某核電站凝汽器CPS陰極保護(hù)系統(tǒng)的恢復(fù)與改造

王 磊 劉 爽 韓留紅 張 磊 蔣雙優(yōu)

(1.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

某核電站凝汽器CPS陰極保護(hù)系統(tǒng)的恢復(fù)與改造

王 磊1 劉 爽2 韓留紅2 張 磊2 蔣雙優(yōu)1

(1.遼寧紅沿河核電有限公司，遼寧 大連 116319；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

某核電站的凝汽器水室由多種金屬材料組成，在海水作用下會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電偶腐蝕。為避免鋁青銅管板腐蝕，對(duì)凝汽器的陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)與改造，改造結(jié)果十分理想。

核電站 凝汽器 陰極保護(hù)

0 前言

圖1 凝汽器管板腐蝕

某核電站有兩個(gè)90萬千瓦機(jī)組，每個(gè)機(jī)組有三臺(tái)凝汽器，每臺(tái)凝汽器有兩個(gè)進(jìn)口和兩個(gè)出口水室。凝汽器由鈦管、銅管板、鋼水室組成。所用冷卻水為海水。由于該凝汽器采用不同金屬材料制造，因而，在海水的作用下會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的電偶腐蝕，明顯加速鋼水室和銅管板的腐蝕，如圖1所示。為了避免和減輕鋼水室和避免鋁青銅管板的腐蝕，延長其有效使用壽命，節(jié)省維修和管理費(fèi)用，對(duì)凝汽器水室進(jìn)行襯膠與陰極保護(hù)。

凝汽器CPS陰極保護(hù)系統(tǒng)是專門為該核電站凝汽器設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。旨在保護(hù)其海水側(cè)的鋁青銅管板，防止由鈦管引起的鋁青銅管板的電偶腐蝕和其自身的電化學(xué)腐蝕，同時(shí)與襯膠聯(lián)合作用有效地減輕鋼水室的腐蝕。

由于凝汽器鋼水室主要通過襯膠防止腐蝕，陰極保護(hù)系統(tǒng)不以其作為主要保護(hù)對(duì)象，主要對(duì)鋁青銅管板起保護(hù)作用。

2000年1月，該核電站的凝汽器水室加裝了CPS陰極保護(hù)系統(tǒng)，解決了管板的腐蝕問題，2005年又對(duì)碳鋼水室實(shí)施襯膠改造，通過以上兩次改造，凝汽器的腐蝕問題應(yīng)該得到完全解決。但由于英國的CPS直流電源采用了非工控機(jī)控制，經(jīng)常過熱故障停機(jī)，使得CPS處于癱瘓狀態(tài)，目前管板的腐蝕難以抑制并有加劇的趨勢(shì)。因此必需對(duì)CPS系統(tǒng)進(jìn)行恢復(fù)與改造。

1 改造內(nèi)容

改造后，凝汽器CPS外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要包括直流電源、陽極、參比電極和電纜。為了實(shí)現(xiàn)精確控制電位，每個(gè)水室采用一套獨(dú)立的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。一個(gè)機(jī)組三臺(tái)凝汽器共有12個(gè)水室，需采用12套外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。作為陰極保護(hù)電源裝置的恒電位儀，向被保護(hù)結(jié)構(gòu)提供陰極保護(hù)直流電流，可自動(dòng)(恒電位)或手動(dòng)(恒電流)投入，具體如圖2所示。隨著水溫、流速變化、運(yùn)行時(shí)間的延長、襯膠破損和老化，這些都會(huì)導(dǎo)致輸出電流的變化，自動(dòng)(恒電位)運(yùn)行可自動(dòng)調(diào)整輸出電流。

圖2 改造后恒電位儀機(jī)柜

2 改造過程

2.1 改造前檢查

凝汽器CPS陰極保護(hù)系統(tǒng)改造之前，主要對(duì)原有的陰極保護(hù)硬件設(shè)備進(jìn)行了檢查，為改造做好準(zhǔn)備工作，同時(shí)需檢測(cè)水室改造前的自腐蝕電位，以對(duì)比改造后的效果。

硬件檢查主要包括輔助陽極、銀/氯化銀參比電極狀況、電纜連接狀況及輔助陽極和參比電極的對(duì)地絕緣效果。該檢查須在大修水室無水，人孔門打開狀況下檢測(cè)。在D113、D114、D214幾次大修中，已對(duì)一、二號(hào)機(jī)水室的輔助陽極、參比電極目視狀況、安裝緊固狀況、電連接性、對(duì)地絕緣性做了檢查，均達(dá)到改造條件要求。

本次改造前重點(diǎn)對(duì)各水室的自腐蝕電位進(jìn)行了檢測(cè)，一、二號(hào)結(jié)果相似，檢測(cè)結(jié)果如表1、表2所示。

表1 一號(hào)機(jī)凝汽器入水口自腐蝕電位值(電位：mV)

表2 一號(hào)機(jī)凝汽器出水口自腐蝕電位值(電位：mV)

一號(hào)機(jī)入口水室改造前自腐蝕電位比出口水室要負(fù)，主要是入口水室下部的碎石過濾器裝有犧牲陽極，在機(jī)組長時(shí)間運(yùn)行下，該處的犧牲陽極會(huì)減緩入口水室管板腐蝕，使水室的電位向負(fù)向偏移。所有水室的參比三電位相對(duì)較正，參比一與參比二相似，此由參比電極和輔助陽極的安裝位置不同導(dǎo)致。參比一和參比二位置對(duì)稱，分布在水室下部，參比三在水室頂部，故而一、二號(hào)參比電位相近。三號(hào)參比較正則是因?yàn)殡x水室下部的犧牲陽極較遠(yuǎn)，受到犧牲陽極的保護(hù)有限。

一號(hào)機(jī)出口水室改造前無犧牲陽極影響，其腐蝕必然相對(duì)入口水室嚴(yán)重。出口水室的三號(hào)參比和一、二號(hào)參比在初始時(shí)電位相近，也主要是整個(gè)水室在無犧牲陽極影響條件下，各部位狀態(tài)較為均勻，腐蝕惡劣程度也幾乎一致。

二號(hào)機(jī)與一號(hào)機(jī)的情況基本一致。

2.2 改造前腐蝕的狀況

腐蝕金屬電極的一般速度方程為公式(1)：

簡(jiǎn)化為公式(2)：

式中：

Ig—電偶電流密度；

IL—氧的極限擴(kuò)散電流密度；

Eg—電偶電位；

Ea—陽極自然腐蝕電位，海水中銅管板取-260mV；

βα—陽極塔菲爾常數(shù)，海水中銅管板取100mV。

腐蝕速率計(jì)算公式(3)：

式中：

v—腐蝕速度，且當(dāng)E=-400mV時(shí)，V0=1mm/a；

M—金屬原子量；

Ig—電偶腐蝕電流；

n—反應(yīng)電子；

F—法拉第常數(shù)。

結(jié)合以上兩個(gè)公式推算得知公式(4)：

按改造前的自腐蝕電位計(jì)算一號(hào)機(jī)理論腐蝕速率如表3所示。

表3 改造前理論腐蝕速率(單位:mm/a)

2.3 極化過程

在完成快速初始極化后，所有水室的負(fù)向偏移均達(dá)到了200mV以上，有效抑制了鎳鋁青銅管板的腐蝕。以一號(hào)機(jī)入口A1水室和出口A1水室為例，極化曲線如圖3、圖4所示。

在完成初始計(jì)劃后，入口水室與出口水室一、二號(hào)參比相對(duì)三號(hào)參比的電位變化差異較大。該差異與輔助陽極和參比電極的位置也有很大關(guān)系。凝汽器入口水室有3只陽極，沿水室中心線均勻布置，每個(gè)水室的輔助陽極并接在恒電位儀的輸出端，陽極的輸出電流大小基本一致，故3只參比的電位變化也幾乎一致。出口水室有5只陽極，其中水室下部?jī)蓚?cè)各1只，水室中心線布置3只，即有3只輔助陽極靠近參比一和參比二。而參比三由于在水室頂部，只有水室中心線最上面的1只陽極對(duì)其影響較大。進(jìn)而導(dǎo)致參比一、參比二電位的負(fù)向偏移較大，參比三的負(fù)向偏移較小。

不難發(fā)現(xiàn)，出口水室的總體電位負(fù)向偏移要大于入口水室，在300mV左右，這與出口水室改造前腐蝕較為嚴(yán)重有一定的關(guān)系，在相同輸出電流的情況下，其腐蝕被抑制的效果必然更為明顯。

圖3 一號(hào)機(jī)入口A1水室調(diào)試電位

3 改造后狀態(tài)

一號(hào)機(jī)入口水室由于受碎石過濾器犧牲陽極影響，其初始電位較負(fù)，腐蝕情況相對(duì)出口水室較弱。且一號(hào)機(jī)采用HWP-30/12-6型恒電位儀，其最大輸出電流可達(dá)30A，在完成初始極化后，一號(hào)機(jī)入口水室的電位基本達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)范圍。故一號(hào)機(jī)水室在調(diào)試結(jié)束后即投入自動(dòng)(恒電位)運(yùn)行，預(yù)置電位設(shè)定為-630mV。7d運(yùn)行參比電位如表4所示。

圖4 一號(hào)機(jī)出口A1水室調(diào)試電位

表4 一號(hào)機(jī)入口水室7d運(yùn)行電位(單位：mV)

由7d參比電位可知，恒電位儀自動(dòng)模式對(duì)電位控制較穩(wěn)定，偏差在±20mV以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

一號(hào)機(jī)出口水室初始電位較正，腐蝕情況相對(duì)入口水室惡劣一些，但最終也達(dá)到了保護(hù)效果。一號(hào)機(jī)出口水室7d的運(yùn)行參數(shù)如表5所示。

表5 一號(hào)機(jī)出口水室7d運(yùn)行電位(單位:mV)

二號(hào)機(jī)情況與一號(hào)機(jī)情況基本一致。

4 結(jié)束語

按改造后第7d運(yùn)行的參比電位計(jì)算理論腐蝕速率如表6所示。

如圖5所示，采用外加電流陰極保護(hù)方法，即對(duì)鎳鋁青銅管板施加陰極電流，使其電位負(fù)移至下方穩(wěn)定區(qū)，則可抑制該腐蝕體系的繼續(xù)發(fā)展，消除了凝汽器管板穿孔損毀的風(fēng)險(xiǎn)。改造后的腐蝕速率降到了原來的20%左右。

表6 改造后理論腐蝕速率(單位：mm/a)

圖5 Cu-H2O系電位-pH圖

綜上所述，凝汽器CPS陰極保護(hù)系統(tǒng)有效抑制了管板的腐蝕，達(dá)到了保護(hù)凝汽器鎳鋁青銅管板的效果。

[1] 范永春. 海水冷卻系統(tǒng)的防污防腐[J]. 熱力發(fā)電, 2007,(3).

[2] 曲政, 龐其偉等. 濱海電廠凝汽器及相連管道的腐蝕與防護(hù)[J].腐蝕與防護(hù), 2005,26,(2).

[3] 曹楚南. 腐蝕電化學(xué)原理[M].化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.

[4] 高穎, 鄔冰. 電化學(xué)原理[M].化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

The Restoration and Alteration of Condenser Cathodic Protection System in Nuclear Power Station

WANG Lei1, LIU Shuang2, HAN Liu-hong2, ZHANG Lei2, JIANG Shuang-you1
(1.LiaoNing HongYanHe Nuclear Power Co., Ltd, Dalian 116319; 2.SuZhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004)

The condenser in Nuclear Power Station consists of various metals. It occurs severe galvanic corrosion in seawater. To prevent corrosion of aluminum bronze tube sheet, the condenser cathodic protection system has been restored and altered. The result was ideal.

nuclear power station; condenser; cathodic protection

TG174.41

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.073.04

王磊 (1980－) ，男，江蘇泗洪人，工程師，主要從事核電站設(shè)備防腐及老化管理。