核電廠凝汽器水室犧牲陽極設計

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)

陰極保護與涂層聯合防腐工藝是防止鋼結構在海水環境中腐蝕的有效措施,陰極保護系統在涂層破損后為鋼結構提供保護電流,覆蓋的涂層則可以降低陰極保護系統的輸出電流,更有利于維持陰極保護系統的穩定。這種防腐工藝已經被廣泛應用,形成了寶貴的行業經驗和設計規范。但在核電廠大型設備的防腐系統中仍有設計失效案例,究其原因是陰極保護系統被視為大型設備的輔助部件時,缺少系統性的陰極保護設計核算過程,或者核算過程忽略輸入參數的校準。以某核電廠為例,凝汽器主要由碳鋼筒體和鈦合金材質換熱管組成,水室內應用襯膠和陰極保護聯合防腐,安裝有8塊Φ250 mm×40 mm圓盤狀鋅合金犧牲陽極 (Zn-Al-Cd)。在第一個運行周期結束后,出現犧牲陽極合金耗盡,陽極加強筋腐蝕脫落的現象。犧牲陽極在凝汽器的單個檢修周期內完全溶解的問題,直接導致其對水室保護性能降低。在失去保護電流的情況下,緊固螺栓和加強筋等裸露金屬因與電連接的鈦換熱管板形成強烈的電偶腐蝕對,導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部襯膠完整性的風險,進而影響凝汽器安全運行。本文從犧牲陽極材料選型、陰極保護設計計算、保護壽命核算及其受力狀態核算等方面,對該凝汽器水室的犧牲陽極陰極保護系統進行優化設計,以確保該陰極保護系統能夠1個大修周期內安全運行。

1 犧牲陽極選型設計

水室設計犧牲陽極是對水室碳鋼結構起防腐保護作用,襯膠完整時,犧牲陽極的發生電流由換熱管和管板吸收,當襯膠出現破損,犧牲陽極為碳鋼提供保護電流,減緩腐蝕速率。因為大部分時間水室襯膠是完整的,水室碳鋼結構不吸收保護電流,即使襯膠出現破損,所需保護電流也遠小于換熱管及管板正常消耗的保護電流,因而犧牲陽極的電容量設計主要考慮其能否滿足換熱管和管板的電流消耗。

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

犧牲陽極發生電流被換熱管及管板消耗,此時鈦材的表面被極化,電位應分布在-0.6 V至-0.75 V區間 (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,此處取驅動電位差ΔE=0.4 V,當實際驅動電位差更小時,實際犧牲陽極輸出電流減小,使用壽命增加;根據犧牲陽極的外形和安裝方式,接水電阻計算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,取0.85,G為每一塊陽極重量,Q為陽極實際電容量2600 A·h/kg,Im為平均發生電流,包括前期極化時發生的較大電流,和后期極化穩定后發生的較少電流,出于保守考慮陽極設計壽命,此處平均發生電流值取其最大發生電流值,即Im=If。

根據系統的運行要求,該電廠凝汽器水室犧牲陽極的服役壽命應大于1.5年運行周期,因為水室內壁預留有8個安裝螺栓,要求所設計的犧牲陽極最低數量應不大于8個,經過表1中的計算,選型為鋁合金Φ320 mm×60 mm平貼式圓盤陽極滿足設計應用條件。

表1 犧牲陽極設計選型計算過程Table 1 The design selection and calculation process f or the sacrificed anode

圖1 犧牲陽極結構Fig.1 The sacrificied anode str ucture

2 力學核算

重新選型的犧牲陽極與原設計相比,增加了陽極體積和質量,在水室內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,進行流動數值計算及應力分析校核。

在應力校核中,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據,分析結果對彈性模量和泊松比不敏感)。參照ASME規范第Ⅲ卷[3]附件Ⅰ圖 Ⅰ-9.1 M“碳鋼、低合金鋼及高強度鋼在金屬溫度不超過370℃時設計疲勞強度”,保守的選取水室殼體Q235-A材料疲勞持久強度取為86 MPa。焊縫材料ER385(904L)為高合金鋼,參照ASME規范第Ⅲ卷[3]附件Ⅰ圖Ⅰ-9.5,其疲勞持久強度遠大于碳鋼材料,此處保守的取焊縫材料的疲勞持久強度也為86 MPa。

2.1 流場沖擊力分析模型

將包括凝汽器進出口水室、傳熱管及全部8個犧牲陽極在內的冷卻水流動區域建立流體力學計算模型,如圖2所示。

圖2 計算模型結構示意圖Fig.2 Sche matic of the co mputational model str ucture

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

圖3 進口水室網格劃分示意圖Fig.3 Schematic of grid division of the inlet water chamber

迭代計算中,湍流模型采用標準k-ε模型,近壁區域采用強化壁面算法處理。壓力與速度耦合采用SI MPLEC算法,壓力、動量、湍動能與湍流擴散率等的空間離散均采用二階迎風格式,以保證計算精度。計算中,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,進而對犧牲陽極的力學特性進行分析與校核。凝汽器進口水室內的犧牲陽極共計8個,考慮到幾何結構及流動入口邊界條件均具有對稱性,因此計算分析過程中僅考察位于入口右半側的犧牲陽極。數值計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 犧牲陽極力學分析模型

依據犧牲陽極的受力特征,建立犧牲陽極的力學分析模型如圖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,建模時設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生的附加彎矩載荷。

圖5 犧牲陽極力學分析模型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 力學核算結果

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 (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力強度 (交變的載荷)僅為8.34 MPa,遠小于水室殼體材料和焊縫材料的疲勞持久強度 (86 MPa)。因正常運行過程造成的循環載荷的數值較低,故不存在疲勞失效的風險。

為進行保守性分析,將重力載荷施加2倍的安全裕量。當重力載荷方向是沿螺栓長度方向的拉伸或者壓縮載荷時,載荷聯合作用下結構的最大應力強度僅為19.91 MPa。

當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,在此重力載荷作用下結構的最大應力強度為10.36 MPa。在線彈性范圍內應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,結構的最大應力強度不超過18.70 MPa。

綜上所述,設計選型的Φ320 mm×60 mm平貼式圓盤陽極未超出預留安裝螺栓的安全載荷范圍。

3 結 論

在凝汽器設計過程中犧牲陽極容易被當做常規輔助部件安裝到主設備上,忽略了陰極保護設計選型與核算,可能降低凝汽器主設備的安全裕度,增加凝汽器運行維修難度。陰極保護系統的設計應與凝汽器主設備的設計工作同期進行,整體開展系統性分析與核算,包括以下內容:1)保護對象及服役工況關聯性分析;2)設計規范參數分析與選取;3)保護面積與保護電流計算;4)犧牲陽極選型、單只陽極使用壽命、陽極數量核算;5)同類設計差異性分析與參數校準;6)流動數值計算及應力分析校核。以本文為例的凝汽器水室犧牲陽極陰極保護設計優化及核算過程,對同類型凝汽器陰極保護設計具有一定的借鑒意義。