Эрозионно-коррозионный износ трубопроводов с однофазной и двухфазной средами при эксплуатации АЭС с ВВЭР

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Эрозионно-коррозионный износ (ЭКИ) является распространенным механизмом повреждений элементов трубопроводов АЭС, изготовленных из углеродистых сталей. ЭКИ может быть отнесен к относительно новым типам повреждения металлов. До аварии по причине ЭКИ на американской АЭС Сарри-2, которая произошла 9 декабря 1986 г., проблеме ЭКИ должного внимания не уделялось, несмотря на то, что на многих АЭС фиксировались случаи ЭКИ с менее серьезными последствиями, чем на АЭС Сарри-2.

На энергоблоках отечественных АЭС, так же как и на зарубежных, к контролю ЭКИ трубопроводов приступили после 1986 г. Входной контроль толщин стенок трубопроводов при вводе энергоблоков в эксплуатацию не проводился, руководящие документы по многим вопросам, связанным с ЭКИ отсутствовали. К настоящему времени в отрасли разработан базовый комплект документации по ЭКИ, аттестованы первые версии программных средств по расчету скорости ЭКИ, разработаны руководящие документы по расчету допустимых толщин стенок и определению химического состава металла трубопроводов, от которого существенно зависит скорость ЭКИ.

На отечественных энергоблоках накоплено большое количество данных, содержащих результаты эксплуатационного контроля толщин стенок трубопроводных систем. После аварии на японской АЭС Михама-3 объем эксплуатационных инспекций на отечественных АЭС значительно увеличен [1-3].

В докладе приведен анализ данных эксплуатационного контроля толщин стенок трубопроводов с однофазной и двухфазной средами на энергоблоках АЭС в различные периоды эксплуатации. Вопрос о том, как влияет продолжительность эксплуатации элементов трубопроводных систем на скорость эрозионно-коррозионного износа, является важным, так как этот фактор необходимо учитывать при прогнозных расчетах ЭКИ [4,5].

При проведении анализа ЭКИ в разные периоды эксплуатации использованы данные эксплуатационного контроля, проведенные на АЭС с ВВЭР-1000 в периоды с 1989 по 1996 г.г. и в 2006 г. Количество замеров в 1989-1996 на элементах трубопроводных систем с однофазной средой, включенных в обработку, составило 6914. Количество замеров на трубопроводах с двухфазной средой, включенных в обработку, составило 324. На трубопроводах с однофазной средой замеры проведены на элементах трубопроводных систем, включающих регулирующие клапаны, измерительные диафрагмы, дроссельные шайбы. На трубопроводах с двухфазной средой замеры проведены на гибах трубопроводов первого и второго отборов пара. Общее количество элементов трубопроводных систем, замеры на которых включены в обработку в 1989-1996, составило 74 шт.

Количество замеров, включенных в обработку, в 2006 составило 751. Замеры на трубопроводах с однофазной средой проведены на таких элементы как отводы, тройники, дросселирующие устройства, переходы и другие. На трубопроводах с однофазной средой проведено 453 замеров. На трубопроводах с двухфазной средой замеры проведены на элементах трубопроводов второго отбора, включающих секционные отводы, тройники, переходы и другие. На трубопроводах с двухфазной средой проведено 298 замеров. Общее количество элементов трубопроводных систем, замеры на которых включены в обработку в 2006 - 36 шт.

При обработке данных эксплуатационного контроля определялись следующие величины:

1) длительность эксплуатации элементов трубопроводных систем, ф, лет;

2) максимальная величина утолщения стенок ДSутл,мак мм;

3) средняя величина утолщения стенок ДSутлср, мм;

4) максимальная скорость формирования отложений Wутлмак, мм/год;

5) средняя скорость формирования отложенийWутлср, мм/год;

6) максимальная величина утонения стенок ДSутнмак, мм;

7) средняя величина утонения стенок ДSутн.ср.., мм;

8) максимальная скорость утонения Wутн.мак.., мм/год;

9) средняя скорость утоненияWутн.ср., мм/год;

10) отношение максимального утолщения к номинальной толщине стенки ДSутлмак../Sном; 11) отношение максимального утонения к номинальной толщине стенки ДSутн.мак./ Sном.

2. Эрозионно-коррозионный износ в 1989-1996 г.

В 1989-1996 г.г. замеры были проведены:

- на трубопроводах с однофазной средой из общего количества замеров 6914 утонение зафиксировано в 25,1 %, утолщение - в 66,2 %, без изменения толщины - 8,7 %;

- на трубопроводах с двухфазной средой из общего количества замеров 324 утонение зафиксировано в 45,4 %, утолщение - в 54,6 %;

- диапазон значений давлений на трубопроводах с однофазной средой (0,32 -12) МПа существенно больше, чем в трубопроводах с двухфазной средой (1,92 - 3,05) МПа;

- диапазон внешних диаметров трубопроводов с однофазной средой от 108 до 630 мм, диапазон толщин стенок трубопроводов с однофазной средой от 6 до 28 мм, средняя толщина - 15,1 мм, типоразмер трубопроводов с двухфазной средой 426х14 мм ;

- значения температур среды в трубопроводах с однофазной средой от 135 до 244 С, среднее значение температуры 186 С, значения температур среды в трубопроводах с двухфазной средой от 210 до 244 С, среднее значение температуры 227 С.

В таблице 1 приведены значения указанных величин для элементов трубопроводных систем с однофазной и двухфазной средой по данным замеров, проведенных в период с 1989 по 1996 гг.

Таблица 1. Величины, характеризующие ЭКИ трубопроводов разных типоразмеров на энергоблоках АЭС (минимальные, средние, максимальные)

Таблица 2. Величины, характеризующие ЭКИ трубопроводов разных типоразмеров на энергоблоках АЭС (минимальные, средние, максимальные)

Из анализа таблицы 1 можно сделать выводы о характере «утолщений» и утонений стенок трубопроводных систем:

1) длительность эксплуатации элементов трубопроводных систем составляет от 3,3 до 9,8 лет; средняя длительность эксплуатации элементов составляет примерно 6,8 лет;

2) максимальная величина утолщений на трубопроводах с однофазной средой, ДSутлмак., находится в диапазоне от 0,1 до 13,3 мм, среднее значение этой величины составляет 3,32 мм;

максимальная величина утолщений на трубопроводах с двухфазной средой, ДSутлмак. находится в диапазоне от 0,2 до 3,8 мм, средняя величина утолщения составляет 1,81 мм;

3) средняя величина утолщений на трубопроводах с однофазной средой, ДSутл. ср., находится в диапазоне от 0,2 до 5,7 мм, среднее значение этой величина утолщения составляет 1,23 мм; средняя величина утолщений на трубопроводах с двухфазной средой, ДSутл. ср., находится в диапазоне от 0,11 до 1,42 мм, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,75 мм;

4) максимальная скорость формирования отложений Wутлмак на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от 0,1 до 2,96 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,59 мм/год;

максимальная скорость формирования отложений Wутлмак на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от 0,03 до 0,72 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,28 мм/год;

5) средняя скорость формирования отложений, Wутлср, на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от 0,03 до 0,75 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,21 мм/год;

средняя скорость формирования отложений Wутлср, мм/год; на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от 0,01 до 0,22 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,12 мм/год;

6) максимальная величина утонения стенок ДSутнмак, на трубопроводах с однофазной средой, находится в диапазоне от -0,2 до -9,0 мм, среднее значение этой величины составляет -1,99 мм;

максимальная величина утонения стенок ДSутнмак, на трубопроводах с двухфазной средой, находится в диапазоне от -0,19 до -3,21 мм, среднее значение этой величины составляет -1,15 мм;

7) средняя величина утонения стенок ДSутн.ср. на трубопроводах с однофазной средой, находится в диапазоне от -0,2 до -2,16 мм, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,80 мм;

средняя величина утонения стенок ДSутн.ср. на трубопроводах с двухфазной средой, находится в диапазоне от -0,19 до -1,61 мм, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,62 мм;

8) максимальная скорость утонения Wутн.мак.. на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от -0,03 до -1,50 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,39 мм/год;

максимальная скорость утонения Wутн.мак.. на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от -0,02 до -0,60 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,18 мм/год;

9) средняя скорость утоненияWутн.ср на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от -0,03 до -0,61 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,14 мм/год;

средняя скорость утоненияWутн.ср на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от -0,02 до -0,30 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,10 мм/год;

10) отношение максимального утолщения к номинальной толщине стенки ДSутлмак../Sном на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от 0,01 до 0,95, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,22; отношение максимального утолщения к номинальной толщине стенки ДSутлмак../Sном на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от 0,01 до 0,27, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,13;

11) отношение максимального утонения к номинальной толщине стенки ДSутн.мак./ Sном на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от -0,01 до -0,69, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,13;

отношение максимального утонения к номинальной толщине стенки ДSутн.мак./ Sном на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от -0,01 до -0,28, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,08.

В комментариях к таблице 1 описание величин для однофазной среды приведено обычным шрифтом, а описание величин для двухфазных величин - курсивом.

Из таблицы 1 следует, что в период с 1989 по 1996 г.г. на трубопроводах с однофазной средой утонение стенок происходит со скоростью примерно в 1,4-2,6 раза большей, чем в трубопроводах с двухфазной средой, а «утолщении» со скоростью в 1,7 - 2,1 раза большей, чем в трубопроводах с двухфазной средой. Это можно объяснить тем, количество воды в жидких пленках на стенках паропроводов существенно меньше, чем в трубопроводах с однофазной средой.

Требует пояснения используемая терминология. Под «утонением» имеется ввиду уменьшение толщины стенки трубопровода, определяемое наличием ЭКИ. Под «утолщением» имеется увеличение толщины стенки до значений, превышающих номинальное значение. Это определяется тем, что при проведении ультразвуковой толщинометрии фиксируется совместная толщина неповрежденного металла и плотных влажных отложений продуктов коррозии, формирующихся на внутренней поверхности трубопроводов. Толщина сухих отложений продуктов коррозии при ультразвуковой толщинометрии не фиксируется.

Из таблицы 1 следует, что по абсолютной величине значения «утолщений» достигают до 13 мм в трубопроводах с однофазной средой и до 3,8 мм - в трубопроводах с двухфазной средой. Значения утонений имеют несколько меньшую величину: до 9 мм в трубопроводах с однофазной средой и до 3,2 мм - в трубопроводах с двухфазной средой.

В таблице 3 и на рисунке 1 приведены данные и график, иллюстрирующие распределение по интервалам стандартизованных утонений и «утолщений» стенок 74 элементов, замеры на которых были проведены в 1989-1996 г.г Под стандартизованной величиной утонения или «утолщения» имеется ввиду отношение значений утонений и «утолщений» к значениям номинальных толщин.

Таблица 3. Разбивка по интервалам стандартизованных максимальных утонений и «утолщений» стенок 74 элементов трубопроводных систем

Рисунок 1 - Распределение значений стандартизованных утонений и утолщений элементов трубопроводных систем, подверженных ЭКИ. Значения стандартизованных утонений и «утолщений», соответствующие цифрам на оси абсцисс приведены в таблице 3

Анализ данных, представленных в таблице 2 и на рисунке 1, позволяет сделать следующие выводы:

- для большей части элементов трубопроводных систем значения максимальных стандартизованных утонений стенок находятся в диапазоне от минус 0,22 до минус 0,14, а максимальных стандартизированных «утолщений» - в диапазоне от 0,06 до 0,30;

- для небольшого количества элементов (в данном случае от 4% до 6 % от общего количества) значения максимальных стандартизованных утонений стенок находятся в диапазоне от минус 0,31 до минус 0,65, а максимальных стандартизированных «утолщений» - в диапазоне от 0,42 до 0,89.

В таблице 3 приведены значения стандартизованных максимальных скоростей утонений и «утолщений» стенок 74 элементов трубных систем, замеры на которых были проведены в 1989-1996 г.г. С использованием таблицы 3 построен график, представленный на рисунке 2.

Анализ данных, представленных в таблице 3 и на рисунке 2, позволяет сделать следующие выводы:

- для большей части элементов трубопроводных систем значения максимальных стандартизованных скоростей утонений стенок находятся в диапазоне от минус 0,11 до минус 0,67 мм/г, а максимальных скоростей стандартизированных утолщений в диапазоне от 0,17 до 1,29 мм/г;

- для небольшого количества элементов (в данном случае примерно от 8% до 9 % от общего количества) значения максимальных скоростей утонений стенок находятся в диапазоне от минус 0,85 до минус 1,41 мм/г, а максимальных стандартизированных утолщений в диапазоне от 1,66 до 2,77 мм/г.

Таблица 4. Значения скоростей утонений и «утолщений» стенок 74 элементов трубопроводных систем по данным замеров 1989 - 1996 гг.

С использованием таблицы 4 построен график, представленный на рисунке 4.

Рисунок 3 - Значения максимальных скоростей утонений и утолщений элементов трубопроводных систем Балаковской АЭС, подверженных ЭКИ

Эрозионно-коррозионный износ в 2006 г.

В 2006 замеры проводились на 36 элементах, на которых имелись значительные утонения стенок трубопроводов. Длительность эксплуатации до даты замеров на разных энергоблоках составила 13,2 лет, 18,7 лет, 20,5 лет. Замеры проведены на трубопроводах с однофазными и двухфазными средами. При обработке данных определялись максимальные утонения и утолщения стенок трубопроводов, были рассчитаны максимальные скорости утонения и утолщения, стандартизованные максимальные утонения и утолщения. Расчеты проведены для трубопроводов с однофазными и двухфазными средами.

Результаты обработки данных эксплуатационного контроля 2006 г. приведены в таблицах 4, 5. В трубопроводах с двухфазной средой количество замеров с утонениями толщин составило 278, с утолщением - 20. В трубопроводах с однофазной средой количество замеров с утонениями составило 264, с утолщениями - 189. Общее количество замеров, включенных в обработку по данным замеров 2006 составило 751.

Таблица 5. ЭКИ элементов трубопроводных систем с однофазной средой

Таблица 6. ЭКИ элементов трубопроводных систем с двухфазной средой

Из анализа таблиц 4, 5 можно сделать выводы о характере утолщений и утонений стенок трубопроводных систем:

1) максимальная величина утонений на трубопроводах с однофазной средой, ДSутнмак., находится в диапазоне от -0,60 до -5,80 мм, среднее значение этой величины составляет -2,36 мм;

максимальная величина утонений на трубопроводах с двухфазной средой, ДSутлмак. находится в диапазоне от -1,60 до 8,00 мм, средняя величина утолщения составляет -6,17 мм;

2) максимальная величина «утолщений» на трубопроводах с однофазной средой, ДSутнмак., находится в диапазоне от 0,10 до 7,30 мм, среднее значение этой величины составляет 1,81 мм;

максимальная величина «утолщений» на трубопроводах с двухфазной средой, ДSутлмак. находится в диапазоне от 0,30 до 14,1 мм, средняя величина утолщения составляет -1,84 мм;

3) максимальная скорость утонения стенок Wутнмак на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от -0,07 до -0,28 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,18 мм/год;

максимальная скорость утонения стенок Wутнмак на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от -0,09 до -061 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,34 мм/год;

4) максимальная скорость «увеличения» толщины стенок Wутлмак на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от 0,01 до 0,39 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,14 мм/год;

максимальная скорость «увеличения» толщины стенок Wутлмак на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от 0,02 до 0,75 мм/год, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,10 мм/год;

5) отношение максимального утонения к номинальной толщине стенки ДSутн.мак./ Sном на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от -0,13 до -0,80, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,59;

отношение максимального утонения к номинальной толщине стенки ДSутн.мак./ Sном на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от -0,13 до -0,67, среднее значение этой величина утолщения составляет -0,51.

6) отношение максимального утолщения к номинальной толщине стенки ДSутлмак../Sном на трубопроводах с однофазной средой находится в диапазоне от 0,03 до 1,62, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,45;

отношение максимального утолщения к номинальной толщине стенки ДSутлмак../Sном на трубопроводах с двухфазной средой находится в диапазоне от 0,03 до 1,18, среднее значение этой величина утолщения составляет 0,16.

Анализ результатов обработки, приведенных в таблицах 3 и 4 позволяет сделать следующие выводы:

- значения максимальных «утолщений» ДSутлмакс. имеют большую величину в трубопроводах с двухфазной средой по сравнению с однофазной; отношения минимальных, средних и максимальных значений величин ДSутлмак в трубопроводах с двухфазной средой к таковым в трубопроводах с однофазной средой равны соответственно 3,0, 1,02, 1,93;

- значения максимальных утонений ДSутнмакс. имеют большую величину также в трубопроводах с двухфазной средой по сравнению с однофазной; отношения минимальных, средних и максимальных значений величин ДSутнмакс. в трубопроводах с двухфазной средой к таковым в трубопроводах с однофазной средой равны соответственно 2,61, 2,67, 1,38;

- значения максимальных средних скоростей утолщений Wутлмакс. в трубопроводах с однофазной средой в 1,4 раза больше, чем в трубопроводах с двухфазной;

- значения максимальных стандартизованных утолщений ДSутлмакс./Sном в трубопроводах с однофазной средой в 2,8 раза больше, чем в трубопроводах с однофазной;

- значения максимальных средних скоростей утонений Wутлмакс. в трубопроводах с двухфазной средой в 1,89 раза больше, чем в трубопроводах с однофазной;

- значения максимальных стандартизованных утонений ДSутнмакс./Sном в трубопроводах с однофазной средой в 1,16 раза больше, чем в трубопроводах с однофазной.

Сопоставление характеристик эрозионно-коррозионного износа элементов трубопроводных систем в 1989-1996 и в 2006.

С использованием таблиц 1, 2, 3 составлена таблица 4, в которой приведены значения величин, определяющих ЭКИ трубопроводов с однофазной и двухфазной средами в различные периоды эксплуатации: в 1989-1996 и в 2006 г.

Таблица 7. Сопоставление величин, определяющих эрозионно-коррозионный износ и формирование продуктов коррозии в разные периоды эксплуатации в трубопроводах с однофазной (1-ф) и двухфазной (2-ф) средами

трубопровод коррозионный углеродистый

Из сопоставления величин, приведенных в таблице 4, следуют выводы:

- величины, характеризующие утонение стенок трубопроводов ДSутнмакс., Wутнмакс., ДSутнмакс./Sном в период 1989-1996, имеют большую величину в трубопроводах с однофазной средой, чем с двухфазной средой;

- величины, характеризующие утонение стенок трубопроводов ДSутнмакс., Wутнмакс. в 2006, имеют большую величину в трубопроводах с двухфазной средой, чем в трубопроводах однофазной средой, т.е. наблюдается обратная по сравнению с 1989-1996 г.г. закономерность;

- величины, характеризующие утолщение стенок трубопроводов за счет отложений продуктов коррозии, ДSутлмакс., Wутлмакс., ДSутлмакс./Sном, в период 1989-1996 г.г. и в 2006 г., имеют большую величину для трубопроводов с однофазной средой, чем с двухфазной средой;

- среднее максимальное значение скорости ЭКИ в период между 1989-1996 г.г. и 2006 г. уменьшилось в трубопроводах с однофазной средой от минус 0,39 мм/год до минус 0,18 мм/год, а в трубопроводах с двухфазной средой увеличилось от минус 0,18 мм/год до минус 0,34 мм/год;

- среднее максимальное значение стандартизованного «утолщения» стенок трубопроводов ДSутнмакс./Sном увеличилось в период между 1989-1996 г.г. и 2006 г. в трубопроводах с однофазной средой от 0,22 до 0,45, а в трубопроводах с двухфазной средой увеличилось от 0,13 до 0,16.

Проведенный анализ данных эксплуатационных инспекций в различные периоды эксплуатации на элементах трубопроводных систем с однофазными и двухфазными средами позволил выявить определенные закономерности эрозионно-коррозионного износа, которые могут быть сформулированы следующим образом:

- замеры толщин стенок в 1989-1997 г.г. проведены в интервалы времени, составляющие 3,3 - 9,8 лет после ввода в эксплуатацию, т.е. относительно небольшие по величине, то в этот период фиксировались относительно большие скорости ЭКИ, скорости формирования отложений, значительные утонения и «утолщения»;

- замеры толщин стенок в 2006 г. проведены в интервалы времени, составляющие 13,2 - 20,5 лет после ввода в эксплуатацию, т.е. большие по величине по сравнению с 1989-1996 г.г., то в этот период фиксировались меньшие скорости ЭКИ, скорости формирования отложений, значительные утонения и «утолщения»;

Литература

1. Промежуточный отчет по разрыву трубопровода второго контура энергоблока № 3 АЭС «Михама» 09.08.2004. //Япония, корпорация «Kansai Electric Power». 58 с.

2. Secondary Piping Rupture Accident at Mihama Power Station, Unit 3, of the Kansai Electric Power Co., Inc.// Final Report. March. 113 p.

3. Secondary Pipe Rupture at Mihama Power Unit 3. Mr. Hajime Ito.// The Kansai Electric Power Co., Inc. Conf. WANO. 2005. 15 p.

4. Акимов Г.В. Основы учения о коррозии и защите металлов. ГНТИЛ по черной и цветной металлургии. М. 1946 г. 463 с.

5. Мулайил Т.М. К вопросу о коррозии под действием потока. Атомная техника за рубежом, 2008, № 12, С. 16-2

Размещено на Allbest.ru