核电站设备可靠性及失效分析国际研讨会--核电站阴极保护系统用牺牲阳极失效模式分析

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1、核电站阴极保护系统用牺牲阳极失效模式分析刘晓军，刘飞华（苏州热工研究院，江苏苏州215004）摘要：滨海核电站开式循环冷却水系统多采用海水作为冷却介质，由海水引起的腐蚀直接威胁系统安全可靠性，牺牲阳极阴极保护系统作为控制海水腐蚀最佳方案之一被广泛应用，然而直接决定阴极保护系统可靠性的牺牲阳极材料在国内多个核电站出现失效问题。本文通过对牺牲阳极材料工作电位、电容量、电流效率、溶解状况等电化学性能和材料化学成分进行分析，并对牺牲阳极制造原材料进行分析，结合牺牲阳极制造工艺对失效模式进行了研究。杂质元素含量超标、活性组分添加量不足、元素分布不均匀、制造原

2、材料不符合标准等因素是造成牺牲阳极失效的根本原因。针对牺牲阳极材料的各种失效模式提出了控制方案。关键词：阴极保护牺牲阳极失效模式核电站多分布在沿海地区，利用敞开式海水作为冷却剂可以有效解决解决淡水资源匮乏问题，但海水是腐蚀性极强的介质，必然会对系统中的金属结构产生严重的腐蚀。单纯防腐层由于涂层本身孔隙、施工过程中带来的缺陷等使得不能完全阻止腐蚀发生，防腐层和阴极保护联合保护方式被实践证明是非常有效的防腐手段，可以弥补防腐层本身缺陷[1]。牺牲阳极是牺牲阳极阴极保护系统中直接决定系统可靠性的部件，而牺牲阳极材料在国内多个核电站出现失效问题。为此本文重

3、点对出现的牺牲阳极失效案例进行分析，并提出相应的控制措施。1牺牲阳极失效模式分析1.1杂质元素含量超标某电站循环水系统所用铝合金牺牲阳极（A14型）经过一个大修周期运行后，溶解状况极差，表面基本未发生溶解。按照GB/T17848要求对其电化学性能进行测试，牺牲阳极电化学性能及标准要求见表1.表1铝合金牺牲阳极电化学性能Tab1Electrochemicalpropertyofaluminumsacrificialanodes开路电位/V工作电位/V电容量A·h·kg-1电流效率%消耗率kg·(A·a)-1样品-1.02-0.91~-0.92964.

4、633.39.08标准-1.18~-1.10-1.12~-1.05≥2400≥85≤3.65开路电位和工作电位明显正于标准要求，电容量、电流效率远小于标准值，消耗率也远大于标准限值范围，测试结束后，牺牲阳极表面呈蜡状产物，粘附于阳极表面不易脱落，形貌如图1所示。图1牺牲阳极表面形貌Fig1Morphologyofaluminumsacrificialanodes对化学成份进行测试，结果如表2所示，结果表明：主要成分元素均在标准要求范围之内，而杂质元素Fe、Cu、Si含量均远高于GB/T4948-2002要求。表2铝合金牺牲阳极成份Tab2Chemi

5、calcomponentsofaluminumsacrificialanodesZn/%In/%Sn/%Mg/%Fe/%Cu/%Si/%样品3.660.0260.0260.870.220.0200.22标准2.5~4.00.02~0.050.025~0.0750.5~1.0<0.15<0.01<0.1Cu、Fe、Si三种元素对牺牲阳极性能都存在负面效应。Lemieux[2]等研究表明铜含量超标后，铝合金牺牲阳极表面会生成附着力强的腐蚀产物，阻止牺牲阳极进一步溶解，造成牺牲阳极不溶解或溶解不均匀；Fe元素是铝合金有害的天然杂质，有研究表明铁浓度高于0

6、.12%时不管是固溶态还是金属间化合物形式(Al6Fe，Al3Fe)存在，都会形成阴极相，使电位正移，电流效率由于析氢损耗而大大降低[3]，同时，Fe元素会阻止In元素在铝合金中的扩散，使得In不能起到活化作用。J.T.Reding和J.J.Newport研究表明中指出纯度高于99.9%的铝必须详细说明合金的熔炼工艺，如果铝纯度降到99.7%，则牺牲阳极电流效率将会由90%降为70%[4]。Si在铝合金中溶解度很小，I.Gurrappa等[5]中指出过量的Si会导致电位升高，同时与Fe、Al形成Fe2SiAl8阴极相，降低电流效率。1.2活性组分添

7、加量不足某电站采购的备用铝合金牺牲阳极（A21型）按照GB/T17848要求对其电化学性能进行测试时，发现牺牲阳极电化学性能部分不满足标准要求，电化学性能参数见表3.表3铝合金牺牲阳极电化学性能Tab3Electrochemicalpropertyofaluminumsacrificialanodes开路电位/V工作电位/V电容量A·h·kg-1电流效率%消耗率kg·(A·a)-1样品-1.06-0.98~-1.052708.293.53.23标准-1.18~-1.10-1.12~-1.05≥2600≥90≤3.37电容量、电流效率、消耗率均在标准

8、限值范围内，但开路电位和工作电位明显正于标准要求。阴极保护过程中电流驱动力来自于牺牲阳极工作电位与被保护物极化电位(达到保