Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Закономерности образования и способы удаления отложений с теплообменных поверхностей парогенератора 22
1.1. Причины повреждения коллекторов парогенераторов 22
І.ІЛ.Модель повреждения коллекторов ПГВ-ІООО(ЮООМ) 23
1.1.2.Водородная хрупкость 30
1.1.3 .Коррозионная устал ость 30
1.2. Повреждение теплообменных трубок парогенераторов 32
1.2.1. Логическая модель коррозионного растрескивания АХНС 33
1.2.2. Обобщённая модель ТКР 38
1.3. Формирование отложений на теплопередающих поверхностях 41
1.4. Теплопроводность отложений и определяющая температура
коррозионных процессов 43
1.5. Концентрирование примесей при кипении воды в пористых
отложениях 47
Выводы к главе 1 51
Глава 2. Методика и экспериментальное устройство для исследований процессов накопления и химической очистки отложений полуобогреваемого кольцевого зазора 52
2.1...Вводно-химический режим второго контура АЭС с ВВЭР 52
2.1.1. Нормирование концентрации хлорид-ионов 53
2.1.2. Концентрирование солей и оксидов при кипении 55
2.2. Расчетно-теоретические предпосылки формирования отложений...55
2.3. Влияние удельного теплового потока и концентрации примесей .56
2.4. Отмывка от отложений теплообменных поверхностей 59
2.5. Исходные требования к разработке методики экспериментов и проектированию устройства 63
2.5.1. Общие требования 63
2.5.2. Требования к имитатору кольцевой щели 64
2.5.3. Требования к методике формирования отложений и ускоряющий фактор 65
2.5.4. Требования к методике отмывки от отложений и ускоряющий фактор 65
2.5.5. Требования к средствам контроля, измерений и управления 66
2.6. Имитатор кольцевой щели 66
2.7. Экспериментальное устройство 67
Выводы к главе 2 69
Глава 3. Исследование накопления отложений при кипени растворов в кольцевой щели 70
3.1. Методическое обеспечение экспериментов 70
3.1.1. Методика тарировочных опытов по определению перепадов
температур 70
3.1.2. Определение глубины полного испарения в глухой кольцевой щели 72
3.1.3. Методика эксперимента по формированию отложений 77
3.1.4. Опытов по формированию отложений 84
3.2. Методика эксперимента по отмывке от отложений 84
3.2.1. Гидродинамический способ отмывки отложений 84
3.3. Опытов по отмывке от отложений 92
3.3.1. Растворы с комплексообразователями 93
3.3.2... Растворы с морфолином 93
3.3.3...Растворы с октодециламином 96
3.3 АРастворы с трилоном-Б 97
Выводы к главе 3 99
Глава 4. Обоснование технических мероприятий, направленных на максимальноую наработку до отказа 100
4.1. Проблема обеспечения долговечности конструкционных сплавов и живучести оборудования 100
4.2. Долговечность элементов из аустенитных сталей в условиях протекания КР 102
4.3. Количественная оценка времени ДО ПЕРВОГО ОТКАЗА 104
4.4. Прогнозирование ресурса оборудования 111
4.5. Динамика отказов однотипных элементов в условиях протекания КР 114
4.6. Защита аустенитных сталей от коррозионного растрескивания 128
4.7. Защита от КР с помощью Литий — Ферритных покрытий 133
4.8. Ослабление процесса КР с помощью периодической очистки от
отложений щелей и зазоров 138
Выводы к главе 4 139
Глава 5. Экономические аспекты прогноза наработки до отказа оборудования парогенераторов АЭС с ВВЭР-000 141
5.1. Эффективность по замещающей мощности 142
5.2. Экономический эффект отложенного платежа 143
5.3. Экономический эффект отложенного кредита 144
Выводы главе 5 145
Выводы по работе 147
Список Литературы
- Повреждение теплообменных трубок парогенераторов
- Концентрирование солей и оксидов при кипении
- Определение глубины полного испарения в глухой кольцевой щели
- Динамика отказов однотипных элементов в условиях протекания КР
Введение к работе
Обеспечение надежности и безопасности ПГ АЭС с ВВЭР является актуальным вопросом при эксплуатации, решения которого требует оптимальной организации водно-химического режима. В атомной энергетике, как в России, так и за рубежом, проводится вынужденная внеплановая замена парогенераторов (ПГ). Основная причина - повреждение конструкционных материалов парогенераторов АЭС с ВВЭР. Повреждения - результат совместного влияния усталости и коррозии. Масштабы повреждений сопоставимы с технологическим запасом теплообменных трубок. При этом после глушения примерно половины запаса, остановки энергоблоков на поиск и герметизацию поврежденных трубок причиняют экономический ущерб, размеры которого не позволяют вести безубыточно дальнейшую эксплуатацию. За рубежом из-за повреждения конструкционных материалов было заменено более 100 [11], парогенераторов й около 60 парогенераторов запланированы на замену. В Российской Федерации и на Украине было заменено 36 парогенераторов из них 6 по причине повреждений большого числа теплообменных трубок (ТОТ), и 30 из-за трещин в коллекторах (К) [1,2,3].
Конструкция и режимы эксплуатации, включая водно-химический режим второго контура, играют определяющую роль в наработке до отказа и в продлении ресурса ПГ. Массовые повреждения сосредоточены в зоне сопряжения ТОТ и элементов дистанционирующих решеток. Таких сопряжений в одном ПГ типа ПГВ-1000М более 120 000. В зоне контакта накапливаются отложения, не удаляемые во время обычных плановых химических отмывок от отложений теплообменных поверхностей ПГ. Запас ТОТ на 1 ПГ типа 111 В-1000 составляет около 11% на 1 ПГ типа ПГВ-ЮООМ. Исчерпание этого запаса - суть технический критерий предельного состояния (КПСгех) ПГ.
Экономический КПСЭК - превышение суммарных убытков (вследствие многократных остановок на поиск и глушение негерметичных ТОТ) над прибылью.
Конструкцию и конструкционные материалы ПГ в процессе эксплуатации изменить нельзя. Поэтому только целенаправленным изменением техническими средствами значений влияющих факторов можно отодвинуть сроки проявления повреждений за пределы назначенного ресурса. В частности, химической очисткой от отложений щелей и зазоров зоны контакта ТОТ и дистанционирующих элементов, что требует предварительного экспериментального подтверждения.
Повреждение теплообменных трубок парогенераторов
Два доминирующих процесса повреждения аустенитной хромоникелевой стали (АХНС), применяемой для трубных пучков парогенераторов типа ПГВ -усталость (У) и хлоридо-кислородное коррозионное растрескивание (ХКР) описываются, физико-статистической [14,15] и феноменологической [16,12] детерминированными математическими моделями, соответственно.
В последнее время на АЭС с ВВЭР к ним добавился еще и процесс образования пит-тингов (П), которому, как правило, предшествует отложение металлической меди на теп-лообменной поверхности трубных пучков ПГ. Поэтому можно утверждать, что повреж-дение металла стенки трубки есть результат интегрального негативного воздействия по крайней мере, трех повреждающих полифакторных процессов: усталости, хлоридо-кислородного растрескивания и питтингообразования.
Впервые случай ТКР АНС в публикациях был отмечен в 1920 г. [19]. К настоящему времени число публкаций по проблеме КР близко к 100000 с изложением более 50 вариантов моделей, механизмов и математических интерпретаций этого весьма непростого явления природы. Однако все они базируются на основе диаграммы Венна (рис. 5).
Отличительные признаки КР АХНС можно расположить в комбинации параллельных и последовательных событий (рис. 6) [16] Заданными условиями являются: исходное состояние сплава, его состав и склонность к ТКР. Под исходным состоянием подразу-мевается информация о дислокационной структуре - начальной плотности, наличии термической, механической и термомеханической обработки, параметрах кристалли-ческой решетки и размерах зерна, составе сплава (содержании никеля, хрома, примесей), значении остаточных напряжений, гетерофазности.
К заданным независимым исходным данным также относятся состав и концентрация компонентов водной среды, температура, внешние растягивающие напряжения, наличие теплового потока, генерация (конденсация) пара, механические, геометрические и тепло-физические характеристики металла, оксидной пленки и отложений.
В рабочем состоянии на металл действуют внешние, остаточные и термоупругие напряжения, создающие эффективное касательное напряжение гЭф. Оно инициирует в зерне работу источника дислокационных петель. Против него работают силы сопро-тивления (дефекты кристаллического строения металла и примеси) посредством встречного напряжения. Работа источника дислокаций и их скольжение являются тер-моактивируемыми процессами.
При погружении сплава в электролит, происходит формирование двойного электриче-ского слоя, адсорбция, или же миграция частиц из раствора через слой отложений и ок-сидную пленку к металлу, с последующей адсорбцией. Контакт металла с электролитом приводит к хемомеханическому эффекту. Это обстоятельство существенно снижает энергию активации источника дислокаций по модели Франка - Рида и их скольжение.
Состав стали оказывает влияние на механизм перемещения дислокаций (скольжение или переползание) не только в результате создания встречных напряжений Твстр атомами примесей и дефектами, но и через энергию дефекта упаковки ЕдуП. Первый этап генерации и скольжения дислокаций при низких значениях заканчивается торможением головной дислокации у границы зерна, образованием плоского скопления дислокаций по сечению зерна. Переход дислокаций в соседнее зерно осуществляется по механизму эстафетной передачи пластической деформации от зерна к зерну: «вклинивающиеся» из центрального зерна ступеньки, образованные головной дислокацией, создают добавочные напряжения в благоприятно ориентированных плоскостях соседних зерен, и в них возбуждается работа собственных источников дислокационных петель по модели Франка — Рида. Гипотетически, через сечение металла будет проходить ломаная траектория плоских скоплений дислокаций, причем головная дислокация в зерне, контактирующем со средой, тормозится вблизи поверхности раздела металл/среда.
Концентрирование солей и оксидов при кипении
Экономический расчет по России показывает, что при средней скорости роста отложений 0.6 мм/год энергоблок электрической мощностью 1000 МВт за счет отложений теряет до 4 % КПД за год, что составляет потери в виде недовыработанной электроэнергии на сумму 175 млн. руб. [32] Это только по тепловой экономичности.
На рис. 10 показана зависимость формирования отложений от перепада температур (теплового потока) и экспозиции.
По критерию недовыработки электроэнергии из-за простоев на поиск и герметизацию ТОТ с повреждениями сквозными и с критическими размерами (5-7 суток простоя на один останов) — коррозионному критерию -недовыработка составляет примерно 150 млн. руб. только на 1 останов энергоблока установленной мощностью 1000 МВт.
Приведенные выше сведения- достаточно весомый аргумент в пользу актуальности разработки способов очистки от отложений ТОТ ПГ.
Существует набор факторов, которые оказывают влияние на механизм и интенсивность и образования отложений. В первую очередь материал теплообменной поверхности, гидродинамика, теплообмен и температурные режимы [33,34].
Поскольку материал ТОТ - сталь марки 08Х18Н10Т - неизменна, то для нее скорость коррозии лежит в пределах 0.003 - 0.005 мм/г, а скорость роста загрязнений 0.075 мм/г. Сотни тысяч квадратных метров поверхности оборудования и трубопроводов на АЭС с ВВЭР-1000 поставляют за сутки в воду десятки килограммов в основном оксидов железа.
Именно эти оксиды затем, в форме гидратов, участвуют в формировании отложений.
Величина удельного теплового потока воздействует на процесс образования отложений, создавая определенную температуру теплообменной стенки и соответствующий перепад температур по сечению потока, способствующий диффузионному переносу. При этом (см. раздел 1.5, рис. 8) и коррозионные процессы - как термоактивированные — протекают при определяющих температурах, числовое значение которых отличается от числовых значений температур греющей и обогреваемой сред.
Этим не ограничивается действие теплового потока. Как было показано в разделе 1.4. тепловой поток существенно влияет на числовое значение термо-ЭДС (электродвижущая сила) [35].
Это особенно важно для процесса электростатического закрепления коллоидных частиц на поверхности ТОТ. Согласно этой модели, в основу которой положена теоретические представления о роли термо- и гальвано-ЭДС, скорость коррозии определяется по формуле т = pAEUHC„ 2т (8) скорость образования отложений A-S\c„q (9) где р- плотность аморфного оксида; Д- гальвано-ЭДС; UH -электрофоретическая подвижность; Св- концентрация ионов водорода, Ся=10"рН ; г - экспозиция; е- удельная термо-ЭДС ; Я- коэффициент теплопроводности. Для пользования (4) и (5) дополнительно сведены в табличную форму некоторые прямо не измеряемые параметры, полученные косвенным путем или из экспериментов.
Полученные зависимости удельной массы отложений g, г/м от плотности теплового потока q, Вт/м2 и от концентрации оксидов железа в воде Срео, г/л представлены на рис 11. Вместе с тем, ни эта модель, как и ни одна их групп моделей, перечисленных в разделе 1.4, не способна охватить весь комплекс влияющих факторов и поэтому не может претендовать на исключительную достоверность результатов расчетов. с г о С гео С"г« Растворение, коагуляция, осаждение, закрепление на теплообменной поверхности частиц и их смыв потоком, образование агрегатов из коагулировавших частиц примесей и их пептизация — все это недоступно для описания единой математической моделью. Для справки: пептизация - это распад крупных агрегатов из слипшихся твердых частиц [36].
В то же время, на качественном уровне установлено, что в математическое описание процессов образования отложений должны входить такие фактор-аргументы, как: температура, водородный показатель водной среды рН, состав примесей в воде, включая кислород, элементный состав конструкционных сплавов, контактирующих с водой. Безусловно, влияет и конструкция на процесс формирования отложений.
Стесненные условия формирования отложений в элементах конструкции теплообменного аппарата, какими являются кольцевые, полукольцевые и клиновидные щели и зазоры, образованные ТОТ и элементами дистанционирования, именно из-за ограниченного доступа воды в зону кипения определяют специфику и оказывают существенное влияние на многие характеристики отложений. Поэтому, для достижения поставленной цели пригодны только экспериментальные исследования.
Для этого надо сформулировать критерии идентичности натурных условий процесса формирования отложений и его лабораторного аналога. Т.е., необходимо проводить опыты с максимально возможным сохранением числовых значений влияющих факторов и сохранением геометрических характеристик. Кроме того, для проведения именно ускоренных опытов необходимо обосновать и выбрать ускоряющий фактор процесса.
Определение глубины полного испарения в глухой кольцевой щели
В поперечнике размеры этих щелей не превышают десятых долей миллиметра, глубина достигает нескольких десятков миллиметров. В третьем направлении в частности для цилиндрических деталей, размер щели практически равен периметру и тоже составляет несколько десятков миллиметров. Если предположить, что отложения образуют капиллярно-пористую структуру, то жидкая фаза, подается внутрь объема щели под действием капиллярных сил. Расход жидкой фазы будет, таким образом, зависеть от размера фракции кристалликов, размера пор, коэффициент поверхностного натяжения, и краевого угла смачивания между жидкостью и стенками поры. В установившемся режиме капиллярные силы (движущий напор) сбалансированы гидравлическим сопротивлением пори-стой среды потокам питательной воды и пара.
Качественный анализ показывает, что чем меньше радиус пор Rn, тем больше движу-щий напор, но в то же время и возрастет гидравлическое сопротивление пористой среды.
Предполагается, что разность уровней верхней и нижней отметок периметра щели много меньше капиллярных сил и нивелирный напор в дальнейших рассуждениях не учи-тывается. Кроме того, условно считаем, что щель имеет постоянную высоту на всем протяжении.
Предполагается так же, что в капиллярно-пористой структуре реализуются водо-подводящие и пароотводящие каналы (рис.7), причем объемные расходы через них равны. Можно предположить и то, что площади поперечного сечения щели питательной воды относится к площади поперечного сечения щели, занятой паром (при полном испарении всей поступающей воды) как (где v ; v"- удельные объемы воды и пара на линии насыщения).
Капиллярно пористую структуру из кристалликов отложений можно эквивален-тировать в свободную однородную засыпку в виде тетраэдров с пористостью є =0,259 и диаметром пор отвода dnopn =5.10-6 м Дальнейшие рассуждения по эквивалентированию размеров пор подвода питательной воды после несложных геометрически преобразований позволяют установить соотношение между диаметром условного шара Rm (кристаллика - форма которого ранее принималась как тетраэдрическая) и радиусом поры Rn. Объем одиночного шара составляет Vin =4/3 п Riu Объем щели: Vni = 7i/4[dl2-d22].Z (11) Объем щели, занятый шарами упаковки вычисляется: Ущш = Ущ .(1-е) (12) и объем пор: Ущп = Ущ .Б (13) число шаров в этом объеме будет равно: Nin =Ущш/Ущ (14) Если предположить, что число шаров равно числу элементарных ячеек, то эквивалент-ный радиус поры может быть найден из равенства: 4/3 я (Яяч3)3 = (Ущ . є) /Nin (15) После преобразования уравнений (11)-ь(15) соотношение Rn и Riu принимает вид: Rn = RH43=Rin (Е/1-Б),/3 (16) здесь в (11) - (15): dl/d2 -диаметры, соответственно наружный и внутренний кольцевой щели; є- пористость; Rin, Rfl4, = Rn -радиусы (эквивалентные) частиц и пор в капиллярно пористой структуре, Z -протяженность щели. Эти предварительные рассуждения, предположения и упрощения позволяют разработать количественную методику расчета массообмена в кольцевой щели при наличии теплового потока на внутренней поверхности. Величину капиллярных сил (движущий напор): можно определить по формуле
ДРкап =2az (cos0/Rn) (17)
где 8 -краевой угол смачивания, az -коэффициент поверхностного натяжения; Rn -радиус поры подвода воды.
Гидравлическое сопротивление однородной пористой структуры протяженностью составит ДРтр = [150ц(1-є)2гпв / dm2 є3 р(тг/4) (dl2 -d22)] (17а) или ДРтр = [150v (1-є)2гпв I dm2 є3 (я/4) (dl2 -d22)] (176) где пв -расход питательной воды в пористой структуре; u.,v - кинематическая, динамическая вязкость, соответственно; dm - эквивалентный диаметр кристаллика отложений.
Поскольку подвод питательной воды осуществляется не по всему поперечному сечению кольцевой щели, а только по некоторой ее части, что в (17а) и (176). Этот факт можно учесть введя в знаменатель у.
Динамика отказов однотипных элементов в условиях протекания КР
Добавка комплексообразователя ЭДТА делается с целью с целью управления ионной силой при кристаллизации [32]. Использование ингибиторов накипеобразования таких, как ЭДТА, который оказывает комплексное воздействие на процесс образования отложений: - влияют на ионные силы при кристаллизации; - препятствуют коагуляции кристаллов и дисперсных частиц; - препятствуют осаждению их на теплообменной поверхности за счет изменения ее потенциала адсорбции ионов. - влияют на формируемую структуру отложений, способствуют формированию менее пористой, мелкозерностой и менее прочной структуры [32].
При добавке морфолина (МФЛ) значительно снижается скорость формирования окисных отложений на поверхности трубок и на днище ПГ: от 2 до 7 раз. Оставшиеся отложения имели серо-чёрный цвет. До испытаний морфолинового режима обнаруживали окисные отложения красного цвета. Из этого можно заключить, что при морфолиновом режиме достигалась и более лучшая пассивация трубок подогревателей питательной воды, как результат более высокого рН.
На первом этапе проводилась отмывка отложений из объема зазора подачей раствора МФЛ концентрацией 1- 3 мг/кг. В целом результаты
дозировки МФЛ показали, что в таком режиме эксплуатации наблюдается заметное удаление ранее образовавшихся отложений, уменьшение их количества, разрыхление отложений и выталкивание паром отдельных частиц отложений из объема зазора. Кольцевой зазор был очищен за 80- -250 часов.
Это явилось следствием того, что МФЛ является довольно слабой летучей щёлочью. Во время испытаний проводился контроль рН рабочей среды. Водородный показатель находился в диапазоне 7,80-8,25. В процесс испытаний происходит генерация паровых пузырьков, которые не только «взламывают» отложения, но и создадют циркуляцию в пористых отложениях. В свою очередь, циркуляция обеспечит быструю доставку свежих порций раствора МФЛ, что ускоряет пептизацию отложений и отмывку поверхностей.
Во время экспериментов наблюдалось визуально выталкивание паром отдельных пептизированных кристалликов отложений из объема кольцевого зазора, ранее заполненного отложениями визуальным методом.
На основе разработанной методики количественной оценки гидродинамической обстановки в кольцевой щели с пористыми отложениями было показано, что в зависимости от геометрических характеристик пор и величины теплового потока в щели могут быть реализованы различные ситуации как с полным, так и с частичным упариванием поступающей в щель воды.
Перепад температур между температуой в емкости (температура насыщения) и стенкой имитатора ТОТ поддерживался на уровне 5 С. Это значение было выбрано для того, чтобы отложения в щели были полностью смочены на полную глубину глухой кольцевой щели.
Поддержание рН: при морфолиновом режиме необходимо поддерживать его концентрацию около 3,5-4,0 мг/кг, благодаря которому поддерживается одинаковый рН25й 9,0 по всему 2 контуру.
Применение морфолина существенно снижает поступление продуктов коррозии в ПГ.
В результате создания однородного рН по всему II контуру при морфолиновом режиме достигается защиты от коррозии металла оборудования II контура. Использование морфолина ограничивает образование слоя продуктов коррозии на поверхностях дистанционирующих трубных решеток. Но использование морфолина, как показал вышеописанный эксперимент, может привести, к химической очистке от отложений конструктивного зазора недовальцовки между трубками ПГ и коллекторами, Схема вероятная декомпозиция морфолина представлена на рис.24.
