核電廠陰極保護(hù)系統(tǒng)故障分析及改造

蔡英良 李偉光 孔全興 楊宏歡

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

核電廠重要廠用水系統(tǒng)（SEC）包含重要廠用水泵、管道、生物捕集器、熱交換器，主要用于在電廠正常運(yùn)行和事故工況下通過(guò)與設(shè)備冷卻水系統(tǒng)（RRI）的熱交換，把與安全有關(guān)的構(gòu)筑物、系統(tǒng)和部件的熱量輸送到最終熱阱（海水）中[1]。SEC管道內(nèi)壁采用重防腐涂料和外加電流陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)，其中陰極保護(hù)系統(tǒng)是對(duì)內(nèi)部涂層防腐的一個(gè)補(bǔ)充，主要保護(hù)管道內(nèi)壁涂層自身存在的微小空隙及涂層失效處。管道內(nèi)壁涂層在受外力或自然老化的情況下出現(xiàn)鼓泡、破損等缺陷時(shí)，若陰極保護(hù)失效，將導(dǎo)致與海水直接接觸的管道碳鋼基體發(fā)生銹蝕甚至出現(xiàn)減薄、穿孔、強(qiáng)度下降等現(xiàn)象。本文分析了某核電廠SEC管道陰極保護(hù)系統(tǒng)故障的原因，并提出改造方案，以便從根本上解決問(wèn)題。

1 SEC管道陰極保護(hù)系統(tǒng)介紹

SEC管道內(nèi)壁采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，用于保護(hù)敷設(shè)在重要廠用水取水管廊（GA）廊道和核島廠房貝類捕集器之前的SEC管道及核島廠房溢流堰之前的相互獨(dú)立的SEC管道內(nèi)壁。陰極保護(hù)管道首尾與碳鋼襯膠管相連；其中，GA廊道內(nèi)的陰極保護(hù)管道首尾端通過(guò)膨脹節(jié)與碳鋼襯膠管相連。

SEC管道陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由電源裝置、參比電極、輔助陽(yáng)極及電纜組成。電源裝置采用高頻開(kāi)關(guān)恒電位儀，恒電位儀采用一用一備的工作方式，保證開(kāi)機(jī)率大于99%；并采用工控機(jī)智能控制，專設(shè)專家軟件系統(tǒng)，充分保證電位處于-1.050～-0.780 V保護(hù)范圍內(nèi)（相對(duì)于銀/氯化銀參比電極）。同時(shí)為了精確控制電位，每條SEC管道采用一套獨(dú)立的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，SEC管道溢流井段由另一個(gè)電柜單獨(dú)控制[2]。

陰極保護(hù)電源裝置往外輸出電流，電流通過(guò)電纜經(jīng)過(guò)輔助陽(yáng)極，再經(jīng)海水進(jìn)入管道內(nèi)壁，使管道內(nèi)壁被陰極極化。其中輔助陽(yáng)極選用混合金屬氧化物鈦，以懸臂式棒狀的結(jié)構(gòu)形式點(diǎn)狀布置在管道上，間隔6m。陽(yáng)極通過(guò)上、下法蘭安裝；在管道上開(kāi)孔，將法蘭焊接在管道上。同時(shí)在管道上安裝多個(gè)銀/氯化銀電極，用于陰極保護(hù)系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)，其安裝方式與輔助陽(yáng)極一致。

2 故障描述

2016～2017年期間，某核電廠多臺(tái)機(jī)組SEC管道陰極保護(hù)系統(tǒng)顯示GA廊道陰極保護(hù)管道首段或尾段欠保護(hù)。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，現(xiàn)場(chǎng)使用多功能萬(wàn)用表檢測(cè)參比電極實(shí)際保護(hù)數(shù)值，與系統(tǒng)顯示數(shù)值一致，且陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備未發(fā)現(xiàn)損壞。對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)控制模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)兩端參比電位調(diào)至保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)會(huì)使中間段電位過(guò)保護(hù)，因此無(wú)法使其達(dá)到合理的正常狀態(tài)。如圖1所示，調(diào)整前（參比電位1）首段或尾段參比電位欠保護(hù)，調(diào)整至保護(hù)范圍內(nèi)后（參比電位2）中間電位過(guò)保護(hù)。

3 原因分析

現(xiàn)場(chǎng)檢查陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備（主要為電源裝置、輔助陽(yáng)極、參比電極）正常，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備本身故障；通過(guò)審查管道結(jié)構(gòu)及陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)該情況的主要原因如下：

圖1 管道參比電位變化示意圖

3.1 絕緣設(shè)置不當(dāng)對(duì)保護(hù)電位的影響

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)通過(guò)向SEC管道提供極化電流而實(shí)現(xiàn)防腐功能；若SEC管道與非保護(hù)設(shè)備之間未能良好絕緣，將使保護(hù)電流流向非保護(hù)設(shè)備，嚴(yán)重影響保護(hù)效果。研究表明，良好的絕緣是外加電流陰極保護(hù)的重要前提條件，沒(méi)有絕緣就沒(méi)有外加電流陰極保護(hù)[3]。設(shè)計(jì)文件中明確要求被保護(hù)管道的端部與不要求陰極保護(hù)的管道連接時(shí)必須進(jìn)行絕緣處理。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)GA廊道內(nèi)SEC管道首端及末端與非陰極保護(hù)管道相連接部位未按設(shè)計(jì)要求采用絕緣法蘭及配件；萬(wàn)用表實(shí)測(cè)被保護(hù)的SEC管道與非保護(hù)管道之間的電阻為5Ω左右。當(dāng)電流通過(guò)陰極保護(hù)管道首端及末端內(nèi)壁時(shí)，因與非陰極保護(hù)管道相連通而導(dǎo)致部分電流分流到其中，導(dǎo)致分配到陰極保護(hù)管道首端及末端的電流不足，無(wú)法達(dá)到管道設(shè)計(jì)保護(hù)電位，致使管道出現(xiàn)欠保護(hù)情況[3]。

3.2 恒電位儀調(diào)節(jié)方式對(duì)保護(hù)電位的影響

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)為恒電位儀自動(dòng)調(diào)節(jié)模式，恒電位儀根據(jù)接入反饋回路的參比電極所提供的測(cè)量電位，自動(dòng)調(diào)整輸出電流以適應(yīng)涂層、溫度和海水流量的變化。GA廊道單列SEC管道陰極保護(hù)系統(tǒng)共設(shè)置11支參比電極，而實(shí)際同時(shí)接入恒電位儀反饋回路的參比電極僅有1支，其余參比電極僅用于測(cè)量管道電位，并未參與調(diào)節(jié)恒電位儀電流輸出。未接入反饋回路的參比電極無(wú)論是處于過(guò)保護(hù)狀態(tài)還是欠保護(hù)狀態(tài)，均不會(huì)觸發(fā)恒電位儀動(dòng)作。

此外，所有輔助陽(yáng)極通過(guò)并聯(lián)方式直接接入恒電位儀正極，恒電位儀只能調(diào)節(jié)總的電流輸出，不能單個(gè)調(diào)節(jié)輔助陽(yáng)極電流輸出，無(wú)法局部調(diào)節(jié)保護(hù)電流的大小。故在管道不同部位所需保護(hù)電流區(qū)別較大時(shí)，無(wú)論恒電位儀如何調(diào)整輸出電流始終無(wú)法使整個(gè)管道處于有效保護(hù)電位范圍內(nèi)。由此可見(jiàn)，恒電位儀自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制的局限性是導(dǎo)致陰極保護(hù)管道首、末段欠保護(hù)且恒電位儀始終無(wú)法使其全部處于設(shè)計(jì)要求保護(hù)電位范圍內(nèi)的重要因素。

3.3 管道首末段涂層破損嚴(yán)重的影響

大多數(shù)涂層能形成不易透水和電解質(zhì)（如鹽）的介電（絕緣）屏障，減緩或抑制電子流動(dòng)，從而降低陽(yáng)極和陰極中的離子移動(dòng)速率。降低離子移動(dòng)速率相當(dāng)于降低腐蝕速率。表面涂覆涂料，固化或干燥后形成一個(gè)能保護(hù)基材的薄層。電阻率高的強(qiáng)黏性涂料甚至可防止微小的腐蝕。涂料性能以結(jié)構(gòu)物與電解質(zhì)有效隔離的百分比來(lái)衡量。對(duì)于涂覆結(jié)構(gòu)，由于僅在涂層中有因損壞、劣化或涂覆不足的空洞（遮蓋不良）區(qū)時(shí)才需要或接收電流，涂覆結(jié)構(gòu)需要的電流量遠(yuǎn)低于裸露結(jié)構(gòu)[4]。

SEC管道內(nèi)壁采用重防腐涂料保護(hù)，隨著系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行，管道內(nèi)壁涂層會(huì)產(chǎn)生減薄、破損情況；當(dāng)管道首、末段涂層破損程度比管道主控參比所在位置涂層嚴(yán)重時(shí)，管道首、末段附近的陽(yáng)極輸出電流可能不足，導(dǎo)致管道內(nèi)壁因保護(hù)電位低于設(shè)計(jì)保護(hù)電位而欠保護(hù)。

4 處理措施

該電廠根據(jù)原因分析對(duì)設(shè)備進(jìn)行了分區(qū)改造調(diào)整。

4.1 改造方案

GA廊道內(nèi)SEC管道采用1臺(tái)恒電位儀，以恒電位運(yùn)行模式根據(jù)1支主控參比的測(cè)量電位控制所有輔助陽(yáng)極的輸出，但管道首端和貝類捕集器末端（管道末端）無(wú)法達(dá)到保護(hù)要求?，F(xiàn)將管道首端和末端輔助陽(yáng)極分離出來(lái)組成一個(gè)新的第二分區(qū)，使用另外一臺(tái)恒電位儀單獨(dú)控制，實(shí)行2臺(tái)恒電位儀共同優(yōu)化控制。

同時(shí)由于管道首、末段工況及涂層完整性差距較大導(dǎo)致所需保護(hù)電流密度存在差異，當(dāng)單獨(dú)以管道首段或末段的參比電極作為主控參比電極時(shí)，平均分配的輸出電流無(wú)法同時(shí)將管道首、末段的保護(hù)電位控制在設(shè)計(jì)保護(hù)范圍內(nèi)。因此在陽(yáng)極上再增加可調(diào)電阻，通過(guò)可調(diào)電阻調(diào)節(jié)單一輸出支路的回路電阻達(dá)到將管道首、末段的輸出電流二次分配的目的。

詳細(xì)處理步驟如下：（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電纜接口大小，制作一個(gè)安裝合適的可調(diào)電阻（可手動(dòng)在阻值0～10Ω范圍內(nèi)調(diào)節(jié)）；（2）將管道首端和貝類捕集器末端的陽(yáng)極電纜斷開(kāi)，中間接入可調(diào)電阻，并由接入分區(qū)一改為接入分區(qū)二主電纜中，安裝接線的方式如圖2所示；（3）根據(jù)CPA系統(tǒng)主屏幕對(duì)應(yīng)參比電位數(shù)值，由小到大地調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的值，直至其穩(wěn)定到正常、合適的范圍內(nèi)。

4.2 實(shí)施驗(yàn)證

該核電廠按照此改造方案對(duì)4號(hào)機(jī)A列SEC陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，改造后通過(guò)調(diào)節(jié)2臺(tái)恒電位儀將數(shù)據(jù)穩(wěn)定在正常范圍內(nèi)，如圖3所示。改造前首、尾段參比電極101/121EW電位高于設(shè)計(jì)電位，同時(shí)中間段參比電極電位接近設(shè)計(jì)電位下限值。改造后首、尾段輔助陽(yáng)極由1臺(tái)恒電位儀單獨(dú)控制，使101/121EW電極不受原恒電位儀控制。從圖3可以看出，改造后各參比電極電位平均分布在設(shè)計(jì)電位范圍內(nèi)。觀察運(yùn)行2個(gè)月后，數(shù)據(jù)仍正常穩(wěn)定，解決了SEC陰極保護(hù)系統(tǒng)造成的欠保護(hù)問(wèn)題；并將此改造方案運(yùn)用于其他機(jī)組中。

圖2 改造安裝示意圖

5 結(jié)論與建議

SEC管道外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用“一用一備”方式提供電流輸出；但隨著系統(tǒng)的運(yùn)行及環(huán)境工況的變化，尤其是SEC保護(hù)管道與非保護(hù)管道絕緣設(shè)置不當(dāng)造成保護(hù)電流的分流時(shí)，只使用1臺(tái)恒電位儀對(duì)SEC管道進(jìn)行輸出已無(wú)法控制陰極保護(hù)管道的保護(hù)電位，無(wú)法使其全部在保護(hù)范圍內(nèi)。本改造方案通過(guò)增加恒電位儀及增加串聯(lián)電阻來(lái)控制電極輸出電流，使管道整體電位趨于平衡，有效解決了SEC管道首尾兩端保護(hù)電位不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，確保外加電流保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行與功能實(shí)現(xiàn)。

圖3 改造前后參比電位變化示意圖

同時(shí)，基于本次改造，也針對(duì)核電廠加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化以及后續(xù)新建機(jī)組陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出如下建議：

（1）改善SEC 管道與非保護(hù)設(shè)備的絕緣；

（2）改進(jìn)恒電位儀自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，多參比電極同時(shí)接入反饋回路，使其能局部調(diào)節(jié)輔助陽(yáng)極電流輸出；

（3）必要時(shí)，根據(jù)SEC管道環(huán)境、工況的不同，使用多臺(tái)恒電位儀共同控制。