核电关键设备阴极保护监测分析

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摘要：阴极保护监测系统主要是针对被保护体健康状态评估、故障预测、故障处理及避免出现灾难性事故设计的。阴极保护监测数据管理分析可分为四个阶段：包括数据生成、数据采集、数据储存以及数据分析，其中数据分析是数据管理最重要的部分。对核电站阴极保护增加监测系统可以提高系统非计划停运时间，使相关设备获得更为有效的保护。本文以核电站冷源相关设备的阴极保护系统失效分析为案例，阐明了阴极保护监测系统在阴极保护系统运维、故障分析与健康诊断等方面的重要性。

关键词：核电;阴极保护监测;冷源海水系统

主要分为海水过滤系统、海水循环冷却系统以及重要厂用水系统，是核电站重要的辅助系统及冷源保障。其长期服役于海水环境中，一旦发生腐蚀不仅维修难度高、工期长，严重时将会威胁机组安全运行[1]。外加电流阴极保护是海水系统腐蚀防护的主要方法之一，但核电站工况复杂，电气设备较多，会对阴极保护系统产生影响，降低其对海水系统的保护效果，因此及时有效的对阴极保护进行监测尤为重要。早期，核电站海水阴极保护系统中采用的基本为可控硅整流器，无数据记录功能，现场运维依靠人员定期记录数据，数据量过少，当阴极保护系统出现故障时并不能准确地反馈实际问题，给原因分析及故障处理造成诸多不便。因此，部分核电站已将原有的可控硅整流恒电位仪替换成最新的智能数字式恒电位仪，采用自动化控制技术、人机交互友好并具有数据采集、查询、存储功能及远程实时监测等功能。上述软、硬件功能的提升，为阴极保护系统采用实时监测提供了先决条件。本文列举了几个核电站海水相关设备阴极保护系统运行异常的案例，通过对阴极保护监测数据分析查明了原因，并建立了失效故障数据库，对后续同类故障的分析、预防及系统健康状况评估具有重要的意义[2]。

1系统简介

1.1鼓形旋转滤网。鼓形滤网是核电厂循环冷却水系统的主要过滤设备，鼓形滤网由主轴、轴承、鼓网骨架、不锈钢网片、密封装置、反冲洗装置、驱动装置、控制系统、压差监测系统及阴极保护及监测系统等组成。其主要选用的材料为碳钢和不锈钢，其防腐措施主要采用阴极保护与防腐涂料联合保护的方法。鼓形滤网处于半浸泡环境中，运行期间干湿交替，当鼓网位于大气区、浪溅区及水位变动区时，阴极保护系统无法提供有效的保护，此时主要通过防腐涂层和材料自身的耐蚀性及腐蚀裕量抵御海水腐蚀[3]。1.2重要厂用水系统（SEC）。重要厂用水系统（SEC）其主要功能是将由设备冷却水（RRI）收集到的热负荷输送到最终热井海水中。SEC管道从鼓型滤网过滤水池取水。输送海水的管道主要为碳钢衬胶管道、内外部涂刷防腐涂料及外加电流阴极保护管道。

2案例分析

2.1电解制氯加药对鼓网阴极保护系统运行的影响。某核电站在大修期间，某列鼓网检修工作完成后，其阴极保护系统也完成调试后以恒电位模式运行，保护电位稳定在150mV（相对于高纯锌参比，下同）左右，运行一段时间后，现场巡视人员发现鼓网保护电位在150～500mV之间波动，3d后波动消失，鼓网保护电位重新稳定在150mV左右。将鼓网保护电位异常期间的监测数据拷出作图，如图1所示。从图1中可以看出，电位从节点1开始上升。节点2处电位突然下降，节点3处电位又开始上升，节点4处电位开始下降至保护范围内。节点5之后鼓网保护电位逐渐下降，重新稳定在150mV左右。图1中节点5保护电位上升是因为人工干涉，为了使得鼓网3个区保护电位平衡，将预置电位设定值设定为230mV产生的。鼓网保护电位异常期间，对参比电极、辅助阳极以及电缆进行了检查，均未发现问题，并且使用便携式参比电极在鼓网主轴平台测量了鼓网水下电位，测量结果与恒电位显示一致，排除了阴极保护系统本身的问题。异常期间保护电位出现几次大幅度变化，考虑有可能外界因素对鼓网阴极保护的影响。查看相关设备运行情况后发现：（1）节点1处此列鼓网的循环水泵停止运行；（2）节点2处此列鼓网加药装置进行检修，停止加药；（3）节点3处此列鼓网加药装置检修结束，重新开始加药；（4）节点4处此列鼓网的循环水泵开始运行。滨海电厂以海水作为冷源，但为了防止海水中的海生物在系统管道内滋生导致堵塞，通常在海水取水口处加入由电解制氯系统制备的低浓度次氯酸钠，以其作为杀生剂防止海生物滋生。结合图1曲线及相关设备运行情况，节点1处循环水泵停止运行，但此时电解制氯装置并未停运，导致鼓网水室内海水中次氯酸钠浓度持续增大，由于次氯酸钠是一种去极化剂，当海水中次氯酸钠浓度过高时，使得鼓网难以极化，导致鼓网保护电位上升；节点2处此列鼓网加药装置进行检修，停止加药，海水中次氯酸钠浓度下降，鼓网保护电位下降；节点3处此列鼓网加药装置检修结束，重新开始加药，海水中次氯酸钠浓度再度上升，鼓网保护电位随之上升；节点4处此列鼓网的循环水泵开始运行，以40m3/s的速度抽取海水，鼓网间海水中次氯酸钠浓度很快下降至正常水平，鼓网保护电位下降，恢复至0～250mV的保护范围内。2.2鼓网停运对阴极保护系统的影响。某核电站小修期间，主控反馈某列鼓网阴极保护系统触发报警，经运维人员现场核实，发现此列鼓网两侧保护区在恒电位模式运行下输出电流满载，触发了过流报警，将该列鼓网阴极保护系统运行监测数据作图，如图2所示。通过分析系统运行监测数据，并查看相关设备运行情况后确定以下几个关键节点：（1）节点1：该列鼓网的循环水泵停止运行，但电解制氯加药未停运，导致输出电流开始上升，当电流满载后，电位开始上升；（2）节点2：该列鼓网停止加药，电位开始下降至正常范围内，输出电流也随之下降，鼓网阴极保护系统恢复至正常运行状态；（3）节点3：该列鼓网停止转动。此后阴极保护系统输出电流先减小后增大，当输出电流满载后，鼓网保护电位开始上升；（4）节点4：该类鼓网阴极保护系统输出电流达到满载，触发系统过流报警；（5）节点5：为运维人员介入系统运行，将恒电位仪切换至恒电流模式运行，恒电流输出40A，进行原因排查及故障处理；（6）节点6：将恒电位仪切换至恒电位模式，预设保护电位210mV，输出电流维持高位输出，达到45A左右；（7）节点7：该列鼓网开始转动，10min内输出电流降至10A以下；（8）节点8：将鼓网保护电位设置为150mV，输出电流提高到20A左右，随后鼓网保护电位以及输出电流恢复正常。图1鼓网保护电位曲线图2中节点1和2之间的保护电位波动也是由于加药浓度过高导致的，此处不再赘述。节点3至节点4之间的输出电流异常上升是由于鼓网停止转动后发生的，疑似与鼓网停止转动有关。未对上述判断进行验证，重新启动鼓网旋转，开启反冲洗水，同时观察鼓网网片状态。鼓网开始旋转后，可以发现旋转至水面以上的网片表面存在一层附着物，其继续旋转后附着物被冲洗干净。随着鼓网的持续转动，鼓网输出电流大幅降低，一天后鼓网输出电流和保护电位均恢复到正常范围。其原因可能为当鼓网停止转动后，海水中泥沙、浮游生物、海生物代谢物等混合物开始沉积并覆盖在鼓网网片上，此时参比电极测得的保护电位正移，恒电位仪在恒电位模式下增大输出电流，直至电流满载，触发了过流报警。当鼓网重新开始旋转后反冲洗水也同时开启，其将网片冲洗干净，此时参比电极测量的电位为鼓网的真实保护电位，阴极保护系统输出电流恢复正常。2.3工频干扰对SEC管道阴极保护的影响。某机组两列SEC管道保护电位同时出现高频异常波动，管道不同分区的电位波动程度不同，位于管道进水口的首端波动最大、末端最小，电位波动幅度随管道沿线方向递减，且B列电位波动相对A列更为剧烈，1周内产生的闪发报警数量高达6000个。经检查后可排除由测量回路接触不良、接线错误或电流输出不稳定导致的电位波动。在该机组小修期间，当该机组的循环水泵停运期间保护电位波动消失，启运后电位波动随即出现。将SEC阴极保护监测系统的数据拷出作图，图3为循环水泵启/停对SEC管道保护电位波动的影响。从图3中可以看出两列循环水泵的运行均会导致该列管道的电位波动，当循环水泵全部停运后A列管道电位波动基本消失，B列管道波动程度也大幅降低。将恒电位仪停运后，使用示波器测量管道首端参比电极与管道本体之间电位波形图，发现存在频率为50Hz的交流波形。由此推断该机组SEC管道电位波动可能是由于管道首端与靠近循环水泵一侧的上游管道绝缘不良，导致管道本体同时受到来自两列循环水泵的工频干扰。为消除该交流频率对管道阴极保护测量的影响，在测量回路中加装具有滤波作用的电位隔离变送器。图4为加装电位隔离变送器前后管道测量电位波动变化。如图4可知，加装电位隔离变送器可使管道保护电位波动控制在±20mV的范围内，有效去除交流频率对管道保护电位的影响。

3结语

上述阴极保护系统异常运行案例分析，充分说明了阴极保护监测系统在核电阴极保护系统运维管理中的重要作用。采用数字化设备进行监测数据采集及存储，通过数据管理及分析技术对系统运行监测数据进行分析及处理，能够准确反馈系统输出电压、输出电流、保护电位及其他参数随运行时间的变化趋势及规律，为分析故障原因提供准确的数据参考，以便于制定对应的处理措施，也可为系统故障预测及健康状态评估提供数据支撑，确保系统正常、稳定运行，保障滨海核电站重要海水相关设备安全、稳定、健康运行。

参考文献

[1]阎丽静.滨海核电厂海水系统腐蚀的根本原因分析[J].给水排水,2018,(S1):74-70.

[2]党小强.浅析大数据技术在核电站生产运行中的现状及应用[J].电子技术与软件工程,2016,(14):192-193.

[3]黄海滨.鼓型滤网在核电项目中的应用[J].华电技术,2011,33(8):37-42.

作者:王亚东 秦铁男 黄亮 林斌 单位:苏州热工研究有限公司