核电冷源设备的阴极保护及腐蚀智能监测

2024-02-03张晓虎董洪全高倩钰

腐蚀与防护 2024年1期

张晓虎,董洪全,高倩钰,李克

(1.中冶检测认证有限公司,北京 100088;2.中冶建筑研究总院有限公司,北京 100088;3.阳江核电有限公司,阳江 529941)

在“双碳”目标下,中国能源系统将向着多元、清洁方向发展。核能作为典型的低碳能源,可通过规模化替代化石能源助力能源系统转型,核安全是国家安全的重要组成部分,是核能行业发展的前提和生命线[1-2]。而材料在核电站环境中的失效是导致核电设备发生事故从而引发核安全问题的重要因素之一,材料腐蚀与防护研究是核电安全高效发展的重要环节。当前,我国核电已经进入规模化、批量化发展的新阶段,核电工业的发展对材料腐蚀科学和防护技术提出了更高、更新的要求[3-5]。我国核电站多沿海而建,作为核电站重要的辅助系统及冷源保障,海水系统主要分为海水过滤系统、海水循环冷却系统以及重要厂用水系统。阴极保护是核电冷源设备腐蚀控制的手段之一,但阴极保护设计不当会导致阴极保护系统运行故障,进而会加速腐蚀[6-10]。笔者对核电冷源设备阴极保护特点和管理上存在的挑战进行梳理,根据实际运行工况开发阴极保护及腐蚀智能监测系统,兼具数据采集、存储、远程传输、远程控制、故障预警等功能于一体,及时掌握阴极保护的运行状态以及存在的问题,对故障进行分析,确保阴极保护持续有效运行。

1 核电冷源设备阴极保护系统特点

核电站设备多采用防腐(蚀)层和阴极保护联合保护方式,防腐层不可能将金属本体与外界腐蚀环境完全绝缘,阴极保护能够很好地保护防腐层破损处的金属本体。核电站的阴极保护系统分为外加电流系统与牺牲阳极系统两种。牺牲阳极系统的保护范围有限,且输出电流不可调,一般牺牲阳极系统用于保护核电站中保护面积较小的结构物。外加电流系统输出稳定,且输出电流可调,可以有效保护较大面积的钢质结构物。根据目前国家颁布的相关标准,金属结构物的阴极保护通电电位、极化电位是其日常管理中必须检测的数据。且要求阴极保护极化电位要处于标准范围内,低于标准要求限值会导致“欠保护”,高于标准要求限值会导致“过保护”。

阴极保护作为预防性腐蚀管理的主要方式之一,只有保证其运行质量才能起到预期的防护目的。阴极保护有效性的评价及管理依赖于阴极保护参数的准确采集,但目前现有牺牲阳极保护系统无法准确掌握其保护效果,即使外加电流阴保方式,也只知其参比电位及输出电流,但参比电位与保护电位在实际工况中有着一定差距。现场条件的限制以及极化电位本身较难读取等原因最终导致相关阴保参数无法被及时准确测量;人工检测难度大,难以确保数据的质量和连续性,而大修期间虽具备检测空间,但此时海水已全部排空,阴极保护系统无法正常运行。这些不利因素都给阴保管理带来了挑战。

旋转鼓形滤网处于混凝土泵房内,即便采用外加电流阴极保护系统,通过恒电位仪也仅能监测预设位置附近的通电电位,与真实的保护电位存在误差,其余大部分位置的保护效果未知,不锈钢网片对阴极保护电流有屏蔽作用,海水介质和潮位的变化都会对阴极保护效果产生很大的影响,有必要在多个位置安装监测传感器,实现阴极保护效果的监测以及差异化的分析。

其余设备如拦污栅及导槽、闸门、二次滤网、凝汽器一般采用牺牲阳极保护,牺牲阳极的保护电位测量需要使用专用探头,人工操作难度高、误差大,大修期间只能检修牺牲阳极系统的物理完整性,而牺牲阳极的工作电位、输出电流则无测试条件,阴保管理存在盲区。

2 阴极保护与腐蚀智能监测

鉴于核电冷源设备阴极保护系统存在的特点和管理难点,阴极保护智能监测系统应运而生,其主要集成以下功能:通电电位、极化电位、交流干扰电压、交流电流密度、交流电流密度、腐蚀速率等参数的自动采集、存储与远传功能;非大修期间,具备远程修改参数的功能;鼓形旋转滤网处于转动状态,监测设备宜采用一体化结构设计,尽量避免外接线缆或接头,方便现场安装与检修;监测器应采用防水结构设计,可满足水下长时间应用的要求,同时耐海水腐蚀;采用内部电池供电,可满足35 a免维护应用要求,并具备电池功耗监测功能;具有内部集成环境感应测量功能,保证设备所处位置只有受到阴极保护,才进行阴极保护数据的采集;设备采用短距离无线通讯方式。

监测系统主要由监测模块、通讯模块、数据管理平台组成,如图1所示。监测模块内部集成数据采集单元/数据存储单元/交互通讯单元/环境感应单元/电池供电单元等,通过短距离无线传输将数据传到智能自控通讯模块,同时支持与移动客户端进行蓝牙通讯。智能通讯模块内部集成了供电单元、短距离无线通讯单元、多种数据通讯单元,可实现与设备监测模块的组网通讯,支持电池和220 V交流电两种通电方式,支持蓝牙通讯和有线远传数据通讯端口等。数据管理平台具备数据存储、展示、统计分析、人机交互等功能,支持与电站已有平台进行融合。

图1 核电冷源设备阴极保护及腐蚀智能监测系统示意Fig.1 Schematic of cathodic protection and corrosion intelligent monitoring system for nuclear power plant cold source equipment

3 鼓形滤网的监测实例

鼓形旋转滤网是核电厂循环冷却水系统的主要过滤设备,骨架由槽钢组成,监测设备可安装于槽钢内部,以减少海水和海生物对设备的冲击。其组成材料包含碳钢和不锈钢,采用阴极保护与防腐蚀涂料联合保护,监测装置安装示意见图2。鼓形滤网在运行期间,只有下半部分处于全浸区,且实时转动,仅浸入海水的部分受到阴极保护。不均一的材质组成,海水中溶解氧、氯离子、药剂(如杀生剂低浓度次氯酸钠)等的作用,以及海水的冲刷、海生物的附着等均会影响阴极保护的效果。

图2 监测装置安装示意Fig.2 Installation diagram of monitoring device

3.1 数据分析与管理

目前,鼓形滤网阴极保护既有牺牲阳极保护也有外加电流保护。针对牺牲阳极保护,仅大修期间可以检查牺牲阳极系统结构的完整性,而人工检测鼓形滤网真实的保护电位不仅难度很大,精度也不高。针对外加电流系统,可以对恒电位仪所得数据进行阴极保护输出参数异常情况分析[7],但恒电位仪测得保护电位为单点数据,且参比电极距离鼓网表面较远,存在IR降误差,鼓形滤网结构复杂,保护电位分布不均,非监测位置的保护情况未知。本案例对两处位置进行监测,所得参数见图3～6。

图3 位置1处的阴保参数监测结果Fig.3 Monitoring results of cathodic protection parameters at position No.1

图4 位置2处的阴保参数监测结果Fig.4 Monitoring results of cathodic protection parameters at position No.2

图5 位置1处腐蚀检查片的剩余壁厚Fig.5 Remaining wall thickness of corrosion inspection piece at position No.1

图6 位置2处腐蚀检查片的剩余壁厚Fig.6 Remaining wall thickness of corrosion inspection piece at position No.2

3.2 阴极保护运行状态

由图3和4可见:两处监测点位置的电流变化基本一致,分为两个阶段,先逐渐减小后趋于稳定(电流绝对值),这主要因为设备安装时处于大修期,阴极保护系统处于停运状态,投产后试片处于极化状态,所需阴保电流较大,极化过程中,所需电流逐渐减小,极化稳定后电流也趋于稳定。

3.3 阴极保护输出参数变化

阴极保护输出参数发生变化,恒电位运行模式下现场测得保护电位发生变化或人工调整预置电位值及恒电流模式下人工调整,都会导致输出电流的变化,监测到的通电电位和断电电位也会同步变化,具体为:电位负向偏移时伴随着流经试片的电流值变大,通电电位和断电电位同步正向偏移而流经试片的电流值变小。本案例中两处监测数据显示:2021年11月56日均有一段通电电位和断电电位负向偏移,流经试片电流变大,说明阴极保护电流输出变大。

3.4 腐蚀环境变化

鼓形滤网处于转动状态,转速有时会有调整,同时为避免海生物附着会添加海生物杀生剂,一般采用次氯酸钠。其作为去极化剂,加入后会导致电位正向偏移,但输出电流未见减少甚至增大,建议辅以自腐蚀电位进行判断。自腐蚀电位的变化受环境影响较大,以本案例中检测数据为例,在2021年11月1日后以及11月12日前后,两处位置均监测到通电电位、断电电位、自腐蚀电位同步正向偏移,应该是海生物杀生剂的添加使得次氯酸钠浓度增加,去极化作用导致电位正向偏移。

3.5 腐蚀速率

本系统带有腐蚀速率监测功能,可以通过监测试片壁厚的变化定量计算腐蚀速率。本案例中由于监测时间较短,试片壁厚未见明显减薄。鼓形滤网处于半浸泡状态,运行期间干湿交替,处于液面之上时的部分阴极保护无法起到有效的保护作用,此时主要依靠防腐涂层和材料自身的耐蚀性以及设计腐蚀裕量进行防护。腐蚀速率的监测结果能够判断鼓形滤网处于大气区、浪花飞溅区、潮差区的腐蚀程度,对于预防性腐蚀管理可以提供必要的数据支撑。