核电站大修期间阴极保护系统故障分析与维护策略

杨树凯,尤 涛,林 斌,秦铁男

(苏州热工研究院有限公司，苏州 215004)

随着经济的发展，能源需求日趋增长，核能已成为国家能源和电力发展必不可少的一部分，截至2018年底，核能约占我国累计发电量的4.2%[1-4]。我国核电站大部分分布于沿海地区，采用海水作为电站机组的冷却水。海水作为一种天然的强电解质溶液，含有较多氯离子，腐蚀性强[5]，会对核电站中与海水相关的设备、管道造成较大的腐蚀风险，影响核电站系统的正常运行。阴极保护技术是较为成熟的腐蚀控制方法，已在国内核电站广泛运用[6-7]。

在国内核电站中，阴极保护系统主要保护与冷源相关的海水系统，如：循环水过滤系统、循环水系统、重要厂用水系统等，涉及的设备或部件有鼓型滤网、格栅、闸门、导轨、管道、凝汽器水室等，因此阴极保护系统的正常运行直接影响冷源及核电站安全。阴极保护系统预防性检查和维修通常在核电站换料大修期间进行。检修中发现的故障缺陷如牺牲阳极消耗异常、参比电极破损、阳极电缆断线等也仅能在大修期间维修，因此在大修期间对阴极保护设备维护至关重要[8-9]。

本工作对核电站数次大修期间发现的典型故障缺陷进行梳理与分析，并结合核电站预防性维修管理大纲与运维程序，提出了大修期间阴极保护系统的维护策略，为核电站大修期间阴极保护系统的保护工作提供经验与参考，保护设备不发生腐蚀，减少停机时间，降低维修率，确保系统稳定运行。

1 核电站阴极保护系统分类

阴极保护是电化学防腐蚀方法之一：当金属达到平衡电位后，再施加阴极电流，金属的电极电位从平衡电位向负方向偏移，使金属进入钝化区，实现腐蚀防护[10]。核电站阴极保护系统主要分为牺牲阳极保护法与外加电流保护法两种。根据被保护设备表面覆层状况、海水环境状况、是否有合适电源、经济性等，决定所采用的具体措施。

1.1 牺牲阳极阴极保护系统

牺牲阳极保护法是指采用一种比被保护金属电位更负的金属或者合金与被保护金属连接，两种金属在电解液中形成电偶对，阳极比较活泼因而优先溶解，释放出的电流使被保护金属发生阴极极化，达到保护效果[10]。采用牺牲阳极系统的核电站设备，其主要材料为不锈钢与碳钢，电解液均为海水，因此常选择铁基、铝基、锌基作为阳极材料。核电站常用的牺牲阳极见表1。

表1 核电站常用的牺牲阳极系统Tab. 1 Common sacrificial anode system of nuclear power plant

1.2 外加电流阴极保护系统

外加电流保护法是指通过恒电位仪等外部直流设备向被保护金属施加阴极电流，使之阴极极化，达到阴极保护效果。外加电流系统主要由电源装置、辅助阳极、参比电极、电缆等附属设备组成[10]。核电站常用的外加电流系统见表2。

表2 核电厂常用外加电流系统Tab. 2 Common impressed current system of nuclear power plant

2 典型故障分析

2.1 牺牲阳极阴极保护系统

牺牲阳极的故障主要发生在凝汽器系统，包括阳极消耗过快不能满足设计保护时间要求、阳极不消耗或者消耗不均匀、阳极脱落、阳极消耗后骨架脱落造成异物等，如图1～4所示。

图1 牺牲阳极消耗后骨架断裂Fig. 1 Fracture of sacrificial anode skeleton after consumption

图2 牺牲阳极消耗不均匀Fig. 2 Uneven consumption of sacrificial anode

图3 牺牲阳极不消耗Fig. 3 No consumption of sacrificial anode

图4 牺牲阳极全部消耗Fig. 4 Full consumption of sacrificial anode

凝汽器系统水室材料为碳钢，内衬材料为橡胶，水室为凝汽器水侧进出口，是凝汽器海水的通道，设计牺牲阳极是为了避免衬胶破损导致基体腐蚀。由于水室与换热钛管临近，牺牲阳极设计时需充分考虑其对钛管的影响。不同核电站水室内牺牲阳极的结构有所差别，主要为圆饼状与条状，采用螺栓将牺牲阳极与本体连接。产生上述故障的主要原因有以下几种：选择铝合金作为牺牲阳极材料且阳极设计尺寸不满足消耗，导致牺牲阳极寿命不足一个大修周期；牺牲阳极骨架结构设计与焊接质量问题导致牺牲阳极消耗后骨架在根部发生断裂；牺牲阳极成分不均匀导致消耗不均，出现整体脱落的问题；牺牲阳极安装后电连接性不合格导致牺牲阳极不消耗失去保护作用。

2.2 外加电流阴极保护系统

在大修期间会停机对外加电流阴极保护系统进行预防性检修，包括对电源机柜、电缆、阳极、电极等进行全方位检查。主要故障包括：参比电极及辅助阳极表面污染与破损、阴极回流电缆断裂、管道阳极接线盒渗水、阳极法兰面腐蚀、恒电位仪停机期间显示板馈电等，如图5～8所示。

图5 参比电极表面污染Fig. 5 Surface contamination of reference electrode

图6 辅助阳极表面污染Fig. 6 Surface contamination of auxiliary anode

图7 阴极回流电缆断裂Fig. 7 Fracture of cathode return cable

图8 管道参比电极渗水Fig. 8 Seepage of reference electrode in pipeline

核电站外加电流阴极保护系统发生故障主要有以下原因：

(1) 系统设计问题，例如：SEC管道末端阳极电缆浸泡在海水中，但阳极电缆与接头未进行密封，阳极电缆长期浸泡导致其接头腐蚀断裂；SEC管道节流孔板下游辅助阳极未考虑水流冲击影响，设计强度不足导致阳极断裂。

(2) 工程施工期间安装质量不合格，例如：参比电极安装不到位，导致接线盒内部渗水；防水密封安装不合格，导致电缆接头内部腐蚀断裂；安装过程未固定电缆卡箍或卡箍腐蚀脱落，导致电缆松动被其他设备或外力因素扯断等。

(3) 运行期间电极与阳极被海生物附着或污损，运行期间海水中添加了次氯酸钠以消杀海生物，但是在潮差区、护管等位置的电极和阳极均有不同程度海生物附着和污损，严重时则有部分参比电极破损，在大修期间需进行清理和更换。

(4) 长期浸泡在海水中及吊装受力等原因导致电缆接头或电缆本体破损，恒电位仪在大修期间会停机，停机过程也可能造成显示板电池馈电等。

3 维护策略

3.1 预防性管理

根据核电站设备管理大纲进行预防性管理，牺牲阳极阴极保护系统采用机械设备预防性维修管理大纲，外加电流阴极保护系统采用电气管理大纲或防腐管理大纲。在预防维修管理大纲基础上编制相应程序或规程指导大纲执行。

由于牺牲阳极均布置在设备内部或海水内，日常运行时均无法检查，因此牺牲阳极预防性检查与处理仅能在换料大修期间进行。参考国标GB/T 16166-2013《滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极阴极保护》以及运维手册要求对牺牲阳极进行检查，主要包括但不限于以下几点：(1) 检查阳极表面状态和溶解情况，清除阳极表面腐蚀产物；(2) 检查剩余阳极大小，对不满足运维要求(剩余阳极量不能满足下一个运行周期、阳极铁芯明显外露，短期内会造成阳极脱落[11])的阳极进行更换；(3) 检查电连接性，更换后的阳极需通过万用表进行电连接检查，连接性接触电阻应不大于0.01 Ω。

在大修期间，外加电流阴极保护系统的电源装置需停机，并对电源装置及附属设备进行整体检查。检查工作主要包括：(1) 对电源控制柜内部，进线三相电缆、阳极电缆等进行绝缘性检查，要求绝缘电阻不低于1 MΩ，检查内部接线端子、恒电位，清理机柜内部等；(2) 检查接线盒内部、电缆接头及电缆是否正常；(3) 检查辅助阳极、参比电极、护管是否正常；(4) 检查轴接地装置的接触电阻是否满足要求。

在对牺牲阳极和外加电流阴极保护系统本身进行预防性检查的同时，还需要对被保护设备、管道、部件等进行检查，重点检查其腐蚀状况。根据腐蚀状况全面评估阴极保护系统保护效果。

3.2 纠正性维修

纠正性维修是指在大修期间对阴极保护系统存在的缺陷进行维修，确保系统可用。受制于工期、计划、人力等因素，大修期间阴极保护系统的纠正性维修尤为重要，主要内容包括预防性检查发现的缺陷和日常运行期间无法处理的缺陷，如表3所示。

表3 大修期间阴极保护系统的纠正性维修Tab. 3 Corrective maintenance of cathodic protection system during overhaul

大修期间预防性与纠正性工作时间比较紧张，需提前对人、机、料、法、环等各环节进行准备，提前预测预防性检查工作可能存在的问题，做好维修预案和备件准备，确保在大修期间完成各项检查与维修工作。同时阴极保护系统主要涉及管道及容器内部，作业风险较高，应做好高风险管控措施并在实施期间逐项落实，使得检修工作安全开展。

大修结束后，系统在断电后需完成调试工作，注意应在设备进水后第一时间开始调试工作，严格按照运维手册要求执行，并逐一确认缺陷是否恢复，确保系统正常运行。

4 结论与建议

滨海核电站阴极保护系统的稳定运行是避免被保护设备发生腐蚀的关键，也是维护冷源与核安全的有力保障，因此大修期间阴极保护系统的检查维护工作尤为重要。

针对大修期间阴极保护系统的典型故障应重点关注以下问题并予以解决：(1) 牺牲阳极消耗过快或者不消耗、更换之后验证电连接性；(2) 外加电流系统水下部分电缆及防水接头损坏，参比电极与辅助阳极故障,轴接地电连接及回路绝缘不满足要求；(3) 大修期间长时间停机导致恒电位仪显示板电池馈电与环境控制。

大修期间阴极保护系统的维护策略建议：

(1) 应根据系统特点与运维手册要求编制预防性管理大纲与检查程序，大修期间预防性管理应严格按照程序检查与记录，对预防性检查缺陷及时处理，并根据检查情况对大纲及程序进行适应优化，确保大纲的有效性和可执行性。

(2) 阴极保护系统应按照程序进行日常的运行和维护工作，针对仅能在大修期间处理的缺陷和其他纠正性维修需提前制定预案，确保在大修期间顺利完成检修。

(3) 阴极保护系统的问题涉及电气、机械等专业，针对具体问题应及时分析与处理，提高大修期间缺陷处理效率，并形成经验反馈，避免问题重发，保障系统有效运行时间。