随着我国淡水资源的紧缺,沿海地区电厂主要用海水作为发电机组重要辅机凝汽器的冷却介质,海水具有较强的腐蚀性,容易导致凝汽器腐蚀失效,严重危害其正常运行[1]。核电站运行期间凝汽器中钛管、膨胀节、二次滤网等长期面临矿物盐侵蚀、海水冲击、异物撞击等风险,换热管破损泄漏、膨胀节老化失效、二次滤网破损等问题时有发生,这会造成凝汽器失效,严重影响凝汽器的稳定及机组的安全运行。凝汽器常用的腐蚀防护方法有外加电流阴极保护法和牺牲阳极保护法[2-4],在实际运行中,牺牲阳极消耗速率快,表面易结垢,这会影响阳极的性能。但传统外加电流阴极保护设计主要依据工程实践经验和平均电流密度,由于凝汽器结构复杂,其附属的管道及设备具有材料多样、管径不一、连接点多和结构复杂等特点[5-6],实际运行中容易出现被保护结构表面电位分布不均匀,甚至出现欠保护或过保护及析氢现象。 

核电站凝汽器二次滤网是为过滤水中杂物、保持凝汽器水室处于清洁状态,保证胶球正常投运,提高胶球回收率而设计开发的装置。为了保障二次滤网的安全稳定性,对其施加合适的保护措施是很有必要的。根据外部经验反馈,在目前的保护方式下,牺牲阳极及紧固件发生脱落时,它们将冲击凝汽器结构中的钛管或进入钛管内堵塞形成异物,损坏钛管造成机组降功率的风险。为消除上述风险,通过数模计算评估二次滤网内牺牲阳极安装移位或采用外加电流阴极保护方法的可行性,对核电站安全可靠和持续经济运行具有重要意义。 

1.   参数收集

某核电站凝汽器二次滤网具有立式筒体结构,内部有固定的滤网板、K字架、隔板等部件。二次滤网筒体采用衬胶防腐蚀,滤网网板采用裸露不锈钢。每台凝汽器二次滤网网板下游安装有牺牲阳极。根据外部经验反馈,牺牲阳极及紧固件发生脱落时,它们将冲击凝汽器钛管或进入钛管内堵塞形成异物,损坏钛管造成机组降功率的风险。为消除该风险,从二次滤网防腐蚀保护的需求角度,可采取的改进方案包括将全部牺牲阳极改到二次滤网网板上游（下方）,或拆除全部牺牲阳极改为外加电流阴极保护,对此现状,采取数值模拟软件进行二次滤网建模计算,来评估两种方法的可行性。 

1.1   二次滤网几何结构尺寸

由图1可知,二次滤网的结构为反向“V”字形,在滤网的上游设置了初级和二级挡板。滤网通过冲孔板能够捕获几乎所有的异物,每个孔的直径均为ϕ12.5 mm。过滤器的内部有固定的滤网板、K字架、隔板等部件。二次滤网筒体及隔板均采用衬胶防腐蚀,滤网网板材料为裸露的316L不锈钢,具有较好的耐蚀性。 

图  1  凝汽器二次滤网结构尺寸

Figure  1.  Structural dimension of secondary filter of condenser

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1.2   牺牲阳极位置

如图2所示,牺牲阳极均位于二次滤网网板下游,每台凝汽器二次滤网内安装有36块高纯锌合金小牺牲阳极（长300 mm×150 mm×30 mm,2孔）、12块铝合金大阳极（660 mm×150 mm×45 mm,4孔）,分布在筒体和用K字架固定在筒体中间,采用并使用M16的螺栓螺母进行固定。 

图  2  牺牲阳极安装位置

Figure  2.  Installation position of sacrificial anode

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1.3   海水化学成分

对通过二次滤网内的海水取样后进行化学成分分析检测,结果如表1所示。溶液电阻率是阴极保护设计的一个基本参数,测得二次滤网内流过的海水电阻率为0.20 Ω·m。 

表  1  现场海水成分

Table  1.  On-site seawater composition

成分				Ca2+	Mg2+	K+	Na+	Cl-
质量浓度/（mg·L-1）	297	<5	208	70.2	99.6	33.5	783	1.47×103

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2.   三维模型建立及网格划分

2.1   二次滤网几何模型建立

根据二次滤网（滤网板、K字架、隔板、二次滤网筒体等）的几何分布及溶液电阻率等信息,建立凝汽器二次滤网阴极保护的三维几何模型。由于二次滤网形状不规则,故建立模型过程中将其简化成等效面积的圆锥形,其余构件模型尺寸和实际大小情况完全相同。在数值模拟过程中考虑了一定的筒体涂层或衬胶层破损（根据现场大致情况,计算时涂层破损率设定为5%,包括下游牺牲阳极拆除后筒体的涂层破损）。所建立的几何模型如图3所示。 

图  3  二次滤网几何模型

Figure  3.  Geometric model of secondary filter:(a) secondary filter component model;(b) secondary filter and cylinder model

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2.2   数值计算方法与数值计算网格划分

为计算结果的准确性,采用边界元商业数值模拟软件BEASY对所建立的二次滤网阴极保护几何模型进行边界元网格划分[7],划分网格如图4所示。根据所划分的边界元网格,利用软件边界元计算程序对所建立的二次滤网阴极保护数学模型进行求解。计算过程中,核电站凝汽器内部结构物与其他结构物如下游的钛管电绝缘,没有其他结构物影响计算结果。 

图  4  二次滤网数学模拟计算边界元网格划分

Figure  4.  Boundary element mesh generation for mathematical simulation of secondary filter:(a) secondary filter grid;(b) secondary filter and cylinder grid

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2.3   阴极保护边界条件

为得到该模型的定解,还需要确定极化边界条件。极化特性作为一个重要的边界条件,对数值计算结果有很大的影响,主要由金属构件的材料、涂层状况、溶液性质等因素决定。采用实验室测试获得极化曲线作为Q235钢极化边界条件,对模型进行调试和计算。使用Gamry reference 3000电化学工作站测量316不锈钢及Q235钢的极化曲线。316L不锈钢电位扫描范围为-1.75~ +1.0 V（相对于Ag/AgCl电极）, Q235钢电位扫描范围为-1.5~ +0 V（相对于Ag/AgCl电极）,扫描速率为0.166 6 mV/s。测试溶液为流经凝汽器二次滤网的海水。316L不锈钢和Q235钢在该海水环境中的极化曲线如图5所示,获得滤网板、K字架和筒体的边界条件。 

图  5  316L不锈钢和Q235钢在海水环境中的极化曲线

Figure  5.  Polarization curves of 316L stainless steel and Q235 steel in seawater environment

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3.   阴极保护数值模拟优化

3.1   现有阴极保护效果

根据GB/T 31404-2015《核电站海水循环系统防腐蚀作业技术规范》[8],钢板、铸铁构件、铜合金管、不锈钢等组成的设备或系统,保护电位在-1 000~-800 mV（相对于Ag/AgCl电极）时[9],设备受到保护,同时二次滤网的保护电流密度应处于150~200 mA/m2。现有阴极保护系统阳极分布位置位于下游区域,采用数值模拟,得到现有阴极保护系统的阴极保护电位分布如图6所示。若无特殊说明,下文所述的阴极保护电位均相对于Ag/AgCl电极。由图6可见,二次滤网的阴极保护电位在-974.91~-854.4 mV,二次滤网受到保护。 

图  6  二次滤网现有阴极保护电位分布云图

Figure  6.  Cloud diagram of potential distribution of the existing cathodic protection potential of secondary filter structure

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3.2   牺牲阳极移位后保护效果

考虑到牺牲阳极阴极保护效果的最优性、现场环境制约及方便施工安装等问题,选取了不同位置对二次滤网进行阴极保护效果比对。由于锌合金牺牲阳极块在海水中的消耗速率较快,且对环境毒性的影响非常大,为了保证核电站大修间隔期间设备的安全性,本次模拟计算中全部使用与现有材料相同的铝合金牺牲阳极,牺牲阳极开路电位为-1.18~-1.10 V（相对于饱和甘汞电极SCE）,小块牺牲阳极尺寸为300 mm×150 mm×30mm,大块牺牲阳极尺寸为660 mm×150 mm×40 mm。 

为了防止牺牲阳极及紧固件脱落,冲击凝汽器钛管或进入钛管内堵塞形成异物,损坏钛管造成机组降功率的风险。将牺牲阳极位置移动至二次滤网网板上游,筒体的小块牺牲阳极高度与滤网网板底高度相同,大块牺牲阳极距离滤网网板底0.4 m,其位置如图7所示,二次滤网的阴极保护电位在-817.11~-633.64 mV,二次滤网存在欠保护区域。 

图  7  移位后的牺牲阳极位置及阴极保护系统电位分布云图

Figure  7.  Position of sacrificial anode (a) and cloud diagram of potential distribution of cathodic protection system (b) after displacement

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为方便现场施工,将大块牺牲阳极改成小块牺牲阳极,不改变位置,其安装及二次滤网的阴极保护效果如图8所示,二次滤网的阴极保护电位在-799.64~-618.38 mV,二次滤网存在欠保护区域。 

图  8  牺牲阳极改成小阳极后阳极位置及阴极保护系统电位分布云图

Figure  8.  The position of anode after changing sacrificial anode into small anode (a) and cloud diagram of potential distribution of cathodic protection system (b)

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对二次滤网中的牺牲阳极位置进行优化,筒体的牺牲阳极向下游方向移动0.6 m,优化后的位置如图9所示,二次滤网的阴极保护电位在-945.7~-800.8 mV,二次滤网处于被保护状态。 

图  9  移位后优化的牺牲阳极位置及阴极保护系统电位分布云图

Figure  9.  Optimized sacrificial anode position (a) and cloud diagram of potential distribution of cathodic protection system (b) after displacement

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将大块牺牲阳极换成小块牺牲阳极,小块牺牲阳极位置及优化后的阴极保护效果如图10所示,二次滤网的阴极保护电位在-952.68~-803.92 mV,二次滤网达到被保护状态。 

图  10  牺牲阳极改成小阳极后阳极位置及阴极保护系统电位分布云图

Figure  10.  The position of anode after changing sacrificial anode into small anode (a) and cloud diagram of potential distribution of cathodic protection system (b)

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将60块小牺牲阳极（300 mm×150 mm×30 mm）对称分布在二次滤网中心位置两侧筒体上,一侧30块,小块牺牲阳极位置及优化后的阴极保护效果如图11所示,二次滤网的阴极保护电位在-960.57~ -808.12 mV,二次滤网达到被保护状态。 

图  11  小块牺牲阳极位置及优化后的阴极保护系统电位分布云图

Figure  11.  Location of small sacrificial anode (a) and cloud diagram of potential distribution of optimized cathodic protection system (b)

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3.3   外加电流阴极保护效果

考虑到外加电流阴极保护效果的最优性,现场环境制约及方便施工安装等问题,选取了不同位置进行阴极保护效果比对。若将改进方案调整为外加电流阴极保护,单支辅助阳极的位置在二次滤网网板上游,距离滤网网板最底部0.4 m,其位置如图12所示。单支辅助阳极输出电流为8.5 A,二次滤网的阴极保护电位在-1 001.30~-785.78 mV,二次滤网存在过保护和欠保护区域,未达到被保护状态。 

图  12  二次滤网单支辅助阳极位置及阴极保护电位分布云图

Figure  12.  The position of single auxiliary anode of secondary filter (a) and cloud diagram of cathodic protection potential distribution (b)

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阴极保护系统采用两支辅助阳极,阳极与滤网网板底相隔0.4 m,与筒体中心相隔1.2 m,其位置如图13所示。2支辅助阳极输出电流为12.5 A,二次滤网的阴极保护电位在-1 001.20~-795.78 mV,二次滤网依旧存在过保护和欠保护区域,未达到被保护状态。 

图  13  二次滤网2支辅助阳极位置及阴极保护电位分布云图

Figure  13.  The position of two auxiliary anodes of secondary filter (a) and cloud diagram of cathodic protection potential distribution (b) cloud

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对2支辅助阳极的位置进行移位,其位置如图14所示,辅助阳极与滤网网板底相隔0.2 m,距离筒体中心1.2 m。阴极保护电流为3.8 A,二次滤网的阴极保护电位在-998.64~-807.30 mV,二次滤网受到保护。 

图  14  移位后二次滤网辅助阳极位置及阴极保护电位分布云图

Figure  14.  The position of auxiliary anode of secondary filter (a) and cloud diagram of cathodic protection potential distribution (b) after displacement

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对2支辅助阳极的位置进行优化,其位置如图15所示,辅助阳极位于滤网高度方向的中间位置,距离筒体中心1.2 m。阴极保护电流为3 A,二次滤网的阴极保护电位在-962.88~-825.11 mV,二次滤网受到保护。 

图  15  二次滤网辅助阳极位置及优化的阴极保护电位分布云图

Figure  15.  The position of auxiliary anode of secondary filter (a) and cloud diagram of optimized cathodic protection potential distribution (b)

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考虑到现场施工的方便性,将外加电流阴极保护的辅助阳极放置在二次滤网下游区域,辅助阳极安装离盲孔处,在两侧的盲孔都安装辅助阳极,安装位置及保护效果见图16,阴极保护电流为3 A,二次滤网的阴极保护电位在-950.15~-816.50 mV,二次滤网受到保护。 

图  16  二次滤网辅助阳极位置（盲目孔）及阴极保护电位分布云图

Figure  16.  The position of auxiliary anode (at blind hole) of secondary filter (a) and Cloud diagram of cathodic protection potential distribution (b)

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3.4   讨论

选取了不同牺牲阳极位置对二次滤网进行阴极保护效果比对,结果如表2所示。可以看到,当牺牲阳极全部在二次滤网下端（上游）时,二次滤网整体处于欠保护的状态。将阳极高度提升,无论阳极块的大小,二次滤网都可以受到良好的保护,当牺牲阳极块对称分布在二次滤网中心位置两侧筒体上,一侧30块时,保护效果最好。 

表  2  牺牲阳极位置及保护效果

Table  2.  Sacrificial anode location and protection effect

序号	牺牲阳极位置	保护效果
1	筒体的小块牺牲阳极高度与滤网网板底高度相同,大块牺牲阳极距离滤网网板底0.4 m	保护电位-817.11~-633.64 mV,二次滤网存在欠保护区域
	将上述大块牺牲阳极改成小块牺牲阳极后,不改变位置	保护电位-799.64~-618.38 mV,二次滤网存在欠保护区域
2	筒体的牺牲阳极向上游方向移动0.6 m,大块牺牲阳极距离滤网网板底0.4 m	保护电位-945.7~-800.8 mV,二次滤网受到保护
	将上述大块牺牲阳极转成小块牺牲阳极,不改变位置	保护电位-952.68~-803.92 mV,二次滤网受到保护
3	将60块小牺牲阳极,对称分布在二次滤网中心位置两侧筒体上,一侧30块	保护电位-960.57~-808.12 mV,二次滤网受到保护

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对选取的不同牺牲阳极位置进行阴极保护效果比对,结果如表3所示。可以看到,辅助阳极在二次滤网下端（上游）时,二次滤网存在过保护和欠保护区域。将辅助阳极往上端（下游）移动,二次滤网可以受到良好的阴极保护,考虑到阳极安装的可实施性,计划采用辅助阳极安装在盲孔处,两侧各安装1支的方法。 

表  3  辅助阳极位置、数量和保护效果

Table  3.  Number and position of auxiliary anode and protection effect

序号	辅助阳极位置	辅助阳极数量	保护效果
1	距离滤网网板最底部相隔为0.4 m	1	保护电位-1 001.30~-785.78 mV,存在过保护和欠保护区域,未达到有效保护
2	阳极与滤网网板底相隔为0.4 m,与筒体中心相隔1.2 m	2	保护电位-1 001.20~-795.78 mV,存在过保护和欠保护区域,未达到有效保护
3	辅助阳极与滤网网板底相隔0.2 m,距离筒体中心为1.2 m	2	保护电位-998.64~-807.30 mV,二次滤网受到保护
4	辅助阳极位于滤网高度的中间位置,距离筒体中心为1.2 m	2	保护电位-962.88~-825.11 mV,二次滤网受到保护
5	辅助阳极安装在盲孔处,两侧各安装一支	2	保护电位-950.15~-816.50 mV,二次滤网受到保护

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综合以上数值模拟结果,可以看到,无论牺牲阳极保护还是外加电流阴极保护,当阳极的位置高于二次滤网底端（位于二次滤网上游）时,可以产生有效阴极保护,阳极位置与二次滤网中心高度一致时,保护效果最好。 

4.   结论

（1）核电站二次滤网作为凝汽器中重要的组件之一,对其进行合适的腐蚀防护措施,对核电站机组的安全运行意义重大。通过数值模拟分析,安装在其下游的现有牺牲阳极保护系统能够为凝汽器二次滤网提供有效保护。 

（2）为防止牺牲阳极或者紧固件脱落对钛管造成损害,将牺牲阳极移动至二次滤网网板上游。当筒体的牺牲阳极对称分布在二次滤网两侧,阳极位置与二次滤网中心位置一致时,对二次滤网保护效果最好。 

（3）在二次滤网网板上游安装外加电流阴极保护系统,通过数值模拟,当辅助阳极于二次滤网中心位置一致,距离筒体中心为1.2 m时,二次滤网受到保护效果最优。 

（4）经过数值模拟结果比对,可以确认凝汽器二次滤网内牺牲阳极移位或采用外加电流阴极保护方法都是可行的,为减少海水冲蚀造成牺牲阳极损耗及更换阳极导致的人工成本等问题,避免阳极脱落对钛管造成的冲击问题,建议采用外加电流阴极保护的方法保护效果更好。