Полная версия (русский)

Оценка эффективности
мероприятий по
предотвращению
повреждений сварных швов
№111 на парогенераторах
АЭС с ВВЭР-1000
С.А. Харченко, Р.Ю. Жуков, М.Е. Курдин,В.В. Сотсков
АО ОКБ «Гидропресс», Россия
1
I. ВВЕДЕНИЕ
Первые повреждения парогенератора ПГВ-1000М в зоне
сварного соединения №111 были обнаружены на "горячем"
коллекторе ПГ-1 блока №5 НВАЭС в ноябре 1998 года. В
дальнейшем подобные повреждения были обнаружены на 12
парогенераторах из 100 находящихся в эксплуатации.
Большинство повреждений наблюдается на «горячих»
коллекторах и зона первоначальных повреждений расположена
в направлении горячей нитки ГЦТ со стороны короткой
образующей патрубка. Имеется три повреждения «холодных»
коллекторов. Повторные повреждения (поперек шва) на
противоположной стороне от первого повреждения
происходили пять раз.
Повреждения коллекторов обусловлены образованием трещин
различной протяженности. Все ПГ с повреждениями сварного
соединения №111 отремонтированы по отработанной
технологии ремонта и находятся в эксплуатации.
2
Общее число ремонтов зоны с.с.№111 парогенераторов
в зависимости от года обнаружения повреждения
Отсутствует явно выраженная тенденция к уменьшению
числа ремонтов зоны с.с№111.
3
II. НИОКР по проблеме повреждений в зоне
сварного соединения № 111
Различными предприятиями проведен комплекс исследований для
выяснения причин повреждений коллекторов в зоне шва № 111, в частности:
- обзор исследований замедленного деформационного коррозионного
растрескивания стали 10ГН2МФА;
- анализ технологии изготовления;
- материаловедческие исследования и определение механических
характеристик металла на темплетах, вырезанных из дефектных сварных
соединений № 111;
- экспериментально-расчетные исследования напряженного состояния
узла на моделях и на АЭС;
- замеры и анализ перемещений оборудования РУ при тепловом
расширении;
- оптимизация термической обработки сварного соединения №111;
- определение допустимых и критических размеров дефектов (трещин);
- разработку мероприятий по очистке «карманов» коллекторов от
отложений и поддержание их в чистоте во время работы;
- повышение достоверности автоматизированного ультразвукового
контроля.
4
Анализ технологии изготовления
Ранее проведенный всесторонний анализ технологии
изготовления ПГ не выявил технологических факторов
которые непосредственно могли бы быть причиной
повреждения зоны сварного соединения №111.
Например, по одной из гипотез – причиной
повреждения узла считают раздачу теплообменных
труб взрывом.
В случае вертикальной схемы вальцовки
возникновение повреждений металла в районе
с.с№111 принципиально невозможно. Вопреки этому
заявлению повреждение сварного соединения №111
«горячего» коллектора на 2 ПГ-1 Запорожской АЭС
произошло при вертикальной схеме раздачи
теплообменных труб.
5
Исследования темплетов
- структура основного металла в зоне разрушения
однородная, типичная для стали 10ГН2МФА после
закалки и высокого отпуска;
- наличие язв и коррозионных каверн от которых
брали свое начало зародышевые трещины;
- наличие металлической меди на поверхностях
изломов в трещинах;
- трещины характеризуются ветвлением и малым
раскрытием (5-10мкм)
Изображения
трещины
- трещины полученные в лабораторных условиях
и на вырезках поврежденных участков ПГ
идентичны
Основной вывод - по заключению созданных для
расследования специальных комиссий и
технических советов повреждение металла
коллекторов ПГ реализуется по механизму
замедленного деформационного коррозионного
растрескивания (ЗДКР).
6
Исследования напряженного состояния узла
Результаты сравнения данных тензометрии зоны сварного соединения
№ 111 на 5ПГ-3 НВАЭС и расчетных данных и приведены в таблице.
Номер
точки
замера
Измеренные
напряжения
вдоль оси
коллектора
, МПа
Измеренные
кольцевые
напряжения
, МПа
Расчетные
напряжения
вдоль оси
коллектора
, МПа
Расчетные
кольцевые
напряжения
, МПа
5
-51
-9
-30
-5
6
-60
-10
-40
10
7
-76
-20
-70
12
8
-77
-2
-78
0
9
4
40
25
54
10
87
100
76-98
124
11
10
48
28-31
59
Из таблицы видно, что качественный характер распределения
напряжений совпадает и их величины, в соответствующих точках, близки
между
собой,
следовательно,
расчеты
адекватно
отражают
напряженное состояние зоны с.с№ 111.
7
Проведены измерения на 5 блоке НВАЭС, 2 блоке КАЭС, 5 блоке АЭС
«Козлодуй» и 1 блоке ХмАЭС.
После разневоливания уровни динамической нагруженности коллекторов не
изменились, не отмечено повышения вибрации т/о труб (амплитуды 1,2–3
мкм, ускорения 0,3-1,2 g. Величина перемещений крышек коллекторов не
превышает 2,8 мм, что не вызывает какой-либо тревоги.
8
От
паропроводов
От ГЦН
Амплитудно-частотная
характеристика
вибронагруженности в
зоне с.с.№111 при
работе РУ на 100% Nном
(энергоблок №5 НВАЭС)
Измерения
на
5
блоке
НВАЭС
показывают:
- при изменении мощности РУ от МКУ до
100%
наблюдается
увеличение
характеристик
вибрационной
нагруженности на 20%;
- максимальному значению амплитуд
зарегистрированных вибронапряжений
равному 5 МПа соответствует частота
99,6 Гц, которая отвечает пульсациям
давления от лопаток ГЦН;
- при оценке циклической прочности с
использованием нормативных кривых
усталости по ПН АЭ Г-7-002-86 величина
накопленного циклического повреждения
в зоне с.с№111 за счет вибрации
составила a=0,016, а за счет реализации
проектных режимов a=0,072.
Таким образом, вклад вибрационных
нагрузок в усталость металла меньше,
чем от термосилового нагружения.
9
Обобщенный рисунок перемещений опор ПГ блока №5 НВАЭС и
перемещения штоков гидроамортизаторов 1ПГ-1 БлкАЭС при
разогреве
Сравнение замеренных величин перемещений ПГ по реперам с расчетными
показывает их хорошее соответствие (в пределах 5 мм). Сравнение
замеренных перемещений штоков гидроамортизаторов (ГА) в интервале
температур 60-280С с расчетными показывает их хорошее соответствие.
10
Уточненная трехмерная
модель контура РУ
Расчетные анализы показывают:
наибольшая
нагруженность
узла
реализуется в режимах ГИ по второму
контуру (на уровне предела текучести) и
при захолаживании по линиям продувки, а
также возможна при непроектной работе
опор ПГ;
в нормальных условиях эксплуатации
вклад усилий от ГЦТ в напряженное
состояние зоны с.с№ 111 не велик;
усталостное повреждение металла в
зоне
с.с№111
значительно
меньше
единицы;
остаточные напряжения вызванные
технологией
сварки
и
последующей
заводской термообработкой положительны
в районе внутренней поверхности откуда
берут начало выявленные на ПГ дефекты
(кольцевые напряжения больше примерно
в два раза чем осевые).
11
11
Исследования факторов механизма ЗДКР
Границы ЗДКР
ЗДКР наблюдается при одновременном
выполнении следующих условий:
- скорость деформации должна быть менее
10-6 с-1;
- необходимо наличие коррозионной
составляющей (окислов меди, высокой
концентрации кислорода и др.);
- температура должна быть в диапазоне
160-290С;
- в условиях контактирования со шламом,
содержащим менее 10% CuO, наблюдается вязкое
разрушение (ЗДКР не наблюдается);
- трещины наблюдаются как при однократном
нагружении в области малых упругопластических
деформаций, так и при повторных нагружениях в
области напряжений не превышающих предел
текучести материала.
Таким образом, механизм ЗДКР изучен и
ключевые факторы для управления установлены.
12
III. Обоснование безопасности эксплуатации
Безопасная работа узла приварки ПГ обеспечивается:
- регулярным проведением ультразвукового контроля (УЗК),
позволяющего выявлять дефекты на ранних стадиях развития;
- поддержанием чистоты карманов за счет продувки и промывки.
Но к настоящему моменту сложилась следующая ситуация:
- имеются случаи обнаружения дефектов значительного размера в
местах, где при предыдущих УЗК индикации отсутствовали, из-за
плотного забития трещин окислами;
- реализуемые на АЭС процедуры и применяемые установки в ряде
случаев не позволяют полностью устранить факторы ЗДКР и
повреждения узла продолжаются.
С учетом этих обстоятельств для узла приварки обоснованна
концепция безопасной эксплуатации с течью перед разрушением.
Она предполагает аналитическое обоснование невозможности
крупномасштабных разрушений контролируемых несплошностей в
сочетании с оснащением системой выявления течей теплоносителя
(СКТ) в зоне шва №111.
13
Обоснование невозможности крупномасштабных разрушений
Приняли, что дефект расположен в зоне
действия
максимальных
осевых
напряжений.
Полученные
значения
коэффициента интенсивности напряжений
для трещин разной глубины и с разным
соотношением полуосей сравнивали с
критическим
коэффициентом
интенсивности
напряжений
(при
температуре Т = 70оС равен 114 МПа∙м1/2 ).
Показано, что дефект сначала охватит всю
внутреннюю поверхность по периметру и
только потом начнет расти во внутрь не
реализуема.
Допускаемый размер
несплошности
Проведенные расчёты показали, что
критическими дефектами по условиям
эксплуатации не являются трещины
вплоть до сквозных метровой длины.
14
Критерии безопасной эксплуатации по течи
Выполнена оценка конфигурации растущей трещины.
В расчете задали
функциональную зависимость подроста трещины от коэффициента интенсивности
напряжений в виде da/dt=C(KI)m. Рассмотрены дефекты с исходной глубиной от 0,01м
и различным соотношением глубины дефекта к длине.
Какими бы не были исходные дефекты, они растут принципиально к
наружной поверхности. Ситуация когда дефект сначала охватит всю
внутреннюю поверхность по периметру и только потом начнет расти вглубь
не реализуема. Главный вывод, трещина сначала выйдет на поверхность,
что приведет к течи теплоносителя, прежде чем достигнет критической
длины, поэтому лавинообразное разрушение всем сечением невозможно.
15
Длина трещины
по наружной
поверхности, мм
Расход,
л/мин
(длина канала
100 мм)
350
3,02
300
2,17
250
1,60
200
1,14
Для оценки расхода теплоносителя через
сквозные трещины применялась методика,
разработанная в ИБРАЭ РАН. Код реализует
три модели двухфазного истечения –
гомогенную равновесную, гомогенную
неравновесную и гомогенную модель с
«замороженным звуком». Для наиболее
консервативного расчетного случая при
длине трещины по наружной поверхности
равной 200 мм расход составит не менее
1,14 л/мин.
Таким образом, для сквозных трещин
истечение будет зафиксировано системой
влажностного контроля в стандартной
конфигурации, применяемой для ГЦТ. При
этом рассмотренные трещины являются
стабильными и не могут вызвать
разрушения при максимальных
эксплуатационных нагрузках.
16
IV. Дополнительные меры для снижения повреждаемости
Управление коррозионным фактором
Необходимы мероприятия по защите от коррозии:
- после восстановления целостности штуцеров
заполнить полость «карманов» ПГ щелочнымвосстановительным раствором, содержащим
гидразин-гидрат 20-30 мг/дм3 и этаноламин 1,5-3,5
мг/дм3;
- обеспечить максимально возможную
длительность нахождения раствора в полости
«карманов» от момента заполнения раствором до
начала подъема давления или разогрева контура
КАТОД:
РУ при гидроиспытаниях ПГ или включении ГЦН
на пуске.
Это позволяет в условиях низких температур
АНОД:
осуществить своевременный перенос добавок
вглубь язв до приложения силовой нагрузки.
Коррозионный элемент Типовой регламент по отмывке разработан.
Требуется безотлагательное его внедрение на
АЭС с организацией схемы подачи растворов
непосредственно в полость «карманов».
17
Состояние «кармана» ГК
до и после ГДО
(2ПГ-3 БлкАЭС)
Выполнен гидродинамический расчет
взаимодействия с преградой. Для
форсунки с четырьмя перпендикулярно
расположенными отверстиями
диаметром по 0,6 мм при расходе 32
л/мин скорость истечения воды в
отверстии равна 471 м/сек, а
напряжение смятия от действия струи
357,2 МПа, что менее допускаемых
643,1 МПа. От нарушения условий статической прочности защищает
предохранительный клапан,
срабатывающий при потерях давления в
тракте более 250 МПа.
Показано,
что
выполнение
ГДО
вращающейся форсункой практически
полностью удаляет шлам и плотносцепленные с внутренней поверхностью
«карманов» отложения вплоть до чистого
металла.
18
Управление температурным фактором
1 – на участке «свободном» от шлама;
2 – на участке под слоем шлама высотой 10 мм;
3 –в отсутствии обдува (при наличии
теплоизоляции)
Изменение температуры на
внутренней поверхности при
разогреве РУ на пуске
В ходе ОПЭ на 1ПГ-1 РстАЭС и 1ПГ-2
БлкАЭС зарегистрировано, что при
расходе подаваемого воздуха 2480 м3/ч
фактический
перепад
температур
между
входящим
и
выходящим
воздухом составляет 37 0С.
Из
равенства
тепловых
потоков
пересчитан эффективный коэффициент
теплоотдачи от стенки коллектора к
воздуху.
В
осесимметричной
постановке определено распределение
температур
при теплопередаче через
цилиндрическую стенку.
Такими образом, организация стока
теплоты от внешней поверхности
патрубка
позволит
поддерживать
температуру металла вне области
проявления ЗДКР стали 10ГН2МФА.
19
V. ВЫВОДЫ:
1. Механизм повреждения известен и подтвержден.
2. Обоснована невозможность крупномасштабного разрушения.
Разработаны критерии безопасной эксплуатации по течи. Контроль течи в зоне
с.с№111 необходимо реализовать в системе СКТ.
3. Изложены меры, направленные на устранение причин проявления
механизма ЗДКР.
4. Для повышения надежности эксплуатации узла требуется ЗАВЕРШИТЬ
РЕАЛИЗАЦИЮ на АЭС следующих работ:
- замена медесодержащего оборудования КПТ. До ее завершения внести
изменения в водно-химический режим, позволяющие снизить долю оксидов
меди в общем балансе поступающих в ПГ с теплоносителем 2 контура
продуктов коррозии;
- внедрение требований по поддержанию в период останова РУ в объеме
ПГ условий, препятствующих коррозии металла (заполнение щелочнымвосстановительным раствором полости «кармана» перед пуском);
- проведение гидродинамических отмывок (ГДО), позволяющих удалять
шлам со стенок «карманов» вплоть до чистого металла;
- по результатам опытно-промышленной эксплуатации (ОПЭ) оснащение
ПГ кожухами для обдува воздухом и охлаждения металла узла приварки.
20
Благодарю за внимание
21