Экспериментально-расчетное обоснование проектного ресурса трубного пучка парогенератора ПГВ-1000МКП на основе исследований коррозионных процессов

В АЭС с легководяными реакторами типа ВВЭР и PWR одним из важнейших элементов РУ является парогенератор. В нем за счет тепла, получаемого в реакторе, вырабатывается пар, используемый в качестве рабочего тела турбины при производстве электроэнергии.

На АЭС с реакторами типа ВВЭР используются горизонтальные ПГ, на АЭС с ректорами типа PWR — вертикальные /1,2/.

Характерными отличиями горизонтальных ПГ от вертикальных являются /2/:

— горизонтальный цилиндрический корпус;

— горизонтальные змеевики поверхности теплообмена, заделанные в вертикальные коллекторы теплоносителя первого контура:

— использование гравитационной сепарации в верхней части объема корпуса;

— применение нержавеющей стали аустенитного класса типа 08Х18Н10Т в качестве материала трубчатки (в вертикальных ПГ используются хромоникелевые сплавы с содержанием никеля 32% и более).

В настоящее время на АЭС с ВВЭР эксплуатируются ПГ типа ПГВ-440 и ПГВ-1000. На ряде АЭС парогенераторы типа ПГВ-440 эксплуатируются за пределом проектного срока службы 30 лет. Максимальная наработка ПГВ-1000 различных модификаций достигла более 170 тысяч часов.

Всего в эксплуатации находится 162 ПГ типа ПГВ-440 и 112 типа ПГВ-1000 /3/. Строятся и вводятся в эксплуатацию новые АЭС с ВВЭР-1000.

Для АЭС с ВВЭР-1000 нового поколения разработан парогенератор ПГВ-1000МКП с коридорной компоновкой ТОТ в трубном пучке, для которого установлен проектный срок эксплуатации 60 лет.

Основными требованиями к ПГ для АЭС являются /1/:

— надежное и постоянное охлаждение активной зоны реактора во всех режимах работы.

АЭС;

— высокие требования по обеспечению межконтурной плотности элементами теплообмена, которые помимо выполнения теплотехнических функций являются границей (барьером) высокорадиоактивного теплоносителя первого контура.

Именно высокие требования к обеспечению межконтурной плотности элементами теплообмена делают проблему повышения надежности и ресурса трубного пучка ПГ в процессе эксплуатации весьма актуальной, особенно, при увеличении срока службы как РУ АЭС с ВВЭР нового поколения, так и находящихся в эксплуатации. При этом, обеспечение увеличенного ресурса ТОТ ПГ связано с решением задачи снижения коррозионной деградации трубного пучка в процессе его эксплуатации.

Процесс генерации пара сопровождается накоплением на теплообменной поверхности отложений продуктов коррозии, поступающих с питательной водой, и концентрированием в них коррозионно-активных примесей.

По мере роста толщины отложений концентрация хлоридов в них возрастает, достигая у поверхности теплообменных труб критических значений, при которых происходит разрушение защитной оксидной пленки на стали 08Х18Н10Т. При этом могут возникнуть условия для развития локальных дефектов, таких как растравы и питтинги. Вершины питтингов, являясь эффективными концентраторами напряжений, могут служить исходными участками для КРН материала ТОТ в процессе эксплуатации ПГ, что в конечном итоге приводит к выходу ТОТ из строя.

Так по причине проблем с ТОТ, на различных АЭС заменены 248 вертикальных ПГ и 11 горизонтальных. Но если для вертикальных ПГ выход из строя трубчатки и их замена помимо коррозионных повреждений были также обусловлены виброизносом, дентингом, то все горизонтальные ПГ были заменены по причине коррозионных повреждений ТОТ /4/.

Поскольку замена вертикальных ПГ по причине проблем с трубчаткой была начата еще в 1980 г., к настоящему времени зарубежными исследователями выполнен значительный объем научно-исследовательских работ, посвященных этой проблеме, в том числе, и по коррозии материалов ТОТ. Например, в работе /5/ приведены результаты многолетних исследований коррозионных повреждений трубчатки с представлением различных моделей механизмов коррозионных процессов, применительно к трубчатке вертикальных ПГ. Приведен в данной работе и ряд мероприятий, выполненных на вертикальных ПГ для снижения проблем с коррозионными повреждениями ТОТизменение материалов и конструкции элементов дистанционирования трубных пучков, замена материала трубчатки, ужесточение норм ВХР.

Настоящая работа посвящена обоснованию проектного ресурса трубного пучка ПГ для новых АЭС с РУ типа ВВЭР-1000 на основе проведения специальных экспериментальных и исследовательских работ и экспериментальному обоснованию рекомендаций по совершенствованию регламентов режимов эксплуатации ПГ.

Целью проводимых работ является: экспериментальное уточнение закономерностей образования и развития коррозионных повреждений трубчатки горизонтальных ПГ в процессе различных режимов эксплуатации;

— исследования несущей способности ТОТ с дефектами;

— проведение расчетных оценок образования и развития коррозионных повреждений металла ТОТ в процессе эксплуатации горизонтальных ПГ для прогноза их ресурса;

— экспериментальное обоснование конструкторских решений и рекомендаций по мероприятиям, направленным на совершенствование регламентов эксплуатации и минимизацию коррозионных процессов на трубном пучке ПГ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— на основании экспериментальных исследований развиты представления по воздействию различных режимов эксплуатации ПГ и их нарушений на коррозионные процессы на ТОТ и разработана блок-схема сценариев влияния режимов эксплуатации ПГ как на зарождение и развитие дефектов, так и на минимизацию коррозионных процессов;

— впервые экспериментально показано влияние стояночного и нестационарных режимов эксплуатации горизонтального ПГ на зарождение и развитие трещин в металле ТОТ;

— впервые проведены исследования несущей способности ТОТ с натурными дефектами;

— экспериментально обоснованы конструкторские решения, направленные на повышение надежности и обеспечение проектного ресурса трубного пучка ПГ типа ПГВ-1000МКПэкспериментально обоснованы разработанные и внедренные мероприятия, направленные на совершенствование регламента эксплуатации и минимизацию коррозионных процессов на трубном пучке ПГ.

Практическая ценность выполненных работ:

— результаты проведенных работ по оценке влияния режимов эксплуатации ПГ и их нарушений на коррозионные процессы на ТОТ дают возможность принятия обоснованных решений по совершенствованию регламента отдельных режимов эксплуатации ПГ (стоянки, гидравлических испытаний, пуска, работы на мощности, останова) — разработанные и экспериментально обоснованные рекомендации по совершенствованию регламентов режимов эксплуатации были использованы при разработке инструкций по эксплуатации ПГ для новых АЭС с ВВЭР, а также применимы для действующих АЭС;

— проведенными экспериментальными работами и расчетными оценками обоснован проектный ресурс трубного пучка ПГ типа ПГВ-1000МКП.

Достоверность.

Достоверность экспериментальных результатов обеспечивается применением при проведении экспериментов аттестованных контрольно-измерительных приборов, применением современных средств исследований материалов, соответствием полученных результатов известным литературным данным по теоретическим основам коррозионных процессов и результатам исследований других авторов.

Личный вклад автора в полученные результаты.

Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в постановке задач на экспериментальные исследования, разработке программ-методик проведения экспериментов и исследований, проведении экспериментов, исследований, обработке результатов и выпуске научно-технических отчетов.

На защиту выносятся:

— результаты экспериментальных исследований по влиянию режимов эксплуатации горизонтальных ПГ на образование и развитие коррозионных дефектов на ТОТ;

— результаты экспериментов по оценке несущей способности ТОТ с дефектами;

— экспериментальное обоснование конструкторских решений трубного пучка ПГ типа ПГВ-1000МКП;

— расчетные оценки по обоснованию проектного ресурса трубного пучка ПГ типа ПГВ-1000МКП.

Апробация работы и публикации.

По теме диссертационной работы были сделаны публикации в рецензируемых журналах, а также доклады на конференциях, в частности:

Трунов Н.Б., Попадчук B.C., Брыков С. И., Жуков Р. Ю., Давиденко С. Е. «Исследование коррозионной деградации трубчатки парогенераторов АЭС с ВВЭР» // Атомная энергия, Т. 105, вып. 4, октябрь 2008.

Попадчук B.C., Трунов Н. Б., Жуков Р. Ю., Брыков С. И., Тупиков Р. А. «Экспериментальные исследования процессов образования коррозионных дефектов на трубчатке парогенераторов типа ПГВ-1000М». // Тяжелое машиностроение, № 4, 2010.

Трунов Н.Б., Попадчук B.C., Давиденко С. Е., Жуков Р. Ю. «Актуальные проблемы управления сроком службы трубчатки ПГ АЭС с ВВЭР». // Теплоэнергетика, № 5, 2010.

Трунов Н.Б., Сотсков В. В., Попадчук B.C., Тупиков Р. А., Жуков Р. Ю. «Ускоренные коррозионные испытания моделей трубных пучков ПГВ-1000» // Труды 6-го Международного семинара по горизонтальным парогенераторам, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия. 22−24 марта 2004 г.

Попадчук B.C., Трунов Н. Б., Харченко С. А., Жуков Р. Ю., Тупиков Р. А., Немытов Д. С. «Коррозионные испытания теплообменных труб ПГВ-1000М» // Труды 7-го Международного семинара по горизонтальным парогенераторам, ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, 3−5 октября 2006 г.

Карзов Г. П., Суворов С. А., Федорова В. А., Филиппов А. В., Трунов Н. Б., Попадчук B.C., Жуков Р. Ю. «Динамика зарождения и развития повреждений теплообменных труб парогенераторов типа ПГВ-1000 в рабочих режимах» // Труды 9-й Международной конференции «Проблемы материаловедения при проектировании и эксплуатации оборудования АЭС», ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей», Пушкин — Санкт-Петербург, Россия, 6−8 июня 2006 г.

Попадчук B.C., Трунов Н. Б., Жуков Р. Ю., Брыков С. И., Тупиков Р. А., Карзов Г. П., Суворов С. А., Стяжкин П. С. «Экспериментальные исследования процессов образования коррозионных дефектов на трубчатке парогенераторов типа ПГВ-1000М» // Труды 6-ой Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР» ОКБ «ГИДРОПРЕСС», Подольск, Россия, 26−29 мая, 2009 г.

N.B. Trunov, S.I.Brykov, V.S.Popadchuk at al. Basic mechanisms of heat exchanging tubes degradation at different stages of steam generator operation in WWER-1000 NPP. Int. Conf. on Water Chemistry of Nuclear Reactor Systems, Germany, 2008.

По результатам выполненных по теме диссертации исследований выпущено 10 научно-технических отчетов.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов и выводов, 122 страницы текста, 50 иллюстраций, 22 таблиц и списка литературы из 58 наименований.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1 В целях обоснования проектного ресурса трубного пучка ПГ типа ПГВ-1000МКП показана необходимость экспериментального уточнения закономерностей образования и развития коррозионных повреждений трубчатки горизонтальных ПГ в процессе различных режимов эксплуатации, исследований несущей способности ТОТ с дефектами, проведения расчетных оценок образования и развития коррозионных повреждений металла ТОТ в процессе эксплуатации горизонтальных ПГ для прогноза их ресурса и экспериментального обоснования конструкторских решений и рекомендаций по мероприятиям, направленным на совершенствование регламентов эксплуатации и минимизацию коррозионных процессов на трубном пучке ПГ.

2 По результатам проведенных экспериментов установлены закономерности образования коррозионных дефектов на ТОТ в различных режимах эксплуатации ПГ и разработана блок-схема влияния различных режимов эксплуатации ПГ на зарождение и развитие дефектов на ТОТ.

3 Экспериментально обосновано применение «коридорной» компоновки ТОТ в трубном пучке ПГВ-1000МКП для снижения загрязнения ТОТ в процессе эксплуатации ПГ.

4 Экспериментально доказана возможность образования коррозионных дефектов в стояночных и последующих предпусковых и пусковых режимах.

5 Исследованиями несущей способности ТОТ с дефектами и без дефектов обосновано применение ТОТ диаметром 16×1,5 мм для трубного пучка ПГВ-1000МКП и также показана возможность эксплуатации ТОТ с дефектами глубиной до 85% при внедрении мероприятий по минимизации процессов, вызывающих коррозию трубных пучков ПГ.

6 По результатам проведенных экспериментов и исследований уточнена стадийная модель деградации ТОТ в процессе эксплуатации ПГ типа ПГВ-1000.

Проведенные в соответствии со стадийной моделью расчетные оценки по процессам деградации ТОТ показали, что данная модель в достаточной степени согласуется с результатами эксплуатации ПГ АЭС с ВВЭР-1000 и позволяет оценивать работоспособность трубного пучка при обосновании срока службы ПГ новых проектов.

7 На основе проведенных испытаний, исследований и анализа полученных результатов экспериментально подтверждены и обоснованы мероприятия по минимизации коррозионных процессов на ТОТ и показано, что при соблюдении рекомендаций по совершенствованию режимов эксплуатации ПГ работоспособность ТОТ 16×1,5 мм из нержавеющей стали аустенитного класса 08Х18Н10Т не является фактором, ограничивающим проектный ресурс ПГ типа ПГВ-1000МКП.