автореферат диссертации по энергетике, 05.14.03, диссертация на тему:Коррозионная усталость трубных пучков парогенераторов АЭС с ВВЭР

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ПРОГНОЗА И УПРАВЛЕНИЯ РЕСУРСОМ АУСТЕНИТНЫХ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ СТАЛЕЙ.

1.1. Общие предпосылки.

1.2. Модели и механизмы коррозионного растрескивания.

1.3. Математическое описание наработки до отказа АХНС при коррозионном растрескивании.

1.3.1. Наработка до отказа АХНС при статическом нагружении.

1.3.2. Динамика отказов трубного пучка парогенератора.

1.4. Усталость и наработка до отказа при усталости.

1.5. Коррозионная усталость.

1.5.1. Наработка до отказа при коррозионной усталости.

1.6. Постановка задачи исследований.

1.7. Выводы по главе 1.

Глава 2. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО РЕСУРСА ТРУБНОГО ПУЧКА ПАРОГЕНЕРАТОРА.

2.1. Предельное состояние металла и алгоритм долговечности при действии двух ^ повреждающих процессов.

2.2. Условие работоспособного состояния металла.

2.3. Прогноз остаточного ресурса трубного пучка парогенератора

2.3.1. Структура математических моделей прогноза остаточного ресурса трубного пучка парогенератора.

2.4. Программное средство «Прогнозирование остаточного ресурса трубных пучков».

2.4.1. Назначение программного средства.

2.4.2. Описание задачи

2.4.3. Условия применения.

2.4.4. Структура ПС.

2.4.5. Настройка ПС.

2.4.6. Выполнение ПС.

2.5. Сопоставление результатов вычислений.

Выводы по главе 2.

Глава 3. УПРАВЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТЬЮ ТРУБНОГО ПУЧКА ПГ.

3.1. Принципы управления.

3.2. Обоснование характеристик эксплуатации для увеличения наработки до отказа трубных пучков.

3.3. Выводы по главе 3.

Глава 4. ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРООКСИДА ЛИТИЯ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ

ТРУБНЫХ ПУЧКОВ.

4.1. Основы работы.

4.2. Экспериментальная установка.

4.3. Методическое обеспечение и результаты экспериментальных исследований.

4.3.1. Методика эксперимента №1.

4.3.2. Автоклавирование (оксидирование) исходных образцов в растворе LiOH для опыта по методике 1.

4.3.3. Основной эксперимент по методике 1.

4.3.4. Выводы из проведенного эксперимента по методике 1.

4.3.5. Методика эксперимента №2.

4.3.6 Автоклавирование (оксидирование) исходных образцов в растворе LiOH для опытов по методике 1.

4.3.7. Основной эксперимент по методике 2.

4.3.8. Выводы из проведенного эксперимента по методике 2.

4.4. Обработка экспериментальных данных.

4.4.1. Эксперимент №1.

4.4.2. Эксперимент №2.

Актуальность темы диссертации.

В атомной энергетике как в России, так и за рубежом, проводится замена парогенераторов. Основная причина замены - повреждение металла трубных пучков. Масштабы повреждения сопоставимы с технологическим запасом трубок. При этом, после глушения примерно половины запаса многочисленные остановы энергоблоков на поиск и герметизация поврежденных трубок причиняет экономический ущерб, размеры которого не позволяют вести дальнейшую эксплуатацию безубыточно.

Все известные нормативные методы оценки остаточного ресурса и управления ресурсом трубного пучка как правило ограничиваются поиском ультразвуковым контролем трубок с дефицитом толщины стенки 20-30% и более. Эти трубки затем глушатся. Вместе с тем, процессы повреждения стали 08Х18Н10Т - основного металла трубок ПГ - это коррозионная усталость и образование питтингов. Математически эти процессы описаны и известен перечень факторов участвующих в повреждении. Поэтому, целенаправленным изменением техническими средствами значений фактор-аргументов молжно отодвинуть сроки проявления повреждения за пределы назначенного ресурса.

Это весьма актуально, ибо в соответствии с «Программой развития атомной энергетики Российской Федерации на 1998-2005 годы и на период до 2010 года» (утверждена Постановлением Правительства Российской Федерации от 21.07.1998 "г.,№ 815), «Программой работ по продлению срока службы энергоблоков первого поколения» (утверждена Первым заместителем министра от 16.02.1998 г.) на первый план выдвигаются именно вопросы достоверного прогноза и управления ресурсом основного оборудования, включая трубные пучки парогенераторов.

Цель работы: разработка математической модели достоверного прогноза и лабораторное обоснование технологического режима продления безопасной эксплуатации трубных пучков парогенераторов АЭС с ВВЭР.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

Во-первых. Разработать алгоритм расчета долговечности трубного пучка ПГ с учетом хлоридо-кислородного растрескивания, усталости (коррозионной усталости -КУ), и такого обстоятельства, как отсутствие предела выносливости при КУ.

Во-вторых. Экспериментально в лабораторных условиях показать, что при создании плотной защитной пленки из феррита лития на поверхности теплообменной трубки формируется эффективный барьер на пути адсорбции и миграции к границе раздела металл/феррит лития. В результате этого резко сократится образование растворимого соединения СгС1з и скорость образования локальных участков активно-пассивного состояния стали 08X18Н ЮТ. В свою очередь это должно привести к сокращению скорости генерации и роста коррозионно-усталостных трещин.

Научная новизна полученных результатов исследований состоит в том, что впервые: разработана методика достоверного прогноза срока безопасной эксплуатации трубных пучков парогенераторов АЭС с ВВЭР; - выполнено лабораторное обоснование технологического режима продления безопасной эксплуатации трубных пучков парогенераторов АЭС с ВВЭР. Суть новизны состоит в том, что в методику входят детерминированные уравнения кинетики накопления физически измеряемой меры повреждения аустенитной хромоникелевой стали 0Х18Н18Т по усталости, коррозионному хлоридо-кислородному растрескиванию. Эти уравнения объединены в алгоритм особой структуры, в котором впервые соблюдено условие: при контакте с коррозионной средой предел выносливости отсутствует, что соответствует реальности, однако не учитывается в современных методах расчетов на усталостную долговечность.

Кроме того, впервые в лабораторных условиях отрицательное воздействие адсорбции хлоридионов на долговечность стали 08Х18Н10Т было компенсировано положительным влиянием предварительного формирования защитной литий ферритной пленки: увеличивается наработка до первого отказа и уменьшается частота отказов. Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулирован-ных в диссертации.

1. Выполнение прогнозных расчетов с помощью усовершенствованной программы «Ресурс-Т», которая прошла ранее апробацию на реальном оборудовании - ПГ АЭС России и согласована с организацией Генерального конструктора ОКБ «Гидропресс».

2. Отсутствие значимого расхождения результатов прогноза и фактического числа заглушённых трубок.

3. Проведение экспериментальных работ с использованием современного оборудования, методов обработки экспериментальных данных и отсутствием значимого расхождения 7 между расчетами по апроксимационной зависимости и фактическими результатами наблюдений за повреждением образцов. Практическая значимость и использование полученных результатов диссертации заключается в том, что предложенная методика оценки остаточного ресурса и управ-ления сроком безопасной эксплуатации трубных пучков ПГ АЭС с ВВЭР была исполь-зована для выполнения хозрасчетной НИР по договору между ГОУ ВПО МЭИ (ТУ) концерном «Росэнергоатом» от 09 июня 2000 г., № 2000/228/4013 «Обобщение ре-зультатов и разработка рекомендаций для достижения максимальной наработки до ис-черпания ресурса». Предполагается оформление Нормативного отраслевого документа с использованием разработанной методики.

Кроме того, предполагается опытно-промышленное испытание технологического режима с предварительным формированием литий-ферритной пленки на трубных пучках ПГ АЭС с ВВЭР. По результатам испытаний будет приниматься решение о внедрении этого режима эксплуатации.

Личный вклад автора в получение научных результатов, изложенных в диссертации.

Автор непосредственно участвовал в выполнении исследований на всех этапах - от постановки задачи до разработки алгоритма, анализа результатов прогнозных расчетов, разработки методики эксперимента, проведения опытов, обработки и анализа экспериментальных данных.

Апробация работы. Материалы диссертации были доложены на 7-ой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов» «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 27-28.02.2001 г. и опубликованы в 2-х статьях, 1-ом патенте.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые дано обоснование структуре алгоритма вычисления общей меры повреждения металла несколькими одновременно действующими процессами повреждения с учетом отсутствия предела выносливости при КУ.

2. Впервые разработан алгоритм расчета динамики отказов теплообменных трубок парогенератора АЭС с ВВЭР, учитывающий общую меру повреждения металла от двух одновременно воздействующих процессов - усталости и хлоридо-кислородного растрескивания, а также факт отсутствия предела выносливости при коррозионной усталости.

3. Впервые в лабораторных условиях экспериментально обосновано и показано одно-значно положительное влияние на продление наработки до отказа предварительное формирование литий-ферритной пленки на аустенитной хромоникелевой стали марки 08Х18Н10Т.

4. Впервые обоснована необходимость поддержания сплошности литий-ферритной пленки на аустенитных теплообменных трубках парогенератора путем микродозировок гидрооксида лития во время эксплуатации с учетом концентрации сульфат-иона.

5. На основании проведенных исследований рекомендуется введение «мокрой» кон-сервации контуров АС в стояночном режиме для создания защитной пленки от общей коррозии и поддержание сплошности пленки во время эксплуатации коррекционной обработкой питательной воды шестиводным раствором LiOH с учетом присутствия сульфат-ионов.

1. Опыт ремонта и замены парогенераторов. «Атомная техника за рубежом», 1985, N 11, с. 16-22.

2. Шюцман Г., Буке Р., Рисе Р., Штидинг JI. Опыт эксплуатации парогенераторов АЭС. «Атомная техника за рубежом», 1984, N 5, с. 29-30.

3. Picone D.A. How Planning in Adwanse Benefits Generators Replasement. «Nuclear Engineering International», 1984, october, p. 43-45.

4. Герасимов В.В., Герасимова В.В. Коррозионное растрескивание аустанитных нержавеющих сталей. М., «Металлургия» , 1976, 176 с.

5. Логан Г.Л. Коррозия металлов под напряжением. М., «Металлургия», 1970, 380 с.

6. Василенко И.И., Мелехов Р.К. Коррозионное растрескивание сталей. Киев, «Наукова Думка», 1977, 265 с.

7. Флис Я. Современные направления исследований коррозионного растрескивания металлов. «Защита металлов», 1983, т. 19, N 4, с. 515-525.

8. Ажогин Ф.Ф. Коррозионное растрескивание и защита высокопрочных сталей. М., «Металлургия», 1974, 256 с.

9. П.Карпенко Г.В. Влияние среды на прочность и долговечность металлов. Киев, «Наукова Думка», 1976, 125 с.

10. Фридель Ж. Дислокации. М., Металлургиздат, 1967. 316 с.

11. Бокштейн С.З. Строение и свойства металлических сплавов. М., «Металлургия», 1971,496 с.

12. Новиков И.И. Дефекты кристаллического строения металлов. М., «Металлургия», 1975, 127 с.

13. Бетехтин В.И., Владимиров В.И. Кинетика микроразрушения кристаллических тел. В кн.: Проблемы прочности и пластичности твердых тел., Л., Наука, 1979, с. 142-154.

14. Иванова B.C. Роль дислокаций в упрочнении и разрушении металлов. М., Металлургия, 1965, 128 с.

15. Владимиров В.И., Орлов А.Н. Энергия активации зарождения микротрещин в голове скопления дислокаций. «Физика твердого тела», 1969, т. 11, N 2, с. 370.

16. Титов В.Ф. Парогенераторы энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000. «Атомная энергия», 1994, т. 77, вып. 2, с. 100-107

17. Бетехтин В.И. Долговечность и структура кристаллических тел. В сб. «Проблемы прочности и пластичности твердых тел. Л., 1979, с. 155-166.

18. Ползучесть и дислокационная структура кристаллов при умеренных температурах. Препринт ИФТТ АН СССР, Черноголовка, 1977,42 с.

19. Бетехтин В.И., Владимиров В.И., Кадомцев А.Г., Иванов С.А., Мальчуженко К.В. Ротационная деформация при ползучести и разрушении кристаллов,- В сб. «Дисклинации». Л., 1982, с. 70-83.

20. Рыбин В.В., Зисман А.А., Жуковский И.М. Образование микротрещин в условиях развитой пластической деформации. «Проблемы прочности», 1982, N 12, с. 10-15.

21. Журков С.Н. К вопросу о физитесвове прочности. ФТТ, 1980, т.22, N 3, с. 3344-3349.

22. Журков С.Н. Дилатонный механ^шгости твердых тел. ФТТ, 1983, т.25, с. 3119-3123.

23. Петров В.А. Термодинамических подход к микромеханике разрушения. ФТТ, 1983, т.25, с.3110-3113.

24. Хор Т., Хайнс Дж. Коррозионное растрескивание аустенитных нержавеющих сталей в водных растворах хлоридов. В кн.: «Коррозионное растрескивание и хрупкость»., М., 1961, с. 104-118.

25. КишЛ. Кинетика электрохимического растворения металла. М., "Мир", 1990, 272 с.

26. Ребиндер П.А., Щукин Е.Д, Поверхностные явления в твердых телах в процессах деформации и разрушения. Успехи физ. наук, 1972, т. 108, Вып. 1

27. Лихтман В.И., Щукин Е.Д., Ребиндер П.А. Физико-химическая механика материалов. М., Изд-во АН СССР, 1962,237 с.

28. Герасимов В.В., Шувалов В.А., Андреева С.А. -// Защита металлов, 1972, т.8, N 4, с. 450-454.

29. Герасимов В.В. Прогнозирование коррозии металлов. М., «Металлургия», 1989, 156 с.

30. Герасимов В.В, Коррозия реакторных материалов. М., Атомиздат, 1980, 256 с.

31. Герасимов В.В., Герасимова В.В. Коррозионное растрескивание аустанитных нержавеющих сталей. М., «Металлургия» , 1976, 176 с.

32. Логан Г.Л. Коррозия металлов под напряжением. М., «Металлургия», 1970, 380 с.

33. Coleman Е., Weinstein D., Rostoker W. On a surface Energy Mechanism for stress Corrosion Cracking. Acta Metallurgica, 1961, vol. 9, p. 491-494.

34. Романив O.H., Никифорчин Г.Н. Механика коррозионного разрушения конструкционных сплавов. М., "Металлургия", 1986,294 с.

35. Podggurski Н.Н., Oriani R.A. Adsorption of hydrogen in nitrogenated Fe-Al alloy, metal. Trans., 1972, N 3(8), p. 2055-2063.

36. Petch N.J. Lowering of fracture stress due to surface adsorption. Phil. Mag., 1956, N l,p. 331-337.

37. Zappfe C. The effects of hydrogen and impurities on brittlefracture in steel. Trans. ASM, 1947, N39, p. 191.

38. Горбатых В.П., Середа Е.В., Жакежанов Е.В. Влияние среды на объемно-механические характеристики металла. Тр. Моск. энерг. ин-та, 1982, вып. 428, с. 25-28.

39. Гулина О.М., Сальников Н.Л. / Расчет ресурсных характеристик оборудования в условиях нелинейных процессов повреждения // Известия вузов. Ядерная энергетика, №4, 1999 г. с. 11-15.

40. Акользин П.А., Герасимова В.В., Герасимов В.В., Горбатых В.П., под общ. ред. Горбатых В.П, Локальная коррозия металла теплоэнергетического оборудования. М., Энергоатомиздат, 1992, 272 с.

41. Казаров Г.И., Горбатых В.П., Сааков Э.С., Шейкин Л.Г./ Оценка коэффициента концентрирования примесей воды при в отложениях при кипении// Теплоэнергетика №4, 1994 г., с.66-68.

42. Химическая технология теплоносителей ядерных энергоустановок, / В. М. Седов, А. Ф. Нечаев, В.А. Доильницын, П. Г. Крутиков. М.: Энергоатомиздат, 1983 г., 364 с.

43. Атомные электрические станции: Сб. статей / под ред. JI.M. Воронина, // Гетман А.Ф., Маточкин В.Ю., Ворона Б.И. и др., Термосиловое нагружение и его связь с напряжениями, повреждаемостью и остаточным ресурсом оборудования, М., Энергоатомиздат, 1991 г.

44. Справочная серия. «Правила и нормы в атомной энергетике». Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. ПНАЭ Г-7-002-86. М. Энергоатомиздат, 1989 г., 525 с.

45. Временная методика уточненного расчета на прочность и ресурса коллекторов парогенераторов ПГВ-1000. Руководитель разработки чл.-корр. АН СССР Н.А.Махутов, М., ИМАШ АН СССР, 1990 г. 56 с.

46. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций,- М.: «Машиностроение»., 1990. 448 с.

47. Герасимов В.В., Горбатых В.П, Морозов А.В. / Некоторые аспекты управления сроком службы металла теплоэнергетического оборудования АЭС.//Теплоэнергетика № 8,2000, с. 47-51.

48. Эванс Ю.Р. Коррозия и окисление металлов,- М. Изд. Машиностроительной литературы, 1962 г. с 652-653.98

49. Г. Корн и Т. Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., Изд. «Наука», 1973 г., 832 с.

50. Патент 2178210 RU? G21C9/004. Система управления аварией для атомной электростанции с несколькими реакторными установками/ А. Дубар. (РФ). № 2001110580; Заявл. 19.04.2001; Опубл. 10.01.2002, Бюл. №1.1. П1-1