Системные требования к будущим АЭС и факторы эрозионно-коррозионного износа
Дата: 07/02/2012
Тема: Безопасность и чрезвычайные ситуации


В.И.Бараненко, д.т.н., профессор,
ОАО "ВНИИАЭС"
А.А.Просвирнов,
ОАО "ВНИИАЭС"

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.

Таблица 1 Перечень и диапазоны изменения факторов ЭКИ



Наименование параметра

Обозначение

Размер.
Значения величин
Базовое знач
Диапазоны
Вклад фактора
1
Температура теплоносителя
t
°С
150
40-240
3,4
2
Скорость среды
W
м/с
4
0,1-10
4,96
3
Значение рН
рН
-
8,9
7-10,2
28,1
4
Концентрация кислорода
СО2
мкг/кг
10
0-50
6,65
5
Используемый амин
амин
-
Ам.,ЭА, МФ
-
-
6
Содержание в металле хрома
С Сr
% (вес.)
0,03
0,03-0,5
10,6
7
Содержание в металле меди
С Cu
% (вес.)
0,03
0,03-0,5
2,02
8
Содержание в металле молибдена
С Mo
% (вес.)
0,03
-
-
9
Значение коэффициента Келлера
ККЕЛ
-
0,2
0,04 -1,0
25
10
Внешний диаметр трубопровода.
Толщина стенки
DТР
мм
426х24
108-1320
1,37
11
Длительность эксплуатации
tЭКСПЛ
лет
30
-
-

Сумма вкладов факторов
-
-
-
-
82,1

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 A106
Марка
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.






Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=3552