Оценка долговечности пучка теплообменных трубок ПГ АЭС с ВВЭР по условиям коррозионного растрескивания аустенитных сталей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Чжоу Пэнчао

• Чжоу Пэнчао
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Чжоу Пэнчао

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ПОВРЕЖДЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОГО СПЛАВА ТОТ ПГ АЭС С ВВЭР-1000

1.1. Конструктивно-технологические особенности парогенератора АЭС с ВВЭР-1000

1.2. Сведения о конструкционном сплаве ТОТ ПГ (сталь марки 08Х18Н10Т)

1.3. Водно-химический режим парогенератора в период эксплуатации

1.4. Процессы повреждения конструкционного сплава ТОТ ПГ

1.4.1. Коррозионное растрескивание

1.4.2. Образование питтингов из-за наличия меди в отложениях

1.4.3. Коррозионная усталость

1.4.4. Водородное охрупчивание

1.4.5. Долговечность конструкционного сплава ТОТ ПГ при действии нескольких частных процессов повреждений

1.5. Выводы к главе

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ПРОЦЕСС КР КОНСТРУКЦИОННОГО СПЛАВА ТОТ ПГ АЭС С ВВЭР-1000

2.1. Внешние факторы процесса КР

2.1.1. Адсорбция и концентрирование хлорид-иона

2.1.2. Кислород и оксидная пленка

2.1.3. Механическое напряжение

2.1.4. Температура

2.1.5. Водородный показатель среды - рН

2.2. Внутренние факторы процесса КР

2.2.1. Химический состав конструкционного сплава

2.2.2. Микроструктура металла

2.2.3. Пластическая деформация

2.2.4. Электрохимический потенциал

2.3. Возможные методы защиты от КР

2.4. Выводы к главе

Глава 3. ОЦЕНКА НАРАБОТКИ ДО ОТКАЗА ТРУБНОГО ПУЧКА ПГ АЭС С ВВЭР-1000 ПРИ КР

3.1. Оценка времени до сквозного разрушения конструкционного сплава коррозионной трещиной

3.1.1. Детерминированный (причино-следственный) метод

3.1.2. Описание методики и расчет времени до образования сквозного разрушения

3.2. Методика оценки остаточного ресурса конструкционного сплава ТОТ парогенератора

3.3. Оценка наработки до первого отказа ТОТ ПГ АЭС с ВВЭР-1000 при переменном действии частных факторов повреждения

3.3.1. Влияние концентрации хлорид-иона на наработку до первого отказа ТОТ ПГ

3.3.2. Влияние концентрации кислорода на наработку до первого отказа ТОТ ПГ

3.4. Выводы к главе

Глава 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПГ АЭС С ВВЭР-1000 ЧЕРЕЗ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ ЕГО ТОТ

4.1. Методика оценки динамики накопления дефектных теплообменных трубок ПГ АЭС с ВВЭР в период эксплуатации

4.1.1. Вероятностно-статистический метод

4.1.2. Экспериментальное обоснование нормального закона распределения экспозиции до разрушения конструкционного сплава ТОТ ПГ АЭС по условиям КР

4.1.3. Математическое моделирование динамики накопления дефектных ТОТ ПГ

4.2. Прогнозирование остаточного ресурса парогенератора по условиям эксплуатации

4.3. Оценка допустимой концентрации хлорид-иона в остаточный период эксплуатации ПГ по условиям КР

4.4. Выводы к главе

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АЭС Атомная электростанция

AXHC Аустенитные хромоникелевые стали

ВВЭР Водо-водяной энергетический реактор

ВО Водородное охрупчивание

ВХР Водно-химический режим

КАС Коррозионно-агрессивная среда

КПН Коррозия под напряжением

КР Коррозионное растрескивание

КУ Коррозионная усталость

КПТ Конденсатно питательный тракт

КИН Коэффициент интенсивности напряжений

КС Конструкционный сплав

МНЖ Медно-никелевый сплав

МП Мера повреждения

НДС Напряженно-деформированное состояние

ПГ Парогенератор

ПГВ Парогенератор ВВЭР

ПВД Подогреватель высокого давления

ППР Планово-предупредительные ремонты

СВО Специальная водоочистка

ТОТ Теплообменные трубы

ТКР Транскристаллитное растрескивание

ХКР Хлоридо-кислородное коррозионное растрескивание

ЧПП Частный процесс повреждений

pH Водородный показатель

PWR Pressurized water reactor

ЯППУ Ядерная паропроизводящая установка

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка долговечности пучка теплообменных трубок ПГ АЭС с ВВЭР по условиям коррозионного растрескивания аустенитных сталей»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в атомной энергетике как в России, так и за рубежом, продолжается производиться замена парогенераторов (ПГ) [1]. Основная причина замены - повреждение конструкционного сплава (КС) теплообменных трубок (ТОТ), приводящее к необходимости их глушения и соответственно исчерпанию технологического запаса ТОТ. Исходя из сложившейся практики замены оборудования на эксплуатируемых атомных станциях наиболее уязвимым оборудованием ядерной паропроизводящей установки (ЯППУ) оказался парогенератор. Поэтому одной из важнейших задач с точки зрения безопасного и высокоприбыльного функционирования атомных электростанций (АЭС) является повышение надежности и увеличение срока службы парогенераторов.

В процессе эксплуатации теплообменного оборудования АЭС в водных средах, содержащих коррозионно активные компоненты происходит разрушение КС их теплопередающей поверхности, вследствие протекания физико-химических процессов (химических или электрохимических) на границе раздела металл-среда [4]. Это разрушение связано с коррозионным повреждением КС, которое характеризуется многофакторностью. Необходимость учета совместного действия влияющих на процесс повреждения факторов определяет сложность расчета долговечности КС [31,32]. Ранее проведенные исследования выделяют ряд механизмов коррозионного повреждения, такие как: коррозионное растрескивание (КР), коррозионная усталость (КУ), водородное охрупчивание (ВО), коррозионный износ и т.д., последствия которых оказывают существенное влияние на долговечность КС в условиях эксплуатации, и в конечном счете оказывают влияние на экономичность эксплуатации всей АЭС [6].

Исследования [17] показали, что при эксплуатации АЭС ресурс ТОТ ПГ определяется скоростью нескольких основных частных повреждающих процессов, в число которых входит коррозионное растрескивание и его частный случай хлоридо-кислородное коррозионное растрескивание (ХКР), образование

питтингов из-за наличия меди в отложениях, КУ и ВО. На сегодняшний момент существуют два метода позволяющие проводить количественные оценки наработки до отказа трубного пучка и прогнозирование числа дефектных ТОТ ПГ на остаточный период эксплуатации по условиям КР. Это детерминированный метод, для оценки состояния элементов ПГ АЭС с водо-водяным энергетическим реактором (ВВЭР) и широко применяемый вероятностно-статистический метод.

Однако в настоящее время отсутствует единая количественная зависимость, позволяющая оценить влияние совместно действующих выше приведенных факторов на долговечность аустенитной нержавеющей стали 08Х18Н10Т, которую можно было применить для расчета долговечности ТОТ ПГ.

В отличие от других работ в настоящей работе используется усовершенствованная формула расчета долговечности КС, в которую включено больше влияющих факторов и главное учтено их совместное действие на процесс разрушения КС. Исходя из литературных данных [60,75] концентрация хлорид-иона в среде второго контура во время эксплуатации ПГ принята в данной работе во внимание в первую очередь по отношению к другим эксплуатационным характеристикам (кислороду, температуре, рН, внутренним и внешним напряжениям). В этой связи учитывая отсутствие возможности изменения конструкции узлов (в том числе и теплообменной поверхности) эксплуатируемых ПГ, коррекция ВХР путем уменьшения концентрации хлорид-иона является подчас единственным средством поддержания долговечности конструкционных сплавов [6,7,13].

Актуальность работы. Опыт эксплуатации АЭС, как российских, так и зарубежных, показывает, что оборудование и трубопроводы, работающие в водном и влажнопаровых потоках, в основном теряют свои прочностные характеристики по причине КР [48]. В следствии действия указанного процесса существует вероятность, что до момента вывода из эксплуатации (окончания назначенного ресурса) произойдет исчерпание технологического запаса трубного пучка, которое приведет к невозможности эксплуатации всего ПГ и соответственно к

необходимости его замены [3].

В мире опубликовано огромное число работ и проводится большой комплекс научно-исследовательских работ по решению проблемы КР [14,15,26,43]. Однако с момента возникновения этой проблемы она так окончательно и не решена. Сложность прогнозирования процесса КР заключается в отсутствии в настоящее время единой математической модели и единого взгляда на механизм его протекания с учетом совокупного влияния отдельных факторов, которые могут совместно и одновременно действовать на КС. Указанное совместное и одновременное воздействие приводит к повреждению КС намного быстрее, чем при действии каждого фактора в отдельности.

В настоящее время математическое моделирование прогнозирования момента образования сквозного повреждения ТОТ ПГ при совместном действии на КС нескольких повреждающих процессов отсутствует. Такое моделирование может быть математически описано только для одного из повреждаемых процессов в частном случае. В этой связи наиболее важной становится задача математического и экспериментального обоснования технической реализации мероприятий, направленных на замедление общей скорости процесса повреждения и получения не качественной модели [22], а метода количественной оценки наработки до образования сквозного разрушения и остаточного времени эксплуатации трубного пучка парогенератора в различных условиях.

Целью диссертационной работы является обоснование и разработка феноменологических детерминированных моделей КР и усовершенствование методики для количественной оценки долговечности ПГ АЭС с ВВЭР-1000.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить закономерности влияния внешних и внутренних факторов на КР конструкционных сплавов ТОТ ПГ.

2. Разработать методику для количественной оценки времени до образования сквозного разрушения аустенитных хромоникелевых сталей (АХНС) марки

08Х18Н10Т по условиям КР.

3. Разработать методику оценки наработки до отказа трубного пучка ПГ АЭС с ВВЭР-1000 в условиях эксплуатации.

4. Осуществить математическое моделирование динамики накопления дефектных теплообменных трубок ПГ.

Методы решения задач. В настоящей работе использованы детерминированный (причино-следственный) и вероятностно-статистический методы расчета. Результаты вычислений получены с использованием разработанной автором программы в среде Mathcad.

Научная новизна:

1. Разработана усовершенствованная методика оценки наработки до первого отказа трубного пучка ПГ АЭС с ВВЭР-1000, в которую включены дополнительные влияющие факторы, в том числе величина растягивающих напряжений а и плотность дислокаций в металле р.

2. Установлено, что влияние концентрации хлорид-иона на уменьшение наработки до первого отказа ТОТ парогенератора сильнее, чем влияние концентрации кислорода в условиях эксплуатации ПГ.

3. Впервые выявлена взаимосвязь между динамикой глушения теплообменных трубок и концентрацией хлорид-ионов в продувочной воде парогенератора энергоблока №1 Тяньваньской АЭС с ВВЭР-1000 в Китае, позволяющая прогнозировать количество дефектных ТОТ и остаточный ресурс трубного пучка парогенератора.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- Основные выводы диссертации рекомендуются автором для использования при оценке состояния и управления ресурсом теплообменных трубок ПГ АЭС с ВВЭР-1000, в том числе и единственной АЭС с ВВЭР-1000 в Китае (Тяньваньской АЭС).

- Методика расчета времени до образования сквозного разрушения АХНС рекомендуется для оборудования АЭС и тепловых электростанций (ТЭС) использующих данный сплав в качестве теплообменной поверхности и находящихся в эксплуатации.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Методики и результаты расчета времени до образования сквозного разрушения АХНС марки 08Х18Н10Т.

2. Методики оценки наработки до первого отказа трубного пучка ПГ АЭС с ВВЭР-1000 по условиям КР.

3. Прогноз числа дефектных ТОТ на прогнозируемый период эксплуатации и прогноз остаточного ресурса парогенератора.

Личный вклад автора:

- Проведение исследования повреждающих процессов, которые протекают в конструкционных сплавах ТОТ и влияющих на долговечность трубных пучков ПГ, вместе с выявлением лидирующего процесса.

- Усовершенствование методики для расчета времени до образования сквозного разрушения АХНС марки 08Х18Н10Т.

- Прогнозирование количества выходящих из строя теплообменных трубок и их остаточного ресурса, а также оценка допустимой концентрации хлорид-иона на остаточный период эксплуатации ПГ Тяньваньской АЭС с ВВЭР-1000 в Китае (есть конкретные данные применительно к данной станции).

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждены на двадцать второй и двадцать третьей международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, 2016, 2017гг.); на VII международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (ИМЕТ РАН, 2017г.); на XIV Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и

аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов» (ИМЕТ РАН, 2017г.)

Доложены на выпускающей кафедре АЭС НИУ «МЭИ».

Публикации. По теме исследования опубликовано 8 работ, отражающих основных положения исследования, среди которых - 4 публикации в журналах, рекомендованных ВАК.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Чжоу Пэнчао, Иванов С.О. Количественные оценки наработки до образования сквозного разрушения и остаточного времени эксплуатации трубного пучка парогенератора в условиях усталости и коррозионного растрескивания // Новое в Российской Электроэнергетике. 2017. № 8. С. 64-69.

2. Чжоу Пэнчао, Иванов С.О. Разработка методики прогнозирования глушения теплообменных трубок парогенератора АЭС с ВВЭР // Вестник МЭИ. 2017. № 6. С. 70-74. Б01: 10.24160/1993-6982-2017-6-70-74.

3. Горбатых В.П., Дубар А.М., Иванов С.О., Четвериков А.Е., Чжоу Пэнчао. Фреттинг-коррозия (логические модели формирования повреждений) // Вестник МЭИ. 2017. №2. С.27-31. Б01: 10.24160/1993-6982-2017-2-27-31.

4. Горбатых В.П., Дубар А.М., Иванов С.О., Четвериков А.Е., Чжоу Пэнчао. Прогнозируемые негативные последствия эксплуатации парогенераторов АЭС типа ПГВ в маневренном режиме по причине протекания процессов коррозии и механического износа // Новое в Российской Электроэнергетике. 2016. № 2. С. 44-49.

5. Чжоу Пэнчао, Горбатых В.П. Наработка до первого отказа трубного пучка по условиям усталости и коррозионного растрескивания (КР) // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XXII МНТК студентов и аспирантов. - М.: МЭИ, 2016. - Т. 3. - С. 31.

6. Чжоу Пэнчао, Иванов С.О. Динамики накопления дефектных теплообменных трубок (ТОТ) по условиям усталости и коррозионного растрескивания (КР) // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XXIII МНТК студентов и аспирантов. - М.: МЭИ, 2017. - Т. 3. - С. 22.

7. Чжоу Пэнчао. Методика оценки ресурса парогенераторов АЭС с ВВЭР прогнозированием выхода из строя теплообменных труб // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов. - М.: ИМЕТ РАН, 2017г. - С. 750.

8. Чжоу Пэнчао. Влияние коэффициента концентрирования хлорид-ионов в воде КС1 на долговечности стали марки 08Х18Н10Т в условиях усталости и коррозионного растрескивания // Физико-химия и технология неорганических материалов. - М.: ИМЕТ РАН, 2017г. - С. 164.

Глава 1. ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ПОВРЕЖДЕНИЯ КОНСТРУКЦИОННОГО СПЛАВА ТОТ ПГ АЭС С ВВЭР-1000

1.1. Конструктивно-технологические особенности парогенератора АЭС с ВВЭР-1000

Парогенератор типа ПГВ-1000(1000М) - это теплообменный аппарат, предназначенный для выработки сухого насыщенного пара давлением 6,4 МПа, влажностью 0,2% при температуре питательной воды 220°С за счет теплоты, получаемой от реактора, и обеспечивающий съем тепла с активной зоны реактора во всех эксплуатационных режимах. Конструктивно парогенераторы - это корпусные сосуды, теплообменная поверхность которого содержит 10978 труб. Средняя длина трубки - 14 м, толщина стенки трубки - 1,5 мм, внешний диаметр

- 16 мм. Теплоноситель первого контура проходит внутри теплообменных труб и нагревает рабочую воду второго контура до образования пара. Важной особенностью ПГ АЭС являются высокие требования по межконтурной плотности

- отсутствию проникновения водной среды первого контура во второй контур. Так при нарушении герметичности теплообменной трубки теплоноситель первого контура попадает во второй (пароводяной) контур АЭС, так как давление теплоносителя первого контура больше чем давление второго и в последствии имеет возможность попадания во внешнюю среду, в случае срабатывания предохранительной арматуры [1,2].

Парогенератор состоит из следующих основных узлов: корпуса, трубного пучка, коллекторов («холодного» и «горячего»), сепарационного устройства, устройства раздачи питательной воды, устройства аварийной раздачи питательной воды, погружного дырчатого листа, парового коллектора, штуцеров продувки и дренажа ПГ (рис. 1.1).

б)

Рис. 1.1 - Продольный (а) и поперечный (б) разрезы парогенератора ПГВ-1000 1 - корпус; 2 - патрубок питательной воды; 3 - коллектор первого контура; 4 -

трубный пучок

Основной отличительной особенностью российских парогенераторов АЭС с ВВЭР является применение цилиндрических вертикальных коллекторов вместо трубных досок на зарубежных парогенераторах (рис. 1.2) [1,4,5]. Наличие горизонтальной трубной доски приводит к малой циркуляции рабочей воды над доской и образованию застойной зоны над ней с последующим накоплением шлама в пучке теплообменных трубок. В шламе происходит увеличение концентрации активаторов коррозии, и увеличение скоррости КР как материала трубной доски, так и материала теплообменных трубок. Отсутствие применения горизонтальных трубных досок в российских ПГ исключает наличие застойных зон над ними и всех последующих негативных последствий.

Коллекторы первого контура предназначены для направления теплоносителя в теплообменные трубки («горячий» коллектор) и сбора его после отвода тепла («холодный» коллектор). Использование коллектора с относительно небольшой толщиной стенки 171мм (163 мм - из стали марки 10ГН2МФА и 8 мм - антикоррозионная наплавка, выполненная со стороны теплоносителя) позволяет вальцевать концы труб на полную глубину заделки.

Коллекторы расположены симметрично относительно вертикальной оси ПГ. К переходным кольцам коллекторов приварены трубопроводы для подвода и отвода теплоносителя. В верхней части коллекторы уплотняются съемными крышками, которые позволяют иметь доступ к местам завальцовки труб теплопередающей поверхности для ремонтных работ.

Корпус ПГ и коллекторы теплоносителя, как уже отмечалось, изготавливают из стали марки 10ГН2МФА. На корпусе имеются отверстия со штуцерами для присоединения уровнемеров; вдоль нижней образующей расположены отверстия и штуцера для непрерывной и периодической продувок.

Рис. 1.2 - Схема зарубежных парогенераторов 1 - трубная доска; 2 - трубный пучок; 3 - сепаратор; 4 - осушители I - вход и выход теплоносителя; II - вход питательной воды; III - выход пара;

IV - аварийный подвод питательной воды

Тонкостенные теплообменные трубки парогенератора АЭС с ВВЭР являются важной частью границы первого контура. Они имеют и-образную форму и скомпонованы в трубный пучок. Трубный пучок снабжен устройством дистанционирования в виде профильных и плоских металлических полос, которые выполняются из металла шириной 25 мм и толщиной 2 мм (рис.1.3) [3].

а)

б)

Рис. 1.3 - Схема дистанционирования теплообменных трубок 1- планка; 2 - гофр; 3, 5 - отверстия 15*15 мм в планке и гофре;

4 - теплообменная трубка

Теплообменная трубка 4 в устройствах дистанционирования помещается в

л

ложе, образованное изгибом гофры 2 с отверстием 3 (15*15 мм ). На ТОТ 4

л

укладывается планка 1 с отверстием 5 (15*15 мм ). Отверстия 3 и 5 предназначены для улучшения теплообмена и снижения образования отложений [61,62].

Конструкционный сплав теплообменных труб - нержавеющая сталь марки 08Х18Н10Т. Это коррозионно-устойчивая аустенитная хромоникелевая сталь, относящаяся к I классу стойкости и имеющая абсолютную скорость равномерной коррозии в пределах 0,005^0,001 мм/год.

Повреждения АХНС, применяемой для трубных пучков парогенератора АЭС с ВВЭР от коррозионно-агрессивной среды (КАС) второго контура являются одним из важнейших факторов, влияющих на ресурс парогенераторов в целом. Дефекты ТОТ были зафиксированы как на свободных участках, так и в щелевых зазорах между дистанционирующими решетками ТОТ [36]. В литературе [61] обосновано, что процесс повреждения теплообменных трубок парогенератора может начинаться с относительного скольжения ТОТ вдоль дистанционирующего элемента. С точки зрения повреждения КС потенциально опасные места на теплообменных трубках там, где трубка:

1) недовальцована (щель в зоне вальцовки между стенкой отверстия в коллекторе и наружной поверхностью трубки);

2) перевальцована, имеет гиб;

3) примыкает к верхнему и нижнему элементам дистанционирования.

В сопоставлении со свободным участком трубки эти потенциально опасные места обладают следующими особенностями:

1) локальное концентрирование примесей; 2) увеличенная плотность дефектов тонкой структуры; 3) повышение концентрации примесей в отложениях находящихся в зазорах постоянной ширины с медленным изменением состава отложения из-за ограниченного массообмена [43].

Опыт эксплуатации и имеющиеся наработки по проблеме повреждения ТОТ показывают, что основными факторами, влияющими на образование дефектов, являются [14,15,18]:

- чрезмерные отложения на трубах (выше нормативных);

- величина теплового потока на поверхности трубы;

- концентрация коррозионно-активных примесей (хлорид-ионов) в воде ПГ;

- наличие растягивающих и внутренних остаточных напряжений.

Протекание процесса коррозионного растрескивания теплообменных труб ПГ

обусловлено поступлением продуктов коррозии конструкционных материалов оборудования и трубопроводов конденсатно-питательного и парового трактов второго контура АЭС с ВВЭР выполненных, в основном, из углеродистой стали и медьсодержащих сплавов, и коррозионно-агрессивных примесей в питательную воду ПГ.

1.2. Сведения о конструкционном сплаве ТОТ ПГ (сталь марки 08Х18Н10Т)

В связи с воздействием на конструкционные сплавы ПГ коррозионно-активных компонентов рабочей среды второго контура ВВЭР, выбор данных сплавов для узлов и деталей ПГ имеет важное и большое значение, так как безотказная работа ПГ предопределяет надежную и продолжительную работу практически всего основного оборудования ЯППУ в различных режимах и безаварийное состояние всей АЭС [16].

Материалы, применяемые для изготовления парогенераторов, должны удовлетворять следующим требованиям:

- быть достаточно коррозионно-устойчивыми в средах теплоносителя первого и второго контура;

- иметь высокие механические свойства при заданном температурном режиме работы;

- обладать высокой стабильностью свойств в рабочих условиях;

- иметь удовлетворительные теплофизические характеристики, в частности высокий коэффициент теплопроводности.

Конструкционные сплавы основных элементов парогенератора АЭС с ВВЭР приведены в табл. 1. 1

Конструкционные сплавы основных элементов ПГ

Наименование элемента Конструкционный материал Возможные повреждения

Теплообменные трубки ПГ Аустенитная нержавеющая сталь 08Х18Н10Т Коррозионные процессы (дентинг, питинг, и коррозионное растрескивание) в местах заделки трубок в коллекторы теплоносителя первого контура и в области контакта трубок с дистанционирующими решетками

Корпус и коллекторы ПГ Перлитная углеродистая сталь 10ГН2МФА Коррозионные процессы (дентинг, питинг и межкристаллитное коррозионное растрескивание) в зоне неперфорированного клина и термического влияния сварного соединения №111

Следует отметить, что для трубной системы зарубежных парогенераторов АЭС с PWR применяется аустенитные никель-хромовые жаропрочные сплавы — инконель-600 для PWR первого поколения, а в последующих — инконель-800, у которых была выявлена склонность к межкристаллитному щелочному растрескиванию. Указанные сплавы оказались особенно чувствительными к концентрации ионов натрия в питательной воде ПГ особенно в переходных режимах, которым сопутствует эффект хайдаута (выброса-прятания примесей). Данное обстоятельство определило существенное различие в нормировании концентрации ионов натрия в продувочной воде российских и зарубежных ПГ.

Состав и механические свойства сплавов инконель-600/800 приведены в табл. 1.2 и 1.3.

Химический состав сплавов инконель-600/800

Сплав Массовая доля элементов, %

N1 Сг С Мп Си Р Б Т1

Инконель-600 72 14-17 <0.15 <1.0 <0.5 <0.5 <0.015 <0.015 0

Инконель-800 30-35 19-23 <0.10 <1.5 <1.0 <0.75 <0.03 <0.015 0.15-0.60

Таблица 1.3

Механические свойства сплавов инконель-600/800 при температуре 293К

Сплав Предел прочности оь, МПа Предел текучести (0,2% отклонение) о0,2, МПа Относительное удлинение 5, %

Инконель-600 585 240 30

Инконель-800 520 205 30

В российских парогенераторах для установок с ВВЭР широко применяется нержавеющая хромоникелевая сталь аустенитного класса марки 08Х18Н10Т, которая не подвергается щелочному растрескиванию во всех возможных режимах работы энергоблока, по сравнению с сплавами инконель-600/800 [6,7,11].

Сталь 08Х18Н10Т рекомендуется [6,7] для изготовления сварных изделий, работающих в средах более высокой агрессивности, и обладает повышенной сопротивляемостью межкристаллитной коррозии.

Основными достоинствами сталей аустенитного класса являются:

- Высокие эскплуатационные характеристики (прочность, пластичность, свариваемость, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологично сть.

- Высокие жаростойкие и жаропрочные свойства за счет наличия в них достаточно высокого содержания никеля.

- Низкие скорости общей коррозии (хромоникелевые стали марки 08Х18Н10Т в воде первого контура имеют скорость общей коррозии не более 0,001

- 0,002 мм/год).

Однако существуют и ряд недостатков данных сталей:

- При наличии в рабочих средах специфических агрессивных компонентов эти стали имеют склонность к локальным коррозионным повреждениям -питтингам, а также к коррозии под напряжением, и в частности, коррозионному растрескиванию, коррозионной усталости, водородному охрупчиванию и коррозионному износу.

- Наличие остаточных растягивающих напряжений, которые могут создаваться при изготовлении деталей или в процессе их эксплуатации под воздействием рабочих нагрузок, которые необходимо уменьшать путем отжига, или искусственно создавая на поверхности изделий сжимающие напряжения.

- Высокая стоимость, а также высокие требования к методам сварки и получению высококачественных швов.

Как показал проведенный в [23] анализ, АХНС весьма чувствительна к изменению концентрации хлорид-иона в среде, поскольку для стали марки 08Х18Н10Т специфическим агрессивным компонентом являются хлорид-ион и другие элементы группы галогенов.

Состав и механические свойства нержавеющей стали марки 08Х18Н10Т приведены в табл. 1.4 и 1.5

Таблица1.4

Химический состав стали марки 08Х18Н10Т по ГОСТ 5632-72

Массовая доля элементов, %

C Si Mn & М Fe S P

<0.08 <0.8 <2.0 17-19 9-11 5^0.7 Основа <0,02 <0,035 <0,3

Прочностные характеристики стали марки 08Х18Н10Т

Характеристика Температура, С

20 100 200 300 400

Предел прочности оь, МПа 491 481 412 373 353

Предел текучести (0,2% отклонение) о0,2, МПа 216 206 186.5 176.7 166.9

Модуль упругости Бх 10-4, МПа 20.13 19.83 19.34 18.65 18.16

Допустимое номинальное напряжение [он], МПа 144 137.4 124.4 117.8 111.3

1.3. Водно-химический режим парогенератора в период эксплуатации

Организация водно-химического режима имеет цель поддержания концентрации и количественного состава примесей в пределах, обеспечивающих надежную, экономичную и безопасную работу тепломеханического оборудования АЭС с ВВЭР [8,9].

ВХР второго контура АЭС с ВВЭР должен обеспечивать [7]:

- минимальное количество отложений на трубных пучках ПГ и в конденсатно питательном тракте (КПТ);

- предотвращение коррозионных повреждений конструкционных сплавов ПГ, оборудования и трубопроводов второго контура;

- минимально достижимый объем сбросных регенерационных вод.

Нарушениями ВХР являются отклонение качества питательной и

продувочной воды парогенератора от нормируемых значений, не устраненное в течение установленного уровнями отклонений времени, и непринятие мер по переходу на соответствующие уровни действий.

Основными загрязнениями питательной воды, поступающей в ПГ, являются соли жесткости, кремниевая кислота, хлорид-ионы, натрий, сульфаты, углекислота с воздухом, поступающие с питательной водой и присосами

охлаждающей воды в конденсаторы турбин, а также кислород, поступающий за счет присосов воздуха в вакуумную систему турбин, и продукты коррозии углеродистой стали. Нормы качества питательной и продувочной воды ПГ для АЭС с ВВЭР-1000 приведены в табл. 1.6.

Таблица1.6

Нормы качества питательной и продувочной воды ПГ АЭС с ВВЭР-1000

Наименование показателя Питательная вода Продувочная вода

Концентрация хлорид ионов, мкг/кг Ненормируется <100

Концентрация сульфат ионов, мкг/кг <200

Удельной электрической проводимости Н-катионированной пробы, мкСм/см <0,3 <5

Концентрация кислорода, мкг/кг <10 Ненормируется

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Чжоу Пэнчао, 2019 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Лукасевич Б.И., Трунов Н.Б., Драгунов Ю.Г., Давиденко С.Е. Парогенераторы реакторных установок ВВЭР для атомных электростанций. —М.:ИКЦ «Академкнига», 2004.— 391 с.

2. Клименко А.В. и Зорин В.М. Тепловые и атомные электростанции: справочник / под общ. ред., книга третья, - М.: МЭИ, 2003.

3. Махутов Н.А., Драгунов Ю.Г. и др. Несущая способность парогенераторов водо-водяных энергетических реакторов / М:. «Наука», 2003. - 439 с.

4. Теплоэнергетика и теплотехника. Кн.3. Тепловые и атомные электростанции: Справочник. Под общ. ред. чл.-корр. РАН Клименко А.В. и проф. Зорина В.М. -4-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2007,- 648 с.

5. Теплоэнергетика и теплотехника. Кн.4. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. Под общ. ред. чл.-корр. РАН Клименко А.В. и проф. Зорина В.М. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МЭИ, 2007, - 632 с.

6. Воронов В.Н., Ларин Б.М., Сенина В.А. Химико-технологические режимы АЭС с ВВЭР. М.:Издательский дом МЭИ. 2006 ,- 389с.

7. Петрова Т.И., Воронов В.Н., Ларин Б.М. Технология организации водно-химического режима атомных электростанций. М.:Издательский дом МЭИ. 2012 ,- 272с.

8. Иванов В.Н. Доклад «Внедрение этаноламинового ВХР на Балаковской АЭС». - М.: Федеральное агентство по атомной энергии ФГУП «Росэнергоатом», 2009.

9. Временные нормы «Водно-химический режим второго контура энергоблока №1 Ростовской АЭС в период дозирования морфолина». - М.: Концерн «Росэнергоатом», 2001.

10. Стандарт предприятия «Водно-химический режим второго контура АЭС с реакторами ВВЭР-1000. Нормы качества рабочей среды и средства их обеспечения» СТП Э0-0003-03. - М.: Концерн «Росэнергоатом», 2003.

11. Рощектаев Б.М. Водно-химический режим АЭС с реакторами ВВЭР-1000 и

РБМК-1000: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - 132 с.

12. Сборник докладов Международного научно-технического совещания «Водно-химический режим АЭС». - М.: Концерн «Росэнергоатом», 2005.

13. Воронов В.Н., Петрова Т.И. Водно-химические режимы ТЭС и АЭС. - М.: Изд. дом МЭИ, 2009. - 240с.

14. Герасимов В.В., Герасимова В.В. Коррозионное растрескивание аустенитных нержавеющих сталей. М.: Металургия. 1976

15. Богоявлинский В.Л. Коррозия сталей на АЭС в водным теплоносителем. М.: Энергоатомиздат, 1984.

16. Целостность трубок парогенераторов. Материалы регионального семинара МАГАТЭ. Под общей редакцией Антонова Б.В., Давиденко Н.Н., Корниенко К.А. - М: ЭНИЦ, ВНИИАЭС, 2001г.

17. Горбатых В.П., Морозов А.В. Прогнозирование ресурса трубных пучков парогенераторов АЭС с ВВЭР // Теплоэнергетика 2003. - №5.

18. Герасимов В.В. Коррозия сталей в нейтральных водных средах. М.: Металлургия. 1981.

19. Горбатых В.П., Иванов С.О. Дислокационно-водородная модель коррозионного растрескивания под напряжением // Надежность и безопасность энергетики. 2012. - № 17. - С. 50-54.

20. Матвиенко Ю.Г. Модели и критерии механики разрушения. - M.: Физматлит, 2006. - 328 с.

21. Писарев В.С., Матвиенко Ю.Г., Одинцев И.Н. Определение параметров механики разрушения при малом приращении длины трещины // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2012. - №04. - С.45-51.

22. Мурзаханов Г.Х., Шипков А.А. Математические модели коррозионно-механического разрушения материалов: Учебное пособие по курсу «Прикладная механика разрушения». - М.: Изд-во МЭИ, 2003 г. - 72с.

23. Справочная серия. «Правила и нормы в атомной энергетике». Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86. М. Энергоатомиздат, 1989 г., 525 с.

24. Experimental studies on hydrogen diffusion and trapping in martensitic and austenitic stainless steels for fussion application / G.D Benamati, A.Donato,A.Solina et al. // Journal of Nuklear Materials. 1994. Vol.212-215.P.1401-1405.

25. Казаров Г.И., Горбатых В.П., Сааков Э.С., Шейкин Л.Г. Оценка коэффициента концентрирования примесей воды в отложениях при кипении // Теплоэнергетика. 1994. №04. - С.66-68.

26. DING Xun-shen. Corrosion and protection of nuclear power plant steam generator tubes // CORROSION and PROTECTION. 2000.Vol. 21, № 1. P. 15-18.

27. Герасимов В.И., Звездин Ю.И., Кузнецов Е.В. и др. Перспективные материалы для трубных систем парогенераторов АЭС. Теплоэнергетика. 1992.

28. Елманова О.А. Магистерская диссертация на тему «Влияние коррозионной среды на коэффициент интенсивности напряжений. Применительно к стали перлитного класса марки 10ГН2МФА», НИУ, «МЭИ», 2010.

29. Алексеев П.В. Расчетное моделирование процессов накопления повреждений корпуса коллектора парогенератора ПГВ-1000 в вероятностной постановке. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2013. -172 с.

30. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров . М.: Наука , 1973г, С. 578.

31. Петрова О.Ю., Драгунов Ю.Г., Зубченко А.С. Влияние некоторых компонентов среды 2-го контура ВВЭР - 1000 на склонность стали 10ГН2МФА к замедленному деформационному коррозионному растрескиванию. Подольск, ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС», 2007. - 12 с.

32. Горбатых В.П., Иванов С.О. Живучесть конструкционных сплавов элементов стареющих парогенераторов АЭС с ВВЭР.- М.: ГОУ ВПО МЭИ (ТУ), 2009. - 20 с.

33. Горбатых В.П., Иванов С.О. Физико-химические процессы на АЭС. Термины

и определения: учебное пособие. - М.: Издательский дом МЭИ, 2007. - 40 с.

34. Механика разрушения твердых тел : курс лекций / Пестриков В. М., Морозов Е. М. - СПб. : Профессия, 2002. - 320 с.

35. Овчинников И.Г. Влияние водородосодержашей среды при высоких температурах и давлениях на поведение металлов и конструкций из них // Науковедение. 2012. - №04.

36. Бакиров М.Б., Кудрявцев Е.М., Сарычев Г.А., Тутнов И.А. Введение в техническую диагностику потенциально опасных объектов атомной энергетики. М.: РАДЭКСОН, 2003. - 40 с.

37. Тяпков В.Ф. Состояние, основные проблемы и направления совершенствования водно-химического режима АЭС // Вестник Госатомнадзора России. 2003. - №4. - 19 с.

38. Hernalsteen P, Berthe J. Stratégie management of steam generators. The Nuclear Engineer, 1991. 32(2) P. 34-37.

39. Горбатых В.П. Недокументированные возможности параметрических методов и моделей процессов повреждения конструкционных сплавов оборудования АЭС // Надежность и безопасность энергетики. 2013. - № 21. - С. 28 - 33.

40. Об учете частных процессов повреждения в методике оценки ресурса корпуса реактора по критерию нейтронной хрупкости / Банник А.Ю., Гапонов А.А., Горбатых В.П., Иванов С.О., Никитенко М.П., Четвериков А.Е. // Новое в Рссийской электроэнергетике. 2009. - №5. - С.18 - 31.

41. Конспект лекций по дисциплине «Теория металлургических процессов» / Авт. Зборщик А.М. - Донецк: ГВУЗ «ДонНТУ», 2008. - 101 с.

42. Правила и нормы в атомной энергетике. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-008-89, Москва 2003, 241 с.

43. Berge Ph. Figuet J M. The need for elean steam generators. Nuel. Energy, 1993. 32(2) P. 115-120.

44. Теплообмен в ядерных энергетических установках: учебное пособие / Петухов

Б.С., Генин Л.Г., Ковалев С.А., Соловьев С.Л. - М.: Издательство МЭИ, 2003. -548 с.

45. John Douglas. Solutions for Steam Generators. EPRI Journal, 1995 (5, 6) P . 28-34.

46. Теория и практика повышения надежности и работоспособности конструкционных металлических материалов : учебное пособие / Терентьев В.Ф., Колмаков А. Г., Курганова Ю. А. - Ульяновск : УлГТУ, 2010. - 268 с.

47. Методы измерения твердости / Колмаков А.Г., Терентьев В.Ф., Бакиров М.Б. -М : «Интермет Инжиниринг», 2005. - 149 с.

48. Основы физики прочности и пластичности металлов : учеб. пособие / Неклюдов И.М., Камышанченко Н.В. - Белгород : Изд-во БелГУ, 2003. - 488 с.

49. Основы механики разрушения / Терентьев В.Ф. - M. : Интерконтакт Наука, 2009. - 47 с.

50. Материаловедение : учеб. для вузов / Арзамасов Б. Н., Макарова В. И., Мухин Г. Г. и др; под общ. ред. Арзамасова Б. Н. и Мухина Г. Г. - 3-е изд., перераб и доп. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 648 с.

51. Усталостная прочность металлов и сплавов / Терентьев В. Ф. - M.: «Интермет Инжиниринг», 2002. - 290 с.

52. Предел выносливости металлов и сплавов / Терентьев В. Ф. // Металловедение и термическая обработка металлов - 2008. - №2 (632). -С. 37.

53. Механические свойства металлов / Золотаревский В. С.. - М.: МИСиС, 1998. -400 с.

54. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов / Херцберг Р. В. - Мэ : Металлургия, 1989. - 576 с.

55. Механические свойства металлических материалов. Часть 1 / Терентьев В. Ф., Колмаков А. Г. - M. : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 110 с.

56. Кристаллография и дефекты кристаллической решетки / Новиков И. И., Розин К. М. - М. : Металлургия, 1990. - 336 с.

57. Оперативная диагностика механических свойств конструкционных материалов : пособие для научных и инженерно-технических работников /

Матюнин В. М. - М. : Издательский дом МЭИ, 2006. - 216 с.

58. Горбатых В.П. Локальная коррозия металла теплоэнергетического оборудования. М.: Энергоатомиздат. 1992г. -270с.

59. Чжоу Пэнчао, Иванов С.О. Количественные оценки наработки до образования сквозного разрушения и остаточного времени эксплуатации трубного пучка парогенератора в условиях усталости и коррозионного растрескивания // Новое в Российской Электроэнергетике. 2017. № 8. С. 64-69.

60. Чжоу Пэнчао, Иванов С.О. Разработка методики прогнозирования глушения теплообменных трубок парогенератора АЭС с ВВЭР // Вестник МЭИ. 2017. № 6. С. 70-74. 001: 10.24160/1993-6982-2017-6-70-74.

61. Горбатых В.П., Дубар А.М., Иванов С.О., Четвериков А.Е., Чжоу Пэнчао. Фреттинг-коррозия (логические модели формирования повреждений) // Вестник МЭИ. 2017. №2. С.27-31. Б01: 10.24160/1993-6982-2017-2-27-31.

62. Горбатых В.П., Дубар А.М., Иванов С.О., Четвериков А.Е., Чжоу Пэнчао. Прогнозируемые негативные последствия эксплуатации парогенераторов АЭС типа ПГВ в маневренном режиме по причине протекания процессов коррозии и механического износа // Новое в Российской Электроэнергетике. 2016. № 2. С. 44-49.

63. Чжоу Пэнчао, Горбатых В.П. Наработка до первого отказа трубного пучка по условиям усталости и коррозионного растрескивания (КР) // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XXII МНТК студентов и аспирантов. - М.: МЭИ, 2016. - Т. 3. - С. 31.

64. Чжоу Пэнчао, Иванов С.О. Динамики накопления дефектных теплообменных трубок (ТОТ) по условиям усталости и коррозионного растрескивания (КР) // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Тез. докл. XXII МНТК студентов и аспирантов. - М.: МЭИ, 2017. - Т. 3. - С. 22.

65. Чжоу Пэнчао. Методика оценки ресурса парогенераторов АЭС с ВВЭР прогнозированием выхода из строя теплообменных труб // Деформация и разрушение материалов и наноматериалов. - М.: ИМЕТ РАН, 2017г. - С. 750.

66. Чжоу Пэнчао. Влияние коэффициента концентрирования хлорид-ионов в воде KCi на долговечности стали марки 08Х18Н10Т в условиях усталости и коррозионного растрескивания // Физико-химия и технология неорганических материалов. - М.: ИМЕТ РАН, 2017г. - С. 164.

67. Работоспособность теплообменных труб и управление ресурсом парогенераторов АЭС с ВВЭР/ Давиденко С.Е., Трунов Н.Б., Григорьев В.А. и др. // Сб. тр. 7-го междунар. сем. по горизонтальным парогенераторам, 3—5 окт. 2006 г. Подольск: ФГУП ОКБ «ГИДРОПРЕСС». 2006. -15 с.

68. Работоспособность теплообменных труб парогенераторов нововоронежской АЭС с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 / Викин В.А., Жбанников В.В., Прытков А.Н., Фоменко В.И., Бризицкий В.М., Щедрин М.Г., Сливкин М.П., Илясов В.М., Рогов В.М., Галанин А.В. // Девятая международная конференция "Проблемы материаловедения при проектировании, изготовлении и эксплуатации оборудования АЭС" Том 2; Г. Санкт-Петербург 2006. - 47 с.

69. Щедеркина Т.Е. Вероятностные модели длительности безотказной работы энергетического оборудования АЭС и ТЭС // Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП: Тр. Междунар. научн. конф. «CONTROL-2003», Москва, 22-24 окт. 2003 г. М.: Издательство МЭИ, 2003. С. 191—196.

70. JIANG Li-guo, PENG Min-jun. Effects of rupture location and the number of ruptured tubes on the analysis of SGTR accident // Atomic Energy Science and Technology. 2012.Vol. 32, № 1. P. 44-49.

71. Щедеркина Т.Е., Белов М.С., Бараненко В.И., Скоморохова Т.М. Управление сроком службы теплообменных трубок парогенераторов АЭС с использованием вероятностного подхода // Теория и практика построения и функционирования АСУ ТП: Тр. Междунар. научн. конф. «C0NTR0L-2008», Москва, окт. 2008 г. М.: Издательство МЭИ, 2008.

72. Лунин В.П., Жданов А.Г., Ущербов Р.О., Ловчев В.Н., Гуцев Д.Ф., Титов, С.И. Смирнов С.В. «Испытание программного обеспечения для выявления и параметризации дефектов труб по вихретоковым данным контроля

парогенераторов ВВЭР» // 7-ой Международный семинар по горизонтальным парогенераторам, Подольск, 2006, стр.57-59.

73. Жданов А.Г., Лунин В.П. «Применение программы автоматической обработки сигналов вихретокового контроля труб парогенераторов при анализе данных в период ППР на АЭС», Сборник трудов Конференции молодых специалистов ОАО ОКБ "ГИДРОПРЕСС" 2010, стр.370.

74. ZHOU Shanyuan. On the Stress Corrosion Cracking of Heat Transfer Tubes of SGs // Nuclear Safety. 2005. № 4. P. 44-48.

75. DING Xun-shen. IGA/IGSCC and protection on secondary side of steam generator tubes in nuclear power plants // CORROSION and PROTECTION. 2002.Vol. 23, № 10. P. 441-444.

76. ЯНГ Ксингванг. «Steam Generator operation and Management of Tianwan Nuclear Power Plant» WANO Программа международной рабочей встречи Московского центра ВАО АЭС // Современные методы предотвращения повреждения и контроля состояния теплообменных трубок парогенераторов для обнаружения неплотностей г. Москва, 20 - 23 ноября 2017 года.

77. Карзов Г.П., Суворов С.А., Федорова В.А., Филиппов А.В., Трунов Н.Б., Брыков С.И., Попадчук В.С. Основные механизмы повреждения теплообменных труб на различных этапах эксплуатации парогенераторов типа ПГВ-1000. 7-й международный семинар по горизонтальным парогенераторам. Сборник трудов. Подольск. ФГУП ОКБ «Гидропресс», 2006.

78. Горбатых В.П., Середа Е.В. Оценка результатов ресурсных испытаний аустенитной стали в услових коррозии под напряжением // Теплоэнергетика. 1984. №110. С. 22-25.

79. YANG Ya-jun, ZHAN Wen-hui. SGTR Initiating Event Frequency Analysis Based on Different Tube Materials // Atomic Energy Science and Technology. 2015.Vol. 49, № 7. P. 1243-1246.