核電站大修期間陰極保護系統(tǒng)故障分析與維護策略

楊樹凱,尤 濤,林 斌,秦鐵男

(蘇州熱工研究院有限公司，蘇州 215004)

隨著經濟的發(fā)展，能源需求日趨增長，核能已成為國家能源和電力發(fā)展必不可少的一部分，截至2018年底，核能約占我國累計發(fā)電量的4.2%[1-4]。我國核電站大部分分布于沿海地區(qū)，采用海水作為電站機組的冷卻水。海水作為一種天然的強電解質溶液，含有較多氯離子，腐蝕性強[5]，會對核電站中與海水相關的設備、管道造成較大的腐蝕風險，影響核電站系統(tǒng)的正常運行。陰極保護技術是較為成熟的腐蝕控制方法，已在國內核電站廣泛運用[6-7]。

在國內核電站中，陰極保護系統(tǒng)主要保護與冷源相關的海水系統(tǒng)，如：循環(huán)水過濾系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、重要廠用水系統(tǒng)等，涉及的設備或部件有鼓型濾網(wǎng)、格柵、閘門、導軌、管道、凝汽器水室等，因此陰極保護系統(tǒng)的正常運行直接影響冷源及核電站安全。陰極保護系統(tǒng)預防性檢查和維修通常在核電站換料大修期間進行。檢修中發(fā)現(xiàn)的故障缺陷如犧牲陽極消耗異常、參比電極破損、陽極電纜斷線等也僅能在大修期間維修，因此在大修期間對陰極保護設備維護至關重要[8-9]。

本工作對核電站數(shù)次大修期間發(fā)現(xiàn)的典型故障缺陷進行梳理與分析，并結合核電站預防性維修管理大綱與運維程序，提出了大修期間陰極保護系統(tǒng)的維護策略，為核電站大修期間陰極保護系統(tǒng)的保護工作提供經驗與參考，保護設備不發(fā)生腐蝕，減少停機時間，降低維修率，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

1 核電站陰極保護系統(tǒng)分類

陰極保護是電化學防腐蝕方法之一：當金屬達到平衡電位后，再施加陰極電流，金屬的電極電位從平衡電位向負方向偏移，使金屬進入鈍化區(qū)，實現(xiàn)腐蝕防護[10]。核電站陰極保護系統(tǒng)主要分為犧牲陽極保護法與外加電流保護法兩種。根據(jù)被保護設備表面覆層狀況、海水環(huán)境狀況、是否有合適電源、經濟性等，決定所采用的具體措施。

1.1 犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)

犧牲陽極保護法是指采用一種比被保護金屬電位更負的金屬或者合金與被保護金屬連接，兩種金屬在電解液中形成電偶對，陽極比較活潑因而優(yōu)先溶解，釋放出的電流使被保護金屬發(fā)生陰極極化，達到保護效果[10]。采用犧牲陽極系統(tǒng)的核電站設備，其主要材料為不銹鋼與碳鋼，電解液均為海水，因此常選擇鐵基、鋁基、鋅基作為陽極材料。核電站常用的犧牲陽極見表1。

表1 核電站常用的犧牲陽極系統(tǒng)Tab. 1 Common sacrificial anode system of nuclear power plant

1.2 外加電流陰極保護系統(tǒng)

外加電流保護法是指通過恒電位儀等外部直流設備向被保護金屬施加陰極電流，使之陰極極化，達到陰極保護效果。外加電流系統(tǒng)主要由電源裝置、輔助陽極、參比電極、電纜等附屬設備組成[10]。核電站常用的外加電流系統(tǒng)見表2。

表2 核電廠常用外加電流系統(tǒng)Tab. 2 Common impressed current system of nuclear power plant

2 典型故障分析

2.1 犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)

犧牲陽極的故障主要發(fā)生在凝汽器系統(tǒng)，包括陽極消耗過快不能滿足設計保護時間要求、陽極不消耗或者消耗不均勻、陽極脫落、陽極消耗后骨架脫落造成異物等，如圖1～4所示。

圖1 犧牲陽極消耗后骨架斷裂Fig. 1 Fracture of sacrificial anode skeleton after consumption

圖2 犧牲陽極消耗不均勻Fig. 2 Uneven consumption of sacrificial anode

圖3 犧牲陽極不消耗Fig. 3 No consumption of sacrificial anode

圖4 犧牲陽極全部消耗Fig. 4 Full consumption of sacrificial anode

凝汽器系統(tǒng)水室材料為碳鋼，內襯材料為橡膠，水室為凝汽器水側進出口，是凝汽器海水的通道，設計犧牲陽極是為了避免襯膠破損導致基體腐蝕。由于水室與換熱鈦管臨近，犧牲陽極設計時需充分考慮其對鈦管的影響。不同核電站水室內犧牲陽極的結構有所差別，主要為圓餅狀與條狀，采用螺栓將犧牲陽極與本體連接。產生上述故障的主要原因有以下幾種：選擇鋁合金作為犧牲陽極材料且陽極設計尺寸不滿足消耗，導致犧牲陽極壽命不足一個大修周期；犧牲陽極骨架結構設計與焊接質量問題導致犧牲陽極消耗后骨架在根部發(fā)生斷裂；犧牲陽極成分不均勻導致消耗不均，出現(xiàn)整體脫落的問題；犧牲陽極安裝后電連接性不合格導致犧牲陽極不消耗失去保護作用。

2.2 外加電流陰極保護系統(tǒng)

在大修期間會停機對外加電流陰極保護系統(tǒng)進行預防性檢修，包括對電源機柜、電纜、陽極、電極等進行全方位檢查。主要故障包括：參比電極及輔助陽極表面污染與破損、陰極回流電纜斷裂、管道陽極接線盒滲水、陽極法蘭面腐蝕、恒電位儀停機期間顯示板饋電等，如圖5～8所示。

圖5 參比電極表面污染Fig. 5 Surface contamination of reference electrode

圖6 輔助陽極表面污染Fig. 6 Surface contamination of auxiliary anode

圖7 陰極回流電纜斷裂Fig. 7 Fracture of cathode return cable

圖8 管道參比電極滲水Fig. 8 Seepage of reference electrode in pipeline

核電站外加電流陰極保護系統(tǒng)發(fā)生故障主要有以下原因：

(1) 系統(tǒng)設計問題，例如：SEC管道末端陽極電纜浸泡在海水中，但陽極電纜與接頭未進行密封，陽極電纜長期浸泡導致其接頭腐蝕斷裂；SEC管道節(jié)流孔板下游輔助陽極未考慮水流沖擊影響，設計強度不足導致陽極斷裂。

(2) 工程施工期間安裝質量不合格，例如：參比電極安裝不到位，導致接線盒內部滲水；防水密封安裝不合格，導致電纜接頭內部腐蝕斷裂；安裝過程未固定電纜卡箍或卡箍腐蝕脫落，導致電纜松動被其他設備或外力因素扯斷等。

(3) 運行期間電極與陽極被海生物附著或污損，運行期間海水中添加了次氯酸鈉以消殺海生物，但是在潮差區(qū)、護管等位置的電極和陽極均有不同程度海生物附著和污損，嚴重時則有部分參比電極破損，在大修期間需進行清理和更換。

(4) 長期浸泡在海水中及吊裝受力等原因導致電纜接頭或電纜本體破損，恒電位儀在大修期間會停機，停機過程也可能造成顯示板電池饋電等。

3 維護策略

3.1 預防性管理

根據(jù)核電站設備管理大綱進行預防性管理，犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)采用機械設備預防性維修管理大綱，外加電流陰極保護系統(tǒng)采用電氣管理大綱或防腐管理大綱。在預防維修管理大綱基礎上編制相應程序或規(guī)程指導大綱執(zhí)行。

由于犧牲陽極均布置在設備內部或海水內，日常運行時均無法檢查，因此犧牲陽極預防性檢查與處理僅能在換料大修期間進行。參考國標GB/T 16166-2013《濱海電廠海水冷卻水系統(tǒng)犧牲陽極陰極保護》以及運維手冊要求對犧牲陽極進行檢查，主要包括但不限于以下幾點：(1) 檢查陽極表面狀態(tài)和溶解情況，清除陽極表面腐蝕產物；(2) 檢查剩余陽極大小，對不滿足運維要求(剩余陽極量不能滿足下一個運行周期、陽極鐵芯明顯外露，短期內會造成陽極脫落[11])的陽極進行更換；(3) 檢查電連接性，更換后的陽極需通過萬用表進行電連接檢查，連接性接觸電阻應不大于0.01 Ω。

在大修期間，外加電流陰極保護系統(tǒng)的電源裝置需停機，并對電源裝置及附屬設備進行整體檢查。檢查工作主要包括：(1) 對電源控制柜內部，進線三相電纜、陽極電纜等進行絕緣性檢查，要求絕緣電阻不低于1 MΩ，檢查內部接線端子、恒電位，清理機柜內部等；(2) 檢查接線盒內部、電纜接頭及電纜是否正常；(3) 檢查輔助陽極、參比電極、護管是否正常；(4) 檢查軸接地裝置的接觸電阻是否滿足要求。

在對犧牲陽極和外加電流陰極保護系統(tǒng)本身進行預防性檢查的同時，還需要對被保護設備、管道、部件等進行檢查，重點檢查其腐蝕狀況。根據(jù)腐蝕狀況全面評估陰極保護系統(tǒng)保護效果。

3.2 糾正性維修

糾正性維修是指在大修期間對陰極保護系統(tǒng)存在的缺陷進行維修，確保系統(tǒng)可用。受制于工期、計劃、人力等因素，大修期間陰極保護系統(tǒng)的糾正性維修尤為重要，主要內容包括預防性檢查發(fā)現(xiàn)的缺陷和日常運行期間無法處理的缺陷，如表3所示。

表3 大修期間陰極保護系統(tǒng)的糾正性維修Tab. 3 Corrective maintenance of cathodic protection system during overhaul

大修期間預防性與糾正性工作時間比較緊張，需提前對人、機、料、法、環(huán)等各環(huán)節(jié)進行準備，提前預測預防性檢查工作可能存在的問題，做好維修預案和備件準備，確保在大修期間完成各項檢查與維修工作。同時陰極保護系統(tǒng)主要涉及管道及容器內部，作業(yè)風險較高，應做好高風險管控措施并在實施期間逐項落實，使得檢修工作安全開展。

大修結束后，系統(tǒng)在斷電后需完成調試工作，注意應在設備進水后第一時間開始調試工作，嚴格按照運維手冊要求執(zhí)行，并逐一確認缺陷是否恢復，確保系統(tǒng)正常運行。

4 結論與建議

濱海核電站陰極保護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是避免被保護設備發(fā)生腐蝕的關鍵，也是維護冷源與核安全的有力保障，因此大修期間陰極保護系統(tǒng)的檢查維護工作尤為重要。

針對大修期間陰極保護系統(tǒng)的典型故障應重點關注以下問題并予以解決：(1) 犧牲陽極消耗過快或者不消耗、更換之后驗證電連接性；(2) 外加電流系統(tǒng)水下部分電纜及防水接頭損壞，參比電極與輔助陽極故障,軸接地電連接及回路絕緣不滿足要求；(3) 大修期間長時間停機導致恒電位儀顯示板電池饋電與環(huán)境控制。

大修期間陰極保護系統(tǒng)的維護策略建議：

(1) 應根據(jù)系統(tǒng)特點與運維手冊要求編制預防性管理大綱與檢查程序，大修期間預防性管理應嚴格按照程序檢查與記錄，對預防性檢查缺陷及時處理，并根據(jù)檢查情況對大綱及程序進行適應優(yōu)化，確保大綱的有效性和可執(zhí)行性。

(2) 陰極保護系統(tǒng)應按照程序進行日常的運行和維護工作，針對僅能在大修期間處理的缺陷和其他糾正性維修需提前制定預案，確保在大修期間順利完成檢修。

(3) 陰極保護系統(tǒng)的問題涉及電氣、機械等專業(yè)，針對具體問題應及時分析與處理，提高大修期間缺陷處理效率，并形成經驗反饋，避免問題重發(fā)，保障系統(tǒng)有效運行時間。