автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование повреждаемости теплообменных поверхностей ПВД в процессе эксплуатации и разработка рекомендаций их ремонта

Введение.

1. Общая методика.

2. Конструкционные особенности, условия эксплуатации и характер попреждений подогревателей высокого давления на энергоблоках с ВВЭР-1000.

2.1. Конструкционные особенности ПВД.

2.2. Характер повреждений ПСТЭ ПВД.

Выводы.

3. Исследование эрозионно-коррозионной стойкости конструкционных материалов ПСТЭ.

3.1 Исследование конструкционных материалов ПСТЭ.

3.2. Экспериментальный стенд для определения стойкости материалов к каплеударной эрозии.

3.3. Методика проведения экспериментальных исследований.

3.4. Результаты испытаний по определению эрозионной стойкости материалов.

Выводы.

4.Определение длительной эрозионной стойкости материалов ПСТЭ.

4.1. . Эрозионный процесс конструкционных материалов.

4.2. Общая закономерность процесса эрозии исследованных сталей.

4.3. Математическое описание установившегося процесса эрозии.

Выводы.

5. Практическое использование результатов исследований.

5.1 Исследование свойств сварных соединений труб из стали SAF2205.

5.2 Технологические рекомендации по ремонту изношенных ПСТЭ ПВД.

5.3 Перспективы использования феррито-аустенитных сталей для оборудования АС.

Выводы.

Повреждаемость теплообменного оборудования оказывает отрицательное влияние на надежность и экономичность энергоблоков АС. Наиболее повреждаемыми элементами оборудования АС являются теплообменные поверхности парогенераторов и ПВД. Основной причиной отказов ПВД является износ входных участков ПСТЭ и повреждения фланцевых разъемов. Из-за частых отключений ПВД для выяснения повреждений и замены или ремонта ПСТЭ недовырабатывается до 10% электроэнергии. Кроме того, износ входных участков ПСТЭ приводит к выносу продуктов коррозии (соединений железа) и отложению их на теплообменных трубках парогенераторов. Эти отложения вызывают процессы, способствующие коррозионному растрескиванию трубок парогенераторов и, вследствие этого, разгерметизации первого контура.

В условиях штатного слабощелочного гидразионного водного режима основной вклад в общий вынос соединений железа в парогенераторы вносит эрозионно-коррозионный износ стальных поверхностей ПВД по водяной и паровой сторонам - 31 и 21% соответственно. Таким образом, практически половина общей загрязненности питательной воды окислами железа связана с эрозионно-коррозионными процессами на поверхностях теплообмена и корпусах ПВД.

Целью настоящей диссертации являются анализ влияния конструкционных особенностей ПВД и условий их эксплуатации на поврежденность их теплообменных поверхностей, исследование эрозионно-коррозионной стойкости углеродистой и высоколегированных сталей, разработка рекомендаций по ремонту ПСТЭ с применением на изнашиваемых участках эрозионно-стойкой стали.

Содержание диссертации изложено в пяти разделах. В первом разделе описана методика проведения работы.

Кратко о конструкционных особенностях, условиях эксплуатации и попреждаемости ПВД на АС с ВВЭР-1000 в разделе 2.

В разделе 3 приведены результаты исследований эрозионной стойкости углеродистой стали 20 (из которой изготовлены ПСТЭ ПВД) и некоторых марок высоколегированных сталей.

В разделе 4 определена длительная эрозионная стойкость материалов ПСТЭ.

В разделе 5 кратко описаны рекомендации по ремонту ПСТЭ и результаты промышленного опробования рекомендаций автора на Клн АС.

1. Общая методика.

При выполнении диссертационной работы на первом этапе был проведен анализ отказов ПВД в процессе эксплуатации энергоблоков АС с реакторами типа ВВЭР-1000, как наиболее повреждаемых теплообменных аппаратов второго контура на этих АС, ТП которых выполнена из углеродистой стали. Основной причиной отказов ПВД по заключению лабораторий металлов АС является эрозионно-коррозионный износ входных участков плоских спирально-трубных элементов, выполненных из стали 20. Из-за износа ПСТЭ недовырабатывается примерно 64.5% электроэнергии, от общего количества отказов ПВД.

Исследование эрозионной стойкости сталей различных структурных классов были проведены при взаимодействии с высокоскоростным потоком воды. Исследования проведены с использованием уникального экспериментального стенда Московского энергетического института. Для сопоставления с эрозионной стойкостью основного материала - стали 20 испытывали также образцы из стали 20X13, 08Х18Н10Т и SAF2205.

Эрозионный стенд МЭИ позволяет моделировать различные режимы воздействия капель и струй жидкости на конструкционные материалы и защитные покрытия.

По результатам испытаний построены кривые кинетики эрозионного износа для каждой из сталей.

Методами математического моделирования получены величины интенсивности установившейся эрозии.

Путем компьютерного моделирования на основании обобщения большой базы экспериментальных данных и результатов экспериментов рассчитаны величины интенсивности начальной и установившейся эрозии для перечисленных материалов в диапазоне скоростей соударения С = 100 - 1000 м/с и диаметра капель 0,1-1,5 мм.

Было выполнено сопоставление интенсивности эрозии четырех перечисленных выше сталей в зависимости от скорости потока и диаметра капель.

Общие выводы.

1. Практически на всех АС, для которых был произведен анализ их работы имеют место большое количество отказов ПВД. На АС установлены ПВД с коллекторно-спиральными змеевиками. Основная причина отказов ПВД -эрозионно-коррозионное повреждение выходных участков ПСТЭ.

2. Наиболее радикальным решением проблемы отказов ПВД является замена ПВД с трубчаткой из углеродистой стали на ПВД с трубкой из высоколегированной стали. В качестве альтернативного варианта может быть реализована замена входных участков ПСТЭ на трубу-вставку из эрозионно-стойкого металла, например, из сталей 0808Х18Н10Т и SAF2205. В этом случае предел допускаемой скорости питательной воды в ПСТЭ можно увеличить до 3 м/с.

3. Анализ экспериментальных данных на основе предложенной математической модели, описываемой линейными уравнениями позволил определить для сталей 20X13, 08Х18Н10Т, SAF2205 и 20 общие закономерности эрозионного износа. Т.к. коэффициенты уравнений могут быть установлены по результатам специальных испытаний, было выполнено экспериментальное исследование эрозионной стойкости сталей 20X13, 08Х18Н10Т, SAF2205 и 20 с использованием уникального стенда МЭИ(ТУ) с моделированием различных режимов воздействия на конструкционные материалы.

4. Проведено экспериментальное исследование эрозионной стойкости сталей 20, 20X13, 08Х18Н10Т и SAF2205 при струи воды 200 м/с и диаметре капель 1 мм на временной базе, включающей инкубационный, начальный и переходный периоды. При этом определена интенсивность эрозии начального периода.

5. Методами математического моделирования получены величины интенсивности установившейся эрозии при при струи воды 200 м/с и диаметре капель 1 мм Путем компьютерного моделирования на основании обобщения большой базы опубликованных экспериментальных данных и результатов собственных экспериментов рассчитаны величины интенсивности начальной и установившейся эрозии для исследованных материалов в широком диапазоне скоростей соударения (100 - 1000)м/с и диаметра капель (ОД - 1,5) мм.

6. Сопоставление полученных величин интенсивности эрозии исследованных сталей показал, что в зависимости от скорости потока и диаметра капель соотношения величин интенсивности эрозии изменяются. Сильнее всего влияет скорость потока при ударе. Наибольшая разница наблюдается при больших скоростях и размерах капель. Сравнение показывает, что в зависимости от скорости потока и диаметра капель соотношения величин установившейся и начальной интенсивности эрозии сталей 20, 20X13 и 08Х18Н10Т по сравнению с величинами полученными для стали SAF2205, изменяются. Наибольшая разница имеет место при больших скоростях и размерах капель. Благодаря сочетанию высокой прочности, твердости и хорошей коррозионной стойкости,эрозионная стойкость стали SAF2205 в 2-3 раза выше, чем у стали 08Х18Н10Т, в 3 - 4 раза выше, чем у стали 20X13 и в 5- 6 раз выше, чем у стали 20. В области низких скоростей потока и диаметров капель разница уменьшается.

7. Проведены комплексные испытания свариваемости стали SAF2205 применительно к ремонту изношенных участков спиралей ПВД из стали 20.

8. Сталь SAF2205 хорошо сваривается, в том числе методами дуговой сварки, после сварки не требуется термическая обработка, в том числе при выполнении разнородных соединений со сталью 20. Благодаря двухфазной (дуплексной) феррито-аустенитной структуре (50% Ф + 50% А), коэффициент термического расширения стали SAF2205 близок к углеродистым сталям. Поэтому при вварке «вставок» из этой стали в трубные системы из углеродистой стали 20 не будет наблюдаться образование термических напряжений при их разогреве или охлаждении.

Полученные результаты испытаний сварных соединений и основного металла с различными имитированными участками зоны термического влияния позволяют рекомендовать трубы из стали 02Х22Н5АМЗ (SAF2205) для ремонта изношенных участков спиралей ПВД.

9. Рассмотрены перспективы использования феррито-аустенитных сталей для оборудования АС.

1. Подогреватели поверхностные высокого давления ПВ-2500-97А. Технические условия ТУ 108-866-79. Утв. нач. техуправления Минист. Энергетического машиностроения. 04.09.1979.

2. Изменение № 1 к ТУ. Утв. нач. упр. Атомн. Машиностроения Минэнергомаша. 15.01.83.

3. Анализ информации о надежности теплообменного оборудования II контура АС с блоками ВВЭР-1000. Информационная система обобщения и обмена данными по качеству и надежности оборудования атомных электростанций ИСКО АС. М. Апрель 1990 г.

4. Надежность оборудования АС с блоками ВВЭР-1000 и ВВЭР-440. Информационная система сбора, обобщения и обмена данными по качеству и надежности оборудования атомных электростанций ИСКО АС. М. Июль, 1991 г.

5. Методические указания по эксплуатации поверхностных подогревателей турбоустановок ТЭС и АС. РД 34.40.508-85. ХЛ. 1985. 64 с.

6. Балабан-Ирменин Ю.В., Федосеев Б.С., Марушкин В.М. Результаты обследования коррозионных повреждений ПВД энергоблоков сверхкритического давления // Электрические станции, 1991, № 8, с. 32-40.

7. Вакуленко Б.Ф. О регенеративных подогревателях турбоустановок К-1000-6/25 для АС с ВВЭР-1000 // Теплоэнергетика, 1991, № 11, с. 27-34.

8. Расчет и проектирование поверхностных подогревателей высокого давления. Руководящий технический материалов. РТМ 108.271.23-74. ЦКТИ. 1987г. 216с.

9. Поваров О.А., Томаров Г.В., Жаров В.Н. Эрозия-коррозия элементов турбинных установок насыщенного пара. // Теплоэнергетика. 1990. -№12.-С. 21-32.

10. Ю.Степанов И.А. Мониторинг остаточного ресурса оборудования АЭС по показателям коррозионно-механического износа конструкционных материалов. // Теплоэнергетика. 1994. - № 5. - С. 36-39.

11. П.Моррис, Филипсе. Влияние химической обработки воды иособенностей конструкции на коррозию трубчатых подогревателей питательной воды из углеродистой стали. // Энергетические машины и установки. 1969. - № 2. - С. 42-50.

12. Токохаш С., Хоринути Т. Гидродинамические силы, вызывающие ударную коррозию входных концов трубок из углеродистой стали в подогревателях высокого давления. // Новости зарубежной техники. -Вып. 95.-Л., 1974.-С. 5-25.

13. Nedelko L., Kastner W. Weak Point Analisis in Response to Erosion Corrosion Problems in Nuclear Power Plant Piping. // ENC' 90. Lyon, France, 23-28 sept. 1990. - P. 12.

14. Bouchacourt M. Flow assiste corrosion in power plants. // Part I: The FDE research programe. / Procced. of specialists meeting orgsnized by the Inter. Atomic Energy Agency and held in Vienna 12-14 sept. 1988. IAEA Vienna, 1990.-p. 19-27.

15. Woolsey J.S. Assessment and avoidance of Erosion-corrosion damage in PWR feedpipework. // Proceed of specialists meeting organized by the Inter Atomic Energy Agency and held in Vienna. 12-14 Sept. 1988. IAEA Vienna, 1990.-p. 60-66.

16. Moisture separation helps eliminate erosion-corrosion. //Nucl. Eng. Int. 1988. March 1988. - P. 43-44.

17. Защита от эрозионно-коррозионного износа конструкционных материалов на АЭС. // АТзР. 1988 - № 3. - С. 22-23.

18. Прис К. Эрозия. Пер. с англ. / М.: Мир, 1982, 464 с.

19. Перельман Р. Г., Пряхин В. В. Эрозия элементов паровых турбин/ М.: Энергоатомиздат, 1986, 184 с.

20. Рыженков В.А. Повышение износостойкости оборудования паротурбинных установок электрических станций. Диссертация на соиск. уч. степени доктора техн. Наук/ М.: МЭИ (ТУ), 2002, 58 с.

21. Спринжер Дж. Эрозия при воздействии капель жидкости: Пер. с англ. М.: Машиностроение, 1981, 200 с.

22. Пряхин В.А., Поваров О.А., Рыженков В.А. Проблемы эрозии рабочих лопаток паровых турбин // Теплоэнергетика. -1984.- №10.- С. 29-31.

23. Станиша В., Поваров О.А., Рыженков В.А. Влияние угла соударения капель жидкости на процесс эрозии материала лопаток паровых турбин //Brennstoffwarmekraft. -1992.-N3.- С.93-96. (нем.)

24. В.А.Рыженков. Диссертация на соискание степени доктора технических наук. «Повышение износостойкости оборудования паротурбинных установок электрических станций. Москва, МЭИ. 2002.

25. Эрозионный износ металлов при соударении с каплями жидкости / Поваров О.А., Пряхин В.В., Рыженков В.А., Бодров А.А. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт.-1985.-№ 4.-С. 155-158.

26. Повышение надежности работы энергетических блоков / О.Поваров, Т.Петрова, В.Рыженков и др. // Енергетика (Македония).-1995.- №7.- С. 31-33 (сербск.).

27. Повышение эффективности и надежности работы теплоэнергетического оборудования электрических станций через улучшение свойств пара и воды / Т.И.Петрова, В.А.Рыженков, В.А.Левин и др. // Электрические станции. -2000.- №11. -С. 56-57.

28. Правила устройства и безопасной эксплуатации оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-008-89. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 167 с.

29. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок ПНАЭ Г-7-002-86. М.: Энергоатомиздат, 1989.-528 с.

30. Вишневский Ю.Г., Калиберда И.В. Нормативное обеспечение надежной и безопасной эксплуатации трубопроводов атомных станций. Тенденции развития. // III Международная конференция «Безопасность трубопроводов». -М., 6-10 сент. 1999. Т. 1. - С. 124-127.

31. Welding Information for the Sandvik Duplex Family. Sweden: Sandwiken, S-1252-ENG. 1995. Sandvik Steel. S 81181.

32. СОГЛАСОВАНО: 1ачальник ОНКСО ' Госахрмнадзора Россиину1. Просвирин1. OJL " 2000 г.

33. ТГоги, СГиГй оУял ь bjLu>e 7мЛ/\х>

34. УТВЕРЖДАЮ: Технический директор концерна "Росэнергоатом" .1. В. Антоновejo-j ejko

35. QJy^ c^U ve-zm-V ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕо реконструкции спиралей трубных систем подогревателей высокого давления ПВ-2500-97 Калийинскон и Балаковской АЭС

36. Неудовлетворительный выбор конструктивных решений и применяемых материалов определил недостаточную надежность трубных систем ПВД типа ПВ-2500-97.

37. Эрозионно-коррозионный размыв входных участков спиралей приводит к внеплановым ремонтам ПВД с потерей при этом 15 Мвт мощности энергоблока АЭС с ВВЭР-1000.

38. Предложенный заводом-изготовителем АО "Красный котельщик" ремонт спиралей путем установки аустенитных вставок трудоемок и ведет к значительному количеству композитных стыков.

39. Применение углеродистых вставок из ст.20 ведет к кратковременному положительному эффекту.

40. В целях повышения надежности и эффективности ПВД типа ПВ-2500-97,ил О /г* 4S7~J/ A W , '4■1. РЕШИЛИ:

41. Ремонт трубных систем ПВД производить по разработанным НПО "ЦНИИТМАШ" "Технологическим рекомендациям по ремонту изношенных участков спиралей подогревателей высокого давления".

42. Учитывая отсутствие отечественного серийного производства труб 0 32x4 из ферритно-аустенитных (дуплексных) сталей для вставок применять сталь SAF-2205, производства фирмы "Сандвик", Швеция.

43. Балаковской и Калининской АЭС заказ стали SAF-2205 гтроювощ-ггь через технического руководителя проекта НПО "ЦЕОИИТМАШ" (п.3.4 Протокола вещания при заместителе Министра РФ по атомной энергии Нигматуллине Б.И. от 03.06.2000г.)

44. Установку вставок производить по итогам 100% толщинометрии входных участков спиралей, включая 100% установку вставок на спиралях зоны охлаждения конденсата.

45. Размер вставок принять равным предложенному АО "Красный котельик", но не менее требований п. 1. "Технологических рекомендаций.".

46. Начало работ в ППР-2000 энергоблока с продолжением в очередные плановые ремонты или в период внеплановых отключений ПВД из-за дефектов.