核電站海水管道陰極保護狀態下的腐蝕監測

(中國廣東核電集團蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

核電站海水管道陰極保護狀態下的腐蝕監測

張 磊 林 斌 高玉柱 劉 爽 林澤泉 韓留紅

(中國廣東核電集團蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

海水腐蝕引起管道設備失效已成為核電站海水系統的主要問題，管道腐蝕狀態的判定及腐蝕速率的實時監測數據為核電站海水系統管道的安全、有效運營提供重要評判依據。本文介紹了一種基于電化學方法的核電站管道多功能腐蝕傳感器，主要包括管道的腐蝕狀態、腐蝕速率及管道保護度的腐蝕監檢測裝置、原理和實施方法。

核電站 海水 管道腐蝕 傳感器

0 引言

濱海核電站通常使用海水作為核島和常規島的最終冷源，將各種設備和構筑物產生的熱量最終帶入大海。但是由于海水的鹽分及氯離子含量高，導致海水的腐蝕性很強。海水中的氯離子及空氣中的氯離子一直都在侵蝕著各類管道，其腐蝕問題給管道輸送帶來了極大的安全隱患，但是從我國已經運行的核電站來看，管道的腐蝕管理基本是通過防腐工作人員在大、小修期間對管道進行目視巡檢、問題記錄等，屬現場表觀檢查法[1,2]。人工巡檢能夠準確地發現宏觀腐蝕現象，但肉眼所觀察到的腐蝕現象已屬嚴重腐蝕，甚至有的腐蝕是等到管道穿孔漏液才能被發現。因此，管道的腐蝕狀態及腐蝕速度的在線監檢測是勢在必行，該技術通過監測腐蝕狀態及腐蝕速度預測評估管道壽命，并從電化學防腐角度提出適用的防腐措施，進而減少由于管道腐蝕造成機組停機等經濟損失。

目前，對于管道腐蝕狀態的監測方法主要包括物理方法與電化學方法。物理方法主要通過測定銹蝕引起材料的電阻、電磁、熱傳導、聲波傳播等物理性質的變化來反映情況。主要包括：電阻法、渦流法、射線法、紅外熱像法、聲發射法、超聲波、沖擊-回聲法和磁場等[3,4]。由于管道腐蝕的本質是電化學過程，所以電化學方法除了可以探測管道腐蝕的位置、程度、以及速率之外，也有可能得到反映腐蝕過程機理的信息，特別適合用于腐蝕狀態的評價。近年來電化學方法日益受到重視，已經成為金屬腐蝕的無損檢測的常規手段，主要包括：電位、電化學阻抗譜(交流阻抗譜)、極化電阻、恒電量法、電化學噪聲、諧波法等[5-8]。但是，管道腐蝕的現場檢測方式較為單一，主要都是采用電位監測技術，然而，由于管道周圍的環境狀況較為復雜，采用單一的檢測技術并不能真實的體現管道的腐蝕狀態。

本文將介紹一種監測輸水管道內壁腐蝕的多功能監測探頭，采用腐蝕狀態測試、電化學阻抗譜(交流阻抗譜)、極化電阻、恒電量法、電化學噪聲等多種不同電化學測試技術，監測管道的腐蝕狀態，此外，當管道施加外加電流陰極保護方法時，可監測管道的自腐蝕電位及陰極保護保護度。同時從多個角度對輸水管道腐蝕與防護設計體系進行分析，其中包括腐蝕原因分析，腐蝕防護設計，在線監檢測系統的設計，并針對輸水管道腐蝕與防護設計體系給出適用的建議。

圖1 多功能腐蝕傳感器外形結構

1 多功能腐蝕傳感器

輸水管道內壁腐蝕多功能監測傳感器作為一種監測管道腐蝕狀態的新型技術，不僅可監測通電狀況下管道的腐蝕特性，還可檢測自然狀態下的腐蝕特性，可獲得陰極保護狀態下的保護度；同時通過不同腐蝕檢測技術的電化學阻抗譜(交流阻抗譜)、極化電阻、電化學噪聲等，可以監測管道的自然腐蝕狀態及腐蝕速率。

1.1 多功能腐蝕傳感器外形結構

圖1為多功能腐蝕傳感器的外形結構圖，主要包括高純鋅參比電極1支、研究電極2支，輔助電極1支。

1.2 電化學腐蝕與防護機理

1.2.1 管道腐蝕因素

管道在腐蝕性水介質中的腐蝕是由于其組織成分的不穩定性和電化學不均勻性造成的。從外觀看，金屬的材質是均一的，但是，當它浸入海水中，用于金屬材料本身組織結構及表面物理狀態的不均勻性，在金屬表面形成許多宏觀或微觀的陽極區和陰極區，陰極和陽極之間通過海水產生微電流，電子從陽極區向陰極區移動，陽極區部分金屬失去電子成為離子，溶解于海水中，使得陽極區金屬受到腐蝕。對于整個管道來講，這些微電流迭加起來可能達到相當大的數值。

1.2.2 管道腐蝕與防護

管道為延長使用壽命，一般采用防腐涂料、陰極保護或兩者聯合防護措施對腐蝕狀況進行控制。

陰極保護是對于被保護金屬結構施加陰極保護電流，使之陰極極化，從而消除電化學腐蝕的一種方法。在海水中金屬的腐蝕是由電化學反應引起的，如能阻止這一電化學反應，即可抑制金屬的電化學腐蝕。當對金屬進行陰極極化時，通過金屬表面的電子，大部分優先流到陽極區，從而降低其電位，使之陰極極化，隨著電流的增大，金屬表面陰極區的負極化也增大，當極化到陰極區和陽極區的電位差為零時，腐蝕電流消失，從而抑制了腐蝕過程，達到了保護的目的。

陰極保護是防止以上腐蝕的最有效措施，通過施加陰極保護電流，使上述金屬結構件的電位極化50mV～250mV時，金屬材料在海水中就會停止腐蝕。

1.3 電化學腐蝕監測技術

海水管道內壁腐蝕多功能監測探頭作為一種監測管道腐蝕狀況的新型技術，采用多種不同檢測技術，腐蝕狀態測試、電化學阻抗譜(交流阻抗譜)、極化電阻、恒電量法、電化學噪聲等，監測管道的腐蝕狀態及陰極保護度測試。

1.3.1 腐蝕狀態測試

金屬或合金的腐蝕電位與他們的腐蝕狀態之間存在對應關系。通過檢測參比電極與工作電極之間的電位差，可獲得未施加陰極保護工作電極的自然腐蝕電位及施加陰極保護工作電極保護電位。由電位-pH圖可獲得電位檢測結果所對應的材料的腐蝕狀態。

1.3.2 保護度測試

(1)線性極化法測量自然腐蝕電流

采用三電極體系(參比電極、輔助電極與工作電極)，在工作電極的腐蝕電位附近進行極化，利用腐蝕電流與極化曲線在腐蝕電位附近的斜率成反比的關系求腐蝕速率。線性極化技術對腐蝕情況變化的響應快，可以快速靈敏地實時測定金屬的瞬時全面腐蝕速度，也可以及時連續地跟蹤設備腐蝕速度及變化。此外，還可以根據在相同的陰陽極極化條件下的響應電流的不對稱性，來提供設備發生孔蝕或其它局部腐蝕的信息。

(2)電化學阻抗譜法測量陰極保護狀態下的腐蝕電流

用理想元件(如電阻和電容等)來表示體系的法拉第過程、空間電荷以及電子和離子的傳導過程，說明非均態物質的微觀性質分布。對處于穩態的電化學三電極體系施加一個無限小的正弦波擾動，可獲得施加陰極保護的工作電極的腐蝕電流。

(3)保護度

保護度由①、②測得的數據按照公式(1)計算：

式中：

η— 保護度；

icorr— 自然腐蝕電流；

icp— 陰極保護狀態下的腐蝕電流。

1.3.3 涂層狀況測試

涂層隨管道運行時間的延長，會表現出老化和破損的趨勢，與系統電化學參數密切相關，電化學阻抗譜能夠通過直觀的譜圖，準確診斷涂層的各種變化狀態。

1.4 多功能腐蝕傳感器在核電站的應用

目前，該多功能傳感器已經成功應用于核電站重要廠用水SEC管道。SEC管道正常采用涂料結合外加電流陰極保護雙重防護技術，多功能傳感器不僅能夠監測管道的腐蝕狀態與腐蝕速率，還可以監測在施加外加電流陰極保護技術的條件下，測試管道的保護度。作為一個獨立的監測體系，多功能傳感器同時監測了管道及陰極保護系統的運行狀況。

2 結語

海水管道的在線監檢測具有重要意義，與人工肉眼觀測相比具有明顯的優勢。現有技術單一檢測探頭，并不能夠真實、全面的反應管道的腐蝕狀態，多功能監測探頭可進行定期的多方位信息測量和監測，從而綜合評價自然狀態下管道的腐蝕特性、施加陰極保護系統的管道的腐蝕特性以及管道內壁涂層的老化和破損狀況，以確保管道在整個使用壽命中得到有效監測。采用多功能腐蝕探頭不僅能實現對管道的腐蝕監檢測，提供相對獨立的系統診斷信息，同時可確保管道陰極保護系統的穩定性與實效(可靠)性，并提供管道多方面腐蝕信息。

[1] 化學工業部化工機械研究院. 腐蝕與防護手冊: 腐蝕理論、試驗及監測[M]. 北京: 化學工業出版社, 1989.

[2] 楊道武等. 電化學與電力設備的腐蝕與防護[M]. 北京: 中國電力出版社,2004.

[3] 劉貴民. 無損檢測技術[M]. 北京: 國防工業出版社, 2006.

[4] 高福慶. 管道內檢測技術應用及發展[J]. 石油規劃設計,2000,11(1): 40-41.

[5] 徐小易. 談幾種腐蝕在線監測技術[J]. 全面腐蝕控制, 2001, 15(3): 45-47.

[6] 范國義等. 循環冷卻水腐蝕在線監測系統的研究與應用[J]. 化工裝備技術, 2006, 27 (4):49-51.

[7] Budevski E, Obretenov W, Bostanov W, etal. Noise analysis in metal deposition-expectations and limits[J]. Electrochimica Acta, 1989, 34(8): 1023-1029.

[8] 曹楚南.電化學噪聲的分析與應用—1.電化學噪聲的分析原理[J].中國腐蝕與防護學報, 2001, 21(5): 310-320.

Corrosion Monitoring State of Seawater Pipeline Cathodic Protection of Nuclear Power Plant

ZHANG Lei, LIN Bin, GAO Yu-zhu, LIU Shuang, LIN Ze-quan, HAN Liu-hong
(Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

Pipeline failure caused by corrosion in seawater has become the major problem in seawater system of nuclear power plants. Monitoring corrosion state and rate of pipeline can provide important and effective basis for safety assessment of pipeline in nuclear power plants. In this work, a multifunctional electrochemical corrosion sensor of pipeline was reviewed, including the monitoring principle, device and implementation of the corrosion state, corrosion rate and protection extent of pipeline.

nuclear power plant; seawater; pipeline corrosion; sensor

TG174.41

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.045.03

張磊 (1985－) ，男，江蘇連云港人，助理工程師，大專，主要研究方向為金屬腐蝕與防護。