Переход на 60 летний период эксплуатации будущих АЭС требует новых подходов к управлению ресурсом элементов энергоблоков. Для трубопроводов и оборудования второго контура определяющим аспектом управления ресурсом является эрозионно-коррозионный износ (ЭКИ) металла.
На заре атомной отрасли проблемы ЭКИ не были изучены и учитывались не в полной мере. Для вводимых в эксплуатацию АЭС до поры до времени эта проблема не проявлялась. Проблему ЭКИ начали интенсивно изучать после крупной аварии по причине ЭКИ на АЭС США Сарри-2 в 1986 г. После не менее крупной аварии на японской АЭС «Mihama» в 2004 г. работы по изучению ЭКИ еще более интенсифицировались. Ряд аварий на зарубежных и отечественных АЭС, причиной которых явился эрозионно-коррозионный износ элементов трубопроводов, изготовленных из углеродистых сталей, послужили основанием поиска средств предотвращения подобных событий. Были проведены обширные исследования, как за рубежом, так и в России. Исследовались прежде всего факторы, влияющие на скорость ЭКИ с максимальным эффектом. Перечень этих факторов приведен в таблице 1, указаны диапазоны изменения факторов и количественный вклад каждого фактора в значения интенсивности ЭКИ, то есть скорости ЭКИ и величины утонения.
Как видно из таблицы 1 наибольшее влияние на ЭКИ из приведенных факторов оказывает водородный показатель рН. Это говорит о том, что поддержание водно-химического режима в требуемых пределах является определяющим фактором для снижения скорости ЭКИ. Требования к будущим АЭС использования эффективных водно-химических режимов второго контура может существенно снизить скорость ЭКИ, а значит, и продлить ресурс трубопроводов и узлов оборудования.
Вторым по значимости фактором является геометрический фактор – коэффициент Келлера. К сожалению, на этот фактор на стадии эксплуатации влиять можно в очень ограниченных пределах, так как он может потребовать существенных конструктивных переделок. Оптимизация этого параметра должна проводиться на стадии конструирования и проектирования, а это уже прерогатива конструктора и проектанта. Основными требованиями могут быть требования к конструкции узлов, подвергающихся наиболее интенсивному ЭКИ металла. Выявить их можно, опираясь на знания, полученные из опыта эксплуатации АЭС с РУ ВВЭР и РБМК. До недавнего времени подобные узлы только фиксировались. Необходимо обобщить и статистически обработать все факты повышенного ЭКИ и выработать требования к конструкции подобных узлов, минимизирующие воздействие ЭКИ. По материалам, опубликованным в печати, подобными узлами являются элементы, для которых значения гидродинамического коэффициента Келлера имеют высокие значения (тройники, гибы (отводы), околошовные зоны, участки за дроссельными и расходомерными устройствами и другие элементы с повышенным гидравлическим сопротивлением).
Исходя из вышеизложенного, можно предложить следующие требования к конструкции узлов оборудования, подвергающихся наиболее интенсивному ЭКИ:
· Проектирование узлов с минимальным гидродинамическим сопротивлением;
· Использование защитных вставок и элементов трубопроводных систем из коррозионно-стойких материалов;
· Использование сепарационных устройств для отвода влаги из оборудования с двухфазной средой
· Использование в оборудовании накладок из коррозионно-стойких сталей.
· Установка разделяющих перегородок во входных и выходных камерах и т.д.
«Болевыми точками», наиболее подверженными ЭКИ металла на АЭС являются ПНД, ПВД, трубопровод к СПП, питательные и конденсатные трубопроводы.
Анализ зарубежных исследований показывает, что эффективным средством предотвращения или значительного (до 10 раз) ослабления эффекта ЭКИ является наличие в металле трубопровода в определенном количестве хрома, меди и молибдена. Содержание этих элементов свыше 0,1 % уже положительно сказывается на эрозионно-коррозионной стойкости металла, а значительный эффект проявляется при их содержании на уровне 0,3-0,4 %.
В сталях марок 15ГС, 16ГС, сталь 20, из которых изготовлены трубопроводы второго контура отечественных АЭС, указанные выше элементы присутствуют как примесные, что не всегда позволяет обеспечить эрозионно-коррозионную стойкость.
Примером стали, устойчивой к процессам ЭКИ, может явиться американская сталь марки ASTM A106, имеющая следующий химический состав, приведенный в таблице 2, в тех случаях, когда концентрация хрома и меди в металле не снижается до значений меньших 0,3 %.
Таблица 2 – Химический состав стали марки ASTM A106Марка
| C
| Mn
| P
| S
| Si
| Cr
| Cu
| Mo
| Ni
| V
|
A106 A
| <0,25
| 0,27-0,93
| <0,035
| <0,035
| <0,1
| <0,4
| <0,4
| <0,15
| <0,4
| <0,08
|
A106 B
| <0,3
| 0,29-1,06
| <0,035
| <0,035
| <0,1
| <0,4
| <0,4
| <0,15
| <0,4
| <0,08
|
A106 C
| <0,35
| 0,29-1,06
| <0,035
| <0,035
| <0,1
| <0,4
| <0,4
| <0,15
| <0,4
| <0,08
|
В Российской Федерации элементы трубопроводов из стали подобного химического состава не выпускаются. Но если предполагается эксплуатировать будущие блоки отечественного производства в течение практически всего 21 века, то для обеспечения эрозионно-коррозионной стойкости трубопроводов, изготовленных из углеродистой стали, необходимо организовать производство соответствующей стали в России, либо рассмотреть вопрос о ее закупке за рубежом. Необходимо потребовать от поставщиков оборудования использовать для его изготовления стали, стойкие к эрозионно-коррозионному износу.
Следующим важным по значимости фактором является концентрация кислорода в воде. Существующие системы деаэрации практически не изменялись с середины прошлого века, однако в последнее время для малых мощностей используются вихревые деаэраторы. Следует провести изыскания по возможности использования полученного опыта для мощных будущих АЭС.
Перечисленные факторы суммарно превышают 80% порог влияния на конечный результат (интенсивность ЭКИ металла оборудования и трубопроводов) и, в соответствии с принципом Парето, нерационально рассматривать на системном уровне другие. Можно перечислять массу других факторов (например, шероховатость поверхности, электропроводность, плотность и пористость оксидного слоя, гидродинамические факторы, такие как число Re, кинематическая вязкость и т.д.), однако их влияние практически не изменит конечный результат расчета скорости ЭКИ.
Выполнение превентивных требований, изложенных выше, несомненно, скажется положительно, тем не менее, возможно и необходимо управлять ЭКИ непосредственно в процессе эксплуатации АЭС.
Все работы по ЭКИ можно условно разбить на три блока:
· разработка методологии и расчетных кодов,
· текущие замеры на АЭС и их статистическая обработка с прогнозным расчетом скорости ЭКИ,
· разработка нормативной документации.
Рис. 1 Базовые блоки управления эрозионно-коррозионным износом оборудования
По первому блоку работ (см. рис. 1) остро стоит вопрос разработки отечественных аттестованных в Ростехнадзоре программных средств расчета и прогнозирования скорости ЭКИ, прогнозирования времени утонения до разрешенного предела (прогнозирование ресурса), прогнозирование мест и узлов, наиболее подверженных ЭКИ. Среди отечественных работ, посвященных прогнозированию скорости ЭКИ, следует отметить разработанные ВНИИАЭС и аттестованные Ростехнадзором в установленном порядке программные средства «Программа ЭКИ-02» и «Программа ЭКИ-03», а также расчетная модель «РАМЭК» (разработка ЗАО «Геотерм-М»). На сегодняшний день отечественные коды неконкурентоспособны на внешнем рынке. На установленных за пределами РФ АЭС проекта ВВЭР для расчета ЭКИ используются зарубежные коды стоимостью более 100 тысяч долларов США. В рамках программы управления ЭКИ необходимо интенсифицировать исследование влияния различных факторов на скорость ЭКИ (величины pH, фазового состава среды, содержания кислорода, температуры, конфигурации элементов трубопровода, содержания легирующих элементов в материале трубопроводов и т.п.);
По второму блоку работ (см. рис. 1) необходимы организационные работы. На каждой АЭС должна быть создана соответствующая служба или заключен договор с сервисной компанией для выполнения контрольных измерений на АЭС. Процедура измерений должна строго выполняться, например, определение химического состава необходимо проводить одновременно с определением значений остальных факторов, оказывающих влияние на интенсивность ЭКИ.
Отдельно должны проводиться работы по повышению достоверности результатов ультразвуковой толщинометрии. Анализ исполнительных документов по ультразвуковой толщинометрии эрозионно-изнашиваемых элементов трубопроводов второго контура свидетельствует, что в ряде случаев совместно с толщиной неповрежденного металла фиксируется толщина плотных влажных отложений продуктов коррозии, что вносит определяющий вклад в погрешность измерений вплоть до получения качественно неверного результата (увеличение толщины стенки трубопровода). Это свидетельствует о необходимости совершенствования методики ультразвукового контроля толщины металла. На вновь вводимых в эксплуатацию блоках должен проводиться входной контроль толщин стенок элементов оборудования и трубопроводов, подверженных эрозионно-коррозионному износу, для использования в качестве реперных (референсных) начальных значений, занесенных в базу данных ЭКИ.
На сегодняшний день практика сбора и обработки данных базируется на бумажной технологии, что при огромном объеме данных контроля ЭКИ неприемлемо. Для статистической обработки результатов измерений, сбора и анализа данных по факторам, определяющим интенсивность ЭКИ, необходимо в организации, Научном руководителе эксплуатации АЭС, или в специализированной сервисной организации развернуть сервер с единой базой данных для всех АЭС с WEB доступом к базе данных каждой АЭС, научных институтов и групп, конструкторов и проектантов. Данные со всех АЭС должны обобщаться и быть базой для разработки компьютерных кодов и нормативных документов, результаты статистических анализов должны использоваться для развития и верификации разрабатываемых кодов, уточнения результатов расчетов и прогнозов.
По третьему блоку работ (см. рис. 1) должна выпускаться или корректироваться нормативная документация и контролироваться ее исполнение на АЭС. На сегодняшний день разработкой нормативной документации по ЭКИ занимается эксплуатирующая организация, что в корне неверно, и на это указал Ростехнадзор в последних письмах. По результатам опыта эксплуатации (по фактическим данным с АЭС по ЭКИ), конструктор и проектант должны организовать комплекс исследований по предотвращению или снижению ЭКИ в своих конструкциях, выставить специфические требования к промышленности на производство материалов и оборудования с требуемыми характеристиками и вместе с рабочей документацией на оборудование выпускать нормативную документацию: регламент контроля толщин, допустимые минимальные толщины, частоту контроля и т.д. К сожалению, в настоящее время разработка нормативной документации и программных средств по ЭКИ не завершена. Разработанные руководящие документы, программные средства (ПС) и методические указания практически не используются на АЭС.
Заключение. Основные направления решения проблемы ЭКИ
Для будущих АЭС с 60 летним сроком эксплуатации необходима коррекция подхода к проблеме ЭКИ металла оборудования АЭС. Необходимо внести фактор системности в проблему исследования ЭКИ для АЭС с длительным сроком эксплуатации.
Необходимы, прежде всего, организационные меры: создание ответственного сервиса на АЭС или в обслуживающей АЭС организации, ответственной за организацию сервера с базой данных и WEB доступом всех заинтересованных сторон.
Необходимо организовать процесс планомерного заполнения базы данных ЭКИ, возможно в
рамках отраслевой информационно-аналитической системы ОАО «Концерн Росэнергоатом» по опыту эксплуатации атомных станций (ОИС ОЭ).Параллельно должны быть развернуты работы по анализу данных, их обобщению и разработке методологии, компьютерных кодов и нормативной документации на базе фактических измерений с АЭС, так как на сегодняшний день фактические данные с АЭС практически не используются. Постоянно пополняемая база данных по ЭКИ должна служить базой знаний для будущих АЭС и активно использоваться на энергоблоках АЭС отечественного производства, находящихся в эксплуатации как в РФ, так и за рубежом.
Для будущих АЭС с 60-летним сроком эксплуатации управление ЭКИ должно закладываться на стадии «Конструирование и «Проектирование», с предварительной проработкой конструкции и материалов, минимизирующих ЭКИ, с созданием информационной системы (ИС) поддержки управления ЭКИ, как подсистемы более общей ИС поддержки эксплуатации, включая ТОиР. Нормативная документация по ЭКИ должна быть включена в объем рабочей документации, поставляемой с оборудованием.
Прежде чем переходить на цикл в 60 лет, отрасли необходимо организовать производство эррозионно-коррозионно стойкой стали в России, либо рассмотреть вопрос о ее закупке за рубежом. Проектанты должны потребовать от российских поставщиков оборудования второго контура использовать для его изготовления стали, стойкие к эрозионно-коррозионному износу или искать замену поставщиков на мировом рынке.
Использованные источники
1.
Case-480. Examination Requirements for Pipe Wall Thinning Due to Single Phase Erosion and Corrosion. Section XI, Division I. May 10,1990. 18 p.
2.
Case N-597-2. Requirements for Analytical Evaluation of Pipe Wall Thinning. Section XI, Division I. November 18. 2003. 12 p.
3
Бараненко В.И, Гулина О.М., Ампилогов М.О. О прогнозировании длительности эксплуатации элементов трубопроводных систем АЭС, подверженных эрозионно-коррозионному износу. Сборник ВНИИАЭС. М. Основные работы 2010. С. 81 – 94.
4
Разработка методического указания по расчету скорости эрозионно-коррозионного износа и длительности эксплуатации трубопроводов АЭС. Бараненко В.И., Янченко Ю.А., Европин С.В., Юрманов В.А. Доклад на 7-й Международной конференции по безопасности АЭС с ВВЭР. Подольск, Россия, 17-20 Мая 2001. 14 с.
5
Использование программных средств для расчета скорости эрозионно-коррозионного износа трубопроводов АЭС. Бараненко В.И., Янченко Ю.А., Европин С.В., Юрманов В.А. Доклад на 7-й Международной конференции по безопасности АЭС с ВВЭР. Подольск, Россия, 17-20 Мая 2001. 24 с.
6
Томаров Г.В. Физико-химические процессы и закономерности эрозии-коррозии металла энергетического оборудования в двухфазном потоке. Теплоэнергетика № 9 2001, С. 59-67
7
Томаров Г.В., Шипков А.А. Моделирование физико-химических процессов эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках. Теплоэнергетика № 7 2002, С. 7 – 17.
8
Бараненко В.И. Эрозионно-коррозионный износ элементов трубопроводных систем АЭС с ВВЭР. Сборник ВНИИАЭС Основные работы. М. 2007. С. 125 – 140.
9.
Ducreux J. Teoretical and Experimental Investigation of the Effect Chemical Composition of Steels on their Erosion-Corrosion Resistance. Paper 19 presented to the Specialist Meeting on Erosion-Corrosion of Steels in High Temperature Wear Water and Wet Steam Les Renardires. May 1982.
10. Томаров Г.В., Шипков А.А. Принципы и особенности практического применения программных средств для решения проблем эрозии-коррозии металла в энергетике. Теплоэнергетика № 2 2011, С. 44 – 50.
11. Zheng Y. A steady state FAC model in carbon steel and its application on practical geometries by means of CFD. FAC2010 International conference on Flow Accelerated Corrjsion. May 4-7 2010 Lion France. 18 p.
12. Flow-accelerated corrosion in Power Plants. TR-106611-R1. EPRI. USA. 2002. 535 p.
13. РД 95 10547-99. Руководство по применению концепции безопасности течь перед разрушением к трубопроводам АЭУ. Р-ТПР-01-99, М., 1999. Минатом.
