地下管网阴极保护系统检测与评估.doc

秦山第三核电有限公司地下管网阴极保护系统检测与评估翟云皓 王旭 吴林华 朱秀娟 武烈 徐乃欣 摘要：核电厂的管线多、结构复杂、又呈平行或交叉，对地下金属构筑物的保护是不可忽视的重要问题。本文对秦山第三核电有限公司的阴极保护现状和地下管网的腐蚀状态做全面的调查与测量，在数据分析的基础上，作出正确的评估和提出整改措施。 关键词： 核电厂 阴极保护 评估 整改 核电厂的管线多、结构复杂、又呈平行或交叉，比起埋设在油田土壤的长输管道来，更容易发生各种宏观电池腐蚀，所以对地下金属构筑物的保护是不可忽视的重要问题。秦山第三核电有限公司坐落在浙江省海盐县，是我国首座商用重水堆核电站，是中国和加拿大两国迄今为止合作的最大项目。 因秦山第三核电有限公司现场安装的阴极保护系统自调试运行以来，至今未达设计要求，为明确阴极保护效果、被保护对象的腐蚀状况和后续处理方向，及时采取有效整改措施，我公司对该区的阴极保护现状和地下管网的腐蚀状态做全面的调查与测量，在数据分析的基础上，作出正确的评估和提出整改措施。1地下构筑物和阴极保护设计的基本情况 核电厂的管线多、结构复杂、又呈平行和交叉。要对秦山第三核电有限公司地下管网进行阴极保护检测与评估，首先必须查明进行阴极保护的地下构筑物情况。由于原设计将地下管网分为两个区域（NSP区和BOP区），由两家公司设计，故本文将分NSP区和BOP区介绍阴极保护的地下构筑物和阴极保护设计的基本情况。1.1 NSP区阴极保护地下构筑物和阴极保护设计的基本情况NSP区保护的管线主要有四条消防水管道和两条应急水管道，保护面积有1700多平方米。NSP区域阴极保护系统为外加电流阴极保护，安装了三台整流器，是加拿大CORPRO公司产品，型号TASC， 380V交流供电，输出直流电60V/12A，为恒定电压模式。NSP区域辅助阳极为高硅铸铁阳极。设计文件明确要求辅助阳极与被保护管道之间的距离最少为12英尺。每台整流器带10只辅助阳极，平行管道一侧均匀分布，每台仪器保护范围内设置一个或两个测试桩，每桩安装一个固定参比电极，其参比电极为Cu/CuSO4长效参比电极。1.2 BOP区阴极保护地下构筑物和阴极保护设计的基本情况BOP区保护的管线较多，且分布较复杂，保护面积有1400多平方米。BOP区域阴极保护也是外加电流方式，系统安装了二个整流器，是MATCOR公司的产品，型号为MASYTH5025LM，380V交流供电，输出直流电50V/25A。BOP区域的辅助阳极为MATCOR SPL系列柔性阳极。整个BOP阴极保护系统共有6条辅助阳极。辅助阳极沿管道一侧平行铺设。每台整流器连接3条辅助阳极。设置45个测试桩，每个测试桩安装一只固定硫酸铜参比电极，每台仪器的保护范围内设置了812个阴极汇流点，并可测其电流。上述两个保护区域的管道与其它管道连接时，均设计绝缘法兰，管道之间设计有均压线。2阴极保护系统调查与评估2.1 阴极保护的评判标准 在阴极保护技术的工程应用中，进行阴极保护的设计、控制和效果评定都以测量被保护结构物的极化电位是否达到保护电位为依据。保护电位有一个范围，这就涉及两个重要的参数最小保护电位和最大保护电位。当被保护结构物的电位处于这个电位区间时，即达到了有效的保护。有关最大保护电位的限制应根据覆盖层环境确定，以不损坏覆盖层的粘结力为准。对环氧煤沥青一般取1.5V (相对CSE),对熔结环氧涂层一般取1.25V (相对CSE)，超过这一保护电位,会引起析氢反应,造成涂层破坏。 在上述几种标准中，对钢铁的阴极保护电位-850mV(相对CSE,去IR降)在世界范围内广泛使用，-100mV极化电位差是经济的保护准则。考虑到现场管道周围主要是回填砂，土壤电阻率较大的情况，在以后整改及评估中建议主要采用-100mv极化电位差的保护准则。2.2阴极保护运行状况的现场检测1)直流电源。首先检查整流器的输出电压和电流，可以通过整流器的盘表读数，也可用数字万用表校核。阳极分路电流输出通过测量阳极端子箱分流器上的压降得到。2)保护电位测量。通常用永久参比电极或便携式参比电极测量电位。在秦山现场，每个测试站附近都安装了永久的铜/硫酸铜参比电极，可以测永久参比电极附近的管道保护电位和自然腐蚀电位。沿线电位分布本应用流动的便携式参比电极进行测量。但由于地面全部是厚50厘米以上的纯碎石铺填层，故无法进行测量。所以便携式参比电极只能用在开挖深坑处检测。3)自然电位测量。断电一天后测量管道自然腐蚀电位，也是在测试桩测得。现场调试。整流器的给定电位、输出电压、电流和分路阳极电流在这次调查中均未调整。2.3NSP区域阴极保护检测结果分析1) 由NSP厂区阴极保护系统的现场检测结果及通电运行测试记录。整流器有直流电压和电流输出，而且整流器面板读数跟数字万用表读数基本一致，表明面板表盘测试和显示正常。但整流器的给定电位、极化电位、输出电压、电流和分路阳极电流均无法调试。整流器的输出是稳定的，但分路电流不能调，对于NSP区域保护的不均匀性无法调整，使之达到设计要求，可以认为这样的整流器不适用。2) 三台整流器所保护的范围差别不大，但所输出的电压、电流差别较大，原设计为60V/12A，要求回路电阻小于6，但实测回路电阻均超过了15。这与实际土壤电阻率大和阳极接地电阻可能与设计不相符有关。3)阳极分路电流，即电流分配很不均匀，例如RF-7001整流器所带10支阳极，输出总电流为1.05A，10支阳极的分电流有比较大的差别，近半数阳极输出电流接近于0。另外RF-7003的A3-5分阳极电流过大，其负载线已被断开。NSP区域辅助阳极由于没有一一开挖进行检查，因此无法判断阳极使用寿命。但从输出电流可知，阳极的运行不正常，其消耗也差别很大。4)保护电位。五个测试站，只有P1-1符合阴极保护标准要求，P1-2处于过保护状态，P2-1，P2-2，P2-3则处于欠保护状态。其中P1-1和P1-2测试桩电位较负，主要原因是参比电极放在阳极附近。而其余三个测试桩，参比电极均在两个阳极中间。五个参比电极运行状况基本正常。5)由于电流分配不均，必然导致管道保护电位不均，因测试桩设置偏少，不能完全反映NSP区域管道的保护状况。总之，从保护电位判断，NSP区域管道大部分未达到保护标准，而且阳极分路未设置调节电阻，不可以增大或减少电流，使保护电位达到要求。2.4BOP区域阴极保护检测结果分析1）由BOP厂区阴极保护系统的现场检测结果及通电运行测试记录。同NSP区域整流器一样，BOP两台整流器有直流电压和电流输出，而且整流器面板读数跟数字万用表读数基本一致，表明面板表盘测试和显示正常。但整流器给定电位、极化电位、输出电压、电流很难调整，而分路阳极电流无法分别进行调试。也即整流器输出是稳定的，但每条阳极的输出电流不可调。2）BOP区的回路电阻跟NSP区相比明显要低得多，整流器RF-4001的回路电阻在1.6欧姆左右，而整流器RF-4002的回路电阻不到1.3欧姆。这可能跟这里使用了柔性阳极有关。3）BOP区域阳极的分路电流相对比较均衡。每只阳极均有分路电流输出， 均处于工作状态，所以BOP区域辅助阳极还可以利用。但每台整流器所带三路阳极不能分别调节输出电流大小，需要调整。4）保护电位。显示出都有一定程度的保护，9个测试桩中有两个测试桩的保护电位数据达到要求，三个测试桩处于欠保护状态，还有三个测试桩处于过保护状态，一个参比电极可能埋设出现问题，测不出保护电位。 5）在BOP区域还存在多根测试线故障，在2003年检测出后，并未做切实的整改措施，故障依然存在。2.5杂散电流干扰 依据”SYJ 23-86 埋地钢质管道阴极保护参数测试方法” 的方法，进行干扰电压测量本工程的保护范围内,杂散电流的干扰源主要为高压线。从检测数据看,杂散电流干扰很小。但由于现场测试条件限制，所测位置离高压线有一定距离，因此在高压线密集区仍有可能存在杂散电流干扰。3秦山第三核电有限公司地下管网腐蚀环境调查测量3.1土壤理化性质及其影响 根据SY/T 0087-95“钢质管道腐蚀与防护调查方法标准”要求，土壤理化性质应测量以下参数：土壤电阻率、氧化还原电位、含水率、土壤pH值、可溶性盐总量以及碳酸根、氯离子、硫酸根等离子。土壤理化性质对土壤腐蚀性的影响可依据表所列全国土壤腐蚀网勘测分析规程(试行)的评价指标来评估。表1 土壤腐蚀性评价指标腐蚀性 强 中 弱电阻率(m) 20 20-50 50pH值 4.0 4.0-6.1 6.1含水量() 12-25 7-12或25 7总盐量() 0.5 0.5-0.05 0.053.2土壤理化性质测量结果与分析 土壤物理性质和电化学参数的测定，包括土壤含水量、土壤电阻率、土壤含盐量、土壤PH值等，均按照国家科学技术委员会和国家自然科学基金委员会组织“全国土壤腐蚀试验网站”编写的“材料土壤腐蚀试验方法”进行。取样分析结果见表2。表2 土壤理化性质数据表样品编号pH含水量盐分碳酸根硫酸根氯离子水土比2.5:1%g/kgmg/kgmg/kgmg/kgK1-1管道回填沙9.37.40.28N.D.10.735.3K1-2土壤9.38.30.66N.D.10.034.2K2-2管道回填沙9.28.10.19N.D.3.113.6K2-3管道回填沙9.219.20.23N.D.5.118.2海泥取样8.264.43.50N.D.342.4206.23.2.1土壤含盐量及pH值测试结果及分析 在秦山第三核电有限公司地下管网区域，由于其周围都是回填砂，含盐量并不高，腐蚀性不很强。但由于现场处于海盐秦山东南之麓，濒临杭州湾，三面环海为海洋性腐蚀环境所包围，在高温多雨气候条件下，地质母质风化强烈，物质淋漓和淀积交替发生。在海盐周边土壤含盐量很高。随着时间的推移，地下管网区域回填土含盐量将会逐渐增加，腐蚀性也会越来越强。3.2.2土壤电阻率检测分析表3 土壤电阻率表位置K1-1 NSPK1-2 BOPK2-1 BOPK2-2 NSPK2-3 NSP站台海边土壤电阻率（m）413.11361.16628.3345.56420.9724.51 秦山核电现场选6处测试土壤电阻率，结果如表3所示。该区地下管网回填砂土壤电阻率均大于50欧米，而在海边土壤电阻率测量则在2050欧米。表明海盐原土壤的基本属性的测量数据分析可属中等偏上的较强腐蚀等级。而在地下管网区域由于为回填砂，目前土壤电阻率较大，土壤腐蚀性不强。而当含盐量随着时间的推移而逐渐增大时，土壤电阻率也将会逐渐降低。3.2.3土壤氧化还原电位测量及结果分析表4 土壤氧化还原电位测试结果位置K1-1 NSPK1-2 BOPK2-1 BOPK2-2 NSPK2-3 NSP氧化还原电位（mV,SHE）572.4579.7528.3557.4568.5 氧化还原电位的测量结果见表4。由表可见，测得的土壤氧化还原电位较高，按表3标准可以认为土壤的生物腐蚀性较小。4秦山第三核电有限公司地下管网探坑外防腐涂层和管道腐蚀状况检测 根据SY/T 0087-95“钢质管道腐蚀与防护调查方法标准”的要求，采用无线涂层检漏，确定地下管线防腐涂层的破漏点，再根据现场的情况，选定了开挖探坑点，直接进行观察测量，结合其它参数的测量结果，进行数据分析。4.1外防腐蚀涂层状况检测 经开挖检测，BOP区域地下管网的外防腐以环氧煤沥青为主，而NSP区域地下管网的外防腐以喷涂粉末环氧为主。 在4处探坑中发现有相当多的涂层损坏点，每处开挖点均有涂层完全剥落现象，露出腐蚀产物和大小不等的蚀坑，见图1-4。NSP区域涂层已经失光，局部涂层与金属壁失去粘结力，有的已经与金属表面脱开，涂层脆性增大，老化严重。表5为涂层粘结力测量结果，从此表可以看出，粉末环氧粘结力比环氧煤沥青要好。但两者粘结力均不很大。 图1：K1-1腐蚀点图例 图2：K1-2 腐蚀点图例 图3：K2-2腐蚀点图例 图4：K2-3腐蚀点图例 涂层厚度检测结果见表6。从涂层厚度测量数据可以看出，涂层厚度涂刷很不均匀，且由于管道在运输 埋设施工过程中，造成管道局部涂层损坏较严重，且未预修补，造成管道的局部腐蚀。 表5 涂层粘结力表位置K1-1 NSPK1-2 BOPK2-2 NSPK2-3 NSP粘结力（Kg/cm2）3.5-4233.5-4.63.5-4表6 涂层厚度表坑号管道编号涂 层 厚 度(mm)k2-2980134619120.98 1.15 1.28 1.20 1.26 0.50 0.45 0.90 0.98 1.40 98013461910.80 0.70 0.58 1.00 0.70 0.65 0.70 0.90 0.81 1.20 9801741973001.20 1.18 0.98 1.20 0.70 0.86 1.10 1.20 1.20 1.10 另外还使用电火花检测仪对地下管网涂层质量进行了测试，发现地下管网涂层质量相对较差，每一管道并不是只有几个漏点，而出现大面积涂层检漏，0.5KV都通不过，现有涂层质量低下。 4.2管道腐蚀情况检测 地下管网由冷却水、消防水、生活水等多种管系组成，其中大部分为埋地钢质管线，少量采用水泥管材。由于地下管网阴极保护系统运行不正常，使地下管网腐蚀情况较为严重，而管道维修又相当困难。 地下管网已正式投入运行将近七年之久，而自地下管网投产以来，由于施工造成涂层的各种破损未予修补，加上阴极保护系统一直未正常运行,造成严重的局部腐蚀。测出4个探坑中管道最深的腐蚀坑的腐蚀深度，最大的腐蚀深度达到1.25mm，局部腐蚀速度最大达到0.18mm/a，而管道壁厚设计的腐蚀裕量通常仅1至2mm，而且局部腐蚀是加速的。根据邻近核电站，地下管网阴极保护改造类似经验，预期5年内有可能发生腐蚀穿孔，需要引起高度重视，必须尽快采取整改措施。5秦山第三核电有限公司地下管网阴极保护系统和环境腐蚀性评估（1）从资料、图纸和现场测量分析，原设计采用的直流电源的容量、辅助阳极的选择和布置基本上是合理的。但原设计也存在不足如：设计时未充分了解秦山第三核电有限公司土壤电阻率；管道分路电流均不可调，以致无法调整各部分管道的保护电位，达不到设计标准；另外测试桩的布置偏少，在采用整流器的情况下没有明确如何进行断电电位的测量。需要指出的是，秦山现场的一系列保护电位测试结果包含了显著的IR 降。有不少部位的通电电位明显负于断电电位。在不少情况下，通电条件下的保护电位数值达到2.2 V，远远超过了通常最高保护电位的允许范围（1.5V），但断电瞬间的保护电位数值则比较合理，两者的差别就来源于 IR 降，原因是周围地下土壤的电阻率高，在通电时产生了过大的 IR 降。为了获得准确的电位测量结果，消除IR 降的实用办法是：采用断电去极化法进行测试，建议采用专门的仪器通过断电法测试，记录断电前后的电位变化，仅需要数秒时间就可以得出准确的保护电位数据。很可惜，这一次在现场没被允许进行断电测量。（2）系统的运行状态 NSP和BOP的整流器直流电压和电流输出稳定，而且整流器面板读数跟数字万用表读数基本一致。但整流器给定电位、极化电位、输出电压、电流和分路阳极电流均不易调整。由于现场每只阳极保护范围和管道所处环境的不均匀，必须采用可调式的直流电源，不可调的电源不适用。NSP区域三台整流器所保护的范围差别不大，但所输出的电压、电流差别较大，原设计为60V/12A，要求回路电阻小于6，但实测回路电阻均超过了15。这与实际土壤电阻率大和阳极接地电阻可能与设计不相符有关。另外，NSP阳极分路电流，即电流分配很不均匀，另外RF-7003的A3-5分阳极电流过大，其负载线已被断开。其中也可能与施工有很大关系，NSP区域辅助阳极由于无法一一开挖进行检查，因此无法判断NSP区域辅助阳极是否运行正常及其寿命。因此NSP阴极保护系统要调试至正常较难。BOP区的回路电阻跟NSP区相比明显要低得多，整流器RF-4001的回路电阻在1.6欧姆左右，而整流器RF-4002的回路电阻不到1.3欧姆。BOP区域阳极的分路电流相对比较均衡合理。每只阳极均处于工作状态。但每台整流器所带三条阳极不能分别调节输出电流大小。如果采用分路电流可调的整流器进行调试，或许可使该系统投入正常运行。BOP区有一只参比电极测不出电位，且有两根阴极测量线有损坏.（3）系统的保护状态 保护电位。通过测试站检查结果看，如果依据0.85V的标准判别，则20达到保护电位，27处于过