核電站鼓形濾網臨時陰極保護措施的應用

韓留紅 張周林 林澤泉

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001)

核電站鼓形濾網臨時陰極保護措施的應用

韓留紅1 張周林2 林澤泉1

(1.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004；2.廣西防城港核電有限公司，廣西 防城港 538001)

本文主要闡述了核電站循環水過濾系統調試期間鼓形濾網腐蝕的機理，同時根據腐蝕機理提供了臨時犧牲陽極陰極保護的方案。通過臨時犧牲陽極的實施，有效防止鼓形濾網在循環水過濾系統調試期間的迅速腐蝕，起到臨時防腐的作用。

循環水過濾系統 鼓形濾網 陰極保護 犧牲陽極 防腐

0 引言

核電站循環水過濾系統(CFI)的功能是將取自泵站前池的海水進行過濾，以保障所有進入核島、常規島及BOP島冷卻水水源均符合要求，保護系統設備不會發生堵塞和生物污損。而循環水過濾系統主要是由粗格柵、加氯框、細格柵、清污機和鼓形濾網等設備組成。其中，粗格柵、加氯框和細格柵的材質均為不銹鋼，而鼓形濾網，其網片采用不銹鋼，支撐濾網片的框架、輻條、帶動鼓網轉動的齒輪圈固定槽為碳鋼結構，結合表面涂層進行防腐，但由于安裝期間碰撞、摩擦等導致部分涂層破損，再加上海水的復雜工況環境，在含有高濃度的氯離子等侵蝕性陰離子環境中，極易使鼓形濾網發生局部腐蝕，具體表現形態有點蝕、縫隙腐蝕、電偶腐蝕等。其中點腐蝕因為隱蔽性大、破壞性大、極易造成設備的腐蝕穿孔而導致突發性事故的發生，引發一連串核安全事故。為了保證核電站的循環水過濾系統有效使用壽命，節省維修和管理費用，對循環水過濾系統一般實施涂層與外加電流陰極保護聯合保護措施。但是在陰極保護系統調試期間使用臨時電源，會出現間歇性停電，此時循環水過濾系統中鼓形濾網內部已經通入海水，陰極保護系統的停電加上涂層本身存在的一些缺陷，將會使鼓形濾網發生嚴重腐蝕。根據相關標準及設備設計允許的腐蝕余量，陰極保護系統年累計停電時間不應大于72小時，故在機組整個調試階段，需要對核電站循環水過濾系統鼓形濾網進行腐蝕防護。本文詳細介紹了臨時犧牲陽極陰極保護措施，并對其腐蝕防護效果進行檢測評估。

1 腐蝕分析

核電站循環水過濾系統中鼓形濾網在正式商運前，陰極保護系統存在斷電風險，此時鼓形濾網其本身存在的某些缺陷及安裝過程中的碰撞摩擦導致的損壞，在含有多種鹽類的電解質溶液中特別氯離子的作用下將導致腐蝕的發生。其腐蝕主要為局部腐蝕，表現形式如下：

(1)點蝕：它是指腐蝕集中于金屬表面的很小范圍內，并深入到金屬內部的腐蝕形態。其產生過程是由于海水中含有大量的氯離子，由于離子半徑小，穿透能力強，即金屬對其阻滯作用比較小，使之很容易到達金屬表面，并優先吸附，破壞金屬表面的氧化物，將氧原子擠掉，然后形成可溶性氯化物，氯化物水解使周圍溶液pH值下降，變成酸性溶液，進一步加劇氧化物的溶解，為了平衡溶液中的氫離子，不斷從外部補充進來氯離子，平衡腐蝕坑中的電中性，新進來的氯離子會繼續水解，如此惡性循環，使腐蝕繼續向縱深方向發展，引起點蝕形貌。圖1為鼓形濾網不銹鋼網片的腐蝕情況。

圖1 鼓形濾網不銹鋼網片的腐蝕

(2)縫隙腐蝕：指的是一些金屬構件通過螺釘、鉚、焊等方式連接時，在這些連接件或焊接接頭缺陷處將出現狹窄的縫隙，其縫寬(一般在0.025～0.1 mm)時，足以使電解質溶液進入，使縫內金屬與縫外金屬構成短路原電池，并且在縫內發生強烈的腐蝕，這種局部腐蝕就被稱為縫隙腐蝕，其形成條件包括：a)連接的缺陷部位產生縫隙，縫隙寬度需要在0.025～0.1 mm之間；b)有腐蝕介質滯留在縫隙中。循環水系統中其鼓形濾網不銹鋼網片采用螺栓與支架進行連接，中間齒輪處通過焊接連接，此些部位均易發生縫隙腐蝕。

(3)電偶腐蝕：是指兩種不同金屬于溶液中直接接觸，因其電極電位不同構成腐蝕電池，致使電極電位較負的金屬發生溶解腐蝕，其形成的條件為：a)兩種不同金屬于溶液中直接接觸；b)兩種金屬有電極電位差；c)兩種不同金屬有電偶間的空間布置。而循環水過濾系統鼓形濾網結構由不銹鋼和碳鋼組成，其中碳鋼面積相比較不銹鋼面積要小許多，并且碳鋼有涂層進行保護，當涂層破損后，形成小陽極大陰極的不利局面，導致破損部位自身腐蝕和電偶腐蝕的急劇發生，其中碳鋼做陽極，加速腐蝕，而不銹鋼作為陰極得到保護。故為了防止電偶腐蝕發生，針對碳鋼材質的鼓網軸承等支撐物不僅要用涂料進行保護，還需要陰極保護，二者巧妙結合、聯合進行腐蝕防護。

2 臨時陰極保護的設計與實施

為滿足調試期間的腐蝕防護，建議采用結構簡單、拆卸方便的臨時犧牲陽極進行陰極保護，其設計過程一般包括：a)保護面積計算；b)保護電流密度選取；c)保護電流計算；d)犧牲陽極選型及保護時間內總重量計算；e)陽極布置設計；f)保護檢測評估。

現針對循環水過濾系統鼓形濾網臨時犧牲陽極陰極保護方案簡述如下：

(1)確定需要保護的金屬構筑物，分別統計計算鼓形濾網的不銹鋼面積和碳鋼面積。

(2)確定保護電流密度。在確定保護電流密度時，要充分考慮不銹鋼和碳鋼二者的區別、表面涂層狀況、海水流速及水質狀況，針對不同狀況選擇不同的保護電流密度，此參數在陰極保護設計中具有重要的作用，將直接影響到陰極保護效果。從臨時犧牲陽極來說，保護電流密度過小將導致陰極保護效果不好，過高則將增加犧牲陽極數量，導致投入成本增加。目前在核電站一般不銹鋼(無涂層)保護電流密度取150～200mA/m2，而碳鋼部分(有涂層)電流密度取20～50 mA/m2[1]。

(3)保護電流計算。依據(1)公式計算出鼓形濾網所需的保護電流。

式中：I — 所需保護電流，A

S — 被保護物件的浸水面積，m2

I — 保護電流密度，mA/m2

(4)犧牲陽極選型與重量計算。由于鼓形濾網在調試期間，經常發生斷電狀況，此時外加陰極保護系統將無法起到防腐作用，故需要增加臨時犧牲陽極進行彌補此空擋缺陷。針對鼓形濾網臨時犧牲陽極陰極保護選用鋁-鋅-銦-鎂-鈦高效鋁合金犧牲陽極，尺寸大小為51.4 mm×1000mm，使用壽命1年左右。

(5)陽極布置設計。該犧牲陽極包括芯鋼棒、鋁合金犧牲陽極本體、電纜；電纜需要焊接在芯鋼棒的某一端頭處并做好相應的密封處理，同時芯鋼棒側面兩端均焊有焊接片，不銹鋼膨脹螺栓通過此焊接片將犧牲陽極固定在鼓形濾網腔室的側墻上，安裝時每側只需安裝6只犧牲陽極，對稱分布，電纜通過IP67接線箱、防水電纜接頭匯流到鼓形濾網主軸上，形成閉環回路。

(6)保護檢測評估。為了檢測陰極保護效果，不需要額外安裝高純鋅參比電極，可以直接借用外加電流陰極保護系統中參比電極進行檢測評估。

3 保護效果評估

(1)保護電位是陰極保護系統中最重要的一個控制參數，用于衡量陰極保護的效果。在臨時犧牲陽極陰極保護投運前，首先用便攜式高純鋅參比電極和高內阻萬用表測量被保護金屬構筑物的自然腐蝕電位。測量需要在海水處于低潮時，在鼓網左右主軸平臺處進行，測量時用數字萬用表直流mV(或2V左右量程)電壓檔，黑表筆接參比電極電纜，紅表筆接鼓網主軸(需去掉漆皮)，鼓網左側和右側分別選擇五個檢測點，每個檢測點按照離水面0m、-1m、-2 m、-3m測試數據并記錄。待犧牲陽極臨時陰極保護運行24h后，再按照上述方法進行保護電位測量并記錄。以某核電廠鼓形濾網左右側為例,采用便攜式高純鋅參比電極進行測量記錄，自然電位測量值見表1，保護電位測量值見表2。

(2)從表1自然電位測量值和表2保護電位測量值可以看出，鼓形濾網金屬構筑物的自然腐蝕電位較不均勻，臨時陰極保護犧牲陽極投運后，陰極保護電位趨于均勻，處于500～600mV之間，且相比自然腐蝕電位，其陰極極化值大于100mV。根據陰極保護工程手冊[2]，對于有涂層的鋼結構，陰極極化電位達到100mV以上可以起到良好的陰極保護效果。

表1 自然電位測量值(相對于高純參比電極) 單位：mV

表2 保護電位測量值(相對于高純鋅參比電極)單位：mV

4 結論

循環水過濾系統鼓形濾網在調試期間，外加電流陰極保護系統會因為間歇性停電而無法達到完善的腐蝕防護效果。臨時犧牲陽極陰極保護在循環水過濾系統調試期間的應用，可有效解決了鼓形濾網在調試期間腐蝕的難題，確保鼓形濾網的安全和設計使用壽命。

[1] 國家能源局, NB/T 25008-2011 核電廠海水冷卻系統腐蝕控制與電解海水防污[S]. 2011.

[2] 胡士信. 陰極保護工程手冊[M]. 北京: 化學工業出版社,1999: 58.

The Application of Temporary Cathodic Protection for Drum Strainer in Nuclear Power Plant

HAN Liu-hong1, ZHANG Zhou-lin2, LIN Ze-quan1
(1. Suzhou Nuclear Power Research Institute Co., Ltd, Suzhou 215004, China；2. Guangxi Fangchenggang Nuclear Power Co., Ltd, Fangchenggang 538001, China)

The corrosion mechanism of drum strainer during the debugging period of condenser cooling water filter system is described. Furthermore, the scheme of temporary sacrificial anode cathodic protection is designed base on the corrosion mechanism. According to the application of temporary sacrificial anode, the rapid corrosion of drum strainer is prevented effectively.

condenser cooling water filter system; drum strainer; cathodic protection; sacrificial anode; anticorrosion

TG174.41

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.042.03

韓留紅 (1983－) ，男，河南項城人，工程師，本科，主要研究方向為金屬腐蝕與防護。