核电厂阴极保护系统故障分析及改造

2020-08-11蔡英良李伟光孔全兴杨宏欢

全面腐蚀控制 2020年2期

蔡英良李伟光孔全兴杨宏欢

（苏州热工研究院有限公司，江苏苏州 215004）

0 引言

核电厂重要厂用水系统（SEC）包含重要厂用水泵、管道、生物捕集器、热交换器，主要用于在电厂正常运行和事故工况下通过与设备冷却水系统（RRI）的热交换，把与安全有关的构筑物、系统和部件的热量输送到最终热阱（海水）中[1]。SEC管道内壁采用重防腐涂料和外加电流阴极保护的联合保护，其中阴极保护系统是对内部涂层防腐的一个补充，主要保护管道内壁涂层自身存在的微小空隙及涂层失效处。管道内壁涂层在受外力或自然老化的情况下出现鼓泡、破损等缺陷时，若阴极保护失效，将导致与海水直接接触的管道碳钢基体发生锈蚀甚至出现减薄、穿孔、强度下降等现象。本文分析了某核电厂SEC管道阴极保护系统故障的原因，并提出改造方案，以便从根本上解决问题。

1 SEC管道阴极保护系统介绍

SEC管道内壁采用外加电流阴极保护系统，用于保护敷设在重要厂用水取水管廊（GA）廊道和核岛厂房贝类捕集器之前的SEC管道及核岛厂房溢流堰之前的相互独立的SEC管道内壁。阴极保护管道首尾与碳钢衬胶管相连；其中，GA廊道内的阴极保护管道首尾端通过膨胀节与碳钢衬胶管相连。

SEC管道阴极保护系统主要由电源装置、参比电极、辅助阳极及电缆组成。电源装置采用高频开关恒电位仪，恒电位仪采用一用一备的工作方式，保证开机率大于99%；并采用工控机智能控制，专设专家软件系统，充分保证电位处于-1.050～-0.780 V保护范围内（相对于银/氯化银参比电极）。同时为了精确控制电位，每条SEC管道采用一套独立的外加电流阴极保护系统，SEC管道溢流井段由另一个电柜单独控制[2]。

阴极保护电源装置往外输出电流，电流通过电缆经过辅助阳极，再经海水进入管道内壁，使管道内壁被阴极极化。其中辅助阳极选用混合金属氧化物钛，以悬臂式棒状的结构形式点状布置在管道上，间隔6m。阳极通过上、下法兰安装；在管道上开孔，将法兰焊接在管道上。同时在管道上安装多个银/氯化银电极，用于阴极保护系统的控制和监测，其安装方式与辅助阳极一致。

2 故障描述

2016～2017年期间，某核电厂多台机组SEC管道阴极保护系统显示GA廊道阴极保护管道首段或尾段欠保护。发现问题后，现场使用多功能万用表检测参比电极实际保护数值，与系统显示数值一致，且阴极保护系统设备未发现损坏。对阴极保护系统控制模块进行调节，当两端参比电位调至保护范围内时会使中间段电位过保护，因此无法使其达到合理的正常状态。如图1所示，调整前（参比电位1）首段或尾段参比电位欠保护，调整至保护范围内后（参比电位2）中间电位过保护。

3 原因分析

现场检查阴极保护系统设备（主要为电源装置、辅助阳极、参比电极）正常，未发现设备本身故障；通过审查管道结构及阴极保护系统设计原理，发现出现该情况的主要原因如下：

图1 管道参比电位变化示意图

3.1 绝缘设置不当对保护电位的影响

外加电流阴极保护系统通过向SEC管道提供极化电流而实现防腐功能；若SEC管道与非保护设备之间未能良好绝缘，将使保护电流流向非保护设备，严重影响保护效果。研究表明，良好的绝缘是外加电流阴极保护的重要前提条件，没有绝缘就没有外加电流阴极保护[3]。设计文件中明确要求被保护管道的端部与不要求阴极保护的管道连接时必须进行绝缘处理。

现场检查发现GA廊道内SEC管道首端及末端与非阴极保护管道相连接部位未按设计要求采用绝缘法兰及配件；万用表实测被保护的SEC管道与非保护管道之间的电阻为5Ω左右。当电流通过阴极保护管道首端及末端内壁时，因与非阴极保护管道相连通而导致部分电流分流到其中，导致分配到阴极保护管道首端及末端的电流不足，无法达到管道设计保护电位，致使管道出现欠保护情况[3]。

3.2 恒电位仪调节方式对保护电位的影响

外加电流阴极保护系统为恒电位仪自动调节模式，恒电位仪根据接入反馈回路的参比电极所提供的测量电位，自动调整输出电流以适应涂层、温度和海水流量的变化。GA廊道单列SEC管道阴极保护系统共设置11支参比电极，而实际同时接入恒电位仪反馈回路的参比电极仅有1支，其余参比电极仅用于测量管道电位，并未参与调节恒电位仪电流输出。未接入反馈回路的参比电极无论是处于过保护状态还是欠保护状态，均不会触发恒电位仪动作。

此外，所有辅助阳极通过并联方式直接接入恒电位仪正极，恒电位仪只能调节总的电流输出，不能单个调节辅助阳极电流输出，无法局部调节保护电流的大小。故在管道不同部位所需保护电流区别较大时，无论恒电位仪如何调整输出电流始终无法使整个管道处于有效保护电位范围内。由此可见，恒电位仪自动调节机制的局限性是导致阴极保护管道首、末段欠保护且恒电位仪始终无法使其全部处于设计要求保护电位范围内的重要因素。

3.3 管道首末段涂层破损严重的影响

大多数涂层能形成不易透水和电解质（如盐）的介电（绝缘）屏障，减缓或抑制电子流动，从而降低阳极和阴极中的离子移动速率。降低离子移动速率相当于降低腐蚀速率。表面涂覆涂料，固化或干燥后形成一个能保护基材的薄层。电阻率高的强黏性涂料甚至可防止微小的腐蚀。涂料性能以结构物与电解质有效隔离的百分比来衡量。对于涂覆结构，由于仅在涂层中有因损坏、劣化或涂覆不足的空洞（遮盖不良）区时才需要或接收电流，涂覆结构需要的电流量远低于裸露结构[4]。

SEC管道内壁采用重防腐涂料保护，随着系统的长期运行，管道内壁涂层会产生减薄、破损情况；当管道首、末段涂层破损程度比管道主控参比所在位置涂层严重时，管道首、末段附近的阳极输出电流可能不足，导致管道内壁因保护电位低于设计保护电位而欠保护。

4 处理措施

该电厂根据原因分析对设备进行了分区改造调整。

4.1 改造方案

GA廊道内SEC管道采用1台恒电位仪，以恒电位运行模式根据1支主控参比的测量电位控制所有辅助阳极的输出，但管道首端和贝类捕集器末端（管道末端）无法达到保护要求。现将管道首端和末端辅助阳极分离出来组成一个新的第二分区，使用另外一台恒电位仪单独控制，实行2台恒电位仪共同优化控制。

同时由于管道首、末段工况及涂层完整性差距较大导致所需保护电流密度存在差异，当单独以管道首段或末段的参比电极作为主控参比电极时，平均分配的输出电流无法同时将管道首、末段的保护电位控制在设计保护范围内。因此在阳极上再增加可调电阻，通过可调电阻调节单一输出支路的回路电阻达到将管道首、末段的输出电流二次分配的目的。

详细处理步骤如下：（1）根据现场电缆接口大小，制作一个安装合适的可调电阻（可手动在阻值0～10Ω范围内调节）；（2）将管道首端和贝类捕集器末端的阳极电缆断开，中间接入可调电阻，并由接入分区一改为接入分区二主电缆中，安装接线的方式如图2所示；（3）根据CPA系统主屏幕对应参比电位数值，由小到大地调节可调电阻的值，直至其稳定到正常、合适的范围内。

4.2 实施验证

该核电厂按照此改造方案对4号机A列SEC阴极保护系统进行了改造，改造后通过调节2台恒电位仪将数据稳定在正常范围内，如图3所示。改造前首、尾段参比电极101/121EW电位高于设计电位，同时中间段参比电极电位接近设计电位下限值。改造后首、尾段辅助阳极由1台恒电位仪单独控制，使101/121EW电极不受原恒电位仪控制。从图3可以看出，改造后各参比电极电位平均分布在设计电位范围内。观察运行2个月后，数据仍正常稳定，解决了SEC阴极保护系统造成的欠保护问题；并将此改造方案运用于其他机组中。

图2 改造安装示意图

5 结论与建议

SEC管道外加电流阴极保护系统在设计时采用“一用一备”方式提供电流输出；但随着系统的运行及环境工况的变化，尤其是SEC保护管道与非保护管道绝缘设置不当造成保护电流的分流时，只使用1台恒电位仪对SEC管道进行输出已无法控制阴极保护管道的保护电位，无法使其全部在保护范围内。本改造方案通过增加恒电位仪及增加串联电阻来控制电极输出电流，使管道整体电位趋于平衡，有效解决了SEC管道首尾两端保护电位不达标的问题，确保外加电流保护系统正常运行与功能实现。