автореферат диссертации по энергетике, 05.14.14, диссертация на тему:Повышение надежности и эксплуатационного ресурса энергетического оборудования, работающего в двухфазных и многокомпонентных потоках

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТОМАРОВ Григорий Валентинович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ И ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ, РАБОТАЮЩЕГО В ДВУХФАЗНЫХ И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПОТОКАХ

Специальность: 05.14.14. Тепловые электрические станции, их энергетические системы и агрегаты

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2003 г.

Работа выполнена на кафедре "Теплоэнергетические установки" Московского государственного открытого университета (МГОУ).

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Поваров Олег Алексеевич.

Официальные оппоненты:

академик РАН,

доктор технических наук, профессор Филиппов Геннадий Алексеевич;

доктор технических наук, профессор Акользин Андрей Павлович;

доктор технических наук, профессор Семенова Инна Владиславовна;

Ведущая организация:

ОАО "Всероссийский теплотехнический институт" (ВТИ)

Защита состоится 10 июня 2003 г. в аудитории 342 в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.212.137.01 в

Московском государственном открытом университете по адресу: 129805, г. Москва, ул. Павла Корчагина, д. 22.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного открытого университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим

направлять по указанному адресу:

129805, г. Москва, ул. Павла Корчагина, д. 22.

Ученый совет

Московского государственного открытого университета

Автореферат разослан " " М Я 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета д.т.н., профессор О.Н. Шевердяев

* 8 9 9-0

¡1/3% £ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Надежность и эффективность современных отечественных и зарубежных электростанций в значительной степени зависят от эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования, работающего в однофазных (конденсатно-питательный тракт) и двухфазных (влажнопаровой тракт) потоках. Наряду с экономическими потерями коррозионные и эрозионные повреждения металла энергетического оборудования способны приводить к аварийным ситуациям и отрицательно влиять на безопасность эксплуатации электростанций.

Актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена необходимостью решения ряда важных народно-хозяйственных задач:

- продление срока эксплуатации путем повышения эрозионно-коррозионной стойкости нового, стареющего и уже исчерпавшего расчетный ресурс энергетического оборудования электростанций;

повышение безопасности и бесперебойности работы мощных энергоблоков, характеризующихся повышенными тепломеханическими и гидродинамическими нагрузками, вызывающими интенсивную эрозию-коррозию металлов;

снижение стоимости энергетического оборудования на стадии

проектирования и реконструкции путем выбора конструкционных сталей и

оптимизации режимов эксплуатации, обеспечивающих его эрозионно-

коррозионную стойкость в течение всего расчетного периода эксплуатации;

оптимизация и повышение эффективности диагностических и

профилактических регламентов, разработка методов контроля и управления

эрозионно-коррозионными процессами, предупреждение аварийных ситуаций и

вынужденных остановов по причине эрозионно-коррозионного повреждения

металлов рабочего тракта электростанций.

В условиях значительной наработки отечественных энергоблоков острота

проблемы эрозии-коррозии (ЭК) металлов элементов энергетического

оборудования возрастает.

Создание математичесщгшзделей позволяющих оценивать интенсивность I ♦" • ' ал}

ЭК, прогнозировать и управлять эрозионно-коррозионными процессами и

оптимизировать методы повышения эрозионно-коррозионной стойкости элементов проектируемого и действующего оборудования влажнопаровых трактов электростанций потребовало проведения в рамках данной работы комплексных исследований физико-химических процессов и закономерностей ЭК металлов в двухфазных и многокомпонентных потоках.

Цель работы - разработка научно-теоретических и методологических основ, физико-химической и математической моделей, технических решений и методов диагностики, прогнозирования и управления эрозионно-коррозионными процессами и увеличения эрозионно-коррозионной стойкости металлов в двухфазных и многокомпонентных потоках для повышения надежности и эксплуатационного ресурса энергетического оборудования электростанций.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- созданы экспериментальные стенды и установки, позволившие на основе приближенного моделирования выполнить комплекс научных исследований ЭК металлов энергетического оборудования в лабораторных условиях и на натурных объектах;

- определены граничные условия реализации механизма и основные критерии подобия ЗК в двухфазном потоке и впервые получены эмпирические зависимости интенсивности ЭК различных сталей в двухфазных потоках от термодинамических, гидрогазодинамических, водно-химических и геометрических параметров и характеристик;

- экспериментально доказано существование жидких пленок на поверхности обтекания и, следовательно, возможность реализации механизма ЭК в двухфазных высокоскоростных потоках в элементах энергетического оборудования; установлены особенности течения жидких пленок в двухфазном пограничном слое в условиях вибрационного воздействия и при дозировании поверхностно-активного амина (октадециламин).

- установлено; что при взаимодействии двухфазного потока с металлом (при отсутствии каплеударной эрозии) превалирует механизм ЭК, а кавитационная эрозия не вносит существенного вклада в разрушение металла;

- построена физико-химическая картина эрозионно-коррозионных процессов и создана математическая модель ЭК металлов в двухфазных потоках.

- разработаны программные комплексы РАМЭК-2 и РАМЭКонтур, позволяющие прогнозировать интенсивность ЭК, оптимизировать выбор металлов, определять эффективность методов по продлению эрозионно-коррозионного ресурса эксплуатации энергетического оборудования, а также рассчитывать баланс железосодержащих продуктов ЭК, примесей и кондиционирующих добавок в рабочем контуре электростанций;

- разработаны принципы управления процессами ЭК, методология диагностики и оперативного мониторинга эрозионно-коррозионного состояния элементов энергетического оборудования;

- предложены и внедрены методы и рекомендации по повышению эрозионно-коррозионной стойкости элементов пароводяного тракта электростанций.

Практическая значимость работы заключается в том, что проведенные комплексные экспериментальные и теоретические исследования и разработанные в диссертации математическая модель и программные комплексы, а также принципы приближенного моделирования и управления ЭК, методы повышения эрозионно-коррозионной стойкости металлов в двухфазных потоках позволили:

- установить абсолютную и относительную эрозионно-коррозионную стойкость углеродистых (СтЗ, Ст20, ЗОХМА, 10ХНДП), хромистых (08X14МФ, 15Х18М2Б) и низколегированных (12Х18Н10Т, 08Х17ШЗМЗТ, 04Х25Н6МЗБ) конструкционных сталей в двухфазных и многокомпонентных потоках;

разработать и внедрить экспериментальный тест-модуль для проведения лабораторных исследований, натурных эталонных эрозионно-коррозионных испытаний и оперативного эрозионно-коррозионного мониторинга на электростанциях;

- разработать и апробировать методологию и программный комплекс РАМЭК-2 для определения эрозионно-коррозионного ресурса энергетического оборудования (с использованием тест-модуля) и оптимизации выбора металлов энергетического оборудования пароводяного контура электростанций;

- на основе полученных результатов экспериментальных исследований по влиянию фазового состояния и степени влажности пара на удельную сорбцию октадециламина разработать и широко внедрить технологию защиты от стояночной коррозии (как метод повышения эрозионно-коррозионной стойкости металлов путем сохранения защитного оксидного слоя в период простоя) элементов турбоустановок "на ходу" с использованием влажного пара в качестве носителя консерванта;

- разработать и внедрить на отечественных заводах (ОАО "КТЗ", ОАО "ПМЗ", ЧЗЭМ) рекомендации по выбору металлов для изготовления элементов турбин, конденсаторов, сепараторов, арматуры и другого серийного энергетического оборудования, работающего на Верхне-Мутновской ГеоЭС, Мутновской ГеоЭС, а также разработанного для блочных геотермальных электростанций мощностью от 0,5 до 20 МВт для ГеоЭС "Сан-Хасинто" (Никарагуа) и для работы на Курильских островах;

предложить методы повышения надежности и эксплуатационного ресурса энергетического оборудования, работающего в двухфазных и многокомпонентных потоках.

Достоверность и обоснованность научных положений и методологий, результатов экспериментальных и расчетных исследований, методов и рекомендаций, выводов и практических рекомнедаций, сделанных в работе, подтверждаются применением современных апробированных методов и измерительных средств исследований, соблюдением разработанных принципов критериального моделирования ЭК, удовлетворительной сходимостью результатов эрозионно-коррозионных лабораторных и промышленных испытаний и корреляцией их с данными других исследователей и положительными результатами применения на практике предложенных автором рекомендаций и методов повышения эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования.

Личный вклад автора заключается:

- в разработке методологии, принципов конструирования и технических решений по конструкции тест-модулей, тепловых схем и системы измерений, создании комплекса теплофизических и газодинамических экспериментальных

стендов и методов исследования эрозионно-коррозионной стойкости металлов в двухфазных потоках;

- в определении основных критериев моделирования эрозионных и коррозионных факторов ЭК металлов во влажном паре, постановке и непосредственном участии в проведении, обработке и анализе результатов экспериментальных исследований закономерностей ЭК металлов в двухфазных и многокомпонентных потоках;

- в разработке основных постулатов, определении граничных условий и задач математического моделирования эрозионно-коррозионных процессов в двухфазных и многокомпонентных потоках;

- в руководстве, постановке задач и анализе расчетных исследований ЭК металлов в условиях влажнопарового тракта электрических станций;

- в разработке методики и анализе расчетов по определению значений рН жидкой пленки в элементах энергетического оборудования, работающего во влажном паре при кондиционировании питательной воды различными аминами;

- в постановке, непосредственном участии и анализе результатов эрозионно-коррозионных лабораторных и натурных испытаний металлов на реальных энергетических объектах;

- в постановке задач и анализе результатов расчетных исследований динамики изменения баланса железосодержащих продуктов ЭК и примесей во влажнопаровом и конденсатно-питательном трактах энергоблоков;

- в постановке, непосредственном участии и анализе результатов исследований по определению сорбционных и ингибирующих свойств в двухфазных потоках и эффективности использования октадециламина для снижения ЭК и защиты от стояночной коррозии элементов энергетического оборудования;

- в руководстве и непосредственном участии в разработке технологических режимов, систем измерения и специального оборудования, а также внедрении метода повышения эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования путем защиты оксидного слоя металлов от атмосферной коррозии созданием молекулярной пленки октадециламина;

- в руководстве и непосредственном участии в выборе металлов для изготовления элементов турбин, сепараторов и другого оборудования Верхне-Мутновской ГеоЭС и Мутновской ГеоЭС с целью обеспечения проектного ресурса работы оборудования в двухфазных и многокомпонентных потоках.

На защиту выносятся:

- критериальная база и принципы приближенного моделирования ЭК металлов в двухфазных потоках;

- результаты экспериментальных и расчетных исследований закономерностей влияния фазового состояния, гидрогазодинамических характеристик двухфазного потока, водно-химических и термодинамических параметров, химического состава и качества поверхности металлов на эрозионно-коррозионную стойкость сталей во влажнопаровых потоках;

- физико-химическая математическая модель ЭК металлов и методика прогнозирования интенсивности ЭК конструкционных металлов и проектного эрозионно-коррозионного ресурса энергетического оборудования, работающего в двухфазных потоках;

- методология определения остаточного эрозионно-коррозионного ресурса оборудования пароводяного тракта электростанций;

- методология контроля и управления ЭК и рекомендации по повышению эрозионно-коррозионной стойкости оборудования пароводяного тракта электростанций.

Публикации и апробация работы

Диссертационная работа обобщает научные исследования автора за период с 1983 по 2003 г.

Основные результаты диссертации были представлены на международных и российских конференциях и конгрессах и отражены в 60 публикациях и 8 патентах на изобретение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность, научная и практическая значимость темы, определены цели и задачи исследований по повышению эрозионно-коррозионной стойкости элементов энергетического оборудования в двухфазных и многокомпонентных потоках.

В первой главе рассмотрены различные по своей природе механизмы разрушения рабочих поверхностей металлов элементов энергетического оборудования, работающего в двухфазных и многокомпонентных потоках, предложена их классификация и определены особенности явления ЭК металлов во влажном паре.

Под эрозией-коррозией (ЭК) металлов обычно понимают "размыв" (утонение) трубопроводов и других элементов энергетического оборудования. В данной работе показано, что это физико-химическое взаимодействие одно- и двухфазных потоков с поверхностью металла, которое характеризуется с одной стороны образованием защитного оксидного, слоя на металле вследствие процессов коррозии, а с другой - его химическим разложением (растворением) и выносом в поток продуктов разложения.

Дана классификация механизмов повреждения металлов элементов рабочих трактов электростанций, в основу которой положены принципиальные отличия в эрозионной и коррозионной составляющих. Определены основные механизмы повреждения металлов: эрозия - коррозия (ЭК), общая коррозия (ОК), коррозионное растрескивание под напряжением (КРН), кавитационная эрозия (КавЭ), питтинговая коррозия (ПК), абразивный износ (АИ).

Проведенный анализ и идентификация повреждений элементов влажнопарового и конденсатно-питательного тракта отечественных и зарубежных электростанций показали, что ЭК наиболее распространенный механизм разрушения поверхностного слоя металлов. Установлено, что основным источником загрязнения рабочего тела железосодержащими соединениями и причиной образования отложений в парогенераторах и турбинах является ЭК металлов в одно- и двухфазных потоках (см. рис, 1). Локальная ЭК - как

высокоинтенсивное местное повреждение металла приводит к образованию свищей и разрывов трубопроводов, протечек в диафрагмах, корпусах турбин, энергетической арматуры и т.д., становится причиной вынужденных остановов и аварий.

Анализ показал, что в диапазоне температур 120-200 °С сосредоточено наибольшее количество и отмечается повышенная интенсивность эрозионно-коррозионных повреждений металлов элементов влажнопарового и конденсатно-питательного трактов электростанций. Причем детали и узлы изготовленные из углеродистой и низколегированной стали особенно подвержены ЭК.

Рис. 1. Механизмы повреждения металла энергетического оборудования электростанций

в одно- и двухфазных потоках

Обобщение и анализ известных отечественных и зарубежных исследований позволили выявить принципиальные отличия в реализации механизма ЭК в одно- и двухфазных потоках. При обтекании металла двухфазным потоком роль движущегося электролита выполняет жидкая пленка, качество и коррозионные свойства которой из-за межфазового распределения примесей, газов и кондиционирующих веществ могут существенно отличаться от

качества ШТУП ЛТГПй гпитятатгс.тт/лгг олтт

Показано, что локальные водно-химические параметры (прежде всего рНг жидкой фазы) и процессы массопереноса в пристенной жидкой пленке определяют специфику и интенсивность ЭК металлов в двухфазных и многокомпонентных потоках.

Межфазовое распределение примесей и летучих газов (в том числе кислорода и подщелачивающих аминов) способствует деаэрации жидкой пленки, изменению значений рН и других ее физико-химических параметров и свойств. Изгза отсутствия кислорода в жидкой пленке в условиях эксплуатации влажнопарового тракта на границе раздела металл - жидкая фаза (пленка) превалирует образование магнетита:

ЗРе + 4Н20^> Ре304 +4Нг (1)

Проведенный анализ условий и причин реализации ЭК и других механизмов повреждения металлов и их последствий в виде образования отложений в парогенераторе и турбинах, роста шероховатости рабочих поверхностей и гидравлического сопротивления и т.д. позволил сделать вывод о необходимости глобального подхода к изучению вышеуказанных проблем, учитывающего взаимосвязь различных технологических теплофизических процессов, изменения свойств рабочего тела и поверхностного слоя металла с возникающими негативными побочными явлениями коррозии, эрозии и образования отложений. В частности, исследование ЭК как явления двухстороннего эрозионно-коррозионного взаимодействия (ЭКВ) одно- и двухфазного потоков с металлом позволяет поднять на новый уровень понимания изучаемые проблемы.

Прямое эрозионно-коррозионное воздействие (прямой эффект ЭКВ) двухфазного потока на металл осуществляется через пристенную жидкую пленку и сопровождается потерей массы металла, растворением и выносом в поток продуктов коррозии и др. (рис. 2).

Обратное эрозионно-коррозионное воздействие (обратный эффект ЭКВ) со стороны металла на двухфазный поток заключается в насыщении жидкой фазы (пленки) железосодержащими соединениями, турбулезадии пограничного слоя, изменении физических и термодинамических свойств рабочего тела.

Ингибнрованис коррозии Сепарация маги Гцлрогаюдинамлчл-кис мероприятия К0млцнс;тн1'1н».'1ка

ТЯ— о ^

О У

si ¡1

Электрохим H'lliCKUH коррозия

Массообмеи

Теплообмен

Фтовые превращения

Межфашпос риенреле.тенне |!])|1Ж'СеИ к газов

ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ЭКВ

МЕТАЛЛ • Элскч р0!101СЛиИИЛ • Химический состав (С,, Mi»...) » Зшшплмс CBPflma продуктов коррозия • ОюИетвд поверхности lujcpoxo пот ОСТЬ, олпчпи.'ишеп),.,»

СРЕДА * Значения рП Ж.П.1. * TevuiüpLiiypu « Сидсрамшме О; • Омержмнш* кирри in i »im»-ц 1 tve .-пнны х примись!! • Коррскпцпкниис .шГшки

ПОТОК » Режим течения ПИ|>ОВОГО потпкл iKoJ • Геометрия кикали • Локальная турбулоишоегь

ВРЕМЯ • Псрни.1 формировании ошиииш слоя * Псрнол уошшниьшсгосл режнш ЭКП

ДВУХФАЗНЫЙ поток

Рост концентрации железосодержащих омдпненнП

■ жилкой и napoootl фазах Увеличение турбулентности, рост тираничного с.ми Итмсиеипе юплофтнчевдк свойств раВочсга тела (тшеиие, испарение и т.,1)

Ишюиснне терштнамичеемк

свойств рабочего тепа (мжфшмше перегамредс.ш.и, первичная конденсации м I..U

Дсшроваиис металл.» Защитные покрыта Пассивация

■ МЕТАЛЛ

потеря массы

растворение и owuoe иродукто! KOppOJHIJ п поток Окслеюсодержашие соединения | унс.1нченнс; ин'рохоишое t1

nOBCpMIOCTlt

рост неоднородности поверхности изменение cnuiicTu поверхностном:

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Ц _РАБОЧЕМ КОНТУРЕ ЭС

Снижение интепсиппосттрнзни -коррозии (за счет снижения градиента концентрации Не и пристенном слое)

Образование железосодержащих огаоженнй при парообразовании о парогенераторах Образование железосодержащих лтложеинП и нрошчнои часгн 1урони Влияние ни процессы копленсацнн «первичной влага», концентрирования коррошоино-агрессивпых примесей к зазорах и местах локпльныл пииреждаши а мне фа юного перехода а паровых i-ypumiax Влияние па водный режим Влияние на ионообменные процессы ХНМВОДОичиСТКН

Рис, 2. Физико-химические процессы и особенности эрозионно-коррозионного взаимодействия двухфазного потока с металлами в рабочем контуре электростанций

Проведенный анализ позволил определить основные факторы и процессы коррозионной и эрозионной составляющих ЭК (рис. 3), а также конкретизировать и уточнить задачи лабораторных, натурных и расчетных исследований различных факторов ЭК металлов в двухфазных и многокомпонентных потоках:

• Гидрогазодинамический - определение условий существования сплошной жидкой пленки, исследование режимов течения и определение коэффициента массопереноса в жидкой пленке при различных степенях влажности пара, скорости спутного парового потока и т.д., под воздействием вибраций и при дозировании поверхностно-активных добавок.

• Водно-химический - определение локальных значений рН жидкой пленки, концентрации ионов железа в жидкой фазе и т.д., с учетом межфазового распределения и изменения степени влажности пара, температуры (давления) по технологическому контуру электростанций.

• Коррозионный - исследование влияния различных режимных параметров на процессы образования и растворения продуктов коррозии при контакте металла с тонкой (деаэрированной) жидкой пленкой.

• Технологический - изучение взаимосвязи ,и влияния на эрозионно-коррозионные процессы выноса железосодержащих соединений в рабочий контур, фазовых преобразований, сепарации влаги и т.д.

Рис. 3. Основные факторы и процессы коррозионной и эрозионной составляющих ЭК

Вторая глава посвящена исследованию течения жидких пленок, как основного фактора эрозионной составляющей ЭК металлов в двухфазных потоках.

Анализ показывает, что интенсивность переноса продуктов химического разложения (растворения) оксидного слоя от границы раздела оксид-электролит в поток является в большинстве случаев лимитирующей, т.е. определяющей стадией ЭК и существенно зависит от значения коэффициента массопереноса в жидкой пленке:

) = Крах^шс (2)

где j - интенсивность потока продуктов растворения оксида; К - коэффициент массопереноса, рох - плотность оксида, grade - градиент концентрации продуктов растворения оксида.

Значение коэффициента массопереноса в жидкой пленке зависит от скорости и режима ее течения, вязкости, температуры и других параметров и определяется выражением:

где £Л - число Шервуда, В- коэффициент диффузии, I - толщина жидкой пленки.

В настоящее время аналитическое определение значений числа Шервуда и коэффициента массопереноса в жидкой пленке не представляется возможным, поэтому в данной работе эта задача решена эмпирическим путем. Основными же [/ критериями массопереноса в жидкой пленке следует считать безразмерные

б -РУ

комплексы: число Рейнольдса течения жидкой пленки —и число

V

• ИЪ у'

Ренольдса парового потока = —5 а также число Шмидта 5с =—(где -

толщина жидкой пленки, -скорость течения жидкой пленки и пара, у', у" -

кинематическая вязкость воды и пара соответственно, с!г - гидравлический диаметр.

Результаты экспериментальных исследований особенностей течения и взаимодействия жидких пленок со спутным газовым и двухфазным потоками легли в основу физико-химических представлений эрозионно-коррозионных процессов во влажнопаровом потоке.

В опытах было установлено существование сплошной жидкой пленки на поверхности обтекания даже при скоростях влажного пара, превышающих скорость звука и высокой плотности пара (р"/р' = 7,5-10"3), т.е. установлена возможность проявления ЭК металлов практически во всем диапазоне рабочих параметров влажнопарового тракта энергетических объектов.

Экспериментально показано, что условием существования сплошной жидкой пленки является превышение предельного (минимального) значения числа Рейнольдса жидкой пленки:

к = ~

£

(3)

где х - паросодержание, = ^- - число Вебера сплошности жидкой

пленки (р\ И7, - плотность и скорость течения паровой фазы; 3/ - средняя толщина жидкой пленки, <т - поверхностное натяжение, а - эмпирический коэффициент).

Получена эмпирическая качественная зависимость значений числа Рейнольдса жидкой пленки Лег от степени влажности пара при различных значениях р'Чр', позволившая в дальнейшем обоснованно интерпретировать зависимость ЭК от степени влажности пара.

Эрозионно-коррозионные процессы, как правило, протекают в условиях вибрационного воздействия на трубопроводы и другие элементы энергетического оборудования. С целью определения влияния вибраций на параметры и режим течения жидких пленок и, следовательно, на процессы эрозионно-коррозионного воздействия двухфазного потока на металл была выполнена серия опытов на воздухо-водяном и влажнопаровом стендах. Результаты исследований показали, что вибрационное воздействие на течение жидкой пленки особенно ощутимо при малых скоростях спутного парового (газового) потока (<10 м/с) и проявляется с одной стороны, в уменьшении толщины жидкой пленки, а с другой стороны в ее турбулезации и увеличении гидравлического сопротивления. Причем с увеличением числа Рейнольдса спутного парового (газового) потока (Ке3 >105), т.е. в диапазоне реальных режимов течения двухфазных потоков в элементах энергетического оборудования, прирост гидравлического сопротивления за счет вибраций становится практически незаметным.

Экспериментально установлено, что с дозированием октадециламина (ОДА) в двухфазный поток происходит некоторая стабилизация течения жидкой пленки (снижение средней толщины и высоты волн жидкой пленки) как на неподвижной; так и на вибрирующей поверхности, т.е. ОДА способствует некоторому снижению интенсивности процессов массопереноса в жидкой пленке.

Полученные в этой главе данные об особенностях и закономерностях течения жидких пленок легли в основу разработанной физико-химической и

математической моделей ЭК и использовались при разработке методов повышения эрозионно-коррозионной стойкости металлов в двухфазных потоках.

В третьей главе рассмотрены и проанализированы результаты лабораторных экспериментальных исследований закономерностей ЭК в двухфазных потоках, а также натурных испытаний эрозионно-коррозионной стойкости углеродистых, низколегированных и высоколегированных сталей на различных электростанциях.

При выполнении этих работ особое внимание было уделено критериям подобия и условиям моделирования ЭК металлов во влажнопаровых потоках, которые обеспечивают корреляцию результатов экспериментальных исследований и перенос их на другие объекты. С этой целью была проанализирована критериальная база параметров, физических констант и безразмерных комплексов, а затем определены основные критерии подобия ЭК

Рис. 4. Основные параметры и критерии подобия ЭК металлов в двухфазных потоках (кругом очерчены критерии подобия ЭК в однофазном водном потоке)

> внутренние и внешние связи критериев коррозионной и эрозионной составляющих ЭК

Температура - важнейший фактор ЭК, влияющий практически на все основные параметры и критерии подобия. Интегральным результатом влияния температуры на эрозионно-коррозионные процессы являются полученные

автором экспериментальные (рис. 5) и расчетные температурные зависимости ЭК углеродистой, низколегированной и высоколегированной сталей в двухфазном потоке.

I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

0,012 0,1 0,2 0,5 0,8 1,6 2,0 3,0 4,0 6,0 Рл МПа

Рис. 5. Влияние термодинамических параметров двухфазного потока на интенсивность эрозии-коррозии сталей приуо-25%, Ms - 0,3, г - 50часов (О- Ст20; □ - 12ХМ; И -12Х18Н9Т-, А - АМГ-2).

Рост интенсивности ЭК в диапазоне температур от 100 до 150 °С обусловлен совокупностью тенденций физико-химических процессов: увеличением скорости химических реакций, высокой растворимостью магнетита и увеличением коэффициента массопереноса. При температуре более 150 °С равновесие реакции Шиккора

3Fe(OH\ <-» Fe304 + Н20 + Н2 (5)

смещается в сторону увеличения скорости образования магнетита, а его растворимость падает, что становится причиной формирования плотного магнетитового слоя на поверхности металла, обладающего высокими защитными свойствами. Результаты металлографических исследований (рис. 5) подтверждают эти выводы.

Установлено, что в двухфазном потоке (у0=25%) алюминиевый сплав АМГ-2 в диапазоне температур 120-210 °С обладает большей эрозионно-

коррозионной стойкостью, чем более прочная углеродистая сталь 20 (рис. 5). Высокая эрозионно-коррозионная стойкость АМГ-2 объясняется отсутствием кавитационного эрозионного воздействия в двухфазном потоке.

Характер температурной зависимости износа образцов АМГ-2 связан с особенностями формирования защитной пленки окислов алюминия на его поверхности.

Результаты экспериментальных эрозионно-коррозионных исследований по влиянию фазового состояния и степени влажности пара на интенсивность ЭК (см. рис. 6) показали, что определяющую роль в переносе растворенных продуктов коррозии в поток играют процессы массопереноса в жидкой пленке, которые зависят от режима ее течения. Изменение фазового состояния Н20 кардинально меняет механизм взаимодействия потока с металлом. При обтекании перегретым паром не отмечено изменения исходной массы образцов. В перегретом паре коррозия завершается формированием оксидного слоя, который в этих условиях слабо растворен.

(ЭК )+ КОРРОЗИЯ ЭРОЗИЯ-КОРРОЗИЯ (ЭК) НАВИГАЦИОННАЯ ЭРОЗИЯ

Ро=0,8 МПа; УУ*=150м/с Р=4,0 МПа; М/с

1000 300 100 -30 10 3,0 ( 15 10 5 /> £ мкг 1 \ / / 1 / и У / 1 ^/Г / 1 Я / 1 / / I / I 1 / / 1 / /рН,*Пу) V ^ ! 2 3 5 20 30 50 70 1С > . Рн? 8,15 8,10 8,05 -К? с )0 10 20 30

ннж^КкМж .Й&ЭДЙ&Я ■■ ФАЗА-

У/////////////Ш КГА л Ш/////////////А

Рис. 6. Влияние фазового состояния Н20 и степени влажности на механизм взаимодействия однофазного (пар, вода) и двухфазного потоков с углеродистой сталью , (Ст20) и на интенсивность ЭК во влажнопаровом потоке

С появлением влаги в потоке уже при у0=1% на поверхностях обтекания (на образцах) образуется тонкая жидкая пленка, что обеспечивает условия появления механизма ЭК. Далее с ростом степени влажности пара интенсивность ЭК резко возрастает и при у=15% уже достигает 100 мкг/см2час, а при у=50% интенсивность ЭК возрастает еще в два раза. Штрих-пунктиром показано предполагаемое изменение интенсивности ЭК.

Характер полученной кривой определяется в большей степени эрозионной составляющей, т.е. ростом коэффициента массопереноса при увеличении у ив меньшей степени влиянием изменения значения pHf жидкой пленки. Пунктиром показана расчетная кривая ЭК, соответствующая случаю, когда pHf жидкой пленки задается постоянной. В реальных условиях с ростом степени влажности значения pHf (в данном случае при подщелачивании аммиаком) возрастает (см. pH{=f(y) на рис. 6).

Полученные автором экспериментальные зависимости интенсивности ЭК от значений Ref при различных степенях влажности пара (см. рис. 7) подтверждают определяющую роль режима течения двухфазного потока (Res) в эрозионной составляющей ЭК. При этом каждая кривая получена изменением

р

числа Rer за счет изменения скорости потока =—l = 0,7-0,99) и размера

Ро

гидравлического диаметра йг канала.

Установлено, что с ростом степени влажности пара или числа Рейнольдса жидкой пленки, резко возрастает интенсивность ЭК и увеличивается чувствительность эрозионно-коррозионных процессов к изменению числа Рейнольдса парового потока Res.

Условно можно выделить три зоны зависимости интенсивности ЭК от Res и Ref (рис. 7): I - соответствует сочетанию Ref и Res, при которых реализуется ламинарный режим течения пленки; II - соответствует переходному и турбулентному режимам течения жидкой пленки; III - характеризуется сложными срывными явлениями на границе раздела фаз жидкая пленка -паровой поток. Переход от ламинарного к турбулентному режиму течения пленки (в районе пунктирной линии 1-1) при малых значениях степени влажности сдвигается в сторону больших значений Res, что согласуется с физическими

представлениями о пленочных течениях. Аналогичная тенденция наблюдается и на границе между зонами II и III (линия 2-2), где срывные явления на поверхности пленки с уменьшением влажности пара сдвигаются в сторону больших чисел Res.

300

200

100

О

Рис. 7. Влияние режимов течения парового потока (Res) на интенсивность ЭК углеродистой стали (Ст 20) в двухфазном потоке при различных степенях влажности пара.

Характер влияния критериев гидрогазодинамического подобия двухфазного течения в виде чисел Рейнольдса парового потока (Res) и жидкой (Ref) фаз на ЭК отражает прежде всего физические процессы массопереноса продуктов коррозии и доказывает отсутствие кавитационного воздействия в двухфазных потоках.

Полученная в работе экспериментальная зависимость интенсивности ЭК от pHf жидкой пленки при коррекционной обработке двухфазного потока гидразином и пиперидином (рис. 8) свидетельствует о значительном влиянии pHf на ЭК и показывает, что характер изменения функции S=f(pHf) не зависит от вида используемого в опытах подщелачивающего амина. В то же время в дальнейших опытах было установлено, что октадециламин наряду с подщелачиванием обладает дополнительным ингибирующим эрозионно-коррозионным эффектом,

обусловленным его пленкообразующими свойствами (рассмотрено в шестой главе).

Для получения данных о влиянии легирующих элементов на интенсивность ЭК сталей в двухфазных потоках были выполнены экспериментальные и металлографические исследования. Эти результаты свидетельствуют о том, что наиболее значительное снижение ЭК наблюдается при наличии хрома и молибдена в химическом составе сталей. При их суммарном содержании более 1,5-2,0% интенсивность ЭК не превышает 0,02 мм/год.

ад ».5 9.о рИ»

Рис. 8. Экспериментальная зависимость интенсивности ЭК углеродистой стали 20 от значения рН/ жидкой фазы (пленки) при коррекционной обработке двухфазного потока (£=170 °С;уог:25%; Яе1=2х105) гидразином -# и пиперидином О

Эрозионно-коррозионные испытания образцов углеродистой стали (Ст 20) в исследуемых каналах различной высоты с острой входной кромкой подтвердили существенное' влияние гидродинамики на эрозионно-коррозионные процессы. Внешний вид образца, испытанного в двухфазном потоке полностью отражает особенности гидрогазодинамики в канале: наибольшие эрозионно-коррозионные разрушения отмечаются на входном участке канала, имеется переходная зона и затем наступает участок безотрывного течения.

Экспериментально было установлено, что шероховатость поверхности и интенсивность ЭК металлов энергетического оборудования (в период установившегося режима ЭК) не зависят от начального значения

шероховатости и определяются условиями эрозионно-коррозионного воздействия. Результаты опытов показывают, что исходная шероховатость изменяется до величины, соответствующей условиям испытаний.

Натурные промышленные эрозионно-коррозионные испытания в реальных рабочих средах существенно повышают представительность и достоверность результатов, а также позволяют адаптировать расчетные модели ЭК для решения практических задач на конкретном энергоблоке.

Были подготовлены и проведены комплексные натурные испытания на ряде энергетических объектов (Нововоронежская АЭС, Балаковская АЭС Верхне-Мутновская ГеоЭС и другие) и определены абсолютные значения эрозионно-коррозионной стойкости конструкционных сталей в реальных условиях эксплуатации энергетического оборудования.

Для выполнения этой задачи на основе критериального моделирования был разработан тест-модуль с образцами металлов (рис. 9), спроектированы изготовлены и смонтированы экспериментальные стенды для промышленных эрозионно-коррозионных испытаний.

Во да

Ре. МПа <40

1. "С 50-250

Ю'-Ю"

Поток

рабочей

среды

Направляющая вставка

Влажный Пас

Р„, МПа <4,0

1, "С 50-250

v.% 0-100

Не, ЮМО"

Яе; <500

Рис. 9. Тест-модуль для эрозионно-коррозионного мониторинга и эталонных испытаний металлов оборудования ГЭС, АЭС и ГеоЭС в одно- и двухфазных потоках

В этих опытах были получены данные о снижении интенсивности ЭК углеродистой стали при дозировании октадециламина (ОДА) в условиях

гидразинного режима, которое достигало 18% при концентрации ОДА 50-100 мкг/кг и около 60% при концентрации ОДА 100-300 мкг/кг (рис. 10). Ингибирующий эффект ОДА в двухфазном потоке был также установлен в лабораторных экспериментальных исследованиях (рассмотрено в шестой главе).

В многокомпонентном двухфазном геотермальном рабочем теле наносные отложения играют соизмеримую с оксидами и сульфидами (продукты коррозии) защитную роль по отношению к ЭК металлов. Этот вывод следует из анализа результатов экспериментальных исследований на Верхне-Мутновской ГеоЭС по определению зависимости интенсивности ЭК от содержания легирующих

Рис. 10. Интенсивность ЭК углеродистой стали Ст20 при аммиачном (ТЭЦ МЭИ - кривая 1), гидразинном (БалАЭС - кривая 2), гидразинно-октадециламиновом (БалАЭС - кривая 3: [ОДА]=50-100 мкг/кг и кривая 4: [ОДА]=*ЮО-300 мкг/кг) Результаты экспериментальных и натурных исследований

закономерностей ЭК легли в основу разработки физико-химической и

математической моделей ЭК металлов в двухфазных потоках.

Четвертая глава посвящена моделированию физико-химических

процессов ЭК металлов энергетического оборудования в двухфазных потоках.

На основе анализа современных представлений о процессах ЭК в

однофазных водных потоках и полученных в рамках диссертационной работы

новых экспериментальных данных была построена физико-химическая картина

эрозионно-коррозионных процессов для различных сталей во влажнопаровых

потоках.

В качестве основных допущений при построении модели были приняты:

1. Электролит - движущаяся жидкая пленка Н20.

2. На поверхности металла сплошная жидкая пленка Н20 (1¥е/ > \Уеу).

3. В электролите отсутствует кислород.

4. Концентрация растворимых продуктов коррозии в жидкой фазе (пленка) соответствует их равновесному состоянию межфазового распределения.

5. Рассматривается квазистационарный в условиях динамического равновесия режим ЭК, когда толщина, пористость и другие физико-химические свойства оксидного слоя, режимные параметры двухфазного потока и жидкой пленки, а также другие условия эрозионно-коррозионных процессов остаются неизменными во времени, т.е. £ ф /(г) .

6. В двухфазном потоке отсутствует механизм кавитационной эрозии.

7. В порах оксидного слоя массоперенос осуществляется за счет молекулярной (концентрационной) диффузии.

В основу математической модели положены физико-химические эрозионно-коррозионные процессы в оксидном слое и на границах раздела металл - оксид и оксид - жидкая пленка условно представленные на рис. 11.

Основными стадиями эрозии-коррозии металла в двухфазных потоках являются:

1. Образование Ре(ОН)г у границы раздела металл - вода:

Ге2г +ЮН- Ге(ОН)2 (б)

2. Образование молекулярного магнетита (уравнение б).

3. Формирование твердой фазы магнетита.

4. Диффузия в порах и частичное химическое разложение магнетита:

IЛ304 + (2 - б)#+ + £ Ре{ОнТ"У + - Ъ^НгО (7)

5. Диффузия продуктов химического разложения магнетита к верхней границе оксида.

6. Химическое разложение твердой фазы (стенок оксида) магнетита и диффузия продуктов разложения к верхней границе оксида.

7. Вынос продуктов химического разложения в поток.

Пунктиром показаны новые границы раздела металл - вода и оксид - вода, через некоторый период времени тг в условиях установившегося режима.

На основе построенной физико-химической модели и полученных закономерностей ЭК была создана расчетная программа эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках (РАМЭК-2), которая учитывает все основные параметры и критерии, отражающие влияние на ЭК термодинамических условий, водно-химического режима, гидрогазодинамики двухфазного потока, химического состава металла и других факторов.

Рис. 11. Физико-химическая картина эрозионно-корроз ионных процессов в оксидном слое и на границах раздела металл-вода и оксид - жидкая пленка: (1-7 стадии эрозии-коррозии). При формировании математической модели были использованы

положения методики Санчеса-Калдера для расчета ЭК в однофазном водном

потоке, согласно которым интенсивность ЭК металлов определяется из

рассмотрения процессов взаимодействия между металлом, оксидом и потоком

электролита, условно разделяемых на три сопряженных стадии:

электрохимическую реакцию на границе металл-оксид, определяемую

выражением

й-К^-с»), (8)

где .с» г/см3 - равновесная растворимость магнетита, с*, г/см3 - концентрация железосодержащих соединений на границе металл-оксид, КСЙ, См/с - постоянная скорости химической реакции, в- пористость оксида (в см2 площади пор к площади поверхности оксида), 5 в г/(см2 с).

- диффузию продуктов коррозии через поры оксидного слоя, описываемую уравнением

где С*, г/см3 - концентрация продуктов растворения на границе оксид - жидкая пленка, Д см2/с - коэффициент диффузии продуктов коррозии в воде,/- доля железа, превращенного в магнетит, 80Х, см - толщина оксидного слоя. - массоперенос продуктов коррозии от поверхности оксида в электролит, т.е. для случая двухфазного потока в жидкую пленку, согласно выражению

где К% см/с - коэффициент массопереноса, Сг/, г/см3 - концентрация железосодержащих соединений в жидкой пленке.

При создании РАМЭК-2 были решены такие задачи, как определение растворимости магнетита, коэффициента диффузии, массопереноса и скорости химической реакции, толщины и пористости оксидного слоя, значения рЦ жидкой фазы и других параметров и коэффициентов.

Важным элементом математической модели ЭК металлов в двухфазных потоках является методика расчета значения рНг жидкой пленки в любом месте влажнопарового тракта электростанций. На основе анализа существующих подходов к этому вопросу было получено выражение для оценки локальных значений рНт жидкой фазы:

и впервые построена диаграмма изменения значения рНг при переходе из однофазного (питательная вода) в двухфазное состояние Н20 в зависимости от концентрации кондиционирующих аминов и степени влажности пара для различных температур (рис. 12).

(10)

= 0

(П)

Концентрации продуктов растворения магнетита были определены по формуле

[ре{ОН)ГУ]=Ф"ЫП (12)

где К\ (7=1..4)- константы равновесия соответствующих реакций.

Диаграмма рН'„—►

—--аммиак, .. - гидразин, — - морфолин; - пиперидин,

~ - ОДА, - циклогексиламин.4; - концентрация ОДА 30 мг/кг

- аммиака 36 мкг/кг, % - гидразина 5 мкг/кг, - морфолина 50 мкг/кг)

Рис. 12. Диаграмма изменения значенийрН1/жидкой фазы при переходе из однофазного (вода) в двухфазное состояние Н2О в зависимости от концентрации кондиционирующих аминов (0-40 мг/кг) и степени влажности пара (на примере различных термодинамических условий рабочего тракта второго контура АЭС с ВВЭР-1000: А - парогенераторр=5.9 МПа (275°С); Б - VIрегенеративный отбор ЦНДр=0.1 МПа (100РС); В - конденсатор р=3 кЛа (25°С)

В модели принято, что концентрация атомарного водорода в месте реализации ЭК близка к концентрации насыщения (1560 мкг/кг), вследствие

интенсивного выделения водорода в процессе коррозионных химических реакций.

Другим основополагающим элементом модели является полученное эмпирическим путем выражение для определения коэффициента массопереноса продуктов коррозии в жидкой пленке с учетом режимов течения жидкой пленки (Ле^ и ее взаимодействия с паровым потоком (Р^, степени влажности пара (у) и шероховатости поверхности [г] (для углеродистых сталей):

57» = ах Ле2/ ехр

( * \

-з

УУ +

(13)

Для расчета толщины оксидного слоя получено уравнение, учитывающее влияние диффузионного и конвективного массопереноса, растворимость магнетита при данной температуре и плотности оксида:

На основе экспериментальных данных определен эмпирический поправочный коэффициент, учитывающий влияние химического состава сталей (хрома и молибдена) на интенсивность ЭК в двухфазных потока:

Кем =-г-т-Ц—,--/([<>]+ \МоЪ)$" (15)

" 2,73[Сг]+4,8 8[Мо] - 0,17 * ' К }

Блок-схема алгоритма расчета интенсивности ЭК с помощью РАМЭК-2 представлена на рис. 13.

На основе созданного программного комплекса РАМЭК-2 были проведены расчетные исследования закономерностей эрозионно-коррозионных процессов, экспериментальное изучение которых в большинстве случаев трудноосуществимо или вообще невозможно по техническим и экономическим причинам. Расчетные исследования подтвердили адекватность математической модели ЭК в двухфазном потоке.

Одним из наиболее сложных и важных вопросов практического значения является объяснение и управление температурной зависимостью ЭК металлов в одно- и двухфазном потоках. Результаты расчетного моделирования влияния температуры на основные коррозионные и эрозионные факторы подтвердили ' ранее изложенные предположения о физико-химическом происхождении температурного "пика" ЭК.

©предшмом® ШИСТГШПГ N

бФздшэюврнш кршпгврхшв

Термодинамические и воднохимические факторы

Температура, содержание железа в жидкой пленке, параметры водно-химического режима

Ионное произведение воды, коэффициент межфаэового перераспределения примесей, коэффициенты диссоциации воды и аминов, концентрация амина в жидкой пленке

Гидродинамические факторы

Степень влажности пара, геометрия канала, диаметр канала

Число Рейнольдса жидкой пленки, число Рейнольдса парового потока, кинематическая вязкость воды, плотность воды, плотность парового потока, коэффициент межфазового трения

Марка металла, химический состав металла, толщина стенки, длина участка

Свойства металла и оксидного слоя

....................................1 л

L_K j Коэффициент влияния химического j > состава металла, шероховатость поверхности Г"У| в установившемся режиме

Проверка условий реализации __механизма эрозии-корроаии_____

----ГТДА

НЕТ

Математическое моделированиеЧ /элементарной эрозии-коррозии

рН жидкой пленки (рН,), концентрации ионного водорода в жидкой пленке [Н']( молекулярного на границе оксид-вода (Н:!

ж

Коэффициенты диффузии продуктов растворимости магнетита. (О)

Ж

Равновесная концентрация железосодержащих соединений, (С,)

ж

Коэффициент массопвреноса жалезосодерка!Цих соединений, (К)

Коэффициент скорости Химической реакции, (К^)

ой реа

Толщина оксидного слоя, (5_)

——Ж-----------------

Интенсивность эрозии-коррозии, (S) I

Анализ и графический визуализация разупыаюс расчета интенсивности эрозии-коррозии

Рис. 13. Блок-схема алгоритма определения интенсивности ЭК металлов в двухфазных

потоках (РАМЭК-2).

Расчетные исследования с помощью РАМЭК-2 позволили получить ряд новых зависимостей, например толщины оксидного слоя от коэффициента массопереноса, числа Рейнольдса парового потока (Res) и равновесной концентрации растворимости магнетита (Се), средней толщины жидкой пленки (<5/) от степени влажности пара (у) и числа Res и другие.

Расчеты показали, что шероховатость поверхности металла энергетического оборудования под эрозионно-коррозионным воздействием приобретает определенное значение (рис. 14) соответствующее конкретным параметрам и критериям ЭК.

Расчетные температурные зависимости ЭК, построенные при различной шероховатости поверхности имеют температурный экстремум, смещающийся с ростом шероховатости от 165 °С до 195 °С (зона II), что обусловлено влиянием температурного фактора на процессы массопереноса. Зона III соответствует реальным значениям шероховатости рабочих поверхностей металлов в условиях эксплуатации влажнопарового тракта электростанций, в зоне I влияние шероховатости на ЭК ничтожно.

Рис. 14. Расчетные зависимости эрозии-коррозии углеродистой стали от температуры (по методике РАМЭК-2) в двухфазном потоке для различной шероховатости приу=10%, Ие^-Ю6, рН2/=8,0:1 - экспериментальные значения 2- [я] =0,2 мкм=соп&, 3 -

[в] =45 мкм-сот^ 4 - [е] =100 мкм=сот(, 5 - [г] =400 мкм^сопьи I - при г<140 °С /([г])/II-при 165<1<190 5 * /([г]);III-область изменения интенсивности эрозии-коррозии - модальной размер шероховатости)

Разработанное программное обеспечение математической модели РАМЭК-2 позволяет в наглядной трехмерной форме изображать результаты расчетных исследований в виде топограмм. На рис. 15 показано расчетное поле значений интенсивности ЭК углеродистой стали в зависимости от рВ\ жидкой пленки и температуры.

Рис. 15. Расчетное поле значений интенсивности эрозии-коррозии углеродистой стали в зависимости от рНпри реальной температуре жидкой пленки. Поле значений интенсивности ЭК в зависимости от двух основных

гидродинамических критериев (Ref и Res), определяющих эрозионную

составляющую представлено на рис. 16.

Рис.16. Топограмма значений интенсивности эрозии-коррозии углеродистой стали в зависимости от чисел Рейнольдса Лв/жидкой пленки и Ке^ парового потока (по РАМЭК-2),

Топограмма демонстрирует тенденции изменения интенсивности ЭК и может быть использована для предварительной экспресс-оценки эрозионно-коррозионной стойкости элементов влажнопарового тракта на стадии проектирования и в период эксплуатации. Нанесенные звездочками экспериментальные данные свидетельствуют о хорошей сходимости результатов расчетных и экспериментальных исследований.

В пятой главе представлены разработанные программные комплексы и примеры их использования для решения практических задач повышения надежности и эксплуатационного ресурса энергетического оборудования.

Прогнозирование интенсивности ЭК конструкционных сталей элементов влажнопарового тракта в конкретных условиях эксплуатации расчетным путем без проведения дорогостоящих экспериментальных эрозионно-коррозионных испытаний является важной задачей при проектировании нового и определении остаточного эрозионно-коррозионного ресурса находящегося в эксплуатации энергетического оборудования.

Для решения этой задачи была разработана компьютерная интерактивная программа, где в качестве исходных данных приняты: химический состав металла, температура, число Рейнольдса жидкой пленки Ref (или степень влажности), число Рейнольдса парового потока Res (или скорость течения и характерный геометрический размер), геометрия канала, допустимая величина интенсивности ЭК и другие. Для расчета локальных степеней влажности пара в регенеративных- отборах была разработана эмпирическая методика оценки сепарационной способности отборов турбин насыщенного пара, а для определения значений pHf жидкой пленки в любом месте влажнопарового тракта были получены аналитические выражения определения изменения концентрации подщелачивающих аминов в жидкой фазе (аммиак, гидразин, морфолин, пиперидин, циклогексиламин и октадециламин) в зависимости от исходной концентрации в питательной воде, термодинамических параметров и конечной степени влажности пара при фазовых переходах и сепарации влаги.

Разработанная компьютерная программа позволяет прогнозировать наиболее уязвимые с точки зрения эрозионно-коррозионных повреждений

элементы влажнопарового тракта и определять интенсивность их эрозионно-коррозионного разрушения.

Следующим шагом практического использования математической модели РАМЭК-2 стало создание программного комплекса, позволяющего определять проектный и остаточный эрозионно-коррозионный ресурс (время утонения трубопровода или другого элемента до предельно допустимого значения) и оптимизировать с учетом прочности и эрозионно-коррозионного ресурса выбор металлов энергетического оборудования, работающего в двухфазных потоках. Программа дает возможность путем изменения режимных параметров, геометрии канала и других факторов, влияющих на ЭК добиться наименьшей ее интенсивности при минимальных затратах, а также формировать приоритетный список конструкционных сталей для использования в конкретных эрозионно-коррозионных условиях влажнопарового тракта.

Вышеуказанные программные комплексы главным образом решают вопросы прогнозирования ЭК и выбора металлов элементов, подверженных локальной ЭК. Расчеты интегральных эффектов ЭК, в результате которых происходит загрязнение рабочего тела железосодержащими соединениями и их осаждение в виде отложений в парогенераторе и турбинах, имеют особое значение при оптимизации водно-химического режима, определении состава вспомогательного оборудования и выбора методов повышения эрозионно-коррозионной стойкости элементов влажнопарового тракта электростанций. Для решения этих практических задач создан программный комплекс РАМЭКонтур.

Динамика распределения железосодержащих соединений коррозионно-агрессивных примесей и кондиционирующих аминов во влажнопаровом тракте электростанций с учетом фазовых превращений и сепарации влаги, выноса продуктов ЭК их отложений в контур, изменения термодинамических, водно-химических и других технологических условий может быть рассчитана с помощью разработанной программной методики РАМЭКонтур.

Пример расчета баланса железосодержащих соединений для влажнопарового тракта (рис. 17) турбоустановки К-1000-60/1500 показал высокую сходимость с экспериментальными данными (например, расчетная

концентрация железа в сепарате СПП-57,8 мкг/кг, а по результатам реальных измерений 50-60 мкг/кг).

Рис. 17. Расчетная динамика распределения и изменения количества железа в паровой и жидкой фазах во влажнопаровом тракте турбоустановки К-1000-60/1500.

Анализ показывает, что для турбоустановок насыщенного пара конденсатоочистка не оказывает значительного влияния на баланс железа и других примесей в рабочем контуре, поскольку большая их часть (до 80%) циркулирует через регенеративные отборы, минуя БОУ.

■ На рис. 18 показан пример расчета относительной интенсивности ЭК элементов рабочего контура турбоустановки К-1000-60/1500 по РАМЭКонтур.

Программный комплекс РАМЭКонтур позволяет с высокой степенью достоверности проводить анализ влияния водно-химического режима, термодинамических и гидродинамических параметров, химического состава металлов и других факторов на уровень загрязненности рабочего тела железом, решать задачи по оптимизации выбора металлов и методов повышения эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования.

Изменение скорости ЗКпо контуру (»омфов»ЦМв *мкка)

I } Н и47 в* »МО « « « М 15.18 л ' 11

17 I»4« 50 21 22.53 ИкфЪ 27 88 » за 34 Я 80 а? ж & «'«вдацс«

Рис. 18. Изменение относительной интенсивности ЭК по рабочему контуру турбоустановки К-1000-60/1500-2 (расчеты по РАМЭКонтур) 1 и 2- интенсивность ЭК в прям ых участках и каналах сложной геометрии соответственно.

В шестой главе представлены принципы организации контроля, диагностики и профилактики ЭК, а также методы обеспечения надежности и эксплуатационного ресурса оборудования электростанций путем повышения эрозионно-коррозионной стойкости металлов.

Универсальность и высокая точность предложенной методики эрозионно-коррозионного мониторинга (рис. 19) обеспечивается использованием разработанного тест-модуля для проведения эталонных эрозионно-коррозионных натурных испытаний (рис. 9) и расчетного комплекса РАМЭК-2.

Рис. 19. Принципиальная схема организации мониторинга, диагностики и предупреждения эрозии-коррозии оборудования электростанций.

Результаты расчетных исследований показали, что наибольшей эффективности ингибирования ЭК металлов в двухфазных потоках

—1 оо%^ можно добиться, используя в качестве подщелачивающей

добавки гидразин и морфолин (рис. 20). Анализ экспериментальных лабораторных и натурных исследований свидетельствует о том, что ОДА также обладает высоким ингибирующим эффектом не только за счет подщелачивания жидкой фазы, но и благодаря пленкообразующим свойствам.

Выполненные исследования влияния фазового состояния и других режимных условий на сорбцию ОДА на поверхности металла позволили выявить зону максимальной сорбции при степенях влажности пара от 1,5 до 4,0% (рис. 21).

Эти и другие экспериментальные данные позволили разработать и широко внедрить технологию защиты оксидного слоя на поверхности металлов от стояночной коррозии в период простоя - как способ повышения эрозионно-коррозионной стойкости элементов энергетического оборудования (на

Конаковской ГРЭС, Черепетской ГРЭС, ГРЭС в г. Нови-Сад и г. Зрынянин (Югославия) и других отечественных и зарубежных электростанциях).

Рис. 20. Влияние степени влажности пара на эффективность ингибирования ЭК углеродистых сталей в двухфазных потоках при 170 С; Ке5=106 (а) при коррекционной обработке питательной воды до значений рНи значения концентраций обеспечивающих рНн,170 питательной воды равное 6.5 (б)

Был выполнен комплекс экспериментальных исследований по отработке высокоэффективных центробежных сепараторов в двухфазных потоках, в том числе с присадками ОДА, установка которых непосредственно в паропроводах позволяет снизить степень влажности пара до значений допустимых с точки зрения эрозии-коррозии (у<0,5-1,5%).

Значительное место в шестой главе занимают материалы, посвященные экспериментальным натурным исследованиям эрозионно-коррозионной стойкости металлов в многокомпонентных потоках на ГеоЭС. Показано, что при проектировании и выборе металлов геотермального энергетического оборудования необходимо ориентироваться на следующий приоритетный ряд отечественных конструкционных сталей, построенный по степени увеличения общей эрозионно-коррозионной стойкости:

СтЗ -»Ст20-> 1ОХНДП—>08Х 14МФ-» 15X18М2Б-> 12Х18Н10Т-*08Х 17Н1ЗМЗ Т-> титан.

20,0

15,0

10,0

5,0 1,0

Рис. 21, Экспериментальные исследования удельной сорбции ОДА в условиях двухфазного (влажный пар) и парового (перегретый пар) потоков: а) опыты на ТФ-3 при искусственном (форсуночном) формировании двухфазного потока; б) опыты на ЭТ-12 при естественном (расширение пара) образовании влажнопарового потока. А- сопловые лопатки; В-рабочие лопатки; С - диафрагма; О- диск.

Результаты этих работ внедрены на отечественных заводах (ОАО "КТЗ", ОАО "ПМЗ" и др.) в виде рекомендаций по выбору металлов при изготовлении турбин, конденсаторов, сепараторов, шумоглушителей, арматуры и другого энергетического оборудования трех энергоблоков Верхне-Мутновской ГеоЭС, а также турбоустановок для ГеоЭС "Сая-Хасинто" (Никарагуа) и блочных ГеоЭС для Курильских островов.

Выводы.

1. На основе комплексных экспериментальных лабораторных и натурных исследований на ТЭС, АЭС и ГеоЭС разработаны научные положения эрозии-коррозии, как физико-химического процесса взаимодействия двухфазных и многокомпонентных потоков с металлом.

2. Экспериментально доказано существование устойчивой сплошной жидкой пленки и возможность реализации механизма ЭК металлов энергетического оборудования в высокоскоростных двухфазных потоках, исследованы и учтены в физико-химической модели эрозии-коррозии особенности течения жидких пленок в двухфазном пограничном слое при вибрационном воздействии и дозировании поверхностно-активных добавок.

3. Установлены критерии приближенного моделирования эрозии-коррозии металлов энергетического оборудования во влажнопаровых потоках, которые отражают определяющую роль процессов массопереноса и локальных физико-химических свойств жидкой пленки в развитии ЭК.

Впервые получены основополагающие эмпирические и аналитические зависимости интенсивности эрозии-коррозии металлов от степени влажности пара, чисел Рейнольдса жидкой пленки Ref и парового потока Res, значений pHf жидкой пленки, химического состава и качества обработки поверхности металла и др. Экспериментально показана и расчетными исследованиями обоснована зона максимальной интенсивности ЭК конструкционных сталей в диапазоне температур 150-200 °С влажного пара.

4. Разработана и экспериментально обоснована физико-химическая математическая модель эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках и компьютерная программа РАМЭК-2, позволяющая рассчитывать интенсивность ЭК отдельных элементов влажнопарового тракта, осуществлять эрозионно-коррозионный мониторинг, определять пути и оптимизировать методы повышения эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования.

5. Экспериментально показано, что в перегретом паре не проявляется механизм ЭК. В зоне ниже пограничной кривой (х « 1,0) начинают появляться условия реализации ЭК, которая интенсифицируется с ростом степени влажности пара достигая максимума при у=100% (вода). Исследования показали, что в

процессе разрушения поверхностного слоя металлов иод воздействием двухфазного потока превалирует механизм эрозии-коррозии (в отдельных случаях в сочетании с каплеударной эрозией), а навигационная эрозия не вносит существенного вклада в разрушение металла.

6. Показано, что значение рНг жидкой пленки существенно влияет на ЭК металлов. С ростом рНг жидкой пленки от 8,0 до 9,5 интенсивность ЭК углеродистых сталей падает более чем на порядок, при этом на характер этой зависимости не влияет вид подщелачивающего амина. Для полного предотвращения ЭК элементов влажнонарового тракта необходимо обеспечить значение рНг жидкой пленки более 9,5.

7. Повышение эрозионно-коррозионной стойкости элементов энергетического оборудования, работающего во влажном паре, можно снизить до уровня 0,01 мм/год путем использования сталей легированных Сг и Мо до и более 1,5-2,5%. Исследования позволили установить, что рабочие поверхности паропроводов и других элементов влажнопарового тракта (изготовленных из углеродистых сталей) в условиях эксплуатации приобретают шероховатость, соответствующую конкретным параметрам и критериям ЭК.

8. На основе разработанной методики расчета значения р^ жидкой пленки в элементах влажнопарового тракта энергоблоков и построенной диаграммы (рК^рЩ )с учетом исходной концентрации в питательной воде и межфазового распределения амина, температуры и степени влажности пара, фазовых превращений и сепарации влаги была создана компьютерная программа РАМЭКонтур. Расчетные исследования (по РАМЭКонтур) баланса железа в рабочем тракте (на примере турбоустановки К-10000-60/1500-2) показали, что около 90% растворенного и до 70-80% (от всего железа, содержащегося в воде на входе в турбину) может поступать с жидкой фазой через регенеративные отборы в конденсатно-питательный минуя БОУ.

9. Наибольшая эффективность ингибирования ЭК металлов во влажно-паровом тракте может быть достигнута при использовании морфолина, гидразина и октадециламина и в меньшей степени за счет аммиака, пиперидина и циклогексиламина. Расчетные и экспериментальные исследования показали перспективность применения октадециламина (ОДА) для снижения ЭК металлов

во влажном паре. Установлено, что до 50-60% от общего ингибирующего эффекта при дозировании ОДА достигается за счет увеличения pH жидкои пленки, а дополнительное снижение интенсивности ЭК на 40-50% обусловлено образованием молекулярного защитного слоя ОДА на поверхности металла, а также снижением гидравлических потерь и стабилизацией течения жидкои пленки.

10. Разработанные и внедренные рекомендации по выбору металлов при изготовлении турбин, сепараторов и другого оборудования Верхне-Мутновской ГеоЭС и Мутновской ГеоЭС, позволили обеспечить их эрозионно-коррозионную стойкость в условиях многокомпонентного геотермального теплоносителя.

11. Получены данные о сорбционных и ингибирующих свойствах октадециламина в двухфазных потоках, на основе которых разработана и внедрена в России и за рубежом (на Конаковской ГРЭС, Черепетской ГРЭС, ТЭС "Сенте" (Сербия), Верхне-Мутновской ГеоЭС, Мутновской ГеоЭС и других электростанциях) технология защиты от коррозии, как метод сохранения защитной оксидной пленки на металле и повышения эрозионно-коррозионной стойкости элементов паровых турбоустановок с использованием октадециламина.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Агапов Ю.Е., ДеркачА.И., Томаров Г.В. Экспериментальный стенд высокого давления для исследования течения двухфазных потоков // V городская конф. молодых ученых и специалистов: Тез. докл. - М., 1983. - С. 41.

2. Агапов Ю.Е., Томаров Г.В. Экспериментальный стенд для исследований течений влажного пара до 4,0 МПа // М.: НИИЭинформэнергомаш, 1983. -Сер.: Энергетическое машиностроение. - 16 с.

3. Рабенко B.C., Васильченко Е.Г., Томаров Г.В. Методы и аппаратура для исследования пленочных течений в элементах энергетического оборудования // М.: НИИЭинформэнергомаш, 1983. - Сер.: Энергетическое машиностроение. - 18 с.

4. Томаров Г.В., Рыженков В.А. Эрозионно-коррозионный износ элементов энергетических установок // Труды МЭИ. - 1984.- Вып. 623. - С. 37-42.

5. Образование агрессивных сред и влияние их на надежность турбоустановок / O.A. Поваров, В.Н. Семенов, Б.В. Богомолов, Г.В. Томаров // Оптимизация схем и режимов энергетических систем: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Л., 1985. -С. 27.

6. Поваров O.A., Томаров Г.В., Васильченко Е.Г. Основные закономерности эрозионно-коррозионного износа металлов во влажном паре // Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах: Тез. докл. VII Всесоюз. конф. -Л., 1985.-С. 39.

7. Поваров O.A., Томаров Г.В. Эрозионно-коррозионный износ металла паровых турбин // Теплоэнергетика. - 1985. - №9. - С. 39-43.

8. Чертушкин В.Ф., Деркач А.И., Томаров Г.В. Образование и движение жидких пленок при повышенных плотностях влажного пара // Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах: Тез. докл. VII Всесоюз. конф. - Д., 1985.

- С. 27-28.

9. Зайцев H.A., Томаров Г.В., Гонтаренко А.Ф. Применение октадециламина для борьбы с эрозионно-коррозионным износом сталей во влажном паре // Труды МЭИ. - 1986. - Вып. 97. - С. 80-87.

10. Томаров Г.В., Гонтаренко А.Ф. Некоторые аспекты эрозионно-коррозионного разрушения сталей // Материалы науч.-техн. конф. Новомосковского филиала Московского хим.-технологич. инст. им. Д.И.Менделеева: Сб. тр. - 1986. - Ч. 2.-С. 55-58.

11. Томаров Г.В. Основные закономерности эрозионно-коррозионного изнашивания металла элементов паровых турбоустановок во влажном паре: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. - М., 1986. - 32 с.

12. Эрозионно-коррозионное изнашивание энергетического оборудования / O.A. Поваров, O.A. Шалобосов, Е.Г. Васильченко, Г.В. Томаров // М.: НИИЭинформэнергомаш, 1986. - Сер.¡Энергетическое машиностроение.-38 с.

13. Povarov O.A., Stanisa В., Tomarov G.V. Erosions Korrosions-Abtragung von Metall im Stromungsteil Einer Nassdampfturbine // Brennstoff-Warme-Kraft. -1986. - V. 38, № 12. - S. 534-538.

14. Изнашивание металлов при воздействии высокоскоростного потока влажного пара и воды / В.А. Михайлов, Г.В. Томаров, И.А. Шалобасов // Энергомашиностроение. - 1987. - №12. - С. 11-14.

15. Мартынова О.Н., Поваров O.A., Томаров Г.В. Некоторые закономерности эрозии-коррозии металлов во влажном паре // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1987. - №1. - С. 137-142.

16. Томаров Г.В. Эрозия-коррозия конструкционных материалов турбоустановок насыщенного пара // Теплоэнергетика. - 1987. - №7. - С. 33-38.

17. Control of erosive-corrosive wear of power generating eguipment with microadditives of surfactants / A. Kukushkin, O. Povarov, I. Shalobasov et al. // Erosion by liquid and solid impact: Proc 7th Inter. Conf. - London, 1987. - P. 361366.

18. Активные и пассивные методы повышения эрозионно-коррозионной стойкости элементов паровых турбоустановок / O.A. Поваров, Г.В. Томаров, А.Ф. Гонтаренко, В.Н. Дмитриев // Технология энергоносителей: Сб. науч. тр.

- М.: 1989. - №208 - С. 25-34.

19. Леднев А.Н., Томаров Г.В., Янченко Ю.А. Перспективы применения защитных покрытий поверхностей теплоэнергетического оборудования АЭС и ТЭС // М.: Информэнерго, 1989. - Сер.: Сварочные работы в энергетике. Вып.4.-52с.

20. Влияние микродобавок ОДА на процессы сепарации влаги / O.A. Поваров,

B.Н. Жаров, В.П. Филимонов, Г.В. Томаров // Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах: Тез. докл. VIII Всемирной конф. 23-25 октября 1990 г. - Л., 1990. - С. 43.

21. Ингибирование эрозии-коррозии металлов турбоустановок в одно- и двухфазных потоках / O.A. Поваров, О.И. Мартынова, Г.В. Томаров, А.Ф. Гонтаренко // Тяжелое машиностроение. - 1990. - №8. - С. 29-32.

22. Поваров O.A., Томаров Г.В., Жаров В.Н. Образование жидких пленок в закрученном потоке влажного пара // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. -1990.-№4.-С. 170-174.

23. Поваров O.A., Томаров Г.В., Жаров В.Н. Эрозия-коррозия элементов турбинных установок насыщенного пара // Теплоэнергетика, - 1990. - № 12. -

C.27-32.

24. Эффективность применения октадециламина для защиты турбоустановок от стояночной коррозии / O.A. Поваров, А.Я. Дубровский, Г.В. Томаров, Е.В. Величко // Тяжелое машиностроение. - 1990. - №6. - С. 22-25.

25. Проблемы солеотложений и износ элементов геотермальных энергетических установок / O.A. Поваров, Г.В. Томаров, С.Ю. Кутырев, Е.В. Величко // М.:ЦНИИТЭИтяжмаш,1991. - Энергетическое машиностроение, Сер. 3, вып. 2. - 45 с.

26. Эрозионно-коррозионный износ металла элементов турбоустановок ТЭС и АЭС: Обзор / O.A. Поваров, Г.В. Томаров, Е.В. Величко и др. // М.: ЦРМИТЭИтяжмаш, 1991.- Энергетическое машиностроение, Сер.З, вып. 12.

- 48 с.

27. Поваров O.A., Томаров Г.В. Проблемы многофазных сред геотермальных теплоносителей // Теплоэнергетика. - 1992. - № 5. - С. 66-70.

28. Причины повреждений и пути повышения надежности оборудования ГеоТЭС. / O.A. Поваров, Г.В. Томаров, В.Н. Жаров, С.Ю. Кутырев // Энергетическое строительство. - 1992. - № 2. - С. 14-20.

29. Особенности высокоскоростной центробежной сепарации влаги в потоках с присадкой поверхностно-активных веществ / O.A. Поваров, Г.В. Томаров, В.И. Жаров, Филимонов В.П. // Изв. РАН. Энергетика и транспорт. - 1993. — № 3. -С. 151-158.

30. Поваров O.A., Томаров Г.В,, Кошкин Н.Л. Геотермальная энергетика за рубежом // Электрические станции. -1993. - № 11. - С. 53-59.

31. Povarov О., Saha S., Tomarov Q. Experimental investigation of the liquid film flow behavior on the vibrating solid plate // Fluid Engineering Conf.: Proc. forum. June 20-24, 1993. - Washington, DC, U.S.A., 1993. - P. 1.1-1.5.

32. Изучение коррозионно-усталостного поведения титанового сплава ТС-5 и стали 15X11МФ для использования в оборудовании геотермальных систем / O.A. Поваров, Г.В. Томаров, О.С. Калахан, H.A. Смирнова//Теплоэнергетика.

- 1994.-№8,-С. 30-35.

33. Поваров O.A., Томаров Г.В. Динамика распределения примесей во влажнопаровом тракте турбоустановок АЭС // Теплоэнергетика. - 1994. - № 4.

- С. 23-32.

34. Поваров О.А., Томаров Г.В., Кошкин H.JI. Состояние и перспективы развития геотермальной энергетики России // Теплоэнергетика. - 1994. - № 2. - С. 1523.

35. Povarov О.А., Tomarov G.V. Russian Geothermal Electric and Heat Power Plants // Geothermic 94 in Europe. From research to development: Proc. Intern, symp. February 8-9,1994. - Orleans, France, 1994. - P. 347-355.

36. Povarov O.A,, Tomarov G.V., Semenov V.N. Metal Erosion-Corrosion in MultiPhase Mediums of Geothermal Power-Generating Eguipment // Geothermic 94 in Europe. From research to development: Proc. Intern, symp. February 8-9,1994. -Orleans, France, 1994. - P. 267-272.

37. Томаров Г.В. Геотермальные электростанции и установки. Современное состояние и перспективы развития геотермальной энергетики // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: экспресс-информация ВИНИТИ. - 1995.-№1.-С. 10-23.

38. Povarov О., Tomarov G., Semenov V. Russian geothermal sources and problems of metal erosion-corrosion of geothermal power plants // World Geothermal Congress: Proc. WGC. May 18-31,1995. - Florence, Italy, 1995. - P. 2433-2439.

39. Saha S., Tomarov G., Povarov O. Experimental investigation into the flow of liquid film under saturated steam condition on a vibrating suface // Int. J. Heat Mass Transfer. - 1995. - V. 38, № 4. - P. 593-597.

40. Saha S., Tomarov G., Povarov O. Experimental investigation on the effect of vibration on flow of liquid film in a horizontal duct // Experiments in Fluids. -1995.-№19.-P. 383-387.

41. A.c. 5621. Геотермальная энергетическая установка / O.A. Поваров, А.И. Никольский, Ю.П. Алексеев и др. // 1996.

42. А. с. 6205. Геотермальная электростанция с комбинированным циклом / О.В. Бритвин, О.А. Поваров, Е.Ф. Клочков и др. // 1996.

43. Ингибирование эрозии-коррозии металлов турбоустановок в одно- и двухфазном потоках / О.И. Мартынова, О.А. Поваров, Г.В. Томаров, А.Ф. Гонтаренко // Энергомашиностроение. - 1996. - №8 - С. 29-32.

44. Пат. 21324009, МКИ 5 C23F 11/10. Способ защиты от коррозии / О.А. Поваров, В.Н. Семенов, Г.В. Томаров, Ю.П. Алексеев // Опубл. 18.11.96.

45. А.с. 7409. Тепловая электростанция / О.А. Поваров, О.В. Бритвин, И.Г. Межиковский и др. // 1997.

46. А.с. 7410. Тепловая электростанция / О.А. Поваров, О.В. Бритвин, А.П. Берсенев и др. //1997.

47. А.с. 7448. Геотермальная электростанция / О. А. Поваров, В.Н. Семенов, Г.В. Томаров//1997.

48. Поваров О.А., Томаров Г.В. Физико-технические проблемы геотермальной энергетики // Изв. РАН. Энергетика. - 1997. - № 4. - С. 3-17.

49. А.с. 018013. Энергоблок тепловой электростанции / О.А. Поваров, Ю.П. Алексеев, О.В. Бритвин и др. - № 97117047/20 // 1998.

50. А.с. 8362. Тепловая электростанция / О,А. Поваров, О.В. Бритвин, А.П. Берсенев//1998.

51. Поваров О.А., Томаров Г.В., Семенов В.Н. Эффективный метод консервации энергетического оборудования // Энергосбережение и водоподготовка. - 1998. -№1.-С. 60-64.

52. Эрозионно-коррозионное разрушение металлов в турбине и способы его предотвращения / О.И. Мартынова, О.А. Поваров, Г.В. Томаров, А.Ф. Готаренко // Технология энергоносителей: Сб. научн. тр. - М.: 1998. - № 166. -С. 5-10.

53. Povarov О.A., Tomarov G.V. Formation of agressive substances in steam and problem of erosion-corrosion of metall // Properties of steam: Proc. 11th Intern, conf. Sept. 4-8, 1998. - Prague, Czechoslovakia, 1998. - P. 142-163.

54. Povarov O., Tomarov G., Lusin V. Erosion-corrosion wear of metal in geothermal power plant equipment // New Zealand Geothermal Workshop; Proc. 21st Workshop. - New Zealand, 1999.-P. 199-204.

55. Povarov O., Tomarov G., Semenov V. Protection of turbine units from corrosion with amines // Steam chemistry-interaction of chemical species with materials during, evaporation, superheating and condensation: Proc. Int. Conf. - Germany, 1999.-P. 22-25.

56. Mutnovsky Geothermal Power Complex Kamchatka / O.V. Britvin, O.A. Povarov, E.F. Klochkov et al. // World Geothermal Congress: Proc. WGC. - 2000. - P. 31393145.

57. Povarov O.A., Tomarov G.V., Semenov V.N. Physical and chemical processes of geothermal fluid impact on metal of geothermal power plant equipment // World Geothermal Congress: Proc. WGC. - 2000. - P. 3277-3282.

58. Геотермальные промышленность и технологии в России / О.А. Поваров, Ю.Л. Лукашенко, Г.В. Томаров, С.Д. Циммерман // Тяжелое машиностроение. -

2001.-№ 1.-С. 14-19.

59. Мутновский геотермальный энергетический комплекс на Камчатке / О.В. Бритвин, О.А. Поваров, Клочков Е.Ф. и др. // Теплоэнергетика. - 2001. - № 2. -С. 4-10.

60. Томаров Г.В. Физико-химические процессы и закономерности эрозии-коррозии энергетического оборудования в двухфазном потоке // Теплоэнергетика. - 2001. - № 9. - С. 59-67.

61. Защита металлов энергетического оборудования от коррозии / О.А. Поваров, Г.В. Томаров, В.Н. Семенов и др. // Тяжелое машиностроение. - 2002. - № 8. -С. 33-39.

62. Образование отложений в проточной части турбин ГеоЭС / В.Н. Семенов, К.О. Поваров, Г.В. Томаров, М.Л. Безотечество // Тяжелое машиностроение. -

2002.-№8.-С. 40-45.

63. Поваров О.А., Томаров Г.В., Семенов В.Н. Исследования и опыт внедрения технологии защиты от коррозии металла паровых турбоустановок // Теплоэнергетика. - 2002. - № 12. - С. 22-28.

64. Поваров О.А., Томаров Г.В., Чертушкин В.Ф. Течение жидких пленок при повешенных значениях плотности и скорости влажного пара // Изв. РАН. -2002. -№3.- С. 166-173.

65. Поваров O.A., Томаров Г.В. Эрозия-коррозия металлов энергетического оборудования в одно- и двухфазных потоках // Тяжелое машиностроение. -2002.- №8.- С. 16-21.

66. Томаров Г.В., Шипков A.A. Моделирование физико-химический процессов эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках // Теплоэнергетика. - 2002. -№7.-0.7-17.

67. Томаров Г.В. Водно-химические аспекты эрозии-коррозии металлов электростанций // Энергосбережение и водоподготовка, ~ 2003. - № 1. - С. 4853.

68. Томаров Г.В. Обеспечение надежности и эффективности энергетического оборудования путем повышения эрозионно-коррозионной стойкости металлов // Изв. АПЭ. - 2003. - № 1. - С. 58-71.

РШз Русский фонд

2005-4 14338

19 ¿QQ3

Условные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ КОРРОЗИИ И ЭРОЗИИ МЕТАЛЛОВ В ВОДЕ И 14 ВЛАЖНОМ ПАРЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ.

1.1. Классификация механизмов эрозии металлов энергетического оборудования.

1.2.Анализ повреждаемости элементов рабочего контура энергоблоков.

1.3. Физико-химические процессы эрозии-коррозии металлов в одно- и двухфазном потоках.

1.4. Особенности воздействия многокомпонентных потоков на конструкционные металлы.

1.5. Проблемы взаимодействия тепломассообмена и водно-химического режима с эрозионно-коррозионными процессами в энергетическом оборудовании электростанций.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕЧЕНИЯ ЖИДКИХ ПЛЕНОК В ДВУХФАЗНОМ ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ.

2.1. Определение критериев массопереноса в двухфазном потоке.

2.2. Исследования режимов течения жидких пленок при различных параметрах влажного пара.

2.3. Особенности течения жидких пленок при добавках поверхностно активных веществ.

2.4. Влияние вибраций твердой стенки на локальные характеристики течения жидкой пленки и гидравлическое сопротивление при расслоенном газожидкостном потоке.

2.5. Исследования вибрационного воздействия на волновую структуру и осредненные характеристики течения жидкой пленки в двухфазном дисперсном потоке.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЭРОЗИИ-КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ В ДВУХФАЗНЫХ И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ПОТОКАХ.

3.1. Основные критерии подобия и приближенное моделирование эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках.

3.2. Влияние температурного фактора на процессы эрозии-коррозии металлов.

3.3. Зависимость эрозии-коррозии металлов от режимов течения влажного пара и воды.

3.4. Эрозионно-коррозионная стойкость конструкционных металлов при различных водно-химических режимах.

3.5. Влияние легирования сталей на интенсивность эрозии-коррозии.

3.6. Роль геометрического фактора и шероховатости поверхности металлов в эрозионно-коррозионных процессах.

3.7. Натурные исследования эрозионно-коррозионной стойкости металлов оборудования энергетических объектов.

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЭРОЗИИ-КОРРОЗИИ МЕТАЛЛОВ В ДВУХФАЗНЫХ ПОТОКАХ.

4.1.Физико-химическая модель эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках.

4.2. Методология определения значения рН жидкой фазы при кондиционировании двухфазных потоков аминами.

4.3. Математическая модель эрозии-коррозии металлов в двухфазном потоке. 218 Ф 4.4. Расчетные исследования влияния основных факторов на эрозию-коррозию металлов.

ГЛАВА 5. ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЭРОЗИИ -КОРРОЗИИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ЗАДАЧ.

5.1. Межфазовое распределение железа и примесей при сепарации влаги и фазовых превращениях в двухфазных потоках.

5.2. Определение эрозионно-коррозионного ресурса теплоэнергетического оборудования электростанций.

5.3. Оптимизация выбора металлов энергетического оборудования работающего в двухфазных потоках.

5.4. Баланс и межфазовое распределение железосодержащих продуктов эрозии-коррозии и примесей в пароводяном контуре энергоблоков.

ГЛАВА 6. ПОВЫШЕНИЕ ЭРОЗИОННО-КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

6.1. Основные принципы и методы управления процессами эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках.

6.2. Ингибирование эрозии-коррозии металлов в двухфазных потоках.

6.3. Эффективность применения октадециламина для защиты от стояночной коррозии металлов энергетического оборудования.

6.4. Рекомендации по выбору металлов энергетического оборудования, работающего в многокомпонентных средах.

Надежность и эффективность современных отечественных и зарубежных электростанций в значительной степени зависит от эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования, работающего в однофазных (конденсатно-питательный тракт) и двухфазных (влажнопаровой тракт) потоках. Наряду с экономическими потерями коррозионные и эрозионные повреждения металла энергетического оборудования способны приводить к аварийным ситуациям, и влиять на безопасность эксплуатации электростанций. Так, например, ежегодный ущерб в энергетике США из-за эрозии и коррозии металла составляет несколько десятков миллионов долларов на один энергоблок или недовыработка мощности в размере 3-5% [210].

Актуальность рассматриваемой проблемы, особенно в связи со значительной наработкой отечественных энергоблоков растет, что обусловлено необходимостью решения важных народно-хозяйственных задач:

- продление срока эксплуатации путем повышения эрозионно-коррозионной стойкости нового, стареющего и уже исчерпавшего расчетный ресурс энергетического оборудования ТЭС, ГеоЭС и АЭС; повышение безопасности и бесперебойности работы мощных энергоблоков, характеризующихся повышенными тепломеханическими и гидродинамическими нагрузками, вызывающими интенсивную эрозию-коррозию металлов; снижение стоимости энергетического оборудования на стадии проектирования и реконструкции путем оптимизации режимов эксплуатации и выбора конструкционных сталей, обеспечивающих его эрозионно-коррозионную стойкость в течение всего расчетного периода эксплуатации; оптимизация и повышение эффективности диагностических и профилактических регламентов, методов контроля эрозионно-коррозионного состояния и предупреждения аварийных ситуаций и вынужденных остановов по причине повреждения металлов рабочего тракта электростанций;

Отечественная наука и техника в области изучения эрозии металлов успешно развивалась уже в 60-70 гг. В первую очередь следует отметить комплексные исследования каплеударной эрозии и газодинамики двухфазных сред, проведенные в семидесятые годы в МЭИ под руководством Г.А.Филиппова и О.А.Поварова, в рамках которых были созданы уникальные экспериментальные стенды. В начале 80-х годов отечественная и зарубежная энергетика столкнулась с новой серьезной проблемой "размыва" деталей проточных частей турбин и элементов влажнопарового тракта электростанций, для которой были характерны протечки в стыках диафрагм, обойм и фланцевых разъемов корпуса турбин, работающих во влажном паре. Известны случаи, когда на ряде отечественных турбин были размыты диафрагмы и корпуса уже через три года эксплуатации. Отмечались случаи размыва регулирующих клапанов и паропроводов, повышенный износ межлопаточных тел сопловых решеток и других элементов, находящихся под воздействием влажнопарового потока. В это время МЭИ и ВНИИАМ начали активно заниматься изучением явления эрозии-коррозии и проводить исследования.

Автором под руководством Поварова О.А. в 1980 году были начаты систематические работы по исследованию проблем размыва металлов во влажном паре. Вскоре эти исследования позволили определить размыв,' как физико-химический процесс эрозии-коррозии (ЭК) обусловленный, с одной стороны образованием защитного оксидного слоя на металле, а с другой растворением металла и выносом продуктов эрозии-коррозии в поток. Автором основное внимание было обращено к изучению ЭК металла в двухфазном потоке.

Во ВНИИАМ под руководством Филиппова Г.А. в подразделениях и лабораториях Шалобасова И.А., Кукушкина А.Н. и Васильченко Е.Г. велись многолетние исследования эрозионных процессов в водных потоках. Нигматулин Б.И., Бараненко В.Н. и другие российские ученые выполнили комплекс экспериментальных и теоретических работ по изучению ЭК в воде. Широко известны также работы по коррозии и ВХР в энергетическом оборудовании Акользина П.А., Мартыновой О.И. и других замечательных российских ученых.

К середине 90-х годов фактически в России сложилась школа в области проблем эрозии и коррозии на базе МЭИ, ВНИИАМ, ВНИИАЭС, МГОУ и других отечественных организаций. Результаты российских исследований в ряде случаев опережают мировой опыт в области изучения эрозии-коррозии металлов.

После серьезной аварии с человеческим жертвами на АЭС "Сарри-2" (США) 9 декабря 1986 года, причиной которой был разрыв трубопровода питательной воды вследствие эрозионно-коррозионного износа металла, во многих индустриальных странах (Германия, США, Франция и другие) были инициированы национальные программы и активно ведутся по сей день работы по изучению данной проблемы.

Эрозионно-коррозионные процессы в двухфазных потоках (реализуемые во влажнопаровом тракте - турбины насыщенного пара, регенеративные отборы и подогреватели со стороны греющего влажного пара, конденсатор и др.) более сложные и менее изученные, чем ЭК в однофазной среде, вносят значительный вклад в загрязнение рабочего тела железосодержащими соединениями и являются причиной высокой повреждаемости оборудования электростанций. Принципиальным отличием ЭК в двухфазном потоке является то, что непосредственно в контакте с металлом (в качестве барьера между металлом и основным парокапельным потоком) находится движущаяся жидкая пленка, локальные процессы массопереноса, коррозионные свойства и водно-химические параметры которой определяют интенсивность и особенности протекания ЭК. ЭК металлов в двухфазном потоке - сложное многофакторное явление, физико-химические процессы которого определяются законами различных научных дисциплин, таких как электрохимическая коррозия, гидрогазодинамика двухфазных потоков, водная химия, термодинамика, металловедение и др.

Для решения практических задач прогнозирования и предотвращения образования отложений в парогенераторе и турбине требуется расчетное определение баланса эрозионно-коррозионного выноса железосодержащих соединений в рабочий контур электростанций. Вопросы оптимизации водно-химического режима и поиска технических решений с целью снижения ЭК металлов в двухфазных потоках ТЭС, АЭС и ГеоЭС нуждаются в дальнейшем развитии.

Основными элементами данной работы являются разработка научно-теоретических и методологических основ, экспериментальное исследование закономерностей, создание физико-химической и математической моделей, принципов и методов управления процессами ЭК металлов в двухфазных потоках по прогнозированию, диагностики, повышению эрозионно-коррозионной стойкости металлов и продлению ресурса работы энергетического оборудования электростанций.

Научные достижения последних лет и полученные новые результаты исследований позволили развить ранее введенный в теплоэнергетике (Стыриковичем М.А., Мартыновой О.Н., Поваровым О.А. и др.) глобальный подход рассмотрения проблемы эрозии и коррозии в тесной связи с теплофизическими процессами, протекающими в рабочем контуре электростанций. Это дало возможность выявить ряд принципиальных особенностей двухстороннего эрозионно-коррозионного взаимодействия одно- и двухфазного потоков с металлом, которые легли в основу создания программного комплекса РАМЭК-2 для расчетов баланса железосодержащих продуктов ЭК и примесей (хлоридов, кремневой кислоты и т.д.) в контурах электростанций с учетом процессов эрозии-коррозии и образования отложений.

Данная работа выполнялась на кафедре "Теплоэнергетические установки" Московского государственного открытого университета, где автор работает с 1986 года по сей день в должности доцента. Многие результаты диссертации получены автором или при его участии в рамках научно-исследовательских работ по Программам ГКНТ (СССР) и Миннауки России, РАО "ЕЭС России", программ Минэнергетики и Минатома России, а также по заказу ряда отечественных научно-исследовательских институтов, заводов и электростанций.

При решении поставленных в этой работе задач под руководством и при участии автора были созданы на базе МЭИ экспериментальные теплофизические стенды высокого (ТФ-1) и низкого (ТФ-2) давления, гидрогазодинамические экспериментальные проточные части для исследования течения жидких пленок (газо-водяной канал с вибрирующей стенкой и пароводяной канал, установленный на выхлопе экспериментальной турбины ЭТИ2), а также специальные эрозионно-коррозионные тест-модули. В диссертации не приводится информация о методах исследований и экспериментальных стендах, поскольку подробное их описание дано в ряде публикаций [244-246,249,251,8,9,66,67,108,117,152,174,178].

На основе экспериментальных данных, полученных автором по влиянию степени влажности на удельную сорбцию октадециламина (ОДА) в двухфазном потоке, проведено обоснование (получены авторские свидетельства) и при участии автора внедрена на Конаковской ГРЭС, Черепетской ГРЭС, ТЭЦ "Нови Сад" (Сербия), Верхне-Мутновской ГеоЭС и других электростанциях технология защиты от коррозии металлов турбоустановок "на ходу" с использованием поверхностно-активного вещества ОДА. Результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований эрозионно-коррозионных процессов внедрены на Балаковской и Нововоронежской АЭС, Верхне-Мутновской ГеоЭС ГеоЭС, Мутновской ГеоЭС и других электростанциях, где эрозионно-коррозионные тест-модули использовались и работают по сей день (например, на Верхне-Мутновской ГеоЭС) обеспечивая мониторинг эрозионно-коррозионного состояния энергетического оборудования.

По разработанным рекомендациям проведен выбор металлов для изготовления турбоустановок на ОАО "Калужский турбинный завод", сепараторов на ОАО "ПМЗ" и другого энергетического оборудования для Верхне-Мутновской ГеоЭС и Мутновской ГеоЭС, обеспечивающих эрозионно-коррозионную стойкость в условиях коррозионно-агрессивного многокомпонентного геотермального теплоносителя.

Работа выполнена под общим руководством д.т.н., профессора Поварова О.А., которому автор благодарен за оказанную помощь и поддержку.

Ряд теоретических и экспериментальных исследований были выполнены в соавторстве и при участии Агапова Ю.А., Васильченко Е.Г., Величко Е.В., Гонтаренко А.Ф., Кукушкина А.Н., Михайлова В.А., Рабенко B.C., Саха С., Семенова В.Н., Чертушкина В.Ф., Шалобасова А.А., Шипкова А.А., которым автор выражает свою признательность.

Автор благодарен коллективу кафедры "Теплоэнергетические установки" МГОУ и особенно зав. кафедры д.т.н., профессору Ибрагимову М.Х.-Г. за постоянную поддержку и полезные советы при подготовке диссертационной работы.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Разработка положений и основ физико-химических процессов коррозии металлов под воздействием двухфазных потоков - "эрозии-коррозии".

Разработка и создание экспериментальных стендов для исследования течения жидких пленок и эрозии-коррозии металлов в лабораторных условиях и на натурных энергетических объектах.

Исследование течения жидких пленок в двухфазном потоке при высоких плотности и степени влажности пара и на вибрирующей металлической поверхности.

Экспериментальные исследования закономерностей эрозии-коррозии металлов во влажном паре.

Построение физико-химической модели эрозии-коррозии металлов в движущихся двухфазных средах.

Расчетно-теоретические исследования эрозии-коррозии металлов и создание математической модели расчета эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования и выноса железосодержащих продуктов эрозии-коррозии в элементах ТЭС, АЭС и ГеоЭС.

Исследование эрозионно-коррозионной стойкости металлов энергетического оборудования и разработка рекомендаций по их выбору на стадии проектирования и эксплуатации электростанций.

Разработка и внедрение методов повышения эрозионно-коррозионной стойкости металлов энергетического оборудования. Л

Результаты исследования течения жидких пленок (см. Главу 2) и ингибирующих свойств ОДА (п. 6.2) позволяют предположить, что в основном два эффекта объясняют максимальную сорбцию ОДА в диапазоне значений степени влажности пара 5%>у>1,5%. С одной стороны, как показывают экспериментальные и расчетные исследования (п. 3.3 и п. 4.4), с увеличением степени влажности пара от 1,0 % до 3% резко возрастает активность процессов массопереноса (т.е. доставки) к границе раздела жидкая пленка - оксидная пленка - оксидный слой (металл), с другой стороны, при значениях у>3-4% происходит замедление роста коэффициента массопереноса и одновременное уменьшение концентрации ОДА в жидкой пленке за счет ее разбавления. В этих опытах формирование дисперсной влаги осуществлялось искусственным методом посредством блока специальных форсунок.

С целью исследования адсорбционного пика при у=1-3% в условиях естественного формирования влаги при участии автора совместно с Величко Е.Н. были проведены исследования на осаждение ОДА в проточной части турбины ЭТ-12 "на ходу" [31].

Результаты этих исследований хорошо согласуются с зависимостями, полученными на статическом стенде ТФ-3. После дозирования ОДА в пар в течении 10 часов (концентрация в паре перед турбиной 10-40 мг/л и степень влажности на входе в исследуемую турбинную ступень 0,2%) на сопловых и рабочих лопатках, бандаже и диске наблюдалась удельная сорбция ОДА 15-20 мкг/см2(см. рис. 6.3.3,6).

Аналогичные опыты, проведенные при степени влажности 10%, дали значительно меньшие значения удельной сорбции 1,0-2,0 мкг/см2. При этом в обоих случаях отмечалась повышенная удельная сорбция на корпусе турбины (до 150-200 мкг/см2), что можно объяснить значительной загрязненностью поверхности металла. Диаграмма изменения значений удельной сорбции ОДА во влажном паре, сформированным естественным образом при расширении в турбинной ступени, имеет такой же характер, как в опытах на стенде ТФ-3 при искусственном форсуночном увлажнении пара. л t =20°С у=0,2% у=10% q, мкг/см2

Зона qniai 2 q, мкг/см

6,0>у>1,0)

Ст20 V

Опыт^| на ЭТ-12

Эрозионно-кор роз ионная камера металлов

Рис. 6.3,3. Экспериментальные исследования удельной сорбции ОДА в условиях двухфазного (влажный пар) и парового (перегретый нар) потоков: а) опыты на ТФ-3 при искусственном (форсуночном) формировании двухфазного потока; б) опыты на ЭТ-12 при естественном (расширение пара) образовании влажнопарового потока. А-сопловые лопатки; В рабочие лопатки; С - диафрагма; D диск.

Удельная сорбция ОДА на поверхностях профилей сопловой и рабочей решеток, полученные при степени влажности у0=0,2%, свидетельствуют о заметной роли массопереноса в процессе осаждения ОДА (см. рис. 6.3.3а). Значение сорбции ОДА возрастает в зонах интенсивного массопереноса, например, на выпуклой части профилей вблизи выхода пара из каналов решеток.

Результаты экспериментальных исследований, позволивших получить данные о зоне максимальной сорбции ОДА при движении двухфазного потока при степенях влажности пара у=1,5-4,0%, имеют важное практическое значение, поскольку легли в основу разработанной технологии защиты от стояночной коррозии турбоустановок "на ходу".

В результате промышленных экспериментов в том числе на ТЭЦ "Нови Сад" (Югославия) была определена в h-s диаграмме оптимальная зона расширения пара в турбине Т-100-130 в период консервации (см. рис 6.3.4,а), в рамках которой обеспечивается формирование устойчивого защитного слоя ОДА.

Совместно с заводом-изготовителем под руководством д.т.н., профессора Поварова О.А. и при участии автора была разработана технология защиты от коррозии, включая режим работы и изменения рабочих параметров турбины Т-100-130 в процессе консервации (см. рис. 6.3.4.,б) [3, 7, 60, 115, 116].

Результаты вышеизложенных исследований сорбции свойств ОДА в различных носителях (перегретый и влажный пар, вода) при стационарных (или малых) скоростях движения среды и динамических (двухфазный поток) условиях использованы в изобретениях, связанных с технологиями защиты энергетического оборудования от стояночной коррозии [139,140] и в многочисленных работах по их внедрению на отечественных (в том числе на Конаковской ГРЭС, Черепетской ГРЭС и др.) и зарубежных (например, ТЭЦ "Нови Сад" - Югославия) энергоблоках. Исследования и результаты внедрения этих технологий подробно представлены в [60, 115, 116].

Так, например, технология защиты от стояночной коррозии предусматривающая заливку консервантом (который представляет собой смесь конденсата с ОДА) парового пространства турбины вместе с конденсатором применялась при консервации турбоустановки мощностью 300 МВт на Конаковской ГРЭС. В 1998 году была разработана схема для проведения консервации водной эмульсией ОДА турбоустановки со вспомогательным оборудованием.

Рис. 6.3.4. Диапазоны изменения состояния пара (а) и режимных параметров (б) турбоустановки Т-100-130 в период консервации "на ходу" (первый опыт внедрения на ТЭЦ г. Нови-Сад, 1990 г.).

Часть поверхностей турбоустановки обрабатывалась водной эмульсией ОДА. Сопловые аппараты и внутренние поверхности корпусов, расположенные выше уровня эмульсии, обрабатывались паровой эмульсией ОДА. После проведения консервации через два месяца турбина была вскрыта для осмотра. Во время осмотра была произведена оценка гидрофобности поверхностей и выполнены контрольные смывы для определения удельной сорбции ОДА. На всех осматриваемых поверхностях отмечалось отсутствие признаков коррозии. Поверхности сопловых и рабочих лопаток ЦВД, ЦСД и ЦНД имели темный матовый цвет, характерный для металла, обработанного ОДА.

Все обследованные поверхности (входные и выхлопные патрубки, корпуса, сопловые и рабочие лопатки, бандажи, диски, уплотнения и ротора всех цилиндров турбины) оказались гидрофобными.

Контрольные смывы с отдельных элементов проточной части и их анализ позволили определить удельную сорбцию ОДА на этих элементах (рис. 6.3.5).

Видно, что удельная сорбция ОДА существенно выше минимального допустимого значения {q » 0,3 мкгУсм2), достаточного для формирования защитного слоя, что свидетельствует о надежной защите металла от стояночной коррозии. Максимальная удельная сорбция ОДА отмечалась на поверхности корпуса ЦВД (верхняя часть), который обрабатывался парами эмульсии ОДА, о; сс со

Рис. 6.3.5. Удельная сорбции ОДА ни рабочих лопатках турбины К-300-240 после консервации (опыт внедрения на Черепетской ГРЭС), 1997г.).

Анализ многолетних исследований [115] позволяет заключить, что применение ОДА позволяет решать не только задачи по повышению эрозионно-коррозионной стойкости металлов, но и ряд других важных проблем эксплуатации паровых турбоустановок (см, таблицу № 6.3.1).

Заключение

Повышение эрозионно-коррозионной стойкости элементов пароводяного контура является крупной научно-технической проблемой, решение которой существенно улучшает показатели надежности, безопасности, эффективности и долговечности эксплуатации электростанций. Предупреждение локальных ЭК повреждений позволяет предотвращать аварийно-опасные разрывы и разгерметизацию рабочего контура, т.е. снижать убытки, связанные с вынужденными простоями и затраты на ремонт оборудования. Уменьшение общей ЭК повышает надежность и эффективность работы парогенератора и турбины за счет минимизации образования отложений, а также снижает затраты на мероприятия по очистке рабочего тела.

Разработанные научные положения и физико-химические основы ЭК, критерии моделирования и методики эрозионно-коррозионных испытаний, установленные экспериментальные зависимости ЭК и созданная на их базе математическая модель РАМЭК-2 позволили определить научно-практические принципы и методы по контролю, управлению, прогнозированию ЭК металлов в двухфазных и многокомпонентных потоках, разработать рекомендации по увеличению срока эксплуатации проектируемого оборудования, внедрить методы эрозионно-коррозионного мониторинга и рекомендовать мероприятия по продлению эксплуатационного ресурса энергетического оборудования, работающего в двухфазных и многокомпонентных потоках.

1. Созданные под руководством и при участии автора экспериментальные стенды и установки в МЭИ, на Верхне-Мутновской ГеоЭС и Черепетской ГРЭС, на парогидротермах о. Кунашир (Курильские острова) Балаковской и Нововоронежской АЭС, других энергетических объектах позволили выполнить многолетние комплексные исследования ЭК металлов в лабораториях и натурных условиях.

2. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработаны научные положения эрозии-коррозии как физико-химического процесса взаимодействия рабочего тела (влажного пара) с металлом.

3. Экспериментально доказано существование жидкой пленки (на поверхности обтекания) и возможность реализации механизма ЭК металлов энергетического оборудования в высокоскоростных двухфазных потоках, исследованы особенности течения жидких пленок в двухфазном пограничном слое при вибрационном воздействии и дозировании поверхностно-активного амина.

4. Разработана и экспериментально обоснована физико-химическая математическая модель ЭК металлов в двухфазных потоках, позволяющая рассчитывать интенсивность ЭК отдельных элементов влажнопарового тракта, определять пути и оптимизировать методы повышения эрозионно-коррозионной стойкости энергетического оборудования.

5. Установлено, что определяющую роль в развитии эрозии-коррозии при движении влажного пара в элементах энергетического оборудования играют процессы массопереноса в жидкой пленке, ее взаимодействие со спутным паровым потоком и локальные физико-химические параметры (pHf, эе, [Fe], [Нг], [01], [Si] и др).

6. Установлено, что с ростом температуры влажного пара интенсивность ЭК возрастает и достигает максимума в зоне 165-175 °С, что обусловлено тенденциями к росту скорости химической реакции коррозии Kcr и коэффициента массопереноса - К при высокой растворимости магнетита. Дальнейшее повышение температуры ведет к снижению ЭК вследствие уменьшения растворимости магнетита и повышения его защитных свойств.

7. Экспериментально показано, что в перегретом паре отсутствует ЭК, в зоне пограничной кривой (х * 1,0) начинает проявляться механизм ЭК и интенсифицируется с ростом степени влажности пара достигая максимума при у=100% (вода). Исследования показали, что в процессе разрушения поверхностного слоя металлов под воздействием двухфазного потока превалирует механизм эрозии-коррозии (в отдельных случаях в сочетании с каплеударной эрозией), а кавитационная эрозия не вносит существенного вклада в разрушение металла.

8. Показано, что значение pHf жидкой пленки существенно влияет на ЭК металлов. При этом с ростом pHf жидкой пленки от 8,0 до 9,5 интенсивность ЭК углеродистых сталей падает более чем на порядок, а характер этой зависимости не зависит от вида подщелачивающего амина (аммиак, гидразин и т.д.). Для полного предотвращения ЭК элементов влажнопарового тракта необходимо обеспечить значение pHf жидкой пленки более 9,5.

9. Исследования показали, что повышение эрозионно-коррозионной стойкости элементов энергетического оборудования, работающего во влажном паре, можно достичь уровня 0,01 мм/год путем использования сталей легированных Сг и Мо до и более 1,5-2,5%. Установлено, что прочностные свойства практически не влияют на эрозионно-коррозионную стойкость металлов в двухфазных потоках.

10. Разработанная методика расчета значения pHf жидкой пленки в элементах влажнопарового тракта энергоблоков с учетом исходной концентрации в питательной воде и межфазового распределения амина, температуры и степени влажности пара и построенная на ее основе диаграмма (рН1Сшр!Г/) позволяют проводить анализ ингибирующих свойств аминов в двухфазных потоках.

11. Расчетно-теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что рабочие поверхности паропроводов и других элементов влажнопарового тракта, подверженных ЭК в условиях эксплуатации приобретают шероховатость, соответствующую конкретным параметрам и критериям ЭК.

12. Расчетные исследования (на основе созданного программного комплекса РАМЭК-2) баланса железа в рабочем тракте (на примере турбоустановки К-10000-60/1500-2) показали, что около 90% растворенного и до 70-80% от всего железа на входе в турбину может поступать с жидкой фазой через регенеративные отборы в КПТ на доходя до БОУ.

13. Расчетные и экспериментальные исследования показали перспективность применения октадециламина (ОДА) для снижения ЭК металлов во влажном паре. Установлено, что до 50-60% от общего ингибирующего эффекта при дозировании ОДА достигается за счет увеличения рН жидкой пленки, а дополнительное снижение интенсивности ЭК на 40-50% обусловлено образованием молекулярного защитного слоя ОДА на поверхности металла, а также снижением гидравлических потерь и стабилизацией течения жидкой пленки.

14. Показано, что наибольшая эффективность ингибирования металлов во влажно-паровом тракте достигается при использовании морфолина, гидразина и октадециламина и в меньшей степени за счет аммиака, пиперидина и циклогексиламина (при заданном значении pHlJ° питательной воды равное 6,5 и прочих равных условиях).

15. Разработанные рекомендации по выбору металлов при изготовлении турбин, сепараторов и другого оборудования Верхне-Мутновской ГеоЭС и Мутновской ГеоЭС, позволили обеспечить их эрозионно-коррозионную стойкость в условиях многокомпонентного геотермального теплоносителя.

16 . Получены данные о сорбционных и ингибирующих свойствах ОДА в двухфазных потоках, на основе которых разработана и внедрена в России и за рубежом (в том числе на Конаковской ГРЭС, Черепетской ГРЭС, ТЭС "Сенте" (Сербия), Верхне-Мутновской ГеоЭС, Мутновской ГеоЭС и других электростанциях) технология защиты от коррозии элементов паровых турбоустановок с использованием ОДА,

1. А.с. 6205. Геотермальная электростанция с комбинированным циклом / О.В. Бритвин, О.А. Поваров, Е.Ф. Клочков и др. // 1996.

2. А.с. 5621. Геотермальная энергетическая установка / О.А. Поваров, А.И. Никольский, Ю.П. Алексеев и др. // 1996.

3. А.с. 7409. Тепловая электростанция / О.А. Поваров, О.В. Бритвин, И.Г. Межиковский и др. // 1997.

4. А.с. 7410. Тепловая электростанция / О.А. Поваров, О.В. Бритвин, А.П. Берсенев и др.// 1997.

5. А.с. 8362. Тепловая электростанция / О.А. Поваров, О.В. Бритвин, А.П. Берсенев // 1998.

6. А.с. 7448. Геотермальная электростанция / О. А. Поваров, В.Н. Семенов, Г.В. Томаров // 1997.

7. А.с. 018013. Энергоблок тепловой электростанции / О.А. Поваров, Ю.П. Алексеев, О.В. Бритвин и др. № 97117047/20 // 1998.

8. Агапов Ю.Е., ДеркачА.И., Томаров Г.В. Экспериментальный стенд высокого давления для исследования течения двухфазных потоков // V городская конф. молодых ученых и специалистов: Тез. докл. М., 1983. - С. 41.

9. Агапов Ю.Е., Томаров Г.В. Экспериментальный стенд для исследований течений влажного пара до 4,0 МПа // М.: НИИЭипформэнергомаш, 1983. Сер.: Энергетическое машиностроение. - 16 с.

10. Акользин А.П. Контроль коррозии. М.: Энегоатомиздат, 1994. — 240 с.

11. Акользин А.П. Противокоррозионная защита стали пленкообразовантелями. М.: Металлургия, 1989. - 192 с.

12. Акользин П.А. Коррозия и защита металла теплоэнергетического оборудования. — М.: Энергоиздат, 1982. 304 с.

13. Акользин П.А. Проблема коррозии и защиты металла энергооборудования ТЭС // Теплоэнергетика. 1981. - № 8. - С. 31-34.

14. Акользин П.А., Деева З.В., Дробот Г.К. Регулирование состава питательной воды блока 300 МВт с помощью пиперидина // Теплоэнергетика. 1971. - № 2. - С. 6669.

15. Акользин П.А., Королев Н.А. Применение пленкообразующих аминов для защиты от коррозии теплового оборудования. М.: БТИ ОРГРЭС, 1961. - 195 с.

16. Активные и пассивные методы повышения эрозионно-коррозионной стойкости элементов паровых турбоустановок / О.А. Поваров, Г.В. Томаров, А.Ф. Гонтаренко,

17. B.Н. Дмитриев // Технология энергоносителей: Сб. науч. тр. М.: 1989. - №2081. C. 25-34.

18. Алейников Г.И., Липатов Н.Н. Исследование эффективности очистки воды от продуктов коррозии методом центрифугирования // Энергомашиностроение. -1960.-№10.-С. 10-13.

19. Ананьев Е.П., Кружилин Г.Н. Физические основы нейтрально-кислородного водного режима // Атомная энергия. 1980. - Т. 49, вып. 1. - С. 7-11.

20. Антиньев В.Н., Фишер В.А. Гидравличские сопротивления расслоенных газожидостных потоков // Изв. АН СССР. 1981. - № 5. - С. 160-165.

21. Аэродинамические и вибрационные исследования отсека низкого давления турбины с отборами пара / Т.М. Зильбер, Ю.Ф. Косяк, В.Н. Галацан и др. // Теплоэнергетика. 1987. - № 8. - С. 14-18.

22. Бакиров М.Б. Разработка и применение методов и средств контроля состояния материалов на АЭС: Автореф. дис. д-ра техн. наук. М., 2002. - с. 67.22,23,24,25,26,27,28,2930,31,32,33,34,35,36,37,38,39,

23. Белянин B.C., Григорьева Т.В., Иванникова Н.А. Константы и коэффициенты распределения компонентов водного теплоносителя АЭС при температурах 25-325 °С // Теплоэнергетика. 1991. - № 11. - С. 61-65.

24. Бесфамильный П.В., Циклаури Г.В. Исследование трения при горизонтальном течении жидкой пленки в спутном газовом потоке // Теплофизика высоких температур. 1986. - Т. 24, №6. - С. 1143-1148.

25. Богачев А.Ф. Анализ данных повреждаемости подогревателей высокого давления блоков с.к.д. водяной стороны // Теплоэнергетика. 1991. — № 7. — С. 14-18. Бояджиев X., Бешков В. Массоперенос в движущихся пленках жидкости. - М.: Мир, 1988.- 122 с.

26. Буевич Ю.А., Липкииа Э.Х. О разрыве тонких жидких пленок // Коллоидный журнал. 1978. - Т. XL, № 2. - С. 201-206.

27. Буке Д., Вайсе Ф. Обработка поверхности и надежность материалов. М.: Мир, 1984.-192 с.

28. Бураков В.Н. Тепломассоперенос при взаимодействии двухфазных потоков с материалами. Томск, 1999. - 280 с.

29. Василенко Г.В., Сутоцкий Г.П., Евтушенко В.М. Влияние водного режима на эрозионно-коррозионный износ лопаток турбин // Энергомашиностроение. — 1981.- № 8. С. 10-12.

30. Васильков А.П., Мурзинов И.Н. Двухфазное течение Куэтта // Механика жидкости и газа. 1976. - № з. - С. 42-46.

31. Величко Е.В. Исследование антикоррозионных свойств ОДА и разработка метода защиты турбоустановок от стояночной коррозии: Автореф. дис. канд. техн. наук.- М., 1991.-18 с.

32. Влияние поверхностно-активного вещества ОДА на щелевую эрозию металла / О.А. Поваров, Е.Г. Васильченко, Б.Я. Ивницкий и др. // Теплоэнергетика. 1982. -№ 11.-С. 48-49.