核电站RSW吸水管外加电流阴极保护评价与改进策略

龚代涛,江 锋

(中核核电运行管理有限公司，海盐 314300)



核电站RSW吸水管外加电流阴极保护评价与改进策略

龚代涛,江 锋

(中核核电运行管理有限公司，海盐 314300)

秦山第三核电站重要厂用水RSW系统吸水管采用防腐蚀层与外加电流阴极保护系统双重保护，在实际运行中发现管道外表面防腐蚀层存在大量鼓泡、基体发生腐蚀。分析了阴极保护系统的设计和运行状态，发现吸水管通电电位严重偏离设计值、保护回路电流受多重因素影响明显、辅助阳极电缆长期断裂等问题，针对上述问题提出了相应的解决方案。

核电站；海水管道；阴极保护

秦山第三核电厂位于杭州湾北岸，于2004年投入商业运行。电站安全厂用海水系统(RSW系统)是电站核安全相关系统，每台机组各布置4根碳钢材质RSW吸水管，吸水管内表面采用砂浆衬里和防腐蚀涂层联合保护，外表面采用耐磨、防污涂层体系防护，配合外加电流阴极保护系统进行保护。设计中要求外加电流阴极保护系统在电厂40 a的在役寿期内都能对被保护对象实施有效的保护，但日常运行维护中发现阴极保护系统反复出现缺陷和故障，无法达到预期的防腐蚀要求。为使RSW吸水管能按照设计要求服役，本工作分析其阴极保护系统存在的问题，并有针对性地提出解决方案。

1　RSW吸水管腐蚀问题及阴极保护系统布置情况

RSW吸水管在核电站运行期间长期完全浸没在海水中，外形结构见图1。管道外径为1372mm，壁厚16mm，弯管中心半径2057mm。管道外表面总面积约12.6 m2。吸水管所在竖井顶部和底部黄海标高分别为8 m和-11 m，吸水管顶部的黄海标高为-6.5 m。

在历次大修腐蚀检查中，吸水管内表面防护层状况良好，仅部分因海水冲刷造成表面涂层磨损；外表面防腐蚀层可见多处鼓泡，见图2。个别吸水管外表面涂层破损，基体腐蚀，去除防腐蚀层可见管道表面有较多的凹坑，见图3。

4个RSW吸水管由1台MATCOR MASYTH 12-58L型整流器同时供电，整流器额定输出电压12 V(交流电,下同)，额定输出电流58 A，RSW吸水管额定输入电流15 A。该区域阴极保护系统仅保护竖井内的吸水管，其他管段嵌入有防水保护的混凝土中，并由橡胶膨胀节与泵房内管道隔断绝缘。各吸水管周围布置3个管状金属氧化物辅助阳极，汇集后串联一只1 mΩ的电阻片(R)，日常可通过测量两个测试点间的通电电压换算成各吸水管支路的回路电流，即3个辅助阳极的总电流。辅助阳极直径16 mm，长1 000 mm，额定电流5 A。系统布置见图4，无测试桩和永久参比电极。

2　阴极保护系统缺陷及影响因素

2.1阴极保护系统存在的缺陷

电站设计和调试文件中规定,RSW吸水管的通电电位为-1 000～-1 300 mV(CSE,下同)，最大保护电位是-1 300 mV。

由图5可见，RSW吸水管的通电电位仅1个测量值满足设计要求，这表明吸水管的通电电位严重偏离设计要求，长期处于过保护状态，金属基体中析出的氢气聚集在涂层与基体之间无法排出，极有可能是造成吸水管外表面涂层鼓泡的原因之一。另外，涂层施工质量控制、固化时间等若不满足施工要求，也可能造成涂层鼓泡。

查阅了2014年1月～2015年3月期间4个吸水管的辅助阳极电流记录值，发现1号和3号吸水管辅助阳极电流值长期为0，这表明该段时间内这两个吸水口的3个辅助阳极长期处于断线状态。辅助阳极长期断线造成RSW吸水管未受到阴保系统的保护，海水从外表面涂层的微小缺陷渗入涂层以下接触的金属基体，聚集在金属表面，损坏涂层，也可能造成涂层鼓泡，同时形成腐蚀坑。2015年4月秦三厂1号机组大修，实施了该区域阴保系统接线检查和线缆维修工作后，1号和3号吸水管记录到辅助阳极电流值，说明断线的缺陷得到处理。

他的眼睛望着对面闪耀的酒店霓虹，心里回味着刚才这句话。他想到了什么似的，笑了一声。很短暂的一瞬。那手在他手里惊诧了一下，好像在问你笑什么？果然，他侧目看见了一双疑惑的眼神。很美的一双眼睛。就这么打动他的一双眼睛。

2.2潮位对保护电流密度的影响

对1号机组选取1个RSW泵停运的吸水管进行电流实时记录，按RSW吸水管外表面涂层破损率10%折算出被保护表面积，再计算出保护电流密度，见图6。

由图6可见，保护电流密度及潮位均随时间成近似余弦曲线周期性变动，且两条曲线的波峰和波谷一一对应，说明潮位的变化造成保护电流密度发生变化，且变化趋势一致。

将辅助阳极与吸水管之间的海水看作一个截面可变的可变电阻，在海水盐度不变、吸水管被保护面积不变的情况下，当潮位升高时，可变电阻的截面变大，则电阻变小，总回路的电阻也变小,回路总电流变大，表现为保护电流密度变大；同理，当潮位降低时，总回路的电阻变大,回路总电流变小，表现为保护电流密度变小。根据欧姆定律，电压不变时，回路的电流与电阻成反比。故保护电流密度与潮位值呈正相关的关系，与记录的情况一致，也说明潮位变化是保护电流密度变化的影响因素之一。从回路总电流的角度，因被保护面积不变，故回路中总电流也与潮位值呈正相关的关系。

2.3海水潮汐变化、区域排污对取水口海水pH的影响

秦三厂电站位于杭州湾钱塘江口岸，受天文潮汐现象影响明显，每日潮位变化较大，总体上属于浅海非正规半日潮海区。由于迳流影响相对小些,杭州湾内基本盐度的变化则主要受潮汐影响[1]。由于杭州湾水质特有的低盐度特性，在涨潮落潮时，容易受到邻近区域高盐度海水侵入和消退的影响，使取水口区域的海水盐度发生交替变化，进而使吸水管获得的阴极保护电流发生交替变化，造成过保护和欠保护的反复。

3　解决方案

秦三厂RSW吸水管外表面防腐蚀涂层反复发生涂层鼓泡、破损,造成金属基体腐蚀，与该处的外加电流阴极保护系统的有效性存在密切的关系。一方面，系统在设计时未充分考虑杭州湾区域海水环境的特性，主要是海水平均含盐度低、潮位变化明显、海水电化学特性受杭州湾区域工业、生活排水影响等。另一方面，系统在投运后暴露出的通电电位严重偏离设计电位、部分辅助阳极接线断裂等明显的问题未能及时消除，造成系统的保护效果严重偏离设计需求。根据上述统计和分析情况，可以从如下角度解决阴极保护系统存在的问题。

(1) 改变电源类型，使用恒电位仪控制系统参数。杭州湾区域海水中存在潮位变化、潮汐现象，阴极保护系统回路的总电阻波动明显，而当前系统使用的是恒电压输出的整流器，无法自动调节，造成过保护、欠保护交替，长期导致涂层缺陷，进而造成管道基体腐蚀。因此，恒电压输出的整流器不适用于杭州湾海水环境，属于设计失误。而恒电位仪具有根据实际运行参数自动反馈和调节的功能，能以被保护物的保护电位为控制参数自动调节电源输出，使被保护物一直处于被保护状态，减少涂层损坏几率。海水潮位变化、潮汐现象、城区闸口排水等外界因素对系统的影响也可忽略。

(2) 为各吸水管设置独立永久参比电极及电位检测线。当前阴极保护系统并未设置永久参比电极和电位检测线，每次检测均使用便携式参比电极从竖井口放入井底，在阴极线汇集处测量吸水管的通电电位。因人员操作的差异，参比电极放置的具体位置和深度也会存在差异，测量的数据必然受到人为因素的影响。设置永久参比电极，固定在吸水管附近，可减少人为因素的影响。

(3) 设计夹具对阴极线缆和辅助阳极线缆进行固定，减少线缆被海水冲刷造成的扰动、磨损而断裂。前述数据分析和检修实践均发现辅助阳极线缆存在断裂问题，而系统在建造安装期间使用的线缆固定设施耐蚀性差，固定过早失效，线缆在海水冲刷作用下反复扰动磨损是导致其断裂的主要原因，并直接导致了部分辅助阳极未发挥作用。因此，必须设计耐海水腐蚀的专用夹具将阴极线和阳极线固定，减少断线风险。

4　结论

(1) RSW吸水管外加电流阴极保护系统在设计和设备安装方面的缺陷是造成系统无法按照设计要求对起到管道保护作用、造成管道表面涂层损坏和基体腐蚀的原因之一。

(2) 潮位变化、潮汐现象、工业和生活排污等因素对杭州湾内海水电学性能的影响，在系统设计时均应作为系统保护效果的影响因素纳入考虑。

(3) 恒电压的整流器并不适合于杭州湾这类海水特性变化明显的海水区域使用。可使用自动控制的恒电位仪作为系统的控制电源，为各支RSW吸水管分别设置一台恒电位仪。同时消除系统中现有的检测、安装等缺陷，完善该系统，使其真正起到设计的效果，配合良好的管道涂层施工质量控制，保护RSW吸水管的可靠性。

[1]倪勇强，耿兆铨，朱军政. 杭州湾水动力特性研讨[J]. 水动力学研究与进展，2003,18(4)：439-445.

[2]陈国华，纪红，谢式南,等. 杭州湾海水密度研究[J]. 青岛海洋大学学报增刊，1999,10:8-16.

[3]俞光耀，孙英兰，赵可胜,等. 海湾物理自净能力分析及水质预测实例[J]. 山东海洋学院学报，1998，18(2)：57-59,117-137.

[4]李福荣,陈国华,陈景. 杭州湾海水碱度研究[J]. 青岛海洋大学学报，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

龚代涛(1978-)，高级工程师，硕士，从事核电站设备防腐技术研究,18967330752,gongdt@cnnp.com.cn

TG172

B

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