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)
|
Обозначение |
ф, лет |
ДSутлмакс. мм |
ДSутлср мм |
Wутлмакс. мм/год |
Wутлср мм/год |
ДSутнмакс. мм |
|
|
Значения средних величин для трубопроводов с однофазной средой |
|||||||
|
Номер |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
Мин. знач. |
3,3 |
0,1 |
0,2 |
0,1 |
0,03 |
-0,2 |
|
|
Ср знач. |
6,73 |
3,32 |
1,23 |
0,59 |
0,21 |
-1,99 |
|
|
Макc.знач. |
9,8 |
13,3 |
5,7 |
2,96 |
0,75 |
-9,0 |
|
|
Значения средних величин для трубопроводов с двухфазной средой |
|||||||
|
Мин. знач. |
5,30 |
0,2 |
0,11 |
0,03 |
0,01 |
-0,19 |
|
|
Ср знач. |
6,80 |
1,81 |
0,75 |
0,28 |
0,12 |
-1,15 |
|
|
Макс.знач. |
8,00 |
3,80 |
1,42 |
0,72 |
0,22 |
-3,21 |
Таблица 2. Величины, характеризующие ЭКИ трубопроводов разных типоразмеров на энергоблоках АЭС (минимальные, средние, максимальные)
|
Обозначение |
ДSутнср мм |
Wутнмакс. мм/год |
Wутнср мм/год |
ДSутл,мак/ Sном |
ДSутн,мак/ Sном |
|
|
Значения средних величин для трубопроводов с однофазной средой |
||||||
|
Номер |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
|
|
Мин. знач. |
-0,2 |
-0,03 |
-0,03 |
0,01 |
-0,01 |
|
|
Ср знач. |
-0,80 |
-0,39 |
-0,14 |
0,22 |
-0,13 |
|
|
Макc.знач. |
-2,16 |
-1,50 |
-0,61 |
0,95 |
-0,69 |
|
|
Значения средних величин для трубопроводов с двухфазной средой |
||||||
|
Мин. знач. |
-0,19 |
-0,02 |
-0,02 |
0,01 |
-0,01 |
|
|
Ср знач. |
-0,62 |
-0,18 |
-0,10 |
0,13 |
-0,08 |
|
|
Макс.знач. |
-1,61 |
-0,60 |
-0,30 |
0,27 |
-0,23 |
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.