Главная страница
qrcode

f53[1]ГПГ%20и%20ВПГ. Целостность теплообменных труб вертикальных и горизонтальных парогенераторов (сравнительный анализ)


НазваниеЦелостность теплообменных труб вертикальных и горизонтальных парогенераторов (сравнительный анализ)
Дата15.11.2019
Размер0.68 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаf53[1]ГПГ%20и%20ВПГ.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#66611
страница1 из 4
Каталог
  1   2   3   4
ЦЕЛОСТНОСТЬ ТЕПЛООБМЕННЫХ ТРУБ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И
ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
(СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ)
В.Д.Бергункер
ОКБ "Гидропресс"
ВВЕДЕНИЕ.
Как известно, на зарубежных и российских АЭС используются парогенераторы (ПГ) принципиально разных конструкций. За многие годы эксплуатации эти конструкции заметно эволюционировали, причем в большинстве случаев эволюция стимулировалась проблемами, возникавшими при эксплуатации. Одной из основных проблем была проблема большого количества глушений ТОТ из-за массового образования дефектов.
Есть основания полагать, что именно сравнение специфики образования дефектов на различно ориентированных теплообменных поверхностях с различным характером обтекания может дать ключ к пониманию механизмов и причин образования и развития дефектов.
Различие материалов теплообменных труб (ТОТ), их диаметров и толщины стенок имеет большое значение для различных аспектов целостности ТОТ, но не является принципиальным препятствием для сравнительного анализа.
Рассмотрение и анализ проведен только по основным направлениям обеспечения целостности, что связано, прежде всего, с ограниченными объемами доклада. Рассматриваемая проблема столь широка, что даже вошедшие в данную работу вопросы изложены предельно кратко.
Проблемы с ТОТ на ВПГ являются ярким примером неудачного выбора конструкционного материала для оборудования реакторных установок. Сплав
600МА (Alloy 600 mill annealed) был использован в США и большинстве других стран для изготовления патрубков СУЗ и КИП на крышках реакторов и некоторых других патрубков первого контура. И во всех этих узлах имеются проблемы. Крышки реакторов заменяются на PWR почти с тем же темпом, что и
ПГ. Причем, если в США замены осуществляются после обнаружения дефектов
(к 2004 году 10 крышек были заменены, и 23 планировалось заменить), то во
Франции замена идет непрерывно (44 из 54 заменены к 2005 году).
Замена ВПГ из-за проблем с ТОТ из сплава 600МА давно стала рутинной процедурой. Таких ПГ в мире было около 350 штук. К середине 2006 года их осталось около 70.
В данной работе приведены ссылки только на основные источники информации. Значительная часть цифровой информации по глушениям ТОТ в
США взята из отчетов АЭС США, свободный доступ к которым открыт на сайте
U.S. NRC. Данные по глушениям ТОТ ВПГ АЭС Японии также имеются в свободном доступе на сайте METI.
1.ЭВОЛЮЦИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПГ.
1.1 Материал теплообменных труб
В данной работе эволюция ПГ рассматривается только с точки зрения целостности ТОТ. Первоначальный выбор материала для ТОТ ПГ АЭС в СССР и
США был одинаков. Однако применение нержавеющей стали SS304 на первой коммерческой АЭС США (Shippingport) дало быстрый отрицательный результат
(течь двух ТОТ ПГ через 150 часов после пуска) в начале 1957 года [1].
Неудачный опыт применения нержавеющей стали для ТОТ ПГ продолжили АЭС
"Yankee Row" и "Indian Point-1", а также некоммерческие реакторы "Savannah
River", "Hanford" и "Nautilus" [1].
Значительная часть проблем с ТОТ на вертикальных ПГ связана с неудачным выбором нового материала для ТОТ (высоконикелевого сплава 600МА) в США и всех остальных странах. В этих странах оборудование АЭС (или ПГ для них) было изготовлено фирмами США или по лицензиям США. Единственной страной, быстро, самостоятельно и удачно отказавшейся от сплава 600МА, оказалась Германия. После опыта, полученного на АЭС "Obrigheim", ТОТ ПГ которой были тоже из сплава 600МА, в новых конструкциях был применен сплав
800NG. Специфика конструкции и удачный выбор материала привели к тому, что на вертикальных ПГ Германии с трубами из сплава 800NG проблемы с ТОТ
(связанные с коррозией) - минимальны. Хотя, если рассматривать не только коррозионные причины нарушения целостности ТОТ, то сравнение долей заглушенных ТОТ на всех германских ПГ и российских ПГВ-1000 показывает практическое равенство по этому параметру (около 0,6%)!
США и все остальные страны вынуждены были начать с 1980 (АЭС "Surry-2", дентинг) года замены ПГ с ТОТ из сплава типа 600МА на ПГ с ТОТ из сплава
600ТТ (в США - 17 АЭС, 281000 ТОТ). До 2002 года на ПГ из этой стали (в США) было заглушено 1400 ТОТ (до 2005 года – более 1700, к середине 2006 года -
1884), причем большинство - из-за износа в зоне гибовых решеток. Только в 2002 году в США на ТОТ из этого сплава впервые были отмечены дефекты КРН [2]. Во
Франции и Южной Корее коррозионные дефекты на ТОТ из этого сплава отмечались и ранее [3]. Имел место и разрыв ТОТ в 2002 году на одном из ПГ
АЭС "Ulchin-4" в Корее [9], о чем детально будет изложено ниже.
С 1988 года (АЭС "D.Cook") большая часть выводящиеся из эксплуатации ПГ заменялись на новые с ТОТ из сплава 690ТТ. Коррозионных проблем не отмечалось, большинство глушений производилось из-за виброизноса в очень небольших масштабах. На конец 2005 года на ПГ США с ТОТ из этого сплава было заглушено 395 ТОТ (данные по 78 ПГ 26 блоков). Однако в середине 2005 года первый же контроль ПГ АЭС "Oconee-1" (после замены – 14 месяцев) дал новые поводы для беспокойства. Виброизнос имел место почти во всех зонах дистанционирования на 3200 ТОТ [10]. Заглушено 48 ТОТ. Причины пока не установлены. Однако, как сказано в презентационном материале АЭС (на совещании в NRC) к останову блока №2 в октябре 2005 "готовятся 200 заглушек".
По последним данным на блоке №2 заглушено всего 5 ТОТ.
Имели место и три течи на ТОТ ПГ из этого сплава.
Столь же неудачен был и выбор материала для дистанционирующих пластин. Первоначальный выбор углеродистой стали и конструкции со сверлеными отверстиями для этих элементов в первых моделях, был признан причиной такого специфического только для ВПГ явления, как дентинг. В настоящее время в ВПГ для этих элементов используется нержавеющая сталь.
В ГПГ, как известно, нержавеющая сталь для дистанционирующих элементов была применена с самого первого ПГ.
1.2 Конструкция. Теплообменные трубы
Важным конструктивным решением был выбор диаметра и толщины стенки
ТОТ. На ВПГ используются несколько типоразмеров ТОТ. Основных (ВПГ фирмы Westinghouse) два: 19,05х1,05 мм (k=0,055) и 21,43х1,23 (k=0,057). На последних моделях ("F", "D75"и другие) ТОТ имеют размер 16,86х1,02 мм
(k=0,060) и 19,05х1,09 (k=0,057). На ВПГ фирмы B&W используются ТОТ с размером 15,88x0,86 мм (k=0,054). На ВПГ фирмы СЕ используются ТОТ с размером 19,05х1,22 мм (k=0,064) и 19,05х1,03 (k=0,054) мм. В Японии используется единый типоразмер 22,23х1,27 мм (k=0,057), в Германии – 22,0х1,23
(k=0,056).
На ГПГ используются только два типоразмера: 16,0х1,5 (k=0,094) и 16,0х1,4
(k=0,088). Этот выбор значительно повысил способность ТОТ ГПГ противостоять и коррозии и разрывам.
1.3 Конструкция. Дистанционирующие элементы
Одной из причин интенсивного повреждения ТОТ на ВПГ был не самый удачный выбор конструктивного решения зоны дистанционирования. По данным
[4] на 2002 год из 237 АЭС (во всем мире) 42% имели в ПГ дистанционирующие пластины со сверлеными отверстиями ("drilled hole"). Около 60 % АЭС из них заменили ПГ, причем на новых ПГ применены иные конструкции дистанционирования (27%-решетчатые ("grid/eggcrate"), 73% - фрезерованные
("broached"), - с тремя и четырьмя зонами контакта). Все замененные ПГ имели дистанционирование типа "drilled hole". Следует отметить, что одновременно с изменением конструкции решеток был изменен и материал дистанционирующих элементов. Вместо углеродистой стали начала использоваться нержавеющая сталь.
Изменение конфигурации этой зоны ТОТ должно было существенно изменить ситуацию с коррозией. Так оно и произошло. Около 20 лет эксплуатации ВПГ с ТОТ из сплава 600ТТ с новыми конструкциями зоны дистанционирования показали отсутствие дентинга, а также КРН с МКК. Первые дефекты в зонах дистанционирования появились на ПГ США только в 2002 году.
Здесь, видимо, следует упомянуть о том, что такое развитие коррозионных процессов на ТОТ из новых сплавов прогнозировалось во многих работах одного из ведущих специалистов США по коррозии – R.W.Staehle. Критически оценивая методологию выбора новых материалов (полагая ошибочным и выбор сплава
690ТТ), он заявлял, что требуется время (для разных факторов – 10-20 лет), чтобы для интенсивных коррозионных процессов сформировались условия. Детально эта позиция изложена, например, в [11]. По мнению этого автора, отсутствие коррозии на ТОТ из новых сплавов является в значительной степени результатом конструктивных изменений в зонах дистанционирования и заделки, а не только лишь результатом выбора нового материала.
На ГПГ изначально используется дистанционирование ТОТ на основе дистанционирующих планок (вариант, к которому США пришли методом проб и ошибок – "grid/eggcrate"- очень близок к традиционному для ГПГ).
1.4 Конструкция. Зона заделки.
Это одно из самых опасных мест локализации всех видов коррозии в ВПГ.
И вновь следует отметить, что одной из главных причин было неудачное конструкторское решение: в первых моделях вальцовка (механическая) проводилась только на небольшом участке зоны заделки, так что оставался почти полуметровой высоты кольцевой зазор. В ПГ разных моделей с ТОТ из сплава
600МА эту проблему решить не удалось. С модели 51 фирмы Westinghouse
вальцовка ТОТ в трубных досках проводилась на полную длину сначала взрывным методом ("чтобы исключить щелевые зазоры"[6]), затем механическим, и, наконец, с модели "D5" – гидравлическим. Предпринят ряд других мер, исключающих перевальцовку, снижающих напряженное состояние в переходной зоне и т.п. Решение проблем в узле заделки, учитывая большую номенклатуру моделей ВПГ, заслуживает отдельного рассмотрения. Достаточно подробно некоторые вопросы рассмотрены в [24]. В новых моделях ПГ в разной степени учтены прежние ошибки. В этих зонах ВПГ с ТОТ из сплавов 600ТТ и 690ТТ некоторое время не обнаруживали дефектов. Но уже в 1998 году дефекты в этой зоне были обнаружены на ряде ПГ с ТОТ из сплава 600ТТ во Франции, затем в
Корее.
1.5 Конструкция. Антивибрационные решетки на гибах.
Износ в зоне гибовых решеток имел место на всех моделях ВПГ. Это неизбежное следствие более высоких скоростей движения воды во втором контуре. Первоначальные конструкторские решения не были оптимальными, но на фоне интенсивных коррозионных процессов этот механизм повреждения почти не выделялся. Тем не менее, работы по улучшению конструкции закрепления
ТОТ на гибах велись почти непрерывно. Зазоры за счет сверхточного изготовления и сборки и контроля были снижены до 0,1 мм. На некоторых ВПГ в
США и Японии проведены замены антивибрационных решеток, однако существенного успеха и это мероприятие не принесло. В 2004-2005 годах на нескольких японских АЭС именно после замены антивибрационных решеток резко возросло количество глушений. Так, например, на АЭС "Tsuruga-2"
(материал ТОТ ПГ – сплав 600ТТ), где до контроля в декабре 2004 года было заглушено всего 4 ТОТ, пришлось заглушить 475 ТОТ. И, хотя на каждом ПГ этой
АЭС по 13524 ТОТ, при таких темпах роста количества глушений, процесс может стать опасным.
1.6 Прочие мероприятия
К числу таких мероприятий следует отнести разные варианты довальцовок и упрочнения (термическое упрочнение и несколько видов механического) на различных участках ТОТ. Эти операции осуществлялись как на новых, так и на эксплуатирующихся ПГ. Кроме того, для ремонта ТОТ широко использовались различные виды втулок и несколько способов их закрепления. Эта ремонтная операция породила несколько новых проблем.
Имели место и другие мероприятия по повышению целостности: совершенствование водного режима, замена оборудования водопитательного тракта, механические очистки и химические промывки, совершенствование техники и методологии контроля ТОТ, организационные и другие мероприятия.
Однако заметных успехов вся эта работа на ВПГ из сплава 600МА не принесла.
По мнению многих специалистов, проблемы с коррозией ТОТ из сплавов 600ТТ и
690ТТ могут возникнуть в ближайшие несколько лет.
Эволюция горизонтальных ПГ рассматривается подробно в [19,20].
Анализ приводит к выводу, что все недостатки простой и дешевой стали, примененной для ТОТ российских ГПГ, были скомпенсированы удачными конструкторскими решениями (история их интересна, но не является темой данной работы). Причем важнейшим аспектом решения является не только горизонтальность расположения трубного пучка и вертикальность трубных досок
(коллекторов). Важным, на наш взгляд, является использование кипения в большом объеме при естественной циркуляции воды второго контура. Именно это
решение исключило проблему виброизноса на горизонтальных ПГ, решение которой для вертикальных ПГ пока не найдено. И из-за этого, в том числе, совершенно по иному реализуются и другие механизмы образования дефектов.
Причем у ГПГ имеется потенциал практического исключения дефектов путем реализации ряда известных технических мероприятий. Высокий уровень дефектности и глушения на ПГ США вызван не только неудачным выбором материала, но и, как показывает анализ, целым рядом неудачных конструкторских решений. Кроме того, свой вклад внесли и неудачные технологии (например, - фосфатный водный режим). Иного пути, чем замены ВПГ, в США (и других странах) не было.
ГПГ уже доказали способность работать практически без глушений при соблюдении некоторых условий даже без замены оборудования водопитательного тракта. Это свидетельствует о высокой живучести ГПГ, но ни в коей мере не снимает вопрос о необходимости замены этого оборудования.
2. ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНИМОСТИ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА
Есть основания полагать, что именно сравнение специфики образования дефектов на различно ориентированных теплообменных поверхностях с различным характером обтекания может дать ключ к пониманию механизмов и причин образования и развития дефектов ТОТ. Аналогия рассматривается только для ВПГ с ТОТ из сплава 600МА и ГПГ с ТОТ из стали 08Х18Н10Т, поскольку, несмотря на принципиальное отличие материалов, склонность к образованию значительных количеств дефектов у них оказалась сравнимой. Удивительное сходство коррозионного поведения стали в фундаментальных экспериментах
(прежде всего – для коррозии под напряжением) стали SS304 (аналога стали
08Х18Н10Т) и сплава 600MA отмечено в [7].
Кроме того, объемы информации и исследований по этим материалам достаточны для анализа.
На рис.1 [7] приведена широко известна диаграмма зависимости коррозионной стойкости сплавов от содержания в них никеля. ("коррозионная "яма".
Рис.1. Зависимость коррозионной стойкости сплавов от содержания никеля
Используемая для российских ТОТ сталь 08Х18Н10Т и использовавшийся для ТОТ ВПГ сплав 600МА оказались на противоположных сторонах "коррозионной ямы". Российская сталь имеет высокую склонность к транскристаллитной коррозии под напряжением, американский сплав – к межкристаллитной коррозии под напряжением. Как показал опыт эксплуатации, именно эти два коррозионных процесса и определяли в основном деградацию
ТОТ ПГ на ВПГ и ГПГ. Еще один механизм – язвенная коррозия и ее разновидность – питтинговая коррозия – наблюдается на ТОТ и ГПГ и ВПГ.
Фактически коррозионные процессы со стороны второго контура для этих материалов развиваются аналогично, отличает их только интенсивность.
Интенсивность коррозионных процессов в ВПГ и ГПГ можно сравнить.
3 ИНТЕНСИВНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ДЕФЕКТОВ
Есть несколько способов сравнить эти процессы. Самый простой – сравнить количества замененных ПГ и количества заглушенных ТОТ.
3.1 Остановы блоков
Шесть энергоблоков с PWR в США [1,2] с ВПГ были остановлены с указанием значительного вклада в причины останова проблем с ТОТ:
Haddam Neck (1968-1997, 560 МВт), - 1228 заглушенных ТОТ к 1995 году
Maine Yankee (1973-1997, 860 МВт) – 574 заглушенных ТОТ и 17000 втулок к 1995 году.
Trojan (1976-1992, 1095 МВт) - 2444 заглушенных ТОТ и 1000 втулок
San Onofre-1 (1968-1992, 436 Мвт -1456 заглушенных ТОТ и 7000 втулок
Zion-1 (1974-1998, 1040 МВт – 948 заглушенных ТОТ к 1995
Zion- 2 (1974-1998, 1040 МВт) – 552 заглушенных ТОТ к 1995
Ни один блок АЭС с ГПГ из-за проблем с ТОТ из эксплуатации пока не выводилcя. Остановленные блоки АЭС "Норд" (5 блоков) и АЭС Козлодуй (2 блока) и Армянской АЭС (1 блок) – не учитывались. Вывод этих блоков из эксплуатации не был связан со снижением работоспособности ПГ.
3.2 Замены парогенераторов
Основные данные о заменах ВПГ приведены в таблице 1
Таблица 1. Замены ВПГиз-за проблем с ТОТ из сплава 600 МА
Параметр
ВПГ
США
ВПГ
Франции
ВПГ
Японии
Прочие
Всего ПГ 209 198 68 175
ПГ с 600МА 176 63 29 59
ПГ с 600ТТ 33 111 20
???
ПГ с 690ТТ 0 24 19
???
Всего заменены 121 45 29 53
Заменены на ПГ с 600ТТ 25 0 0
???
Заменены на ПГ из 690ТТ 93 45 29 26
Заменены на ПГ из 600МА
3 0 0 -
Заменены на ПГ из 800NG
0 0
0 10
Средний срок (лет) 18,1 17,9 20,4
-
Максимальный срок (лет) 31 25 26
-
Минимальный срок (лет) 8 10 11
-
Из 176 (на 57 блоках) ВПГ с ТОТ из из сплава 600МА заменены и заменяются в 2005 127 ПГ на 43 блоках (на 01.01.06). К 2009 в соответствии с опубликованными планами [14] останется только 5 ПГ на 2 блоках. Поскольку зачастую планы меняются по срокам, для оценки состояния действующих ВПГ в данной работе приведены данные по 55 ВПГ на 20 блоках (из них 4 планировали замену в 2005, но провели в 2005 контроль ТОТ).
Как следует из таблицы, эпопея замен ПГ с ТОТ из сплава 600МА близка к завершению. К 2010 году, видимо, в мире не останется ни одного такого ПГ
(лишь несколько штук в США). Их было почти 350. Замена одного ПГ стоила около 100 миллионов долларов.
Важно отметить следующий факт. Несмотря на достаточно большой положительный опыт Германии по использованию ВПГ с ТОТ из сплава 800NG, и широкую номенклатуру поставщиков ПГ для замены, в США нет ни одного ПГ с
ТОТ из этого сплава.
В мире эксплуатируется 104 ПГВ-1000 и 162 ПГВ-440.
Из 104 ПГВ-1000 шесть ГПГ заменены из-за проблем с ТОТ. На действующих ПГВ-1000 заглушено– около 7500 ТОТ – по 72 ТОТ на ПГ. На шести замененных ПГ заглушено около 6000 ТОТ.
Все 162 ПГВ-440 эксплуатируются без замен. На действующих ПГВ-440 заглушено около 12000 ТОТ – по 74 ТОТ на ПГ.
Средний возраст ПГВ-1000 – 12,7 лет (если исключить молодые блоки (26
ПГ эксплуатируются меньше 5 лет) – 16 лет). Более 15 лет эксплуатируется 58
ГПГ. На них заглушено около 6900 ТОТ (по 119 ТОТ на ПГ). На остальных 46
ГПГ заглушено около 700 ТОТ (по 14 ТОТ на ПГ).
Максимальный возраст ПГВ-1000 – 22 года.
Минимальный возраст ПГВ-1000 – 2 года
Минимальный возраст замененных ПГВ-1000 – 9 лет.
Средний возраст ПГВ-440 – 23,2 года.
Максимальный возраст ПГВ-440 –34 года (НВАЭС-3).
Минимальный возраст ПГВ-440 – 7 лет.
3.3 Глушение теплообменных труб
Количество заглушенных ТОТ на 121 замененном ПГ - более
  1   2   3   4

перейти в каталог файлов


связь с админом