基于数值模拟的核电海水管道电位监测优化研究

黄 亮 费克勋 潘姚凡 秦铁男 薛 飞 林 斌

（苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

0 引言

近二十年核能作为一种新的清洁能源得到了快速发展，核电厂就是利用原子核裂变反应释放的能量加热水产生蒸汽带动汽轮机发电的发电厂。我国海域辽阔、海水资源丰富，利用海水作为冷源来冷却核岛与常规岛的热量并将之带入大海，可以节约淡水资源，同时也可以降低发电成本。众所周知，海水是含盐浓度极高的电解质溶质，腐蚀性强，同时海水还含有泥沙，对海水系统管道带来了极大的腐蚀风险。国内核电厂海水管道因腐蚀而发生穿孔的事件也时有发生，影响了电厂的正常发电。核电站海水系统管道的腐蚀与防护正日益引起大家的关注。

目前，核电站海水系统碳钢管道的防腐主要采用涂层和阴极保护的联合保护防腐。然而传统的阴极保护防腐设计方法大多基于设计人员的经验，确认需要的辅助阳极和参比电极的数量及其布置方案，且设计时缺乏精细化的设计手段，对于复杂结构而言，设计保护效果往往达不到理想状态。核电厂海水系统的碳钢结构相比油气管线短而复杂，依然采用传统的阴极保护设计存在一定的风险。因此，核电厂亟需引入海水系统管道的腐蚀状态监测和评估技术。

1 数值模拟技术

随着计算机技术的发展，数值模拟技术开始应用于各个工程设计领域。上世纪七十年代末，美国学者首先将数值模拟技术应用于海洋石油平台的电流分布预测和阴极保护系统设计中。Carlo[1]基于有限元方法，利用开发的计算电流密度程序计算了平台复杂构件的腐蚀状态，并给出了阴极保护系统设计方案。国内数值模拟技术在阴极保护系统中应用的研究起步较晚。曹圣山[2]等对阴极保护系统设计问题的数学模型进行了算法设计，并通过实验验证。经过多年的研究发展，电化学腐蚀模拟的算法主要有三种，包括有限差分法、有限元法和边界元法。而针对海洋环境防腐系统的数值模拟问题，有限差分法和有限元法因其固有缺陷，无法实现有效应用，而边界元法降低了空间维数，大大降低了数值计算量[3]，显示出最强的适应性。

兰志刚等[4]综述了数值模拟技术在阴极保护和腐蚀预测问题中的应用，同时基于边界元方法，对导管架平台阴极保护系统进行数值模拟计算。杜艳霞[5]针对储罐结构，建立了阴极保护电位分布的数学模型，计算结果通过了实验验证。大连理工大学的研究人员针对船舶与海洋工程结构阴极保护数值模拟技术开展了大量的研究工作，取得了一系列高水平的研究成果。随着国内外基于边界元数值模拟的阴极保护设计在油气管道和储罐中的成熟应用，适用性越来越广泛，对核电厂海水管道的阴极保护优化有重大意义。核电厂复杂海水管道在进行阴极保护设计时，一方面可以利用数值模拟技术，优化辅助阳极或吸收阳极的布置，确保阴极保护电位；另一方面，对于阴极保护电位监测点可以优化布置，确保每个保护较差区域可以及时监控并反馈。本文将结合某核电厂循环水管道牺牲阳极阴极保护设计进行电位监测方案的优化。

2 循环水管道内壁牺牲阳极保护

某核电厂循环水系统中包含4列管道，每台机组分为A、B两列，海水通过两列循环水进口母管进入汽轮机厂房，之后分为6列支管分别与6台凝汽器水室相连。海水经过凝汽器换热后由6列支管汇流到2列循环水出口母管内，最后排入虹吸井，其中母管的内径为DN4100，支管内径为DN2700。管道采用Q235A钢板卷制焊接而成，设计壁厚34mm，管线总长约1244.4m，内部介质为海水。管道内表面采用涂料和牺牲阳极联合保护，涂料为佐敦公司的通用环氧耐磨漆/乙烯环氧漆/无锡自抛光防污漆涂层，牺牲阳极采用支架式Al-Zn-In-Mg-Ti合金牺牲阳极。

2.1 牺牲阳极规格

牺牲阳极的规格尺寸和质量应能满足阳极初期发生电流、末期发生电流和使用年限的要求。在本工程中阴极保护牺牲阳极均采用Al-Zn-In-Mg-Ti合金牺牲阳极，其阳极规格为牺牲阳极规格尺寸：（990+1010）×（140+180）×160mm，其结构如图1所示。铁芯为Ф40×5mm镀锌无缝钢管；铁脚为长度140mm的14#B型槽钢（镀锌）；钢管铁芯与槽钢铁脚满焊，焊缝连续、饱满。

2.2 牺牲阳极安装与布置

根据现场施工要求设计牺牲阳极的安装。本系统中牺牲阳极采用支架式牺牲阳极安装方法。为了能够较为均匀分布阴极保护电流，牺牲阳极的安装方式采用“八字形”安装，其安装图如图2所示。

图1 牺牲阳极外形结构图

图2 牺牲阳极安装方式图

牺牲阳极在进行布置时需要考虑循环水管道内壁巡检装置的冲突影响，在安装位置选择时需要进行一定的偏移。该偏移角度需尽量小，将牺牲阳极电流分布影响降至最小。偏移角度如图3所示。

图3 牺牲阳极安装角度图

3 数值模拟电位监测优化技术

为了获得数值模拟技术中电化学参数的输入条件，需要设计海水管道接近实际运行工况下的电化学试验。本工程中设计的电化学试验条件是在某核电厂循环水实际取水样的基础上，控制温度、加氯量以及涂层破损率进行的。其中温度控制在33℃，加氯量控制为1mg/L，涂层破损率为与实际同样工艺刷涂涂料的基础上进行人工破坏控制，选取末期破损率40%。工作电极从现场取样，并预制为10×10×5mm的电化学试样。根据以上条件进行极化曲线测试。其中极化曲线扫描速率为0.5mV/s，扫描范围为±300mV（vs.自然腐蚀电位）。经测试，其极化曲线如图4所示。

图4 海水管道模拟环境试验极化曲线

获取数值模拟仿真的输入条件后，根据核电厂提供的三维制作图建立数值模拟仿真的物理模型。建模时，为了能够节省计算量，将刷涂涂层的牺牲阳极支架进行一定简化，其他牺牲阳极本体规格大小以及安装位置完全按照实际布置建模。海水管道及牺牲阳极整体物理模型如图5所示。

结合电化学试验获取的极化曲线及建立的物理模型，进行数值模拟，并将结果输出为管道内壁表面的电位分布，如图6所示。由图中可以看出，牺牲阳极的整体保护效果较好，最低电位为-0.82V（vs.Ag/AgCl），处于阴极保护良好保护范围区间内。从图中还可以看出，牺牲阳极保护区间主要分为四类：（1）4.1m母管直管部分；（2）2.7m支管直管部分；（3）4.1～2.7m之间的三段变径管；（4）4.1m母管弯管部分。

图5 循环水管道数值模拟仿真物理模型

图6 循环水管道数值模拟仿真电位分布

阴极保护电位监测是评估被保护结构保护度的重要手段。一般为了能够反映整个结构的阴极保护效果，电位监测传感器的布置需要考虑典型区域及一些薄弱区域。对于牺牲阳极阴极保护而言，主要考虑管道存在欠保护的可能性。因此，本工程电位监测设计中，电位监测传感器至少包含4支，且在每个牺牲阳极保护电位区间各布置1支，如图6所示。其余备用电位监测传感器可根据实际要求考虑新增。

4 结论与展望

碳钢海水管道在滨海电厂中的冷源保障系统中应用比较多，且其阴极保护设计大部分采用传统的设计方法。而采用数值模拟技术优化阴极保护设计的应用来看，该技术对核电厂海水管道阴极保护电位监测等方面的优化具有重要指导意义。