基于數值模擬的核電海水管道電位監(jiān)測優(yōu)化研究

黃 亮 費克勛 潘姚凡 秦鐵男 薛 飛 林 斌

（蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004）

0 引言

近二十年核能作為一種新的清潔能源得到了快速發(fā)展，核電廠就是利用原子核裂變反應釋放的能量加熱水產生蒸汽帶動汽輪機發(fā)電的發(fā)電廠。我國海域遼闊、海水資源豐富，利用海水作為冷源來冷卻核島與常規(guī)島的熱量并將之帶入大海，可以節(jié)約淡水資源，同時也可以降低發(fā)電成本。眾所周知，海水是含鹽濃度極高的電解質溶質，腐蝕性強，同時海水還含有泥沙，對海水系統(tǒng)管道帶來了極大的腐蝕風險。國內核電廠海水管道因腐蝕而發(fā)生穿孔的事件也時有發(fā)生，影響了電廠的正常發(fā)電。核電站海水系統(tǒng)管道的腐蝕與防護正日益引起大家的關注。

目前，核電站海水系統(tǒng)碳鋼管道的防腐主要采用涂層和陰極保護的聯(lián)合保護防腐。然而傳統(tǒng)的陰極保護防腐設計方法大多基于設計人員的經驗，確認需要的輔助陽極和參比電極的數量及其布置方案，且設計時缺乏精細化的設計手段，對于復雜結構而言，設計保護效果往往達不到理想狀態(tài)。核電廠海水系統(tǒng)的碳鋼結構相比油氣管線短而復雜，依然采用傳統(tǒng)的陰極保護設計存在一定的風險。因此，核電廠亟需引入海水系統(tǒng)管道的腐蝕狀態(tài)監(jiān)測和評估技術。

1 數值模擬技術

隨著計算機技術的發(fā)展，數值模擬技術開始應用于各個工程設計領域。上世紀七十年代末，美國學者首先將數值模擬技術應用于海洋石油平臺的電流分布預測和陰極保護系統(tǒng)設計中。Carlo[1]基于有限元方法，利用開發(fā)的計算電流密度程序計算了平臺復雜構件的腐蝕狀態(tài)，并給出了陰極保護系統(tǒng)設計方案。國內數值模擬技術在陰極保護系統(tǒng)中應用的研究起步較晚。曹圣山[2]等對陰極保護系統(tǒng)設計問題的數學模型進行了算法設計，并通過實驗驗證。經過多年的研究發(fā)展，電化學腐蝕模擬的算法主要有三種，包括有限差分法、有限元法和邊界元法。而針對海洋環(huán)境防腐系統(tǒng)的數值模擬問題，有限差分法和有限元法因其固有缺陷，無法實現有效應用，而邊界元法降低了空間維數，大大降低了數值計算量[3]，顯示出最強的適應性。

蘭志剛等[4]綜述了數值模擬技術在陰極保護和腐蝕預測問題中的應用，同時基于邊界元方法，對導管架平臺陰極保護系統(tǒng)進行數值模擬計算。杜艷霞[5]針對儲罐結構，建立了陰極保護電位分布的數學模型，計算結果通過了實驗驗證。大連理工大學的研究人員針對船舶與海洋工程結構陰極保護數值模擬技術開展了大量的研究工作，取得了一系列高水平的研究成果。隨著國內外基于邊界元數值模擬的陰極保護設計在油氣管道和儲罐中的成熟應用，適用性越來越廣泛，對核電廠海水管道的陰極保護優(yōu)化有重大意義。核電廠復雜海水管道在進行陰極保護設計時，一方面可以利用數值模擬技術，優(yōu)化輔助陽極或吸收陽極的布置，確保陰極保護電位；另一方面，對于陰極保護電位監(jiān)測點可以優(yōu)化布置，確保每個保護較差區(qū)域可以及時監(jiān)控并反饋。本文將結合某核電廠循環(huán)水管道犧牲陽極陰極保護設計進行電位監(jiān)測方案的優(yōu)化。

2 循環(huán)水管道內壁犧牲陽極保護

某核電廠循環(huán)水系統(tǒng)中包含4列管道，每臺機組分為A、B兩列，海水通過兩列循環(huán)水進口母管進入汽輪機廠房，之后分為6列支管分別與6臺凝汽器水室相連。海水經過凝汽器換熱后由6列支管匯流到2列循環(huán)水出口母管內，最后排入虹吸井，其中母管的內徑為DN4100，支管內徑為DN2700。管道采用Q235A鋼板卷制焊接而成，設計壁厚34mm，管線總長約1244.4m，內部介質為海水。管道內表面采用涂料和犧牲陽極聯(lián)合保護，涂料為佐敦公司的通用環(huán)氧耐磨漆/乙烯環(huán)氧漆/無錫自拋光防污漆涂層，犧牲陽極采用支架式Al-Zn-In-Mg-Ti合金犧牲陽極。

2.1 犧牲陽極規(guī)格

犧牲陽極的規(guī)格尺寸和質量應能滿足陽極初期發(fā)生電流、末期發(fā)生電流和使用年限的要求。在本工程中陰極保護犧牲陽極均采用Al-Zn-In-Mg-Ti合金犧牲陽極，其陽極規(guī)格為犧牲陽極規(guī)格尺寸：（990+1010）×（140+180）×160mm，其結構如圖1所示。鐵芯為Ф40×5mm鍍鋅無縫鋼管；鐵腳為長度140mm的14#B型槽鋼（鍍鋅）；鋼管鐵芯與槽鋼鐵腳滿焊，焊縫連續(xù)、飽滿。

2.2 犧牲陽極安裝與布置

根據現場施工要求設計犧牲陽極的安裝。本系統(tǒng)中犧牲陽極采用支架式犧牲陽極安裝方法。為了能夠較為均勻分布陰極保護電流，犧牲陽極的安裝方式采用“八字形”安裝，其安裝圖如圖2所示。

圖1 犧牲陽極外形結構圖

圖2 犧牲陽極安裝方式圖

犧牲陽極在進行布置時需要考慮循環(huán)水管道內壁巡檢裝置的沖突影響，在安裝位置選擇時需要進行一定的偏移。該偏移角度需盡量小，將犧牲陽極電流分布影響降至最小。偏移角度如圖3所示。

圖3 犧牲陽極安裝角度圖

3 數值模擬電位監(jiān)測優(yōu)化技術

為了獲得數值模擬技術中電化學參數的輸入條件，需要設計海水管道接近實際運行工況下的電化學試驗。本工程中設計的電化學試驗條件是在某核電廠循環(huán)水實際取水樣的基礎上，控制溫度、加氯量以及涂層破損率進行的。其中溫度控制在33℃，加氯量控制為1mg/L，涂層破損率為與實際同樣工藝刷涂涂料的基礎上進行人工破壞控制，選取末期破損率40%。工作電極從現場取樣，并預制為10×10×5mm的電化學試樣。根據以上條件進行極化曲線測試。其中極化曲線掃描速率為0.5mV/s，掃描范圍為±300mV（vs.自然腐蝕電位）。經測試，其極化曲線如圖4所示。

圖4 海水管道模擬環(huán)境試驗極化曲線

獲取數值模擬仿真的輸入條件后，根據核電廠提供的三維制作圖建立數值模擬仿真的物理模型。建模時，為了能夠節(jié)省計算量，將刷涂涂層的犧牲陽極支架進行一定簡化，其他犧牲陽極本體規(guī)格大小以及安裝位置完全按照實際布置建模。海水管道及犧牲陽極整體物理模型如圖5所示。

結合電化學試驗獲取的極化曲線及建立的物理模型，進行數值模擬，并將結果輸出為管道內壁表面的電位分布，如圖6所示。由圖中可以看出，犧牲陽極的整體保護效果較好，最低電位為-0.82V（vs.Ag/AgCl），處于陰極保護良好保護范圍區(qū)間內。從圖中還可以看出，犧牲陽極保護區(qū)間主要分為四類：（1）4.1m母管直管部分；（2）2.7m支管直管部分；（3）4.1～2.7m之間的三段變徑管；（4）4.1m母管彎管部分。

圖5 循環(huán)水管道數值模擬仿真物理模型

圖6 循環(huán)水管道數值模擬仿真電位分布

陰極保護電位監(jiān)測是評估被保護結構保護度的重要手段。一般為了能夠反映整個結構的陰極保護效果，電位監(jiān)測傳感器的布置需要考慮典型區(qū)域及一些薄弱區(qū)域。對于犧牲陽極陰極保護而言，主要考慮管道存在欠保護的可能性。因此，本工程電位監(jiān)測設計中，電位監(jiān)測傳感器至少包含4支，且在每個犧牲陽極保護電位區(qū)間各布置1支，如圖6所示。其余備用電位監(jiān)測傳感器可根據實際要求考慮新增。

4 結論與展望

碳鋼海水管道在濱海電廠中的冷源保障系統(tǒng)中應用比較多，且其陰極保護設計大部分采用傳統(tǒng)的設計方法。而采用數值模擬技術優(yōu)化陰極保護設計的應用來看，該技術對核電廠海水管道陰極保護電位監(jiān)測等方面的優(yōu)化具有重要指導意義。