核电站海水管道阴极保护状态下的腐蚀监测

(中国广东核电集团苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

核电站海水管道阴极保护状态下的腐蚀监测

张 磊 林 斌 高玉柱 刘 爽 林泽泉 韩留红

(中国广东核电集团苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004)

海水腐蚀引起管道设备失效已成为核电站海水系统的主要问题，管道腐蚀状态的判定及腐蚀速率的实时监测数据为核电站海水系统管道的安全、有效运营提供重要评判依据。本文介绍了一种基于电化学方法的核电站管道多功能腐蚀传感器，主要包括管道的腐蚀状态、腐蚀速率及管道保护度的腐蚀监检测装置、原理和实施方法。

核电站 海水 管道腐蚀 传感器

0 引言

滨海核电站通常使用海水作为核岛和常规岛的最终冷源，将各种设备和构筑物产生的热量最终带入大海。但是由于海水的盐分及氯离子含量高，导致海水的腐蚀性很强。海水中的氯离子及空气中的氯离子一直都在侵蚀着各类管道，其腐蚀问题给管道输送带来了极大的安全隐患，但是从我国已经运行的核电站来看，管道的腐蚀管理基本是通过防腐工作人员在大、小修期间对管道进行目视巡检、问题记录等，属现场表观检查法[1,2]。人工巡检能够准确地发现宏观腐蚀现象，但肉眼所观察到的腐蚀现象已属严重腐蚀，甚至有的腐蚀是等到管道穿孔漏液才能被发现。因此，管道的腐蚀状态及腐蚀速度的在线监检测是势在必行，该技术通过监测腐蚀状态及腐蚀速度预测评估管道寿命，并从电化学防腐角度提出适用的防腐措施，进而减少由于管道腐蚀造成机组停机等经济损失。

目前，对于管道腐蚀状态的监测方法主要包括物理方法与电化学方法。物理方法主要通过测定锈蚀引起材料的电阻、电磁、热传导、声波传播等物理性质的变化来反映情况。主要包括：电阻法、涡流法、射线法、红外热像法、声发射法、超声波、冲击-回声法和磁场等[3,4]。由于管道腐蚀的本质是电化学过程，所以电化学方法除了可以探测管道腐蚀的位置、程度、以及速率之外，也有可能得到反映腐蚀过程机理的信息，特别适合用于腐蚀状态的评价。近年来电化学方法日益受到重视，已经成为金属腐蚀的无损检测的常规手段，主要包括：电位、电化学阻抗谱(交流阻抗谱)、极化电阻、恒电量法、电化学噪声、谐波法等[5-8]。但是，管道腐蚀的现场检测方式较为单一，主要都是采用电位监测技术，然而，由于管道周围的环境状况较为复杂，采用单一的检测技术并不能真实的体现管道的腐蚀状态。

本文将介绍一种监测输水管道内壁腐蚀的多功能监测探头，采用腐蚀状态测试、电化学阻抗谱(交流阻抗谱)、极化电阻、恒电量法、电化学噪声等多种不同电化学测试技术，监测管道的腐蚀状态，此外，当管道施加外加电流阴极保护方法时，可监测管道的自腐蚀电位及阴极保护保护度。同时从多个角度对输水管道腐蚀与防护设计体系进行分析，其中包括腐蚀原因分析，腐蚀防护设计，在线监检测系统的设计，并针对输水管道腐蚀与防护设计体系给出适用的建议。

图1 多功能腐蚀传感器外形结构

1 多功能腐蚀传感器

输水管道内壁腐蚀多功能监测传感器作为一种监测管道腐蚀状态的新型技术，不仅可监测通电状况下管道的腐蚀特性，还可检测自然状态下的腐蚀特性，可获得阴极保护状态下的保护度；同时通过不同腐蚀检测技术的电化学阻抗谱(交流阻抗谱)、极化电阻、电化学噪声等，可以监测管道的自然腐蚀状态及腐蚀速率。

1.1 多功能腐蚀传感器外形结构

图1为多功能腐蚀传感器的外形结构图，主要包括高纯锌参比电极1支、研究电极2支，辅助电极1支。

1.2 电化学腐蚀与防护机理

1.2.1 管道腐蚀因素

管道在腐蚀性水介质中的腐蚀是由于其组织成分的不稳定性和电化学不均匀性造成的。从外观看，金属的材质是均一的，但是，当它浸入海水中，用于金属材料本身组织结构及表面物理状态的不均匀性，在金属表面形成许多宏观或微观的阳极区和阴极区，阴极和阳极之间通过海水产生微电流，电子从阳极区向阴极区移动，阳极区部分金属失去电子成为离子，溶解于海水中，使得阳极区金属受到腐蚀。对于整个管道来讲，这些微电流迭加起来可能达到相当大的数值。

1.2.2 管道腐蚀与防护

管道为延长使用寿命，一般采用防腐涂料、阴极保护或两者联合防护措施对腐蚀状况进行控制。

阴极保护是对于被保护金属结构施加阴极保护电流，使之阴极极化，从而消除电化学腐蚀的一种方法。在海水中金属的腐蚀是由电化学反应引起的，如能阻止这一电化学反应，即可抑制金属的电化学腐蚀。当对金属进行阴极极化时，通过金属表面的电子，大部分优先流到阳极区，从而降低其电位，使之阴极极化，随着电流的增大，金属表面阴极区的负极化也增大，当极化到阴极区和阳极区的电位差为零时，腐蚀电流消失，从而抑制了腐蚀过程，达到了保护的目的。

阴极保护是防止以上腐蚀的最有效措施，通过施加阴极保护电流，使上述金属结构件的电位极化50mV～250mV时，金属材料在海水中就会停止腐蚀。

1.3 电化学腐蚀监测技术

海水管道内壁腐蚀多功能监测探头作为一种监测管道腐蚀状况的新型技术，采用多种不同检测技术，腐蚀状态测试、电化学阻抗谱(交流阻抗谱)、极化电阻、恒电量法、电化学噪声等，监测管道的腐蚀状态及阴极保护度测试。

1.3.1 腐蚀状态测试

金属或合金的腐蚀电位与他们的腐蚀状态之间存在对应关系。通过检测参比电极与工作电极之间的电位差，可获得未施加阴极保护工作电极的自然腐蚀电位及施加阴极保护工作电极保护电位。由电位-pH图可获得电位检测结果所对应的材料的腐蚀状态。

1.3.2 保护度测试

(1)线性极化法测量自然腐蚀电流

采用三电极体系(参比电极、辅助电极与工作电极)，在工作电极的腐蚀电位附近进行极化，利用腐蚀电流与极化曲线在腐蚀电位附近的斜率成反比的关系求腐蚀速率。线性极化技术对腐蚀情况变化的响应快，可以快速灵敏地实时测定金属的瞬时全面腐蚀速度，也可以及时连续地跟踪设备腐蚀速度及变化。此外，还可以根据在相同的阴阳极极化条件下的响应电流的不对称性，来提供设备发生孔蚀或其它局部腐蚀的信息。

(2)电化学阻抗谱法测量阴极保护状态下的腐蚀电流

用理想元件(如电阻和电容等)来表示体系的法拉第过程、空间电荷以及电子和离子的传导过程，说明非均态物质的微观性质分布。对处于稳态的电化学三电极体系施加一个无限小的正弦波扰动，可获得施加阴极保护的工作电极的腐蚀电流。

(3)保护度

保护度由①、②测得的数据按照公式(1)计算：

式中：

η— 保护度；

icorr— 自然腐蚀电流；

icp— 阴极保护状态下的腐蚀电流。

1.3.3 涂层状况测试

涂层随管道运行时间的延长，会表现出老化和破损的趋势，与系统电化学参数密切相关，电化学阻抗谱能够通过直观的谱图，准确诊断涂层的各种变化状态。

1.4 多功能腐蚀传感器在核电站的应用

目前，该多功能传感器已经成功应用于核电站重要厂用水SEC管道。SEC管道正常采用涂料结合外加电流阴极保护双重防护技术，多功能传感器不仅能够监测管道的腐蚀状态与腐蚀速率，还可以监测在施加外加电流阴极保护技术的条件下，测试管道的保护度。作为一个独立的监测体系，多功能传感器同时监测了管道及阴极保护系统的运行状况。

2 结语

海水管道的在线监检测具有重要意义，与人工肉眼观测相比具有明显的优势。现有技术单一检测探头，并不能够真实、全面的反应管道的腐蚀状态，多功能监测探头可进行定期的多方位信息测量和监测，从而综合评价自然状态下管道的腐蚀特性、施加阴极保护系统的管道的腐蚀特性以及管道内壁涂层的老化和破损状况，以确保管道在整个使用寿命中得到有效监测。采用多功能腐蚀探头不仅能实现对管道的腐蚀监检测，提供相对独立的系统诊断信息，同时可确保管道阴极保护系统的稳定性与实效(可靠)性，并提供管道多方面腐蚀信息。

[1] 化学工业部化工机械研究院. 腐蚀与防护手册: 腐蚀理论、试验及监测[M]. 北京: 化学工业出版社, 1989.

[2] 杨道武等. 电化学与电力设备的腐蚀与防护[M]. 北京: 中国电力出版社,2004.

[3] 刘贵民. 无损检测技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 2006.

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[5] 徐小易. 谈几种腐蚀在线监测技术[J]. 全面腐蚀控制, 2001, 15(3): 45-47.

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[8] 曹楚南.电化学噪声的分析与应用—1.电化学噪声的分析原理[J].中国腐蚀与防护学报, 2001, 21(5): 310-320.

Corrosion Monitoring State of Seawater Pipeline Cathodic Protection of Nuclear Power Plant

ZHANG Lei, LIN Bin, GAO Yu-zhu, LIU Shuang, LIN Ze-quan, HAN Liu-hong
(Suzhou Nuclear Power Research Institute, Suzhou 215004, China)

Pipeline failure caused by corrosion in seawater has become the major problem in seawater system of nuclear power plants. Monitoring corrosion state and rate of pipeline can provide important and effective basis for safety assessment of pipeline in nuclear power plants. In this work, a multifunctional electrochemical corrosion sensor of pipeline was reviewed, including the monitoring principle, device and implementation of the corrosion state, corrosion rate and protection extent of pipeline.

nuclear power plant; seawater; pipeline corrosion; sensor

TG174.41

A

10.13726/j.cnki.11-2706/tq.2014.11.045.03

张磊 (1985－) ，男，江苏连云港人，助理工程师，大专，主要研究方向为金属腐蚀与防护。