При низкой концентрации окислителя, поступающего в зону питтинга с испаряемой водой, практически весь ток анодного растворения в питтинге локализуется на наиболее активных участках металла (границах зерен, несовершенствах структуры и т.п.). В результате, как и при стояночной коррозии, в вершинах питтингов появляются острые растравы (рис. 11).
Таким образом, для зарождения и развития трещин в металле ТОТ в различных режимах работы ПГ необходимо сочетание следующих условий:
- удельная загрязненность отложениями отдельных участках поверхности ТОТ должна превышать некоторую критическую толщину (как правило более 150 г/м2);
- величина удельного теплового потока на этих участках поверхности ТОТ должна отвечать такой скорости испарения, при которой в вершине трещины поддерживается максимальная концентрация солевых растворов, но не происходит пересыхания солей;
- концентрация окислителей должна быть достаточна для развития трещины по всему ее фронту;
- величина напряжений, действующих в локальном микрообъеме вокруг вершины трещины, должна обеспечивать непрерывную пластическую деформацию металла в вершине ТОТ.
Остановка трещины происходит при резком изменении одного или нескольких из указанных условий. При этом наиболее вероятными механизмами остановки трещины в режимах работы ПГ являются:
Репассивация трещины которая происходит:
- при снижении агрессивности коррозионной среды в трещине в результате ее разбавления водой из объема ПГ (например, в результате снижения мощности ПГ, растрескивания отложений, или снижения степени гидролиза среды при изменения качества воды ПГ);
- при недостатке окислителя;
- при прекращении активной пластической деформации металла в вершине трещины (например в результате уменьшении напряжений в ТОТ при снижении уровня мощности ПГ) или в стационарных режимах работы ПГ после выхода на поверхность всех активных ступенек скольжения дислокаций.
Остановка трещины возможна также при растравливании вершины трещины в условиях, когда при снижении напряжений в металле ТОТ одновременно появляется избыток окислителя (например ионов меди при работе на мощности и кислорода при стояночных режимах эксплуатации ПГ). Причинами растравливания вершины трещины являются ускорение процессов растворения металла, гидролиза продуктов коррозии, сильное снижение pH, что вызывает растворение пассивной пленки на боковых стенках у вершины трещины. Наиболее благоприятные условия для остановки трещин в результате растравливания стенок возникают в режимах стояночной коррозии при свободном или ограниченном доступе кислорода.
В процессе эксплуатации при работе ПГ на мощности, запассивированные исходные трещины (как концентраторы напряжений и концентраторы солевых растворов) могут являться исходными дефектами для зарождения новых трещин (см. рис.9а).
Выводы
1. На основании стадийной модели повреждаемости ТОТ ПГ проведен анализ механизмов зарождения и развития коррозионных дефектов в условиях эксплуатации горизонтальных ПГ АЭС с ВВЭР-1000. Рассмотрены наиболее вероятные механизмы образования нерастворимых отложений, накопления солей под отложениями, зарождения и развития питтингов и коррозионных трещин.
2. Зарождение и рост питтингов, язв и коррозионных трещин может происходить как при работе ПГ на мощности, так и в стояночных режимах.
Зарождение и рост питтингов, язв и коррозионных трещин происходит при наличии на теплообменных трубах отложений продуктов коррозии.
Для зарождения и роста питтингов и коррозионных трещин на ТОТ ПГ необходимо локальное концентрирование хлорид-ионов и наличие окислителя (кислорода, ионов двух и одновалентной меди, ионов водорода и т.д.), вызывающих нарушение пассивной пленки (пробой пленки) и последующее зарождение питтингов и трещин.
Зарождение и рост питтингов в металле ТОТ ПГ происходит по механизму анодного растворения. Наиболее благоприятны для зарождения и роста питтингов стояночные режимы и режимы пуска ПГ (при температурах до 200оС).
Коррозионные трещины развиваются из питтингов и язв. Зарождение трещин на поверхности теплообменных труб возможно и без начальной стадии образования питтингов и язв, но в этом случае необходимо наличие концентратора напряжений типа острой продольной риски.
3. 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.
4. На основе проведенного анализа можно утверждать, что рассмотренные механизмы повреждения не являются неизбежными и могут быть исключены или сведены к минимуму при соблюдении следующих условий:
- недопущение превышения предельной величины удельной загрязненности ТОТ путем снижения поступления в ПГ продуктов коррозии;
- исключение из оборудования конденсатно-питательного тракта АЭС с ВВЭР_1000 медьсодержащих сплавов;
- ограничение доступа кислорода к ТОТ на всех стадиях жизненного цикла ПГ, соблюдение условий консервации.
Это дает основание утверждать, что срок службы ПГ с ТОТ из нержавеющей стали аустенитного класса 08Х18Н10Т может быть существенно увеличен при соблюдении упомянутых условий с момента начала жизненного цикла ПГ
5. Приведенные теоретические предпосылки нуждаются в уточнении и подтверждении путем проведения экспериментальных работ в следующих направлениях:
- исследования образцов ТОТ с реальными дефектами;
- исследования динамики коррозионных процессов на моделях ПГ и в автоклавах;
- статистический анализ динамики роста дефектов в зависимости от условий эксплуатации ПГ.
Список литературы
1 Н.Б. Трунов, С.А. Логвинов, Ю.Г. Драгунов, Гидродинамические и тепло-химические процессы в парогенераторах АЭС с ВВЭР, М., Энергоатомиздат, 2001, 316с.
2 В.И. Бараненко, В.А. Гашенко, Н.Е. Трубкина, М.Б. Бакиров, Ю.А. Янченко, Эксплуатационная надежность теплообменных труб парогенераторов энергоблоков АЭС с ВВЭР, "Обеспечение безопасной и надежной эксплуатации парогенераторов ПГВ-1000", Материалы семинара на Калининской АЭС, Удомля, 16-18 ноября 1999г, концерн «Росэнергоатом», ЭНИЦ ВНИИАЭС, Электрогорск, 2000г, стр.133-158.
3 В.Д. Бергункер, Н.Б. Трунов, В.В. Денисов, Анализ состояния ПГ АЭС с ВВЭР по данным ВТК. Шестой международный семинар по горизонтальным парогенераторам, г. Подольск, Март 2004.
4 L.F. Lin, G. Cragnolino, Z. Szklarska-Smialovska, D.D. Macdonald, Stress Corrosion Cracking of Sensitized Type 304 Stainless Steel in High Temperature Cloride Solutions, Corrosion 37, (1981), No11, p. 616-627.
5 K.Matocha et all "The effect of water impurities on resistance of 08Cr18Ni10T (AISI 321) steel to SCC in high temperature water environment". The sevens international conference on material ISSUES in design, manufacturing and operation of nuclear power plants equipment 17-21 June 2002, St-Petersburg, Russia.
6 Н.Б. Трунов, В.В. Денисов, В.Д. Бергункер, Г.Ф.Банюк, Ю.В.Харитонов, С.И. Брыков, В.А. Григорьев, М.Б. Бакиров. Обеспечение безопасности, надежности и ресурса работы трубчатки ПГ АЭС С ВВЭР. Третья международная конференция по безопасности АЭС с ВВЭР, Подольск, май 2003.
7 Брыков С.И., Банюк Г.Ф., Трунов Н.Б., Харитонов Ю.В., Сусакин С.Н., Давиденко Н.Н. Роль водно-химического режима второго контура в управлении ресурсом парогенераторов АЭС с ВВЭР// Семинар ВАО АЭС-МЦ и МАГАТЭ «Оптимизация режимов работы парогенераторов энергоблоков атомных станций», Ровенская АЭС, Украина, 11-14 июня 2002 г.
8 В.Л. Богоявленский, Коррозия сталей на АЭС с водным теплоносителем. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 168 с.
9 В.А. Викин, В.В. Жбанников, А.Н. Прытков, В.И. Фоменко, В.М. Бризицкий, М.Г. Щедрин, М.П. Сливкин, В.М. Илясов, В.М. Рогов, А.В. Галанин, «Целостность теплообменных труб парогенераторов Нововоронежской АЭС с реакторами ВВЭР-440 и ВВЭР-1000», в сборнике «Применение материалов в проектировании, производстве и эксплуатации оборудования АЭС», Материалы 8-й международной конференции, том 2, С-Пб - Сосновый Бор, 14-17 Июня 2004г, стр. 138-163.
10 Опыт проведения химических промывок парогенераторов АЭС с ВВЭР_1000 в период ППР /Брыков С.И., Архипов О.П., Сиряпина Л.А., Мамет В.А. //Теплоэнергетика. № 6, 1999, с.23-25.
11 И.М. Неклюдов, Л.С. Ожигов, А.С. Митрофанов, С.В. Гоженко., Исследование причин образования коррозионных дефектов в теплообменных трубах парогенераторов ПГВ-1000., Коррозионные повреждения теплообменных труб парогенераторов Южноукраинской АЭС//Сб. научных трудов СНИЯЭ и П. -2003. вып.8. - с.50-55, с.55_63
12 B. Nadinic, INETEC advance system for inspection of WWER steam generator tubes. Report on 6th International seminar on horizontal steam generators, Russia, Podolsk, EDO «Gidropress», 22-24 March, 2004.
13 G Guerra, C. Costilla, C. Salvador, Tecnatom S.A., Qualification of VVER Steam Generator Tubes Inspection, the 6-th International Seminar on Horisontal Steam Generators, 22-24 March 2004.
14 Структура и коррозия металлов и сплавов//Под ред. Е.А. Ульянина. - М.: Металлургия, 1989. - 400 с.
15 Н.Г. Рассохин, парогенераторные установки атомных электростанций. М.: Энергоатомиздат, 1987, 384с.
16 Я.М. Колотыркин, Л.И. Фрейман. Роль неметаллических включений в коррозионных процессах. Коррозия и защита металлов (Итоги науки и техники) М., ВИНИТИ, 1978, т.6, с.5.
17 R Garsney / Corrosion and requirement for feed and boiler water chemical control in nuclear steam generators. Water chemistry of nuclear reactor systems//PNES. London. 1978.
18 В.А. Мамет О.И. Мартынова Теплоэнергетика, 1993, №7, С.2-7.
19 В.П. Погодин, В.Л. Богоявленский, В.П. Сентюрев. Межкристаллитная коррозия и коррозионное растрескивание нержавеющих сталей в водных средах. - М: Атомиздат, 1970.-421 с.
20 P.L. Andersen, Effects of Temperature on Crack Growth Rate in Sensitized Type 304 Stainless Steel and Alloy 600, Corrosion 49, (1993), No 9, p.714-725.
21 J.C. Scully Stress Corrosion Cracking., The Theory of SCC in Alloys. Brussel: NATO, 1971.
22 R.L. Tapping, C.W. Turner, R.H. Thompson, R.H. Thompson, Corrosion, 47 (1991), No. 6, p. 489-495.
23 И.Л.Розенфельд. Коррозия и защита материалов. «Металлургия», М:, 1970.
24 В.В.Герасимов, А.С.Монахов. Коррозия реакторных материалов, Москва, ЦНИИатоминформ, 1994.
25 И.Л. Розенфельд Теория локальных коррозионных процессов. - V Всесоюзное совещание по электрохимии, М, Химия, 1974, т.2, с.248.
26 В.В.Герасимов. Коррозия сталей в нейтральных водных средах, Москва, “Металлургия”, 1981.