CC BY
28УДК 621.039.1
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПАРОГЕНЕРАТОРОВ
ОТЕЧЕСТВЕННЫХ АЭС
А.С. Черкашин1, Н.И. Черкашина2
Анотация
Рассматривается проблема повреждения металла сварных соединений № 111 парогенераторов атомных электрических станций. Собрана и обработана статистическая информация о парогенераторах атомных электрических станций. Особое внимание уделено распределение температуры метала в районе сварного шва №111 при работе ПГ на номинальных параметрах.
Ключевые слова
Парогенератор, атомная электростанция, сварное соединение №111, статистика, повреждение.
Введение. После пуска первых блоков АЭС с ВВЭР-1000 был проведен ряд исследований и проверок на парогенераторах ПГВ-1000 (ПГВ-1000М), которые показали, что парогенератор (ПГ) обеспечивают генерацию пара с влажностью не более 0,2% при паропроизводительности до 107% номинальной.
Парогенераторы ПГВ-1000М на всем протяжении проводимой эксплуатации обеспечивают параметры и характеристики, предусмотренные проектом [1].
В период 1986-1991 годы наблюдалось повреждение холодных коллекторов ПГВ-1000М в перемычках между отверстиями в перфорированной зоне. По причин повреждения коллекторов например на АЭС Украины заменено 25 парогенераторов, из них 13 - на ЮжноУкраинской АЭС, 12 - на Запорожской АЭС, ресурс до повреждения коллекторов от 2-х до 6-ти лет.
В период 1997-2006 годы наблюдалось повреждение теплообмен-ных трубок (ТОТ) во второй полуокружности в зоне между первой и четвертой дистанционирующими решетками от «горячего» коллектора [2].
С 1998 году на парогенераторах ПГВ-1000М начали появляться повреждения сварного соединения №111 (место приварки патрубка ДУ 1200 к коллектору парогенератора).
Постановка цели и задач научного исследования. Целью данной работы является повышение надежности парогенератора ПГВ-1000М.
Для достижения поставленной цели необходимо разрешить следующие задачи: основные проблемы, возникающие при эксплуатации ПГ и главное направление для проведения исследований.
1 Черкашин Александр Сергеевич - преподаватель, Севастопольский государственный университет.
2 Черкашина Наталья Игоревна - доцент, Севастопольский государственный университет.
Анализ причин повреждения сварного шва № 111. При эксплуатации энергоблоков АЭС, наиболее уязвимым узлом реакторной установки, являются и остаются в настоящее время, парогенераторы. Как показывает опыт эксплуатации, не только повреждение коллекторов в зоне трубного пучка и самих теплообменных труб, но и повреждение 111 стыка приварки коллектора первого контура к корпусу парогенератора представленного на рисунке 1, являются актуальными проблемами эксплуатации АЭС.
Рис. 1. Конструкция узла приварки коллектора 1 контура к патрубку парогенератора ПГВ-1000М
Первые повреждения парогенератора "ПГВ-1000" в зоне сварного шва №111 "горячего" коллектора были обнаружены на первом ПГ блока №5 Ново-Воронежской атомной станции (НВАЭС) в ноябре 1998 года [3],. Количество поврежденных парогенераторов в зависимости от года обнаружения повреждения представлено на рисунке 2.
ПГ, единицы*
3
Ф.....................•
.....................
1998 2001 2003 2004 2006 2007 2009 2010
год
2
1
Рис. 2. Количество поврежденных парогенераторов в период с 1998-2012 гг.
Все повреждения коллекторов обусловлены образованием трещин различной глубины и протяженности. Согласно [4], при воздействии напряжений на уровне предела текучести и коррозионно-активной среды сталь 10ГН2МФА (как и другие стали данного класса) проявляет склонность к замедленному деформационному коррозионному растрескиванию (ЗДКР) в температурном интервале 260-280°С.
Для выявления факторов, приводящих к растрескиванию, были проведены научно-исследовательские работы:
• анализ технологии изготовления и свойств металла в исходном состоянии и на момент повреждения;
• детальные расчетные исследования напряженного состояния от эксплуатационных факторов;
• оценки остаточных напряжений от технологии изготовления;
• экспериментальные исследования напряженного состояния узла на моделях и на АЭС;
• замеры и анализ перемещений оборудования РУ при тепловом расширении;
• определение критического размера трещин.
Проведенный анализ [5] позволил исключить из списка такие факторы, как:
- влияние технологии изготовления и свойств металла;
- влияние остаточных напряжений от технологии изготовления;
- способ выплавки материала коллекторов;
- способ технологии (количество и тип применяемых зарядов).
Согласно [6] можно сделать вывод, что существенную роль в возникновении повреждений кроме напряженного состояния узла играют и условия эксплуатации каждого конкретного коллектора.
Распределение температуры при работе ПГ на номинальных параметрах. Расчетное обоснование прочности коллектора и зоны его соединения с корпусом осуществляется при помощи уточненных трехмерных моделей, с учетом следующих силовых факторов:
- давление сред первого и второго контуров;
- воздействие температурного поля, возникающего при работе установки на номинальных параметрах;
В процессе проведения расчета были введены следующие ограничения на модель:
- отсутствия теплообмена с окружающей средой (данное ограничение обуславливается высоким КПД парогенератора);
- коллектор первого контура выполнен из однородного материала (стали марки 10ГН2МФА);
Результаты произведенного исследования представлены на рисунке 3.
Как видно из рисунка 3 температура металла в районе сварного шва № 111 лежит в диапазоне 280-290 0С, что дает возможность предположить возникновении деформационно-коррозионного растрескивания (ДКР), которое в свою очередь может являться основополагающим фактором, приводящим к образованию трещин.
Выводы. Таким образом, основной причиной, влияющей на развитие коррозионных повреждений коллектора ПГ, в районе сварного шва № 111, большинства энергоблоков АЭС с ВВЭР-1000, можно считать деформационно-коррозионного растрескивания возникающего в процессе эксплуатации.
Рис. 3. Распределение температуры в районе сварного шва № 111 при работе ПГ на номинальных параметрах
Необходимыми условиями ДКР является сочетание нескольких факторов:
- наличие коррозионных отложений и особенно с содержанием меди;
-температура металла порядка 260-290 0С;
- наличие высоких растягивающих напряжений (выше предела текучести металла);
-замедленное деформирование металла во времени.
При отсутствии какого-либо из них механизм разрушения развиваться не будет.
Результаты данных исследований могут использоваться в процессе подготовки специалистов АЭС, а также для прогнозирования и предотвращения аварийных ситуаций, связанных с разрушением коллекторов ПГ.
Для более детального рассмотрения решения данной проблемы необходимо провести анализ нагрузки оказываемой главным циркуляционным трубопроводом на коллектор парогенератора.
Список литературы:
1. Трунов Н.Б. Гидродинамические и теплохимические процессы в парогенераторах АЭС с ВВЭР / Н.Б. Трунов, С.А. Логвинов, Ю.Г. Драгунов. - М.: Энергоатомиз-дат, 2001. - 351 с
2. Неклюдов И.М. Исследование причин образования коррозионных дефектов в теплообменных трубах парогенераторов ПГВ-1000. Коррозионные повреждения теплообменных труб парогенераторов Южно-Украинской АЭС / И.М. Неклюдов, Л.С. Ожигов, А.С. Митрофанов, С.В. Гоженко // Сб. науч. тр. СНИЯЭиП. -Вып. 8. - Севастополь: СНИЯЭиП, 2003. - С. 50 - 63.
3. Muscaрa J. Рepoрt of NPC Steam Geneрatoр Woрkshop / J. Muscaрa // Aрgonne SG Mock-up NDE Pound, Bethesda, Maрyland, 27 - 28 Febрuaрy, 2001. - Р. 85-91.
4. Митрофанов А.С. Про причини ушкодження зварних з'еднань №111 парогенераторiв ПГВ-1000 /А.С. Митрофанов, Л.С. Ожигов, £.О. Крайнюк, В.И. Савченко. // Вкник ТДТУ. - Вып. №4. - Тернопшь, 2009. - С. 32 5.
5. Ф. Коротае. Снижение напряжений в областисварного соединения №111 парогенератора ПГВ-1000М механическим способом // Труды 5-й Международной научно-технической конференции «Обеспечение безопасности АЭС с ВВЭР», 29 мая -1 июня 2007 г. Подольск: ФГУП ОКБ «Гидропресс».
6. Бакиров М.Б. Разработка атласа дефектов теплообменных труб парогенераторов АЭС с ВВЭР / М.Б. Бакиров, СМ. Клещук, СВ. Чубаров // Материалы 7-го Ме-ждунар. семинара по горизонтальным парогенераторам, ФГУП ОКБ «Гидропресс», 3 - 5 октября 2006 г. - С. 54 - 5.
© А.С. Черкашин, Н.И. Черкашина, 2015
