Содержание к диссертации
Введение
1 Проблемы при эксплуатации теплообменных труб горизонтальных парогенераторов 10
1.1 Конструкция парогенераторов 10
1.2 Повреждения теплообменных труб в процессе эксплуатации 12
1.3 Динамика повреждений теплообменных труб в процессе эксплуатации 13
1.4 Механизмы образования повреждений металла теплообменных труб 19
1.4.1 Образование и развитие питтингов 19
1.4.2 Образование и развитие трещин 21
1.4.3 Образование и развитие коррозионных язв 23
1.5 Факторы, влияющие на активизацию механизмов образования дефектов 25
1.5.1 Загрязнение теплообменных труб отложениями 25
1.5.2 Тепловой поток через стенку теплообменной трубы 27
1.5.3 Водно-химический режим второго контура 30
1.6 Расчетные оценки ресурса теплообменных труб 37
1.7 Выводы по разделу 42
2 Исследования коррозионных процессов на теплообменных трубах 44
2.1 Экспериментальный стенд и модель трубных пучков 44
2.2 Испытания на модели трубных пучков 47
2.2.1 Общая характеристика испытаний на модели трубных пучков 47
2.2.2 Измерения окислительно-восстановительного потенциала среды второго контура 52
2.3 Контроль методом вихревых токов теплообменных труб модели 58
2.4 Оценка влияния режимов эксплуатации парогенератора на зарождение и развитие коррозионных дефектов 59
2.4.1 Стационарный режим генерации пара 59
2.4.2 Нестационарные и стояночный режимы 66
2.4.3 Анализ влияния режимов эксплуатации модели трубных пучков на образование дефектов на теплообменных трубах 66
2.5 Выводы по разделу 80
3 Исследования несущей способности теплообменных труб с дефектами 83
3.1 Характеристика проведенных испытаний и исследований 83
3.2 Результаты исследований по оценке несущей способности теплообменных труб с искусственными дефектами 86
3.3 Результаты исследований по оценке несущей способности теплообменных труб с натурными дефектами 88
3.4 Выводы по разделу 92
4 Расчетные оценки интенсивности деградации теплообменных труб при эксплуатации парогенераторов 93
4.1 Исходные данные для расчетов 93
4.2 Расчетная оценка накопления отложений и хлоридов 100
4.3 Расчетная оценка критических концентраций хлоридов 103
4.4 Расчетная оценка роста питтингов 106
4.5 Расчетная оценка роста трещин 109
4.6 Выводы по разделу 114
Выводы по работе 117
Список литературы 118
- Динамика повреждений теплообменных труб в процессе эксплуатации
- Измерения окислительно-восстановительного потенциала среды второго контура
- Результаты исследований по оценке несущей способности теплообменных труб с искусственными дефектами
- Расчетная оценка критических концентраций хлоридов
Введение к работе
Актуальность работы
Согласно Федеральной целевой программе "РАЗВИТИЕ АТОМНОГО ЭНЕРГОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА РОССИИ НА 2007 - 2010 ГОДЫ И НА ПЕРСПЕКТИВУ ДО 2015 ГОДА" предусматривается ускоренное строительство атомных электростанций и ввод в эксплуатацию 10 новых энергоблоков атомных электростанций общей установленной мощностью не менее 9,8 ГВт. Основная часть этих энергоблоков будет оснащена реакторными установками с ВВЭР.
В АЭС с легководяными реакторами типа ВВЭР одним из важнейших элементов РУ является парогенератор (ПГ).
В настоящее время на АЭС с ВВЭР эксплуатируются ПГ типа ПГВ-440 и ПГВ-1000. На ряде АЭС парогенераторы типа ПГВ-440 эксплуатируются за пределом проектного срока службы 30 лет. Максимальная наработка ПГВ-1000 различных модификаций достигла более 170 тысяч часов.
Всего в эксплуатации находится 162 ПГ типа ПГВ-440 и 112 типа ПГВ-1000. Строятся и вводятся в эксплуатацию новые АЭС с ВВЭР-1000.
Для АЭС с ВВЭР-1000 нового поколения разработан парогенератор ПГВ-1000МКП с коридорной компоновкой ТОТ в трубном пучке, для которого установлен проектный срок эксплуатации 60 лет.
Процесс генерации пара сопровождается накоплением на теплообменной поверхности отложений продуктов коррозии, поступающих с питательной водой, и концентрированием в них коррозионно-активных примесей.
По мере роста толщины отложений концентрация хлоридов в них возрастает, достигая у поверхности ТОТ критических значений, при которых происходит разрушение защитной оксидной пленки на стали 08Х18Н10Т, которая является конструкционным материалом ТОТ. При этом могут возникнуть условия для развития локальных дефектов, таких как растравы и питтинги. Вершины питтингов, являясь эффективными концентраторами напряжений, могут служить исходными участками для коррозионного растрескивания материала ТОТ в процессе эксплуатации ПГ, что в конечном итоге приводит к приводит к выходу ТОТ из строя.
Так по причине проблем с ТОТ, на различных АЭС заменены 248 вертикальных ПГ и 11 горизонтальных. Но если для вертикальных ПГ выход из строя трубчатки и их замена помимо коррозионных повреждений были также обусловлены виброизносом, дентингом, то все горизонтальные ПГ были заменены по причине коррозионных повреждений ТОТ.
Основными требованиями к ПГ для АЭС, как известно, являются:
надежное и постоянное охлаждение активной зоны реактора во всех режимах работы АЭС;
высокие требования по обеспечению межконтурной плотности элементами теплообмена, которые помимо выполнения теплотехнических функций являются границей (барьером) высокорадиоактивного теплоносителя первого контура.
Именно высокие требования к обеспечению межконтурной плотности элементами теплообмена делают проблему повышения надежности и ресурса трубного пучка ПГ в процессе эксплуатации весьма актуальной, особенно, при увеличении срока службы как АЭС с ВВЭР нового поколения, так и находящихся в эксплуатации. При этом, обеспечение увеличенного ресурса теплообменных труб (ТОТ) ПГ связано с решением задачи снижения коррозионной деградации трубного пучка в процессе его эксплуатации.
Настоящая работа проведена для обоснования проектного ресурса трубного пучка ПГ для новых АЭС с реакторными установками (РУ) типа ВВЭР-1000 и рекомендаций по совершенствованию регламентов режимов их эксплуатации на основе проведения специальных экспериментальных и исследовательских работ по изучению коррозионных процессов на ТОТ в процессе эксплуатации горизонтальных ПГ.
Эксперименты и исследования проводились в ОКБ «ГИДРОПРЕСС» на модели трубных пучков в составе стенда-имитатора АЭС.
Цель проводимых работ
Целью диссертационной работы являлось экспериментальное уточнение закономерностей образования и развития коррозионных повреждений трубчатки горизонтальных ПГ в процессе различных режимов эксплуатации; исследования несущей способности ТОТ с дефектами; проведение расчетных оценок образования и развития коррозионных повреждений металла ТОТ в процессе эксплуатации горизонтальных ПГ для прогноза их ресурса; экспериментальное обоснование конструкторских решений и рекомендаций по мероприятиям, направленным на совершенствование регламентов эксплуатации и минимизацию коррозионных процессов на трубном пучке ПГ.
Научная новизна
На основании экспериментальных исследований развиты представления по воздействию различных режимов эксплуатации ПГ и их нарушений на коррозионные процессы на ТОТ и разработана блок-схема сценариев влияния режимов эксплуатации ПГ как на зарождение и развитие дефектов, так и на минимизацию коррозионных процессов.
Впервые экспериментально показано влияние стояночного и нестационарных режимов эксплуатации горизонтального ПГ на зарождение и развитие трещин в металле ТОТ.
Впервые проведены исследования несущей способности ТОТ с натурными дефектами.
Экспериментально обоснованы конструкторские решения, направленные на повышение надежности и обеспечение проектного ресурса трубного пучка ПГ типа ПГВ-1000МКП.
Экспериментально обоснованы разработанные и внедренные мероприятия, направленные на совершенствование регламента эксплуатации и минимизацию коррозионных процессов на трубном пучке ПГ
Практическая значимость
Результаты проведенных работ по оценке влияния режимов эксплуатации ПГ и их нарушений на коррозионные процессы на ТОТ дают возможность принятия
обоснованных решений по совершенствованию регламента отдельных режимов эксплуатации ПГ (стоянки, гидравлических испытаний, пуска, работы на мощности, останова).
Разработанные и экспериментально обоснованные рекомендации по совершенствованию регламентов режимов эксплуатации были использованы при разработке инструкций по эксплуатации ПГ для действующих и новых АЭС с ВВЭР.
Проведенными экспериментальными работами и расчетными оценками обоснован проектный ресурс трубного пучка ПГ типа ПГВ-1000МКП.
Достоверность
Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением при проведении экспериментов аттестованных контрольно-измерительных приборов, применением современных средств исследований материалов, соответствием полученных результатов известным литературным данным по теоретическим основам коррозионных процессов и результатам исследований других авторов.
Личный вклад автора в полученные результаты
Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в постановке задач на экспериментальные исследования, разработке программ-методик проведения экспериментов и исследований, проведении экспериментов, исследований, обработке результатов и выпуске научно-технических отчетов.
На защиту выносятся
Результаты экспериментальных исследований по влиянию режимов эксплуатации горизонтальных ПГ на образование и развитие коррозионных дефектов на ТОТ.
Результаты экспериментов по оценке несущей способности ТОТ с дефектами;
Экспериментальное обоснование конструкторских решений трубного пучка ПГ типаПГВ-ЮООМКП.
Расчетные оценки по обоснованию проектного ресурса трубного пучка ПГ типа ПГВ-1000МКП.
Апробация работы и публикации
По результатам работы сделаны сообщения на Международных семинарах по горизонтальным парогенераторам в 2004, 2006 и 2010 г. г. в г. Подольске, Международной конференции по водно-химическим режимам (ВХР) атомных электростанций (АЭС) в г. Берлине, Германия, в 2008 г. и Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» в г. Подольске в 2009 г.
По теме диссертационной работы имеются публикации в рецензируемых журналах «Атомная энергия», «Тяжелое машиностроение» и «Теплоэнергетика».
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4 разделов и выводов, 122 страницы текста, 50 иллюстраций, 22 таблиц и списка литературы из 58 наименований.
Динамика повреждений теплообменных труб в процессе эксплуатации
В настоящее время состояние ТОТ в процессе эксплуатации ПГ контролируется во время планово-предупредительных ремонтов пневмоаквариумным и гидравлическим методами, а также (в России с 1995 г.) методом вихревых токов (ВТК), который выявляет дефекты в металле теплообменных труб и позволяет осуществить превентивное глушение дефектных труб для предотвращения возможного раскрытия дефекта до сквозного во время эксплуатации и внепланового останова блока. Большинство теплообменных труб в ПГ как на вертикальных, так и на горизонтальных ПГ подвергаются глушению по результатам ВТК.
Суть метода вихретокового контроля с помощью наиболее широко распространенного проходного зонда состоит в следующем. Для движущегося зонда, состоящего из двух разнесенных по оси ТОТ катушек, через которые проходит ток высокой частоты, и фактически представляющих собой трансформатор, сердечником служит стенка ТОТ.
При нарушении сплошности (из-за появления полости - трещина, язва, включение и т.п.) и изменении диаметра (вмятина, сплющивание и т.п.) сердечника (стенки ТОТ) характер прохождения возникающих в стенке ТОТ вихревых токов, изменяется, изменяя параметры сигнала, снимаемого с вторичной катушки зонда. Такие изменения квалифицируются как индикация. Изменение амплитуды (принято говорить "амплитуда") и изменение фазы (принято говорить "фаза") фиксируются и обрабатываются специальным аппаратно-программным комплексом.
Кроме этих двух параметров фиксируется отношение амплитуды сигнала к амплитуде шума и координаты индикации. Специальными мерами (использование нескольких частот, комбинированных частот, абсолютного и дифференциального режимов) осуществляется повышении чувствительности зонда на наружной и внутренней поверхностях ТОТ, отстройка от шума дистанционирующих элементов. Дополнительно используется визуальный анализ формы кривой сигнала, представленной на фазовой плоскости.
При ВТК рассматриваются две специфичные зоны по длине ТОТ: поверхность ТОТ, находящаяся под решеткой (дистанционирующим элементом, опорой трубного пучка) и зона ТОТ, находящаяся вне опор - на свободном пролете. Дефекты, зафиксированные под дистанционирующим элементом и на свободном пролете, обозначаются СЕ и ММ, соответственно.
Сбор и анализ информации осуществляют прошедшие специальное обучение лица: сборщики и аналитики. Именно они, на основе анализа параметров сигнала, принимают решение о значимости индикации и рассчитывают для нее глубину (интерпретируют). С этого момента индикация становится дефектом и заносится в отчетные документы. Остальные индикации квалифицируются, как неанализируемые (NA или NQI).
Результаты ВТК показывают, что повреждения в процессе эксплуатации горизонтальных ПГ возникают как на свободных участках, так и под дистанционирующими решетками ТОТ и имеют тенденцию к возникновению преимущественно в нижней части трубных пучков ПГ. Дефекты на свободных участках труб локализованы преимущественно вблизи «горячего коллектора». Дефекты под дистанционирующими решетками также чаще располагаются в нижней части ПГ, но распределены более равномерно по длине трубных пучков.
Следует отметить, что принятая в настоящее время практика проведения ВТК горизонтальных ПГ не обеспечивает контроля 100 % ТОТ процессе эксплуатации. Так по данным, приведенным в /15/, контроль 100 % ТОТ на всех ПГ проводился только на 5 блоке НВАЭС в период до 2004 г. На Калининской АЭС контролю методом ВТК в объеме 100 % ТОТ был подвергнут только ШГ-1 в 2000 г.
Тем не менее, в /15/ отмечается, что наличие в ранее не контролировавшихся зонах значительного количества дефектов со значительной глубиной ни разу не привело к разрывам ТОТ. Такие дефекты обнаруживались, например, на всех ПГ блока № 3 Балаковской АЭС в 2003-2004 годах, причем достаточно очевидным было то, что они существовали с начала 90-х годов.
Там же показано, что скорости роста зафиксированных дефектов в процессе эксплуатации ПГ очень малы и практически не зависят от глубины дефектов (рисунок 1.5).
В то же время имели место неоднократные течи в ТОТ по сквозным дефектам, однако сами дефекты, вызывавшие их, не фиксировались. Так течи в четырех ТОТ на ШГ-4 (прошедшего контроль в 2004), имевшие место вскоре после пуска 1 блока Калининской АЭС в 2004 г. не сопровождались фиксацией при ВТК дефектных ТОТ. Все ТОТ ШГ-4 с течами находились в зоне контроля 2004 года, но дефектов на них обнаружено не было. Подобная ситуация не позволяет считать сквозные повреждения и течи результатом пропуска дефектов.
В таблице 1.2 приведены данные по глушению ТОТ на различных АЭС с ВВЭР-1000. Как видно из таблицы 1.2, имеет место существенное различие по количеству заглушённых труб на различных ПГ даже в пределах одной АЭС, что свидетельствует о том, что факторы, влияющие на процесс деградации ТОТ, действуют на различных блоках с разной степенью интенсивности.
Также можно сказать, что, из всех эксплуатирующихся ПГВ-1000, к активно деградирующим в части ТОТ (по крайне мере до 2001 г.) следует отнести все четыре ПГ блока № 3 Балаковской АЭС. Максимум интенсивности деградации ТОТ был достигнут на ПГ блока №3 в 2001 году, после чего интенсивность деградации начала снижаться /15/. В то же время, даже на этой АЭС, на блоке №3 значительное количество ТОТ не контролировалось ни разу со времени пуска блока в эксплуатацию.
Измерения окислительно-восстановительного потенциала среды второго контура
При работе ПГ на мощности в условиях практически полного отсутствия кислорода и низкой электропроводности воды в ПГ, скорость развития питтингов ограничивается скоростью поступления окислителя в зону электрохимической реакции, а электрохимическая ячейка растущего питтинга ограничена размерами области вокруг парового канала, где локализован концентрированный раствор солей. При этом (в отсутствие кислорода в воде ПГ при кипении) наиболее сильными окислителями являются ионы меди. В отложениях медь находится в виде оксидов (СиО, СигО, CuFeO), а также, как показывают исследования, вкраплений металлической меди. В воде парогенератора медь присутствует в виде ионов Cu2+, Си+ или комплексных соединений. Ионы трехвалентного железа Fe3+ также могут служить окислителем в коррозионных процессах. Однако, учитывая высокую степень гидролиза ионов ге в нейтральных средах и низкую растворимость Ре(ОН)з в воде (при 20С 0,2 мкг/кг), ионы Fe + не играют существенной роли в коррозии ТОТ.
Одновременно под действием возникшей разности потенциалов внутрь питтинга переносятся отрицательные ионы (ОН , С1 ). При этом, хлориды, которые не расходуются при коррозии, накапливаются внутри питтинга. По данным работ /19, 20/ величина рН внутри питтинга может составлять от 1,0 до 4,0, а концентрация хлоридов достигать 100 г/кг и более.
Период развития питтингов после пробоя пассивной пленки можно разделить на три этапа, протекающих с различной скоростью /20/: - на первом этапе развитие питтинга происходит с наиболее высокой скоростью. При этом в полости питтинга происходит накопление ионов металлов (Меп+ — продукты растворения стали 08Х18Н10Т), ионов хлора О , и водорода Н+, в результате чего формируется специфическая агрессивная коррозионная среда поддерживающая дальнейшее растворение металла в питтинге; - на втором этапе происходит стабилизация скорости роста питтинга и последующее замедление его роста (снижение тока коррозии в локальной электрохимической ячейке), что связано с уплотнением отложений гидратированными продуктами коррозии металла из питтинга и замедлением переноса ионов CI , ОН через слой отложений; - на третьем этапе коррозионный процесс замедляется настолько, что практически весь коррозионный ток расходуется только на растворение наиболее активных участков поверхности на дне питтинга и образование растравов. При этом в питтинге сохраняется коррозионная среда с низким значением рН и высокой концентрацией хлоридов, ионов железа, хрома и никеля. Зародившийся питтинг вызывает работу местного активно-пассивного элемента (гальванического элемента), при этом, как указано в /9/, общий потенциал поверхности металла ТОТ сдвигается в отрицательную область, и, следовательно, затрудняется активирующее действие хлорид-ионов. Действующий питтинг, таким образом, препятствует зарождению следующего питтинга. Поэтому при зарождении питтинга на участке поверхности металла ТОТ вероятность появления питтингов на соседних участках снижается, однако их образование не исключается. В /8/ на основе анализа многочисленных экспериментальных и теоретических материалов по проблеме КРН аустенитных нержавеющих сталей сделан вывод об определяющей роли локального электрохимического анодного растворения, которое является ведущей стадией сложного процесса коррозионного растрескивания, включающего в себя параллельные и последовательные стадии массо- и электропереноса, адсорбции, диффузии, концентрирования напряжений, движения дислокаций и т.д. Наиболее частым случаем КРН аустенитных нержавеющих сталей является исходное пассивное состояние поверхности металла с локальным нарушением его активаторами -хлоридами, сульфидами, щелочами и т. д. Именно такое исходное состояние поверхности металла характерно и для ТОТ ПГ в процессе эксплуатации. По мнению автора /8/, образование и развитие трещины идет путем само регулируемого автокаталитического растворения, активированного напряжениями и щелевыми условиями, с обратной связью между площадью локального анода и агрессивностью внутренней среды. На начальном этапе зарождение трещин имеет ряд общих черт с процессом питтинговой коррозии. Так в средах, где идет КРН, при тех же или близких потенциалах наблюдается и питтинговая коррозия. Наличие растягивающих напряжений приводит к пластической деформации в микрообластях аустенита уже при нагрузках примерно 100 МПа, т. е. значительно ниже условного предела текучести Go,2 аустенитных нержавеющих сталей /21/. Пластическая деформация в микромасштабе идет локализованными полосами, представляющими собой скопления дислокаций и дефектов упаковки. Напряжения и деформации в оксидной пленке от скоплений активных дислокаций, неравномерное растяжение пленки в этих участках, предпочтительная сорбция, ускоренная миграция и накопление ионов хлора в растянутых и дефектных областях способствуют локальному и ориентированному растворению металла, особенно в условиях автокаталитического процесса, а первоначальный пробой оксидной пленки идет по реакциям 1.1 и 1.2. Дальнейшее развитие трещины происходит по электрохимическому механизму, предложенному Хором и Хайнсом /22, 23/. Контакт среды, содержащей активаторы (хлориды) в определенной области потенциалов приводит к избирательному анодному растворению «несовершенных» участков металла с образованием узкой субмикроскопической щели, у которой концентрируются напряжения, и начинается быстрая локальная пластическая деформация. Начальной стадией образования трещины может быть образование питтинга, однако, по мнению автора /8/, это не обязательно. Вследствие быстрой локальной деформации в острие трещины значительно усиливается анодное растворение металла (по сравнению с ненапряженными боковыми стенками), что трещина распространяется вглубь со скоростью до 0,5 - 2,5 мм/ч (эквивалентная анодная плотность тока 0,4 - 2.0 А/см2) /24/. Стенки трещины или находятся в пассивном состоянии (и ведут себя как катод или почти абсолютно поляризуемый анод), или очень медленно корродируют в активном состоянии (участки около острия трещины) при контроле процесса скоростью растворения никеля. Катодом коррозионной ячейки является пассивная поверхность металла, катодным деполяризатором — растворенный кислород (рисунок 1.8). Кислород (окислитель) помимо катодной деполяризации сдвигает потенциал в положительную сторону и облегчает адсорбцию ионов хлора и локальное активирование наиболее напряженных участков металла. Повышение содержания хлоридов усиливает адсорбцию, локальное активирование поверхности, концентрирование и подкисление среды внутри трещин. При этом в условиях, когда реализуется возможность концентрирования (накопления) хлоридов на теплопередающей поверхности, особенно в щелях, при упаривании и т. д., даже очень малое исходное содержание хлоридов в воде не гарантирует отсутствие коррозионного растрескивания, так как основную роль играют интенсивность концентрирования и образующаяся реальная концентрация хлоридов у поверхности металла, которая может превышать исходное значение /21, 24, 25/. Величина рН, как показано во многих работах /20, 23, 26, 27/ значительно влияет на хлоридное КРН - при значениях рН до 8 - 10 процессы КРН замедляются, при значениях рН, соответствующих кислой области (особенно в полостях трещин) КРН значительно ускоряется.
Результаты исследований по оценке несущей способности теплообменных труб с искусственными дефектами
Значительные присосы охлаждающей воды в конденсаторах турбин, трубные системы которых изготовлены из медьсодержащих сплавов, не позволяют снизить нормы содержания коррозионно-активных примесей в продувочной воде ПГ (хлоридов, сульфатов, натрия) из-за невозможности обеспечить плотность конденсаторов турбин по водяной стороне на уровне менее 0,0001 %, (т. е. протечку охлаждающей воды менее 3,6 дм /ч). Тем не менее, за более чем двадцатилетний период эксплуатации АЭС с ВВЭР - 1000 нормируемая величина содержания хлоридов в продувочной воде ПГ была снижена с 500 до 100 мкг/ дм3, натрия с 1000 до 300 мкг/ дм3, а нижняя граница величины рН повысилась с 7,8 до 8,5. Нормирование сульфатов в продувочной воде ПГ (не более 200 мкг/ дм ) введено лишь с 1997 г; - применение на ряде АЭС некачественных ионообменных смол в фильтрах конденсатоочистки и наличие перекрестного загрязнения смол при их регенерации; - не обеспечение на ряде АЭС проектного расхода продувочной воды ПГ; - наличие во втором контуре медьсодержащих материалов, что, во-первых, не позволяет повысить величину рН питательной воды выше 9,2 для минимизации выноса продуктов коррозии железа из конденсатно-питательного тракта, а во-вторых, приводит к отложениям на теплообменных поверхностях ПГ значительных количеств меди и ее соединений; - отсутствие автоматизированной системы химического контроля водно-химического режима второго контура с парком современных приборов контроля; - действующие в настоящее время на АЭС с ВВЭР нормы ВХР для второго контура ПГ менее жесткие, чем нормы на АЭС с PWR. Следует отметить, что трубные системы конденсаторов турбин большинства АЭС с PWR изготовлены из титановых сплавов, что позволяет минимизировать протечку охлаждающей воды до менее 0,05 дм 1ч, содержание хлоридов, сульфатов и натрия в продувочной воде ПГ нормировать на уровне не более 20 мкг/дм3, а удельную электропроводность Н-катионированной пробы - на уровне 0,8-1,0 мкСм/см.
Поскольку в проектах АЭС с ВВЭР-1000 первого поколения трубные системы конденсатора турбины и подогревателей низкого давления (ПНД) выполнены из хмедьсодержащих сплавов, то для второго контура был принят аммиачно-гидразинный ВХР с величиной рН питательной воды 9,0±0,2. При таком ВХР особенно сложной задачей является подавление процессов коррозии-эрозии оборудования и трубопроводов КПТ, изготовленных из углеродистых сталей и работающих в области влажного пара и двухфазных потоков /36/.
Кроме того, из-за высокого коэффициента распределения аммиака между кипящей водой и паром, практически невозможно нейтрализовать действие анионов сильных кислот (хлоридов и сульфатов) в продувочной воде ПГ при рабочих температурах. Присутствие же в продувочной воде ПГ анионов сильных кислот приводит к значительному ускорению коррозионных процессов.
Соединения железа в продувочной воде ПГ имеют низкую растворимость. При рабочих параметрах ПГ (температура 285 С, кипящая вода) в продувочной воде растворимость магнетита РезС 4 согласно /37, 38/ составляет от 2 до 8 мкг/дм . Концентрации железа в продувочной воде, превышающие указанное значение, показывают, что остальная часть соединений железа находится в коллоидной и дисперсной форме.
При работе на мощности во второй контур ПГ с питательной водой поступают продукты коррозии оборудования и трубопроводов конденсатно-питательного тракта. Кроме того, в ПГ поступают также малорастворимые соли - сульфаты, силикаты, гидраты кальция, магния, попадающие в конденсатно-питательньтй тракт в результате присосов охлаждающей воды через неплотности вальцовки трубок конденсатора турбины.
Поэтому образующиеся отложения представляют собой, в основном, дегидратированные оксиды — продукты коррозии перлитной стали и медных сплавов (РегОз, Рез04, CuO, CU2O и др.), используемых в качестве конструкционных материалов конденсатора, трубопроводов и оборудования конденсатно-питательного тракта, а также малорастворимые соли жесткости (сульфаты, силикаты, гидраты кальция, магния и т.д.).
Процесс образования железоокисных отложений на теплообменных поверхностях зависит от концентрации железа в воде (питательной, продувочной) и от величины тепловой нагрузки. В теплоэнергетике предложена эмпирическая формула для расчета скорости железоокисного накнпеобразования /25/: где CFC - концентрация железа, мг/дм ; q - тепловой поток, Вт/м". Поскольку концентрация железа в продувочной воде ПГ эксплуатируемых блоков АЭС с ВВЭР-1000 — величина в значительной степени переменная по периодам эксплуатации ПГ, можно выделить следующие периоды эксплуатации энергоблока: - периоды ввода в эксплуатацию и освоения мощности энергоблока, пуск после ППР, характеризующиеся повышенными концентрациями железа в питательной и продувочной воде (из «солевого» отсека, при периодической продувке); - период работы энергоблока на номинальной мощности с незначительной загрязненностью теплообменных труб; - период работы энергоблока на номинальной мощности с загрязненной теплообменной поверхностью труб (более 150 г/м ). На базе модели образования отложений продуктов коррозии на тепловыделяющих элементах реакторов большой мощности в ОКБ «ГИДРОПРЕСС» разработана методика расчета образования на теплообменной поверхности ПГ АЭС с ВВЭР-1000 отложений продуктов коррозии и расчета межпромывочного периода /39/. В основу методики расчета положен механизм образования отложений за счет массопереноса продуктов коррозии из ядра приходящего к поверхности ТОТ потока пароводяной смеси и последующей кристаллизации (растворенная форма) и закрепления (нерастворенная форма) примесей на поверхности теплообмена со стороны второго контура, приведенный в /24, 40/. Нерастворенная форма продуктов коррозии представляет собой окислы железа (в основном магнетит), окись меди и шпинели CuFeO в виде частиц диаметром от 1 до 10 мкм. Доля таких частиц в восстановительной (щелочной) водной среде по данным /24, 41/ составляет 10-30 % от общей концентрации продуктов коррозии. В методике принято, что 30% содержания частиц имеют размер от 1 до 10 мкм. Частицы диаметром более 10 мкм образуют шламовую форму отложений (70%).
Процесс отложения частиц является активационным, так как гидратные оболочки, которыми окружены частицы, создают препятствия для закрепления частиц на поверхности и для удаления оболочек необходимо затратить некоторую энергию.
Таким образом, скорость образования отложений продуктов коррозии железа складывается из скорости образования растворенной и скорости образования нерастворенной форм железа. При этом скорость образования отложений из нерастворенной формы железа в 10-20 раз выше, чем из растворенной формы /34/.
Расчетная оценка критических концентраций хлоридов
На пятом этапе при проведении гидравлических испытаний новые трещины, в связи с отсутствием «свежих» питтингов после четвертого этапа, не образовались. Эксплуатация модели в рабочем режиме была проведена большую часть времени с высоким содержанием хлоридов и кислорода и низких значениях рН. При этом данный этап был самым продолжительным по времени рабочего режима. Однако, несмотря на такой продолжительный и жесткий по условиям эксплуатации этап, при отсутствии «свежих» питтингов после предыдущего этапа, признаков усиления деградации ТОТ в процессе, как визуального осмотра, так и по результатам ВТК обнаружено не было. Следует отметить, что после останова стенда модель, как и после четвертого этапа, находилась в корпусе без доступа воздуха к трубным пучкам вплоть до демонтажа на ревизию. По результатам первых пяти этапов испытаний можно заключить, что образование питтингов происходит только в режимах стоянки при наличии влажных отложений с накопленными коррозионно-активными примесями в них и при свободном доступе воздуха к трубному пучку, а трещины образуются из части наиболее острых и глубоких питтингов в процессе проведения гидравлических испытаний. Для подтверждения данного заключения был проведен шестой этап.
Шестой этап, в процессе которого модель трубных пучков находились в течение 1000 ч в режиме мокрой стоянки со свободным доступом воздуха, привел к активизации электрохимических процессов под отложениями и образованию «свежих» питтингов. После проведения гидравлических испытаний на ТОТ 4-4 модели при проведении ВТК был зафиксирован дефект глубиной 20 % от толщины стенки. При этом внешний вид трубного пучка модели оставался таким же, как и после окончания пятого этапа.
Седьмой этап был аналогичен третьему этапу как по предыстории (мокрой стоянкой являлся шестой этап), так и по условиям проведения рабочего режима, но отличался более чем в 1,5 раза по продолжительности, и на данном этапе модель после останова стенда находилась в корпусе без доступа воздуха вплоть до демонтажа на ревизию.
При ревизии модели были зафиксированы такие же проявления питтинговой коррозии, как и на третьем этапе, но в большем объеме. Образования новых дефектов типа трещин и развития, ранее образовавшихся дефектов, по результатам ВТК не обнаружено.
Поскольку, как видно из результатов ревизий модели на предыдущих этапах, количество образовавшихся трещин существенно меньше количества имеющихся питтингов, можно сделать вывод, что возможность образования дефектов из питтингов на ТОТ была полностью исчерпана в процессе шестого этапа.
На восьмом этапе эксплуатация модели, проведенная в условиях имитации начальной стадии пуска ПГ (разогрев модели до 100 С, было проведено пять таких режимов), показала, что при наличии окислителя в воде второго контура произошла значительная активизация электрохимических процессов и интенсивное образование коррозионных дефектов по механизму анодного растворения при активной пластической деформации, обусловленной наличием перепада давления между первым и вторым контурами стенда (4,9 ±0,1 МПа).
При ревизии модели была обнаружена значительная питтинговая коррозия, а также по результатам ВТК зафиксировано 28 новых дефектов типа трещин. Полученные результаты хорошо согласуются с данными работы /51/, в которой отмечена высокая склонность стали типа 304 (примерный аналог стали 08Х18Н10Т) к коррозионному растрескиванию процессе испытаний образцов в воде при температурах до 200 С, наличии хлоридов и массовой концентрации кислорода 0,2 мг/дм (условия, сходные по температуре испытаний для начальной стадии пуска горизонтальных ПГ). В испытаниях восьмого этапа концентрация кислорода в воде второго контура находилась на линии насыщения (до 8 мг/дм3 и при свободном доступе воздуха к среде второго контура через открытый смотровой люк на корпусе модели), а хлориды в отложениях были накоплены в процессе длительного седьмого этапа испытаний (массовое содержание хлоридов в отложениях составляло от 0,14 до 0,20 %, удельное загрязнение ТОТ - от 45,6 до 102,6 г/м ). При этом, по данным авторов /18, 21, 52/ концентрация хлоридов в питтингах может превышать их среднюю концентрацию в отложениях.
Также в процессе этапа модель находилась в режиме мокрой стоянки со свободным доступом воздуха к трубному пучку, что также способствовало активизации электрохимических процессов и образованию «свежих» питтингов.
В то же время, даже в таких жестких условиях испытаний, развития ранее зафиксированных трещин не произошло.
На девятом этапе начальные условия были аналогичны четвертому этапу по предшествующему режиму мокрой стоянки и наличию значительной питтинговой коррозии. Рабочий режим также был сопоставим по продолжительности с четвертым этапом, и проводился, как и на четвертом этапе, при высоком рН, но без ввода в среду второго контура хлоридов. Также на этапе проводилась периодическая замена «на ходу» порядка половины воды во втором контуре стенда, что приводило к высокому содержанию кислорода во втором контуре в течение большей части этапа. Таким образом, в процессе проведения этапа в электрохимических реакциях анодного растворения металла в качестве активатора коррозии могли участвовать только те хлориды, которые были накоплены в отложениях и в полостях питтингов и трещин в процессе предыдущих этапов. При этом, очевидно, что, как и на предыдущих этапах, в «свежих» питтингах должно было происходить интенсивное кипение. После останова стенда модель находилась в составе стенда без доступа воздуха вплоть до извлечения ее на ревизию, т.е. непосредственно в режиме стоянки условия для активизации электрохимических процессов на металле ТОТ отсутствовали.
В процессе ревизии модели усиления питтинговой коррозии, по сравнению с предыдущим этапом, визуально не обнаружено, но питтинги, аналогичные приведенным на рисунке 2.9. имели место. Также по результатам ВТК были зафиксированы 11 новых дефектов типа трещин, но развития ранее образовавшихся трещин, как и на предыдущих этапах не отмечено. Новые трещины образовались, наиболее вероятно, в процессе проведения процедуры гидравлических испытаний модели в условиях активного действия электрохимических процессов и «включенного» механизма анодного растворения в полостях «свежих» питтингов с накопленными хлоридами, образовавшихся на восьмом этапе во время его проведения и на мокрой стоянке со свободным доступом воздуха.
На десятом этапе условия рабочего режима были аналогичны седьмому этапу по пониженному значению рН, высокому содержанию хлоридов и низкому содержанию кислорода в процессе практически всего этапа, а также по времени эксплуатации модели в этом режиме. Также отсутствовала мокрая стоянка со свободным доступом воздуха на предыдущем этапе.
Таким образом, условия для образования и развития коррозионных дефектов в рабочем режиме практически отсутствовали, что подтвердилось при ревизии модели. Внешних проявлений усиления питтипговой коррозии и развития, ранее зафиксированных трещин при ВТК модели, как и после девятого этапа, не наблюдалось.
На отсутствие условий для образования дефектов при эксплуатации модели и, соответственно, ПГ в стационарном режиме генерации пара (в рабочем режиме) указывают и измерения окислительно-восстановительного потенциала в среде второго контура модели на этапе. В процессе измерений при эксплуатации стенда в рабочем режиме (рисунок 2.15) значимого изменения потенциалов при изменении ВХР во втором контуре стенда не отмечалось.
