核电厂蓄电池阳极柱腐蚀机理分析

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摘要：参与某核电站的核岛蓄电池在调试阶段发现了阳极柱腐蚀情况，因为蓄电池在核电站直流及UPS系统中的重要作用，分析腐蚀原因尤为关键。经过各种可能原因的排查和分析，最终确定了工程阶段存在的设备维护保养问题。通过预防措施的制定和实施，问题得到有效的解决。

关键词：核电站；蓄电池；极柱腐蚀

1.引言

直流及UPS系统是核电厂厂用电系统的组成部分，它能保证在任何故障情况下可靠地向其用电设备提供电源，承担着事故直流油泵、应急柴油机控制盘、核反应堆保护组、停堆断路器和核仪表等重要负荷的供电作用。蓄电池作为直流及UPS系统中最重要的设备，在正常运行期间，承担瞬态尖峰负荷，通过短时放电保持系统输出稳定；在外部电源丧失的情况下，蓄电池能够维持直流及UPS系统最低1个小时的供电，保证重要负荷的持续供电，确保核电厂的安全[1]。

针对某核电站核岛蓄电池出现的阳极极柱腐蚀的现象，为了给机组运行和设备安全提供保证，需要对蓄电池腐蚀的原因进行分析，评估影响并预防问题重发。

2.腐蚀情况概述

现场核岛蓄电池出现的极柱腐蚀现象有以下几个特点：阳极柱表面脱皮严重；发生腐蚀的蓄电池电压和密度均在正常范围内；脱皮只发生在阳极柱，汇流排和极板无明显腐蚀现象。

从该厂家蓄电池在其他领域的使用情况看，用户一般是要求干态出厂，厂家指导充液，使用中未出现腐蚀情况。核电蓄电池是带液出厂，在电站正式运营以后，5年左右也会陆续出现极柱脱皮的现象。蓄电池到厂2年左右，机组仍在调试启动阶段，极柱即出现腐蚀情况并不多见。

3.腐蚀原因分析

3.1电解液成分鉴定

引起自放电的主要杂质有铁、锰和硝酸根。由于这些杂质的电极电位都低于Pb02的电极电位，都会引起Pb02自放电，自放电产物Fe3+、Mn04-、N03-等溶于硫酸溶液中，它们在正负极之间来回扩散，反复发生反应，引起正极和负极的自放电连续进行。因此，电解液必须净化。所以极柱腐蚀的原因分析从电解液的离子含量开始

Pb02+3H++HS04-+2Fe2+→PbS04+2H20+2Fe3+

Pb+HS04-+2Fe3+→PbS04+H++2Fe2+

电解液的成分鉴定通过取样后在试验室进行，以铁含量的测定为例，主要通过二价铁离子与邻菲罗啉在水溶液中反应生成橙色络合物，吸收峰在510nm处，有色溶液的吸光度与二价铁离子的浓度成正比的原理[2]。测得吸光度差值从标准曲线上查出对应的铁质量，利用如下公式计算百分含量。

式中：m—由标准曲线查出的水样中的铁含量，mg；

V—水样体积，mL。

从现场取得的两份腐蚀电池的电解液样品，根据所得吸光度差值从标准曲线上查出对应的铁质量，试样1=0.0000195g；试样2=0.0000219g；试样质量：试样1=1.50124g；试样2=1.49987g；计算可得铁的百分含量分别是：试样1=（0.0000195/1.5）*100=0.00130；试样2=（0.0000219/1.5）*100=0.00146

根据蓄电池用硫酸标准HG/T2692-2007规定，现场样品（铁的质量分数小于等于0.002）符合一等品指标，极柱腐蚀蓄电池的电解液取样指标正常。

3.2自放电的影响

蓄电池到现场后需经过库房保存，安装等环节，较长周期得不到补充电，自放电使正极铅柱活性物质发生分解形成PbSO4。PbSO4生成的速度慢，但累积效应强，容易生成较大的颗粒。由于PbO/PbO2/PbSO4及极柱合金本体Pb在体积上有差异，但极柱表面积是不变的，自放电产生的PbSO4因为体积最大会在极柱表面产生应力。应力加大会破坏分子间的连接，产生缝隙。因为极柱本体的强度足够大，所以形变会向极柱体外发展。当应力大于外表面与极柱体的连接力时，会出现阳极柱脱皮腐蚀现象。从现场蓄电池的极柱腐蚀情况来分析，腐蚀集中在阳极柱，且出现腐蚀的蓄电池从到货、安装到调试充电的时间最长的超过8个月，从理论分析和实际情况对比来看，蓄电池维护保养存在问题，长期未补充电是极柱腐蚀的主要原因。

蓄电池正极柱的极芯是铜，主要作用是减少内阻，使得在充放电过程中有良好的导电性。在现场处理极柱腐蚀问题时，一方面对阳极柱腐蚀的蓄电池进行10h放电，核对自放电对蓄电池容量的影响，并且通过充放电消除自放电产生的硫酸铅[2]；另一方面考虑硫酸铅的阻值较大，测量了阳极柱腐蚀蓄电池的内阻，保证导电性良好。通过现场的处理和试验，蓄电池的参数正常，阳极柱腐蚀没有影响蓄电池的性能。

4.预防蓄电池极柱腐蚀的措施

针对蓄电池现场的维护保养问题，现场优化了从设备出厂到调试运行的计划安排，突出了蓄电池维护保养的及时性和有效性。制定了四项措施：通过发函明确蓄电池到货时间，原则上现场电源条件具备后蓄电池再到货、安装；蓄电池出厂前完成一次蓄电池补充电，蓄电池到货后提供出厂前的充电记录；厂家安排人员到现场提供技术支持，配合安装部门利用已有电源或设备进行补充电，保证蓄电池在安装阶段维护保养措施有效；合理安排调试逻辑，利用临时措施保证充电器尽早可用，使蓄电池组在调试阶段直至正式移交有较好的电源保障。通过以上四个措施的实施，现场后续到货安装的蓄电池组没有再发生极柱腐蚀现象。

5.结语

从电化学的角度分析了核电站蓄电池阳极柱腐蚀的原因，确定了蓄电池供货、安装、调试的逻辑关系，加强了工程建设阶段各项维护保养措施。核岛蓄电池组因未及时补充电造成的极柱腐蚀问题得到了有效预防。

参考文献：

[1]陈军；祖友军；曾森等.CPR1000压水堆核电机组电气系统调试理论与实践[M].1版.沈阳：辽宁大学出版社，2013：145-148.

[2]中华人民共和国化工行业.HG/T2692-2007蓄电池用硫酸[S].北京：化工行业出版社，2007