(fā)系統(tǒng)過流報(bào)警；

（5）節(jié)點(diǎn)5：為運(yùn)維人員介入系統(tǒng)運(yùn)行，將恒電位儀切換至恒電流模式運(yùn)行，恒電流輸出40A，進(jìn)行原因排查及故障處理；

（6）節(jié)點(diǎn)6：將恒電位儀切換至恒電位模式，預(yù)設(shè)保護(hù)電位210mV，輸出電流維持高位輸出，達(dá)到45A左右；

（7）節(jié)點(diǎn)7：該列鼓網(wǎng)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，10min內(nèi)輸出電流降至10A以下；

（8）節(jié)點(diǎn)8：將鼓網(wǎng)保護(hù)電位設(shè)置為150mV，輸出電流提高到20A左右，隨后鼓網(wǎng)保護(hù)電位以及輸出電流恢復(fù)正常。

圖2 輸出電流與鼓網(wǎng)保護(hù)電位曲線

圖2 中節(jié)點(diǎn)1和2之間的保護(hù)電位波動(dòng)也是由于加藥濃度過高導(dǎo)致的，此處不再贅述。節(jié)點(diǎn)3至節(jié)點(diǎn)4之間的輸出電流異常上升是由于鼓網(wǎng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后發(fā)生的，疑似與鼓網(wǎng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)有關(guān)。未對上述判斷進(jìn)行驗(yàn)證，重新啟動(dòng)鼓網(wǎng)旋轉(zhuǎn)，開啟反沖洗水，同時(shí)觀察鼓網(wǎng)網(wǎng)片狀態(tài)。鼓網(wǎng)開始旋轉(zhuǎn)后，可以發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)至水面以上的網(wǎng)片表面存在一層附著物，其繼續(xù)旋轉(zhuǎn)后附著物被沖洗干凈。隨著鼓網(wǎng)的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，鼓網(wǎng)輸出電流大幅降低，一天后鼓網(wǎng)輸出電流和保護(hù)電位均恢復(fù)到正常范圍。其原因可能為當(dāng)鼓網(wǎng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)后，海水中泥沙、浮游生物、海生物代謝物等混合物開始沉積并覆蓋在鼓網(wǎng)網(wǎng)片上，此時(shí)參比電極測得的保護(hù)電位正移，恒電位儀在恒電位模式下增大輸出電流，直至電流滿載，觸發(fā)了過流報(bào)警。當(dāng)鼓網(wǎng)重新開始旋轉(zhuǎn)后反沖洗水也同時(shí)開啟，其將網(wǎng)片沖洗干凈，此時(shí)參比電極測量的電位為鼓網(wǎng)的真實(shí)保護(hù)電位，陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流恢復(fù)正常。

2.3 工頻干擾對SEC管道陰極保護(hù)的影響

某機(jī)組兩列SEC管道保護(hù)電位同時(shí)出現(xiàn)高頻異常波動(dòng)，管道不同分區(qū)的電位波動(dòng)程度不同，位于管道進(jìn)水口的首端波動(dòng)最大、末端最小，電位波動(dòng)幅度隨管道沿線方向遞減，且B列電位波動(dòng)相對A列更為劇烈，1周內(nèi)產(chǎn)生的閃發(fā)報(bào)警數(shù)量高達(dá)6000個(gè)。經(jīng)檢查后可排除由測量回路接觸不良、接線錯(cuò)誤或電流輸出不穩(wěn)定導(dǎo)致的電位波動(dòng)。在該機(jī)組小修期間，當(dāng)該機(jī)組的循環(huán)水泵停運(yùn)期間保護(hù)電位波動(dòng)消失，啟運(yùn)后電位波動(dòng)隨即出現(xiàn)。將SEC陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)拷出作圖，圖3為循環(huán)水泵啟/停對SEC管道保護(hù)電位波動(dòng)的影響。從圖3中可以看出兩列循環(huán)水泵的運(yùn)行均會(huì)導(dǎo)致該列管道的電位波動(dòng)，當(dāng)循環(huán)水泵全部停運(yùn)后A列管道電位波動(dòng)基本消失，B列管道波動(dòng)程度也大幅降低。將恒電位儀停運(yùn)后，使用示波器測量管道首端參比電極與管道本體之間電位波形圖，發(fā)現(xiàn)存在頻率為50Hz的交流波形。由此推斷該機(jī)組SEC管道電位波動(dòng)可能是由于管道首端與靠近循環(huán)水泵一側(cè)的上游管道絕緣不良，導(dǎo)致管道本體同時(shí)受到來自兩列循環(huán)水泵的工頻干擾。

圖3 循環(huán)水泵啟/停前后SEC管道保護(hù)電位曲線

為消除該交流頻率對管道陰極保護(hù)測量的影響，在測量回路中加裝具有濾波作用的電位隔離變送器。圖4為加裝電位隔離變送器前后管道測量電位波動(dòng)變化。如圖4可知，加裝電位隔離變送器可使管道保護(hù)電位波動(dòng)控制在±20mV的范圍內(nèi)，有效去除交流頻率對管道保護(hù)電位的影響。

圖4 加裝隔離變動(dòng)器前后SEC管道保護(hù)電位曲線

3 結(jié)語

上述陰極保護(hù)系統(tǒng)異常運(yùn)行案例分析，充分說明了陰極保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)在核電陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)維管理中的重要作用。采用數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集及存儲，通過數(shù)據(jù)管理及分析技術(shù)對系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理，能夠準(zhǔn)確反饋系統(tǒng)輸出電壓、輸出電流、保護(hù)電位及其他參數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢及規(guī)律，為分析故障原因提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)參考，以便于制定對應(yīng)的處理措施，也可為系統(tǒng)故障預(yù)測及健康狀態(tài)評估提供數(shù)據(jù)支撐，確保系統(tǒng)正常、穩(wěn)定運(yùn)行，保障濱海核電站重要海水相關(guān)設(shè)備安全、穩(wěn)定、健康運(yùn)行。