摘要：针对三门核电1、2号机组厂用水泵双相不锈钢材质的下预埋件的防腐问题，本文对比分析了阴极保护、涂层防腐以及预埋件材料更换等三种处置方案的优缺点；提出了铁合金牺牲阳极的计算方法，论证了铁合金牺牲阳极的阴极保护是一期工程厂用水泵的下预埋件防腐的最佳保护方案。本文提出的铁合金牺牲阳极的阴极保护方案可为电站后续不锈钢设备的防腐提供借鉴。
关键词：厂用水泵；不锈钢；下预埋件；防腐；铁合金牺牲阳极
Abstract:Based on the anti-corrosion issue of the duplex stainless-steel lower embedded parts of Service Water Pump on the Sanmen 1&2 Unit, this paper mainly discusses the advantages and disadvantages of the sacrificial anode cathodic protection, coating anti-corrosion and changing the material of embedded parts combined with the site situation. Finds that iron alloy sacrificial anode for cathodic protection is the best method of anti-corrosion for the Sanmen 1&2 Unit and provides the calculation of this method. Also some suggestions will be provided to draw lessons for the stainless-steel equipments’ anti-corrosion situations from the iron alloy sacrificial anode for cathodic protection motioned by this paper.
Keywords: Service Water Pump; Stainless Steel; Lower Embedded Parts; Anti-corrosion; Iron Alloy Sacrificial Anode
1.引言
三门核电1、2号机组配置8台立式长轴MP04厂用水泵，设计寿命为60年。为减少循泵启停对MP04厂用水泵的扰动及MP04厂用水泵自身运转时产生的振动，每台厂用水泵均安装有下预埋件(含辅助支撑)。厂用水泵下部预埋件位于-7.08m平台，与海水接触，因此对其材料的耐腐蚀性要求较高。交付现场的下部预埋件材料为S31803双相不锈钢，虽然它是一种比较优秀的耐海水腐蚀材料，在海水环境中均匀腐蚀的速度很低，但从长期运行角度考虑，厂用水泵工作时，来自泵本体的冲击力将传递到下部预埋件支撑部件，在海水环境中，支撑部件易发生点蚀和缝隙腐蚀。因此对双相不锈钢下预埋件采取一定的防腐措施是有必要的。
针对上述情况，通常可考虑采用牺牲阳极的阴极保护、涂装防腐层及更换预埋件材料三种处置方案进行防腐。本文通过对比分析这三种不同防腐处置方案的优缺点，确定满足工程现场实际需求的最佳处置方案。
2.防腐方案的选取
2.1牺牲阳极的阴极保护方案
在海洋环境中使用的不锈钢结构通常采用牺牲阳极的阴极保护技术来防止或减缓腐蚀的发生。目前国内常用牺牲阳极材料主要是镁合金、锌合金和铝合金等；而近年来，国内开始采用铁阳极作为牺牲阳极的材料，因此对于铁合金牺牲阳极的在核电工程应用的分析，对于后续机组不锈钢防腐具有一定的参考价值。
2.1.1镁合金牺牲阳极
镁合金阳极的特点是密度小、电容量较大、电流效率低、电位负，对不锈钢的驱动电压很大(>-1.2V)。在水介质中，镁表面的微观腐蚀电池驱动力大，保护膜易于溶解，镁表面难以形成有效的保护膜。镁的自腐蚀很强烈，在阴极上发生析氢反应2H++2e— H2。在海水中其腐蚀速度太快，寿命很短，适用于电阻率较高的土壤和淡水中金属构件的保护，因此不宜用于我司厂用水泵下预埋件的防腐。
2.1.2锌合金牺牲阳极
锌合金阳极的特点是密度大、电容量小，具有高的电流效率约为95%，对不锈钢的阴极保护驱动电位较低约为-0.7V。通常应用在电阻率小于500Ω.m的水中及电阻率小于15Ω.m的土壤环境。
2.1.3铝合金牺牲阳极
铝合金阳极具有密度小、电容量大、费用较低、寿命较长等特点，对不锈钢的阴极保护驱动电位约为-0.75V。铝阳极通常应用在电阻率小于150Ω.m的水中，铝阳极通常不在土壤中使用。铝化学性质活泼，极易钝化，表面易形成一层致密的Al2O3保护氧化膜，使其腐蚀电位较正，从而限制了它在牺牲阳极中的应用，而氯离子可以破坏钝化膜，因此一般用于海水环境。
2.1.4铁合金牺牲阳极
铁合金阳极电容量较大，材料来源丰富，费用低，铁对不锈钢的驱动电位为-0.25V，具有很高的电流效率可达97%。铁阳极表面溶解均匀且腐蚀产物易脱落，适用于海水环境。
2.1.5牺牲阳极方案对比分析
MP04厂用水泵下预埋件材质是双相不锈钢，不锈钢在海水中的自然电位一般在-250mV±50mV之间，根据-100mV极化电位差是经济的保护准则，厂用水泵下预埋件的保护电位负于-350mV即可达到有效的保护效果。下面将重点从驱动电位、阳极消耗和成本三方面对比分析适用于海水环境的铝阳极、锌阳极以及铁阳极方案。
（1）驱动电位
采用阴极保护来保护金属只需阳极的工作电位低于被保护体最低保护电位一定范围即可，若阳极工作电位过负，会使被保护金属过保护。当保护体电位过负，达到析氢气电位，析出的氢原子渗透到基体内部聚合形成分子，造成应力集中，形成细小裂纹，造成材料的脆化，即“氢脆”现象。对于不锈钢，会使其表面氧化膜还原，使腐蚀加剧。
表1 性能对比表
从表1可以看出：相比铁阳极，铝阳极和锌阳极工作电位较负，对不锈钢下预埋件的驱动电位远高于铁阳极对下预埋件的保护电位，易导致过保护，引起析氢以及应力开裂等问题。同时采取过低的电位保护，所需的保护电流就大，牺牲阳极的消耗就更快。
（2）阳极消耗
影响阳极消耗的主要有电容量、保护电流（输出电流）。
（3）阳极损耗率E与电容量Q之间的关系：E= 
（kg/A·a），即阳极损耗率与电容量成反比。
从表1可见，铝阳极的电容量最大，铁阳极的电容量次之，锌阳极的电容量最小；损耗率（kg/A·a）之比，铝阳极：锌阳极：铁阳极≈1:3.08:2.57。
（4）保护电流、阳极重量以及阳极体积的关系
保护电流与驱动电位关系：Ia=△E/Ra………………（1）
单块阳极平均发生电流与保护电流关系: Im=0.55Ia…（2）
阳极重量与单块阳极平均发生电流关系: W=
……（3）
阳极体积: V= 
………………………………………（4）
结合公式（1）-（4），可得：VAl:VZn:VFe=2.75：2.99：1
即同等保护年限，所需的铝阳极、锌阳极以及铁阳极的重量比约为1:3:1；对应的体积之比约为3:3:1，换言之，所需的铁阳极重量小且空间更小。此外，铁阳极的电流效率高达97%，锌阳极为95%，而铝阳极仅为85%。
（5）成本
铁阳极的资源丰富，价格低廉，成本远低于铝阳极和锌阳极。一期工程所需的牺牲阳极总费用预计6万元。
2.1.6阳极的安装
阳极采用平贴式安装，阳极的铁芯采用和下预埋件同样材质的S31803双相不锈钢，铁脚与辅助支撑采用点焊接的方式连接，为使下预埋件上的保护电流均匀分布，铁阳极应均匀分布。
综上，铁合金阳极比重大，电容量较大，电流效率高，与被保护不锈钢构筑物间的电位差适宜，自腐蚀率小，保护寿命长，成本和效果均优于锌阳极及铝阳极，可显著降低不锈钢构筑物的防蚀费用。同时，阳极在现场安装方便，因此采用铁合金牺牲阳极的阴极保护是一期工程厂用水泵下预埋件最佳的阴极保护方案。
2.2涂层防腐方案
根据现场实际工况，下部预埋组件需长期浸泡在海水中，本文以在海水环境中普遍使用的环氧重防蚀涂料为例进行论述。
2.2.1涂层配套方案
建议使用喷涂与刷涂两种施工方案供选择，使用时可根据工件的施工便利性选择施工方式进行涂料选择。涂料725L_H53_12P采用喷涂方式施工；涂料725L_H53_9S采用刷涂方式施工。损耗系数为刷涂20%，喷涂50%。
2.2.2表面处理要求
涂装表面在涂装前必须进行彻底清理，可采用机械打磨的方式进行表面处理，要求达到无锈、无氧化皮、无油污、无水和灰尘，并要求有一定的打磨痕迹。
2.2.3涂料的施工
涂装工作宜在说明书规定的温度及湿度条件下进行。各组份涂料分别搅匀后，再按配比混合搅匀，方可施工。如需加入专用稀释剂，稀释剂的用量不得超过涂料量的2%。在已处理好的表面涂上第一道底漆后，按照说明书中要求的涂装间隔，依次涂上后道面漆。
2.2.4涂层防腐方案的可行性分析
从实际经验来看，对于不锈钢材料，涂层防腐和阴极保护均有很好的防腐蚀作用。虽然涂层防腐方案在采购成本较低，预计一期工程总费用约为4万元。但在本项目中若采用涂层防腐方案，在现场施工及后续运行维护方面存在以下困难：
（1）由于三门核电厂用水泵下部预埋组件位于-7.08m平台，现场作业空间有限，会影响涂装前表面打磨处理，进而影响整个施工工艺以及防腐时效。
（2）涂层防腐有其固有的老化周期，不能达到厂用水泵60年的设计寿命要求，且中途不易维修。
（3）涂层良好的防腐性能是建立在涂层完好的状态下，一旦涂层有针孔或有破损，就会形成大阴极小阳极的腐蚀电池，使腐蚀集中发生在涂层针孔或破损的局部区域，会大大加速构件的点蚀，造成构件局部腐蚀破坏而报废。而厂用水泵在运行过程中的机械振动和碰撞可能会给下部预埋组件的涂层带来一定的破坏，使防腐效果的大大降低，甚至导致支撑部件的失效。
因此，对于三门核电一期厂用水泵下部预埋组件采取涂层防腐方案是不可行的。
2.3预埋件材料更换方案
此方案是拆卸已经预埋的双相不锈钢（S31803）组件，并重新安装防腐性能更优的超级双相不锈钢(S32750/S32760)的下预埋件。更优的材料性能是采用此方案的理论依据。
表2 双相不锈钢和超级双相不锈钢成分
备注：耐点蚀当量PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N
耐点蚀当量是不锈钢综合耐蚀性能的定量标示，耐点蚀当量越大，不锈钢的抗腐蚀性能就越好。结合表2可得出：双相不锈钢S31803的耐点蚀当量：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N≈30；超级双相不锈钢S32750、S32760的耐点蚀当量：PREN=%Cr+3.3%Mo+16%N>40。超级双相不锈钢S32750/S32760具有更强的抗腐蚀能力。
表3双相不锈钢和超级双相不锈钢的力学性能
此外，超级双相不锈钢（S32750/S32760）的机械性能，尤其是抗拉强度和屈服强度，均优于双相不锈钢（S31803）。
因此，理论上更换下预埋件材料是一种可行的方案。
但三门核电厂用水泵下部预埋件位于-7.08m平台，支撑着混凝土套筒，如更换下预埋件材料，需要凿除+4.28m部分楼板、-7.08m层楼板以及布置在其上方的混凝土套筒（直径为1.2m，厚度为0.5m左右），工程量十分大，建安施工工期约为8个月。此外，旁边新增的MP04泵的开孔直径已达3.2m，如果对已经完成浇注的楼板进行开孔，则可能对该层中部楼板的受力产生破坏性影响，对于整个楼板结构的影响也需要进行详细的计算分析。虽然此方案可以一次性解决材质的问题，但存在施工难度大、周期长且对现场构筑物存在一定风险性的影响，同时费用将大大增加。因此更换预埋件材料方案在当时的工程情况是很难执行的。
3.铁合金牺牲阳极保护方案的计算分析
如上文所述，三门核电一期工程的厂用水泵，设计寿命为60年，下部预埋组件将长期在海水中运行。采用铁合金牺牲阳极保护法是三门核电一期工程已经安装MP04厂用水泵下预埋件最佳的防腐方案，下面将具体介绍铁合金合金牺牲阳极的计算。
（1）阳极尺寸选取
由于牺牲阳极需要焊在下预埋件组件辅助支撑上，因此阳极的尺寸必须满足可以在辅助支撑表面安装的条件。结合辅助支撑尺寸，选用的铁合金牺牲阳极规格为：300x70x70mm，单块阳极重量为11.6kg。
（2）阳极数量设计
N=
……………………（1）
式中，
I：保护电流的数值，A;
Ia：每支阳极发生的电流数值，单位为安培A。
（3）保护电流的计算
I=
……………………（2）
式中，
In：下预埋件所有表面状态下的保护电流密度的数值，单位为mA/㎡;根据法规，裸露的不锈钢In =150~200mA/㎡，钢筋混凝土内的钢筋In =2~5mA/㎡；
Sn:下预埋件所有表面状态浸水面积的数值，单位为㎡。
（4）牺牲阳极发生电流量计算
每支阳极发生电流按公式（3）计算：
Ia=△E/Ra……………………（3）
式中，
△E：铁阳极驱动电位，V；取△E=0.25V；
Ra：阳极接水电阻，
。
阳极采用平贴式安装，阳极接水电阻按照公式（4）计算：
Ra= 
……………………（4）
Ra：阳极接水电阻，
；
：海水电阻率，Ω cm，取电阻率ρ=35Ω∙cm；
L：牺牲阳极长度，cm；
B：牺牲阳极宽度，cm；
H：牺牲阳极厚度，cm。
将有关数据代入（1）、（2）、（3）、（4）求得：
阳极接水电阻：
；
阳极发生电流量：
；
阳极数量N≈2.2（支），取安全系数为0.5~0.55，同时根据阳极均匀对称分布原则，最终选取阳极的数量N=6支。
（5）阳极规格
阳极的设计寿命为5年,则
1）阳极的重量W=
……（5）
式中
t：牺牲阳极设计寿命，a；
W：单块阳极净重，kg;
E：铁牺牲阳极损耗率，kg/A·a，实取9.37kg/A·a；
μ：牺牲阳极有效利用系数，取μ=0.85；
Im：单块阳极平均发生电流，A/块，取Im=0.55Ia。
将相关数据代入（5）式，得：
铁阳极的理论重量为W=11.03kg。
所选取的单块阳极的尺寸为300*70*70mm，单块阳极的重量为W=11.6kg＞11.03kg满足要求，即所选取阳极规格满足要求。若不满足则需按照以上步骤重新选取并核算。
（6）牺牲阳极阳极使用寿命核算
t=
……（6）
将有关数据代入（6）式，得：
该阳极的使用寿命约为5.3年，满足5年设计寿命要求，届时应根据阳极的使用情况进行更换。
4防腐方案的改进及后续运行维护建议
厂用水泵下预埋件采用牺牲阳极的阴极保护防腐方案，由于下预埋件辅助支撑与泵体之间安装有丁腈胶条，下预埋件与泵体之间无电性连接。因此，鉴于厂用水泵在海水中运行，存在产生局部腐蚀的可能性。建议：
（1）在下预埋件与泵体之间建立电性连接，使得牺牲阳极保护方案同时保护泵体。
（2）定期对MP04常用水泵进行盘车，避免因长期浸泡在海水中由于海底微生物附着造成腐蚀现象。
（3）在一期厂用水泵运行过程中应注意监测保护电位，确保牺牲阳极正常工作。
5.结论
本文通过对比分析牺牲阳极保护、涂层保护以及更换预埋件材料等三种方案的优缺点，结合一期工程厂用水泵下预埋件已经完成施工的实际情况，及对下预埋件辅助支撑的铁合金阳极的设计计算，得出以下结论：
（1）在已经完成下预埋件施工的前提下，采用铁合金牺牲阳极保护是最佳的防腐方案。本方案可为海水介质的不锈钢设备防腐的提供借鉴。
（2）在后续机组厂用水泵下预埋件的采购中，重点关注采购规范书中关于下预埋件的材质的要求。
（3）对于后续机组，厂用水泵下预埋件可选用防腐性能更优的超级双相不锈钢。
参考文献
[1]顾军，缪亚民，范福平等，AP1000核电厂系统与设备，北京：原子能出版社，2010
[2] 胡士信，阴极保护工程手册，北京：化学工业出版社，1999,1
[3]罗桃红，龙萍，杨世伟等，铁基材料的牺牲阳极性能，腐蚀与保护，1999,20（1）：22-23
[4]GB/T 16166-2013，滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极的阴极保护
论文作者:黄斌
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第10期
论文发表时间:2017/10/26
标签：阳极论文; 预埋件论文; 牺牲论文; 用水论文; 不锈钢论文; 电位论文; 方案论文; 《建筑科技》2017年第10期论文;