Основные механизмы повреждения теплообменных труб на различных этапах эксплуатации парогенераторов типа ПГВ-1000
Г.П. Карзов, С.А. Суворов, В.А. Федорова, А.В. Филиппов
Введение
На основании стадийной модели повреждаемости теплообменных труб (ТОТ) парогенераторов (ПГ) произведен анализ механизмов зарождения и развития коррозионных дефектов в условиях эксплуатации горизонтальных парогенераторов АЭС с ВВЭР-1000. Рассмотрены наиболее вероятные механизмы образования нерастворимых отложений, накопления солей под отложениями, зарождения и развития питтингов и коррозионных трещин.
Рассмотренные механизмы стадийной модели деградации ТОТ ПГ достаточно адекватно объясняют наблюдаемые при эксплуатации ПГ явления остановки длительно регистрируемых дефектов, быстрого "скачкообразного" развития новых дефектов, локализацию наиболее дефектных районов трубных пучков в парогенераторах.
При анализе механизмов повреждения ТОТ ПГ использованы материалы ранее выполненных работ, обобщающих опыт эксплуатации парогенераторов АЭС с ВВЭР-1000, результаты контроля ТОТ в процессе эксплуатации, результаты металлографических исследований вырезанных образцов поврежденных теплообменных труб, а также литературные данные по условиям и механизмам зарождения и роста дефектов в условиях эксплуатации ПГ.
1. Анализ повреждаемости теплообменных труб парогенераторов типа ПГВ-1000
Опыт эксплуатации ПГ АЭС с ВВЭР и PWR показывает, что в настоящее время основным элементом, определяющим фактический срок их службы, являются теплообменные трубы [1-6]. Для исключения возможности течи теплоносителя I контура во II контур, на всех ПГ производится регулярный вихретоковый контроль (ВТК) ТОТ, по результатам которого производится превентивное глушение ТОТ. Следует отметить, что все случаи массового коррозионного повреждения ТОТ относятся к ПГ, проработавшим длительное время без проведения химической промывки и при нарушении норм водно-химического режима (ВХР) [1].
В то же время многие ПГ, имеющие по данным ВТК большое количество индикаций, эксплуатируются без превышения эксплуатационных пределов по течи из I во II контур [1].
При эксплуатации ПГ повреждения возникают как на свободных участках, так и под дистанционирующими решетками ТОТ [1-5]. Металлографический анализ вырезанных дефектных ТОТ показывает, что зарегистрированные при ВТК дефекты имеют в основном характер питтингов и коррозионных трещин КР (рис. 1), образовавшихся под отложениями на поверхности ТОТ [1,7].
На основании анализа результатов ВТК ТОТ парогенераторов АЭС с ВВЭР-1000 на российских и зарубежных АЭС, приведенных в работах [1-3, 8, 9], установлено, что коррозионные дефекты как на свободных участках, так под дистанционирующими элементами, имеют тенденцию к возникновению преимущественно в нижней части трубных пучков ПГ (рис.2).
а) питтинги
б) коррозионная трещина
Рис. 1. Зарождение и рост коррозионных трещин из питтингов в металле ТОТ.
При этом дефекты на свободных участках труб локализованы преимущественно вблизи "горячего коллектора" (ГК). Дефекты под дистанционирующими решетками также чаще располагаются в нижней части ПГ, но распределены более равномерно по длине трубных пучков.
Рис. 2. Схема парогенератора:
a) в поперечном разрезе; b) в плане;
ПВС -пароводяная смесь, ГК -горячий коллектор, ХК -холодный коллектор.
Отдельные случаи преобладания дефектов на верхних рядах ТОТ наблюдались только при недопустимом опускании уровня воды в ПГ. Различия в характере распределения дефектов в объеме ПГ разных энергоблоков можно объяснить различным уровнем загрязненности [1]. В целом для ПГ с активной деградацией ТОТ характерно образование так называемых "критических зон", где локализуются дефекты, что связано с осаждением на ТОТ в этих зонах продуктов коррозии значительной толщины, вплоть до забивания пространства между трубами [10]. Анализ эксплуатационных данных показывает, что первые систематические глушения ТОТ по результатам ВТК проводятся обычно после накопления на поверхности ТОТ значительных отложений продуктов коррозии с удельной загрязненностью 300-400 г/м2 [1, 10]. При проведении ВТК имеются случаи "странного" поведения коррозионных дефектов [1-3]. Например, при средней скорости подрастания ранее зарегистрированных дефектов 3-8% в год иногда наблюдается быстрый "скачкообразный" рост дефектов, которые не регистрировались при предыдущих ВТК. Иногда наблюдается значительное замедление роста и практическая остановка глубоких длительно наблюдаемых дефектов. Необходимо отметить, что вывод о "скачкообразном" росте дефектов нуждается в проверке, поскольку это может быть вызвано особенностями фиксации и анализа сигналов ВТК.
Наиболее достоверные и информативные данные об ориентации и форме дефектов получены на основании металлографических исследований [9,11] и ВТК с использованием вращающихся датчиков [12, 13].
Имеющиеся данные [1-3, 14] свидетельствуют о том, что возникшие в процессе эксплуатации дефекты имеют форму питтингов (язв) и трещин. Питтинги (язвы) чаще всего расположены под дистанционирующими решетками и обычно имеют глубину 0,1-0,2 мм, но иногда вырастают до глубины более 1 мм. Трещины, как правило, возникают из питтингов, хотя имеются случаи их зарождения из острых поверхностных рисок. Трещины обычно имеют транскристаллитный характер и ориентированы вдоль оси трубы. Трещины, возникшие под решетками, часто имеют параллельные ответвления.
2. Структурная схема механизмов, характерных для различных стадий повреждения ТОТ при эксплуатации парогенераторов типа ПГВ
На основании анализа эксплуатационных данных и ранее выполненных исследований по КР нержавеющих сталей типа Х18Н10 [1-5, 8-11, 15-20] процесс коррозионного повреждения ТОТ ПГ можно разделить на нескольких последовательных обязательных стадий с характерными для каждой стадии механизмами деградации труб:
I - Рост отложений продуктов коррозии на ТОТ до критических значений удельной загрязненности.
II - Накопление хлоридов и других активаторов под отложениями до критических концентраций, вызывающих зарождение питтингов и коррозионное растрескивание при наличии окислителей.
III - Зарождение питтингов при критической концентрации хлоридов и окислителей.
IV - Рост питтингов при транспортировке окислителей в зону реакции.
V - Зарождение коррозионных трещин при активном локальном пластическом деформировании микрообъемов металла ТОТ.
VI - Рост коррозионных трещин до момента глушения ТОТ.
Структурная схема механизмов повреждения теплообменных труб при эксплуатации парогенераторов типа ПГВ представлена на рис. 3.
Рис. 3. Структурная схема механизмов повреждения теплообменных труб при различных режимах эксплуатации парогенераторов типа ПГВ.
повреждаемость теплообменная труба парогенератор
Для ТОТ уже имеющих коррозионные и механические повреждения некоторые из перечисленных стадий могут отсутствовать (рис. 3).
Каждая стадия при определенных условиях может протекать в режимах стационарной работы парогенератора, а также в нестационарных режимах и в стояночных режимах (в периоды останова блока).
3 Анализ механизмов повреждения теплообменных труб
Исходя из вышеизложенной схемы механизмов повреждения ТОТ, модель коррозионного повреждения можно представить в следующем виде.
1) В результате поступления в ПГ продуктов коррозии конденсатно-питательного тракта при работе ПГ на мощности на ТОТ образуются отложения продуктов коррозии (оксидов железа и меди).
Отложения, образуемые при работе ПГ на мощности, представляют собой в основном мелкодисперсные частицы (размером до 10 мкм), содержащие дегидратированные оксиды - продукты коррозии углеродистой стали и медных сплавов, применяемых в качестве конструкционных материалов конденсатора турбины, трубопроводов и оборудования конденсатно-питательного тракта (Fe2O3, Fe3O4, CuO, Cu2O и др.). Кроме того, в составе отложений обычно присутствуют малорастворимые соли - сульфаты, силикаты, гидраты кальция, магния, попадающие в конденсатно-питательный тракт в результате присосов охлаждающей воды через неплотности вальцовки трубок конденсатора турбины.
Нижние слои отложений имеют компактную структуру с низкой пористостью (30%). В составе отложений на ТОТ ПГ АЭС с ВВЭР-1000 оксиды железа составляют более 70%; оксиды меди - до 30%; оксиды кальция, магния, кремния от 1 до 5% каждого.
Основным механизмом образования отложений является кристаллизация продуктов коррозии из испаряемой котловой воды и осаждение мелкодисперсных частиц примесей под действием физических и физико-химических сил [21]. При формировании отложений в процессе кипения происходит рост непрерывных цепочек пор (каналов) по которым внутри отложений к поверхности ТОТ подходит испаряемая вода и отводится образующийся пар. При этом диаметры каналов в отложениях достигают порядка 10 мкм (рис.4) [22]. В процессе роста отложений происходит также снижение пористости их нижних слоев за счет поступления в каналы испаряемой воды, приносящей нерастворимые примеси. При этом каналы сужаются по направлению от поверхности отложений к стенке ТОТ.
2) Учитывая пористую структуру отложений (см. рис. 4,), а также их достаточно высокую теплопроводность (~ 1,1 Вт/м2К [1]), можно полагать, что кипение воды в образовавшихся отложениях продуктов коррозии происходит как в слое перегретой жидкости на поверхности ТОТ, так и на поверхности отложений, а также и в самих отложениях (рис.5). На место испарившейся воды из ядра потока к поверхности ТОТ поступают новые порции испаряемой воды, а вместе с ней и растворенные в ней примеси. Так как растворимость примесей в паре меньше, чем в воде, унос примесей с паром не компенсирует их принос с испаряемой водой. Таким образом, между пограничным слоем и ядром потока создается разность концентраций, вследствие чего возникает процесс диффузии, направленный в сторону выравнивания концентрации. При стационарном режиме работы парогенератора возникает состояние равновесия, при котором конвективный приток примесей компенсируется их уносом с паром и диффузией.
Рис. 4. Вид отложений на наружной поверхности теплообменных труб парогенератора АЭС Crystal River Unit 3 (США): а) пористость отложений при увеличении 200; b) вид поры при увеличении 2000.
Рис. 5 Схема испарения воды и концентрирования растворимых примесей под отложениями на поверхности ТОТ
В результате этих процессов происходит локальное концентрирование примесей в ламинарном подслое в порах отложений по модели Макбета.
Максимальная концентрация i-ой примеси достигается вблизи поверхности теплообмена:
(1)
где - концентрация i-ой примеси в ядре потока, мкг/кг;
q - тепловой поток, кВт/м2;
- толщина отложений, м;
r - теплота парообразования, кДж/кг;
а - пористость отложений (доля объема отложений, приходящая на питающие капилляры);
D - коэффициент диффузии i-ой примеси, м2/с;
- плотность воды на линии насыщения, кг/м3.
Коэффициент диффузии i-ой примеси в питающих капиллярах отложений при температуре испарения воды определяется, как:
(2)
где - коэффициент диффузии i-ой примеси при температуре 25 оС;
Т - температура испарения воды, К;
- динамическая вязкость, Н/м2.
4) Поскольку вода в ПГ является сильно разбавленным электролитом, то находящиеся в нем соединения полностью или частично диссоциированы (сильные кислоты, основания и их соли - диссоциированы полностью, а слабые кислоты и основания частично). Равновесие между ионами и молекулами не полностью диссоциированных соединений определяется константой диссоциации.
В воде ПГ наряду с ионами присутствуют в небольших количествах такие ионы, как . При кипении воды в порах отложений происходит их концентрирование, и, при превышении произведения растворимости, образование в отложениях на ТОТ нерастворимых кальциевых и магниевых соединений, таких, как , , , .,.
5) При достижении на поверхности ТОТ под отложениями критических концентраций хлорид-ионов, достаточных для зарождения питингов (Спит) или коррозионного растрескивания (Скр), характерных для данной концентрации кислорода, происходит необратимый пробой пассивной пленки (нарушение пассивного состояния оксидной пленки на металле ТОТ) в наиболее активных местах поверхности ТОТ вследствие вытеснения из оксидной пленки кислорода хлорид-ионами, адсорбированными на поверхности металла /23, 24/.
При потенциале пробоя протекает следующая реакция /23/:
(3)
c образованием растворимого хлористого и хлорного железа (FeCl2, FeCl3) или, принимая во внимание, что в поверхностном слое стали 08Х18Н10Т находятся преимущественно ионы хрома /24/,
(4)
c образованием хлорного хрома CrCl3.
В результате нарушения целостности защитной оксидной пленки на поверхности металла реализуется активно-пассивный элемент, в котором катодная реакция восстановления окислителя происходит на наружной поверхности отложений или на пассивном участке ТОТ, а анодная реакция растворения металла - на участке ТОТ, где концентрация окислителя под отложениями недостаточна. При этом рост питтингов происходит по механизму анодного растворения (рис.6).