核電廠凝汽器水室犧牲陽極設(shè)計(jì)

梁耀升,駱云龍,董洪全,秦鐵男,陳明亞,劉寅立

(1.蘇州熱工研究院有限公司,江蘇 蘇州 215000;2.陽江核電有限公司,廣東 陽江 529941)

陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合防腐工藝是防止鋼結(jié)構(gòu)在海水環(huán)境中腐蝕的有效措施,陰極保護(hù)系統(tǒng)在涂層破損后為鋼結(jié)構(gòu)提供保護(hù)電流,覆蓋的涂層則可以降低陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出電流,更有利于維持陰極保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定。這種防腐工藝已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,形成了寶貴的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范。但在核電廠大型設(shè)備的防腐系統(tǒng)中仍有設(shè)計(jì)失效案例,究其原因是陰極保護(hù)系統(tǒng)被視為大型設(shè)備的輔助部件時(shí),缺少系統(tǒng)性的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)核算過程,或者核算過程忽略輸入?yún)?shù)的校準(zhǔn)。以某核電廠為例,凝汽器主要由碳鋼筒體和鈦合金材質(zhì)換熱管組成,水室內(nèi)應(yīng)用襯膠和陰極保護(hù)聯(lián)合防腐,安裝有8塊Φ250 mm×40 mm圓盤狀鋅合金犧牲陽極 (Zn-Al-Cd)。在第一個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束后,出現(xiàn)犧牲陽極合金耗盡,陽極加強(qiáng)筋腐蝕脫落的現(xiàn)象。犧牲陽極在凝汽器的單個(gè)檢修周期內(nèi)完全溶解的問題,直接導(dǎo)致其對水室保護(hù)性能降低。在失去保護(hù)電流的情況下,緊固螺栓和加強(qiáng)筋等裸露金屬因與電連接的鈦換熱管板形成強(qiáng)烈的電偶腐蝕對,導(dǎo)致其腐蝕速度大大增加,存在腐蝕掉落而破壞凝汽器換熱管及水室內(nèi)部襯膠完整性的風(fēng)險(xiǎn),進(jìn)而影響凝汽器安全運(yùn)行。本文從犧牲陽極材料選型、陰極保護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算、保護(hù)壽命核算及其受力狀態(tài)核算等方面,對該凝汽器水室的犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以確保該陰極保護(hù)系統(tǒng)能夠1個(gè)大修周期內(nèi)安全運(yùn)行。

1 犧牲陽極選型設(shè)計(jì)

水室設(shè)計(jì)犧牲陽極是對水室碳鋼結(jié)構(gòu)起防腐保護(hù)作用,襯膠完整時(shí),犧牲陽極的發(fā)生電流由換熱管和管板吸收,當(dāng)襯膠出現(xiàn)破損,犧牲陽極為碳鋼提供保護(hù)電流,減緩腐蝕速率。因?yàn)榇蟛糠謺r(shí)間水室襯膠是完整的,水室碳鋼結(jié)構(gòu)不吸收保護(hù)電流,即使襯膠出現(xiàn)破損,所需保護(hù)電流也遠(yuǎn)小于換熱管及管板正常消耗的保護(hù)電流,因而犧牲陽極的電容量設(shè)計(jì)主要考慮其能否滿足換熱管和管板的電流消耗。

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16166-2013《濱海電廠海水冷卻水系統(tǒng)犧牲陽極陰極保護(hù)》[1];計(jì)算保護(hù)面積、保護(hù)電流、犧牲陽極使用壽命。水室換熱管板寬W=4.28 m,高H=5.16 m,換熱管內(nèi)徑D=24.282 mm,單個(gè)水室換熱管數(shù)量n=12245根。保護(hù)面積計(jì)算采用了12倍管內(nèi)徑深度的圓周面積計(jì)算方法,算得管束保護(hù)內(nèi)表面積S1=12nπD2=272.04 m2;管板保護(hù)表面積S2=WH-nπD2/4=16.42 m2;總保護(hù)面積為S=S1+S2=288.46 m2。保護(hù)電流密度J選擇標(biāo)準(zhǔn)推薦值J=50 mA/m2,總保護(hù)電流I=S×J=14.42 A。結(jié)合海水電阻率ρ=25Ω·c m,材質(zhì)選用材料密度低、理論電容量高的鋁-鋅-銦-鎂-鈦高效鋁合金犧牲陽極。

犧牲陽極發(fā)生電流被換熱管及管板消耗,此時(shí)鈦材的表面被極化,電位應(yīng)分布在-0.6 V至-0.75 V區(qū)間 (相對銀/氯化銀參比電極,下同),鋁合金犧牲陽極的工作電位是-1.10～-1.03 V,此處取驅(qū)動電位差ΔE=0.4 V,當(dāng)實(shí)際驅(qū)動電位差更小時(shí),實(shí)際犧牲陽極輸出電流減小,使用壽命增加;根據(jù)犧牲陽極的外形和安裝方式,接水電阻計(jì)算R=Kρ/A1/2,其中K=0.315[2],A為犧牲陽極接水面積;犧牲陽極發(fā)生電流If=ΔE/R;犧牲陽極使用壽命t=p GQ/(8760Im),其中p為陽極利用系數(shù),取0.85,G為每一塊陽極重量,Q為陽極實(shí)際電容量2600 A·h/kg,Im為平均發(fā)生電流,包括前期極化時(shí)發(fā)生的較大電流,和后期極化穩(wěn)定后發(fā)生的較少電流,出于保守考慮陽極設(shè)計(jì)壽命,此處平均發(fā)生電流值取其最大發(fā)生電流值,即Im=If。

根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行要求,該電廠凝汽器水室犧牲陽極的服役壽命應(yīng)大于1.5年運(yùn)行周期,因?yàn)樗覂?nèi)壁預(yù)留有8個(gè)安裝螺栓,要求所設(shè)計(jì)的犧牲陽極最低數(shù)量應(yīng)不大于8個(gè),經(jīng)過表1中的計(jì)算,選型為鋁合金Φ320 mm×60 mm平貼式圓盤陽極滿足設(shè)計(jì)應(yīng)用條件。

表1 犧牲陽極設(shè)計(jì)選型計(jì)算過程Table 1 The design selection and calculation process f or the sacrificed anode

圖1 犧牲陽極結(jié)構(gòu)Fig.1 The sacrificied anode str ucture

2 力學(xué)核算

重新選型的犧牲陽極與原設(shè)計(jì)相比,增加了陽極體積和質(zhì)量,在水室內(nèi)受到更大的流體沖擊能量,對焊接在水室筒體上的安裝螺栓產(chǎn)生不確定影響。為了確保依舊滿足原有固定螺栓的受力承載范圍,進(jìn)行流動數(shù)值計(jì)算及應(yīng)力分析校核。

在應(yīng)力校核中,初步選取材料的彈性模量取為200 GPa,泊松比取為0.3(為常用材料的性能數(shù)據(jù),分析結(jié)果對彈性模量和泊松比不敏感)。參照ASME規(guī)范第Ⅲ卷[3]附件Ⅰ圖 Ⅰ-9.1 M“碳鋼、低合金鋼及高強(qiáng)度鋼在金屬溫度不超過370℃時(shí)設(shè)計(jì)疲勞強(qiáng)度”,保守的選取水室殼體Q235-A材料疲勞持久強(qiáng)度取為86 MPa。焊縫材料ER385(904L)為高合金鋼,參照ASME規(guī)范第Ⅲ卷[3]附件Ⅰ圖Ⅰ-9.5,其疲勞持久強(qiáng)度遠(yuǎn)大于碳鋼材料,此處保守的取焊縫材料的疲勞持久強(qiáng)度也為86 MPa。

2.1 流場沖擊力分析模型

將包括凝汽器進(jìn)出口水室、傳熱管及全部8個(gè)犧牲陽極在內(nèi)的冷卻水流動區(qū)域建立流體力學(xué)計(jì)算模型,如圖2所示。

圖2 計(jì)算模型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sche matic of the co mputational model str ucture

使用ICEM CFD對模擬對象按計(jì)算要求分區(qū)域劃分網(wǎng)格,并對進(jìn)口水室及犧牲陽極所在安裝位置附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密 (如圖3所示),以滿足對于該區(qū)域精細(xì)計(jì)算分析的要求。

圖3 進(jìn)口水室網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic of grid division of the inlet water chamber

迭代計(jì)算中,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,近壁區(qū)域采用強(qiáng)化壁面算法處理。壓力與速度耦合采用SI MPLEC算法,壓力、動量、湍動能與湍流擴(kuò)散率等的空間離散均采用二階迎風(fēng)格式,以保證計(jì)算精度。計(jì)算中,通過考察流體對各犧牲陽極受力面平均壓力及對焊縫位置根部的彎矩,進(jìn)而對犧牲陽極的力學(xué)特性進(jìn)行分析與校核。凝汽器進(jìn)口水室內(nèi)的犧牲陽極共計(jì)8個(gè),考慮到幾何結(jié)構(gòu)及流動入口邊界條件均具有對稱性,因此計(jì)算分析過程中僅考察位于入口右半側(cè)的犧牲陽極。數(shù)值計(jì)算得到的速度云圖如圖4所示。

圖4 凝汽器水室及傳熱管內(nèi)不同截面速度云圖 (單位:m/s)Fig.4 The velocity clouds of different cross-sections in the condenser water chamber and heat transfer tube(m/s)

2.2 犧牲陽極力學(xué)分析模型

依據(jù)犧牲陽極的受力特征,建立犧牲陽極的力學(xué)分析模型如圖5所示。犧牲陽極通過螺栓(M 20,長度為80 mm)焊接在容器壁面上。固定犧牲陽極的螺栓底部通過角焊縫與容器焊接在一起,角焊縫單邊長為3 mm。分析中保守的假設(shè)角焊縫底部受固定約束。犧牲陽極螺桿上部受水流的沖擊載荷 (圖5中X方向)。為簡化模型的載荷條件,實(shí)際分析中在螺桿頂部施加集中的水流橫向沖擊載荷和等效的彎矩載荷。為使簡化模型中流體沖擊等效的彎矩載荷為零,建模時(shí)設(shè)定螺桿與螺栓頭部的高度之和H為 (力臂長度與水流橫向沖擊載荷的乘積等于流體沖擊形成的彎矩載荷):H=Mmax/Fmax,式中:Fmax為最大水流沖擊載荷;Mmax為水流沖擊形成的最大彎矩。

為了考慮犧牲陽極重量和位置的影響,分析中定義2個(gè)重力施加方向:1)沿螺栓軸向拉伸或壓縮載荷,此載荷作用下,重力載荷不產(chǎn)生附加的彎矩載荷;2)垂直于螺桿軸向的橫向載荷,此載荷作用下,需要考慮重力載荷產(chǎn)生的附加彎矩載荷。

圖5 犧牲陽極力學(xué)分析模型Fig.5 The mechanical analysis model of the sacrificed anode

犧牲陽極分析的有限元模型如圖6所示。分析中設(shè)定的邊界條件 (如圖6所示)為:1)犧牲陽極角焊縫底部受固定約束載荷;2)螺桿頂部受到流體的橫向沖擊載荷;3)重力載荷。

圖6 犧牲陽極力學(xué)分析有限元模型Fig.6 The finite ele ment model for mechanical analysis of the sacrificed anode

2.3 力學(xué)核算結(jié)果

凝汽器水室犧牲陽極所受最大作用力為305.56 N,對根部固定點(diǎn) (角焊縫)的彎矩為30.02 N·m。分析中為考慮工況的波動,將流體最大沖擊載荷305.56 N施加2倍的安全裕量。在最大的流體沖擊載荷作用下,犧牲陽極底部固定角焊縫處的最大應(yīng)力強(qiáng)度 (交變的載荷)僅為8.34 MPa,遠(yuǎn)小于水室殼體材料和焊縫材料的疲勞持久強(qiáng)度 (86 MPa)。因正常運(yùn)行過程造成的循環(huán)載荷的數(shù)值較低,故不存在疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)。

為進(jìn)行保守性分析,將重力載荷施加2倍的安全裕量。當(dāng)重力載荷方向是沿螺栓長度方向的拉伸或者壓縮載荷時(shí),載荷聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強(qiáng)度僅為19.91 MPa。

當(dāng)重力載荷作為垂直于水流方向和螺桿長度方向的橫向載荷時(shí),在此重力載荷作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強(qiáng)度為10.36 MPa。在線彈性范圍內(nèi)應(yīng)力符合線性疊加原則,即在橫向水流沖擊載荷和犧牲陽極重力載荷共同作用下,結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力強(qiáng)度不超過18.70 MPa。

綜上所述,設(shè)計(jì)選型的Φ320 mm×60 mm平貼式圓盤陽極未超出預(yù)留安裝螺栓的安全載荷范圍。

3 結(jié) 論

在凝汽器設(shè)計(jì)過程中犧牲陽極容易被當(dāng)做常規(guī)輔助部件安裝到主設(shè)備上,忽略了陰極保護(hù)設(shè)計(jì)選型與核算,可能降低凝汽器主設(shè)備的安全裕度,增加凝汽器運(yùn)行維修難度。陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)與凝汽器主設(shè)備的設(shè)計(jì)工作同期進(jìn)行,整體開展系統(tǒng)性分析與核算,包括以下內(nèi)容:1)保護(hù)對象及服役工況關(guān)聯(lián)性分析;2)設(shè)計(jì)規(guī)范參數(shù)分析與選取;3)保護(hù)面積與保護(hù)電流計(jì)算;4)犧牲陽極選型、單只陽極使用壽命、陽極數(shù)量核算;5)同類設(shè)計(jì)差異性分析與參數(shù)校準(zhǔn);6)流動數(shù)值計(jì)算及應(yīng)力分析校核。以本文為例的凝汽器水室犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化及核算過程,對同類型凝汽器陰極保護(hù)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。